Зарядно-разрядный береговой комплекс для корабельных аккумуляторных батарей с электропитанием от высоковольтной сети
Использование: в области электротехники для автоматического заряда-разряда аккумуляторных батарей на различных объектах (подвижных и стационарных) промышленного и военного назначения. Технический результат заключается в достижении экономии электроэнергии в процессе многократных циклов заряда-разряда аккумуляторной батареи большой емкости. В предлагаемом зарядно-разрядном комплексе с так называемой «двенадцатипульсной схемой выпрямления» реализовано использование высоковольтных сетей переменного тока с частотой 50 Гц и напряжением 6 или 10 кВ для электропитания реверсивным регулируемым постоянным током корабельных аккумуляторных батарей, а также предусмотрена возможность возврата химической энергии, накопленной в аккумуляторной батарее, в высоковольтную сеть переменного тока. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области электротехники и в частности к системам, использующим полупроводниковые преобразователи напряжения для питания корабельных аккумуляторных батарей большой емкости регулируемым реверсивным постоянным током при проведении формовочных циклов заряда-разряда от высоковольтных сетей переменного тока с частотой 50 Гц и напряжением 6 или 10 кВ. Изобретение может быть использовано для автоматического заряда-разряда аккумуляторных батарей на различных объектах (подвижных и стационарных) промышленного и военного назначения.
Известен зарядно-разрядный преобразователь («Зарядно-разрядный преобразователь ЗРП-150/50», http://www.blesk-nvf.ru/ZRP150-50.html), поставляемый Обществом с ограниченной ответственностью «Элмашпром», Россия, г.Нижний Новгород (http://www.promspravka.com/catalog/D/DL/31/1/10/5/50/130/auto/2/zaryadka 440. html), представляющий собой трехфазный тиристорный реверсивный преобразователь, предназначенный для заряда, тренировочного заряда, формования в режиме оптимального заряда-разряда до десяти 12-вольтовых и до пяти 24-вольтовых аккумуляторных батареек одновременно. В режиме разряда энергия, вырабатываемая аккумуляторными батареями, инвертируется в питающую сеть 3~50 Гц, 380/220 В. Недостатком данного зарядно-разрядного преобразователя является то, что в нем переключение режимов работы преобразователя (заряд, тренировочный заряд, формование аккумуляторных батарей в режиме заряда-разряда) производится вручную.
Известны зарядно-разрядные устройства («Агрегат выпрямительный ВАЗП-260/100-80/50М с микропроцессорной системой управления», http://www.elvpr.ru/preobraztechnic/zaryadpusk/VAZP_MPSAU.php, «Выпрямитель В-ТПЕ-500/200-250», http://www.elvpr.ru/preobraztechnic/zaryadpusk/V-TPE-500(200)-250.php и «Устройства зарядные автоматические серии УЗА», http://www.elvpr.ru/preobraztechnic/zaryadpusk/uza.php), серийно выпускаемые ОАО «Электровыпрямитель», Мордовия, г.Саранск (http://www.elvpr.ru/). Общими недостатками данных устройств является относительно небольшая емкость аккумуляторных батарей, для электропитания которых они предназначены, и возможность их работы только от низковольтной сети трехфазного переменного тока с частотой 50 Гц, напряжением 380 В.
Наиболее близким по исполнению аналогом, принятым в качестве прототипа предлагаемого изобретения, является «Реверсивный преобразователь напряжения для передачи электроэнергии между сетями переменного и постоянного тока» (Патент РФ на изобретение №2343615, МПК 2006: H02J 9/06, патентообладатель: Закрытое акционерное общество «ИРИС»).
Данный реверсивный преобразователь напряжения для передачи электроэнергии между сетями переменного и постоянного тока включает первую и вторую группы потребителей напряжения постоянного тока, соединенные последовательно сеть напряжения переменного тока с группой потребителей напряжения переменного тока, первый датчик тока, первый фильтр, первый инвертор-выпрямитель, второй фильтр, второй инвертор-выпрямитель, трансформатор, третий инвертор-выпрямитель, блок защиты, третий фильтр, второй датчик тока, сеть напряжения постоянного тока с аккумуляторной батареей; первый и второй датчики напряжения, аналого-цифровой преобразователь, первый, второй и третий блоки драйверов силовых ключей, источник бесперебойного питания с аккумуляторной батареей, микроконтроллер с оперативным запоминающим устройством, модуль дискретного ввода-вывода, часы реального времени, энергонезависимое запоминающее устройство, адаптер информационной шины, шину информационного обмена, внешнюю систему управления, панель индикации и управления. К первому входу аналого-цифрового преобразователя подключен информационный выход первого датчика тока, ко второму входу через первый датчик напряжения подключен вход-выход сети напряжения переменного тока с группой потребителей напряжения переменного тока, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к первому входу микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством, ко второму входу микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством подключены часы реального времени, к третьему входу подключено энергонезависимое запоминающее устройство, к первому входу-выходу микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством через модуль дискретного ввода-вывода подключена панель индикации и управления, ко второму входу-выходу через адаптер информационной шины и шину информационного обмена подключена внешняя система управления, первый выход микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством через первый блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу первого инвертора-выпрямителя, первая группа потребителей напряжения постоянного тока подключена к выходу второго фильтра, вторая группа потребителей напряжения постоянного тока подключена к выходу сети напряжения постоянного тока с аккумуляторной батареей, к третьему входу аналого-цифрового преобразователя подключен информационный выход второго датчика тока, к четвертому входу через второй датчик напряжения подключен вход-выход сети напряжения постоянного тока с аккумуляторной батареей, второй выход микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством через второй блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу второго инвертора-выпрямителя, третий выход через третий блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу третьего инвертора-выпрямителя, выход сети напряжения переменного тока с группой потребителей напряжения переменного тока подключен к входу источника бесперебойного питания с аккумуляторной батареей, выход источника бесперебойного питания с аккумуляторной батареей подключен к соответствующим входам электропитания микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством аналого-цифрового преобразователя, первого, второго и третьего блока драйверов силовых ключей, модуля дискретного ввода-вывода, панели индикации и управления и адаптера информационной шины.
