УСТРОЙСТВО ЗАРЯДА И РАЗРЯДА АККУМУЛЯТОРОВ (ВАРИАНТЫ)

Область техники
Полезная модель относится к силовой преобразовательной технике и может быть использована в устройствах циклирования и заряда аккумуляторов.
Уровень техники
Известно устройство заряда и разряда аккумуляторов [1], содержащее трехфазный трансформатор, вторичные обмотки которого соединены по схеме звезда с выведенной нулевой точкой и подключены к входу мостового выпрямителя, выполненного на полупроводниковых управляемых ключах, элементы управления которых подключены к выходам блока управления, первый выход мостового выпрямителя соединен с первыми зажимами первого и второго аккумуляторов, а вторые зажимы первого и второго аккумуляторов подключены соответственно к второму выходу мостового выпрямителя через датчик тока, сигнальные цепи которого подключены к соответствующим входам блока управления, и к нулевой точке вторичных обмоток трехфазного трансформатора через переключающее устройство, выполненное на двух взаимно сблокированных друг с другом контакторах, цепи управления которого подключены к соответствующим выходам блока управления, снабженного дополнительной программируемой платой автоматического управления, при этом зажимы обоих аккумуляторов и выходы вторичных обмоток трехфазного трансформатора соединены с соответствующими входами блока управления.
Недостатком данного устройства является невозможность питания его от однофазной сети переменного тока, что целесообразно при заряде и разряде аккумуляторов малой энергоемкости, а также невозможность одновременного заряда обоих аккумуляторов.
Сущность полезной модели
В основу полезной модели поставлена задача создания вариантов простого устройства заряда и разряда двух однотипных аккумуляторов с питанием от однофазной сети переменного тока, с обеспечением экономии электроэнергии, а также возможность одновременного их заряда.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном устройстве заряда и разряда аккумуляторов, содержащем трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к входу выпрямителя, выполненного на полупроводниковых управляемых ключах, элементы управления которых подключены к выходам блока автоматического управления, а второй выход выпрямителя соединен с входом датчика тока, сигнальные цепи которого подключены к соответствующим входам блока автоматического управления, первые клеммы двух аккумуляторов соединены, а вторые клеммы аккумуляторов через переключающее устройство, выполненное на контакторах, цепи управления которого подключены к соответствующим выходам блока автоматического управления, подключены к выходу датчика тока, при этом клеммы обоих аккумуляторов и выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к соответствующим входам блока автоматического управления, согласно полезной модели трансформатор выполнен однофазным, вторичная обмотка которого имеет две секции с выведенной общей точкой, которая через диод соединена с общей точкой первых клемм аккумуляторов, при этом переключающее устройство выполнено на четырех контакторах и через него вторые клеммы аккумуляторов соединены с общей точкой секций вторичной обмотки однофазного трансформатора.
Кроме этого введено два диода, первые выводы которых подключены к соответствующим выводам вторичной обмотки однофазного трансформатора, а вторые соединены, а также дополнительно введено ручное переключающее устройство, состоящее из трех штепсельных разъемов, первый выполнен в виде колодки, при этом первый и второй контакты включены в разрыв между общей точкой диодов выпрямителя и первой клеммой второго аккумулятора, третий и четвертый контакты включены между второй клеммой второго аккумулятора и первой клеммой первого аккумулятора, а пятый и шестой контакты включены в разрыв между первыми клеммами обоих аккумуляторов; второй и третий штепсельные разъемы выполнены в виде вставок, которые могут сочленяться с первым штепсельным разъемом, при этом у второго штепсельного разъема соединены первый и второй, а также третий и четвертый контакты, а у третьего штепсельного разъема соединены пятый и шестой контакты.
