устройство для заряда аккумуляторной батареи транспортного средства

Формула изобретения

Устройство для заряда аккумуляторной батареи транспортного средства, содержащее генератор постоянного тока, обмотка возбуждения которого подключена к батарее через первый импульсный регулятор тока и контакт первого контактора, а якорная обмотка первым выводом соединена с положительным выводом батареи через реактор и первый разделительный диод и зашунтирована катушкой первого реле напряжения, второй разделительный диод, анодом соединенный с общим выводом реактора и якорной обмотки, второй импульсный регулятор тока с выходным элементом в виде полупроводникового ключа и резистивным делителем напряжения, подключенным между выходными выводами ключа, связанными с общими точками соединения реактора с первым разделительным диодом и соединения отрицательного вывода с вторым выводом якорной обмотки, отличающееся тем, что введены второй контактор, два реле напряжения, разрядный резистор батареи, а полупроводниковый ключ выполнен на транзисторах, упомянутый резистивный делитель напряжения которого составлен из трех резисторов с вторым резистором, выполненным регулируемым с подвижным контактом, и снабжен третьим, четвертым разделительными диодами и конденсатором, параллельно подключенным первому резистору, первые выводы всех резисторов делителя объединены между собой, вторые выводы второго и третьего резисторов объединены между собой через соответствующим образом последовательно включенные третий и четвертый разделительные диоды, общий вывод которых с вторым выводом первого резистора образует выходные выводы резистивного делителя напряжения, между которыми через первый разделительный диод включены катушка второго контактора через размыкающий контакт первого реле, катушки второго и третьего реле, через замыкающий контакт второго реле соединен подвижный контакт регулируемого резистора резистивного делителя напряжения с общим выводом этого делителя, размыкающий контакт третьего реле напряжения подключен через разрядный резистор параллельно первому разделительному диоду, а замыкающий контакт этого реле и размыкающий контакт первого реле напряжения включены в база-эмиттерный переход выходного транзисторного ключа, причем коллекторно-эмиттерный переход этого транзистора образует выход ключа, катоды первого и второго разделительных диодов связаны через замыкающий контакт второго контактора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области передачи электроэнергии в цепях вспомогательного электрооборудования транспортных средств различного назначения (тепловозы, дизель-поезда, электровозы, автомобильный транспорт, пассажирские вагоны).

В качестве аналогов приняты следующие устройства для заряда аккумуляторной батареи. Устройство (1) имеет контактор, разделительный диод, генератор постоянного тока, регулятор тока возбуждения генератора. Устройство (2) имеет дополнительно вторые диод и контактор, которые позволяют заряжать батарею транспортного средства от внешнего источника. Недостаток устройства (1, 2) в том, что они не позволяют получать зарядное напряжение батареи, больше напряжения источника энергии (генератор или внешний источник постоянного тока) и регулировать параметры (ток, напряжение) режима заряда батареи в зависимости от ее заряженности.

Ближайшим прототипом является устройство для заряда аккумуляторной батареи (3), содержащее генератор постоянного тока, два разделительных диода, контактор, дроссель и два импульсных регулятора для регулирования тока возбуждения генератора и стабилизации зарядного напряжения батареи. Недостатками устройства (3) являются отсутствие в нем возможности автоматически регулировать зарядные напряжения и ток батареи в зависимости от ее заряженности и поступление в нагрузку повышенного напряжения при ускоренном заряде батареи сильно разряженной ( журнал "Железные дороги мира", 1986, N 3, статья "Обслуживание аккумуляторных батарей подвижного состава", с 45). Сильно разряженной батарея становится после нескольких неудачных запусков дизелей на тепловозе или при длительной стоянке пассажирских вагонов. При заряде сильно разряженной батареи повышенное напряжение поступает на ее выводе и в цепи нагрузки, т.к. известное устройство не имеет элементов для подключения нагрузки к батарее или к генератору.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для заряда аккумуляторной батареи (3) дополняют вторым контактором, конденсатором, тремя реле напряжения, двумя разделительными диодами и разрядным резистором. Два реле напряжения, конденсатор и два дополнительных диода позволяют изменять зарядные напряжения и ток батареи в зависимости от ее заряженности, а дополнительный контактор и одно реле напряжения обеспечивают избирательное подключение нагрузки к батарее и генератору. При неработающем генераторе нагрузка питается от батареи. Когда работает генератор, то в нагрузку поступает его напряжение, имеющее стабильную величину, а зарядное напряжение батареи имеет большую величину по сравнению с напряжением генератора и регулируется с учетом заряженности батареи. Разрядный резистор позволяет заряжать батарею асимметричным током.

