ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Предполагаемая полезная модель относится к электротехнике, а более точно, к зарядно-разрядным устройствам на основе высокочастотных преобразователей с гальванической развязкой, используемых для испытаний и зарядки аккумуляторных батарей, используемых в космических аппаратах. Полезная модель предназначена для работы с аккумуляторными батареями на всех этапах создания, отработки и наземной эксплуатации.
Зарядные схемы с высокочастотным преобразованием выполняются обычно по известным схемам источников вторичного электропитания и включают в себя входной выпрямитель, фильтрующий элемент, преобразователь, устройство управления и токочувствительный элемент для обратной связи по току (Сергеев B.C. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания. Справочник. - М.; Радио и связь, 1992. - 224 с) Преобразователь может быть выполнен по любой известной схеме, однако при зарядке аккумуляторной батареи важно поддерживать постоянное среднее значение зарядного тока, а также обеспечить гальваническую развязку аккумуляторной батареи от сети.
Известны зарядно-разрядные устройства для аккумуляторных батарей на основе высокочастотных преобразователей с гальванической развязкой, например, по патенту на полезную модель РФ №83665. Устройство содержит трехфазный трансформатор, вторичные обмотки которого подключены к мостовому выпрямителю, выполненному на полупроводниковых управляемых ключах, например, на оптотиристорах или IGBT - модулях, элементы управления которых подключены к выходам блока управления. Первый выход мостового выпрямителя соединен с первым зажимом для первого аккумулятора, второй выход мостового выпрямителя через датчик тока соединен с вторым зажимом для первого аккумулятора, а второй для второго аккумулятора соединен с нулевой точкой вторичных обмоток трехфазного трансформатора, при этом первый зажим для второго аккумулятора соединен с первым зажимом для первого аккумулятора. Все зажимы для обоих аккумуляторов и все выходы вторичных обмоток трехфазного трансформатора соединены с соответствующими входами блока управления. Первичные обмотки трехфазного трансформатора подключены к питающей сети через защитно-коммутационное устройство.
Недостатками устройства являются низкая надежность и точность, поскольку ток, проходящий по контуру, является зарядным для первого аккумулятора и разрядным - для второго. Однако, для специфического применения в космических аппаратах, где требуется повышенная надежность батарей, такое устройство неприемлемо, из-за несовпадения зарядного и разрядного токов аккумуляторных батарей, что может привести к сокращению времени их работы. Срабатывание контакторов происходит достаточно длительное время (50 мс), что недопустимо для обеспечения достаточной надежности для указанного применения. Кроме того, низкая надежность устройства обусловлена тем, что защитное устройство включено только на входе устройства, и обеспечивает защиту только при замыкании питающей сети на корпус устройства и токовую защиту по сети питания, и защиту от превышения тока в цепи мостового выпрямителя, не обеспечивая защиту от аварийных ситуаций, которые могут возникнуть в других цепях данного устройства, например, при неправильных действиях оператора или неправильного подключения полюсов батарей. Это тоже недопустимо при эксплуатации дорогостоящих аккумуляторных батарей космического назначения.
Наиболее близкой по существенным признакам и достигаемому результату к заявляемому устройству является станция автоматическая зарядно-разрядная по патенту РФ №2327268. Зарядная часть указанной станции выполнена по мостовой схеме с высокочастотным трансформатором, разрядная часть выполнена на основе повышающего ШИМ-преобразователя с рекуперацией энергии в емкостный элемент. Станция питается от трехфазной сети переменного тока. По командам оператора задается режим работы станции - заряд АБ, разряд АБ, выбор типа АБ, вид зарядного тока, задание тока заряда, тока разряда с отображением данной информации дисплее.
Указанная зарядно-разрядная станция включает цепь заряда, цепь разряда, блок питания собственных нужд, блок управления с панелью управления и блоком индикации и блок подключения аккумуляторных батарей, связанный с датчиком тока и блоком индукторов.
Цепь заряда в этой станции состоит из блока фильтров, блока сетевого выпрямителя, блока сетевого фильтра, блока регулируемого источника зарядного тока, собранного из силовых ключевых элементов с подключенным к ней высокочастотным трансформатором, осуществляющим гальваническую развязку от сети, и управляемого через блок усилителей от микропроцессора, блока высокочастотного выпрямителя, блока фильтра, ключа, управляемого через блок усилителей от микропроцессора и служащего для плавного разряда избыточного напряжения емкостного фильтра после разрядного импульса, блока индуктора, служащего для сглаживания пульсаций зарядного тока и блока подключения аккумуляторных батарей.