Предлагаются так же варианты усовершенствования устройства заряда и разряда аккумуляторов, с целью повышения коэффициента использования мощности трансформатора.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном устройстве заряда и разряда аккумуляторов, содержащем трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к входу выпрямителя, выполненного на полупроводниковых управляемых ключах, элементы управления которых подключены к выходам блока автоматического управления, а второй выход выпрямителя соединен с входом датчика тока, сигнальные цепи которого подключены к соответствующим входам блока автоматического управления, первые клеммы обоих аккумуляторов соединены, а вторые клеммы аккумуляторов через переключающее устройство, выполненное на контакторах, цепи управления которого подключены к соответствующим выходам блока автоматического управления, подключены к выходу датчика тока, при этом клеммы обоих аккумуляторов и выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к соответствующим входам блока автоматического управления, согласно полезной модели трансформатор выполнен однофазным, вторичная обмотка которого имеет промежуточный вывод, а выпрямитель выполнен из трех цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных полупроводникового управляемого ключа и диода, при этом общая точка каждой цепочки подключена к соответствующему выводу вторичной обмотки и ее промежуточному выводу, а общая точка первых клемм обоих аккумуляторов соединена через диод с общей точкой диодов вышеуказанных цепочек выпрямителя.
Кроме этого дополнительно введено ручное переключающее устройство, состоящее из трех штепсельных разъемов, первый выполнен в виде колодки, при этом первый и второй контакты включены в разрыв между первым выходом выпрямителя и первой клеммой второго аккумулятора, третий и четвертый контакты включены между второй клеммой второго аккумулятора и первой клеммой первого аккумулятора, а пятый и шестой контакты включены в разрыв между первыми клеммами обоих аккумуляторов; второй и третий штепсельные разъемы выполнены в виде вставок, которые могут сочленяться с первым штепсельным разъемом, при этом у второго штепсельного разъема соединены первый и второй, а также третий и четвертый контакты, а у третьего штепсельного разъема соединены пятый и шестой контакты; вторичная обмотка однофазного трансформатора имеет дополнительную секцию, соединенную с ней последовательно, при этом выпрямитель имеет четвертую цепочку из последовательно соединенных полупроводникового управляемого ключа и диода, общая точка которой соединена с выводом дополнительной секции вторичной обмотки.
Введение отличительных признаков полезной модели позволяет создать простое устройство заряда и разряда аккумуляторов, обеспечивающее экономию электроэнергии, расширение функциональных возможностей, при простоте конструкции и надежности работы.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется схемами, представленными на Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3 и Фиг.4.
На Фиг.1 представлена электрическая функциональная схема по п.1, на Фиг.2 по п.2, на Фиг.3 по п.3 и на Фиг.4 по п.4 полезной модели.
Позициями на Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3, Фиг.4 обозначены:
1 - однофазный трансформатор;
2 - первичная обмотка однофазного трансформатора 1;
3 - вторичная обмотка однофазного трансформатора 1;
4 - выпрямитель;
5, 6 - полупроводниковые управляемые ключи;
7 - датчик тока;
8 - блок автоматического управления;
9 - первый аккумулятор;
10 - второй аккумулятор;
11 - первая клемма первого аккумулятора 9;
12 - первая клемма второго аккумулятора 10;
13 - переключающее устройство;
14, 15, 16, 17 - контакторы переключающего устройства 13;
18 - вторая клемма первого аккумулятора 9;
19 - вторая клемма второго аккумулятора 10;
20, 21, 22 - диоды;
23 - ручное переключающее устройство;
24, 25, 26 - соответственно первый, второй и третий штепсельные разъемы ручного переключающего устройства 23;
27, 29 - полупроводниковые управляемые ключи;
28, 30 - диоды.
Лучший вариант исполнения
Устройство заряда и разряда аккумуляторов по п.1 полезной модели, содержит однофазный трансформатор 1, с первичной обмоткой 2 и вторичной обмоткой 3, состоящей из двух секций, имеющих общую точку, а выводы вторичной обмотки 3 подключены к входу выпрямителя 4, выполненного из двух полупроводниковых управляемых ключей 5 и 6, при этом выход выпрямителя 4 подключен к входу датчика тока 7, сигнальные цепи которого соединены с соответствующими входами блока автоматического управления 8.
Элементы управления полупроводниковых ключей 5, 6 соединены с выходами блока автоматического управления 8. У аккумуляторов 9, 10 первые клеммы соединены. Переключающее устройство 13 выполнено на контакторах 14, 15, 16, 17, а его цепи управления подключены к соответствующим выходам блока автоматического управления 8, и через него вторые клеммы 18, 19 аккумуляторов 9, 10 соединены в с выходом датчика тока 7 и с общей точкой секций вторичной обмотки 3. Вторые клеммы 18, 19 аккумуляторов 9, 10 и выводы вторичной обмотки 3 однофазного трансформатора 1 соединены с соответствующими входами блока автоматического управления 8, при этом общая точка первых клемм 11, 12 аккумуляторов 9, 10, через диод 20 соединена с общей точкой двух секций вторичной обмотки 3 однофазного трансформатора 1.
