УСТРОЙСТВО ЗАРЯДА И РАЗРЯДА АККУМУЛЯТОРОВ

Область техники
Полезная модель относится к силовой преобразовательной технике и может быть использована в устройствах циклирования и заряда аккумуляторов.
Уровень техники
Известно устройство для 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 тиристорах с блоком управления, выходная диагональ которого через дроссель подключена к выходным зажимам, при этом устройство снабжено двумя последовательно соединенными дополнительными диодами, включенными параллельно мостовому выпрямителю, общая анодно-катодная точка которых и нулевая точка трансформатора образуют дополнительные выходные зажимы устройства.
Недостатком данного устройства является то, что в режиме циклирования аккумуляторов весь их ток проходит через один из двух дополнительных диодов, что ведет к их большой перегрузке и дополнительной потере электроэнергии, выделяемой на них, в то время как каждый из трех работающих тиристоров моста пропускает только одну треть этого тока. В этом режиме при заряде оба аккумулятора соединены последовательно, а их заряд происходит по трехфазной нулевой схеме, что требует иметь трехфазный трансформатор большой мощности, при малой эффективности его использования, из-за низкого коэффициента мощности.
В режиме разряда одного аккумулятора и заряда другого трехфазный трансформатор загружен активной мощностью значительно меньше, чем в режиме заряда обоих аккумуляторов, что так же ведет к низкому коэффициенту его использования, из-за очень низкого коэффициента мощности, вызванного не целесообразно большим напряжением его вторичных обмоток, которые рассчитаны на одновременный заряд двух, последовательно соединенных аккумуляторов.
Кроме этого процесс циклирования аккумуляторов не автоматизирован.
Сущность полезной модели
В основу полезной модели поставлена задача создания устройства для заряда и разряда аккумуляторов с оптимальной мощностью трехфазного трансформатора, сниженными потерями электроэнергии, а также с полной автоматизацией процесса циклирования аккумуляторов, с одновременным повышением уровня безопасности эксплуатации и надежности работы устройства.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном устройстве для заряда и разряда аккумуляторов, содержащем трехфазный трансформатор, вторичные обмотки которого соединены по схеме звезда с выведененной 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 первым зажимом для первого аккумулятора, согласно полезной модели, второй выход мостового выпрямителя через датчик тока, сигнальные цепи которого подключены к соответствующим входам блока управления, соединен с вторым зажимом для первого аккумулятора, а второй зажим второго аккумулятора соединен с нулевой точкой вторичных обмоток трехфазного трансформатора, при этом первый зажим для второго аккумулятора соединен с первым зажимом для
первого аккумулятора, а также зажимы для обоих аккумуляторов и выходы вторичных обмоток трехфазного трансформатора соединены с соответствующими входами блока управления.
Кроме этого:
- вторые зажимы первого и второго аккумуляторов подключены соответственно к второму выходу мостового выпрямителя через датчик тока и к нулевой точке вторичных обмоток трехфазного трансформатора, через дополнительно введенное 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;
- первичные обмотки трехфазного трансформатора подключены к питающей сети через вновь введенное защитно-коммутационное устройство, в котором имеется автоматический дифференциальный выключатель и входной контактор, цепи управления которого соединены с соответствующими входами и выходами блока управления;
- трехфазный трансформатор выполнен из трех однофазных трансформаторов, соединенных по аналогичной трехфазной схеме.
Введение отличительных признаков полезной модели позволяет создать устройство для заряда и разряда аккумуляторов с малыми габаритами и массой, обеспечивающим экономию электроэнергии, а также автоматизацию процесса циклирования аккумуляторов, при повышенной степени безопасности и надежности работы.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется схемами, представленными на Фиг.1, Фиг.2.
На Фиг.1 представлена электрическая функциональная схема по п.1 формула полезной модели, а на Фиг.2 электрическая функциональная схема по п.1, усовершенствованная по п.п.2, 3 формулы полезной модели.
