PL233270B1 - Układ tranzystorowego odłącznika-dołącznika baterii akumulatorów VRLA - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ tranzystorowego odłącznika-dołącznika baterii akumulatorów VRLA mający zastosowanie w systemach zasilania obiektów telekomunikacyjnych.

W siłowniach AC/DC obiektów telekomunikacyjnych rezerwą energetyczną na czas zaniku napięcia w sieci AC są baterie akumulatorów (zawsze co najmniej dwie) o napięciu 48 V. Dla pomiaru dysponowanej pojemności (Ah) takiej indywidualnej baterii w pierwszym rzędzie należy ją odłączyć od obwodu siłowni, a następnie pobierając z niej stały, z reguły tzw. dziesięciogodzinny prąd, rozładować ją do określonego napięcia (mierząc pobrane amperogodziny), w pełni naładować i dołączyć do obwodu siłowni.

Element łączący baterię akumulatorów z obwodami siłowni musi spełniać ostre wymagania, ponieważ z baterii może być pobierany znaczący prąd. Dla „małych”, najczęściej stosowanych baterii o pojemności ok. 100 Ah prąd może osiągać podczas pracy wartość do 100 A, a chwilowo (impulsowo, przed zadziałaniem bezpiecznika) wartość do 1000 A. Dla baterii największych (1 000 Ah - 3 500 Ah) może to być odpowiednio 1 000 A - 5 000 A. Element łączący badaną baterię z miernikiem pojemności musi dopuszczać trwałe prądy, co najmniej tzw. dziesięciogodzinne, co oznacza dla baterii 100 Ah prąd 10 A, a dla baterii 3 500 Ah prąd 350 A.

Znane są różne sposoby i układy służące do odłączania i dołączania baterii akumulatorów w obwodzie siłowni. Pierwszy z nich to odkręcenie przewodu prądowego siłowni od bieguna ujemnego takiej baterii (najlepiej po uprzednim wyjęciu bezpiecznika) i na czas pomiaru pojemności dołączeniu tego bieguna do opornicy rozładowczej lub urządzenia pomiarowego. Drugi sposób wymaga odpowiedniego układu pracy siłowni (typowo jest stosowany w siłowni) - na czas pomiaru pojemności wyjmowany jest bezpiecznik z obwodu siłowni i przekładany na pozycję dedykowaną miernikowi pojemności lub prostownikowi ładowania wyrównawczego baterii.

Znany jest z patentu PL 201960, eliminujący udział obsługi, układ konwertera dla siłowni telekomunikacyjnej prądu stałego z dwiema bateriami akumulatorów, w którym konwerter, na czas kontrolnego wyładowania-naładowania stałym zaprogramowanym prądem, poprzez swoje dwa wewnętrzne przekaźniki o stykach przełączalnych odłącza wskazaną baterię od obwodów siłowni i dołącza do przetwornicy zbudowanej z tranzystorów, kondensatorów i dławika.

Znany jest z opisu zgłoszeniowego P 390982 sposób i układ do zdalnej diagnostyki baterii akumulatorów, zwłaszcza w systemach teleinformatycznych. W rozwiązaniu tym, w siłowni, dodatkowa separowana szyna jest łączona z bateriami akumulatorów poprzez indywidualne styczniki, poprzez inny stycznik jest łączona z zespołami prostownikowymi, przez kolejny stycznik jest łączona z wydzieloną grupą odbiorów energii siłowni, a przez jeszcze inny stycznik łączy się w czasie normalnej pracy z szyną systemową „minus” siłowni. Wadą tego rozwiązania jest duża liczba wysokoprądowych styczników na drodze zasilania odbiorów, skomplikowana procedura rozładowywania kontrolowanej baterii stałym prądem (poprzez regulację wyjściowego prądu w wydzielonej, dostosowanej do takiej funkcji, grupie prostowników) oraz wymóg istnienia grupy odbiorów nie wymagających gwarantowanego zasilania.

Znane jest z opisu zgłoszeniowego US 2009021216 A1 rozwiązanie dla dwu baterii do ich ładowania i zdalnie zarządzanego kontrolnego rozładowania, w którym zastosowano indywidualne elektroniczne (tranzystory) styczniki do łączenia odbiorów energii z prostownikami i z każdą z baterii, oraz indywidualne dla każdej baterii układy ładowania.

