УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Полезная модель относится к области электротехники, конкретно к преобразователям напряжения и может быть использована для питания потребителей постоянным напряжением и автоматической зарядки и подзарядки аккумуляторных батарей (АБ).
Известно зарядное устройство аккумуляторных батарей (RU, заявка №2003116121, МПК Н02J 7/00, 2005.01.10), содержащее оптоэлектронное включающее - выключающим к сети устройство, блок питания и блок управления, преобразователь напряжения с ограничителем потребляемого тока и напряжения на входе, блок независимой защиты от неправильного подключения аккумуляторной батареи, блок контроля за степенью зарядки аккумулятора и автоматического управления зарядным током, блок контроля тепловых процессов в устройстве и автоматического управления ими. Устройство также содержит индикатор полностью заряженной аккумуляторной батареи. Блок контроля за степенью зарядки аккумулятора и автоматического управления зарядным током взаимодействует с сетью через оптоэлектронное устройство.
Недостатком таких схем является то, что при выходе из строя преобразователя напряжения надежность гарантированного электропитания
резко снижается, что в условиях электропитания (особенно судовых объектов) бывает недопустимо.
В качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения принято устройство питания постоянного напряжения и зарядки аккумуляторных батарей по патенту RU №64824, МПК H02J 7/00, 2007.01.09). Устройство включает в себя коммутатор, коммутирующий входы параллельно соединенных n преобразователей напряжения по сети питания. На выходе каждого преобразователя напряжения включено устройство слежения, выходы которых соединены со входом датчика тока, выходы управления подключены к контроллеру 5, выходы сигналов уравнивания к входам управления соответствующих преобразователей, а выходы сигналов выравнивания токов объединены шиной. Блок защиты от переполюсовки АБ подключен к выходу датчика тока 4, соединенного с измерителем выходного напряжения. Недостатком такого устройства является сложность подстройки диапазона регулировки напряжения, что может приводить к высокой нелинейности характеристики управления выходным напряжением и, как следствие, к его нестабильности.
Технической задачей полезной модели является повышение стабильности выходного напряжения, увеличения надежности и эффективности устройства.
Решение указанной задачи достигается тем, что в устройство питания постоянного напряжения и зарядки аккумуляторных батарей, содержащем
коммутатор сетевого напряжения, n параллельных каналов из последовательно соединенных преобразователя напряжения и устройства слежения, входы по сети питания преобразователей напряжения соединены с коммутатором, датчик тока, вход которого подключен к выходу устройств слежения, выход сигнала слежения за напряжением каждого из которых соединен со входом управления соответствующего преобразователя напряжения, а «входы-выходы» сигналов выравнивания токов устройств слежения объединены шиной выравнивания, измеритель выходного напряжения, подключенный к выходу датчика тока, который является выходом устройства для подключения аккумуляторной батареи или нагрузки, контроллер, к соответствующим входам которого подключены датчик тока и измеритель выходного напряжения, панель управления и индикации, подключенная через интерфейс к контроллеру, каждый из преобразователей напряжения имеет дополнительно вход опорного напряжения и выход опорного напряжения, а каждый из n каналов дополнительно содержит цепочку из последовательно соединенных интегратора, делителя напряжения и сумматора напряжения, выход которого соединен со входом опорного напряжения преобразователя напряжения, выход опорного напряжения которого подключен к другому (второму) входу сумматора напряжения и входу интегратора, второй вход которого соединен с аналогичными входами остальных из n интеграторов и подключен к соответствующему выходу контроллера.
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
Сущность технического решения поясняется чертежом структурной схемы устройства питания и зарядки аккумуляторов, на которой обозначено: 1 - автоматический коммутатор; 2-2 -преобразователи напряжения; 3-3 - устройства слежения; 4 - датчик тока; 5 - контроллер; 6 - измеритель выходного напряжения; 7 - интерфейс; 8 - панель управления и индикации; 9-9 - интеграторы; 10-10 -делители напряжения; 11-11 - сумматоры напряжения.
