ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИМИТАТОР АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ С ЗАЩИТОЙ ПО ТОКУ И НАПРЯЖЕНИЮ И УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМИТАТОРА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
ELECTRICAL SIMULATOR OF STORAGE BATTERY WITH CURRENT AND VOLTAGE PROTECTION AND PROTECTION DEVICE FOR ELECTRICAL SIMULATOR OF STORAGE BATTERY

Электрический имитатор аккумуляторной батареи (ЭИАБ) с защитой по току и напряжению и устройство защиты электрического имитатора аккумуляторной батареи относятся к преобразовательной технике, предназначены для имитации характеристик аккумуляторных батарей (АБ) и могут быть использованы при испытаниях систем электропитания и аппаратуры автономных объектов, в состав которых входит аккумуляторная батарея, работающая в режиме заряда и разряда.
Известен электрический имитатор аккумуляторной батареи [патент RU 73102, МПК G06G 7/63], содержащий канал имитации заряда, канал имитации разряда, управляющую ЭВМ. В режиме имитации заряда осуществляется рекуперация избыточной электроэнергии в промышленную сеть переменного напряжения. Недостатками такого устройства являются: а) сложность устройства из-за наличия двух раздельных каналов имитации заряда и разряда аккумуляторной батареи, из-за необходимости применения в режиме имитации заряда специального инвертора, ведомого сетью, и средств подавления высокочастотных пульсаций для рекуперации избыточной электроэнергии в промышленную сеть переменного напряжения, б) в каналах имитации заряда разряда применяется многократное преобразование электроэнергии, что ухудшает эксплуатационные свойства устройства, вследствие уменьшения коэффициента использования энергии и ограниченного быстродействия, что не позволяет воспроизводить импедансные характеристики аккумуляторной батареи в области высоких частот, т.к. все преобразователи являются импульсными преобразователями, как известно, имеющими более узкую полосу пропускания, по сравнению с непрерывными усилителями, в) низкая надежность вследствие отсутствия защиты, как самого устройства, так и испытываемого оборудования от повышенных значений выходного тока и напряжения. Для электропитания современных испытательных комплексов автономных объектов широко применяются источники бесперебойного питания. Однако, при аварийном отключении промышленной сети, даже при использовании такого источника, рекуперация становится невозможной, что может привести к аварийной ситуации и требует прекращения испытаний.
Наиболее близким к изобретению является устройство для моделирования аккумуляторной батареи [патент SU 1509949, МПК G06G 7/48], содержащее источник электропитания постоянного тока, первый усилитель-сумматор, к суммирующему входу которого подключен источник опорного напряжения, к вычитающему входу первого усилителя-сумматора подключен информационный выход первого измерителя тока, один вывод которого присоединен к общей клемме имитатора, а другой вывод ко второму выводу регулируемого непрерывного усилителя мощности, ко входу управления непрерывного усилителя мощности через усилитель напряжения присоединен выход второго усилителя-сумматора, суммирующий вход сумматора соединен с выходом блока формирования переменных коэффициентов, первый вход которого подключен к положительному полюсу устройства для моделирования аккумуляторной батареи, а второй - к шине нулевого потенциала устройства, второй измеритель тока вторым выводом подключен к положительной выходной клемме имитатора, первый аналоговый переключатель. Блок переменных коэффициентов выполнен в виде резистивного делителя напряжения с переменным коэффициентом деления и выполняет функцию управляющею устройства, обеспечивающего требуемые значения напряжений имитируемых зарядно-разрядных характеристик.
Недостатками такого устройства для моделирования аккумуляторной батареи являются: а) низкая универсальность при имитации характеристик различных аккумуляторных батарей из-за необходимости наличия эталонного источника тока-аккумулятора требуемого типа; б) невозможность быстрого перехода к имитации состояния аккумуляторной батареи с другим уровнем заряда, так как эталонный аккумулятор необходимо заряжать-разряжать определенное время для перевода в требуемое состояние; в) ограниченный срок использования эталонного аккумулятора и, вследствие этого, необходимость замены аккумулятора при выходе основного из строя; г) низкий коэффициент полезного использования энергии в режиме имитации заряда аккумуляторной батареи вследствие рассеивания потребленной энергии в виде тепла на балластном резисторе; д) отсутствие защиты испытываемого оборудования от повышенных значений выходного тока и от повышенного напряжения при аварийном прерывании тока через регулируемый непрерывный усилитель мощности, так как в этом случае импульсный регулятор тока стремится обеспечить требуемую величину тока через усилитель мощности увеличением выходного напряжения до максимального напряжения.