Позициями на Фиг.1 и Фиг.2 обозначены:
1 - трехфазный трансформатор;
2 - первичные обмотки трехфазного трансформатора 1;
3 - вторичные обмотки трехфазного трансформатора 1;
4 - мостовой выпрямитель;
5...10 - полупроводниковые управляемые ключи;
11 - блок управления;
12 - первый выход мостового выпрямителя 4;
13 - первый зажим для первого аккумулятора;
14 - первый аккумулятор;
15 - второй выход мостового выпрямителя 4;
16 - датчик тока;
17 - второй зажим для первого аккумулятора 14;
18 - второй зажим для второго аккумулятора;
19 - второй аккумулятор;
20 - первый зажим для второго аккумулятора 19;
21 - переключающее устройство;
22, 23 - взаимно сблокированные контакторы переключающего устройства 21;
24 - дополнительная программируемая плата автоматического управления;
25 - защитно-коммутационное устройство;
26 - автоматический дифференциальный выключатель;
27 - входной контактор;
Лучший вариант исполнения
Устройство для заряда и разряда аккумуляторов, содержит трехфазный трансформатор 1 с первичными обмотками 2 и вторичными обмотками 3, соединенными по схеме звезда с выведенной нулевой точкой, которые подключены к мостовому выпрямителю 4, выполненному на полупроводниковых управляемых ключах 5...10, например, на оптотиристорах или IGBT-модулях, элементы управления которых подключены к выходам блока управления 11. Первый выход 12 мостового выпрямителя 4 соединен с первым зажимом 13 для первого аккумулятора 14, второй выход 15 мостового выпрямителя 4 через датчик тока 16 соединен с вторым зажимом 17 для первого аккумулятора 14, а второй зажим 18 для второго аккумулятора 19 соединен с нулевой точкой вторичных обмоток 3 трехфазного трансформатора 1, при этом первый зажим 20 для второго аккумулятора 19 соединен с первым зажимом 13 для первого аккумулятора 14.
Все зажимы 13, 17, 18, 20 для обоих аккумуляторов 14, 19 и все выходы вторичных обмоток 3 трехфазного трансформатора 1 соединены с соответствующими входами блока управления 11.
Кроме этого предложены варианты совершенствования вышеуказанного устройства, а именно:
Вторые зажимы 17, 18 для первого и второго аккумуляторов 14, 19 подключены соответственно к второму выходу 15 мостового выпрямителя через датчик тока и к нулевой точке вторичных обмоток 3 трехфазного трансформатора 1, через переключающее устройство 21, цепи управления которого подключены к соответствующим выходам блока управления 11, выполненного на двух взаимно сблокированных контакторах 22, 23, при этом в блоке управления 11 установлена дополнительная программируемая плата автоматического управления 24.
Первичные обмотки 2 трехфазного трансформатора 1 подключены к питающей сети через вновь введенное защитно-коммутационное устройство
25, в котором установлен автоматический дифференциальный выключатель 26 и входной контактор 27.
Трехфазный трансформатор 1 может быть выполнен в виде трех однофазных трансформаторов, соединенных по аналогичной трехфазной схеме.
Работа устройства
При необходимости заряда аккумулятора 14, один его полюс, например, положительный подключают к клемме 17 устройства, а отрицательный полюс к клемме 13. После этого подают питание от трехфазной сети А, В, С, N на первичные обмотки 2 трехфазного трансформатора 1, при этом со вторичных его обмоток 3 питание поступает на вход мостового выпрямителя 4 и на блок управления 11.
Регулирование тока заряда аккумулятора 14 обеспечивается путем фазового регулирования всех шести полупроводниковых управляемых ключей 5...10 мостового выпрямителя 4, импульсами подаваемыми на их элементы управления с соответствующих выходов блока управления 11, который обеспечивает автоматическую стабилизацию заданной величины тока заряда, используя сигналы с датчика тока 16. По истечении заданного времени или после получения определенной величины Ампер-часов или достижении зарядного напряжения на зажимах аккумулятора 14 максимального значения для данного аккумулятора, блок управления 11 снимает импульсы с элементов управления полупроводниковых управляемых ключей 5...10 и заряд аккумулятора 14 прекращается.
В этом случае устройство работает как обычный полностью управляемый симметричный мостовой выпрямитель, использую всю номинальную мощность трехфазного трансформатора 1, необходимую для заряда одного аккумулятора.
