устройство для регулирования разрядного тока двухсекционной аккумуляторной батареи питания тягового электродвигателя постоянного тока

Формула изобретения

Устройство для регулирования разрядного тока двухсекционной аккумуляторной батареи питания тягового электродвигателя постоянного тока, содержащее первый контактор, замыкающий силовой контакт которого включен между секциями батареи, каждая из которых зашунтирована инверсно включенным диодом, контроллер управления, отличающееся тем, что введены реле тока с катушкой, включенной к выходу усилителя, входом соединенного с первым датчиком тока в цепи разряда батареи, второй контактор, импульсный регулятор тока с вторым датчиком тока и выходным транзистором в цепи якорной обмотки электродвигателя, реле напряжения с катушкой и блоком задержки на включение, выход которого соединен с одним из выводов катушки реле напряжения, другим выводом подключенной к эмиттеру выходного транзистора, коллекторно-эмиттерный переход последнего и вход блока задержки зашунтированы замыкающим силовым контактом второго контактора, катушка которого через второй и третий контакты контроллера, блокировочные размыкающий и замыкающий контакты первого контактора, размыкающие контакты реле тока и напряжения подключена между полюсами первой секции батареи, отрицательный полюс которой через первый датчик тока связан с эмиттером транзистора, базо-эмиттерный переход которого зашунтирован четвертым контактом контроллера, первый контакт последнего подключен между полюсами первой секции батареи через катушку первого контактора и две параллельные цепи, одна из которых образована замыкающим блокировочным контактом первого контактора, а вторая последовательно соединенными размыкающими контактом реле напряжения и блокировочным контактом второго контактора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к аккумуляторному транспорту с электродвигателями постоянного тока.

В качестве аналогов приняты следующие устройства. Устройства /1-3/ обеспечивают широтно-импульсное (/1/,с.67) и время-импульсное регулирование /2,3/ тягового электродвигателя и позволяют ограничить разрядный ток аккумуляторной батареи, которая питает электродвигатель. Ток двигателя протекает по цепи регулятора и всегда имеет пульсирующий характер. В результате этого увеличиваются потери электроэнергии за счет падения напряжения на полупроводниковом ключе (тиристоре, транзистора) регулятора и пульсацией тока (возрастают потери в меди и стали электродвигателя), эффективное значение тока становится больше среднего значения. Устройства (/1/, с. 61-63), /4/ обеспечивают регулирование путем ступенчатого изменения питающего напряжения электродвигателя. Напряжение регулируется переключением секций аккумуляторной батареи с параллельного соединения на последовательное, разрядный ток батареи ограничивается резистором, который включен последовательно с электродвигателем. Резистор не обеспечивает стабильный уровень максимального разрядного тока батареи, т. к. ее напряжение зависит от ее заряженности и меняется, сопротивление резистора зависит от температуры и тоже меняется, момент переключения (скорость электродвигателя) секций батареи существенно влияет на величину разрядного тока, т.к. секции батареи переключаются без контроля величины разрядного тока батареи. В результате этого разрядный ток превышает допустимый уровень.

В качестве прототипа принято устройство регулирования аккумуляторного электропогрузчика (/1/, с. 61-63), которое содержит тяговый электродвигатель постоянного тока последовательного возбуждения, состоящую из двух секций аккумуляторную батарею, диода, контакторы, контроллер управления, и токоограничивающий резистор. Такое устройство не обеспечивает оптимальной величины разрядного тока. Если использовать резистор с большим сопротивлением, то это позволит обеспечить ток, приемлемый для батареи. Но в этом случае электродвигатель реализует небольшую силу тяги и транспортное средство имеет низкую производительность. При использовании резистора с малым сопротивлением обеспечивается хорошая производительность транспортного средства, но разрядный ток батареи имеет большую величину и ее установленная емкость плохо используется.

Сущность изобретения сводится к следующему. Разрядная емкость С_p аккумуляторных батарей зависит от разрядного тока I_p и меньше номинальной емкости C_H, если ток I_p больше номинального тока I_H батареи. График фиг. 1 получен на основании расчета (Бут Д.А. и др. Накопители энергии. М. Энергоатомиздат, 1991, с.42) дает количественное представление об уменьшении C_p с ростом I_p.