Технический результат изобретения состоит в том, что осуществляется оптимизированный заряд (ускоренный заряд, асимметричный ток, учет заряженности) батареи и питание нагрузки стабильным неповышенным напряжением В результате этого повышается срок службы и эффективность аккумуляторной батареи, уменьшается количество электроэнергии, расходуемой на заряд батареи и потребляемой нагрузки.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема устройства для заряда аккумуляторной батареи.

Устройство содержит генератор 1 постоянного тока с якорной обмоткой 1.1 и обмоткой 1.2 возбуждения, первый импульсный регулятор 2 тока обмотки 1.2, второй импульсный регулятор 3 тока заряда аккумуляторной батареи 4, реактор 5, контакт 6 первого контактора, второй конденсатор 7 с контактом 7.1, первый 8 и второй 9 разделительные диоды, первое 10, второе 11, третье 12 реле напряжения, клеммы 13 для подключения к генератору 1 и батарее 4, не показанной на схеме нагрузки (цепи управления, освещения, вспомогательный электропривод) и разрядный резистор 14. Регулятор 2 состоит из блока 2.1 контроля напряжения, блока 2.2 импульсного регулирования тока и диода 2.3. Регулятор 3 включает в себя транзисторный ключ, линейный и нелинейный делители напряжения. Транзисторный ключ имеет транзисторы 3.1 3.3, резисторы 3,4, 3.5, цепь обратной связи, образованную из резистора 3,6 и диодов 3.7, 3.8, и стабилитрон 3.9. Линейный делитель состоит из резисторов 3.10 3.12, третьего 3.13, четвертого 3.14 разделительных диодов и конденсатора 3.15. Общий вывод резисторов 3.10 3.12 является потенциальным выводом линейного делителя. Нелинейный делитель образован из резистора 3.16 и стабилитрона 3.17, общий вывод которых является потенциальным выводом этого делителя. Потенциальные выводы обоих делителей подключены к управляющему входу регулятора 3, образованному эмиттером транзистора 3.3 и катодами диода 3.8. Выходом регулятора 3 являются выводы эмиттера и коллектора транзистора 3.1. Реле 10 имеет размыкающие контакты 10.1 и 10.2. Реле 11 выполнено с замыкающим контактом 11.1. Реле 12 имеет замыкающий 12.1 и размыкающий 12.2 контакты. Якорь генератора 1 приводится во вращение от вала, который вращается с переменной частотой (вал дизеля тепловоза, ось колесной пары пассажирского вагона)

Устройство работает следующим образом.

При неподвижном якоре генератора 1 напряжение на его обмотке 1.2 отсутствует, реле 10 выключено, его контакты 10.1 и 10.2 замкнуты. Контакт 10.1 шунтирует базово-эмиттерный переход транзистора 3.1, он выключен и его состояние не зависит от состояния (включены, выключены) транзисторов 3.2 и 3.3. Напряжение батареи 4 прикладывается к цепи 3.16 3.17, конденсатор 3.15 заряжен до напряжения, которое имеет показанную на схеме полярность и равно напряжению стабилизации стабилитрона 3.17. Через замкнутый контакт 10.2 напряжение батареи 4 поступает на катушку контактора 7 и через его замкнутый контакт 7.1 и клеммы 13 в нагрузку. При этом разделительные диоды 8, 9 исключают разряд батареи через обмотку 1.1 генератора 1. Контакт 6 контактора разомкнут и напряжение батареи 4 не подается на регулятор 2.

