НАКОПИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА БАЗЕ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ ДЛЯ ВЫСОКОМОЩНОГО ИМПУЛЬСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Заявляемое техническое решение относится к преобразовательной технике и предназначено для создания накопителя электрической энергии, обеспечивающего питание высокомощного импульсного оборудования.
Накопитель может использоваться в сетях переменного и постоянного тока для улучшения качества сетевого напряжения, а также энергоснабжения устройств, требующих подведения большой мощности в течение коротких промежутков времени, в частности, рентгеновских аппаратов; как источник бесперебойного питания.
Из уровня техники известна система накопления электрической энергии на базе аккумуляторных батарей и суперконденсатора, описанная в патенте РФ №2512880, кл. H02J 7/02, опубл. 10.04.2014 г. Указанная система накопления помимо суперконденсатора включает также предохранители, двунаправленные инверторы, систему управления инверторами, систему управления системой накопления. Данная система предназначена для обеспечения сглаживания пиков потребления электрической энергии, улучшения качества сетевого напряжения, обеспечения бесперебойного питания автономной нагрузки.
Однако такая система накопления имеет небольшую мощность, сравнимую со стандартной мощностью сети, при этом в ней отсутствует устройство балансировки, что может привести к выходу из строя и некорректной работе устройства. Также поскольку система не может обеспечивать большие мощности, ее нельзя использовать для питания высокомощного импульсного оборудования, в частности, рентгеновских аппаратов.
Известно также устройство, раскрытое в публикации US №20140145508, кл. H02J 4/00, опубл. 29.05.2014 г., состоящее из множества энергоблоков, образующих накопитель, включающих суперконденсаторы, преобразователи напряжения, инверторы, контроллеры и регуляторы напряжения. Данное устройство предотвращает скачки напряжения и может использоваться в качестве источника бесперебойного питания.
Однако в указанном устройстве отсутствует устройство балансировки, защищающее суперконденсаторы от выхода из строя, а также устройство разрядки, обеспечивающее безопасную разрядку конденсаторного модуля и содержащее рекуперирующие элементы для возвращения электрической энергии обратно в сеть, поэтому указанное устройство не может обеспечить безопасное и энергоэффективное питание высокомощного импульсного оборудования.
Наиболее близким аналогом заявляемого решения можно назвать устройство, обеспечивающее питание мобильных рентгеновских аппаратов, описанное в патенте CN №102611188, кл. H02J 15/00, опубл. 25.07.2012. Известное устройство, включающее суперконденсаторы, зарядное устройство, фильтры, переключатели цепи, инвертор, подключается к электрической сети и накапливает мощность, необходимую для питания мобильного рентгеновского аппарата, а затем преобразует ее в виде импульсов в момент съемки. В стационарном режиме питание мобильного рентгеновского аппарата осуществляется напрямую от сети.
Однако известное устройство не может использоваться для безопасной работы с рентгеновским аппаратом, т.к. в нем отсутствует устройство балансировки, защищающее суперконденсаторы от выхода из строя. Также отсутствует устройство разрядки, обеспечивающее безопасную разрядку конденсаторного модуля и содержащее рекуперирующие элементы, используемые для возвращения электрической энергии обратно в сеть. Без этого устройства невозможен сброс накопившейся после завершения работы рентгеновского аппарата энергии, а значит, невозможно безопасное и энергоэффективное подключение высокомощного импульсного оборудования. Кроме того, указанное устройство используется для питания мобильных рентгеновских аппаратов, потребляющих небольшие мощности, но не предназначено для стационарного рентгеновского оборудования.
Устранение указанных недостатков известных из уровня техники устройств является задачей заявляемого решения.
Технический результат, которой может быть получен при использовании настоящего решения, заключается в обеспечении безопасной и энергоэффективной работы высокомощного импульсного оборудования, накоплении и преобразовании требуемой для работы данного оборудования мощности, питании высокомощного импульсного оборудования во время работы на полной мощности.
