Преобразователь энергии электрического тока

 

Изобретение может быть использовано для преобразования энергии постоянного тока аккумуляторной батареи в переменный с напряжением 220 В и для заряда аккумуляторной батареи от сети переменного тока. Сущность изобретения: преобразователь содержит аккумуляторную батарею 1, тиристорный преобразователь 2 трансформаторного типа, транзисторные ключи 13, 14 контактно соединенные с дополнительными выводами вторичной обмотки трансформатора 3, аккумуляторной батареей и выходами компараторов 11, 12, несимметричный фильтр 24, соединенный с усилителем 25 постоянного тока, схемой 20 выделения максимального сигнала и делителем 21, соединенным, в свою очередь, с сумматорами 18, 19, генератор 28 опорного треугольного напряжения, контактно соединенный с одним из тиристоров. Преобразователь оборудован вилкой 34 и розеткой 35 цепи переменного тока, контактно соединенными с выводами первичной обмотки трансформатора 3. Преобразователь позволяет обеспечить жесткий рабочий участок внешней характеристики напряжения в режиме преобразования энергии постоянного тока в переменный, а также стабильное заданное значение зарядного тока батареи в режиме зарядного устройства. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках питания для преобразования энергии переменного тока в постоянный, используемый для заряда аккумуляторных батарей, и для преобразования энергии постоянного тока аккумуляторной батареи в переменный ток с напряжением 220 В.

Известны преобразоатели энергии электрического тока [1,2] трансформаторного типа, преобразующие энергию постоянного тока в переменный.

Недостатком известных преобразователей является ограниченная область использования.

В качестве прототипа выбрано устройство для заряда аккумуляторной батареи [3], содержащее аккумуляторную батарею, тиристорный выпрямитель в виде трансформатора и двух тиристорных ключей, датчик и задатчик тока, два усилителя-формирователя, усилитель постоянного тока и генератор пилообразного напряжения.

Недостатком прототипа является ограничение области его использования, а именно использование только для заряда аккумуляторной батареи.

Целью изобретения является расширение функционального использования преобразователя электрической энергии. Предлагаемый преобразователь обеспечивает как преобразование энергии постоянного тока аккумуляторной батареи в переменный ток с напряжением 220 В, так и заряд аккумуляторной батареи от источника переменного тока.

Для решения поставленной задачи предлагаемый преобразователь, содержащий аккумуляторную батарею, минусовой вывод которой соединен с первым входным контактом датчика тока, тиристорный выпрямитель в виде первого и второго тиристорных ключей, аноды которых соединены с выводами вторичной обмотки трансформатора, а управляющие входы - с выходами усилителей-формирователей, задатчик тока, усилитель постоянного тока и генератор треугольного напряжения, дополнительно оборудован вилкой и розеткой источника переменного напряжения, связанными через контактные переключатели с выводами первичной обмотки трансформатора, двумя транзисторными ключами, базовые выводы которых соединены с выходами компараторов, входы которых связаны с выходами сумматоров, первые входы которых соединены с выходом схемы выделения максимального сигнала, вторые входы связаны с выходом делителя, а третьи входы соединены с выходом генератора треугольного напряжения, вход которого посредством контактного переключателя соединен с анодом первого тиристорного ключа, а также несимметричным фильтром, выход которого соединен с входом делителя и первым входом схемы выделения максимального сигнала, второй вход которой посредством контактного переключателя связан с источником начального напряжения, а вход несимметричного фильтра соединен с выходом усилителя постоянного тока, первый вход которого посредством контактного переключателя соединен с выходом датчика тока, а второй вход через контактный переключатель связан с задатчиком тока, при этом входы усилителей-формирователей связаны посредством контактных переключателей с выходами компараторов, дополнительные выводы вторичной обмотки трансформатора соединены через контактные переключатели с коллекторными выводами транзисторных ключей, катоды тиристорных ключей и эмиттеры транзисторных ключей связаны с плюсовым выводом аккумуляторной батареи, а второй входной контакт датчика тока присоединен к выводу вторичной обмотки трансформатора.