Недостатками реверсивного преобразователя напряжения по прототипу является следующее:
- использование тройного преобразования (с помощью первого, второго и третьего инвертора-выпрямителя) напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока и обратно;
- отсутствие возможности контроля температурного режима основных силовых элементов преобразователя (силовых ключей, входящих в состав инверторов-выпрямителей);
- отсутствие световой и звуковой сигнализации о состоянии преобразователя;
- возможность работы только от низковольтной сети трехфазного переменного тока с частотой 50 Гц, напряжением 380 В.
Целью изобретения является достижение максимально возможной экономии электроэнергии, потребляемой в процессе заряда аккумуляторных батарей большой емкости, и, связанное с этим, решение комплекса задач:
- обеспечение возможности использования (вместо низковольтной сети трехфазного переменного тока с частотой 50 Гц напряжением 380 В) для непосредственного питания зарядно-разрядного комплекса высоковольтных сетей переменного тока с частотой 50 Гц напряжением 6 или 10 кВ, позволяющей значительно уменьшить потери в оборудовании электропитающей сети (понижающий трансформатор, коммутационная аппаратура, линии электропередачи и подводящие кабели) при значительных токах нагрузки, которые потребляются при заряде аккумуляторных батарей большой емкости;
- обеспечение экономии электроэнергии в высоковольтной сети напряжением 6 или 10 кВ переменного тока (восполнение электроэнергии для питания потребителей, подключенных к этой сети переменного тока) за счет рекуперации химической энергии, накопленной в аккумуляторной батарее, при выполнении многократных циклов заряда-разряда аккумуляторной батареи вместо ее безвозвратной потери на тепловое рассеяние в нагрузочном устройстве;
- обеспечение экономии электроэнергии за счет реализации в зарядно-разрядном комплексе эффективной схемы выпрямления с высоким значением КПД;
- обеспечение эффективного нормального и ускоренного заряда, тренировочного заряда, формования в режиме автоматического заряд-разряда пластин аккумуляторной батареи за счет реализации в зарядно-разрядном комплексе эффективной схемы выпрямления с низким уровнем пульсации;
- обеспечение возможности автоматического переключения режимов работы зарядно-разрядного комплекса по заданной программе или дистанционно с помощью внешней системы управления;
- обеспечение возможности автоматического контроля температурного режима основных силовых элементов преобразователя;
- обеспечение световой и звуковой сигнализации о состоянии сетей электропитания и режимах работы зарядно-разрядного комплекса.
Поставленная цель достигается тем, что в зарядно-разрядный береговой комплекс для корабельных аккумуляторных батарей с электропитанием от высоковольтной сети, содержащий соединенные последовательно сеть переменного тока 3~50 Гц напряжением 380 В, третий выпрямитель, четвертый фильтр, первый инвертор, трансформатор, второй выпрямитель, третий датчик тока и сеть постоянного тока напряжением 175…320 В с аккумуляторной батареей; четвертый микроконтроллер со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины, к первому входу которого подключен информационный выход третьего датчика тока, ко второму - через седьмой датчик напряжения выход третьего датчика тока, к четвертому - через восьмой датчик напряжения выход сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 380 В; выход четвертого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины через третий блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу первого инвертора; шину информационного обмена, к первому входу-выходу которой подключен вход-выход внешней системы управления, к третьему - вход-выход четвертого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины; первый и второй блок драйверов силовых ключей, второй и третий фильтр, и первый датчик тока, введены ЭВМ, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и девятый датчик напряжения, пульт местного контроля и управления, первое, второе, третье, четвертое и пятое релейное устройство, блок управления насосом, насос системы жидкостного охлаждения, блок звуковой сигнализации, сеть переменного тока 3~50 Гц напряжением 6 кВ и 10 кВ, переключатель сети 6/10 кВ, первый, второй, третий и четвертый автоматический выключатель, переключатель треугольник/звезда первичной обмотки высоковольтного трансформатора, первичная обмотка высоковольтного трансформатора, первая вторичная обмотка высоковольтного трансформатора, соединенная в звезду, первый, второй и третий дроссель, нагрузочное устройство, переключатель нагрузки, первый, пятый и шестой фильтр, панель дистанционной световой сигнализации, схема управления вентиляторами, блок вентиляторов, вторая вторичная обмотка высоковольтного трансформатора, соединенная в треугольник, первый, второй, третий, четвертый и пятый датчик температуры радиаторов силовых ключей, первый, второй, третий и пятый микроконтроллер со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины, первый и четвертый выпрямитель, блок силовых IGВТ-ключей, второй, четвертый и пятый датчик тока, второй инвертор; первый выход ЭВМ подключен через схему управления вентиляторами к входу блока вентиляторов, второй - к входу панели дистанционной световой сигнализации, третий - через первое релейное устройство к управляющему входу первого автоматического выключателя, четвертый - через блок управления насосом к насосу системы жидкостного охлаждения, пятый - к блоку звуковой сигнализации, шестой - через второе релейное устройство к управляющему входу второго автоматического выключателя, седьмой - через третье релейное устройство к управляющему входу