Указанный технический результат обеспечивается накопителем электрической энергии на базе суперконденсаторов с функцией преобразования мощности. Накопитель содержит выпрямитель, подключенный к зарядному устройству, зарядное устройство, подключенное к выпрямителю и конденсаторному модулю, конденсаторный модуль с суперконденсаторными ячейками, также подключенный к зарядному устройству, блок, содержащий высокомощный DC-AC преобразователь, устройство управления. При этом он включает также устройство балансировки и устройство разрядки с рекуперирующими элементами, причем конденсаторный модуль подключен к блоку, выполненному на базе высокомощного DC-AC преобразователя, устройству разрядки, устройству балансировки и устройству управления. Устройство управления также соединено с конденсаторным модулем, устройством балансировки, устройством зарядки и устройством разрядки. Также технический результат обеспечивается накопителем электрической энергии на базе суперконденсаторов с функцией преобразования мощности, содержащим выпрямитель, подключенный к зарядному устройству, зарядное устройство, подключенное к выпрямителю и конденсаторному модулю, конденсаторный модуль с суперконденсаторными ячейками, также подключенный к зарядному устройству, блок, содержащий высокомощный DC-AC преобразователь, устройство управления. При этом он включает также устройство балансировки и устройство разрядки с рекуперирующими элементами, причем конденсаторный модуль подключен к блоку, выполненному на базе высокомощного DC-AC преобразователя, устройству разрядки, устройству балансировки и устройству управления, где устройство управления также соединено с конденсаторным модулем, устройством балансировки, устройством зарядки и устройством разрядки. Направление подачи тока от выпрямителя к блоку переключается ключом - в импульсном режиме ток из выпрямителя поступает в устройство зарядки, а в стационарном режиме ток от выпрямителя поступает в блок, а также идет в устройство зарядки на зарядку конденсаторного модуля. Также устройство управления выполнено на базе микроконтроллеров, устройство балансировки включает измеритель напряжения, резистивную нагрузку и управляющий элемент, выполненный с возможностью реализации функции сравнения и принятия решения о необходимости продолжения зарядки суперконденсатора, устройство разрядки содержит рекуперирующие элементы, в виде стандартных DC-AC преобразователей или двунаправленных инверторов, синхронизированных с питающей сетью, выполненных с возможностью возвращения неизрасходованной электрической энергии из суперконденсаторов обратно в сеть, устройство разрядки выполнено с использованием резистивной нагрузки, устройство зарядки включает генераторы постоянного тока, устройство управления также подключено к блоку, содержащему высокомощный DC-AC преобразователь.
Принципиальным отличием предлагаемого накопителя электрической энергии на базе суперконденсаторов является наличие устройства балайсировки, обеспечивающего безопасную зарядку конденсаторного модуля до необходимого напряжения, устройства разрядки с рекуперирующими элементами, возвращающими накопленную, но неиспользованную электрическую энергию обратно в сеть питания, обеспечивая таким образом энергоэффективность и дополнительную безопасность работы накопителя, и конденсаторного модуля на основе суперконденсаторных ячеек, позволяющего накопителю питать высокомощное импульсное оборудование мощностью свыше 40 кВт.
Заявляемое устройство может иметь несколько вариантов воплощения, которые отображены в виде схем на представленных здесь фигурах чертежей, где на
Фиг. 1 представлена общая схема накопителя, а на
Фиг. 2 представлена общая схема варианта выполнения указанного накопителя.
Первый вариант выполнения накопителя, представленный на фиг. 1 обеспечен следующим образом.
Электрический ток из сети поступает в выпрямитель 1. Выпрямитель 1 служит для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный. Далее постоянный электрический ток подается в устройство зарядки 2. Устройство зарядки 2 состоит из n - количества источников питания и заряжает до заданного напряжения конденсаторный модуль 3. Устройство зарядки 2 может включать генераторы постоянного тока (на фиг. 1 не показаны). Конденсаторный модуль 3 состоит из ячеек, содержащих суперконденсаторы. Ячейки могут быть сгруппированы. Все ячейки соединены параллельно, к каждой ячейке или группе ячеек подключается отдельный источник питания устройства зарядки 2, заряжающий находящиеся в ней суперконденсаторы до заданного напряжения. При большом количестве суперконденсаторных ячеек конденсаторный модуль 3 способен накапливать энергию большой мощности, достаточную для питания высокомощного импульсного оборудования. Поскольку отдельные суперконденсаторы, входящие в ячейки конденсаторного модуля 3, имеют неодинаковые характеристики, существует опасность их перезаряда. Зарядку суперконденсаторов до оптимального напряжения независимо от их параметров обеспечивает устройство балансировки 4. Указанное устройство 4 состоит из измерителя напряжения, резистивной нагрузки и управляющего элемента (на фиг. 1 не показаны), реализующего функцию сравнения и принятия решения о том, стоит ли продолжать зарядку суперконденсатора. Устройство балансировки 4 предотвращает зарядку суперконденсаторов свыше их стандартных характеристик и обеспечивает безопасную работу накопителя. В качестве управляющего элемента может быть использован микроконтроллер. Для высвобождения мощности из конденсаторного модуля 3, в случае его простоя, служит устройство разрядки 5. Оно может содержать рекуперирующие элементы, представляющие собой стандартные DC-AC преобразователи или двунаправленные инверторы, которые синхронизированы с питающей сетью, возвращающие неизрасходованную электрическую энергию из суперконденсаторов обратно в сеть. Также возможен вариант устройства разрядки 5, выполненного с использованием резистивной нагрузки. Основные функции устройства разрядки 5 - экономия энергии путем возвращения накопленного, но неизрасходованного электричества обратно в сеть, а также обеспечение безопасной работы высокомощного импульсного оборудования.
Устройство управления 6 синхронизирует зарядку конденсаторного модуля 3, его балансировку и разрядку. Оно может быть выполнено на базе микроконтроллеров. Кроме того, в устройстве управления 6 могут быть реализованы функции самотестирования, сбора статистики работы отдельных элементов накопителя, определения ячеек конденсаторного модуля 3, которые могут выйти из строя. Устройство управления может быть также подключено к блоку 7.
