RU208120U1

RU208120U1 - BATTERY CHARGER

Info

Publication number: RU208120U1
Application number: RU2021120345U
Authority: RU
Inventors: Максим Юрьевич Коцан; Константин Геннадьевич Дунаев; Евгений Александрович Павлов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное объединение "ЭНЕРГИЯ"
Priority date: 2021-07-09
Filing date: 2021-07-09
Publication date: 2021-12-03

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к зарядным устройствам на основе тиристорных регулируемых выпрямителей, используемых для зарядки аккумуляторных батарей. Технический результат заключается в обеспечении гибкости регулирования напряжения и тока в широком диапазоне для зарядки аккумуляторных батарей широкой номенклатуры. Достигается тем, что зарядное устройство для аккумуляторной батареи, содержащее, по меньшей мере, один регулируемый тиристорный регулятор-выпрямитель напряжения постоянного тока с импульсно-фазовым регулятором, датчики напряжения и тока, один повышающий трансформатор, по меньшей мере, один регулятор напряжения переменного тока, отличается от прототипа тем, что повышающий трансформатор установлен перед регулятором напряжения переменного тока, который представляет собой магнитный усилитель и выход которого, в свою очередь, связан со входом тиристорного регулятора-выпрямителя, при этом управление обмоткой подмагничивания магнитного усилителя осуществляется контроллером, который выполнен также с возможностью управления тиристорным регулятором-выпрямителем напряжения постоянного тока с использованием импульсно-фазового регулятора, выполненного на дискретных элементах с использованием обратной связи по выходному напряжению и току, измеряемому после фильтра низкочастотных помех. 2 ил.The utility model relates to the field of electrical engineering, in particular to chargers based on thyristor controlled rectifiers used to charge batteries. The technical result consists in providing flexibility in regulating voltage and current in a wide range for charging batteries of a wide range. Achieved by the fact that the battery charger, containing at least one adjustable thyristor DC voltage regulator-rectifier with a pulse-phase regulator, voltage and current sensors, one step-up transformer, at least one AC voltage regulator, differs from the prototype in that the step-up transformer is installed in front of the AC voltage regulator, which is a magnetic amplifier and the output of which, in turn, is connected to the input of the thyristor regulator-rectifier, while the magnetic bias winding is controlled by the controller, which is also made with the ability to control a thyristor DC voltage regulator-rectifier using a pulse-phase regulator made on discrete elements using feedback on the output voltage and current measured after the low-frequency noise filter. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области электроэнергетики, а именно к зарядным устройствам на основе тиристорных регулируемых выпрямителей, используемых для зарядки аккумуляторных батарей, используемых в электротранспорте, в автомобильном электротранспорте в частности. Полезная модель предназначена для работы с автомобильными аккумуляторными батареями. The utility model relates to the field of electric power engineering, namely to chargers based on thyristor controlled rectifiers used to charge storage batteries used in electric transport, in motor transport in particular. The utility model is designed to work with car storage batteries.

Общеизвестными являются зарядные устройства (ЗУ) для зарядки аккумуляторных батарей (АБ) на основе тиристорных и диодных выпрямителей, которые обеспечивают заряд аккумуляторных батарей.Well-known are chargers (AC) for charging storage batteries (AB) based on thyristor and diode rectifiers, which provide charging of storage batteries.

Пример промышленной реализации тиристорного управляемого выпрямителя для ЗУ описан в статье: «Зарядно-подзарядные агрегаты: устройство, принципы действия, применение», Силовая электроника, №4 2012, к.т.н. В. Гуревич. Для зарядных устройств на основе тиристоров и диодов характерна высокая надежность и неприхотливость в использовании, однако, при преобразовании переменного напряжения промышленной частоты в постоянное, присутствуют существенные низкочастотные помехи и всплески напряжения, которые необходимо устранять дополнительными фильтрами.An example of an industrial implementation of a thyristor controlled rectifier for a charger is described in the article: "Charging and recharging units: device, principles of operation, application", Power Electronics, No. 4 2012, Ph.D. V. Gurevich. Chargers based on thyristors and diodes are characterized by high reliability and simplicity in use, however, when converting an AC voltage to a DC power frequency, there are significant low-frequency interference and voltage surges, which must be eliminated by additional filters.