переключателя нагрузки, восьмой - через четвертое релейное устройство к управляющему входу третьего автоматического выключателя, девятый - через пятое релейное устройство к управляющему входу четвертого автоматического выключателя; к первому входу ЭВМ подключен через первый датчик напряжения выход сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 10 кВ, ко второму - через второй датчик напряжения выход сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 6 кВ, к третьему - информационный выход первого автоматического выключателя, к четвертому - информационный выход второго автоматического выключателя, к пятому - информационный выход переключателя нагрузки, к шестому - информационный выход третьего автоматического выключателя, к седьмому - информационный выход четвертого автоматического выключателя; первый вход-выход ЭВМ подключен к входу-выходу пульта местного контроля и управления, второй - ко второму входу-выходу шины информационного обмена; к четвертому входу-выходу шины информационного обмена подключен вход-выход пятого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины, к пятому - вход-выход третьего микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины, к шестому - вход-выход первого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины, к седьмому - вход-выход второго микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины; к первому входу-выходу переключателя сети 6/10 кВ подключен вход-выход сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 6 кВ, ко второму - вход-выход сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 10 кВ; переключатель сети 6/10 кВ, первый автоматический выключатель, переключатель треугольник/звезда первичной обмотки высоковольтного трансформатора и первичная обмотка высоковольтного трансформатора соединены последовательно; первый выход первичной обмотки высоковольтного трансформатора через последовательно соединенные первую вторичную обмотку высоковольтного трансформатора, второй автоматический выключатель и первый дроссель подключен к входу первого выпрямителя, второй - через последовательно соединенные вторую вторичную обмотку высоковольтного трансформатора, третий автоматический выключатель и второй дроссель подключен к входу четвертого выпрямителя; к входу первичной обмотки высоковольтного трансформатора через последовательно соединенные первую вторичную обмотку высоковольтного трансформатора, переключатель нагрузки, первый фильтр, четвертый датчик тока, второй инвертор и пятый фильтр подключен выход блока силовых IGBT-ключей; второй выход переключателя нагрузки подключен к входу нагрузочного устройства; в разрыв между третьим датчиком тока и сетью постоянного тока напряжением 175…320 В с аккумуляторной батареей включены последовательно соединенные третий дроссель, второй фильтр, первый датчик тока, блок силовых IGBT-ключей, третий фильтр, четвертый автоматический выключатель и второй датчик тока; второй выход третьего дросселя через последовательно соединенные шестой фильтр и пятый датчик тока подключен ко второму входу блока силовых IGBT-ключей; выход первого выпрямителя подключен к входу второго фильтра; выход четвертого выпрямителя подключен к входу шестого фильтра; к первому входу первого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины подключен первый датчик температуры радиаторов силовых ключей, ко второму - через третий датчик напряжения выход первого датчика тока, к третьему - информационный выход первого датчика тока; к первому входу второго микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины подключен второй датчик температуры радиаторов силовых ключей, ко второму - через четвертый датчик напряжения выход второго датчика тока, к третьему - информационный выход второго датчика тока, выход второго микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины через первый блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу блока силовых IGВТ-ключей; к первому входу третьего микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины подключен третий датчик температуры радиаторов силовых ключей, ко второму - через шестой датчик напряжения выход пятого фильтра, к третьему - через пятый датчик напряжения выход четвертого датчика тока, к четвертому - информационный выход четвертого датчика тока, выход третьего микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины через второй блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу второго инвертора; к третьему входу четвертого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины подключен четвертый датчик температуры радиаторов силовых ключей; к первому входу пятого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины подключен пятый датчик температуры радиаторов силовых ключей, ко второму - информационный выход пятого датчика тока, к третьему - через девятый датчик напряжения выход пятого датчика тока.
Шина информационного обмена может быть выполнена на базе интерфейсов RS-485, CAN, MIL-STD1553B, Ethernet.
Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом зарядно-разрядном комплексе с эффективной, так называемой, «двенадцатипульсной схемой выпрямления» реализовано использование высоковольтных сетей переменного тока с частотой 50 Гц и напряжением 6 или 10 кВ для электропитания реверсивным регулируемым постоянным током корабельных аккумуляторных батарей, а также предусмотрена возможность возврата химической энергии (в режиме разряда аккумуляторной батареи), накопленной в аккумуляторной батарее, в высоковольтную сеть переменного тока, что обеспечивает максимально возможную экономию электроэнергии, потребляемой в процессе многократных циклов заряда-разряда аккумуляторной батареи большой емкости.