Энергия из конденсаторного модуля 3 поступает в блок 7, выполненный на базе высокомощного DC-AC преобразователя, который служит для преобразования постоянного тока в переменный. Переменный электрический ток из блока 7 может быть использован для питания высокомощного импульсного оборудования, в частности стационарного рентгеновского оборудования.
Второй вариант выполнения накопителя может быть рассмотрен со ссылкой на фиг. 2, где электрический ток из сети поступает в выпрямитель 1. Выпрямитель 1 служит для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный. Далее, в зависимости от режима работы высокомощного импульсного оборудования, постоянный электрический ток либо подается в устройство зарядки 2 (в импульсом режиме, когда оборудованию требуется подведение больших мощностей), либо подается в блок 7 и в устройство зарядки 2 для обеспечения накопления энергии конденсаторным модулем 3 (в стационарном режиме, когда устройство может питаться от стандартной электрической сети). Направление подачи тока переключается ключом 8, регулирующим направление тока и обеспечивающим поступление тока в блок 7 во время стационарного режима работы накопителя. Устройство зарядки 2 состоит из множества источников питания, соединенных отдельно с каждой ячейкой конденсаторного модуля 3 и заряжающих модуль до заданного напряжения.
Устройство зарядки 2 может включать генераторы постоянного тока (на фиг.2 не показаны), обеспечивающий зарядку конденсаторного модуля 3 от заданной постоянной величины тока. Конденсаторный модуль 3 состоит из ячеек, содержащих суперконденсаторы. Ячейки могут быть соединены в группы. Все ячейки соединены параллельно, к каждой ячейке или группе ячеек подключается источник питания устройства зарядки 2, заряжающий находящиеся в ней суперконденсаторы до заданного напряжения. При большом количестве суперконденсаторных ячеек конденсаторный модуль 3 способен накапливать энергию большой мощности, достаточную для питания высокомощного импульсного оборудования. Поскольку отдельные суперконденсаторы, входящие в ячейках, имеют неодинаковые характеристики, существует опасность их перезаряда. Устройство балансировки 4 обеспечивает зарядку суперконденсаторов до оптимального напряжения независимо от их параметров. Оно состоит из измерителя напряжения, резистивной нагрузки и управляющего элемента (на фиг. 2 не показано), реализующего функцию сравнения и принятия решения о том, стоит ли продолжать зарядку суперконденсатора. Устройство балансировки 4 предотвращает зарядку суперконденсаторов свыше их стандартных характеристик и обеспечивает безопасную работу накопителя. В качестве управляющего элемента может быть использован микроконтроллер. Устройство разрядки 5 служит для высвобождения мощности из конденсаторного модуля 3 в случае его простоя. Оно может содержать рекуперирующие элементы, представляющие собой стандартные DC-AC преобразователи или двунаправленные инверторы, которые синхронизированы с питающей сетью, возвращающие неизрасходованную электрическую энергию из суперконденсаторов обратно в сеть. Также возможен вариант устройства разрядки 5, выполненного с использованием резистивной нагрузки. Основные функции устройства разрядки 5 - экономия энергии путем возвращения накопленного, но неизрасходованного электричества обратно в сеть, а также обеспечение безопасной работы высокомощного импульсного оборудования.
Устройство управления 6 синхронизирует зарядку конденсаторного модуля 3, его балансировку и разрядку. Оно может быть выполнено на базе микроконтроллеров. Кроме того, в устройстве управления 6 могут быть реализованы функции самотестирования, сбора статистики работы отдельных элементов накопителя, определения ячеек конденсаторного модуля, которые могут выйти из строя. Устройство управления может быть также подключено к блоку 7.
Энергия из конденсаторного модуля 3 поступает в блок 7, выполненный на базе высокомощного DC-AC преобразователя, который служит для преобразования постоянного тока в переменный. Переменный электрический ток из блока 7 может быть использован для питания высокомощного импульсного оборудования.
Альтернативное решение отличается от основного тем, что оно обеспечивает два режима работы накопителя - стационарный и импульсный. В стационарном режиме высокомощное импульсное оборудование питается от электрической сети через выпрямитель и блок 7 и параллельно происходит зарядка суперконденсаторных ячеек, а в импульсном режиме вся необходимая мощность поступает в высокомощное импульсное оборудование из конденсаторного модуля.
Благодаря включению устройства балансировки в накопитель данное решение является безопасным для высокомощного импульсного оборудования и, кроме того, высокоемкостной суперконденсаторный модуль позволяет обеспечить получение импульсов большой мощности. Также благодаря применению рекуперирующих элементов, входящих в состав накопителя электрической энергии на базе суперконденсаторов, возможна значительная экономия энергии при использовании высокомощного импульсного оборудования и повышение безопасности такого накопителя.