Известно устройство защиты от перегрузок, используемое для источника электропитания и описанное в патенте RU 2180464, МПК: H02M 7/217, H02H 7/10. Источник электропитания содержит аналоговый переключатель и измеритель тока. Устройство защиты содержит компаратор защиты, последовательно соединенный с устройством задержки, причем вход компаратора защиты соединен с выходом измерителя тока.
Данное устройство не обеспечивает защиту от повышенных значений выходного напряжения, не позволяет осуществлять защиту оборудования с различными техническими характеристиками, требующими регулирования параметров защиты, так как имеет фиксированный уровень параметров защиты по току и по времени. Кроме того, это устройство не может быть применено для защиты имитатора аккумуляторной батареи, потому что защита по току состоит в переводе источника электропитания из режима стабилизации выходного напряжения в режим ограничения тока нагрузки, что является недопустимым для имитатора аккумуляторной батареи. Такой режим отсутствует при эксплуатации самой аккумуляторной батареи и является нештатным для зарядно-разрядного устройства системы электропитания автономного объекта.
Технической проблемой является улучшение эксплуатационных свойств имитатора за счет повышения коэффициента использования энергии в режиме имитации заряда аккумуляторной батареи, обеспечения защиты испытываемой системы электропитания от повышенных значений выходного тока и выходного напряжения, сохранения работоспособности (повышение живучести) устройства при аварийном прерывании тока через регулируемый непрерывный усилитель мощности и аварийном отключении промышленной сети переменного тока.
Техническая проблема решена тем, что в известный электрический имитатор аккумуляторной батареи, содержащий источник электропитания постоянного тока, первый усилитель-сумматор, к суммирующему входу которого подключен источник опорного напряжения, к вычитающему входу усилителя-сумматора подключен информационный выход первого измерителя тока, один вывод которого присоединен к общей клемме имитатора, а другой вывод ко второму выводу регулируемого непрерывного усилителя мощности, ко входу управления которого через усилитель напряжения присоединен выход второго усилителя-сумматора, второй измеритель тока, вторым выводом подключенный к положительной выходной клемме имитатора, первый аналоговый переключатель, первый датчик напряжения, вторым выводом присоединенный к общей клемме имитатора, согласно техническому решению дополнительно введены конвертер, инвертор, четырехполюсный переключатель, двунаправленный управляемый импульсный преобразователь, первый триггер, первый конъюнктор, усилитель-инвертор, первый и второй компараторы, функциональный преобразователь, счетчик ампер-часов, второй датчик напряжения, устройство защиты, двунаправленный коммутатор, второй аналоговый переключатель, управляющая ЭВМ, причем плюсовые и минусовые входные шины конвертера, инвертора и двунаправленного управляемого импульсного преобразователя объединены и подключены к положительному и отрицательному выходным выводам источника постоянного тока соответственно, выходные положительные и отрицательные шины конвертера подключены к двум размыкающим контактам четырехполюсного переключателя, выходные положительные и отрицательные шины инвертора подключены к двум замыкающим контактам четырехполюсного переключателя, силовые выводы переключателя объединены попарно в выводы для подключения зарядного устройства системы электропитания, управляющие входы конвертера и инвертора подключены к первой и второй шинам управляющей ЭВМ, выходная плюсовая клемма двунаправленного импульсного преобразователя соединена с первым выводом непрерывного усилителя мощности, первым выводом первого датчика напряжения и первым выводом двунаправленного коммутатора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго измерителя тока, выходная минусовая клемма двунаправленного импульсного преобразователя соединена с общей клеммой и отрицательной выходной клеммой имитатора, к управляющему входу двунаправленного импульсного преобразователя подключен первый аналоговый переключатель, к одному входу которого подключен выход первого усилителя-сумматора, к другому входу первого аналогового переключателя подключен выход усилителя-инвертора, вход которого подключен одновременно к выходу второго усилителя-сумматора и к инверсному входу первого компаратора, прямой вход которого соединен с общей клеммой, выход первого компаратора соединен с одним входом первого конъюнктора, другой вход которого соединен с выходом второго компаратора, к инверсному входу которого подключен выход первого измерителя тока, а к прямому входу второго компаратора подключен источник опорного напряжения, выход первого конъюнктора через первый триггер подключен к управляющему входу первого аналогового переключателя, к вычитающему входу усилителя-сумматора подключен выход функционального преобразователя, к первому входу которого подключена третья шина управляющей ЭВМ, ко второму входу функционального преобразователя подключен выход счетчика ампер-часов, к первому входу которого подключена пятая шина управляющей ЭВМ, ко второму входу счетчика ампер-часов подключен выход второго измерителя тока, к первому выводу которого подключен первый вывод второго датчика напряжения, второй вывод второго датчика напряжения подключен к общей клемме имитатора, выходы первого и второго датчиков напряжения подключены соответственно к третьему входу и четвертому входам устройства защиты и первому и второму входам второго аналогового переключателя, выход которого подключен к суммирующему входу усилителя-сумматора, первый вход устройства защиты подключен к четвертой шине управляющей ЭВМ, второй вход устройства защиты подключен к выходу второго измерителя тока, первый выход устройства защиты подключен к управляющему входу двунаправленного коммутатора, второй выход подключен к управляющему входу второго аналогового переключателя.