Устройство изобретения имеет вместо токоограничивающего резистора импульсный регулятор и дополнено реле тока, реле напряжения с инерционным блоком и контактором. Регулятор ограничивает разрядный ток батареи на стабильном уровне, который не зависит от заряженности (напряжения) батареи и является оптимальным как для батареи, так и для электродвигателя. Дополнительные элементы уменьшают потери энергии в цепях регулирования и в электродвигателе путем шунтирования контактором транзистора регулятора, когда э.д.с. электродвигателя обеспечивает требуемое ограничение тока, и за счет уменьшения времени работы регулятора. Последнее достигается тем, что разрядный ток батареи контролирует и автоматически блокирует переключение ее секций, пока разрядный ток не снизится меньше уровня ограничения.

На фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема устройства регулирования. На схеме показаны выполненная из двух секций 1 аккумуляторная батарея, тяговый электродвигатель 2 с обмоткой последовательного возбуждения (на схеме не показана), соединенной через реверсор (на схеме не показан) с якорной обмоткой, разделительные 3 и шунтирующий 4 диоды, первый 5 и второй 6 контакторы, первый четвертый контакты 7-10 контроллера управления транспортным средством, реле тока 11 с размыкающим контактом 11.1, усилитель 12, измерительный шунт 13 цепи тока разряда батареи, импульсный регулятор тока 14, измерительный шунт 15 цепи тока электродвигателя 2, реле напряжения 16 с размыкающими контактами 16.1, 16.2 и инерционный блок 17, который состоит из диода 17.1 и конденсатора 17.2. Контактор 5 выполнен с силовыми 5.1, блокировочными замыкающими 5.2 и 5.4, размыкающими 5.3 контактами. Контактор 6 имеет силовой 6.1 и блокировочный размыкающий 6.2 контакты. В состав регулятора 14 входят выходной транзистор 14.1, выходной усилитель 14.2, орган сравнения напряжений 14.3, входной усилитель 14.4 и управляющий вход 14.5, подключенный к шунту 15.

Регулирование осуществляется следующим образом.

На нулевой позиции контроллера его контакты 7-9 разомкнуты, контакт 10 замкнут, и шунтируя переход эмиттер-база транзистора 14.1, блокирует его включение выходным напряжением усилителя 14.2. Контакторы 5 и 6 выключены. Напряжение параллельно соединенных через диоды 3 секций 1 батареи прикладывается к транзистору 14.1, он размыкает цепь электродвигателя 2 и в этой цепи ток не протекает. Это же напряжение через диод 17.1 прикладывается к конденсатору 17.2 и к реле 16. Конденсатор 17.2 заряжен, его напряжение имеет показанную на смехе полярность. Реле 16 возбуждено и его контакты разомкнуты. Реле 11 выключено и его контакт 11.1 разомкнут. При переводе контроллера на первую позицию размыкается контакт 10 и замыкается контакт 8. После размыкания контакта 10 выходное напряжение усилителя 14.2 включает транзистор 14.1, электродвигатель 2 подключается к параллельно соединенным секциям 1 батареи и в его цепи проявляется увеличивающийся ток. При этом напряжение шунта 15 изменяется пропорционально току электродвигателя 2 и увеличивается усилителем 14.4. Увеличенное напряжение шунта 15 поступает в орган 14.3 и сравнивается с эталонным напряжением. Разность сравниваемых напряжений увеличивается усилителем 14.2, прикладывается к переходу эмиттер-база транзистора 14.1 и включает его. Формируемая в органе 14.3 разность напряжений имеет наибольшее значение при отсутствии тока в цепи электродвигателя 2. По мере роста тока электродвигателя 2 формируемая разность напряжений уменьшается и достигает значения, при котором транзистор 14.1 выключается и ограничивает ток электродвигателя 2. После всего ток электродвигателя 2 замыкается через диод 4, убывает и соответственно уменьшается напряжение шунта 15. При этом разность сравниваемых напряжений растет и достигает значения, при котором снова включается транзистор 14.1 и ток электродвигателя 2 снова начинает расти. Транзистор 14.1 снова выключается и ограничивает ток на уровне, который определяется величиной эталонного напряжения и не зависит от напряжения батареи.

При периодических переключениях транзистора 14.1 в цепи электродвигателя 2 протекает пульсирующий ток, амплитуда которого ограничивается регулятором. Напряжение шунта 13 изменяется пропорционально току, потребляемому электродвигателем 2 от батареи и усиливается усилителем 12. Увеличенное напряжение шунта 13 прикладывается к реле 11 с уставкой включения, которая соответствует току, меньшему амплитуды импульсов тока, потребляемого электродвигателем от батареи. Благодаря блоку 17 в интервалы времени, когда транзистор 14.1 замыкает цепь, реле 16 остается во включенном положении. Поэтому при переключениях транзистора 14.1 реле 11 и 16 включены, их контакты 11.1, 16.1, 16.2 разомкнуты, напряжение на катушку контактора 6 при замкнутых контактах 5.3 и 8 не поступает и контакт 6.1 разомкнут.

