СПОСОБ РЕКУПЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR RECUPERATION OF ELECTRIC POWER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам электропитания потребителей, использующих аккумуляторы и может быть применено для электроснабжения  различных автономных объектов.
ш
ш
ист
ш
ш
0,5
2
2
Известен источник питания, содержащий электрохимический источник тока, ключевой элемент с блоком управления и индуктивный накопитель энергии с индуктивностью L, отличающийся тем, что электрохимический источник тока зашунтирован конденсатором емкостью С, в качестве электрохимического источника тока взят источник тока с водным раствором электролита, газодиффузионным катодом и эквивалентным внутренним сопротивлением R, определяемым выражением R=(0,09÷0,14)(L/C), при этом соотношение емкостей электрохимического источника тока и шунтирующего конденсатора определяется выражением С=(50÷100)С, а соотношение емкости шунтирующего конденсатора и индуктивности накопителя энергии определяется выражением LC=(2/π)/Т, где Т - время накопления энергии в индуктивном накопителе.
Известен способ его эксплуатации, заключающийся в периодическом подключении и отключении электрохимического источника тока с напряжением разомкнутой цепи U и током короткого замыкания I к индуктивному накопительному элементу посредством ключевого элемента, отличающийся тем, что контролируют напряжение и ток нагрузки и при достижении значения тока величины (0,1÷0,2)I отключают электрохимический источник тока от индуктивного накопительного элемента, а при достижении напряжения на электрохимическом источнике тока величины (0,6÷0,8)U вновь подключают электрохимический источник тока к индуктивному накопительному элементу [патент RU2302060].
Недостатком известного способа и устройства на его основе является то, что  при каждом размыкании ключевого элемента, энергия экстратока размыкания, возникающего в индуктивном накопителе, не возвращается обратно в аккумулятор.
Известен способ генерации энергии в индуктивном накопителе энергии и ее вывода в нагрузку, согласно которому через последовательно включенные индуктивный накопитель энергии, первичный источник питания и коммутатор электрической цепи пропускают ток накачки индуктивного накопителя энергии и после достижения током накачки заданного значения размыкают общую цепь коммутатором, а энергию импульса экстратока размыкания выводят в нагрузку, отличающийся тем, что для увеличения отношения энергии импульса экстратока размыкания к энергии тока накачки первичным источником питания выполняют электрическую цепь, содержащую активное сопротивление и индуктивность накопителя с такими значениями номиналов, при которых длительность импульса тока накачки меньше постоянной времени индуктивного накопителя на заданную величину [патент RU2558693].
В известном способе генерации энергии в индуктивном накопителе также, как и в приведённом выше аналоге, отсутствует возможность её рекуперации в аккумулятор.
Известен способ заряда аккумуляторов асимметричным током от источника переменного тока с синусоидальной формой напряжения, при котором формируют постоянную составляющую зарядного тока в виде однополярных импульсов на частоте источника или двухкратной ей за счет выпрямления напряжения упомянутого источника, переменную составляющую тока путем поддержания вынужденных колебаний зарядно-разрядного тока аккумуляторов с одновременным ограничением его величины, при этом в тактах ограничения величины импульсов зарядного тока получают зарядную электромагнитную энергию, которую и используют для создания вынужденных колебаний зарядно-разрядного тока, а асимметричный ток получают суммированием постоянной и переменной составляющих одинаковой частоты непосредственно в цепи заряда аккумуляторов, отличающийся тем, что трансформируют часть упомянутой зарядной электромагнитной энергии и используют полученную энергию для поддержания вынужденных колебаний.
Известна система заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащая положительный и отрицательный выходные выводы для подключения заряжаемой аккумуляторной батареи, два входных вывода для соединения с выводами источника электрической энергии переменного тока, выпрямитель переменного тока, например, управляемый мостовой, отрицательная выходная клемма которого соединена с отрицательным выходным выводом, а также зарядно-разрядные двухобмоточный дроссель-трансформатор и конденсатор, одна обкладка которого подключена к положительному выходному выводу непосредственно, а другая через одну обмотку зарядно-разрядного дросселя-трансформатора к отрицательному выходному выводу, отличающаяся тем, что другая обмотка зарядно-разрядного дросселя-трансформатора включена между положительным выходным выводом системы и положительной выходной клеммой выпрямителя, при этом упомянутые обмотки соединены через зарядно-разрядный конденсатор последовательно-встречно [ патент  RU2091953].
Недостатками изобретения по патенту RU2091953 является то, что потребитель привязан к источнику переменного тока, кроме того, ему требуются выпрямитель и трансформатор.
