Электромагнитное реле для переключения аккумуляторных батарей
ELECTROMAGNETIC RELAY FOR BATTERIES SWITCHING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области ветроэнергетики, а более конкретно к индивидуальным ветроэлектрическим установкам, работающим на зарядку аккумуляторных батарей с последующим преобразованием инвертором накопленной энергии в электрический ток нужных напряжения и частоты.
Уровень техники
Известны и широко применяются в стационарных условиях и в автомобилях большой мощности параллельное и последовательное подключение аккумуляторных батарей на зарядку от электрогенератора (см. В.E. Ютт. Электрооборудование автомобилей: Учеб. для студентов вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1995. С. - 52-63).
Параллельное подключение аккумуляторных батарей к стабилизированному по требуемой величине напряжения источнику постоянного тока применяется тогда, когда их номинальное напряжение соответствует номинальному напряжению электрогенератора. За номинальное напряжение аккумуляторной батареи принимается ЭДС на ее клеммах после полной зарядки и выравнивания заряда. Для электрогенератора за номинальное напряжение принимается напряжение, соответствующее напряжению полностью заряженной батареи. При этом существует понятие «максимальный ток зарядки» и «максимальное напряжение зарядки», которое выше условного номинального напряжения.
Последовательное подключение применяется при малом количестве аккумуляторных батарей, когда требуемое для зарядки напряжение электрогенератора соответствует напряжению последовательно подсоединенному их количеству.
В стационарных условиях зарядку аккумуляторных батарей номинальным напряжением 12 В проводят при параллельном их подключении к источнику постоянного тока с номинальным напряжением 12 В, зарядку аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 24 В также проводят при параллельном их подключении к источнику постоянного тока напряжением 24 В и контролируют по току зарядки или напряжению. При зарядке аккумуляторных батарей от электрической сети, напряжение которой всегда стабильно, автоматическое регулирование процесса зарядки аккумуляторных батарей отработано и не вызывает проблем. Но эти же стационарные методы зарядки аккумуляторных батарей применяются и в ветроэнергетике при работе индивидуальной ветроэлектрической установки.
Недостатки использования стационарных способов зарядки аккумуляторных батарей в индивидуальной ветроэлектрической установке состоят в том, что стабилизация выходного напряжения электрического тока электрогенератора представляет значительные трудности, связанные с переменной скоростью ветра и изменением количества оборотов ветроколеса в широких пределах, практически от нуля до максимальных, допускаемых конструкцией ветродвигателя. Несмотря на применяемые способы регулирования выходного напряжения электрогенератора при изменении скорости ветра, оно изменяется в значительных пределах и выходит из диапазона, необходимого для зарядки. В результате понижения напряжения, выдаваемого 12-вольтным электрогенератором ниже 12 В аккумуляторные батареи с номинальным напряжением 12 В зарядку не принимают. При завышении напряжения сверх необходимого оно гасится регулятором напряжения и вырабатываемая электрическая энергия ветроэлектрической установкой недоиспользуется для зарядки 12-вольтных аккумуляторных батарей. Аналогичный процесс происходит и при работе 24-вольтного электрогенератора при зарядке 24-вольтных аккумуляторов.
При формировании 12-вольтных аккумуляторных батарей в группы по две батареи, соединенные последовательно и подсоединенные к электрогенератору с номинальным напряжением 24 В группами параллельно, также не обеспечивается более полного использования электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором индивидуальной ветроэнергетической установки для зарядки, потому что при уменьшении зарядного напряжения электрогенератора ветроэнергетической установки, которое имеет место при уменьшении скорости ветра, аккумуляторные батареи не заряжаются. При увеличении скорости ветра и увеличении зарядного напряжения электрогенератора регулятор уменьшает это напряжение до необходимого. Следовательно, как при пониженном напряжении, так и при повышенном электрическая энергия, вырабатываемая индивидуальной ветроэнергетической установкой, не используется для зарядки.
