СПОСОБ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НАГРУЗКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR AUTONOMOUS LOAD POWER SUPPLY AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Способ и устройство относятся к области электротехники и предназначены для электропитания нагрузки от аккумулятора, например, электрохимического или конденсаторного. Способ и устройство могут использоваться для питания различного электрического оборудования, в том числе, осветительных и нагревательных приборов, а также  в системах электроснабжения мобильных устройств:  электровелосипедов; электромотоциклов; электромобилей; летательных аппаратов с электроприводом.
Известна стандартная схема повышающего преобразователя постоянного напряжения, содержащая последовательно соединённые катушку индуктивности, диод, накопительный конденсатор, параллельно которому подключена нагрузка, а между катушкой и диодом выполнен ключ, предназначенный для создания импульсов экстратока размыкания.
Когда замыкают ключ, ток в катушке возрастает, в ней накапливается энергия. При размыкании ключа импульс экстратока размыкания передается конденсатору и нагрузке (книга:  В. И. Лачин, Н. С. Савёлов – Электроника: учебное пособие – Изд. 7-е. – Ростов н/Д: Феникс, 2009, с.672).
Недостаток  известного преобразователя в том, что нагрузка постоянно подключена к первичному источнику питания. Другой недостаток, это отсутствие возможности рекуперации энергии.
Известен патент США, US6545444, приоритет 8.04.2003:  «Устройство и способ использования монополюсного двигателя для создания обратной ЭДС для зарядки батарей». Устройство содержит в качестве первичного источника электропитания аккумулятор, его энергию расходует электромеханический  генератор импульсов реактивной энергии, которыми заряжают разряженные аккумуляторы.
Недостатком известного изобретения является отсутствие возможности рекуперации энергии в первичный источник. Другой недостаток состоит в низкой частоте импульсов реактивной энергии, что значительно снижает эффективность устройства.
ш
ш
ист
ш
ш
0,5
2
2
Известен  источник питания, содержащий электрохимический источник тока, ключевой элемент с блоком управления и индуктивный накопитель энергии с индуктивностью L, отличающийся тем, что электрохимический источник тока зашунтирован конденсатором емкостью С, в качестве электрохимического источника тока взят источник тока с водным раствором электролита, газодиффузионным катодом и эквивалентным внутренним сопротивлением R, определяемым выражением R=(0,09÷0,14)(L/C), при этом соотношение емкостей электрохимического источника тока и шунтирующего конденсатора определяется выражением С=(50÷100)С, а соотношение емкости шунтирующего конденсатора и индуктивности накопителя энергии определяется выражением LC=(2/π)/Т, где Т - время накопления энергии в индуктивном накопителе.
Известен способ эксплуатации источника питания, заключающийся в периодическом подключении и отключении электрохимического источника тока с напряжением разомкнутой цепи U и током короткого замыкания I к индуктивному накопительному элементу посредством ключевого элемента, отличающийся тем, что контролируют напряжение и ток нагрузки и при достижении значения тока величины (0,1÷0,2)I отключают электрохимический источник тока от индуктивного накопительного элемента, а при достижении напряжения на электрохимическом источнике тока величины (0,6÷0,8)U вновь подключают электрохимический источник тока к индуктивному накопительному элементу (патент RU2302060, приоритет 20.12.2005).
Известно, что динамическая индуктивность трансформатора или дросселя с сердечником зависит от скорости изменения тока намагничивания (см. Манаков А. Д. Динамическая индуктивность трансформатора/ Журнал «Известия Петербургского университета путей сообщения».  Выпуск №2, 2010, стр.237, рис.7). Из  наших экспериментов  установленову, что индуктивность дросселя даже без сердечника зависит от изменения тока в обмотке, а именно – чем выше амплитуда импульса экстратока, тем меньше индуктивность.
Опираясь на приведённую информацию можно указать на следующий недостаток изобретения по патенту RU2302060.
При генерации импульсов экстратока размыкания ключа их амплитуда напряжения выше напряжения первичного источника и выше напряжения на шунтирующем конденсаторе. С приходом очередного импульса, как только на конденсаторе начинает  увеличиваться напряжение, немедленно появляется дополнительный ток через индуктивный накопитель, который уменьшает его индуктивность и реактивное сопротивление. В результате потребление электроэнергии из первичного источника в течение действия импульса увеличивается, т.к. импеданс всей цепи для первичного источника уменьшился.