Цепь разряда состоит из блока подключения аккумуляторных батарей, того же блока индуктора, дроссель которого является индуктивным элементом повышающего ШИМ-преобразователя регулируемого источника разрядного тока, блока регулируемого источника разрядного тока, управляемого через блок усилителей от микропроцессора, которым задается и поддерживается необходимый уровень разрядного тока, энергия разрядного тока преобразуется в заряд конденсатора блока фильтров и используется для создания зарядного тока, блока разряда конденсаторов, предохраняющего емкостной элемент блока фильтров от выхода из строя при разряде, и блок нагрузки.
Указанное устройство позволяет вести в автоматическом режиме заряд, разряд аккумуляторных батарей различных номинальных емкостей и напряжений стабилизированным или асимметричным или постоянным током с выводом информации о параметрах заряда или разряда на дисплее. Однако недостатком данного устройства является недостаточная надежность, обусловленная тем, что прерывание процессов заряда или разряда в случае появления любого из аварийных сигналов производится оператором с пульта управления по сигналам на индикаторе. Это может привести к повреждению батарей или сокращению времени их эксплуатации из-за человеческого фактора и длительности времени от возникновения аварийного сигнала до прерывания процесса. Кроме того, недостатком данного устройства является способ рекуперации энергии: энергия разряда аккумуляторной батареи накапливается на емкостном элементе блока фильтра. Когда напряжение на емкостном элементе блока фильтра достигает порога срабатывания ключевого элемента блока разряда конденсаторов, ключ открывается, и избыточная энергия преобразуется в тепло на резистивном элементе блока нагрузки, т.е. происходит неэффективное рассеивание мощности.
Недостатком такого устройства также является сложность подстройки диапазона регулировки тока и напряжения, что может приводить к высокой нелинейности характеристики управления их выходными параметрами, и, как следствие, к их нестабильности.
Технической задачей полезной модели является повышение стабильности выходных токов, увеличения надежности и эффективности устройства за счет мгновенного срабатывания защиты в случае возникновения внештатной ситуации в цепи заряда или разряда на любом из структурных элементов схемы. Кроме того, задачей полезной модели является повышение КПД устройства за счет рекуперации энергии разряда аккумуляторной батареи в питающую сеть.
Для решения поставленной задачи, зарядно-разрядное устройство, также как и прототип, содержит зарядную цепь, состоящую из блока фильтров, блока выпрямителя, блока сетевого фильтра и блока регулируемого источника зарядного тока, соединенную с блоком подключения аккумуляторных батарей, и цепь разряда, состоящую из блока подключения аккумуляторных батарей, блока регулируемого источника разрядного тока и устройства рекуперации энергии разряда АБ, а также блок питания собственных нужд, блок управления с панелью управления и блоком индикации, при этом блок подключения аккумуляторных батарей соединен с датчиком тока и блоком дросселей.
В отличие от прототипа зарядно-разрядное устройство включает устройство контроля изоляции, подключенное к входу зарядной цепи и к выходу разрядной цепи, предназначенное для защиты зарядно-разрядного устройства и аккумуляторной батареи от пробоя или недопустимого снижения сопротивления изоляции между питающей сетью и корпусом и, соответственно, между питающей сетью и выходными шинами зарядно-разрядного устройства; выход зарядной и вход разрядной цепей соединены с блоком подключения аккумуляторных батарей через цепь защитного мгновенного отключения, содержащую два встречно параллельно соединенных диода, каждый из которых связан с ключевым элементом на транзисторах MOSFET. а датчик тока соединен на выходе цепи защитного мгновенного отключения, своим выходом связан с блоком управления и последовательно соединен с контакторами подключения аккумуляторных батарей через блок дросселей.
Блок регулируемого источника зарядного тока в зарядной цепи выполнен в виде трех параллельных двухтактных высокочастотных гальваноразвязанных преобразователей из постоянного в постоянное напряжение, синхронизированных от внешнего источника синхронизации, входящего в блок управления, со сдвигом синхроимпульсов для каждого из преобразователей на 120 электрических градусов. Данная структура, образующая ЗУ, позволяет осуществлять регулирование и стабилизацию напряжения и тока ВАХ ЗУ посредством ШИМ-преобразования. Указанный блок регулируемого источника тока соединен через блок защитного мгновенного отключения, датчик тока и блок дросселей с блоком подключения аккумуляторных батарей, содержащим контакторы подключения АБ.