При работе устройства в режиме циклирования аккумуляторов, к зажимам 18, 20 подключают также и аккумулятор 19, при этом образуется
контур, состоящий из последовательно соединенных второго аккумулятора 19, однополупериодного трехфазного выпрямителя на трех полупроводниковых управляемых ключах 5, 6 и 7, минусовым полюсом которого является нулевая точка вторичных обмоток 3 трехфазного выпрямителя 1, а плюсовым второй выход 15 мостового выпрямителя 4, датчик тока 16, аккумулятор 14, зажимы 13, 20 аккумуляторов 14, 19.
При этом полупроводниковые управляемые ключи 8, 9, 10 не работают, а ток, проходящий по вышеуказанному контуру для первого аккумулятора 14 является зарядным, а для второго аккумулятора 19 разрядным.
Для некоторых типов аккумуляторов, например, ТНЖК-350, PzS(M)-350Р, ТНЖ-250, КМ-300 номинальные токи заряда и разряда при их циклирования практически одинаковые. Поэтому в указанном режиме блок управления 11, при достижении на разряжаемом аккумуляторе 19 напряжения равного, для щелочных аккумуляторов 1 В, а для кислотных аккумуляторов 1,8 В, умноженному на количество элементов в аккумуляторе, включает в работу и полупроводниковые управляемые ключи 8, 9, 10, переводя схему выпрямления тока в симметричную трехфазную мостовую, которая и далее стабилизирует зарядный ток аккумулятора 14. При этом после разряда аккумулятора 19 его можно отключить или оставить, в последнем случае он автоматически переходит в режим подзаряда.
В случае если ток заряда аккумулятора 14 больше чем ток разряда аккумулятора 19, блок управления 11, в соответствии с заданным ему алгоритмом работы, увеличивает его до необходимого значения и далее стабилизирует до полного заряда аккумулятора 14.
В первой фазе цикла, когда аккумулятор 19 разряжаясь заряжает аккумулятор 14, мощность, потребляемая от трехфазного трансформатора 1 значительно ниже чем во второй фазе цикла, когда заряжается только аккумулятор 14, без использования энергии аккумулятора 19.
Режим циклирования аккумуляторов проходит с высоким коэффициентом полезного действия.
При использовании переключающего устройства 21, с взаимно сблокированными контакторами 22, 23 и дополнительной программируемой платой автоматического управления 24 в блоке управления 11 весь процесс циклирования аккумуляторов 14, 19 полностью автоматизирован. В этом случае в начале первого цикла блок управления 11 включает контактор 22, который подключает аккумулятор 19 на разряд, а аккумулятор 14 на заряд и далее процесс происходит как выше было описано. После окончания первого цикла блок управления 11, по команде дополнительной программируемой платы автоматического управления 24, сначала снимает сигнал управления со всех полупроводниковых управляемых ключей 5...10, и отключает, при отсутствии тока в цепи аккумуляторов 14, 19 контактор 22 и включает взаимно сблокированный с ним контактор 23, что обеспечивает подключение аккумулятора 14 на разряд, а аккумулятора 19 на заряд, после чего начинается второй цикл заряда-разряда аккумуляторов. Необходимое количество циклов определяется дополнительной программируемой платой автоматического управления 24.
Установка защитно-коммутационного устройства 25, в котором имеется автоматический дифференциальный выключатель 26 и входной контактор 27, позволяет обеспечить защиту обслуживающего персонала при замыкании питающей сети на корпус устройства и токовую защиту по сети питания, а также защиту от превышения тока в цепи мостового выпрямителя 4, путем подачи соответствующего сигнала с блока управления 11, с помощью датчика тока 16.
Возможно также выполнение трехфазного трансформатора 1 из трех однофазных трансформаторов, соединенных по аналогичной трехфазной схеме, что повышает степень ремонтопригодности устройства.
Из рассмотренного видно, что предложенные функциональные электрические схемы устройства для заряда и разряда аккумуляторов, позволяют сделать его экономичным, с небольшими габаритами и массой, а также обеспечивающим полную автоматизацию процесса циклирования аккумуляторов, при повышении безопасности его обслуживания и надежности работы.
Промышленная применимость
Разработана схема и проведены макетные положительные испытания устройства.
Источники информации:
1. Изобретение №609175 «Устройство для заряда и разряда аккумуляторов», 1977 г. МПК. Н02j 7/10 - прототип.