SU936220A1 - Система зар да аккумул торной батареи - Google Patents

Description

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в устройствах ускоренного заряда аккумуляторных бат арей, преимущественно свинцово-кислотных.

Известны системы двухступенчатого 5 заряда аккумуляторных батарей вначале постоянным сглаженным током повышенной плотности с последующей подачей разрядных деполяризирующих импульсов тока, содержащие зарядный выпря- ^,с митель со сглаживающим дросселем, на выходе и узел разряда, подключаемый параллельно выходным зажимам системы заряда(1).

Применительно к режимам ускоренного заряда аккумуляторных батарей с подачей на стадии дозаряда кратковременных разрядных деполяризирующих импульсов тока разрядный узел выпол- ₂₍ нцется в виде последовательно соединенных тиристора, дросселя и контактора с цепью его перезаряда. Модификации таких систем заряда с раз2 личным выполнением цепи перезаряда и других межструктурных связей описаны в статьеГ2].

Зарядный выпрямитель обеспечивает заряд аккумуляторной батареи средним током, определяемым разностью среднего выпрямленного напряжения и ЭДС аккумуляторной батареи (с учетом сопротивления зарядной цепи ) с регулированием его величины изменением угла включения тиристоров выпрямителя. При достижении аккумуляторной батареей требуемого уровня заряженности начинают подавать управляющие импульсы на разрядный тиристор, обеспечивающий формирование деполяризирующих импульсов заданной частоты с параметрами, определяемыми параметрами LC-разрядной цепи, структурой цепи перезаряда, а также наличием других корректирующих звеньев.

Недостатком таких систем заряда является повышенный уровень высших

936:

гармоник в зарядном токе особенно на первой ступени заряда, связан- . ный со значительным диапазоном изменения ЭДС аккумуляторной бататеи в процессе заряда, что приводит: к нагреву батареи и к понижению эффективности процесса заряда.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является система заряда аккумуляторной батареи, ю содержащая зарядный выпрямитель на тиристорах со сглаживающим дросселем на выходе, тиристорно-дроссельноконденсаторный узел разряда с цепью перезаряда конденсатора, выполненной 1 в виде вспомогательного выпрямителя с собственным дросселем.

При заряде свинцово-кислотной аккумуляторной батареи .током повышен- ₂ ной плотности напряжение на ее клеммах вначале значительно возрастает (от 190 до 29О-315 В применительно Я батарее на 230 В) и стабилизируется только к концу заряда. Поскольку зарядный ток определяется разностью мгновенного значения выпрямленного напряжения и напряжения на клеммах аккумуляторной батареи, колебания и пульсация его в процессе заряда были бы очень значительными (с учетом колебаний напряжения питающей сети в пределах +5%). Поэтому зарядный выпрямитель выполняют управляемым на тиристорах с диапазоном фазового включения его .тиристоров, доходящим до 60 эл. град. Естественно, что большие углы включения тиристоров приводят к большим пульсациям зарядного тока (крайне нежелательным на первой стадии заряда, поскольку они вызывают нагрев аккумуляторной батареи). Для снижения уровня пульсаций зарядного тока устанавливают сглаживающий дроссель, величина индуктивности которого выбирается исходя из его массо-габаритных показателей и КПД. На второй стадии дозаряда, когда существенно снижается восприимчивость свинцово-кислотной аккумуляторной батареи к зарядному току, 5 включается разрядный узел и начинают формироваться деполяризирующие импульсы тока требуемых параметров.

Однако данная система характеризуется низкой эффективностью про- ί цесса заряда из-за повышенных тепловыделений , вызываемых высшими гефмониками зарядного тока.

О 4

Цель изобретения - · повышение эффективности процесса заряда.

Указанная цель достигается подключением дополнительной цепочки, состоящей из ключевого и индуктивного элементов между концом сглаживающего дросселя и обкладкой конденсатора со стороны разрядного тиристора с использованием в качестве индуктивного элемента либо отдельного дросселя, либо разрядного перезарядного дросселей.

На фиг. .1 показана принципиальная схема предлагаемой системы заряда; на фиг. 2а, б и & - ее возможные модификации.

Система заряда содержит выпрямитель 1, дроссели 2,3 и 4, тиристор 5, I конденсатор 6, ключевой элемент 7, узел перезаряда 8 и работает на аккумуляторную батарею 9.