В известное устройство защиты электрического имитатора аккумуляторной батареи, содержащее первый компаратор защиты, последовательно соединенный с первым устройством задержки, согласно техническому решению дополнительно введены второй и третий компараторы защиты, последовательно соединенные соответственно со вторым и третьим устройствами задержки, регистр сброса защиты, регистр включения выхода, первый, второй, третий триггеры защиты, логический элемент «ИЛИ-НЕ», причем ко входу управления устройства защиты присоединены: вход уставки первого компаратора защиты, вход уставки второго компаратора защиты, вход уставки третьего компаратора защиты, вход уставки первого устройства задержки, вход уставки второго устройства задержки, вход уставки третьего устройства задержки, вход регистра сброса защиты, вход регистра включения выхода; к сигнальному входу первого компаратора защиты подключен выход второго измерителя тока, к сигнальному входу второго компаратора защиты подключен выход первого датчика напряжения, к сигнальному входу третьего компаратора защиты подключен выход второго датчика напряжения; выход первого устройства задержки подключен ко входу установки первого триггера защиты, выход второго устройства задержки подключен ко входу установки второго триггера защиты, выход третьего устройства задержки подключен ко входу установки третьего триггера защиты; ко входам сброса первого, второго, третьего триггеров защиты подключен выход регистра сброса защиты, выходы первого, второго, третьего триггеров защиты подключены соответственно к первому, второму, третьему входу логического элемента «ИЛИ-НЕ» и ко входу управления устройства защиты; выход регистра включения выхода подключен к четвертому входу логического элемента «ИЛИ-НЕ», выход которого распараллелен и подключен к управляющему входу двунаправленного коммутатора и к управляющему входу второго аналогового переключателя.
В состав каждого компаратора защиты входит регистр уставки параметра защиты, вход которого является входом уставки соответствующего компаратора защиты, выход регистра подключен к инверсному входу цифрового компаратора, к прямому входу которого подключен выход аналого-цифрового преобразователя, вход которого является сигнальным входом соответствующего компаратора защиты, выход цифрового компаратора является выходом соответствующего компаратора защиты.
В состав каждого устройства задержки входит регистр уставки времени защиты, вход которого является входом уставки соответствующего устройства задержки, выход регистра уставки времени задержки подключен ко входу данных счетчика с предустановкой, вход загрузки счетчика является сигнальным входом соответствующего устройства задержки и соединен с первым входом конъюнктора защиты, второй вход которого соединен с выходом счетчика, выход конъюнктора защиты является выходом соответствующего устройства задержки.
Техническим результатом изобретения, проявляемым благодаря предложенной структурной схеме, является повышение коэффициента использования энергии в режиме имитации заряда аккумуляторной батареи и сохранение работоспособности имитатора при аварийном отключении промышленной сети переменного напряжения за счет рекуперации избыточной электроэнергии в сеть постоянного тока электропитания имитатора, обеспечение защиты испытываемой системы электропитания от повышенных значений выходного тока и выходного напряжения, повышение живучести имитатора, при аварийном прерывании тока через регулируемый непрерывный усилитель мощности, за счет перевода импульсного стабилизатора тока в режим имитации зарядно-разрядных характеристик АБ.
Принцип работы электрического имитатора аккумуляторной батареи объясняется с помощью рисунков.
На фиг. 1 представлена структурная схема имитатора, на фиг. 2 - требуемые разрядная и зарядная характеристики, на фиг. 3 - структурная схема устройства защиты по току и напряжению.
