МОДУЛЬ РЕКУПЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В БЫТОВУЮ СЕТЬ 220 В (РАЗРЯДНЫЙ МОДУЛЬ - "РМ")

Модуль рекуперации электрической энергии аккумуляторной батареи в бытовую сеть 220 В (Разрядный модуль - «РМ»)
Полезная модель (ПМ) относится к области электротехники, в частности к устройствам разряда аккумуляторных батарей (АКБ), снижающим общий расход электроэнергии за счет возврата потребленной из аккумуляторной батареи энергии в бытовую электрическую сеть переменного напряжения 220 В, 50 Гц.
Известно устройство [Патент СССР №1050014, Н01M 10/42, 1982] для разряда аккумуляторных батарей, состоящее из транзисторного регулирующего органа, датчика разрядного тока, подключенного к усилителю сигнала рассогласования, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и снижения массогабаритных показателей, регулирующий орган выполнен из ряда одинаковых параллельно включенных цепочек, каждая из которых состоит из силового транзистора и включенного в его коллекторную цепь гасящего резистора, причем выход усилителя сигнала рассогласования соединен с базой каждого транзистора через отдельный операционный усилитель, который по входу связан также с соответствующим источником опорного напряжения.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются: датчик тока (блок измерителя входного тока в предлагаемой полезной модели), усилитель сигнала рассогласования (в полезной модели для этой цели установлены блоки измерения входного тока, блоки приемопередатчиков, блоки управления и блоки широтно-импульсной модуляции (ШИМ)).
Причины, препятствующие достижению технического результата, состоят в том, что в указанном аналоге используется для разряда принцип преобразования электрической энергии в тепловую, что требует для обеспечения большой разрядной мощности установки большого количества разрядных транзисторов и отвод большого количества тепла, что технически сложно реализуемо, к тому же аналог не обеспечивает снижения потребления электроэнергии, так как потребляемая из АКБ энергия преобразуется в тепловую энергию и рассеивается в помещении, где установлено устройство. Так же в аналоге отсутствуют блок индикации и блок управления, позволяющие задавать и контролировать разрядный ток или величину напряжения АКБ.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является «Устройство для разряда аккумуляторной батареи» [Патент СССР №902116, Н01M 10/42, H02J 7/00, 1980], содержащее выходные клеммы аккумуляторной батареи, состоящей из последовательно включенных аккумуляторов, сопротивления нагрузки, связанное первым выводом с выходной клеммой, устройство индикации разряда, включенное между выходными клеммами 1 и 2, регулятор напряжения, соединенный выходом со вторым выводом сопротивления нагрузки, датчик тока, включенный между входом регулятора напряжения и выходной клеммой 2, причем выход датчика тока связан со входом управления регулятора напряжения, преобразователь напряжения, количество гальванически развязанных выходов которого равно числу аккумуляторов в аккумуляторной батарее, связанный первым входным выводом с выходной клеммой 1, вторым - со входом регулятора напряжения, а всеми выходами со входами всех выпрямителей, входящих в блок выпрямителей, количество которых равно числу аккумуляторов в аккумуляторной батарее, причем вход каждого выпрямителя связан с одним входом преобразователя напряжения, а к выходам выпрямителя подключены положительным полюсом к положительному выводу, а отрицательным полюсом - к отрицательному выводу, аккумуляторы аккумуляторной батареи, причем к каждому выпрямителю подключен только один аккумулятор.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются: наличие блока индикации (блок индикации и ввода команды у ПМ), блока датчика тока, обеспечивающего стабилизацию разрядного тока (блок измерителя входного тока у ПМ), блока регулятора напряжения (блок ШИМ, блок управления силовыми ключами, блок силовых ключей у ПМ), позволяющего управлять величиной разрядного тока.
Причина, препятствующая достижению технического результата состоит в том, что у аналога передача энергии аккумулятора происходит с регулятора на нагрузочный резистор, где энергия преобразуется в тепловую, а в предлагаемой полезной модели энергия аккумулятора вместо нагрузочного резистора передается на повышающий трансформатор, где выпрямляется и возвращается в электрическую сеть с помощью возвращающего преобразователя.