Наиболее близким по технической сущности является зарядное устройство для зарядки аккумуляторных батарей на основе тиристорных преобразователей, согласно патенту RU 2155425 C1. В указанном прототипе используется регулируемый тиристорный преобразователь напряжения постоянного тока, фильтр низкочастотных помех, датчики напряжения и тока, а также блок гальванической развязки. The closest in technical essence is a charger for charging batteries based on thyristor converters, according to patent RU 2155425 C1. This prototype uses an adjustable thyristor DC voltage converter, a low-frequency noise filter, voltage and current sensors, and a galvanic isolation unit.

Для зарядных устройств на основе тиристоров и диодов характерна высокая надежность и неприхотливость в использовании, но при этом, возможность регулирования напряжения тиристорами ограничена и составляет порядка 10% от номинального значения. Так, например, при выполнении выпрямителя по схеме Ларионова, который, в случае 3х фазной сети с напряжением 380 В, даст после выпрямления на звене постоянного тока порядка 515 В и возможность регулирования тиристорами этого напряжения составит около 10%. Ввиду этого, ключевым недостатком в указанном прототипе является невозможность регулирования напряжения на входе в тиристорный преобразователь, что не позволяет иметь данному устройству широкий диапазон регулирования напряжения и тока во всем диапазоне - от 0 до номинальных значений.Chargers based on thyristors and diodes are characterized by high reliability and ease of use, but at the same time, the possibility of voltage regulation by thyristors is limited and amounts to about 10% of the nominal value. So, for example, when performing a rectifier according to the Larionov scheme, which, in the case of a 3-phase network with a voltage of 380 V, will give about 515 V after rectification on the DC link and the possibility of regulating this voltage by thyristors will be about 10%. In view of this, the key drawback in this prototype is the impossibility of regulating the voltage at the input to the thyristor converter, which does not allow this device to have a wide range of voltage and current regulation in the entire range - from 0 to nominal values.

Исходя из указанного выше, для указанных аналога и прототипа зарядных устройств характерен общий недостаток – невозможность одновременного регулирования напряжения и тока в широком диапазоне значений.Based on the above, for the indicated analogue and prototype of chargers, a common disadvantage is characteristic - the impossibility of simultaneous regulation of voltage and current in a wide range of values.

Для заявленной полезной модели и прототипа выявлены следующие общие существенные признаки: Зарядное устройство для аккумуляторной батареи, содержащее, по меньшей мере, один регулируемый тиристорный регулятор-выпрямитель напряжения постоянного тока с импульсно-фазовым регулятором, датчики напряжения и тока, один повышающий трансформатор, по меньшей мере, один регулятор напряжения переменного тока, фильтр низкочастотных помех.For the claimed utility model and prototype, the following general essential features have been identified: A battery charger containing at least one adjustable thyristor DC voltage regulator-rectifier with a pulse-phase regulator, voltage and current sensors, one step-up transformer, at least at least one AC voltage regulator, low-frequency noise filter.

Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение гибкости регулирования напряжения и тока в широком диапазоне для зарядки аккумуляторных батарей широкой номенклатуры.The technical problem to be solved by the claimed utility model is to provide flexibility in voltage and current regulation in a wide range for charging a wide range of storage batteries.