Из сказанного следует, что для полного использования электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором индивидуальной ветроэнергетической установкой, будет рациональным использовать электрогенератор с номинальным напряжением 24 В, а подключать к нему на зарядку 12-вольтные батареи при напряжении ниже 24 В параллельно, а при повышенном напряжении выше 24 В те же 12-вольтные батареи, но соединенные по две последовательно, образуя таким образом параллельную и попарно-параллельную зарядку в соответствии с напряжением, вырабатываемым электрогенератором. Это переключение аккумуляторных батарей должно выполняться автоматически синхронно с изменением напряжения на клеммах электрогенератора индивидуальной ветроэлектрической установки. Такого автоматического переключателя аккумуляторных батарей на данный момент не существует.
Для решения поставленной задачи были рассмотрены электромагнитные реле, состоящие из катушки, магнитопровода, якоря и системы 2-х и более контактов с различными вариантами переключения. Рассмотренные варианты конструктивно имеют конкретное целевое назначение и для решения поставленной задачи не подходят (см. Патент RU 224577 С2, Электромагнитное реле для низковольтного выключателя электропитания). Цель данного изобретения состоит в расширении диапазона регулирования порога отключения за счет усовершенствования конструкции регулирующих элементов и не решает задачу переключения режимов зарядки. Поэтому нет необходимости рассматривать ее работу.
Также не решает задачу разработка (см. патент RU 2352011 С1, Электромагнитное реле), поскольку комбинация ее контактов не позволяет выполнять необходимые переключения аккумуляторов.
Электромагнитное реле повышает виброустойчивость контактной системы, но не позволяет выполнить необходимую комбинацию переключений аккумуляторов (см. Патент RU 2435245 С1, Реле электромагнитное).
Электромагнитное реле улучшает систему стабилизации контактной системы, но не позволяет выполнять необходимое переключение применительно к поставленной задаче (см. Патент RU 2458426 С1, Реле электромагнитное).
Наиболее близким по технической сущности, принятой авторами за прототип, является реле электромагнитное с переключающимися контактами. Изобретение предназначено для коммутации электрических цепей при заданных изменениях электрических входящих величин. Реле состоит из сердечника и якоря, выполненных из магнито-мягкого материала, обмотки, выполненной из провода, возвратной пружины, пары нормально разомкнутых и пары нормально замкнутых контактов. Технический результат - снижение затрат энергии при включении реле, снижение времени на включение и отключение. Работа реле состоит в том, что при подаче напряжения на обмотку якорь притягивается к сердечнику, разъединяет нормально замкнутые контакты. Сущность изобретения заключается в том, что нормально разомкнутые контакты реле закреплены непосредственно на плоскостях соприкосновения якоря и сердечника электромагнита, а нормально замкнутые контакты - на соприкасающихся плоскостях якоря и упора якоря (см. Патент RU 2449407 С1, Реле электромагнитное с переключающимися контактами).
Недостатком данного электромагнитного реле, принятого за прототип, применительно к задаче переключения аккумуляторных батарей является невозможность создания необходимой комбинации подключения аккумуляторных батарей к электрогенератору на имеющейся контактной системе и ее регулировки на заданные входные параметры электрических величин по напряжению, выдаваемому электрогенератором индивидуальной ветроэнергетической установки.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка электромагнитного реле для автоматического переключения 12-вольтных аккумуляторных батарей при зарядном напряжении электрогенератора индивидуальной ветроэнергетической установки ниже 24 В на параллельную, а при выше 24 В на попарно-параллельную зарядку.
Технический результат данного изобретения сводится к более полному использованию электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором индивидуальной ветроэлектрической установки для зарядки аккумуляторов при изменении скорости ветра.