Схема преобразования обладает следующими достоинствами. Наличие сигнала U_о, поступающего с источника начального напряжения, обеспечивает на всех режимах паузу между импульсами, достаточную для восстановления запирающих свойств транзисторных ключей. Делитель создает возможность компенсировать внутреннее падение напряжения преобразователя и иметь жесткий рабочий участок внешней характеристики. Весьма важные преимущества обеспечивает применение несимметричного фильтра. Этот фильтр позволяет иметь достаточно гладкое напряжение управления U_у, что необходимо для нормального сравнения на входе компараторов с опорным треугольным напряжением без потери быстродействия в направлении нарастания тока. Кроме того, ограничение тока за счет уменьшения ширины импульсов осуществляется с помощью несимметричного фильтра в функции амплитуды импульсов тока, что существенно повышает качество токоограничения и позволяет избежать перегрузки даже при коротком замыкании на розетке. Обычный симметричный фильтр с постоянной времени, достаточной для приемлемого сглаживания сигнала, не позволяет обеспечить эффективное токоограничение в статике (регулирование осуществляется в функции средней величины тока) и в динамике (появляется заметное запаздывание в канале регулирования ширины импульсов).

На фиг.1 представлена схема преобразователя энергии электрического тока; на фиг. 2 показан график формирования управляющих импульсов.

Преобразователь содержит аккумуляторную батарею 1, тиристорный выпрямитель 2 в виде трансформатора 3 и соединенных с выводами его вторичной обмотки тиристорных ключей 4,5. Управляющие входы последних связаны с выходами усилителей-формирователей 6,7, входы которых посредством контактных переключателей 8,9 переключателя 10 режимов присоединены к выходам компараторов 11, 12, соединенных также с базовыми выводами транзисторных ключей 13, 14. Эмиттеры последних соединены с плюсовым выводом аккумуляторной батареи 1, а коллекторные выводы через контакты 15, 16 присоединены к дополнительным выводам вторичной обмотки трансформатора 3, соединенной также вторым входным контактом датчика 17 тока, первый входной контакт которого связан с минусовым выводом аккумуляторной батареи 1. Входы компараторов 11, 12 связаны с выходами сумматоров 18,19, первые входы которых соединены с выходом схемы 20 выделения максимального сигнала, вторые входы - с выходом генератора 22 опорного треугольного напряжения, вход которого через контактный переключатель 23 соединен с анодом первого тиристорного ключа 4. Вход делителя 21 и первый вход схемы 20 выделения максимального сигнала соединены с выходом несимметричного фильтра 24, вход которого соединен с выходом усилителя 25 постоянного тока, первый вход которого через контактный переключатель 26 связан с задатчиком 27 тока, а второй вход через контакты 28, 29 - с выходом датчика 17 тока. Второй вход схемы 20 выделения максимального сигнала посредством переключения 30 связан с источником 31 начального напряжения. Выводы первичной обмотки трансформатора 3 через контактные переключатели 32, 33 связаны с вилкой 34 и розеткой 35 сети переменного тока с напряжением 220 В.

В режиме преобразования энергии переменного тока в постоянный (режим зарядного устройства) преобразователь работает следующим образом.

