источник вторичного электропитания

Формула изобретения

1. Источник вторичного электропитания, содержащий импульсный высокочастотный преобразователь с индуктивно-емкостным фильтром и широтно-импульсным модулятором, выход которого подключен к нагрузке, аккумуляторную батарею с цепью заряда и содержащей полупроводниковый ключ с цепью разряда, устройство управления полупроводниковым ключом, подключенное к датчику состояния питающей сети, отличающийся тем, что аккумуляторная батарея соединена с питающей сетью последовательно через полупроводниковый ключ, нагрузку и импульсный высокочастотный преобразователь, зарядное устройство выполнено в виде ДС/ДС-преобразователя, подключенного входом к выходу импульсного высокочастотного преобразователя параллельно нагрузке, а выходом подключенного к аккумуляторной батарее.

2. Источник электропитания по п.1, отличающийся тем, что аккумуляторная батарея состоит из n секций, соединенных между собой последовательно, каждая из которых через свой полупроводниковый ключ подключена к общей точке питания, соединенной с шиной питания импульсного высокочастотного преобразователя, а устройство управления ключами имеет n выходов, каждый из которых подключен к своему полупроводниковому ключу, зарядное устройство выполнено из n зарядных устройств, подключенных входами к выходу импульсного высокочастотного преобразователя, а выходами к секциям аккумуляторной батареи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а точнее к агрегатам резервного или бесперебойного питания сети постоянного тока, преимущественно работающей от нестабильных источников электропитания, мощность которых может меняться в широких пределах (ветро, гидро, фото и т.п. электростанции).

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является описанный в патенте РФ №2161358 “Источник вторичного электропитания”, содержащий датчик состояния питающей сети, импульсный высокочастотный преобразователь с индуктивно-емкостным фильтром, цепи заряда и разряда аккумуляторной батареи, устройство управления перехода нагрузки с сети питания на аккумулятор и наоборот, выполненное на компараторах определения энергетического состояния аккумуляторной батареи и основной сети, полупроводниковый ключ разряда аккумуляторной батареи. При этом отрицательная шина аккумулятора, отрицательная шина сети и отрицательная шина нагрузки образуют отрицательную общую точку питания (т.е. включены через ключи или разделительные диоды параллельно), а зарядная цепь аккумуляторной батареи включена с сетью последовательно через преобразователь.

Существенными признаками источника вторичного электропитания -прототипа, совпадающими с признаками предлагаемого технического решения, является наличие импульсного высокочастотного преобразователя с индуктивно-емкостным фильтром и широтно-импульсным модулятором, выход которого подключен к нагрузке, аккумуляторной батареи с цепью заряда и содержащей полупроводниковый ключ цепью разряда, устройства управления полупроводниковым ключом, подключенного к датчику состояния питающей сети.

Источник вторичного электропитания - прототип позволяет при снижении напряжения ниже номинального переходить на питание нагрузки с сетевого источника на аккумуляторную батарею и, наоборот, при восстановлении номинальной мощности, а, кроме того, предотвращает глубокий разряд аккумуляторной батареи, а также исключает появление неуправляемого зарядного тока. Однако при снижении напряжения ниже номинального по каким-либо техническим причинам или использования энергии нестабильного источника электропитания, например, гелио, гидро, ветро и т.п. пониженное напряжение источника не используется, значительно снижая время разряда аккумуляторной батареи.

Предлагаемым изобретением решается техническая задача использования напряжения при снижении его ниже номинального, особенно в случае использования нестабильных источников электроэнергии, в том числе возобновляемых, что позволяет использовать широкий диапазон вырабатываемых мощностей.

