Автоматическое зарядное устройство (азу)

 

АЗУ относится к электротехнике, а именно к заряду накопителей электрической энергии (НЭЭ), например аккумуляторов и конденсаторов. От аналогов АЗУ отличается тем, что заряд ведется в импульсном режиме с плавающей составляющей зарядного тока, автоматизация достигается зарядным напряжением, лежащим в пределах между номинальным и напряжением допустимо разряженного НЭЭ, токи вторичных полуобмоток трансформатора не равны друг другу, импульсный заряд, его индикация, включение-выключение АЗУ осуществляются бесконтактным ключом (БК), состоящим из тиристора, анод - управляющий электрод которого шунтирован светодиодом-катодом к управляющему электроду. Техническим результатом является снижение начального тока, уменьшение габаритов. Охлаждение БК и диодов двухполупериодного неуправляемого выпрямителя осуществляется монтажом полупроводниковых приборов на кожухе трансформатора на максимальном расстоянии друг от друга. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к обслуживанию вторичных элементов, и может быть использовано для заряда накопителей электрической энергии /НЭЭ/, связанных зависимостью: количество заряда, накопленного на элементе, обратно пропорционально его внутреннему сопротивлению, например аккумуляторов и конденсаторов.

Известно устройство импульсного заряда аккумуляторов при постоянном напряжении, основанное на работе звукового тестера-пробника, при постоянном замыкании-размыкании контактов которого осуществляется постоянный импульсный заряд и слуховой контроль за его протеканием [1].

Однако в устройстве используется схема, содержащая звуковой тестер-пробник, имеющий механические контакты, которые в процессе работы изнашиваются, при значительном токе могут подгорать и слипаться, что в итоге снижает надежность устройства. Кроме того работа устройства создает радиопомехи.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для заряда аккумуляторов пульсирующим током [2]. Для этого используются статические преобразователи электроэнергии /СПЭЭ/, схемы выпрямления которых выполнены на тиристорах. Кроме того, в общей схеме используются: блок формирования импульсов, блок вспомогательных тиристоров, генератор высокой частоты. Устройства, содержащие большое количество элементов, конструктивно сложные и, как следствие, ненадежные.

СПЭЭ, как и большинство АЗУ, в отличие от предлагаемого изобретения, выполнены по общему принципу и содержат чувствительный элемент, воспринимающий напряжение источника постоянного напряжения /обычно это делитель напряжения/, элемент сравнения, в котором напряжение источника постоянного напряжения сравнивается с эталонной величиной/ обычно это напряжение стабилизации стабилитрона/, и регулирующий орган, изменяющий зарядные характеристики, если напряжение источника постоянного напряжения отличается от эталонной величины. Но так как электродвижущая сила /ЭДС/ разряженного аккумулятора, имеющего электролит высокой плотности, будет больше ЭДС заряженного аккумулятора с более слабым раствором, поэтому о степени заряда аккумулятора с неизвестной начальной плотностью раствора руководствоваться измерением ЭДС без подключенной нагрузки нельзя.

В отличие от этого предлагаемое изобретение предусматривает в роли эталонной величины не напряжение, а ток.

Кроме того задачей предлагаемого изобретения является: - повышение надежности АЗУ за счет упрощения конструкции; - увеличение срока службы НЭЭ за счет повышения эффективности их заряда; - автоматизация режима заряда при минимуме элементов схемы; - введение основного импульсного режима заряда, способствующего более качественному протеканию электрохимических процессов в НЭЭ; - введение дополнительного импульсного режима заряда для более глубокого восстановления активной массы пластин; - частичное снижение тока в начальный период заряда и уменьшение влияния колебаний напряжения в сети на зарядный ток, уменьшение габаритов АЗУ, эффективное охлаждение полупроводниковых приборов и индикация процесса заряда за счет комбинированного использования элементов.