Согласно чертежу зарядно-разрядный береговой комплекс для корабельных аккумуляторных батарей с электропитанием от высоковольтной сети включает ЭВМ 1, первый 2, второй 3, третий 38, четвертый 41, пятый 52, шестой 55, седьмой 72, восьмой 74 и девятый 77 датчик напряжения, пульт местного контроля и управления 4, первое 5, второе 9, третье 23, четвертое 26 и пятое 35 релейное устройство, блок управления насосом 6, насос системы жидкостного охлаждения 7, блок звуковой сигнализации 8, сеть переменного тока 3~50 Гц напряжением 6 кВ 10 и 10 кВ 18, переключатель сети 6/10 кВ 11, первый 12, второй 16, третий 28 и четвертый 49 автоматический выключатель, переключатель треугольник/звезда первичной обмотки высоковольтного трансформатора 13, первичная обмотка высоковольтного трансформатора 14, первая вторичная обмотка высоковольтного трансформатора, соединенная в звезду 15, первый 17, второй 29 и третий 56 дроссель, нагрузочное устройство 19, переключатель нагрузки 20, первый 21, второй 45, третий 48, четвертый 61, пятый 66 и шестой 70 фильтр, панель дистанционной световой сигнализации 22, схема управления вентиляторами 24, блок вентиляторов 25, вторая вторичная обмотка высоковольтного трансформатора, соединенная в треугольник 27, внешняя система управления 33, шина информационного обмена 34, первый 36, второй 42, третий 43, четвертый 68 и пятый 75 датчик температуры радиаторов силовых ключей, первый 37, второй 40, третий 53, четвертый 73 и пятый 76 микроконтроллер со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины, первый 39, второй 54 и третий 67 блок драйверов силовых ключей, первый 44, второй 58, третий 62 и четвертый 64 выпрямитель, первый 46, второй 50, третий 57, четвертый 64 и пятый 71 датчик тока, блок силовых IGBT-ключей 47, сеть постоянного тока напряжением 175…320 В с аккумуляторной батареей 51, трансформатор 59, первый 60 и второй 65 инвертор, сеть переменного тока 3~50 Гц напряжением 380 В 63.
Сеть переменного тока 3~50 Гц напряжением 380 В 63, третий выпрямитель 62, четвертый фильтр 61, первый инвертор 60, трансформатор 59, второй выпрямитель 58, третий датчик тока 57, третий дроссель 56, второй фильтр 45, первый датчик тока 46, блок силовых IGВТ-ключей 47, третий фильтр 48, четвертый автоматический выключатель 49, второй датчик тока 50 и сеть постоянного тока напряжением 175…320 В с аккумуляторной батареей 51 соединены последовательно.
Первый выход ЭВМ 1 подключен через схему управления вентиляторами 24 к входу блока вентиляторов 25, второй - к входу панели дистанционной световой сигнализации 22, третий - через первое релейное устройство 5 к управляющему входу первого автоматического выключателя 12, четвертый - через блок управления насосом 6 к насосу системы жидкостного охлаждения 7, пятый - к блоку звуковой сигнализации 8, шестой - через второе релейное устройство 9 к управляющему входу второго автоматического выключателя 16, седьмой - через третье релейное устройство 23 к управляющему входу переключателя нагрузки 20, восьмой - через четвертое релейное устройство 26 к управляющему входу третьего автоматического выключателя 28, девятый - через пятое релейное устройство 35 к управляющему входу четвертого автоматического выключателя 49; к первому входу ЭВМ 1 подключен через первый датчик напряжения 2 выход сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 10 кВ 18, ко второму - через второй датчик напряжения 3 выход сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 6 кВ 10, к третьему - информационный выход первого автоматического выключателя 12, к четвертому - информационный выход второго автоматического выключателя 16, к пятому - информационный выход переключателя нагрузки 20, к шестому - информационный выход третьего автоматического выключателя 28, к седьмому - информационный выход четвертого автоматического выключателя 49; первый вход-выход ЭВМ 1 подключен к входу-выходу пульта местного контроля и управления 4, второй - ко второму входу-выходу шины информационного обмена 34; к первому входу-выходу шины информационного обмена 34 подключен вход-выход внешней системы управления 33, к третьему - вход-выход четвертого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины 73; к четвертому - вход-выход пятого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины 76, к пятому - вход-выход третьего микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины 53, к шестому - вход-выход первого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины 37, к седьмому - вход-выход второго микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины 40.
К первому входу-выходу переключателя сети 6/10 кВ 11 подключен вход-выход сети переменного тока 3-50 Гц напряжением 6 кВ 10, ко второму - вход-выход сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 10 кВ 18; переключатель сети 6/10 кВ 11, первый автоматический выключатель 12, переключатель треугольник/звезда первичной обмотки высоковольтного трансформатора 13 и первичная обмотка высоковольтного трансформатора 14 соединены последовательно; первый выход первичной обмотки высоковольтного трансформатора 14 через последовательно соединенные первую вторичную обмотку высоковольтного трансформатора 15, второй автоматический выключатель 16 и первый дроссель 17 подключен к входу первого выпрямителя 44, второй - через последовательно соединенные вторую вторичную обмотку высоковольтного трансформатора 27, третий автоматический выключатель 28 и второй дроссель 29 подключен к входу четвертого выпрямителя 69; к входу первичной обмотки высоковольтного трансформатора 14 через последовательно соединенные первую вторичную обмотку высоковольтного трансформатора 15, переключатель нагрузки 20, первый фильтр 21, четвертый датчик тока 64, второй инвертор 65 и пятый фильтр 66 подключен выход блока силовых IGВТ-ключей 47; второй выход переключателя нагрузки 20 подключен к входу нагрузочного устройства 19; второй выход третьего дросселя 56 через последовательно соединенные шестой фильтр 70 и пятый датчик тока 71 подключен ко второму входу блока силовых IGВТ-ключей 47; выход первого выпрямителя 44 подключен к входу второго фильтра 45; выход четвертого выпрямителя 69 подключен к входу шестого фильтра 70.