Задача, на решение которой направлена ПМ, состояла в создании устройства разряда аккумуляторных батарей, снижающего общий расход электроэнергии за счет возврата потребленной из аккумуляторной батареи энергии в бытовую электрическую сеть переменного напряжения 220 В, 50 Гц.
Технический результат достигается тем, что ПМ содержит блок индикации и ввода команды, повышающий преобразователь (ПП), состоящий из блока измерителя входного тока и напряжения, блока управления, блока вспомогательного питания, блока приемопередатчика, блока ШИМ, блока управления силовыми ключами, блока обратной связи, блока трансформатора напряжения, блока выпрямителей, а так же возвращающий преобразователь (ВП), состоящий из блока сетевого выпрямителя, блока приемопередатчика, блока вспомогательного питания, блока управления, блока ШИМ, блока управления силовыми ключами, блока силовых ключей, блока защиты от перегрузки, блока выходного фильтра.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом (фиг.), где:
1) блок индикации и ввода команды;
2) повышающий преобразователь;
3) блок измерителя входного тока и напряжения;
4) блок управления ПП;
5) блок ШИМ ПП;
6) блок управления силовыми ключами ПП;
7) блок обратной связи;
8) блок силовых ключей ПП;
9) блок вспомогательного питания ПП;
10) блок приемопередатчика ПП;
11) блок трансформатора напряжения;
12) блок повышающего трансформатора;
13) блок выпрямителей;
14) возвращающий преобразователь;
15) блок сетевого выпрямителя;
16) блок приемопередатчика ВП;
17) блок защиты от перегрузки ВП;
18) блок управления ВП;
19) блок ШИМ ВП;
20) блок управления силовыми ключами ВП;
21) блок силовых ключей ВП;
22) блок вспомогательного питания ВП;
23) блок выходного фильтра.
Работа устройства начинается с подключения устройства к питающей сети, после чего напряжение питающей сети выпрямляется на блоке сетевого выпрямителя (15) и подается на блок вспомогательного питания повышающего преобразователя (9) и блок вспомогательного питания возвращающего преобразователя (14). Блок вспомогательного питания ПП (9) формирует питающие напряжения для всех основных блоков повышающего преобразователя (2). Блок вспомогательного питания ВП (14) формирует питающее напряжение для всех основных блоков возвращающего преобразователя (14).
После формирования всех питающих напряжений, запускаются блок управления ПП (4) и блок управления ВП (18). Блок управления ПП (4) ожидает команды пользователя на запуск операции разряда, которая поступает через блок индикации и ввода команды (1). При получении команды на разряд, блок управления ПП (4), дает команду на запуск преобразования блоку ШИМ ПП (5) и передает через блок приемопередатчика ПП (10) и блок приемопередатчика ВП (16) команду на запуск для блока управления ВП (18). Далее блок ШИМ ПП (5) через блок управления силовыми ключами ПП (6), начинает коммутировать силовые ключи блока силовых ключей ПП (8). Ток, протекая через блок измерителя входного тока и напряжения (3) через блок силовых ключей ПП (8), начинает поступать на блок повышающего трансформатора (12), где повышается до напряжения 375 В, далее это напряжение выпрямляется и накапливается на блоке выпрямителей (13). В случае если возвращающей преобразователь не включился и напряжение на блоке выпрямителей начинает расти, то через блок трансформатора напряжения (11) данные поступают на блок обратной связи (7) и далее на блок ШИМ ПП (5), который в свою очередь регулирует ширину импульсов таким образом, чтобы значение величины напряжения на блоке выпрямителей (13) не превышало допустимое.