Технический результат достигается тем, что электромагнитное реле дополнительно содержит разъединитель, выполненный из диэлектрического материала и укрепленный на якоре на плоскости, не соприкасающейся с сердечником, и входящий между двумя подвижными контактами, расположенными по обе стороны от разъединителя и замкнутыми каждый соответственно на установленные напротив них неподвижные контакты, винт регулировки хода разъединителя, винт регулировки хода якоря, при этом один неподвижный контакт соединен шиной с положительными клеммами первой группы аккумуляторов, которые отрицательными клеммами соединены шиной с подвижным контактом, второй неподвижный контакт соединен шиной с отрицательными клеммами второй группы аккумуляторов, которые положительными клеммами соединены шиной со вторым подвижным контактом, работой электромагнитного реле для переключения батарей с параллельного на попарно-параллельную зарядку, управляет электронный ключ, состоящий из триода, в коллекторную цепь которого включена обмотка катушки электромагнитного реле по схеме с общим эмиттером, а клеммы электронного ключа подключены к клеммам электрогенератора, соблюдая полярность. В результате работы электромагнитного реле при понижении зарядного напряжения менее 24 В все аккумуляторные батареи номинальным напряжением 12 В автоматически подключаются электромагнитным реле к электрогенератору на параллельную зарядку. Это возможно потому, что при подсоединении на зарядку и прохождении зарядного тока напряжение на клеммах электрогенератора падает до величины, позволяющей аккумуляторным батареям нормально заряжаться без перегрева. Если при пониженном напряжении менее 24 В на зарядку подключить батареи на 24 В, то они заряжаться не станут. Таким образом, учитывая, что напряжение, выдаваемое 24-вольтным электрогенератором, колеблется в значительных пределах, возможность зарядки 12-вольтных аккумуляторных батарей при параллельном подключении их к 24-вольтному электрогенератору при понижении напряжения реально и явно свидетельствует о наиболее полном использовании электрической энергии, вырабатываемой индивидуальной ветроэлектрической установкой.
При повышении напряжения электрогенератора выше 24 В, вместо того, чтобы гасить его до требуемой для зарядки 12-вольтных аккумуляторных батарей величины, все 12-вольтные аккумуляторные батареи электромагнитным реле автоматически переключаются попарно последовательно, и каждая пара подсоединяется на зарядку к 24-вольтовому электрогенератору параллельно. Это подсоединение аккумуляторных батарей можно назвать попарно-параллельным. Таким образом, автоматически изменяя способ подсоединения 12-вольтовых аккумуляторных батарей на зарядку с параллельного подключения на попарно-параллельное и наоборот, используется для зарядки больший диапазон напряжения электроэнергии, вырабатываемой индивидуальной ветроэнергетической установкой. Этот способ можно применить и для зарядки 6-вольтных аккумуляторных батарей от 12-вольтного электрогенератора ветроэлектрической установки, но ввиду их малой емкости и потребности в большом количестве это технически возможно, но экономически нецелесообразно. Более рационален переход всех индивидуальных ветроэлектрических установок на использование 24-вольтных электрогенераторов с параллельной и попарно-параллельной зарядкой 12-вольтных аккумуляторных батарей, тем более что регуляторы напряжения вмонтированы в сами электрогенераторы, а предлагаемый автоматический переключатель может находиться рядом с аккумуляторными батареями и не требует никаких изменений.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показано электромагнитное реле для переключения аккумуляторных батарей на параллельную и попарно-параллельную зарядку.
На фиг. 2 тоже представлена электрическая схема подключения аккумуляторных батарей на параллельную и попарно параллельную зарядку.
На фиг. 3 тоже представлена электрическая схема включения и выключения обмотки электромагнитного реле в зависимости от напряжения, выдаваемого электрогенератором ветроэлектрической установки.
Осуществление изобретения
а
Все аккумуляторные батареи имеют номинальное напряжение 12 В и автоматически подключаются к электрогенератору номинальным напряжением 24 В индивидуальной ветроэнергетической установки в следующих комбинациях. При понижении зарядного напряжения менее 24 В все аккумуляторные батареи подключаются на зарядку параллельно, а при повышении напряжения свыше 24 В они соединяются по две батареи последовательно и каждая пара подключается на зарядку параллельно, то есть на попарно-параллельную зарядку, с помощью электромагнитного реле (см. фиг. 1), которое состоит из сердечника 1 и якоря 2, выполненных из магнито-мягкого материала, обмотки 3, выполненной из провода и расположенной на сердечнике 1, возвратной пружины 4, и дополнительно содержит: разъединитель 5, выполненный из диэлектрического материала и укрепленный на якоре 2 на плоскости, не соприкасающейся с сердечником 1, и входящий между двумя подвижными контактами 6 и 7, расположенными по обе стороны от разъединителя 5 и замкнутыми каждый соответственно на установленные напротив них неподвижные контакты 8 и 9; винт 10 регулировки хода разъединителя 5; винт 11 регулировки хода якоря 2. При этом один неподвижный контакт 8 соединен шиной 12 с положительными клеммами группы аккумуляторов 13 (см. фиг. 2), которые отрицательными клеммами соединены шиной 14 с подвижным контактом 6, второй неподвижный контакт 9 соединен шиной 15 с отрицательными клеммами второй группы аккумуляторов 16, которые положительными клеммами соединены шиной 17 с подвижным контактом 7. Работой электромагнитного реле для переключения аккумуляторных батарей управляет электронный ключ (см. фиг. 3), состоящий из триода 18, в коллекторную цепь которого включена обмотка 3, зашунтированная конденсатором 19, переменных резисторов 20 и 21, соединенных согласно электросхеме, на которой указаны точки  и в, к которым подключается вольтметр при настройке электронного ключа на режим работы. Электронный ключ подключен к клеммам электрогенератора, соблюдая полярность.