Техническая проблема решается за счет того, что зарядное устройство для аккумуляторной батареи, содержащее, по меньшей мере, один регулируемый тиристорный регулятор-выпрямитель напряжения постоянного тока с импульсно-фазовым регулятором, датчики напряжения и тока, один повышающий трансформатор, по меньшей мере, один регулятор напряжения переменного тока, отличается от прототипа тем, что повышающий трансформатор установлен перед регулятором напряжения переменного тока, который представляет собой магнитный усилитель и выход которого, в свою очередь, связан со входом тиристорного регулятора-выпрямителя, при этом, управление обмоткой подмагничивания магнитного усилителя осуществляется контроллером, который выполнен также с возможностью управления тиристорным регулятором-выпрямителем напряжения постоянного тока с использованием импульсно-фазового регулятора, выполненного на дискретных элементах с использованием обратной связи по выходному напряжению и току, измеряемому после фильтра низкочастотных помех.The technical problem is solved due to the fact that a battery charger containing at least one adjustable thyristor DC voltage regulator-rectifier with a pulse-phase regulator, voltage and current sensors, one step-up transformer, at least one regulator AC voltage, differs from the prototype in that the step-up transformer is installed in front of the AC voltage regulator, which is a magnetic amplifier and the output of which, in turn, is connected to the input of the thyristor regulator-rectifier, while the bias winding of the magnetic amplifier is controlled by the controller , which is also made with the ability to control a thyristor regulator-rectifier of DC voltage using a pulse-phase regulator made on discrete elements using feedback on the output voltage and current measured after the low-pass filter high frequency interference.

Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.

На фиг.1 представлена функциональная схема зарядного устройства для аккумуляторных батарей.Figure 1 shows a functional diagram of a battery charger.

Зарядное устройство для аккумуляторной батареи 9, подключенное к трёхфазной электросети 220/380 В 1, содержит блок коммутации 2, повышающий трансформатор 3, установленный перед управляемым регулятором напряжения переменного тока 4, выполненного в виде магнитного усилителя, выход которого, в свою очередь, связан со входом, по меньшей мере, одного управляемого тиристорного регулятора-выпрямителя напряжения постоянного тока 5, фильтр низкочастотных помех 6, датчики тока и напряжения 7, блок управления 8 с гальванической развязкой и программируемым контроллером с импульсно-фазовым регулятором, выполненным на дискретных элементах с использованием обратной связи по выходному напряжению и току, измеряемому датчиками тока и напряжения 7. Пи этом управление обмоткой подмагничивания магнитного усилителя 4 осуществляется контроллером, который выполнен также с возможностью управления тиристорным регулятором-выпрямителем напряжения постоянного тока 5 с использованием импульсно-фазового регулятора.A charger for a storage battery 9, connected to a three-phase power grid 220/380 V 1, contains a switching unit 2, a step-up transformer 3 installed in front of a controlled AC voltage regulator 4, made in the form of a magnetic amplifier, the output of which, in turn, is connected to input of at least one controlled thyristor DC voltage regulator-rectifier 5, low-frequency noise filter 6, current and voltage sensors 7, control unit 8 with galvanic isolation and a programmable controller with a pulse-phase regulator made on discrete elements using reverse communication by the output voltage and current measured by the current and voltage sensors 7. And the control of the bias winding of the magnetic amplifier 4 is carried out by the controller, which is also configured to control the thyristor regulator-rectifier of the DC voltage 5 using a pulse-phase regulator.