По мере увеличения частоты вращения электродвигателя 2 ток в его цепи уменьшается и становится меньше значения, при котором напряжение усилителя 14.4 больше эталонного напряжения и на выходе органа 14.3 постепенно присутствуют разность сравниваемых напряжений, которая обеспечивает включенное состояние транзистора 14.1. При постоянно включенном транзисторе 14.1 электродвигатель 2 потребляет от секций 1 батареи постоянный ток, при котором реле 11 выключено и его контакт замкнут. После включения транзистора 14.1 конденсатор 17.2 разряжается через катушку реле 16, оно выключается и замыкает свои контакты. При замкнутой цепи 8 5.3-11.1- 16.1 на катушку контактора 6 поступает напряжение, контактор включен и его контакт 6.1 замкнут и шунтирует транзистор 14.1. Ток в цепи транзистора 14.1 не протекает и уменьшаются потери электроэнергии в цепи тока электродвигателя.

Если требуется увеличить скорость движения транспортного средства, то контроллер переводят на вторую позицию. Это сопровождается размыканием контакта 8 и замыканием контактов 7 и 9. После размыкания контакта 8 снимается напряжение с катушки контактора 6, он выключается, размыкает контакт 6.1 и замыкает контакт 6.2. Если контактор 6 выключен в момент размыкания контакта 8, то после его размыкания состояние цепей регулирования не меняется. После замыкания контакта 6.2 и замкнутом контакте 16.2 напряжение подается на катушку контактора 5, от включается, замыкает контакты 5.1, 5.2, 5.4 и размыкает контакт 5.3. Если контакт 16.2 разомкнут и реле 16 включено, что имеет место при периодических переключениях транзистора 14.1, ограничивающих разрядный ток батареи, то после замыкания контакта 6.2 напряжение на катушку контактора 5 не подается до тех пор, пока не уменьшится разрядный ток и не отпадает реле 16. Замкнувшийся контакт 5.2 обеспечивает питание катушки контактора 5 при разомкнутых контактах 6.2 и 16.2. Через замкнувшийся контакт 5.1 секции 1 батареи соединяются последовательно и напряжение, поступающее к цепи электродвигателя 2, увеличивается. Диоды 3 при замкнутом контакте 5.1 не допускают короткозамкнутых цепей. Замкнувшийся контакт 5.4 создает на второй позиции контроллера цепь питания катушки контактора 6. Благодаря наличию цепей 8-5.3 и 9-5.4 секции 1 батареи переключаются при выключенном контакторе 6 и разомкнутом контакте 6.1, что необходимо для надежного ограничения разрядного тока батареи при переключениях ее секций.

После переключения секций 1 батареи с параллельного соединения на последовательное разрядный ток батареи, ток электродвигателя увеличивается и регулятор 4, работая в описанной последовательности, обеспечивает их ограничение на прежнем уровне. Далее частота вращения электродвигателя увеличивается, ток в его цепи уменьшается, достигнет значения, при котором ограничение не требуется, включается контактор 6 и транзистор 14.1 шунтируется контактом 6.1.

Из описания процесса регулирования следует, что благодаря включению контакта 16.2 в цепь питания катушки контактора 5 он включается при значении тока электродвигателя, меньшем уровня ограничения этого тока. Это позволяет после замыкания контакта 5.1 уменьшить время работы регулятора 4 и таким образом снизить потери энергии в диоде 4, транзисторе 14.1 и в электродвигателе 2 от переменной составляющей пульсирующего тока.

Для уменьшения скорости движения транспортного средства контроллер переводят из второй в первую позицию, размыкаются контакты 7, 9 и замыкается контакт 8. Переключение контактов 8 и 9 обеспечивает переключение секций 1 батареи при разомкнутом контакте 6.1. После размыкания контакта 7 отключается контактор 5, размыкает его контакт 5.1 и секции 1 батареи переключаются с последовательного соединения на параллельное. После этого подводимое к электродвигателю 2 напряжение уменьшается, он вращается с меньшей частотой и транспортное средство двигается медленнее.

Когда требуется остановить транспортное средство, то контроллер устанавливают на нулевую позицию. При этом размыкается контакт 8 и замыкается контакт 10. После размыкания контакта 8 отключается контактор 6. Замкнувшийся контакт 10 блокирует включение транзистора 14.1. При выключенном транзисторе 14.1 напряжение секций 1 батареи не поступает к электродвигателю 2.