Znany jest z opisu zgłoszeniowego P 398791 (EP2972433) sposób i układ do zdalnej kontroli dysponowanej pojemności akumulatorów w siłowni telekomunikacyjnej, w którym dla indywidualnej kontroli każdej z baterii łączy się w siłowni jej szynę systemową ujemną z bateriami poprzez indywidualnie sterowane styczniki wysokoprądowe, zastępujące wspólny wyłącznik podnapięciowy (tzw. rozłącznik głębokiego rozładowania), oraz w którym kontrolowaną baterię dołącza się stycznikiem niskoprądowym do wejścia zamontowanego na stałe w siłowni urządzenia kontrolno-pomiarowego TBA-ST, które to urządzenie na polecenie zcentralizowanego systemu nadzoru mierzy pojemność baterii metodą „kontrolnego wyładowania stałym prądem”.

Wadą dwu pierwszych rozwiązań jest konieczność udziału człowieka na etapie odłączania i ponownego dołączania baterii akumulatorów do systemu siłowni.

Znanym mankamentem trzeciego rozwiązania są duże prądy płynące przez styki przekaźników wewnątrz urządzenia w stanie zasilania odbiorów „z baterii” (co wymaga przekaźników o dużych gabarytach), konieczność wyłączenia z pracy obu (wszystkich) baterii przy demontażu urządzenia w celu naprawy lub konserwacji oraz trudność powiększenia liczby obsługiwanych baterii.

PL 233 270 B1

Wadą następnych sposobów jest fakt, że łączniki prądu (zarządzane przez sterownik siłowni) muszą być przygotowane na etapie jej produkcji (wprowadzane na etapie modernizacji siłowni wymagają czasowego jej wyłączenia z eksploatacji, co nie zawsze jest dopuszczalne lub możliwe).

Układ tranzystorowego odłącznika-dołącznika baterii akumulatorów VRLA według wynalazku charakteryzuje się tym, że do połączonego normalnie z szyną ujemną (z reguły poprzez bezpiecznik) danej baterii akumulatorów zacisku ujemnego baterii, po odłączeniu od szyny ujemnej siłowni, dołączone są dreny tranzystorów pierwszego i trzeciego, przy czym tranzystor pierwszy połączony jest z tranzystorem drugim szeregowo tak, że źródła obu tranzystorów połączone są z sobą i dołączone do styku źródeł tranzystorów pierwszego i drugiego, a bramki tranzystorów pierwszego i drugiego połączone są ze sobą i dołączone do styku bramek tranzystorów pierwszego i drugiego, a z kolei dren tranzystora drugiego dołączony jest do ujemnego zacisku szyny siłowni (odłączonego od bieguna ujemnego baterii), zaś tranzystor trzeci i tranzystor czwarty połączone są ze sobą szeregowo tak, że źródła obu tranzystorów połączone są ze sobą i dołączone do styku źródeł tranzystorów trzeciego i czwartego, a bramki tranzystorów trzeciego i czwartego połączone są ze sobą i dołączone do styku bramek tranzystorów trzeciego i czwartego, a z kolei dren tranzystora czwartego dołączony jest do styku prądowego złącza miernika, natomiast zacisk dodatni baterii jest połączony z rezystorem pierwszym, z wejściem pierwszym transoptora pierwszego i z wyjściem pierwszym transoptora drugiego, zaś wejście drugie transoptora pierwszego połączone jest z wejściem pierwszym transoptora drugiego, a z kolei wejście drugie transoptora drugiego połączone jest z pierwszą stroną rezystora piątego, którego druga strona połączona jest ze stykiem sterującym złącza miernika, zaś wyjście pierwsze transoptora pierwszego połączone jest ze stykiem bramek tranzystorów pierwszego i drugiego, połączonym z bramką tranzystora pierwszego, bramką tranzystora drugiego oraz z drugą stroną rezystora pierwszego i pierwszą stroną rezystora drugiego, a wyjście drugie transoptora pierwszego połączone jest ze stykiem źródeł tranzystorów pierwszego i drugiego, połączonym z drugą stroną rezystora drugiego, natomiast wyjście drugie transoptora drugiego połączone jest z pierwszą stroną rezystora trzeciego, którego druga strona połączona jest ze stykiem bramek tranzystorów trzeciego i czwartego, połączonym z bramką tranzystora trzeciego, z bramką tranzystora czwartego i z pierwszą stroną rezystora czwartego, którego druga strona połączona jest ze stykiem źródeł tranzystorów trzeciego i czwartego, ponadto korzystnie w układzie jest dołączony transoptor trzeci, którego wejście pierwsze sterowania dwukierunkową diodą transoptora trzeciego połączone jest z zaciskiem ujemnym baterii, wejście drugie sterowania dwukierunkową diodą transoptora trzeciego połączone jest z pierwszą stroną rezystora szóstego, którego druga strona połączona jest z zaciskiem siłowni, zaś wyjście drugie transoptora trzeciego połączone jest ze stykiem bramek tranzystorów pierwszego i drugiego, a wyjście pierwsze transoptora trzeciego połączone jest ze stykiem źródeł tranzystorów pierwszego i drugiego, a ponadto korzystnie w układzie zamiast pojedynczego tranzystora pierwszego i pojedynczego tranzystora drugiego stosuje się wiele tranzystorów połączonych równolegle, przy czym połączone są ze sobą ich bramki, dreny i źródła, a ponadto korzystnie w układzie zamiast transoptora trzeciego stosuje się odpowiadający mu układ elektroniczny.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość łatwego zastosowania w eksploatowanych siłowniach, celem ich modernizacji, nie są wymagane przeróbki w okablowaniu siłowni, a ponadto czas wprowadzenia rozwiązania według wynalazku do siłowni jest mniejszy niż czas potrzebny do wymiany baterii akumulatorów, zaś wprowadzanie rozwiązania można połączyć z rutynową okresową wymianą baterii akumulatorów w siłowni, przy czym podczas wymiany jednej baterii i instalowania odłącznika pozostałe baterie pozostają połączone, (najpierw bezpośrednio, później poprzez tranzystorowy odłącznik) z obwodem DC modernizowanej siłowni.