Источник регулируемого разрядного тока зарядной цепи выполнен в виде трех параллельных модулей повышающего преобразователя, каждый из которых содержит два канала повышающих преобразователей, соединенного с силовым ключом блока защитного мгновенного отключения, и далее, через датчик тока и блок дросселей - с блоком подключения АБ. Три модуля повышающего преобразователя образуют высокочастотный 6-канальный регулируемый преобразователь повышающего типа, стабилизирующий разрядный ток посредством ШИМ-преобразования, с синхронизацией от внешнего источника синхронизирующих импульсов, входящего в состав блока управления. Выход указанного повышающего преобразователя соединен через выходной фильтр с трехканальным высокочастотным гальваноразвязанным конвертором, образованным тремя параллельными модулями конвертора, соединенным по выходу через блок фильтров с инвертором, ведомым сетью, где осуществляется преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока питающей сети.
Предложенная структура зарядно-разрядного устройства обеспечивает отсутствие аварийных ситуаций при несанкционированном пропадании напряжения питающей сети (одной, двух или трех фаз), обрыве нулевого провода, перекосе фаз, уходе частоты сети, позволяет обеспечить точную подстройку диапазонов регулирования тока и напряжения, а также позволяет повысить КПД за счет рекуперации энергии разряда АБ в питающую сеть.
На чертеже представлена блок-схема зарядно-разрядного устройства для аккумуляторных батарей.
Устройство питается от четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью трехфазного переменного тока напряжением 380/220 В, частотой 50 Гц, и включает в себя зарядную цепь 1, и разрядную цепь 2, подключенные к питающей сети через фильтр радиопомех 3 и устройство контроля изоляции 4, выходной блок 5, включающий в себя цепь защитного мгновенного отключения 6, датчик тока 7, блок дросселей 8, и контакторы 9 подключения АБ, емкость фильтра 10, блок питания собственных нужд 11, блок управления 12.
зар
зрк
aб стаб
зрк
aб
Зарядная цепь представляет собой гальваноразвязанный вторичный источник питания с вольтамперной характеристикой, имеющей участки стабилизации выходного тока I и выходного напряжения U. Исключение составляет режим U, в котором стабилизация U заменена стабилизацией напряжения U аккумуляторной батареи. Зарядная цепь состоит блока выпрямителя 13 с фильтром 14 и регулируемого источника зарядного тока 15, выполненного в виде трех модулей конвертора 16, 17 и 18, синхронизированных от внешнего источника синхронизирующих импульсов, входящего в блок управления 12. При этом синхронизация соответствующих диагоналей указанных модулей 16, 17 и 18 сдвинута друг относительно друга на 120°. Выходы модулей 16, 17 и 18 соединены параллельно. Каждый модуль конвертора предназначен для ШИМ преобразования выпрямленного сетевого напряжения в пониженное постоянное напряжение со стабилизацией выходного напряжения и тока с целью заряда АБ.
Разрядная цепь 2 представляет собой гальваноразвязанный преобразователь с рекуперацией энергии постоянного тока АБ в питающую сеть. Разрядная цепь состоит из повышающего преобразователя 19, выполненного в виде трех сдвоенных модулей 20, 21 и 22. Три модуля повышающего преобразователя образуют 6-канальный высокочастотный гальваноразвязанный регулируемый преобразователь повышающего типа, стабилизирующего заданный разрядный ток посредством ШИМ-преобразования. Синхронизация модулей 20, 21 и 22 выполняется от внешнего источника синхронизирующих импульсов, включенного в блок управления 12.
Выход повышающего преобразователя 19 через фильтр 23 соединен с трехфазным высокочастотным гальваноразвязанным конвертором 24, образованного тремя модулями конвертора 25, 26 и 27. Входное напряжение модулей конвертора поддерживается постоянным на уровне 180 В посредством ШИМ-преобразования.
Выход конвертора 24 соединен через выходной фильтр 28 с ведомым сетью инвертором 29, где осуществляется преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока питающей сети. С выхода инвертора ведомого сетью эта энергия возвращается в питающую сеть.