Для достижения указанного технического результата в источнике вторичного электропитания, содержащем импульсный высокочастотный преобразователь с индуктивно-емкостным фильтром и широтно-импульсным модулятором, выход которого подключен к нагрузке, аккумуляторную батарею с цепью заряда и содержащей полупроводниковый ключ цепью разряда, устройство управления полупроводниковым ключом, подключенное к датчику состояния питающей сети, аккумуляторная батарея соединена с питающей сетью последовательно через полупроводниковый ключ, нагрузку и импульсный высокочастотный преобразователь, зарядное устройство выполнено в виде ДС/ДС-преобразователя, подключенного входом к выходу импульсного высокочастотного преобразователя параллельно нагрузке, а выходом подключенного к аккумуляторной батарее. Кроме того, для дальнейшего расширения диапазона мощностей, передаваемых источником электроэнергии, аккумуляторная батарея состоит из n секций, каждая из которых через свой полупроводниковый ключ подключена к общей точке питания, соединенной с шиной питания импульсного высокочастотного преобразователя, устройство управления ключами имеет n выходов, каждый из которых подключен к своему полупроводниковому ключу, зарядное устройство выполнено из n зарядных устройств, подключенных входами к выходу импульсного высокочастотного преобразователя, а выходами к секциям аккумуляторной батареи.

Отличительными признаками предлагаемого источника вторичного электропитания от известного является то, что аккумуляторная батарея соединена с питающей сетью последовательно через полупроводниковый ключ, нагрузку и импульсный высокочастотный преобразователь, зарядное устройство выполнено в виде ДС/ДС-преобразователя, подключенного входом к выходу импульсного высокочастотного преобразователя параллельно нагрузке, а выходом подключенного к аккумуляторной батарее. Кроме того, дополнительно аккумуляторная батарея состоит из n секций, каждая из которых через свой полупроводниковый ключ подключена к общей точке питания, соединенной с шиной питания импульсного высокочастотного преобразователя, устройство управления ключами имеет n выходов, каждый из которых подключен к своему полупроводниковому ключу, зарядное устройство выполнено из n зарядных устройств, подключенных входами к выходу импульсного высокочастотного преобразователя, а выходами к секциям аккумуляторной батареи.

Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными, указанными в ограничительной части формулы, достигается следующий технический результат - используется энергия источника электроснабжения при снижении напряжения ниже номинального, т.е. при недостаточной мощности сети вместо ее отключения к ее напряжению добавляется энергия аккумулятора, что, во-первых, повышает коэффициент использования энергии источника, а во-вторых, позволяет больше сохранять заряд батареи. За счет применения зарядных устройств в виде гальванически развязанных преобразователей (ДС/ДС) осуществляется заряд аккумуляторных секций под контролем индивидуальных датчиков заряда-разряда, за счет чего повышается срок жизни аккумуляторной батареи в целом, а разделение аккумуляторной батареи на секции позволяет помимо широтно-импульсной стабилизации напряжения на нагрузке, присущей импульсному преобразователю, ввести еще и амплитудную дискретную модуляцию. За счет чего дополнительно расширяется диапазон мощностей возобновляемого источника. Данные решения позволяют для целей гарантированного электроснабжения использовать нестабильные возобновляемые источники электроснабжения.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемый источник вторичного электропитания, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности "новое".

На основании сравнительного анализа предложенного технического решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей существует неочевидная причинно-следственная связь. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение в предложенном устройстве не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности “изобретательский уровень”.

Предложенное техническое решение может найти применение в системах бесперебойного электропитания и позволяет для этих целей в качестве основного источника электроэнергии использовать нестабильные, в том числе возобновляемые источники энергии, а следовательно, данное решение соответствует критерию “промышленно применимо”.

Изобретение по пункту 2 формулы (при n=3) поясняется принципиальной схемой, приведенной на чертеже.