Выпрямитель 1 со сглаживающим дросселем 2 в анодной или катодной цепи подключен зажимами переменного тока к выходным зажимам системы заряда, а зажимами постоянного тока - к аккумуляторной батарее 9. К выходным зажимам системы заряда подключен узел разряда, состоящий из последовательно соединенных тиристора 5, дросселя 3 и конденсатора 6, параллельно которому подключен узел перезаряда 8. Последовательно соединенные ключевой элемент 7 и индуктивный элемент 4 подключены между концом сглаживающего дросселя 2 и обкладкой конденсатора 6 со стороны разрядного тиристора 5.

На первой ступени заряда аккумуляторной батареи 9 постоянным током повышенной плотности ключевой элемент 7 находится во включенном положении и работает только выпрямитель 1. Величина зарядного тока определяется формулой [^Mo^cosi+ s’*? w-^ЕА_Впйпе^Л], ¹ где Rn “ сопротивление зарядной цепи , ct - угол включения тиристоров выпрямителя,

Ud₀ ~ напряжение холостого хода выпрямителя,

- амплитуда высшей гармоники порядка, пульсность схемы выпрямителя, угловая частота первой (высшей) гармоники в выпрямленном напряжении, фазовый сдвиг гармоник, коэффициент сглаживания фильтра выпрямителя, ЭДС полностью разряженной аккумуляторной батареи, постоянная времени изменения ЭДС батареи в процессе заряда.

Зарядный ток содержит постоянную составляющую, осуществляющую заряд аккумуляторной батареи, определяемую разностью среднего значения выпрямленного напряжения и ЭДС аккумуляторной батареи ’=^SK ⁰‘^С05а'^ЕАБпй_П ^е<^):

и переменную составляющую выпрямленного напряжения с учетом сглаживающего действия фильтра, идущую на нагрев аккумуляторной батареи

0).,=TOGO 6 ГгНГ) сУЧ to переменной составляющей выпрямленного напряжения, относительная величина переменной составляющей в зарядном токе может достигать 50“Ю0% даже с учетом сглаживающего эффекта дросселя 2, поэтому большая переменная составляющая в зарядном токе ведет к повышенным тепловыделениям в аккумуляторной батарее 9, снижению допустимой плотности зарядного тока, и в конечном, счете, к снижению эффективности процесса заряда.

Поскольку определяющей в нагреве является первая (высшая) гармоника зарядного тока, определяемая пульсностью выпрямителя (т =6) для трехфазной мостовой схемы выпрямителя), то именно из условия резонанса на эту гармонику определяют добавочную индуктивность дросселя 4 .

где . n = 00

VfjS U^-sintnWjl+Vn),

Π=Ί

W^o-cosA — m ^fcn ‘---f

В этом случае резонансная LC-цепочка, подключенная через дополнительный ключевой элемент 7 параллельно выходным зажимам системы заряда, образует с дросселем 2 сложный Г-образный LC-фильтр, шунтирующий первую гармонику зарядного тока (п = 1) и имеющий коэффициент сглаживания в несколько раз выше коэффицицента сглаМаксимальный угол включения тиристоров <£ составляет 45~б0 эл.град. и складывается из минимального угла включения 15 ° определяемого возможностями САР), запаса на колебания питающей сети (в пределах ±5%), запаса на колебания напряжения на клеммах аккумуляторной батареи в процессе заряда (1Э0 315 В для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи с номинальным напряжением в 230В), запаса на электрические потери в зарядной цепи и возможные подрегулировки. А величина высших гармоник в выпрямленном напряжении существенно возрастает с увеличением угла включения тиристоров выпрямителя и, например, для трехфазной мостовой схемы составляет 20-30% от UdoПоскольку величина среднего значения зарядного тока определяется разностью среднего значения выпрямленного напряжения и ЭДС аккумуляторной батареи, а величина переменной составляющей зарядного тока - только живания одного сглаживающего дросселя. Соответственно снижается и переменная составляющая тока в цепи аккумуляторной батареи и нагрев последней, что позволяет соответствен|но поднять допустимую плотность зарядного тока и сократить время первой ступени заряда аккумуляторной батареи.

При достижении батареей 9 требуемого уровня заряженности ключевой элемент 7 отключается. Поскольку при работе разрядного конденсатора 6 на первой ступени заряда в качестве емкостного элемента LC-фильтра выпрямителя он зарядился до уровня напряжения аккумуляторной батареи 9, перед началом формирования ' деполяризирующих импульсов тока производят разряд его до нулевого напряжения или перезаряд его до противоположной полярности (см.фиг.1) с помощью узла перезаряда 8. После этого конденсатор 6, а соответ’ ственно, и весь узел разряда 5,3, и 8. оказываются готовыми для осуществления второй ступени дозаря

да аккумуляторной батареи 9 с подачей кратковременных разрядных деполяризирующих импульсов тока.