Поставленная задача: - повышения надежности АЗУ, за счет упрощения конструкции, решается схемным решением, содержащим малое количество элементов; - увеличения срока службы НЭЭ, за счет повышения эффективности их заряда, решается зарядом в импульсном режиме с плавучей составляющей зарядного тока, зависящей от состояния НЭЭ, колебания сетевого напряжения и характеристик питающего трансформатора АЗУ; - автоматизации режима заряда при минимуме элементов схемы решается снижением зарядного напряжения до величины, меньшей, чем номинальное напряжение заряжаемого НЭЭ, но большей, чем напряжение допустимо разряженного НЭЭ для того, чтобы значение сетевого напряжения служило ограничителем максимального зарядного напряжения НЭЭ;
- введение основного импульсного режима заряда, способствующего более качественному протеканию электрохимических процессов в НЭЭ, решается тем, что величины зарядного тока вторичных полуобмоток питающего трансформатора не равны друг другу;
- введение дополнительного импульсного режима заряда для более глубокого восстановления активной массы пластин решается посредством бесконтактного ключа /БК/, включенного в разрыв любого провода, ведущего к клеммам НЭЭ от выпрямителя, при соблюдении соответствующей полярности, и состоящего из тиристора и светодиода, служащего индикатором процесса заряда, включенного в цепь анод-управляющий электрод тиристора;
- частичного снижения тока в начальный период заряда и уменьшение влияния колебаний напряжения в сети на зарядный ток решается за счет использования в роли ограничительного сопротивления кожуха трансформатора;
- уменьшения габаритов АЗУ, эффективного охлаждения полупроводниковых приборов решается посредством закрепления диодов двухполупериодного неуправляемого выпрямителя и тиристора БК на кожухе питающего трансформатора на максимальном расстоянии друг от друга;
- индикация процесса заряда решается использованием БК в роли устройства, обеспечивающего индикацию подключенной нагрузки.

Общедоступность элементной базы, техническая сущность и достигаемый результат обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "промышленная применимость".

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна".

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и явным образом не следует из уровня техники, и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень".

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема АЗУ.

АЗУ содержит выходные клеммы 1 и 2 для подключения аккумулятора 3, питающий трансформатор 4, вторичная обмотка которого со средней точкой соединена с двухполупериодным неуправляемым выпрямителем из диодов 5 и 6, аноды которых через вторичную обмотку трансформатора и ее среднюю точку подключены к выходной клемме отрицательной полярности, а катоды, соединенные вместе с анодом БК посредством кожуха питающего трансформатора 4, через катод БК - к клемме положительной полярности аккумулятора.

БК состоит из тиристора 7, в цепь анод - управляющий электрод которого включен светодиод 8 катодом к управляющему электроду.

АЗУ работает следующим образом.

В начале процесса зарядки напряжение на аккумуляторе 3 мало, тиристор 7 открывается током через светодиод 8. Обеспечивается выполнение условия:
I_у=U_пит/R≥I_у.от,
где R=R₁+R₂,
I_у - ток управляющего электрода,
U_пит - напряжение анодного питания,
R₁ - сопротивление светодиода,
R₂ - сопротивление аккумулятора,
I_у.от - отпирающий ток управления.

После открывания прибора напряжение на аноде снижается, все напряжение источника питания практически оказывается приложенным к аккумулятору и в цепи управляющего электрода начинают протекать незначительный ток, равный
I_у=U_ос/R₂,
где U_ос - падение напряжения на тиристоре, обусловленное током в открытом состоянии.

Свечение светодиода 8 указывает на протекание через него тока управляющего электрода I_у тиристора. Мерцание светодиода 8 указывает на включение и выключение тиристора при прохождении полуволн питающего напряжения, причем чем больше разница значений тока вторичных полуобмоток питающего трансформатора 4 с подключенным к ним двухполупериодным неуправляемым выпрямителем, тем мерцание более заметно. Эта разница значений тока создает основной импульсный режим заряда и способствует более качественному протеканию электрохимических процессов в аккумуляторе 3.

Аккумулятор 3 заряжается так же, как конденсатор, ток зарядки I_пр конденсатора C через резистор R от источника постоянного напряжения U_пит уменьшается в процессе зарядки по экспоненте

где t - время заряда.

К концу заряда ток зарядки I_пр через тиристор 7 снижаются и становится ниже уровня тока удержания I_уд, при этом сопротивление светодиода возрастает до такого значения, при котором выполняется условие
I_у<I
и тиристор 7 выключается.

Дифференциальное сопротивление светодиода 8 может быть от 40 Ом при токе 1 МА до 4-6 Ом при токе 10 МА, при этом каждому значению сопротивления соответствует своя яркость свечения светодиода.

После некоторого разряда аккумулятора 3 напряжение на нем уменьшается, соотношения
I_пр<I,
I_у<I
нарушаются в сторону
I_пр>I_уд,
I_у>I_у.от
и тиристор вновь включается.

Процесс повторяется с миганием светодиода.

Происходит циклирование аккумулятора импульсным током, разным по своей величине в каждом импульсе и зависящим от состояния аккумулятора и скачков сетевого напряжения, подводимого к питающему трансформатору. Это период дополнительного импульсного режима заряда, предназначенного для более глубокого восстановления активной массы пластин аккумулятора.