Двойное преобразование перед ведомым сетью инвертором обусловлено широким диапазоном входных напряжений разрядной цепи в зарядно-разрядной станции.
Выход регулируемого источника зарядного тока 15 и вход повышающего преобразователя 19 соединены с цепью защитного мгновенного отключения 6, образованной двумя встречно включенными ветвями, каждая из которых состоит из ключевого элемента на транзисторах MOSFET 30 и 31, и диода - 33 и 34, соответственно.
Датчик тока 7 предназначен для защиты транзисторов 30 и 31, и связан с блоком управления 12, в котором находится схема, управляющая отключением транзисторов при превышении током установленной предельной величины.
Блок дросселей 8 соединен между датчиком тока 7 и контакторами подключения аккумуляторных батарей 9, и служит для сглаживания пульсаций зарядного и разрядного токов.
Устройство работает следующим образом. Питающее напряжение от четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью трехфазного переменного тока напряжением 380/220 В, частотой 50 Гц поступает через фильтр радиопомех 3 и устройство контроля изоляции 4 на блок питания 11 собственных нужд, а также на входной выпрямитель 13 зарядной цепи 1.
Устройство контроля изоляции 4 предназначено для защиты зарядно-разрядной станции и аккумуляторной батареи от пробоя или недопустимого снижения сопротивления изоляции между питающей сетью и корпусом и, соответственно, между питающей сетью и выходными шинами.
Выпрямленным напряжением 500 В входного выпрямителя 13 запитаны три модуля 16, 17 и 18 конвертора 15, представляющего собой двухтактный высокочастотный гальваноразвязанный преобразователь из постоянного в постоянное напряжение. Данная структура, образующая ЗУ, позволяет осуществлять регулирование и стабилизацию напряжения и тока вольтамперной характеристики зарядной цепи посредством ШИМ-преобразования. Частота коммутации ключей модулей 16, 17 и 18 составляет 50 кГц, а эквивалентная частота пульсации выходного фильтра (высокочастотная) - 300 кГц. Синхронизация соответствующих диагоналей разных модулей сдвинута друг относительно друга на 120°.
Каждый из модулей 16, 17 и 18 предназначен для ШИМ преобразования выпрямленного сетевого напряжения в пониженное постоянное напряжение со стабилизацией выходного напряжения и тока с целью заряда АБ. Управление ШИМ преобразованием осуществляется из блока управления 12.
С выхода конвертора 15 во всех режимах зарядной цепи 1 ток нагрузки протекает через датчик тока 7 и цепь защитного мгновенного отключения 6, диод 33 и силовой ключ 30 защитного мгновенного отключения, а также контакторы 9 подключения АБ. Транзисторный ключ 30 открывается сразу при включении зарядно-разрядной станции и запирается при появлении любого из аварийных сигналов в зарядной цепи, обеспечивая мгновенное отключение от АБ. Поскольку время срабатывания транзисторных ключей значительно короче времени срабатывания контакторов (для контакторов время срабатывания составляет примерно 50 мс, а для ключей - 1-2 мкс), то по сравнению с прототипом обеспечивается практически мгновенная защита аккумуляторных батарей от повреждений при возникновении любых аварийных ситуаций, возникающих в зарядной 1 или разрядной 2 цепях. С помощью цепи защитного мгновенного отключения 6 обеспечивается отсутствие аварийных ситуаций при несанкционированном пропадании напряжения питающей сети (одной, двух или трех фаз), обрыве нулевого провода, перекосе фаз, уходе частоты сети.
Срабатывание всех защит зарядной цепи приводит к отключению от аккумуляторной батареи.
Зарядная цепь обеспечивает следующие режимы работы:
а) режим ЗАРЯД АБ, включая интервал ЦИКЛ-ЗАРЯД режима ЦИКЛИРОВАНИЕ АБ зарядно-разрядного устройства;
aб стаб
б) режим U с возможностью буферной работы зарядной цепи и АБ на нагрузку с целью потребления тока нагрузки от зарядной цепи при условии стабилизации напряжения на АБ;
в) режим источника питания.
Поддержание требуемых параметров зарядной цепи, защита ключей, а также управление силовыми ключами мостов осуществляется через соответствующие схемы, содержащиеся в блоке управления 12.