Типичная мощность зарядного устройства для аккумуляторных батарей 5-100 кВт и рассчитано для встраивания в конструктив станции заряда и заряда аккумуляторных батарей с типичной емкостью 55 Ач и напряжением от 50 до 515 В. Блок коммутации 2 дополнительно содержит автомат защиты и блок предохранителей. Трансформатор 3 имеет секционную вторичную катушку, которая позволяет ступенчато повышать вторичное напряжение за счет ступенчатого подключения секций вторичной катушки. Магнитный усилитель 4 дополнительно содержит реакторы, используемые в качестве дросселей насыщения с типичным значением 2 мГн – 70 мГн. Управляемый тиристорный регулятор-выпрямитель 5, в общем случае, состоит из соединенных по схеме Ларионова шести тиристорных вентилей, которые управляются импульсно-фазовым методом управления через изолирующие оптосимисторные пары. Низкочастотный сглаживающий фильтр 6 предназначен для защиты аккумуляторной батареи от всплесков напряжения и сглаживания пульсаций напряжения после управляемого тиристорного регулятора-выпрямителя 5. С целью компенсации постоянной составляющей и исключения насыщения сердечника дросселя низкочастотного фильтра, рабочие обмотки дросселя включены встречно для компенсации их магнитных потоков в центральном стержне дросселя низкочастотного фильтра. Блок управления 8, содержит программируемый контроллер с импульсно-фазовым регулятором, выполненный на дискретных элементах с использованием обратной связи по выходному напряжению и току, измеряемому датчиками тока и напряжения 7, а также в своем составе имеет также LCD сенсорный экран для отображения измеряемых параметров тока и напряжения на клеммах батареи, а также информацию о состояния системы управления и видах нештатных и аварийных ситуаций, связанных с эксплуатацией данного устройства. Блок управления 8 осуществляет контроль работы тиристорного регулятора-выпрямителя 5 на основе заданных настроек, а также данных измерения напряжения и тока в блоке 7. Кроме того, блок управления 8 управляет магнитным усилителем 4 за счет изменения тока в его катушке подмагничивания. Typical power of the charger for storage batteries is 5-100 kW and is designed for integration into the design of a charging and charging station for storage batteries with a typical capacity of 55 Ah and a voltage of 50 to 515 V. Switching unit 2 additionally contains a circuit breaker and a fuse box. Transformer 3 has a sectional secondary coil, which makes it possible to stepwise increase the secondary voltage due to the stepwise connection of the sections of the secondary coil. Magnetic amplifier 4 additionally contains reactors used as saturation chokes with a typical value of 2 mH - 70 mH. The controlled thyristor regulator-rectifier 5, in the general case, consists of six thyristor valves connected according to the Larionov scheme, which are controlled by a pulse-phase control method through insulating optosimistor pairs. Low-frequency smoothing filter 6 is designed to protect the battery from voltage surges and smooth out voltage ripples after a controlled thyristor regulator-rectifier 5.In order to compensate for the constant component and eliminate saturation of the low-frequency filter choke core, the working choke windings are turned on in opposite directions to compensate for their magnetic fluxes in the central rod low-pass filter choke . The control unit 8 contains a programmable controller with a pulse-phase regulator, made on discrete elements using feedback on the output voltage and current measured by current and voltage sensors 7, and also includes an LCD touch screen for displaying the measured current parameters and voltage at the battery terminals, as well as information about the state of the control system and the types of abnormal and emergency situations associated with the operation of this device. The control unit 8 monitors the operation of the thyristor regulator-rectifier 5 based on the preset settings, as well as the voltage and current measurement data in the unit 7. In addition, the control unit 8 controls the magnetic amplifier 4 by changing the current in its magnetizing coil.

В состав устройства также входят индикаторы наличия питания, сигналов управления, переключатели «ручной/программный» режима работы устройства, которые на принципиальной схеме условно не показаны.The device also includes indicators of the presence of power, control signals, switches "manual / program" mode of operation of the device, which are conventionally not shown in the schematic diagram.

Благодаря наличию в устройстве трансформатора 3, магнитного усилителя 4, подключенного к трансформатору 3 и управляемого тиристорного регулятора-выпрямителя 5, подключённого к магнитному усилителю 4, обеспечивается возможность регулирования напряжения и тока в широком диапазоне значений, как показано на Фиг.2 (графическая характеристика тока заряда и напряжения на автомобильной конденсаторной аккумуляторной батареи в процессе её зарядки). Due to the presence in the device of a transformer 3, a magnetic amplifier 4 connected to a transformer 3 and a controlled thyristor rectifier-regulator 5 connected to a magnetic amplifier 4, it is possible to regulate voltage and current in a wide range of values, as shown in Fig. 2 (graphical characteristic of the current the charge and voltage on the automotive capacitor battery during its charging).