В состав электрического имитатора аккумуляторной батареи входят: входные клеммы источника электропитания (ИЭП) 1, 2, подключаемые к промышленной сети переменного тока, источник электропитания (ИЭП) 3, конвертор 4, инвертор 5, двунаправленный импульсный преобразователь (ДИП) 6, переключатель 7, клеммы 8, 9 имитатора для подключения зарядного устройства испытываемого оборудования, требующего питания переменным или постоянным током, первый 10 и второй 28 аналоговые переключатели, первый триггер И, первый конъюнктор 12, усилитель-инвертор 13, усилитель напряжения (УН) 20, первый 14 и второй 15 компараторы, первый 16 и второй 21 усилитель-сумматор, источник опорного напряжения (ИОН) 17, регулируемый непрерывный усилитель мощности (НУМ) 18, первый 19 и второй 30 измерители тока (ИТ), усилитель напряжения (УН) 20, управляющая ЭВМ 22, функциональный преобразователь (ФП) 23, счетчик ампер-часов (САЧ) 24, первый 25 и второй 29 датчики напряжения (ДН), двунаправленный коммутатор 26, устройство защиты (УЗ) 27, выходные клеммы 31, 32 имитатора, зарядно-разрядное устройство (ЗРУ) 33 системы электропитания (СЭП) автономного объекта, первый 34, второй 35. третий 36, четвертый 37 входы устройства защиты, первый 38, второй 39 выходы устройства защиты, первая 40, вторая 41, третья 42, четвертая 43, пятая 44 шины управляющей ЭВМ 22.
Источник 3 электропитания (ИЭП) постоянного тока входными клеммами 1, 2 подключен к промышленной сети переменного тока, к положительному и отрицательному выходным выводам ИЭП 3 подключены соответственно плюсовые и минусовые шины конвертера 4, инвертора 5 и двунаправленного управляемого импульсного преобразователя 6, выходные положительные и отрицательные шины конвертера 4 подключены к двум размыкающим контактам четырехполюсного переключателя 7, выходные положительные и отрицательные шины инвертора 5 подключены к двум замыкающим контактам четырехполюсного переключателя 7, силовые выводы переключателя 7 объединены попарно в выводы для подключения зарядного устройства 33 системы электропитания, управляющие входы конвертера 4 и инвертора 5 подключены к первой 40 и второй 41 шинам управляющей ЭВМ 22. Выходная плюсовая клемма двунаправленного импульсного преобразователя 6 соединена с первым выводом непрерывного усилителя 18 мощности, второй вывод которого через первый измеритель 19 тока соединен с общей клеммой имитатора, и также соединена с первым выводом двунаправленного коммутатора 26, который через второй измеритель 30 тока соединен с положительной выходной клеммой 31 имитатора.
Выходная минусовая клемма двунаправленного импульсного преобразователя 6 соединена с общей клеммой и отрицательной выходной клеммой 32 имитатора. К управляющему входу двунаправленного импульсного преобразователя 6 подключен первый аналоговый переключатель 10, к одному входу которого подключен выход первого усилителя-сумматора 16, к суммирующему входу которого подключен источник опорного напряжения 17, к вычитающему входу первого усилителя-сумматора 16 подключен выход первого измерителя 19 тока. К другому входу аналогового переключателя 10 подключен выход усилителя-инвертора 13, вход которого подключен одновременно к выходу второго усилителя-сумматора 21 и к инверсному входу первого компаратора 14, второй вход которого соединен с общей клеммой. Выход первого компаратора 14 соединен с одним входом первого конъюнктора 12, другой вход которого соединен с выходом второго компаратора 15, к инверсному входу которого подключен выход первого измерителя 19 тока, а к прямому входу второго компаратора 15 подключен источник 17 опорного напряжения, выход первого конъюнктора 12 через первый триггер 11 подключен к управляющему входу первого аналогового переключателя 10.
Ко входу управления непрерывного усилителя 18 мощности через усилитель 20 напряжения присоединен выход второго усилителя-сумматора 21. К вычитающему входу второго усилителя-сумматора 21 подключен выход функционального преобразователя 23, к первому входу которого подключена третья шина 42 управляющей ЭВМ 22, ко второму входу функционального преобразователя 23 подключен выход счетчика 24 ампер-часов, к первому входу которого подключена пятая шина 44 управляющей ЭВМ 22, ко второму входу счетчика 24 ампер-часов подключен выход второго измерителя 30 тока, к первому выводу которого подключен первый вывод второго датчика 29 напряжения, второй вывод которого соединен с общей клеммой имитатора, к первому выводу двунаправленного коммутатора 26 подключен первый вывод первого датчика 25 напряжения, второй вывод которого подключен к общей клемме имитатора; выходы первого 25 и второго 29 датчиков напряжения подключены соответственно к третьему входу 36 и четвертому входу 37 устройства защиты 27 и первому и второму входам второго аналогового переключателя 28, выход которого подключен к суммирующему входу второго усилителя-сумматора 21.
Первый вход 34 устройства защиты 27 подключен к четвертой шине 43 управляющей ЭВМ 22, второй вход 35 устройства защиты 27 подключен к выходу второго измерителя 30 тока, первый выход 38 устройства защиты 27 подключен к управляющему входу двунаправленного коммутатора 26, второй выход 39 подключен к управляющему входу второго аналогового переключателя 28.