К первому входу первого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины 37 подключен первый датчик температуры радиаторов силовых ключей 36, ко второму - через третий датчик напряжения 38 выход первого датчика тока 46, к третьему - информационный выход первого датчика тока 46; к первому входу второго микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины 40 подключен второй датчик температуры радиаторов силовых ключей 42, ко второму - через четвертый датчик напряжения 41 выход второго датчика тока 50, к третьему - информационный выход второго датчика тока 50, выход второго микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины 40 через первый блок драйверов силовых ключей 39 подключен к управляющему входу блока силовых IGВТ-ключей 47; к первому входу третьего микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины 53 подключен третий датчик температуры радиаторов силовых ключей 43, ко второму - через шестой датчик напряжения 55 выход пятого фильтра 66, к третьему - через пятый датчик напряжения 52 выход четвертого датчика тока 64, к четвертому - информационный выход четвертого датчика тока 64, выход третьего микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины 53 через второй блок драйверов силовых ключей 54 подключен к управляющему входу второго инвертора 65; к первому входу четвертого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины 73 подключен информационный выход третьего датчика тока 57, ко второму - через седьмой датчик напряжения 72 выход третьего датчика тока 57, к третьему - четвертый датчик температуры радиаторов силовых ключей 68, к четвертому - через восьмой датчик напряжения 74 выход сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 380 В 63, выход четвертого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины 73 через третий блок драйверов силовых ключей 67 подключен к управляющему входу первого инвертора 60; к первому входу пятого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины 76 подключен пятый датчик температуры радиаторов силовых ключей 75, ко второму - информационный выход пятого датчика тока 71, к третьему - через девятый датчик напряжения 77 выход пятого датчика тока 71.
Предлагаемый зарядно-разрядный комплекс работает следующим образом. Вначале включается ЭВМ 1, первый 37, второй 40, третий 53, четвертый 73 и пятый 76 микроконтроллер и проверяется наличие напряжения в высоковольтных сетях 10, 18 (ЭВМ 1 опрашивает первый 2 и второй 3 датчик напряжения), необходимое исходное состояние коммутационного оборудования зарядно-разрядного комплекса: первый 12, второй 16, третий 28 и четвертый 49 автоматические выключатели должны быть отключены, переключатель нагрузки 20 должен быть подключен к нагрузочному устройству 19 (ЭВМ 1 опрашивает входы 3, 4, 5, 6 и 7), наличие напряжения в сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В 63 (четвертый микроконтроллер 73 определяет с помощью восьмого датчика напряжения 74 наличие напряжения и передает контрольную информацию через шину информационного обмена 34 в ЭВМ 1) и значение напряжения в сети постоянного тока напряжением 175…320 В с аккумуляторной батареей 51 (второй микроконтроллер 40 определяет с помощью четвертого датчика напряжения 41 значение напряжения и передает контрольную информацию через шину информационного обмена 34 в ЭВМ 1).
При наличии в сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В 63 напряжения номинального значения (342…418 В), четвертый микроконтроллер 73 с помощью третьего блока драйверов силовых ключей 67 начинает управление первым инвертором 60, контролируя выходные напряжение и ток канала преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока (третий выпрямитель 62, четвертый фильтр 61, первый инвертор 60, трансформатор 59 и второй выпрямитель 58) с помощью седьмого датчика напряжения 72 и третьего датчика тока 57. Напряжение постоянного тока, формируемое этим каналом преобразования, постепенно повышается и через третий дроссель 56 подается на второй 45 и пятый 70 фильтр, обеспечивая плавный заряд конденсаторов, входящих в состав этих фильтров. Затем ЭВМ 1 с помощью пятого релейного усилителя включает четвертый автоматический выключатель 49, а второй микроконтроллер 40 с помощью первого блока драйверов силовых ключей 39 начинает управление блоком силовых IGВТ-ключей 47, контролируя напряжение и ток зарядки аккумуляторной батареи через сеть постоянного тока напряжением 175…320 В 51 с помощью четвертого датчика напряжения 41 и второго датчика тока 50.
Для перехода в основной режим эксплуатации (заряд аккумуляторной батареи от высоковольтной сети), выбирается высоковольтная питающая сеть, от которой зарядно-разрядный комплекс будет получать электропитание. При использовании сети переменного тока с частотой 50 Гц и напряжением 6 кВ 10 выполняется переключение первичной обмотки высоковольтного трансформатора в переключателе 13 на схему соединения «треугольник», а переключатель сети 6/10 кВ 11 устанавливается на работу от своего первого входа-выхода. При использовании сети переменного тока с частотой 50 Гц и напряжением 10 кВ 18 выполняется переключение первичной обмотки высоковольтного трансформатора в переключателе 13 на схему соединения «звезда», а переключатель сети 6/10 кВ 11 устанавливается на работу от своего второго входа-выхода.