Таким образом, в реальности вместо рекуперации в известном изобретении,  наоборот, потребление увеличивается.
Известен преобразователь, включающий в себя входной конденсатор; регулируемый стабилизатор тока, состоящий из ключевого элемента, диода, дросселя и датчика тока; мостовой преобразователь, имеющий четыре ключевых элемента, трансформатор, выпрямитель и выходной конденсатор; датчик выходного тока и схему управления, отличающийся тем, что между входом мостового преобразователя, соединенным с выходом регулируемого стабилизатора тока, и точкой подключения входного напряжения преобразователя к входу регулируемого стабилизатора тока и входному конденсатору установлен диод (патент на полезную модель: RU117744, приоритет 25.10.2011).
В известном изобретении рекуперация отсутствует по той же причине, которая описана выше.
В предлагаемом изобретении вышеперечисленные недостатки устройств с аккумуляторным электропитанием устранены.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности систем автономного электропитания, использующих первичным источником энергии электрохимические или конденсаторные аккумуляторы.
Заявленное изобретение обеспечивает технический результат, заключающийся в том, что максимально увеличивают долю реактивной энергии с использованием первичного источника питания, преобразуют её в активную форму и используют для питания нагрузки и рекуперации.
Технический результат достигается предлагаемым способом автономного электропитания нагрузки с использованием аккумулятора, повышающего преобразователя постоянного напряжения с конденсаторным накопителем на выходе и контроллером, в соответствии с которым аккумулятор подключают к преобразователю, с выхода которого питают нагрузку, при этом  конденсаторный накопитель заряжают и разряжают циклически, причем его заряжают до заданной величины напряжения при неподключенной нагрузке, затем отключают аккумулятор от преобразователя и подключают его к конденсаторному накопителю последовательно с нагрузкой, разряжают последний до заданной величины напряжения, далее циклы повторяют аналогично, при этом конденсаторный накопитель заряжают от преобразователя пачками импульсов, а каждое подключение аккумулятора осуществляют только после физического завершения предшествующего отключения, причем контроллером задают команду на разряд, когда уровень напряжения конденсаторного накопителя превысит суммарное напряжение аккумулятора с номинальным напряжением нагрузки, а команду на заряд, когда напряжение на конденсаторном накопителе сравняется с напряжением аккумулятора.
При этом продолжительность физического отключения аккумулятора  задают равной длительности не больше суммарной длительности части  импульсов в пачке.
Причем в преобразователе формируют пачки из  реактивных импульсов экстратока размыкания, прерывая ток в цепи с индуктивностью до наступления установившегося значения.
Устройство для автономного электропитания нагрузки, содержащее в качестве первичного источника электропитания аккумулятор с шунтирующим конденсатором и схему, включающую генератор реактивных импульсов в виде повышающего преобразователя постоянного напряжения, содержащего ключевой элемент, предназначенный для прерывания тока в цепи с индуктивностью, соединённую с диодом, предназначенным для вывода реактивных импульсов в накопительный конденсатор, контроллер,  при этом оно снабжено вторым ключевым элементом, предназначенным для циклических переключений аккумулятора с режима питания схемы на режим потребления энергии из накопительного конденсатора, причем в режиме потребления в цепь аккумулятор, накопительный конденсатор последовательно включена рабочая нагрузка.
При этом второй ключевой элемент имеет одно направление и два положения, причем контакт для направления подключен к  полюсу аккумулятора,  контакт одного из положений соединен с шиной питания преобразователя, а  контакт другого положения соединен   с    выводом нагрузки,  второй вывод которой соединён с накопительным конденсатором.
К
1
2
1
2
Н
A
Р
C
1
Изобретение поясняется чертежами:  фиг.1 –  пример электрической схемы  автономного электропитания нагрузки;  фиг.2 – диаграммы сигналов к схеме на фиг.1. Введены цифровые обозначения:  1 и 2 – управляющие выходы контроллера; 3 – вход контроллера для сигналов обратной связи. Буквенные обозначения:  А – аккумулятор; С и С – конденсаторы; D – диод; L – индуктивность; К – ключ для прерывания тока в повышающем преобразователе напряжения; К – переключающий ключ;  а, в, с – контакты;  R – нагрузка;  U – напряжение на полюсах аккумулятора; U, U, U – точки подключения для регистрации сигналов;
П
С
1
З
1
Р
1
И
2
Т – период управляющих импульсов с выхода 1  контроллера, равен периоду импульсов внутри пачки; Т – период начала заряда конденсатора С, равен периоду повторения пачек; Т – длительность заряда конденсатора С; Т – длительность разряда конденсатора С;  t – длительность переключения ключа К;  t – координатное время.