Изображенный на схеме источник вторичного электропитания содержит источник энергии 1 (например, синхронный генератор, вал которого приводится во вращение от ветроколеса, и нагружен на выпрямитель), аккумуляторную батарею 2, разделенную на секции 3, 4 и 5. Каждая секция 3, 4 и 5 через тиристорные ключи 6, 7 и 8 подключена к шине питания “+” импульсного высокочастотного преобразователя 9 (с индуктивно-емкостным фильтром и широтно-импульсным модулятором). Шина питания “-” преобразователя 9 соединена с шиной “-” источника 1. Шина “+” преобразователя 9 через диод 10 подключена также к шине “+” источника 1. Управляющий вход “У” преобразователя 9 соединен с выходом датчика напряжения 11, который также соединен с входом устройства управления 12 ключами 6, 7 и 8. Выход преобразователя 9 питает нагрузку 13 и зарядные устройства 14, 15 и 16. Выходы 17, 18, 19, 20, 21, 22 зарядных устройств 14, 15 и 16 подключены к секциям 3, 4 и 5 аккумуляторной батареи 2. Устройство управления ключами имеет выходы 23, 24, 25, каждый из которых подключен к своему полупроводниковому ключу 6, 7, 8.

Представленный на схеме источник вторичного питания работает следующим образом.

При малых мощностях источника энергии 1, близких к 0, включается тиристорный ключ 8 и последовательно с источником энергии 1 оказываются подключенными все секции 3, 4 и 5 аккумуляторной батареи 2. Здесь ключи 6 и 7 закрыты по силовой цепи, даже если на них приходят управляющие импульсы. Закрытие ключа 8 происходит с периодическим прерыванием преобразователя 9, которое осуществляется с частотой fк/100, где fк - частота коммутации высокочастотного преобразователя 9 (она может достигать сотен килогерц). Регулирование напряжения на выходе осуществляется преобразователем 9.

По мере увеличения напряжения источника энергии 1 скважность импульсов высокочастотного преобразователя 9 падает. При достижении напряжения источника первого порога, управляющие импульсы с ключа 8 снимаются и оказывается включенным ключ 7, последовательно с источником 1 подключаются уже не три, а две секции (3 и 4) аккумуляторной батареи 2. Аналогично при увеличении напряжения источника 1 до второго порога, снимаются импульсы с ключа 7, а при достижении третьего порога с ключа 6. По-прежнему запирание ключей 7 и 6 осуществляется за счет прерывания работы высокочастотного преобразователя 9. Поскольку прерывание осуществляется лишь на время восстановления запирающих свойств тиристоров, то выходное напряжение на нагрузке 13 существенно не изменится. Тем более, что индуктивно-емкостной фильтр на выходе преобразователя 9 сгладит эти всплески напряжения. При обратном изменении напряжения источника 1, сигнал с датчика 11 воздействует на устройство управления 12 таким образом, что на его выходе возникнут вначале импульсы управления ключом 6, далее 7 и 8. Тем самым на нагрузке 13 будут суммироваться ЭДС источника 1 и ЭДС секций 3, 4 и 5 аккумуляторной батареи 2.

Заряд секций 3, 4 и 5 идет с помощью ДС/ДС-преобразователей (зарядных устройств) 14, 15 и 16, нагруженных каждый на свою секцию 3, 4 и 5. ДС/ДС-преобразователи 14, 15 и 16 снабжены контроллерами заряда-разряда аккумуляторных секций 3, 4 и 5 и, таким образом, могут осуществлять оптимальный заряд аккумуляторной батареи 2. Чтобы обеспечить автономность, ДС/ДС-преобразователи 14, 15 и 16 выполнены гальванически развязанными. Таким образом, схема в режимах малой мощности обеспечивает добавку к напряжению генератора источника 1, недостающую до напряжения стабилизации. Тем самым энергия аккумуляторной батареи тратится значительно меньше и одновременно более полно расходуется энергия источника питания.

Источник вторичного электропитания по пункту 1 формулы (аккумуляторная батарея не разбита на секции) работает аналогично приведенному на схеме и описанному, с той лишь разницей, что из-за наличия одной секции, ключа и т.д., а соответственно и одного порога срабатывания менее полно используется диапазон вырабатываемой источником мощности.