Далее ЭВМ 1 с помощью первого релейного усилителя 5 включает первый автоматический выключатель 12, при этом высоковольтное питающее напряжение поступает на первичную обмотку высоковольтного трансформатора 14. Затем ЭВМ 1 с помощью второго 9 и четвертого 26 релейного усилителя включает второй 16 и третий 28 автоматический выключатель, при этом пониженное напряжение с выхода первой 15 вторичной обмотки высоковольтного трансформатора, соединенной в «звезду», и с выхода второй 27 вторичной обмотки высоковольтного трансформатора, соединенной в «треугольник», через первый 17 и второй 28 дроссель поступает соответственно на первый 44 и четвертый 69 выпрямитель.
Высоковольтный трансформатор с первичной обмоткой 14 и с двумя вторичными обмотками, соединенными в «звезду» 15 и «треугольник» 27, первым 44 и четверым 69 выпрямителем, соответственно через второй 45 и пятый 70 фильтр, объединяются с помощью блока силовых IGВТ-ключей 47 для работы на общую нагрузку (аккумуляторную батарею) образуя, так называемую в технической литературе, «двенадцатипульсную схему выпрямления». «Двенадцатипульсная схема выпрямления» характеризуется тем, что имеет в сравнении с традиционной мостовой трехфазной схемой выпрямления (называемой в технической литературе также «шестипульсной схемой выпрямления») более высокий КПД и значительно меньший уровень пульсации (ориентировочно в 5 раз) выходного напряжения. Управление процессом заряда аккумуляторной батареи от высоковольтной сети 10 или 18 осуществляется вторым микроконтроллером 40 аналогично управлению от сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В 63 (процессы управления отличаются только обеспечиваемыми интервалами значений токов заряда). Одновременно с началом процесса заряда аккумуляторной батареи от высоковольтной сети четвертый микроконтроллер 73 выполняет блокирование работы первого инвертора 60 канала преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока от сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В 63 и передает через шину информационного обмена 34 в ЭВМ 1 сообщение о возможности отключения электропитания зарядно-разрядного комплекса от этой сети. После этого в основном режиме эксплуатации зарядно-разрядный комплекс может получать электропитание только от высоковольтной сети.
Использование для электропитания зарядно-разрядного комплекса помимо высоковольтной сети 10 или 18, сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В 63 обусловлено двумя следующими основными причинами:
- необходимостью предварительного заряда конденсаторов большой емкости, входящих в состав второго 45 и пятого 70 фильтра, для исключения броска тока в первом 44 и втором 69 выпрямителе при заряде этих конденсаторов (имеющих в начальный момент времени практически нулевое сопротивление) и обеспечивающее значительное уменьшение импульсно-коммутационных перенапряжений в начальный период работы мощной «двенадцатипульсной схемы выпрямления» зарядно-разрядного комплекса от высоковольтной сети 10 или 18;
- обеспечение возможности подзаряда малыми токами для уменьшения сульфатации пластин и компенсация процессов саморазряда аккумуляторных батарей большой емкости в режиме хранения.
После заряда аккумуляторной батареи до требуемой емкости происходит переключение зарядно-разрядного комплекса в режим разряда. ЭВМ 1 с помощью второго 9 и четвертого 26 релейного усилителя выключает второй 16 и третий 28 автоматический выключатель, а затем с помощью первого релейного усилителя 5 выключает первый автоматический выключатель 12, отключая высоковольтную сеть от зарядно-разрядного комплекса. Далее ЭВМ 1 дает команду второму 40 и третьему 53 микроконтроллеру на начало работы в режиме разряда аккумуляторной батареи. Второй микроконтроллер 40 через первый блок драйверов силовых ключей 39 начинает управление блоком силовых IGВТ-ключей 47, контролируя напряжение и ток разряда аккумуляторной батареи с помощью четвертого датчика напряжения 41 и второго датчика тока 50. В свою очередь, третий микроконтроллер 53 через второй блок драйверов силовых ключей 54 начинает управление вторым инвертором 65, контролируя напряжение и ток на его выходе с помощью пятого датчика напряжения 52 и четвертого датчика тока 64. Используя шину информационного обмена 34 потребителей высоковольтной сети, координируют свои действия, в результате обеспечивая требуемые параметры процесса разряда аккумуляторной батареи на нагрузочное устройство 19.
При отключении напряжения в одной из высоковольтных сетей 10 или 18 имеется возможность перейти в режим разряда аккумуляторной батареи с использованием высвобождаемой энергии для электропитания потребителей высоковольтной сети, оставшихся без питающего напряжения (режим рекуперации энергии). Для перехода в режим рекуперации энергии ЭВМ 1 опрашивает входы 4 и 6, проверяет, что второй 16 и третий 28 автоматические выключатели отключены, с помощью соответственно первого 5 и пятого 35 релейного усилителя включает первый 12 и четвертый 49 автоматические выключатели, а с помощью третьего релейного усилителя 23 производит отключение переключателя нагрузки 20 от нагрузочного устройства 19 и подключает его ко второму входу первой вторичной обмотки высоковольтного трансформатора 15. Таким образом, рекуперация энергии аккумуляторной батареи будет выполняться по цепи: сеть постоянного тока напряжением 175…320 В 51 - второй датчик тока 50 - четвертый автоматический выключатель 49 - третий фильтр 48 - блок силовых IGВТ-ключей 47 - пятый фильтр 66 - второй инвертор 65 - четвертый датчик тока 64 - первый фильтр 21 - переключатель нагрузки 20 - первая вторичная обмотка высоковольтного трансформатора 15 - первичная обмотка высоковольтного трансформатора 14 - переключатель треугольник/звезда первичной обмотки высоковольтного трансформатора 13 - первый автоматический выключатель 12 - переключатель сети 6/10 кВ 11 - потребителей высоковольтной сети. Управление процессом рекуперации энергии аккумуляторной батареи для потребителей высоковольтной сети осуществляется вторым 40 и третьим 53 микроконтроллером аналогично управлению процессом разряда аккумуляторной батареи на нагрузочное устройство 19.