Układ tranzystorowego odłącznika-dołącznika baterii akumulatorów VRLA według wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schemat blokowy układu.

W układzie tranzystorowego odłącznika-dołącznika baterii akumulatorów według wynalazku, do odłączonego od ujemnej szyny siłowni (od zacisku przewodu bezpiecznika głównego danej baterii), zacisku ujemnego baterii -Bat dołączone są dreny tranzystorów pierwszego T1 i trzeciego T3, przy czym tranzystor pierwszy T1 połączony jest z tranzystorem drugim T2 szeregowo tak, że źródła obu tranzystorów połączone są z sobą i dołączone do styku A źródeł tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2, a bramki tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2 połączone są ze sobą i dołączone do styku B bramek tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2, a z kolei dren tranzystora drugiego T2 dołączony jest do zacisku ujemnego siłowni -Sil (zacisku przewodu bezpiecznika głównego danej baterii), zaś tranzystor trzeci T3 i tranzystor czwarty T4 połączone są ze sobą szeregowo tak, że źródła obu tranzystorów połączone są ze sobą i dołączone do styku C źródeł tranzystorów trzeciego T3 i czwartego T4, a bramki

PL 233 270 B1 tranzystorów trzeciego T3 i czwartego T4 połączone są ze sobą i dołączone do styku D bramek tranzystorów trzeciego T3 i czwartego T4, a z kolei dren tranzystora czwartego T4 dołączony jest do styku prądowego -Bx złącza miernika ZM. Zacisk dodatni baterii +Bat jest połączony z rezystorem pierwszym R1, z wejściem pierwszym 1 transoptora pierwszego TO-1 i z wyjściem pierwszym 3 transoptora drugiego TO-2, zaś wejście drugie 2 transoptora pierwszego TO-1 połączone jest z wejściem pierwszym 1 transoptora drugiego TO-2, a z kolei wejście drugie 2 transoptora drugiego TO-2 połączone jest z pierwszą stroną rezystora piątego R5, którego druga strona połączona jest ze stykiem sterującym batX złącza miernika ZM. Wyjście pierwsze 3 transoptora pierwszego TO-1 połączone jest ze stykiem B bramek tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2, połączonym z bramką tranzystora pierwszego T1. bramką tranzystora drugiego T2 oraz z drugą stroną rezystora pierwszego R1 i pierwszą stroną rezystora drugiego R2, a wyjście drugie 4 transoptora pierwszego TO-1 połączone jest ze stykiem A źródeł tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2, połączonym z drugą stroną rezystora drugiego R2. Wyjście drugie 4 transoptora drugiego TO-2 połączone jest z pierwszą stroną rezystora trzeciego R3, którego druga strona połączona jest ze stykiem D bramek tranzystorów trzeciego T3 i czwartego T4, połączonym z bramką tranzystora trzeciego T3, z bramką tranzystora czwartego T4 i z pierwszą stroną rezystora czwartego R4, którego druga strona połączona jest ze stykiem C źródeł tranzystorów trzeciego T3 czwartego T4.