2
2
2
1
1
1
Н
2
1
2
К
Аккумулятор с параллельным конденсатором С плюсовым полюсом соединён с контактом  с  ключа К.  Контакт а  ключа К соединен с входом питания повышающего преобразователя напряжения, содержащего индуктивность L, ключ К, диод D, накопительный конденсатор С. К  точке соединения  катода диода D  и  конденсатора С одним выводом присоединена нагрузка R, которая другим выводом соединена с контактом  в  ключа К .  Контроллер задает частоту и скважность импульсов в пачке и управляет ключами К и  К  по сигналам обратной связи на входе 3. Контроллер имеет либо  свой  источник питания, либо подключен к аккумулятору А-  условно не показано.
В предлагаемом изобретении устройство работает следующим образом.
2
1
К
1
A
1
1
1
З
1
В исходном положении ключ К замыкает контакты а  и  с, ключ К разомкнут.  Подключают аккумулятор А, через индуктивность L  и  диод D заряжается конденсатор С до напряжения равного напряжению U  на полюсах аккумулятора и  в  дальнейшем оно  не опускается ниже. Начинает работать ключ К, на аноде диода появляются пачки  высоковольтных импульсов экстратока размыкания ключа К.  Энергия этих импульсов накапливается в конденсаторе С в течение времени Т. В момент, когда напряжение на конденсаторе С  превышает на заданную величину суммарное напряжение
C
R
А
U > U + U,
R
A
2
1
Н
К
Р
A
2
2
И
где  U – номинальное напряжение нагрузки, U – напряжение аккумулятора, срабатывает ключ К :   контакты с  и  а  размыкаются, а с  и  в  замыкаются. При этом  конденсатор С  разряжается через нагрузку R  и  аккумулятор А, возвращая  в него часть потраченной энергии. Разряд заканчивается через время Т, при этом напряжение на конденсаторе  опускается до уровня  напряжения аккумулятора U, в этот момент ключ К  снова срабатывает:  контакты с  и  в  размыкаются, а  с  и  а  замыкаются. Длительность переключения ключа К  равна t. Далее очередной цикл повторяется аналогично.
-3
П
К
1
Если используется в качестве переключающего ключа электромеханическое реле, то  у него замыкание контактной пары происходит после физического завершения размыкания предыдущей контактной пары. Это следствие его конструктивного устройства. Большой  недостаток такого ключа в его тихоходности:  частота переключений не более десятков герц.  Эффективность источника питания по предлагаемому изобретению возрастает при увеличении частоты импульсов в пачках. На высоких частотах могут работать мощные полевые транзисторы, но у них физический процесс размыкания отличается от механических реле. Длительность размыкания затягивается из-за конечного времени рассасывания носителей заряда в полупроводнике. Например, при включении контактной пары, когда ещё не закончился физический процесс предшествующего размыкания, контакты с, в, а  одновременно замкнуты некоторое время. Пусть частота импульсов в пачке 50 Кгц, а частота переключений 50 гц:  цифры взяты только для наглядности примера. Предположим, что продолжительность такой закоротки  1⋅10сек, тогда в течение этого времени проскочит 500 импульсов экстратока. При этом, за время Т  действие каждого импульса  снижает импеданс цепи:  аккумулятор A, индуктивность L,   ключ К . По этой причине увеличивается потребление активной энергии из аккумулятора и бесполезно используется реактивная. С этой точки зрения следует обращать самое серьёзное внимание к выбору коммутирующих приборов. В интернете известно большое количество различных схем, в которых авторы пытались выполнить рекуперацию подключив напрямую накопитель в обратном направлении. В реальности их схемы не дают ожидаемого эффекта по указанной выше причине.
В предлагаемом изобретении максимально снижены активные потери при генерации импульсов экстратока размыкания. Это позволяет увеличивать долю реактивной энергии относительно активных затрат, накапливать её и использовать для питания нагрузки и рекуперации в аккумулятор.
Изобретение позволяет применять низковольтные и высоковольтные аккумуляторы, повышает их КПД. В целом, предлагаемое изобретение увеличивает эффективность систем автономного электропитания.