При вращающемся якоре генератора 1 контакт 6 замкнут, на обмотке 1.1 присутствует напряжение, которое имеет показанную на схеме полярность, реле 10 включено, его контакты 10.1 и 10.2 разомкнуты, на катушку контактора 7 напряжение не поступает, контакт 7.1 разомкнут и батарея 4 отключена от нагрузки. Напряжение в нагрузку поступает с обмотки 1.1 генератора 1 через диод 9. Регулятор 2 при помощи блока 2.1 контролирует напряжение обмотки 1.1 и осуществляет посредством блока 2.2 импульсное регулирование тока возбуждения генератора 1. Блок 2.2 периодически подключает обмотку 1.2 к батарее 4. При разомкнутой цепи блока 2.2 ток обмотки 1.2 замыкается через диод 2.3. Когда частота вращения якоря генератора 1 увеличивается (уменьшается), то регулятор 2 уменьшает (увеличивает) ток в обмотке 1.2 генератора 1 и таким образом стабилизирует напряжение его обмотки 1.1.

Порядок работы регулятора 3 при разомкнутом контакте 10.1 определяется заряженностью батареи 4 и задается реле 11 и 12. Если батарея 4 сильно разряжена, то ее напряжение меньше уставок включения этих реле, они включены, их контакты 11.1 и 12.1 разомкнуты, контакт 12.2 замкнут. Транзистор 3.1 периодически подключает реактор 5 к обмотке 1.1 генератора 1. Под действием напряжения обмотки 1.1 в реакторе 5 ток растет и накапливается электромагнитная энергия. При этом напряжение реактора 5 имеет полярность, противоположную показанной на схеме. Диод 8 препятствует разряду батареи 4 через транзистор 3.1.

При включенном транзисторе 3.1 предварительно заряженный конденсатор 3.15 разряжается через резистор 3.12 и по цепи 3.10 3.13 3.1. Диод 3.8 блокирует разряд конденсатора 3.15 по цепи 3.7 3.6 3.4 3.1. Напряжение конденсатора 3.15 имеет показанную на схеме полярность, убывает и превышает напряжение стабилизации стабилитрона 3.17. Этим обеспечивается выключенное состояние транзисторов 3.2, 3.3 и включенное состояние транзистора 3.1. Скорость уменьшения напряжения конденсатора 3.15 определяется его емкостью и сопротивлением резистора 3.10. Регулированием этого сопротивления можно изменять скорость изменения напряжения конденсатора 3.15.

В таком состоянии регулятор 3 находится до тех пор, пока напряжение конденсатора 3.15 не станет меньше напряжения стабилизации стабилитрона 3.17. После этого под действием разности напряжений стабилитрона 3.17 и конденсатора 3.15 включаются транзисторы 3.2 и 3.3. При этом цепь 3.6 3.7 создает положительную обратную связь, которая обеспечивает релейный режим транзисторов 3.2 и 3.3. В цепи включившегося транзистора 3.2 протекает ток, который ограничивается сопротивлением резистора 3.4. У включенного транзистора 3.2 напряжение между выводами его эмиттера и коллектора меньше напряжения стабилизации стабилитрона 3.9. Поэтому после включения транзистора 3.2 в цепи базы транзистора 3.1 ток прекращается и транзистор 3.1 выключается. При выключенном транзисторе 3.1 резистор 3.5 создает цепь для токов утечки через переходы транзистора 3.1 и защищает его от ложного включения.