Так, на первом этапе заряда аккумуляторной батареи (Фиг 2) используется повышающий трансформатор в режиме включения обмоток с коэффициентом трансформации равным 1, то есть без повышения напряжения и включения дополнительных секций вторичной обмотки. При этом осуществляется плавное регулирование магнитным усилителем напряжения (регулятор напряжения переменного тока) с целью его повышения с течением времени и одновременное управление тиристорным регулятором-выпрямителем.So, at the first stage of charging the battery (Fig. 2), a step-up transformer is used in the mode of turning on the windings with a transformation ratio equal to 1, that is, without increasing the voltage and turning on additional sections of the secondary winding. In this case, a smooth regulation of the voltage magnetic amplifier (AC voltage regulator) is carried out in order to increase it over time and the simultaneous control of the thyristor regulator-rectifier.

На втором этапе заряда аккумуляторной батареи (Фиг 2) используется повышающий трансформатор в режиме повышения напряжения, когда подключаются дополнительные секции вторичной катушки и коэффициент трансформации больше 1. При этом, также осуществляется плавное регулирование магнитным усилителем напряжения (регулятор напряжения переменного тока) с целью его повышения с течением времени и одновременное управление тиристорным регулятором-выпрямителем с целью соблюдения заданной зависимости напряжения U и тока I со временем.At the second stage of charging the battery (Fig. 2), a step-up transformer is used in the voltage increase mode, when additional sections of the secondary coil are connected and the transformation ratio is greater than 1. At the same time, the voltage magnetic amplifier (AC voltage regulator) is also continuously regulated in order to increase it over time and simultaneous control of the thyristor regulator-rectifier in order to comply with the given dependence of voltage U and current I over time.

На третьем этапе заряда аккумуляторной батареи (Фиг 2) также, как и на втором, используется аналогичное включение элементов схемы, однако закон регулирования напряжения U и тока I со временем для магнитного усилителя и тиристорного регулятора-выпрямителя используется другой.At the third stage of charging the battery (Fig. 2), as well as at the second, a similar inclusion of circuit elements is used, however, the law of regulation of voltage U and current I over time for a magnetic amplifier and thyristor regulator-rectifier is used differently.

Таким образом, при работе предлагаемое устройство в типичном исполнении за счет использования магнитного усилителя 4 и тиристорного регулятора-выпрямителя 5 позволяет обеспечить начальное напряжение порядка 5В и ток порядка 1А и в процессе заряда плавно увеличить напряжение до 515 В и 125 А, при напряжении питания трехфазной сети 380 В, а также обеспечить повышение напряжения до 1000 В и более за счет подключения дополнительных секций вторичной катушки трансформатора 3. При этом форма сигнала напряжения и тока может быть задана любой, в зависимости от типа аккумуляторной батареи за счет использования блока управления 8 с программируемым контроллером.Thus, during operation, the proposed device in a typical design, due to the use of a magnetic amplifier 4 and a thyristor regulator-rectifier 5, makes it possible to provide an initial voltage of about 5V and a current of about 1A and, during charging, smoothly increase the voltage to 515 V and 125 A, with a three-phase supply voltage. 380 V mains, as well as to increase the voltage to 1000 V and more by connecting additional sections of the secondary coil of the transformer 3. In this case, the voltage and current waveform can be set to any, depending on the type of storage battery by using a control unit 8 with a programmable controller.

Указанное выше гарантирует возможность подключения любой аккумуляторной батареи из широкой номенклатуры, в том числе автомобильной.The above guarantees the ability to connect any rechargeable battery from a wide range, including automobile.

Зарядное устройство работает следующим образом.The charger works as follows.