Korzystnie w układzie jest dołączony transoptor trzeci TO-3, którego wejście pierwsze 1 sterowania dwukierunkową diodą transoptora trzeciego TO-3 połączone jest z zaciskiem ujemnym baterii -Bat, wejście drugie 2 sterowania dwukierunkową diodą transoptora trzeciego TO-3 połączone jest z pierwszą stroną rezystora szóstego R6, którego druga strona połączona jest z zaciskiem ujemnym siłowni -Si1, zaś wyjście drugie 4 transoptora trzeciego TO-3 połączone jest ze stykiem B bramek tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2, a wyjście pierwsze 3 transoptora trzeciego TO-3 połączone jest ze stykiem A źródeł tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2.

Korzystnie, celem powiększenia maksymalnego prądu pracy i/lub obniżenia rezystancji przewodzenia - zamiast pojedynczego tranzystora pierwszego T1 i pojedynczego tranzystora drugiego T2 stosuje się wiele tranzystorów połączonych równolegle, przy czym połączone są ze sobą ich bramki, dreny i źródła.

Korzystnie zamiast transoptora trzeciego TO-3 stosuje się odpowiadający mu układ elektroniczny.

Rozwiązanie według wynalazku jest przeznaczone głównie do stosowania w systemach zasilania obiektów telekomunikacyjnych o stosunkowo niewielkim poborze prądu (ciągły prąd pracy nie przekraczający 100 A, prąd impulsowy do 1 000 A), o co najmniej dwu bateriach akumulatorów - takich jak wyniesione moduły central i stacje radiowe telefonii komórkowej i transmisji danych. Układ służy do odłączania baterii akumulatorów 48 V od obwodu siłowni AC/DC i jej jednoczesnego dołączania do wejścia miernika „dysponowanej pojemności baterii”.

W stanie spoczynkowym (stanie „pracy baterii”) na styk sterujący batX złącza miernika ZM nie jest podawane napięcie (stan „izolacji”). Wtedy wyjście siłowni (zacisk ujemny siłowni -Sil) jest połączone z baterią (zacisk ujemny baterii -Bat) poprzez szeregowo połączone tranzystory pierwszy T1 i drugi T2 będące w stanie załączenia. Natomiast tranzystory trzeci T3 i czwarty T4 nie przewodzą i nie jest podawane napięcie na styk prądowy -Bx złącza miernika ZM.

Gdy „badanie baterii” zostanie zakończone, to w przypadku, gdy napięcie pomiędzy zaciskiem ujemnym baterii -Bat i zaciskiem ujemnym siłowni -Sil wynosi poniżej 2V - przywracany jest stan spoczynkowy (stan „pracy baterii”). Gdy napięcie pomiędzy zaciskiem ujemnym baterii -Bat i zaciskiem ujemnym siłowni -Si1 przekracza 2V, to transoptor trzeci TO-3 zwiera rezystor drugi R2, wobec czego tranzystory pierwszy T1 i drugi T2 nie przewodzą i bateria nie zostaje dołączona do siłowni - dopóki te napięcia nie zostaną wyrównane (np. poprzez doładowanie baterii lub obniżenie napięcia siłowni).