Известен способ рекуперации электрической энергии в импульсных установках, заключающийся в преобразовании магнитной энергии электрического тока, полученной в результате преобразования энергии заряженного емкостного накопителя в магнитную энергию электрического тока, в энергию емкостного накопителя, отличающийся тем, что в течение одного цикла работы импульсной установки преобразование энергии емкостного накопителя в магнитную энергию электрического тока и наоборот производится дважды, причем на первом этапе энергия емкостного накопителя преобразуется в магнитную энергию тока в активно-индуктивной нагрузке с последующей рекуперацией энергии в емкостный накопитель, на втором этапе энергия емкостного накопителя преобразуется в магнитную энергию тока в катушке индуктивности с последующей рекуперацией энергии в емкостный накопитель.
Известно устройство, реализующее указанный способ, содержащее подключаемый к зарядному устройству емкостный накопитель энергии, параллельно которому подключены последовательно соединенные активно-индуктивная нагрузка и первый ключ, отличающееся тем, что в него введена цепь из последовательно соединенных катушки индуктивности и второго ключа, которая подключена параллельно емкостному накопителю энергии, при этом первый вывод емкостного накопителя энергии, первый вывод активно-индуктивной нагрузки и первый вывод катушки индуктивности соединены между собой и подключаются к положительному выводу зарядного устройства, второй вывод активно-индуктивной нагрузки подключен к аноду первого ключа, второй вывод катушки индуктивности подключен к катоду второго ключа, второй вывод емкостного накопителя энергии, катод первого ключа и анод второго ключа соединены между собой и подключаются к отрицательному выводу зарядного устройства [патент RU2351064].
Наиболее близким аналогом предлагаемому изобретению является патент RU2351064.
У него можно указать следующие недостатки:
во-первых, известный способ предусматривает  однополярные импульсы тока в катушках индуктивности. В мощных установках применяют катушки с ферромагнитными сердечниками. Под действием однополярных импульсов тока, сердечник всегда намагничивается, что приводит к снижению эффективности установки. С этой проблемой, в частности, борются посредством введения немагнитного зазора в сердечнике, но расплачиваться приходится увеличением массы катушки с сердечником;
во-вторых, схема в известном патенте усложнена элементами, в том числе - за счет введения второй индуктивности, а это дополнительное увеличение массы. Например, в летательных аппаратах с электроприводом конструкторы борются за каждый грамм снижения массы;
в-третьих, в известном патенте рекуперация осуществляется лишь между двумя цепями с индуктивными накопителями и одним емкостным накопителем, аккумулятор только расходует энергию на заряд накопителей.
В предлагаемом изобретении устранены перечисленные недостатки.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение длительности разряда аккумулятора в автономных установках и упрощение конструкции.
Предлагаемое изобретение обеспечивает технический результат, заключающийся в использовании рекуперации энергии за счёт части реактивной энергии, которую генерирует индуктивный накопитель и которую преобразуют сначала в электрическую энергию ёмкостного накопителя, а уже из него - возвращают в аккумулятор, в целом, повышая эффективность автономной установки.
Технический результат достигается в предлагаемом способе рекуперации электрической энергии в импульсной установке с питанием от аккумулятора, при котором преобразуют энергию импульсов тока из аккумулятора в реактивную энергию индуктивного накопителя, которую затем преобразуют в электрическую энергию ёмкостного накопителя, из которого её возвращают в аккумулятор, при этом циклической подачей питания из аккумулятора в импульсную установку, в ней возбуждают вынужденные электромагнитные колебания с частотой, кратной частоте импульсов тока из аккумулятора, причем длительность подключения аккумулятора осуществляют с продолжительностью не более четверти периода вынужденных электромагнитных колебаний, которую задают величиной скважности импульсов тока из аккумулятора ключом, при этом ёмкость ёмкостного накопителя выбирают такой величины, чтобы в каждом упомянутом цикле амплитуда напряжения на нём превышала напряжение аккумулятора.
При этом циклическую подачу питания из аккумулятора в импульсную установку задают равной или близкой к резонансной частоте электромагнитных колебаний в импульсной установке.
В этом случае получают наибольший эффект от рекуперации.
При этом устройство импульсной установки для осуществления способа, содержит индуктивный и ёмкостной накопители электрической энергии, активную нагрузку, аккумулятор и управляемый ключ, соединённые в схему, при этом управляемый ключ предназначен для выдачи в схему импульсов тока из аккумулятора заданной длительности и частоты, причем устройство содержит цепь из последовательно соединенных индуктивного накопителя и аккумулятора, параллельно которой подключен ёмкостной накопитель, параллельно которым подключен управляемый ключ, при этом активная нагрузка введена последовательно с ключом или последовательно в цепь индуктивного накопителя с аккумулятором, или последовательно с ёмкостным накопителем.