Устройство защиты 27 по току и напряжению электрического имитатора аккумуляторной батареи содержит первый 45, второй 46, третий 47 компараторы защиты, каждый из которых последовательно соединен соответственно с первым 48, вторым 49, третьим 50 устройствами задержки, регистр 51 сброса защиты, регистр 55 включения выхода, первый 52, второй 53, третий 54 триггеры защиты, логический элемент 56 «ИЛИ-НЕ». Все составные элементы устройства защиты выполнены на цифровых микросхемах. Ко входу 34 управления устройства защиты 27 присоединены вход 63 уставки первого 45, вход 65 уставки второго 46, вход 67 уставки третьего 47 компаратора защиты, вход 69 уставки первого 48, вход 71 уставки второго 49, вход 73 уставки третьего 50 устройства задержки, вход регистра 51 сброса защиты; вход 55 регистра включения выхода, к сигнальному входу 64 первого компаратора 45 защиты подключен выход 35 второго измерителя тока 30, к сигнальному входу 66 второго компаратора защиты 46 подключен выход 36 первого датчика напряжения 25, к сигнальному входу 68 третьего компаратора 47 защиты подключен выход 37 второго датчика 29 напряжения, выход первого устройства 48 задержки подключен ко входу установки первого триггера 52 защиты, выход второго устройства 49 задержки подключен ко входу установки второго триггера 53 защиты, выход третьего устройства 50 задержки подключен ко входу установки третьего триггера 54 защиты, ко входам сброса первого 52, второго 53, третьего 54 триггеров защиты подключен выход регистра сброса защиты 51, выходы первого 52, второго 53, третьего 54 триггеров защиты подключены соответственно к первому, второму, третьему входу логического элемента 56 «ИЛИ-НЕ» и ко входу 34 управления устройства защиты 27, выход регистра 55 включения выхода подключен к четвертому входу логического элемента 56 «ИЛИ-НЕ», выход которого распараллелен и подключен к управляющему входу 38 двунаправленного коммутатора 26 и к управляющему входу 39 второго аналогового переключателя 28.
В состав каждого компаратора защиты входит регистр 57 уставки параметра защиты, вход которого 63 является входом уставки соответствующего компаратора защиты, выход регистра 57 подключен к инверсному входу цифрового компаратора 59, к прямому входу которого подключен выход аналого-цифрового преобразователя 58, вход которого является сигнальным входом соответствующего компаратора защиты, выход цифрового компаратора является выходом соответствующего компаратора защиты.
В состав каждого устройства задержки входит регистр 60 уставки времени защиты (срабатывания защиты), вход которого является входом уставки соответствующего устройства задержки, выход регистра 60 уставки времени задержки подключен ко входу данных счетчика 61 с предустановкой, вход загрузки счетчика 61 является сигнальным входом соответствующего устройства задержки и соединен с первым входом конъюнктора защиты 62, второй вход которого соединен с выходом счетчика 61, выход конъюнктора защиты 62 является выходом соответствующего устройства задержки.
28
ДН
H
ДН
H
Электрический имитатор аккумуляторной батареи работает следующим образом. Воспроизведение зарядных, разрядных и импедансных характеристик имитируемой АБ обеспечивается непрерывным стабилизатором напряжения (НСН), в состав которого входят НУМ 18, первый УН 20, второй УС 21. На вычитающий вход УС 21 подается задающее напряжение с выхода перенастраиваемого ФП 23. С выхода второго аналогового переключателя 28 на суммирующий вход второго УС 21 подается напряжение обратной связи U=K×U, где K - коэффициент передачи датчика напряжения. Разностное напряжение с выхода УС 21 усиливается УН 20 и поступает на вход управления НУМ 18, который регулированием своего внутреннего сопротивления обеспечивает требуемую величину напряжения U.
Н
H
Н
ФП 23 воспроизводит требуемую зависимость напряжения U от величины заряда. Величина заряда Q=I×t, где t - время, вычисляется счетчиком 24 ампер-часов (САЧ) в соответствии с током I нагрузки, измеряемым вторым ИТ 30.