Таким образом, повышение эффективности процесса заряда свинцово- 5 кислотной аккумуляторной батареи током повышенной плотности достигается путем использования разрядного конденсатора 6 в качестве емкостного элемента сглаживающего Ю фильтра совместно с дополнительной индуктивностью 4, подключаемых к концу сглаживающего дросселя 2 через дополнительный ключевой элемент 7. Введение дополнительных 15 ключевого и индуктивного элементов 7 и 4 создает контур короткого замыкания для η -й гармоники в зарядном токе. Это позволяет в несколько раз снизить переменную 20 составляющую зарядного тока и нагрев аккумуляторной батареи либо поднять допустимую плотность зарядного тока и сократить общее время заряда аккумуляторной батареи. 25

Возможны различные модификации системы заряда.

При установке сглаживак)щего дросселя 2 в анодной цепи вентилей выпрямителя 1 образуется загради-30 тельный для n-й гармоники фильтрпробка режекторного типа с добавоч¹ „ , 4 , нои индуктивностью' U.=—г—:-* с, ¹ η о

Такой фильтр образует контур с нуле вой проводимостью для η -й гармоники зарядного тока (фиг.2 а).'

В качестве добавочной индуктивности 4 можно использовать индуктивность либо разрядного, либо переза- ⁴⁰ рядного дросселей (см. фиг. 2 5 ив ).

Таким образом, установка простого ключевого элемента, (например, контактора) рассчитанного примерно на 0,1 величины зарядного тока,реша- ⁴⁵ ет вопрос и с повышением эффективности процесса заряда и с эффективностью использования батареи разрядных конденсаторов, что очень важно для. мощных зарядных устройств.

Claims (3)