Вилка 34 включается в сеть 220 В 50 Гц, и это напряжение через контакты 32 и 33 переключателя 10 режимов подается на первичную обмотку трансформатора 3. На выводах вторичной обмотки последнего появляется пониженное напряжение, которое через тиристорные ключи 4 и 5 прикладывается к аккумуляторной батарее 1 и обеспечивает протекание зарядного тока. Тиристорные ключи 4, 5 открываются в момент подачи импульсов с выходов компараторов 11, 12 через контакты 8 и 9 и усилители-формирователи 6, 7. Моменты формирования импульсов на выходах компараторов 11,12 определяются моментами сравнения управляющего напряжения U₁ с выхода схемы 20 выделения максимального сигнала и треугольного опорного напряжения U_оп с выхода генератора 22 треугольного напряжения на входах сумматоров 18, 19. При этом треугольное напряжение на выходе генератора 22 синхронизировано с сетью благодаря соединению входа генератора 22 с анодом первого тиристорного ключа 4 через контакт 23 переключателя 10 режимов. Контакт 30 в режиме зарядного устройства разомкнут, и начальное напряжение U_о с выхода источника 31 на второй вход схемы 20 выделения максимального сигнала не подается, благодаря чему схема 20 на выходе повторяет входной сигнал, поступающий с выхода несимметричного фильтра 24. Тот же, но уменьшенный сигнал U₂ дополнительно поступает на входы сумматоров 18, 19 через делитель 21, что несколько уменьшает общее управляющее воздействие U_у, но не меняет способа формирования импульсов на выходах компараторов 11, 12. На вход усилителя 25 постоянного тока подаются задающий сигнал U₃ с выхода задатчика 27 через контакт 26 и сигнал обратной связи по току с датчика 17 тока через контакты 28,29. На выходе усилителя 25 формируется разность задающего сигнала U₃ и сигнала отрицательной обратной связи по току. Поскольку зарядный ток имеет пульсирующий, прерывистый характер, выходное напряжение усилителя 25 имеет большую переменную составляющую и непосредственно на вход схемы 20 подаваться не может, а подается сначала на вход несимметричного фильтра 24. Последний представляет собой емкость с зарядной цепью, содержащей диод и резистор малой величины, и с высокоомной разрядной цепью. В этом случае постоянная времени заряда существенно меньше постоянной времени разряда, причем несимметричный фильтр включен таким образом, что на нарастание тока он имеет малую постоянную времени, а на спадание - большую. Благодаря указанным свойствам несимметричный фильтр позволят получать на своем выходе практически гладкий сигнал при сохранении высокого быстродействия на нарастание тока и осуществлять обратную связь по амплитуде зарядного тока. Отрицательная обратная связь по току позволяет поддерживать стабильным заданное значение зарядного тока независимо от степени заряженности аккумуляторной батареи и уровня напряжения в сети.

В режиме преобразования энергии постоянного тока в переменный (режим преобразователя) преобразователь работает следующим образом.

На выходе генератора 22 треугольного напряжения формируется треугольное опорное напряжение U_оп (фиг.2) с частотой, близкой к 50 Гц. На входах сумматоров 18, 19 это напряжение сравнивается с напряжением управления U_у, представляющим собой разность напряжения U₁ с выхода схемы 20 выделения максимального сигнала и напряжения U₂ с выхода делителя 21: U_у = U₁ - U₂ .