1
2
3
НЗ
28
Н
28
Н
В начале работы оператор управляющей ЭВМ 22 задает требуемые значения параметров зарядно-разрядных характеристик (фиг. 2) в ФП 23, например кривая 1 (фиг. 2), и начальную величину заряда Q или Q на кривой 1 (фиг. 2) в координатах (Q, U) в САЧ 24, при этом двунаправленный коммутатор 26 находится в разомкнутом состоянии для исключения появления нештатных значений напряжения на выходных клеммах 31 и 32 ЭИАБ. В этом случае аналоговый переключатель 28 находится в положении, при котором напряжение обратной связи U равно напряжению с первого ДН 25. После установления требуемого значения напряжения U по команде с управляющей ЭВМ 22 устройство защиты 27 включает коммутатор 26 и переводит переключатель 28 в положение, при котором напряжение обратной связи U равно напряжению со второго ДН 29, что увеличивает точность воспроизведения требуемой величины напряжения U за счет компенсации падения напряжения на коммутаторе 26 и соединительных проводах.
НЗ
3
НЗ
Режим работы ЭИАБ определяется режимом работы ЗРУ 33: в режиме заряда ЗРУ является стабилизирующим источником тока заряда I, при протекании которого САЧ 24 отсчитывает заряд, накапливаемый АБ, и напряжение на выходе ФП 23 начинает нарастать в соответствии с кривой заряда 1 в координатах (Q, U). Это увеличение напряжения на выходе ФП 23 с требуемой точностью воспроизводится НСН, что приводит к соответствующему увеличению напряжения на клеммах 31, 32.
Н
Р
НР
При переходе ЗРУ 33 в режим разряда оно становится потребителем электроэнергии, при этом ток I меняет направление, САЧ 24 начинает отсчитывать заряд, отданный потребителю, при этом напряжение на выходе ФП 23 уменьшается в соответствии с разрядной кривой 1 (фиг. 2) в системе координат (Q, U)). Это уменьшение напряжения на выходе ФП 23 воспроизводится НСН с требуемой точностью.
НУМ
НУМ
НУМ
НУМ
НУМ
Для уменьшения мощности рассеивания НУМ 18 ток I поддерживается на постоянном уровне импульсным стабилизатором тока (ИСТ) I, в состав которого входят ДИП 6, первый аналоговый переключатель 10, первый УС 16, ИОН 17, первый ИТ 19, величина которого задается ИОН 17. При имитации режимов заряда-разряда АБ ток I измеряется первым ИТ 19, напряжение с выхода первого ИТ 19 алгебраически сравнивается с напряжением ИОН 17, задающим требуемую величину тока I, в первом УС 16 и через первый аналоговый переключатель 10 разностное напряжение поступает на управляющий вход ДИП 6, который обеспечивает стабилизацию тока I.
НУМ
При имитации режима разряда АБ двунаправленный импульсный преобразователь 6 работает как источник тока, потребляющий энергию от ИЭП 3 и регулирующий ток I.
НУМ
При имитации режима заряда АБ направление тока через второй ИТ 30 и ДИП 6 меняется, и ДИП 6 начинает регулировать ток I, как параллельно включенный НУМ 18 потребитель, и при этом возвращает (рекуперирует) электроэнергию в ИЭП 3, к положительному и отрицательному выходным выводам которого подключены соответственно плюсовые и минусовые шины конвертера 4, инвертора 5. В зависимости от вида электропитания ЗРУ 3 к нему могут быть присоединены с помощью переключателя 7 либо конвертер 4, либо инвертор 5. Таким образом возвращенная ДИП 6 в ИЭП 3 энергия используется для питания ЗРУ 33, при этом уменьшается энергопотребление ИЭП 3 от промышленной сети, что обеспечивает энергосбережение и повышение коэффициента использования электроэнергии при имитации режима заряда АБ. При использовании источника бесперебойного питания (ИБП), в случае аварийного отключении промышленной сети, электропитание осуществляется от аккумуляторов ИБП. Имитация режима заряда продолжает осуществляться, поскольку сеть постоянного тока продолжает функционировать, при этом увеличивается время разряда аккумуляторов ИБП, поскольку за счет рекуперации от них потребляется меньше энергии.
Управляющая ЭВМ осуществляет обмен информацией по шине 40 с конвертером 4, по шине 41 - с инвертором 5, по шине 42 - с ФП 23, по шине 43 - с УЗ 27, по шине 44 - с САЧ 24. По этим шинам передаются команды управления, параметры характеристик устройств, информация о значениях параметров устройств.
Н
Устройство защиты по току и напряжению состоит из трех однотипных каналов, защищающих ЗРУ 33. Первый канал размыкает двунаправленный коммутатор 26 при превышении выходным током I требуемого уровня сверх заданного временного интервала задержки. Второй канал не позволяет включить двунаправленный коммутатор 26, если напряжение U- на входе коммутатора превышает требуемый уровень на время сверх заданного временного интервала задержки. Третий канал размыкает двунаправленный коммутатор 26 при превышении напряжением на клеммах 31, 32 требуемого уровня на время сверх заданного временного интервала задержки. Второй и третий каналы имеют одинаковую уставку порога срабатывания по напряжению и временного интервала задержки. Первый канал устройства защиты образуют первый компаратор 45 защиты, первое устройство 48 задержки, первый триггер 52 защиты. Второй канал устройства защиты образуют второй компаратор 46 защиты, второе устройство 49 задержки, второй триггер 53 защиты. Третий канал устройства защиты образуют третий компаратор 47 защиты, третье устройство 50 задержки, третий триггер 54 защиты.