1. Изобретение относитс  к электротехнике и может найти применение в устройствах ускоренного зар да аккумул торных батарей, преимущественно свинцово-кислотных. Известны системы двухступенчатого зар да аккумул торных батарей вначале посто нным сглаженным током повышенной плотности с последующей подачей разр дных депол ризирующих импул сов тока, содержащие зар дный выпр митель со сглаживающим дросселемна выходе и узел разр да, подключаемый параллельно выходным зажимам системы зар да fl. Применительно к режимам ускоренного зар да аккумул торных батарей с подачей на стадии дозар да кратковременных разр дных депол ризирующих импульсов тока разр дный узел выполН  етс  в виде последовательно соединенных тиристора, дроссел  и контактора с цепью его перезар да. Моди фикации таких систем зар да с разЛИЧНЫМ выполнением цепи перезар да и других межструктурных св зей описаны в статье121. Зар дный выпр митель обеспечивает зар д аккумул торной батареи средним током, определ емым разностью среднего выпр мленного напр жени  и ЭДС аккумул торной батареи (с учетом сопротивлени  зар дной цепи ) с регулированием его величины изменением угла включени  тиристоров выпр мител . При достижении аккумул торной батареей требуемого уровн  зар женности начинают подавать управл ющие импульсы на разр дный тиристор, обеспечивающий формирование депол ризирующих импульсов заданной частоты с параметрами, определ емыми параметрами LC-разр дной цепи, стру4 турой цепи перезар да, а также наличием других корректирующих звеньев. Недостатком таких систем зар да  вл етс  повышенный уровень высших гармоник в зар дном токе особенно на первой ступени зар да, св зан- . ный со значительным диапазоном изменени  ЭДС аккумул торной бататеи в процессе зар да, что приводит: к нагреву батареи и к понижению эффективности процесса зар да. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой  вл етс  си тема зар да аккумул торной батареи, содержаща  зар дный выпр митель на тиристорах со сглаживающим дросселем на выходе, тиристорно-дроссельно конденсаторный узел разр да с цепью перезар да конденсатора, выполненной в виде вспомогательного выпр мител  с собственным дросселем. При зар де свинцово-кислотной аккумул торной батареи .током, повышенной плотности напр жение на ее клеммах вначале значительно возрастает (от 190 до 290-315 В применительно « батарее на 230 В) и стабилизируетс  только к концу зар да. Поскольку зар дный ток определ етс  разностью мгновенного значени  выпр мленного напр жени  и напр жени  на клеммах аккумул торной батареи, колебани  и пульсаци  его в процессе эар да были бы очень значительными (с учето колебаний напр жени  питающей сети в пределах iS%). Поэтому зар дный выпр митель выполн ют управл емым на тиристорах с диапазоном фазового включени  его .тиристоров, доход щим до 60 эл. град. Естественно что большие углы включени  тиристоров привод т к большим пульсаци м зар дного тока (крайне нежелательным на первой стадии зар да, поскольку они вызывают нагрев аккумул торной батареи). Дл  снижени  уровн  пульсаций зар дного тока устанавливают сгл живающий дроссель, величина индуктивности которого выбираетс  исход  из его массо-габаритных показателей и КПД. На-второй стадии дозар да, когда существенно снижаетс  восприимчивость свинцово-кислотной аккумул торной батареи к зар дному току, включаетс  разр дный узел и наминают формироватьс  депол ризирующие импульсы тока требуемых параметров. Однако данна  система характеризуетс  низкой эффективностью процесса зар да из-за повышенных теплов делений, вызываемых высшими гармониками зар дного тока. 9 4 Цель изобретени  - повышение фективности процесса зар да. Указанна  цель достигаетс  подключением дополнительной цепочки, состо щей из ключевого и индуктивного элементов между концом сглаживающего дроссел  и обкладкой конденсатора со стороны разр дного тиристора с использованием в качестве индуктивного элемента либо отдельного дроссел , либо разр дного перезар дного дросселей. На фиг. -Г показана принципиальна  схема предлагаемой системы зар да; на фиг. 2 а, б и в - ее возможные модификации. Система зар да содержит выпр митель 1, дроссели 2,3 , тиристор 5, конденсатор 6, ключевой элемент 7, узел перезар да 8 и работает на аккумул торную батарею 9. Выпр митель 1 со сглаживающим дросселем 2 в анодной или катодной цепи подключен зажимами переменного тока к выходным зажимам системы зар да, а зажимами посто нного тока - к аккумул торной батарее 9. К выходным зажимам системы зар да подключен узел разр да, состо щий из последовательно соединенных тиристора 5 дроссел  3 и конденсатора 6, параллельно которому подключен узел перезар да 8. Последовательно соединенные ключевой элемент 7 и индуктивный элемент k подключены между концом сглаживающего дроссел  2 и обкладкой конденсатора 6 со стороны разр дного тиристора 5. На первой ступени зар да аккумул торной батареи 9 посто нным током повышенной плотности ключевой элемент 7 находитс  во включенном положении и работает только выпр митель 1. Величина зар дного тока определ етс  формулой Ae-tl Ud.COSdL+ a U-.-Sin(nu,t + Vn)- DiTlin где Ra сопротивление зар дной цепи , угол включени  тиристоров выпр мител , напр жение холостого хода выпр мител , амплитуда высшей гармоники пор дка. m - пульсность схемы выпр мител , )- углова  частота первой ( высшей) гармоники в выпр  ленном напр жении, Vf - фазовый сдвиг гармоник, S - коэффициент сглаживани  фильтра выпр мител , ЕЛК , ЭДС полностью разр женной - friin„ ,аккумул торной батареи, - посто нна  времени изменени  ЭДС батареи в процессе зар да. Зар дный ток содержит посто нную составл ющую, осуществл ющую зар д аккумул торной батареи, определ ему разностью среднего значени  выпр мленного напр жени  и ЭДС аккумул торной батареи ( -A6„, и переменную составл ющую выпр млен ного напр жени  с учетом сглаживающего действи  фильтра, идущую на нагрев аккумул торной батареи (nu),), S n NI+m hitc lA Максимальный угол включени  тири hopOB oL составл ет эл.