В свою очередь, блок управления возвращающего преобразователя (18), получив команду от блока управления ПП (4), синхронизируется с несущей частотой питающей сети и вырабатывает синхронизированный сигнал управления для блока ШИМ ВП (19), который через блок управления силовыми ключами ВП (20) начинает коммутировать ключи блока силовых ключей ВП (21), регулирую ширину импульсов в зависимости от состояния сигнала управления (управляющей синусоиды, сформированной блоком управления ВП (18)). Энергия, накопленная на блоке выпрямителей (13), поступает на блок силовых ключей ВП (21) через блок защиты от перегрузки ВП (17), и в случае если произойдет рассинхронизация несущей частоты сети и частоты, задаваемой блоком управления ВП (18), то блок зашиты от перегрузки ВП (17) зафиксирует рост величины тока, протекающего через него и выработает сигнал защиты, который поступит на блок ШИМ ВП (19), прекращая его работу, а так же на блок управления ВП (18), сигнализируя о неисправности. Далее, сформированные импульсы, ширина которых зависит от величин текущего напряжения и фазы питающей сети, поступают с блока силовых ключей ВП (21) на блок выходного фильтра (23), где фильтруются до синусоидального сигнала, повторяющего форму сети.
В процессе работы блок управления ПП (4) постоянно получает данные от блока измерителя входного тока и напряжения (3), которые передает для индикации на блок индикации и ввода команды (1). Так же анализируя значения величины силы потребляемого тока и напряжения АКБ, блок управления ПП (4) регулирует работу блока ШИМ ПП (5) и передает эту информацию через блоки приемопередатчиков (10) и (16) на блок управления ВП (18), который в свою очередь, изменяя амплитуду задающего сигнала (управляющей синусоиды) регулирует величину силы возвращаемого, а следовательно, и потребляемого из АКБ тока.
Блок индикации и вода команды (1) реализуется с помощью символьного жидкокристаллического индикатора и кнопок. Блоки вспомогательного питания (9), (22) реализуются по классической схеме обратноходового импульсного преобразователя. Блок сетевого выпрямителя (15) представляет собой низкочастотный диодный мост с электролитическими конденсаторами и системой фильтров. Блоки приемопередатчиков (10), (16) реализуются на однокристальных приемопередатчиках интерфейса RS-485 с гальванической изоляцией и со всторенным источником питания. Блок защиты от перегрузки ВП (17) представляет собой трансформатор тока, выполненный на тороидальном ферритовом сердечнике. Блоки управления (4), (18) представляют собой однокристальные микроконтроллеры со встроенным широтно-импульсным модулятором (или цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП)), аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и интерфейсом UART. Блок измерителя входного тока и напряжения (3) реализуется на токоизмерительном шунте - для измерения тока и резистивном делителе - для измерения напряжения, с последующим формированием на операционных усилителях напряжений, необходимых для работы АЦП блока управления. Блок ШИМ ПП (5) реализуется на однотактном ШИМ контроллере с обратной связью по напряжению. Блок обратной связи (7) - это схема компенсации контура обратной связи с фильтрами от помех. Блок ШИМ ВП (19) реализуется на двухтактном ШИМ контроллере, обеспечивающем преобразование по мостовой схеме для получения положительной и отрицательной полуволны синусоидального сигнала. Блоки управления силовыми ключами (6), (20) реализуются на специализированных драйверах для управления мощными MOSFET транзисторами. Блок силовых ключей ПП (8) представляет из себя мощные силовые ключи с низким сопротивлением сток-исток и схему демпферов. Блок силовых ключей ВП (21) представляет из себя силовые ключи с высоким напряжением сток-исток не менее 500 В, а так же схему демпферов. Блок выпрямителей (13) реализуется на высоковольтных диодах «fast-recovery», включает схему демпферной обвязки и высоковольтные электролитические конденсаторы, обеспечивающие накопление энергии. Блок выходного фильтра (23) реализуется на дросселях, изготовленных на сердечнике из распыленного железа и конденсаторов с диэлектриком из полимерной пленки.
В настоящее время изготовлен опытный образец предлагаемого устройства. Испытания подтвердили его работоспособность и соответствие всем заявленным характеристикам. Разработан комплект конструкторской документации, выполненный в соответствии с ЕСКД.