Устройство защиты выполняет следующие функции: а) по команде управляющей ЭВМ 22 включает двунаправленный коммутатор 26, б) автоматически размыкает его при превышении выходным напряжением или током ЭИАБ установленного порога в течение установленного времени срабатывания защиты, в) не позволяет оператору включить двунаправленный коммутатор 26, если напряжение на его входе превысит требуемую величину в течение установленного времени срабатывания защиты.
Устройство защиты работает следующим образом. По шине 34 от управляющей ЭВМ 22 задаются пороги срабатывания защит путем записи соответствующего значения в цифровом коде в регистры 57 уставки параметра защиты: по току - в регистр 57 первого компаратора 45 защиты, по напряжению - в регистры 57 второго 46 и третьего 47 компараторов защиты.
Временные интервалы задержек защит задаются путем записи соответствующих значений в цифровом коде в регистры 60 уставки времени защиты: по току - в регистр 60 первого устройства 48 задержки, по напряжению - в регистры 60 второго 49 и третьего 50 устройств задержки.
Выходное напряжение второго измерителя тока 30 (ИТ) преобразуется в цифровой код АЦП 58 первого 45 компаратора защиты и сравнивается в цифровом компараторе 59 с уставкой регистра 57 срабатывания защиты по току.
Выходные напряжения первого 25 и второго 29 датчиков напряжения (ДН) подаются соответственно на вход 36 второго 46 и вход 37 третьего 47 компаратора защиты, преобразуются в цифровые коды соответствующими АЦП 58 и сравниваются в соответствующих цифровых компараторах 59 с уставкой регистров 57 срабатывания защиты по напряжению.
Сигнал с каждого цифрового компаратора поступает на вход соответствующею устройства задержки. Первое 48, второе 49, третье 50 устройства задержки однотипны и состоят из регистра 60 уставки времени защиты, счетчика 61 с предустановкой и конъюнктора (логическая схема «И») защиты.
Поскольку каналы защиты однотипны, то более подробно работу устройства защиты рассмотрим на примере одного второго канала защиты по напряжению. В исходном состоянии двунаправленный коммутатор 26 разомкнут, регистр 55 включения выхода находится в состоянии логической «1», выход второго компаратора 46 защиты находится в состоянии логического «0», что разрешает счетчику 61 второго устройства 49 задержки загрузку данных из регистра 60 уставки времени срабатывания защиты по напряжению. Выход счетчика (сигнал о переполнении) находится в состоянии логического «0», как и выход конъюнктора 62 второго устройства 49 задержки. Второй триггер 53 защиты также находится в состоянии логического «0». Логический «0» поступает на второй вход логического элемента 56 «ИЛИ-НЕ».
При условии, что на остальные входы логического элемента 56 «ИЛИ-НЕ» от первого и третьего каналов устройства защиты будут поданы логические «0», то при переводе регистра 55 включения выхода в состояние логического «0» на выходе логического элемента 55 «ИЛИ-НЕ» появится логическая «1», что приведет к включению двунаправленного коммутатора 26 и переключению второго аналогового переключателя 28 с выхода первого ДН25 на выход второго ДН 29.
При превышении напряжением на входе 36 (выходное напряжение первого ДН 25) порога срабатывания защиты, записанного в регистре 57 уставки параметра защиты, на выходе компаратора 46 защиты появится логическая «1», и счетчик 61 начнет обратный отсчет от числа, загруженного из регистра 60 уставки времени срабатывания защиты по напряжению. При переходе счетчика через ноль, на его выходе появится логическая «1». Если к этому моменту времени напряжение первого ДН 25 продолжает превышать порог; то компаратор 46 остается в состоянии логической «1», при этом на оба входа конъюнктора 62 защиты второго устройства 49 задержки поступят логические «1», и он переключит второй триггер 53 защиты в состояние логической «1». Выходной сигнал второго триггера 53 защиты по шине 34 сообщает управляющей ЭВМ 22 о срабатывании защиты по напряжению и логическая «1» поступает на первый вход логического элемента 56 «ИЛИ-НЕ». Логической «1» на одном или нескольких входах логического элемента 56 «ИЛИ-НЕ» соответствует логический «0» на его выходе, что сделает невозможным включение двунаправленного коммутатора 26.