Для контроля за температурным режимом силовых ключей первого 44 и четвертого 78 выпрямителя, блока силовых IGВТ-ключей 47, первого 60 и второго 65 инвертора предназначены соответственно первый 36, пятый 75, второй 42, четвертый 68 и третий 43 датчики температуры, установленные на радиаторах охлаждения силовых ключей. Первый 37, второй 40, третий 53, четвертый 73 и пятый 76 микроконтроллер, опрашивая соответственно первый 36, второй 42, третий 43, четвертый 68 и пятый 75 датчик температуры радиаторов силовых ключей передают через шину информационного обмена 34 контрольную информацию в ЭВМ 1, которая с помощью схемы управления вентиляторами 24 обеспечивает включение необходимого количества вентиляторов в блоке вентиляторов 25. Для повышения эффективности работы блока вентиляторов 25 в зарядно-разрядном комплексе предусмотрена система жидкостного охлаждения воздуха, вводимая в работу также по команде ЭВМ 1 (блок управления насосом 6 и насос системы жидкостного охлаждения 7). В случае, если даже при работе блока вентиляторов 25 и системы жидкостного охлаждения воздуха на полную мощность температура радиатора, например, силовых ключей первого выпрямителя 44, продолжает приближаться к недопустимому значению, ЭВМ 1 выдает команду второму микроконтроллеру 40 уменьшить с помощью блока силовых IGBT-ключей 47 ток заряда аккумуляторной батареи.
В составе зарядно-разрядного комплекса, для привлечения внимания обслуживающего персонала, предусмотрены блок звуковой сигнализации 8 и панель дистанционной световой сигнализации 22, а для реализации возможности оперативного управления зарядно-разрядным комплексом (без использования терминальных устройств ЭВМ 1) - пульт местного контроля и управления 4.
Для обеспечения возможности дистанционного контроля и управления предусмотрено подключение к зарядно-разрядному комплексу внешней системы управления 33.
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый зарядно-разрядный комплекс может быть изготовлен в соответствии с приведенным описанием и чертежом на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования и использован для автоматического заряда-разряда аккумуляторных батарей на объектах различного назначения.
Предлагаемые технические решения практически реализованы ЗАО «ИРИС» в опытно-поставочном образце, который для удобства перемещения к месту эксплуатации (применения по прямому назначению) конструктивно скомпонован в 40-футовом морском контейнере, называемом «Мобильный зарядно-разрядный комплекс» (поставляется по КИАР.435511.001 ТУ) и предназначенном для автоматического оптимального заряда-разряда корабельных аккумуляторных батарей большой емкости от высоковольтных сетей 6 или 10 кВ переменного тока частотой 50 Гц.
Таким образом, предлагаемый зарядно-разрядный комплекс обладает весьма широкими функциональными возможностями, обеспечивая питание корабельных аккумуляторных батарей большой емкости реверсивным регулируемым постоянным током при проведении формовочных циклов заряда-разряда от высоковольтной сети переменного тока с частотой 50 Гц, напряжением 6 или 10 кВ. При разряде аккумуляторной батареи имеется возможность экономии электроэнергии в высоковольтной сети переменного тока (использования электроэнергии для питания потребителей этой сети) в режиме рекуперации химической энергии, накопленной в аккумуляторной батарее, вместо ее безвозвратной потери на тепловое рассеяние в нагрузочном устройстве. Кроме этого при электропитании только от сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В, зарядно-разрядный комплекс может быть использован для подзаряда малыми токами аккумуляторных батарей большой емкости в режиме хранения.
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый зарядно-разрядный береговой комплекс для корабельных аккумуляторных батарей с электропитанием от высоковольтной сети отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и может быть защищен патентом Российской Федерации на изобретение.
Заявитель: Закрытое Акционерное Общество «Интеллектуальные робастные интегрированные системы (ИРИС)».