1
n
1
n
Устройство питания постоянного напряжения и зарядки аккумуляторных батарей с встроенным микроконтроллерным управлением включает в себя коммутатор 1 (выключатель серии multi 9, тип С60а), коммутирующий входы преобразователей напряжения 2-2 на одно- или трехфазное переменное напряжение 220 В частотой 50 Гц и защищающий устройство от токов короткого замыкания автоматическим выключением сети переменного тока. Преобразователь напряжения 2 включает в себя фильтр низких частот (защищающий сеть от помех преобразования), диодные выпрямители, накопительные емкости, импульсный преобразователь (высокочастотный трансформатор и ключевые устройства), управляемый широтно-импульсный (ШИМ) генератор и источник опорного напряжения (выполнены на микросхеме SG3525A). На выходе каждого преобразователя напряжения 2-2 включено устройство слежения 3, образуя n параллельно соединенных каналов из последовательно включенных преобразователя напряжения и устройства слежения. Вход прецизионного твердотельного
1
n
1
n
1
n
датчика тока 4 (выполнен на микросхеме ACS755 и осуществляет измерение выходного тока, необходимого для питания нагрузки и зарядки АБ) соединен с выходом устройств слежения 3-3, выход сигнала слежения за напряжением которых подключены к входам управления соответствующих преобразователей напряжения 2-2, а «входы-выходы» сигналов выравнивания токов устройств слежения 3-3 объединены общей аналоговой шиной выравнивания. Конструктивно устройство слежения 3 каждого канала преобразования выполнено на базе низкоомного шунта (~0,005 ом.) и микросхемы типа UC3902. Каждый из n каналов содержит цепочку из последовательно соединенных интегратора 9 (интегратор выполнен с опторазвязкой и с триггером Шмидта), прецизионного резисторного делителя напряжения 10 (выполнен с возможностью регулировки потенциометром) и сумматора напряжения 11 (выполнен на резисторах), выход которого соединен со входом опорного напряжения ШИМ генератора преобразователя напряжения 2, выход источника опорного напряжения которого подключен к другому (второму) входу сумматора напряжения 11 и входу опорного напряжения интегратора 9, вход управления которого соединен с входами управления остальных из n интеграторов 9 и подключен к соответствующему выходу контроллера 5. Контроллер осуществляет защиту от включения на неисправную нагрузку, управляет величиной выходного тока и выходного напряжения, выдает информацию об измеренных величинах на панель управления и индикации и
вых
вых
т.д. Количество ветвей преобразователя напряжения 2 с устройством слежения 3 и цепочкой из интегратора 9, делителя напряжения 10 и сумматора напряжения 11, обусловлено степенью надежности и необходимой выходной мощностью и составляет обычно от 2 до 8. Датчик тока 4 соединен с измерителем выходного напряжения 6 (резистивный делитель) и является выходом устройства U для подключения АБ или нагрузки. Выход сигнала датчика тока 4 и измерителя напряжения 6 соединены с соответствующими входами контроллера 5, выполненного на микросхеме типа Atmega 168 (фирмы «Атмел» США). Через измеритель напряжения 6 непрерывно осуществляется измерение выходного напряжения U устройства контроллером 5. Панель управления и индикации 8 представляет собой микропроцессорную систему с многофункциональным жидкокристаллическим (ЖК) графическим индикатором, связанную с контроллером 5 с помощью последовательного порта RS-485 интерфейса 7. Контроль выходных параметров устройства осуществляется непрерывной цифровой индикацией значений выходного тока и напряжения на ЖК индикаторе панели управления.
Принцип работы устройства питания постоянного напряжения и зарядки аккумуляторных батарей основан на преобразовании переменного (или постоянного) напряжения в гальванически развязанное напряжение постоянного тока и стабилизации напряжения и тока на заданном уровне с помощью цифровой системы управления.
1
n
При наличии сетевого напряжения на входе каждого из преобразователей напряжения 2-2 токи вторичных обмоток их высокочастотных трансформаторов протекают через диодные выпрямители и через включенные в положительную ветвь устройства низкоомные шунты соответствующих устройств слежения 3 для активного выравнивания их величин и суммирования. Регулировки по току и напряжению в устройстве слежения 3 обеспечивают ограничение выходного напряжения и тока до заданной величины и управление преобразователями напряжения сигналами выравнивания. Контроллер 5 выдает одинаковый пропорционально распределенный сигнал управления на интеграторы 9, на другой вход которых поступает основное опорное напряжение с источников опорного напряжения соответствующих преобразователей 3. Делитель напряжения 10 выравнивает крутизну управления ШИМ генератором подбором (регулировкой потенциометром) диапазона перестройки выходного напряжения преобразователя 2. В сумматоре 11 происходит наложение на основное опорное напряжение с выхода преобразователя напряжения управления, сформированного интегратором 9 и делителем 10. Таким образом, введение блоков 9-11 в каждом канале преобразования напряжения позволяет сузить полосу пропускания существующих цепей обратной связи, снизить возможность самовозбуждения (из-за наличия параллельных каналов преобразования напряжения, большого количества обратных связей, наличия устройств слежения с разной крутизной
управления и т.п.) и повысить линейность управления преобразователей, снизив колебания величины выходного напряжения устройства.
Полезная модель, предназначенная для преобразования переменного напряжения 220 В или 380 В частотой 50 Гц или постоянного напряжения от 200 В до 570 В в автоматически контролируемое постоянное напряжение (12 В, 24 В, 220 В) с гальванической развязкой цепей, может быть использована для питания широкого класса потребителей (включая и судовые устройства) и зарядки аккумуляторов в ручном и автоматическом режимах.