Первый и третий каналы защиты выполняют свои функции аналогично.
Сброс защит осуществляется подачей сигнала от регистра 56 сброс защит на входы сброса первого 52, второго 53, третьего 54 триггеров защиты.
Напряжение современных АБ, применяемых в автономных объектах, превышает 100 В, что создает угрозу пробоя НУМ 18 в переходных режимах. Для исключения короткого замыкания, обычно, последовательно с каждым параллельно включенным транзистором НУМ включают предохранитель, который при пробое транзистора перегорает. При прерывании тока через НУМ напряжение отрицательной обратной связи с первого ИТ 19 отсутствует и под действием задающего напряжения ИОН 17 импульсный преобразователь начинает повышать свое выходное напряжение до максимально возможной величины (как в прототипе), что приведет к срабатыванию УЗ 27 и размыканию двунаправленного коммутатора 26. Нештатное выключение ЭИАБ может привести к аварийной ситуации на борту автономного объекта, потере не сохраненной информации и т.п.
НУМ
Н
НУМ
Н
При наступлении прерывания тока через НУМ 18 по каким-либо причинам ИСТ из режима стабилизации тока I переводится в режим воспроизведения напряжения на выходе ФП 23. Для этого напряжение с выхода второго УС 21 через усилитель-инвертор 13 и первый аналоговый переключатель 10 подается на управляющий вход ДИП 6. С увеличением напряжения на выходе второго УС 21 напряжение U тоже увеличивается. Применение усилителя-инвертора 13 требуется потому, что в штатном режиме с увеличением напряжения на выходе УС 21 НУМ 18 открывается, ток I увеличивается, а напряжение U уменьшается.
НУМ
Н
НУМ
Н
Н
НУМ
Н
НУМ
Н
Управление аналоговым переключателем 10 производится следующим образом. В штатном режиме переключатель 10 находится в состоянии, при котором выход первого УС 16 подключен к управляющему входу ДИП 6 по следующим причинам: а) напряжения с выхода первого ИТ 19 и с выхода ИОН 17 близки, т.к. отличаются только на величину ошибки импульсного стабилизатора тока I, поэтому второй компаратор 15 находится в состоянии логический «0»; б) конъюнктор 12 (логическая схема «И») находится в состоянии логический «0», триггер 11 находится в состоянии логический «0», напряжение на выходе УС 21 при достаточно высокой точности стабилизации напряжения U соизмеримо с нулем, поэтому первый компаратор 14, который сравнивает это напряжение с нулем, находится в состоянии логический «0». При аварийном прерывании тока I напряжение с выхода первого ИТ 19 становится равным нулю и компаратор 15, который сравнивает это напряжение с напряжением ИОН 17, переходит в состояние логической «1». Поскольку в этом аварийном случае напряжение U существенно увеличивается, то увеличивается напряжение на выходе УС 21 и компаратор 14 переходит в состояние логической «1». Конъюнктор 12 переходит в состояние логической «1» и переводит триггер 11 тоже в состояние логической «1». В этом случае аналоговый переключатель 10 переключается в состояние, при котором ко входу ДИП 6 присоединен выход УИ 13. Применение двух компараторов 14 и 16 и конъюнктора 12 позволяет исключить ложные срабатывания переключателя 10 в штатных переходных режимах: при увеличении U ток I увеличивается, а при уменьшении U ток I уменьшается, поэтому компараторы 14 и 15 одновременно сработать не могут. Применение триггера 11 позволяет исключить повторные переключения аналогового переключателя 10 при достижении выходного напряжения ДИП 6 требуемого значения напряжения U, задаваемого ФП 23
При реализации электрического имитатора аккумуляторной батареи с защитой по току и напряжению двунаправленный импульсный преобразователь 6 может быть выполнен в соответствии с патентом WO 2007/109001. Функциональный преобразователь 23, счетчик 24 ампер-часов и устройство 27 защиты могут быть выполнены на микроконтроллере или программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Требуемые зарядно-разрядные характеристики задаются программным путем.
Все составные части устройства защиты должны быть выполнены на цифровых микросхемах.
Конвертер 4, инвертор 5, переключатель 7, двунаправленный коммутатор 26 могут быть выполнены по известным схемам. Датчики 25, 29 напряжения могут быть выполнены в виде резистивных делителей напряжения. Измерители 19 и 30 тока могут быть выполнены на основе датчиков с использованием эффекта Холла. Остальные устройства: аналоговые переключатели 10, 28, триггер 11, конъюнктор 12, усилитель-инвертор 13, компараторы 14, 15 могут быть выполнены на соответствующих микросхемах.