Регулирование по переменному току осуществляется изменением индуктивности управляемых регуляторов напряжения переменного тока 4 и в случае необходимости повышения напряжения – трансформатором 3. Регулирование по постоянному току осуществляется методом импульсно-фазового регулирования выходного выпрямленного напряжения в трехфазном мостовом тиристорном регуляторе-выпрямителе 5. В случае малых токов заряда, индуктивность последовательных реакторов устанавливается максимальной (порядка 60мГн) для того, чтобы максимально уменьшить негативное воздействие на питающую электросеть и снижения пульсаций выпрямленного сетевого напряжения. При необходимости использования максимального тока заряда происходит переход (переключение) на обмотки меньшей индуктивности и меньшего активного сопротивления и при этом регулирование тока заряда происходит преимущественно методом импульсно-фазового регулирования напряжения тиристорного регулятора-выпрямителя 5. Контроль выходных напряжения и тока заряда осуществляется с помощью блока датчиков 7 соответствующих величин, что необходимо для реализации требуемой характеристики заряда блоком управления 8, который, выполняет также ряд функций контроля, защиты и передачи данных не верхний уровень регистрации и контроля.AC regulation is carried out by changing the inductance of controlled AC voltage regulators 4 and, if necessary, increasing the voltage - by a transformer 3. DC regulation is carried out by the method of pulse-phase regulation of the output rectified voltage in a three-phase bridge thyristor regulator-rectifier 5. In the case of low charge currents , the inductance of the series reactors is set to a maximum (about 60 mH) in order to minimize the negative impact on the mains supply and reduce the ripple of the rectified mains voltage. If it is necessary to use the maximum charge current, a transition (switching) occurs to windings of lower inductance and lower active resistance, and the charge current is controlled mainly by the method of pulse-phase regulation of the thyristor regulator-rectifier voltage 5. The output voltage and charge current are monitored using a sensor unit 7 of the corresponding values, which is necessary for the implementation of the required characteristics of the charge by the control unit 8, which also performs a number of control, protection and data transmission functions, not the upper level of registration and control.

При работе используются следующие параметры программируемого контроллера:During operation, the following parameters of the programmable controller are used:

1) Угол импульсно-фазового регулирования 0 град, индуктивность магнитного усилителя 2 мН на фазу. Ток заряда максимальный, напряжение на нагрузке максимальное 480В;1) The angle of pulse-phase control is 0 degrees, the inductance of the magnetic amplifier is 2 mN per phase. Maximum charge current, maximum load voltage 480V;

2) Угол импульсно-фазового регулирования 40 град, индуктивность магнитного усилителя 2 мН на фазу. Напряжение на нагрузке 380В;2) The angle of pulse-phase control is 40 degrees, the inductance of the magnetic amplifier is 2 mN per phase. Load voltage 380V;

3) Угол импульсно-фазового регулирования 0 град, индуктивность магнитного усилителя 67 мН на фазу. Напряжение на нагрузке 300В3) The angle of the pulse-phase control is 0 degrees, the inductance of the magnetic amplifier is 67 mN per phase. Voltage at load 300V

Эти параметры обеспечивают получение коэффициента мощности в диапазоне от 0,2 до 0,95. These parameters provide a power factor ranging from 0.2 to 0.95.

Построение зарядного устройства для автомобильных аккумуляторных батарей по предложенной схеме, за счет комбинации регулирования тока и напряжения на трансформаторе, магнитном усилителе и управляемом тиристором выпрямителе, обеспечивает достижение технического результата полезной модели, а именно плавное регулирование напряжение и тока в широком диапазоне от нуля до максимальных значений. The construction of a charger for car batteries according to the proposed scheme, due to a combination of current and voltage regulation on a transformer, a magnetic amplifier and a thyristor-controlled rectifier, ensures the achievement of the technical result of the utility model, namely, smooth regulation of voltage and current in a wide range from zero to maximum values ...

Claims

A charger for a storage battery, comprising at least one adjustable thyristor DC voltage regulator-rectifier with a pulse-phase regulator, voltage and current sensors, one step-up transformer, at least one AC voltage regulator, characterized in that a step-up transformer is installed in front of an AC voltage regulator, which is a magnetic amplifier and the output of which, in turn, is connected to the input of a thyristor regulator-rectifier, while the magnetic amplifier bias winding is controlled by a controller, which is also configured to control a thyristor regulator-rectifier DC voltage using a pulse-phase regulator made on discrete elements using feedback on the output voltage and current measured after the low-frequency noise filter.