При этом в качестве ёмкостного накопителя используется конденсатор, а в качестве индуктивного накопителя используется дроссель или обмотка электродвигателя.
При этом последовательно с аккумулятором введен второй ключ, предназначенный для размыкания при длительном простое устройства.
В данном устройстве, если оно длительно не эксплуатируется, размыкание второго ключа позволяет уменьшить утечку энергии аккумулятора через изоляцию монтажа.
Изобретение поясняется фигурами 1 – 3. На фиг. 1 изображена электрическая схема импульсной установки. На фиг. 2 изображена схема измерений электрических сигналов в импульсной установке двухканальным осциллографом. На фиг. 3 изображены  синхронизированные между собой графики электрических сигналов.
И
П
З
К1
П
З
Введены следующие обозначения. Ак - аккумулятор, L - индуктивный накопитель, С - ёмкостной накопитель, R - активная нагрузка, R - измерительный резистор, К1 - управляемый ключ, К2 - ключ, предназначенный для выключения установки. Поз. 1 обозначен двухканальный осциллограф. Треугольными стрелками показаны направления токов: I - из аккумулятора, I - в аккумулятор. Фигурными стрелками показаны точки подключения щупов осциллографа в схеме импульсной установки. На графиках, фиг.3 обозначены: Х - горизонтальная ось развёртки осциллографа, её вертикальное положение соответствует нулевому значению ординат; U - график напряжения на клеммах ключа К1; I - ток из аккумулятора; I - ток в аккумулятор; Т - период частоты замыканий ключа К1; t - длительность замкнутого состояния ключа К1.
На фиг. 1 представлен основной вариант схемы импульсной установки. Она выполнена в виде трёх параллельных цепей: первая цепь состоит из последовательно соединённых  аккумулятора Ак , индуктивного накопителя L и ключа К2; второй цепью является ёмкостной накопитель С ; третья цепь состоит из последовательно соединённых активной нагрузки R и управляемого ключа К1. Схема управления ключа К1 условно не показана. Активная нагрузка R может быть, в том числе, включена последовательно с ёмкостным накопителем С или последовательно с индуктивным накопителем L, возможна и одновременная комбинация включенных нагрузок.
П
П
Работает импульсная установка следующим образом. В исходном положении ключ К1 разомкнут, ключ К2 замкнут и остается в таком положении в течение всего времени работы установки. В результате, ёмкостной накопитель С заряжен до величины напряжения, равного напряжению на клеммах аккумулятора Ак. Включают управляемый ключ К1, который начинает циклически, с заданными периодом Т и скважностью замыкаться. В данном случае длительность замкнутого состояния равна t. В  течение этого времени ток I с плюсовой клеммы аккумулятора Ак , через индуктивный накопитель L , нагрузку R , замкнутые контакты ключа К1, замкнутый ключ К2 поступает на минусовую клемму аккумулятора. В индуктивном накопителе L энергия W тока I преобразуется в магнитную энергию:
П
2
W = L * (I)/2.                         (1)
П
П
В момент размыкания ключа К1, индуктивный накопитель L генерирует ЭДС которая значительно превышает напряжение аккумулятора Ак. Длительность размыкания является внутренним свойством ключа. У современных полупроводниковых ключей она в тысячи раз меньше длительности периода рабочего диапазона частоты. Так как цепь с ключом К1 разомкнута, то ток I вынужден течь через ёмкостной накопитель С , заряжая его и, соответственно, уменьшаясь по величине. Для изменяющегося тока ёмкость С становится проводящей. На фиг.3 заряд ёмкостного накопителя заканчивается в момент пересечения графика тока I с осью Х. Чтобы ёмкостной накопитель С стал разряжаться на аккумулятор Ак, напряжение на нём должно превышать напряжение аккумулятора. Для выполнения этого условия, выбирают необходимую величину электрической ёмкости накопителя из выражения:
2
Uc  = √[(2W + C *U)/С]  >  U,                        (2)
где Uc - напряжение заряженной ёмкости, W – энергия индуктивного накопителя, С - электрическая ёмкость ёмкостного накопителя, U - напряжение аккумулятора.
На фиг. 2 показана схема измерения рабочих параметров экспериментальной импульсной установки. Использованы следующие значения элементов: напряжение аккумулятора U = 107 вольт, индуктивность L = 1,57 генри, ёмкость С = 1 мкф, сопротивление Rи = 0,1 ом,
активная мощность потребляемая нагрузкой R равна 30 Вт, частота замыканий ключа К1 равна 4000 гц , скважность равна 5. Результат измерений показывает, что 85% энергии затраченного тока возвращается в аккумулятор. Экспериментальные графики изменения тока и напряжения показаны на фиг. 3.