град. и складываетс  из минимального угла включени  1 5 ° определ емого возможност ми САР), запаса на колебани  питающей сети (в пределах ±5), запаса на колебани  напр жени  на клеммах аккумул торной батареи в процессе зар да (19р315 В дл  свинцово-кислотной аккумул торной батареи с номинальным на пр жением в 2308), запаса на электрические потери в зар дной цепи и возможные подрегулировки. А величина высших гармоник в выпр мленном напр жении существенно возрастает с увеличением угла включени  тиристоров выпр мител  и, например, дл  трехфазной мостовой схемы составл ет 20-30 от Udo. Поскольку величина среднего значени  зар дного тока определ етс  разностью среднего значени  выпр мленного напр жени  и ЭДС аккумул то ной батареи, а величина переменной составл ющей зар дного тока - тольк переменной составл ющей выпр мленного напр жени , относительна  величина переменной составл ющей в зар дном токе может достигать 50-100% даже с учетом сглаживающего эффекта дроссел  2, поэтому больша  переменна  составл юща  в зар дном токе ведет к повышенным тепловыделени м в аккумул торной батарее 9 снижению допустимой плотности зар дного тока, ив конечном, счете, к с-ижению эффективности процесса зар да. Поскольку определ ющей в нагреве  вл етс  перва  (высша ) гармоника зар дного тока, определ ема  пульсностью выпр мител  (т 6) дл  трехфазной мостовой схемы выпр мител ), то именно из услови  резонанса на эту гармонику определ ют добавочную индуктивность дроссел  , UJ - Ci В этом случае резонансна  LC-цепочка , подключенна  через дополни- тельный ключевой элемент 7 параллельно выходным зажимам системы зар да, образует с дросселем 2 сложный Г-образный LC-фильтр, шунтирующий первую гармонику зар дного тока ) и имеющий коэффициент сглаживани  в несколько раз выше коэффицицента сглаживани  одного сглаживающего дроссел . Соответственно снижаетс  и переменна  составл юща  тока в цепи аккумул торной батареи и нагрев последней , что позвол ет соответствен|но подн ть допустимую плотность зар дного тока и сократить врем  первой ступени зар да аккумул торной б.атареи . При достижении батареей 9 требуемого уровн  зар женности ключевой элемент 7 отключаетс . Поскольку при работе разр дного конденсатора 6 на первой ступени зар да в качестве емкостного элемента LC-фильтра выпр мител  он зар дилс  до уровн  напр жени  аккумул торной батареи 9, перед началом формировани  депол ризирующих импульсов тока производ т разр д его до нулевого напр жени  или перезар д его до противоположной пол рности (см.фиг.1) с помощью узла перезар да 8. После этого конденсатор 6, а соответственно , и весь узел разр да 5,3, 6 и S оказываютс  готовыми дл  осуществлени  второй ступени дозар 7 да аккумул торной батареи 9 с подачей кратковременных разр дных депол ризирующих импульсов тока. Таким образом, повышение эффективности процесса зар да свинцовокислотной аккумул торной батареи током повышенной плотности достигаетс  путем использовани  разр дного конденсатора 6 в качестве емкостного элемента сглаживающего фильтра совместно с дополнительной индуктивностью 4, подключаемых к концу сглаживающего дроссел  2 через дополнительный ключевой элемент 7 Введение дополн ительньгх ключевого и индуктивного элементов 7 и k создает контур короткого замыкани  дл  п -и гармони :и в зар дном токе. Это позвол ет в несколько раз снизить переменную составл ющую зар дного тока и нагр аккумул торной батареи либо подн т допустимую плотность зар дного ток и сократить общее врем  зар да аккумул торной батареи. Возможны .различные модификации системы зар да. При установке сглаживак5щего дроссел  2 в анодной цепи вентилей выпр мител  1 образуетс  загра тельный дл  п-й гармоники фильтрпробка режекторного типа с добавоч ной индуктивностью Цд ь Такой фильтр образует контур с нул вой проводимостью дл  и -и гармо ки зар дного тока (фиг.2 а). В качестве добавочной индуктивности можно использовать индукти ность либо разр дного, либо переза р дного дросселей (см. фмг. 25 ив Таким образом, установка просто го ключевого элемента, (например, контактора) рассчитанного примерно на 0,1 величины зар дного ет вопрос и с повышением эффективности процесса зар да и с эффективностью использовани  батареи разр дных конденсаторов, что очень важно дл . мощных зар дных ус.тройств. Формула изобретени  1.Система зар да аккумул торной батареи, содержаща  зар дный .выпр митель на тиристорах со сглаживающим дросселем на выходе и тиристорнодроссельно-конденсаторный узел разр да с цепью перезар да конденсатора , выполненной в виде вспомогательного выпр мител  с дросселем, отличающа с  тем, что, с целью повышени  эффективности процесса.зар да , между концом сглаживающего . дроссел  и обкладкой конденсатора со стороны разр дного тиристора подключена дополнительна  цепочка, состо ща  из последовательно соединенных ключевого и индуктивного элементов . 2.Систему по п,1, отличающа  с   тем, что, в качестве индуктивного элемента использованы дроссели разр дной или перезар дной цепи. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Зорохович А.Е. и др. Устройства дл  зар да и разр да аккумул торных батарей. М., Энерги , 1975, с. 203.
2. 2.Филатов В.Н. Устройства зар да, аккумул торных батарей асимметричным током. - НТС Электротехническа  промышленность, сери  Преобразовательнач техника. М. Информэлектро, 1978, вып. .8 (103), с. 12-15.
3. 3.Авторское свидетельство СССР № , кл. Н 02 J 7/10, 1973 (прототип). .