В моменты времени I и II сравнения треугольного опорного напряжения U_оп и напряжения U_у управления происходит переключение компаратора 11 и формирование прямоугольного импульса на его выходе. В моменты времени III и IV происходит переключение компаратора 12 и формирование аналогичного импульса на его выходе. Импульсы с выходов компараторов 11, 12 подаются на управляющие (базовые) входы транзисторных ключей 13, 14 и определяют длительность открытого состояния этих ключей τ_имп и время t_п паузы. Транзисторные ключи 13, 14 в рассматриваемом режиме своими коллекторами через контакты 16, 15 переключателя 10 режимов соединены с выводами вторичной обмотки трансформатора 3 и, поочередно открываясь, прикладывают напряжение аккумуляторной батареи 1 к этой обмотке. На зажимах первичной обмотки трансформатора 3 при этом возникает переменное напряжение 220 В прямоугольной формы, которое через контакты 32 и 33 подается на розетку 35, к которой могут подключаться электропотребители, рассчитанные на напряжение 220 В мощностью до 250 Вт. Ток аккумуляторной батареи 1 и соответственно выходной сигнал датчика 17 тока в этом режиме представляют собой импульсы шириной τ_имп с паузой t_п. Сигнал датчика 17 тока через контакты 28, 29, служащие для согласования полярности сигнала, подается на вход усилителя 25 постоянного тока, а увеличенный сигнал с выхода усилителя 25 - на вход несимметричного фильтра 24. Последний, как показано выше, преобразует импульсный сигнал с выхода усилителя 25 в гладкий сигнал, приблизительно равный амплитуде исходного импульсного сигнала. Этот гладкий сигнал подается на вход делителя 21 и первый вход схемы 20 выделения максимального сигнала. На второй вход схемы 20 подается начальное напряжение U_о от источника 31 через контакт 30, переключателя 10 режимов. Нарастание тока в нагрузке приводит к увеличению гладкого сигнала на выходе несимметричного фильтра 24, но до тех пор, пока это напряжение меньше начального напряжения U_о, выходное напряжение U₁ схемы 20 выделения максимального сигнала остается постоянным и равным U_о. Сигнал на выходе делителя 21 при этом увеличивается, а сигнал U_у = U₁ - U₂ соответственно уменьшается. Уменьшение сигнала U_у приводит к некоторому увеличению ширинры импульсов τ_имп и уменьшению времени паузы t_п. Действие сигнала U₂ с выхода делителя 21 позволяет компенсировать внутреннее падение напряжения в преобразователе и обеспечить высокую жесткость рабочего участка внешней характеристики. При дальнейшем нарастании тока нагрузки напряжение выхода несимметричного фильтра 24 превышает начальное напряжение U_о. Начиная с этого момента, напряжение U₁ выхода схемы 20 выделения максимального сигнала становится равным напряжению выхода несимметричного фильтра и увеличивается вместе с ним. Увеличивается напряжение управления U_у = U₁ - U₂, уменьшается ширина импульсов τ_имп и возрастает время паузы t_п. Выходное напряжение преобразователя быстро уменьшается. Таким образом, при превышении напряжением выхода несимметричного фильтра 24 величины U_о осуществляется эффективное токоограничение.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, содержащий аккумуляторную батарею, минусовой вывод которой соединен с первым входным контактом датчика тока, тиристорный выпрямитель в виде первого и второго тиристорных ключей, аноды которых соединены с выводами вторичной обмотки трансформатора, а управляющие входы - с выходами усилителей-формирователей, задатчик тока, усилитель постоянного тока и генератор треугольного напряжения, отличающийся тем, что, с целью расширения функционального использования, он дополнительно оборудован вилкой и розеткой источника переменного напряжения, связанными через соответствующие контактные переключатели с выходами первичной обмотки трансформатора, двумя транзисторными ключами, коллекторные выводы которых связаны посредством соответствующих контактных переключателей с дополнительными выводами вторичной обмотки трансформатора, а базовые выводы соединены с выходами компараторов, входы которых соединены с выходами сумматоров, первые входы которых связаны с выходом делителя, вторые входы - с выходом генератора треугольного напряжения, вход которого посредством соответствующего контактного переключателя связан с анодом первого тиристорного ключа, а третьи входы сумматоров соединены с выходом схемы выделения максимального сигнала, первый вход которого через соответствующий контактный переключатель связан с источником начального напряжения, а второй вход и вход делителя - с выходом несимметричного фильтра, вход которого связан с выходом усилителя постоянного тока, первый вход которого посредством соответствующего контактного переключателя соединен с выходом датчика тока, а второй вход через соответствующий контактный переключатель - с задатчиком тока, при этом входы усилителей-формирователей посредством соответствующих контактных переключателей соединены с выходами компараторов, катоды тиристорных ключей и эмиттеры транзисторных ключей соединены с плюсовым выводом аккумуляторной батареи, а второй входной контакт датчика тока присоединен к выводу вторичной обмотки трансформатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2