В устройстве по п.2 имеются два диода 21, 22, первые выводы которых подключены к соответствующим выводам вторичной обмотки 3 однофазного трансформатора 1, а вторые соединены, а так же ручное переключающее устройство 23, состоящее из трех штепсельных разъемов 24, 25, 26, первый штепсельный разъем 24 выполнен в виде колодки, при этом первый и второй контакты включены в разрыв между общей точкой диодов 21, 22 выпрямителя 4 и первой клеммой 12 второго аккумулятора 10, третий и четвертый контакты включены между второй клеммой 19 второго аккумулятора 10 и первой клеммой 11 первого аккумулятора 9, а пятый и шестой контакты включены в разрыв между первыми клеммами 11, 12 аккумуляторов 9, 10: второй и третий штепсельные разъемы 25, 26, выполнены в виде вставок, которые могут сочленяться с первым штепсельным разъемом 24, при этом у второго штепсельного разъема 25 соединены первый и второй, а так же третий и четвертый контакты, а у третьего штепсельного разъема 26 соединены пятый и шестой контакты.
В устройстве по п.3 полезной модели трансформатор 1 выполнен однофазным, вторичная обмотка 3 которого имеет промежуточный вывод, а выпрямитель 4 выполнен из трех цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных полупроводникового ключа и диода, соответственно 5 и 21, 6 и 22, 27 и 28, при этом общая точка каждой цепочки подключена к соответствующему выводу вторичной обмотки 3 и ее промежуточному выводу, а общая точка первых клемм обоих аккумуляторов 9, 10 соединена через диод 20 с общей точкой диодов 21, 22, 28 вышеуказанных цепочек выпрямителя 4.
В устройстве по п.4 полезной модели дополнительно имеется ручное переключающее устройство 23, состоящее из трех штепсельных разъемов 24, 25, 26, первый выполнен в виде колодки 24, при этом первый и второй контакты включены в разрыв между первым выходом выпрямителя 4 и первой клеммой 12 второго аккумулятора 10, третий и четвертый контакты включены между второй клеммой 19 второго аккумулятора 10 и первой клеммой 11 первого аккумулятора 9, а пятый и шестой контакты включены в разрыв между первыми клеммами 11, 12 аккумуляторов 9, 10; второй и третий штепсельные разъемы 25. 26 выполнены в виде вставок, которые могут сочленяться с первым штепсельным разъемом 24, при этом у второго штепсельного разъема 25 соединены первый и второй, а также третий и четвертый контакты, а у третьего штепсельного разъема 26 соединены пятый и шестой контакты; вторичная обмотка 3 однофазного трансформатора 1 имеет дополнительную секцию, соединенную с ней последовательно, при этом выпрямитель 4 имеет четвертую цепочку из последовательно соединенных полупроводникового управляемого ключа 29 и диода 30, общая точка которой соединена с выводом дополнительной секции вторичной обмотки 3 одноофазного трансформатора 1.
Работа устройства
При работе устройства по схеме на Фиг.1, для заряда аккумулятора 9, один его полюс, например, положительный подключен к клемме 18, а отрицательный полюс к клемме 11. После этого подается питание от однофазной сети переменного тока на первичную обмотку 2 однофазного трансформатора 1, при этом с его вторичной обмотки 3 питание поступает на вход выпрямителя 4, состоящего из полупроводниковых управляемых ключей 5, 6 и на блок автоматического управления 8, который включает контактор 14 переключающего устройства 13. Регулирование тока заряда аккумулятора 9 обеспечивается путем фазового регулирования полупроводниковых управляемых ключей 5, 6 выпрямителя 4, импульсами подаваемыми на их элементы управления с соответствующих выходов блока автоматического управления 8, который обеспечивает автоматическую стабилизацию заданной величины тока или напряжения заряда, используя сигналы с датчика тока 7, при этом зарядный ток протекает по цепи: выход выпрямителя 4, датчик тока 7, контактор 14, аккумулятор 9, диод 20, секции вторичной обмотки 3, однофазного трансформатора 1, вход выпрямителя 4. После получения аккумулятором 9 определенной величины Ампер-часов или достижения зарядного напряжения на клеммах аккумулятора 9 максимального значения для него, блок автоматического управления 8 снимает импульсы с элементов управления полупроводниковых управляемых ключей 5, 6 выпрямителя 4, и заряд аккумулятора 9 прекращается, после чего отключается контактор 14.