При выключенном транзисторе 3.1 напряжение реактора 5 имеет показанную на схеме полярность и складывается с напряжением обмотки 1.1 генератора 1. Под действием результирующего напряжения элементов 1.1 и 5, которое является зарядным напряжением, через диод 8 протекает убывающий зарядный ток и батарея 4 увеличивает емкость. Величина зарядного тока определяется напряжением обмотки 1.1, индуктивностью реактора 5 и интервалом времени, в течение которого включен транзистор 3.1. Переменный резистор 3.10 позволяет изменением сопротивления цепи разряда конденсатора 3.15 регулировать интервал времени, когда транзистор 3.1 включен и соответственно зарядный ток батареи 4 протекает.

Под действием результирующего напряжения элементов 1.1 и 5 по цепи 3.14

3.11 заряжается конденсатор 3.15. При этом диод 3.7 препятствует протеканию тока заряда конденсатора 3.15 по цепи 3.4 3.6 3.8. Это позволяет выбором сопротивления резистора 3.11 воздействовать на время заряда конденсатора 3.15 и таким образом регулировать длительность импульсов зарядного тока батареи 4. Напряжение конденсатора 3.15 имеет показанную на схеме полярность, растет и достигает величины напряжения стабилизации стабилитрона 3.17. После этого ток в цепи базы транзистора 3.3 прекращается, он выключается и выключает транзистор 3.2. После выключения транзистора 3.2 напряжение между выводами его эмиттера и коллектора увеличивается, становится больше напряжения стабилизации стабилитрона 3.9, в цепи базы транзистора 3.1 появляется ток, величина которого ограничивается сопротивлением резистора 3.4, и транзистор 3.1 включается. Далее зарядный ток батареи 4 прекращается, по цепи 3.1 5 протекает увеличивающийся ток и работа устройства повторяется в описанной последовательности.

По мере заряда батареи 4 ее напряжение растет, достигается уставки реле 11, которое включается, замыкает контакт 11.1, шунтирующий часть резистора 3.10. В результате этого конденсатор 3.15 разряжается быстрее, транзистор 3.1 включается на меньшие промежутки времени и зарядный ток батареи 4 уменьшается. Дале батарея 4 заряжается меньшим током, ее напряжение продолжает расти и достигает уставки реле 12. Это реле включается и замыкает контакт 12.1 и размыкает контакт 12.2. При замкнутом контакте 12.1 состояние транзистора 3.1 не зависит от состояния транзисторов 3.2, 3.3 и он постоянно выключен, конденсатор 3.15 заряжен до напряжения, которое определяется соотношением сопротивления резисторов 3.11, 3.12 и превышает напряжение стабилизации стабилитрона 3.17 и транзисторы 3.2 и 3.3 находятся в выключенном состоянии. Батарея 4 полностью заряжена, ее напряжение превышает напряжение генератора 1, который питает через клеммы 13 нагрузку. Когда генератор 1 выводится из работы и его якорь перестает вращаться, то напряжение обмотки 1.1 уменьшается, выключается реле 10, его контакты 10.1 и 10.2 замыкаются. Контакт 10.1 выводит из работы регулятор 3. Контакт 10.2 замыкает цепь питания катушки контактора 7, его контакт 7.1 замыкается и подает напряжение батареи 4 на клеммы 13 и она начинает питать нагрузку. При таком переключении не происходит перерыва в питании нагрузки, т.к. время спадания напряжения обмотки 1.1 значительно больше (единицы секунд) времени переключения элементов 10 и 7 (сотые доли секунды).

В процессе работы устройства цепь 12.2 14 выполняет следующий функции. При неполностью заряженной батарее 4 контакт 12.2 замкнут и батарея 4 в интервалы времени, когда транзистор 3.1 включен, периодически разряжается через резистор 14. В интервалы времени, когда транзистор 3.1 выключен, диод 8 шунтирует цепь 12.2 14 и она не оказывает влияния на процесс заряда батареи. Резистор 14 имеет сопротивление, при котором разрядный ток значительно меньше зарядного тока. Это обеспечивает заряд батареи 4 асимметричным током. Такой режим упрощает обслуживание батареи и повышает срок ее службы.

При полностью заряженной батарее 4 контакт 12.2 разомкнут и батарея по цепи 12.2-14 не разряжается.