Для снижения значения тока в начальный период заряда и уменьшения влияния колебаний напряжения в сети на зарядный ток в электрическую цепь введено ограничительное сопротивление малого значения 9. В роли этого сопротивления выступает кожух трансформатора 4, на котором смонтированы максимально удаленные друг от друга диоды неуправляемого выпрямителя и тиристор БК. Кожух трансформатора выступает и как радиатор полупроводниковых приборов.

В конкретном случае реализации АЗУ содержало питающий трансформатор 4 марки ТН-61-220/50-К, четыре вторичные обмотки которого, соединенные последовательно, выдавали напряжение 22,6 В переменного напряжения, причем две последовательно соединенные обмотки давали 9,2 А, две другие, соединенные последовательно, 7 А. К общей вторичной обмотке питающего трансформатора 4 был подключен двухполупериодный неуправляемый выпрямитель на диодах 5 и 6 типа Д 214. Тиристор 7 - симистор марки ТС 112-16-6 и диоды 5 и 6 крепились на кожухе трансформатора 4 на максимальном удалении друг от друга. В цепь анод-управляющий электрод тиристора 7 был включен светодиод 8 марки АЛ 307 БМ, причем своим катодом к управляющему электроду. Производился заряд аккумуляторных батарей, как кислотных, так и щелочных, разных марок, емкостей и степени заряженности номинальным напряжением 12 В. Для всех аккумуляторных батарей заряд осуществлялся одинаково. При включении АЗУ идет резкое снижение зарядного тока до величины 1/7-1/15 номинальной емкости аккумулятора. Затем некоторая стабилизация зарядного тока в дальнейшее снижение до величины 0,5 - 0,7 А, при котором БК переходит в пульсирующий режим, далее ток снижается до величины подпитывающего 0 - 0,15 А. В процессе заряда, при наступлении газовыделения, ее интенсивность снижается, а при работе БК газовыделение практически исчезает совсем.

Как показали испытания, для быстрого заряда аккумуляторов лучше использовать ночное время, когда сетевое напряжение поднимается до 240 - 250 В, а затем днем снижается до номинального значения, при котором БК, при заряженном аккумуляторе, выключается.

Сетевое напряжение выступает в роли ограничителя максимального зарядного напряжения.

АЗУ может быть небольшие габариты и минимум деталей при 100%-ном заряде аккумулятора. Использование импульсного режима с плавающей составляющей зарядного тока позволяет полноценнее использовать активную массу пластин и увеличить срок их службы.

Таким образом, при минимуме схемных элементов решается поставленная задача по обслуживанию вторичных элементов, в частности заряда накопителей электрической энергии, связанных зависимостью количества заряда, накопленного на элементе, обратно пропорционально его внутреннему сопротивлению, например аккумуляторов и конденсаторов.

Библиографические данные
1. Патент РФ N 2012978, кл. H 02 J 7/00, 1994 г.

2. Атаманенко С. А., Швалев Е.Б. Диагностика и способы продления срока службы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. - Л.: О-во "Знание" РСФСР, ЛО, ЛД НТП, 1990. - 16 с., ил.

Формула изобретения

Автоматическое зарядное устройство для заряда накопителей электрической энергии (НЭЭ), на которых количество накопленного заряда обратно пропорционально внутреннему сопротивлению, содержащее выходные клеммы для подключения НЭЭ, питающий трансформатор, вторичная обмотка которого соединена с двухполупериодным неуправляемым выпрямителем, отличающееся тем, что зарядное напряжение меньше, чем номинальное напряжение заряжаемого НЭЭ, но больше, чем напряжение допустимо разряженного НЭЭ, величины зарядного тока вторичных полуобмоток питающего трансформатора не равны друг другу, введен бескотактный ключ, состоящий из тиристора и светодиода, включенного в цепь анод-управляющий электрод тиристора катодом к управляющему электроду, а аноды диодов двухполупериодного неуправляемого выпрямителя через вторичную обмотку питающего трансформатора и ее среднюю точку подключены к выходной клемме для подключения НЭЭ отрицательной полярности, а их катоды, соединенные с анодом бесконтактного ключа посредством кожуха питающего трансформатора, через катод бесконтактного ключа подключены к выходной клемме для подключения НЭЭ положительной полярности, в роли ограничительного сопротивления и радиатора полупроводниковых приборов используется кожух трансформатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1

QZ4A - Регистрация изменений (дополнений) лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Тарасов Юрий Владимирович

Вид лицензии*: ИЛ

Лицензиат(ы): Муниципальное предприятие "Горэлектросеть"

Характер внесенных изменений (дополнений):
Досрочное расторжение

Дата и номер государственной регистрации договора, в который внесены изменения:
26.10.2004 № 20294

Извещение опубликовано: 27.08.2006        БИ: 24/2006

* ИЛ - исключительная лицензия НИЛ - неисключительная лицензия