В этом случае устройство работает как простой двухполупериодный управляемый выпрямитель.
При работе устройства в режиме циклирования аккумуляторов, к клеммам 12, 19 подключают и второй аккумулятор 10, однотипный с аккумулятором 9.
В этом режиме в начале цикла заряда первого аккумулятора 9 и разряда второго аккумулятора 10, включаются контакторы 14, 17 переключающего устройства 13, при этом ток течет по цепи: второй аккумулятор 10, контактор 17 переключающего устройства 13, секции вторичной обмотки 3 однофазного трансформатора 1, выпрямитель 4, датчик тока 7, контактор 14 переключающего устройства 13, первый аккумулятор 9, соединение между клеммами 11, 12 аккумуляторов 9, 10.
В этом случае через аккумуляторы 9, 10 протекает одинаковый стабилизированный ток, который для аккумулятора 9 будет зарядным, а для аккумулятора 10 разрядным.
При достижении на разряжаемом втором аккумуляторе 10 конечного разрядного напряжения, контактор 17 переключающего устройства 13 отключается и далее заряд первого аккумулятора 9 происходит через диод 20, при этом если номинальный ток заряда аккумуляторов больше его номинального тока разряда, блок автоматического управления 8, в соответствии с заданным ему алгоритмом работы увеличивает его до необходимого значения и далее стабилизирует до полного заряда аккумулятора 9, после чего контактор 14 переключающего устройства 13 отключается и блок автоматического управления 8 переводит работу устройства в режим заряда второго аккумулятора 10 и разряда первого аккумулятора 9, при этом работают контакторы 15, 16 переключающего устройства 13, по вышеописанному алгоритму. Возможен и другой алгоритм работы устройства в режиме циклирования, когда в начале цикла сначала один аккумулятор заряжается до определенной емкости, а затем его заряд обеспечивается с помощью разряда на него другого аккумулятора.
Блок автоматического управления 8, с помощью переключающего устройства 13, обеспечивает автоматическое изменение режима работы каждого аккумулятора при их циклирования.
Для бестоковой коммутации контакторов 14…17 переключающего устройства 13 они отключаются только после снятия сигналов управления с полупроводниковых управляемых ключей 5, 6 выпрямителя 4.
Для возможности заряда двух последовательно соединенных аккумуляторов 9, 10, используется схема указанная на Фиг.2.
В этом случае колодка штепсельного разъема 24 ручного переключающего устройства 23 сочленена с вставкой его штепсельного разъема 25, и после включения контактора 14 переключающего устройства 13 осуществляется заряд последовательно соединенных аккумуляторов 9, 10 по цепи: полупроводниковые управляемые ключи 5, 6 выпрямителя 4, датчик тока 7, первый аккумулятор 9, второй аккумулятор 10 через первый и второй, а также четвертый и пятый контакты штепсельных разъемов 24, 25, общая точка диодов 21, 22 выпрямителя 4, вторичная обмотка 3 однофазного трансформатора 1.
В этом режиме устройство работает как однофазный мостовой управляемый выпрямитель, при этом максимальное зарядное напряжение увеличивается в два раза.
Для перевода работы устройства по схеме Фиг.1 в режим циклирования или раздельного заряда аккумуляторов 9, 10, в ручном переключающем устройстве 23 колодка штепсельного разъема 24 ручного переключающего устройства 23 сочленяется с вставкой его штепсельного разъема 26, при этом происходит соединение через их пятый и шестой контакты клеммам 11, 12 аккумуляторов 9, 10.