Принцип действия разрядной цепи 2 заключается в преобразовании энергии постоянного тока разряда АБ в энергию переменного тока с возвратом (рекуперацией) ее в питающую сеть.
Со входа разрядной цепи 2 разрядный ток батареи протекает через контакторы 9 подключения аккумуляторных батарей, датчик тока 7, силовой ключ 31 и диод 34 цепи защитного мгновенного отключения на входы модулей 20, 21 и 22 повышающего преобразователя 19. Причем транзистор 31 имеет алгоритм работы и функции, аналогичные транзистору 30 в зарядной цепи, и также обеспечивает мгновенное защитное отключение при возникновении аварийных ситуаций.
Три модуля 20, 21 и 22 повышающего преобразователя 19 образуют 6-канальный высокочастотный регулируемый преобразователь повышающего типа, стабилизирующего заданный разрядный ток посредством ШИМ-преобразования. Управление ШИМ-преобразованием осуществляется от соответствующих схем в блоке управления 12.
Выходное напряжение повышающего преобразователя 19 через фильтр 23 поступает на вход трехфазного высокочастотного гальваноразвязанного конвертора 24, образованного тремя модулями конвертора 25, 26 и 27.
Входное напряжение конвертора поддерживается постоянным на уровне 180 В ШИМ-преобразованием. Конвертор 24 представляет собой сдвоенный преобразователь повышающего типа, каждая из ячеек которого сдвинута по управлению на 180° друг относительно друга. Синхронизация соответствующих ячеек трех модулей 25, 26 и 27 сдвинута друг относительно друга на 60°. Каждый из модулей 25, 26 и 27 предназначен для ШИМ преобразования входного стабилизированного постоянного напряжения 180 В в постоянное напряжение 500 В входа ведомого сетью инвертора 29, причем функцию стабилизации напряжения у себя по входу осуществляют сами модули 25, 26 и 27.
Поддержание заданного входного тока разрядной цепи 2, защиту силовых ключей по току, а также управление ключами модулей конвертора формируются соответствующими схемами, содержащимися в блоке управления 12.
Выходное (постоянное) напряжение (500 В) конвертора 24 через выходной фильтр 28 поступает на блок ведомого сетью инвертора 29, где осуществляется преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока питающей сети. С выхода ведомого сетью инвертора 29 эта энергия возвращается в питающую сеть через устройство контроля изоляции 4 и фильтр радиопомех 3. Выходной фильтр 28 представляет собой высоковольтный емкостной фильтр с разрядными резисторами. Его задача состоит в фильтрации высокочастотной пульсации выходной энергии конвертора, сбрасываемой в сеть, а также для сглаживания пульсаций напряжения и сглаживания пульсаций рекуперационного тока ведомого инвертора 29.
Двойное преобразование перед инвертором 29 обусловлено широким диапазоном входных напряжений разрядного устройства. Ведомый сетью инвертор 29 содержит трехфазный инвертор на транзисторных стойках, и работает с постоянными углами инвертирования, равными 15°. Импульсы управления на транзисторы ведомого инвертора 29 формируются и поступают на транзисторы через соответствующие устройства блока управления 12.
Разрядная цепь работает в двух режимах:
а) разряд АБ стабилизированным током;
б) разряд АБ со стабилизацией мощности разряда.
Введение в автоматическую зарядно-разрядную станцию устройства контроля изоляции, а также блока защитного мгновенного отключения обеспечивает повышение надежности за счет отключения батарей от зарядно-разрядной станции при несанкционированном пропадании напряжения питающей сети (одной, двух или трех фаз), обрыве нулевого провода, перекосе фаз, уходе частоты сети, а также при возникновении любой аварийной ситуации в зарядной или разрядной цепях.
Выполнение источника зарядного тока в виде трехфазного двухтактного высокочастотного преобразователя из постоянного в постоянное напряжение обеспечивает высокую точность регулирования зарядного тока, а выполнение источника разрядного тока в виде трех параллельных модулей повышающего преобразователя, выход которого соединен через выходной фильтр с трехфазным высокочастотным гальваноразвязанным конвертором, образованным тремя параллельными модулями конвертора, соединенным по выходу через блок фильтров с инвертором, связанным с питающей сетью, обеспечивает не только точность регулирования разрядного тока, но и повышает КПД зарядно-разрядной станции за счет рекуперации энергии батареи при разряде в питающую сеть.