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ tranzystorowego odłącznika-dołącznika baterii akumulatorów VRLA, dołączony do zacisków baterii akumulatorów i zacisku siłowni, zawierający tranzystory z wbudowanymi diodami zwrotnymi, transoptory oraz rezystory, znamienny tym, że do zacisku ujemnego baterii (-Bat) dołączone są dreny tranzystorów pierwszego (T1) i trzeciego (T3), przy czym tranzystor

   PL 233 270 B1 pierwszy (T1) połączony jest z tranzystorem drugim (T2) szeregowo tak, że źródła obu tranzystorów połączone są z sobą i dołączone do styku (A) źródeł tranzystorów pierwszego (T1) i drugiego (T2), a bramki tranzystorów pierwszego (T1) i drugiego (T2) połączone są ze sobą i dołączone do styku (B) bramek tranzystorów pierwszego (T1) i drugiego (T2), a z kolei dren tranzystora drugiego (T2) dołączony jest do zacisku ujemnego siłowni (-Sil), zaś tranzystor trzeci (T3) i tranzystor czwarty (T4) połączone są ze sobą szeregowo tak, że źródła obu tranzystorów połączone są ze sobą i dołączone do styku (C) źródeł tranzystorów trzeciego (T3) i czwartego (T4), a bramki tranzystorów trzeciego (T3) i czwartego (T4) połączone są ze sobą i dołączone do styku (D) bramek tranzystorów trzeciego (T3) i czwartego (T4) a z kolei dren tranzystora czwartego (T4) dołączony jest do styku prądowego (Bx) złącza miernika (ZM), a ponadto zacisk dodatni baterii (+Bat) jest połączony z rezystorem pierwszym (R1), z wejściem pierwszym (1) transoptora pierwszego (TO-1) i z wyjściem drugim (3) transoptora drugiego (TO-2), zaś wejście drugie (2) transoptora pierwszego (TO-1) połączone jest z wejściem pierwszym (1) transoptora drugiego (TO-2), a z kolei wejście drugie (2) transoptora drugiego (TO-2) połączona jest z pierwszą stroną rezystora piątego (R5), którego druga strona połączona jest ze stykiem sterującym (batX) złącza miernika (ZM), zaś wyjście pierwsze (3) transoptora pierwszego (TO-1) połączone jest ze stykiem (B) bramek tranzystorów pierwszego (T1) i drugiego (T2), połączonym z bramką tranzystora pierwszego T1, bramką tranzystora drugiego T2 oraz z drugą stroną rezystora pierwszego (R1) i pierwszą stroną rezystora drugiego (R2), a wyjście drugie (4) transoptora pierwszego TO-1 połączone jest ze stykiem A źródeł tranzystorów pierwszego T1 i drugiego (T2), połączonym z drugą stroną rezystora drugiego (R2), natomiast wyjście drugie (4) transoptora drugiego (TO2) połączone jest z pierwszą stroną rezystora trzeciego (R3), którego druga strona połączona jest ze stykiem (D) bramek tranzystorów trzeciego (T3) i czwartego (T4), połączonym z bramką tranzystora trzeciego (T3), z bramką tranzystora czwartego (T4) i z pierwszą stroną rezystora czwartego (R4), którego druga strona połączona jest ze stykiem (C) źródeł tranzystorów trzeciego (T3) czwartego (T4).
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że w układzie jest dołączony transoptor trzeci (TO-3), którego wejście pierwsze (1) sterowania dwukierunkową diodą transoptora trzeciego (TO-3) połączone jest z zaciskiem ujemnym baterii (-Bat), wejście drugie (2) sterowania dwukierunkową diodą transoptora trzeciego (TO-3) połączone jest z pierwszą stroną rezystora szóstego (R6), którego druga strona połączona jest z zaciskiem ujemnym siłowni (-Sil), zaś wyjście drugie (4) transoptora trzeciego (TO-3) połączone jest ze stykiem (B) bramek tranzystorów pierwszego (T1) i drugiego (T2), a wyjście pierwsze (3) transoptora trzeciego (TO-3) połączone jest ze stykiem A źródeł tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2.
3. 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że w układzie zamiast pojedynczego tranzystora pierwszego (T1) i pojedynczego tranzystora drugiego (T2) stosuje się wiele tranzystorów połączonych równolegle, przy czym połączone są ze sobą ich bramki, dreny i źródła.
4. 4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że w układzie zamiast transoptora trzeciego (TO-3) stosuje się odpowiadający mu układ elektroniczny.