При работе устройства по схеме на Фиг.3 для заряда аккумулятора 9 подается питание на первичную обмотку 2 однофазного трансформатора 1, при этом с вторичной обмотки 3 питание подается на вход выпрямителя 4, в виде однофазного моста, состоящего из полупроводниковых управляемых ключей 5, 27 и диодов 21, 28. В этом случае напряжение на вторичной обмотки 3 должно быть достаточным для заряда аккумулятора 9, при этом он заряжается по цепи: вторичная обмотка 3, второй выход выпрямителя 4, датчик тока 7, контактор 14 переключающего устройства 13, аккумулятор 9, диод 20, первый выход выпрямителя 4.
Заряд аккумулятора 10 осуществляется аналогично аккумулятору 9, при этом вместо контактора 14 включается контактор 17 переключающего устройства 13.
Регулирование тока аккумуляторов 9, 10 обеспечивается аналогично работе устройства по схеме на Фиг.1.
При работе устройства в режиме циклирования аккумуляторов 9, 10, в начале цикла заряда, например, первого аккумулятора 9 и разряда второго аккумулятора 10 включаются контакторы 14, 16 переключающего устройства 13, при этом на вход выпрямителя 4, состоящего из полупроводниковых управляемых ключей 5, 6 и диодов 21, 22 подается напряжение от промежуточного отвода вторичной обмотки 3 однофазного трансформатора 1. В этом случае ток течет по цепи: второй выход выпрямителя 4, датчик тока 7, контактор 14 переключающего устройства 13, первый аккумулятор 9, второй аккумулятор 10, контактор 16 переключающего устройства 13, первый выход выпрямителя 4. В этом случае напряжение на промежуточном отводе вторичной обмотки 3 однофазного трансформатора 1 должно быть достаточным для заряда аккумулятора 9 от последовательно соединенных выпрямителя 4 и аккумулятора 10.
В этом случае через аккумуляторы 9, 10 протекает одинаковый стабилизированный ток, который для аккумулятора 9 будет зарядным, а для аккумулятора 10 разрядным. При достижении на разряжаемом аккумуляторе 10 конечного разрядного напряжения контактор 16 переключающего устройства 13 отключается и дальнейший заряд аккумулятора 9 осуществляется через диод 20, при этом выпрямитель 4 состоит из полупроводниковых управляемых ключей 5, 27 и диодов 21, 28.
Если номинальный ток заряда аккумуляторов больше его номинального тока разряда, блок автоматического управления 8, в соответствии с заданным ему алгоритмом работы увеличивает его до необходимого значения и далее стабилизирует его до полного заряда аккумулятора 9, после чего контактор 14 переключающего устройства 13 отключается и блок автоматического управления 8 переводит работу устройства в режим заряда аккумулятора 10 и разряда аккумулятора 9, при этом работают контакторы 15, 17 переключающего устройства 13 по вышеописанному алгоритму.
Возможен и другой алгоритм устройства в режиме циклирования когда в начале цикла сначала один аккумулятор заряжается до определенной емкости, а затем его заряд обеспечивается с помощью разряда на него другого аккумулятора.
Для возможности заряда двух последовательно соединенных аккумуляторов 9, 10 используется схема на Фиг.4.
В этом случае колодка штепсельного разъема 24 ручного переключающего устройства 23 сочленена с вставкой его штепсельного разъема 25, и после включения контактора 14 переключающего устройства 13 осуществляется заряд последовательно соединенных аккумуляторов 9, 10 по цепи: второй выход выпрямителя 4, датчик тока 7, аккумулятор 9, аккумулятор 10, через первый и второй, а также четвертый и пятый контакты штепсельных разъемов 24, 25, первый выход выпрямителя 4, который в этом случае состоит из полупроводниковых управляемых ключей 5, 29 и диодов 21, 30, вторичная обмотка 3, с последовательно соединенной с ней ее дополнительной секцией, суммарное напряжение которых достаточно для полного заряда двух последовательно соединенных аккумуляторов 9, 10.
Из рассмотренного видно, что предложенные функциональные электрические схемы устройства заряда и разряда аккумуляторов позволяют сделать его простым, экономичным, многофункциональным, при этом обеспечивается полная автоматизация процесса циклирования аккумуляторов.
Промышленная применимость
Разработана схема и проведены макетные испытания устройства.
Источники информации:
1. Полезная модель №83665 «Устройство заряда и разряда аккумуляторов», 2009 г., МПК H02J 7/10 - прототип