Работа электромагнитного реле для переключения аккумуляторных батарей осуществляется следующим образом.
В исходном положении, за которое принимается неработающая ветроэнергетическая установка по причине отсутствия ветра, напряжение на клеммах электрогенератора, но не на его обмотке, равно номинальному напряжению группы аккумуляторных батарей 13, 16 и составляет 12 В (см. фиг. 2), потому что он подключен к батареям через шины 12, 17 и 14, 15 и замкнутые контакты 6, 9 и 7, 8. В исходном положении контакты 6 и 7 разомкнуты разъединителем 5 под воздействием пружины 4. Катушка 3 электромагнитного реле в исходном положении обесточена, потому что транзистор 18 откроется только тогда, когда ветроэлектрическая установка начнет работать и напряжение на клеммах электрогенератора достигнет 24 В. При достижении напряжения 24 В транзистор 18 откроется, через катушку 3 электромагнитного реле пойдет ток, якорь 2 притянется к сердечнику 1 электромагнитного реле, контакты 6, 9 и 7, 8 разомкнутся, а контакты 6, 7 замкнутся, произойдет переключение группы аккумуляторных батарей 13 и 16 на зарядку с параллельного на попарно-параллельное. Достижение необходимой работы электромагнитного реле обеспечивается (см. фиг. 3) предварительным регулированием напряжения на катушке 3 сопротивлением 20 и напряжения открытия транзистора 18 сопротивлением 21 следующим образом: катушка 3 предварительно включается в схему электронного ключа (см. фиг. 3) и один ее вывод В подключается напрямую к клемме +. На клеммы электронного ключа подается напряжение постоянного тока 24 В, после чего увеличивают напряжение на выводах катушки уменьшением сопротивления 20 до тех пор, пока электронное реле притянет якорь 2. Отключают вывод В от положительной клеммы и увеличивают напряжение на базе Б транзистора с помощью сопротивления 21, до срабатывания электромагнитного реле. Безусловно, катушка 18 электромагнитного реле выбирается на ток срабатывания, достигаемый при 24 В, как и напряжение открытия транзистора 18.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими коммуникационными устройствами зарядки аккумуляторных батарей от индивидуальной ветроэнергетической установки имеет следующие преимущества.
При уменьшении зарядного напряжения ниже 24 В, выдаваемого 24-вольтным электрогенератором, 24-вольтные аккумуляторные батареи, подключенные параллельно, не могут заряжаться, а 12-вольтные батареи, подключенные параллельно, могут заряжаться. Таким образом, электроэнергия, вырабатываемая 24-вольтным электрогенератором при меньшей скорости ветра, используется более полно.
При повышении зарядного напряжения свыше 24 В все батареи переключаются на зарядку по попарно-параллельной схеме. При этом не требуется гасить избыточное напряжение.
Таким образом, и при повышенном напряжении диапазон использования электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором, увеличивается, что имеет место при повышенной скорости ветра, а время нахождения аккумуляторных батарей и их готовность к эксплуатации значительно сокращается.
Использование электромагнитного реле для переключения аккумуляторных батарей не исключает обычных способов регулирования выходного напряжения электрогенератора. Оно только делит выходное напряжение на два поддиапазона в зависимости от условий работы ветроэнергетической установки, и в каждом поддиапазоне осуществляется зарядка аккумуляторных батарей. В каждом поддиапазоне могут быть использованы известные контроллеры, которые автоматически распознают напряжение для зарядки 12-вольтных и 24-вольтных аккумуляторных батарей. Но это отдельный вопрос, не входящий в суть нашего изобретения, поэтому он не рассматривается в данной заявке.