1. Зарядно-разрядный береговой комплекс для корабельных аккумуляторных батарей с электропитанием от высоковольтной сети, состоящий из соединенных последовательно сети переменного тока 3-50 Гц напряжением 380 В, третьего выпрямителя, четвертого фильтра, первого инвертора, трансформатора, второго выпрямителя, третьего датчика тока и сети постоянного тока напряжением 175…320 В с аккумуляторной батареей; четвертого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины, к первому входу которого подключен информационный выход третьего датчика тока, ко второму через седьмой датчик напряжения - выход третьего датчика тока, к четвертому через восьмой датчик напряжения - выход сети напряжения переменного тока 3~50 Гц напряжением 380 В, выход четвертого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины через третий блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу первого инвертора; шины информационного обмена, к первому входу-выходу которой подключен вход-выход внешней системы управления, к третьему - вход-выход четвертого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины; первого и второго блоков драйверов силовых ключей, второго и третьего фильтров и первого датчика тока, отличающийся тем, что в него введены ЭВМ, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и девятый датчики напряжения, пульт местного контроля и управления, первое, второе, третье, четвертое и пятое релейные устройства, блок управления насосом, насос системы жидкостного охлаждения, блок звуковой сигнализации, сеть переменного тока 3~50 Гц напряжением 6 и 10 кВ, переключатель сети 6/10 кВ, первый, второй, третий и четвертый автоматические выключатели, переключатель треугольник/звезда первичной обмотки высоковольтного трансформатора, первичная обмотка высоковольтного трансформатора, первая вторичная обмотка высоковольтного трансформатора, соединенная в звезду, первый, второй и третий дроссели, нагрузочное устройство, переключатель нагрузки, первый, пятый и шестой фильтры, панель дистанционной световой сигнализации, схема управления вентиляторами, блок вентиляторов, вторая вторичная обмотка высоковольтного трансформатора, соединенная в треугольник, первый, второй, третий, четвертый и пятый датчики температуры радиаторов силовых ключей, первый, второй, третий и пятый микроконтроллеры со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины, первый и четвертый выпрямители, блок силовых IGВТ-ключей, второй, четвертый и пятый датчики тока, второй инвертор;
первый выход ЭВМ подключен через схему управления вентиляторами к входу блока вентиляторов, второй - к входу панели дистанционной световой сигнализации, третий через первое релейное устройство - к управляющему входу первого автоматического выключателя, четвертый через блок управления насосом - к насосу системы жидкостного охлаждения, пятый - к блоку звуковой сигнализации, шестой через второе релейное устройство - к управляющему входу второго автоматического выключателя, седьмой через третье релейное устройство - к управляющему входу переключателя нагрузки, восьмой через четвертое релейное устройство - к управляющему входу третьего автоматического выключателя, девятый через пятое релейное устройство - к управляющему входу четвертого автоматического выключателя; к первому входу ЭВМ подключен через первый датчик напряжения выход сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 10 кВ, ко второму через второй датчик напряжения - выход сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 6 кВ, к третьему - информационный выход первого автоматического выключателя, к четвертому - информационный выход второго автоматического выключателя, к пятому - информационный выход переключателя нагрузки, к шестому - информационный выход третьего автоматического выключателя, к седьмому - информационный выход четвертого автоматического выключателя; первый вход-выход ЭВМ подключен к входу-выходу пульта местного контроля и управления, второй - ко второму входу-выходу шины информационного обмена; к четвертому входу-выходу шины информационного обмена подключен вход-выход пятого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины, к пятому - вход-выход третьего микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины, к шестому - вход-выход первого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины, к седьмому - вход-выход второго микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины; к первому входу-выходу переключателя сети 6/10 кВ подключен вход-выход сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 6 кВ, ко второму - вход-выход сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 10 кВ; переключатель сети 6/10 кВ, первый автоматический выключатель, переключатель треугольник/звезда первичной обмотки высоковольтного трансформатора и первичная обмотка высоковольтного трансформатора соединены последовательно; первый выход первичной обмотки высоковольтного трансформатора через последовательно соединенные первую вторичную обмотку высоковольтного трансформатора, второй автоматический выключатель и первый дроссель подключен к входу первого выпрямителя, второй через последовательно соединенные вторую вторичную обмотку высоковольтного трансформатора, третий автоматический выключатель и второй дроссель подключен к входу четвертого выпрямителя; к входу первичной обмотки высоковольтного трансформатора через последовательно соединенные первую вторичную обмотку высоковольтного трансформатора, переключатель нагрузки, первый фильтр, четвертый датчик тока, второй инвертор и пятый фильтр подключен выход блока силовых IGВТ-ключей; второй выход переключателя нагрузки подключен к входу нагрузочного устройства; в разрыв между третьим датчиком тока и сетью постоянного тока напряжением 175…320 В с аккумуляторной батареей включены последовательно соединенные третий дроссель, второй фильтр, первый датчик тока, блок силовых IGВТ-ключей, третий фильтр, четвертый автоматический выключатель и второй датчик тока; второй выход третьего дросселя через последовательно соединенные шестой фильтр и пятый датчик тока подключен ко второму входу блока силовых IGВТ-ключей;
выход первого выпрямителя подключен к входу второго фильтра; выход четвертого выпрямителя подключен к входу шестого фильтра; к первому входу первого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины подключен первый датчик температуры радиаторов силовых ключей, ко второму через третий датчик напряжения - выход первого датчика тока, к третьему - информационный выход первого датчика тока; к первому входу второго микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины подключен второй датчик температуры радиаторов силовых ключей, ко второму через четвертый датчик напряжения - выход второго датчика тока, к третьему - информационный выход второго датчика тока, выход второго микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины через первый блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу блока силовых IGВТ-ключей; к первому входу третьего микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины подключен третий датчик температуры радиаторов силовых ключей, ко второму через шестой датчик напряжения - выход пятого фильтра, к третьему через пятый датчик напряжения - выход четвертого датчика тока, к четвертому - информационный выход четвертого датчика тока, выход третьего микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины через второй блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу второго инвертора; к третьему входу четвертого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины подключен четвертый датчик температуры радиаторов силовых ключей; к первому входу пятого микроконтроллера со встроенными аналого-цифровым преобразователем и адаптером информационной шины подключен пятый датчик температуры радиаторов силовых ключей, ко второму - информационный выход пятого датчика тока, к третьему через девятый датчик напряжения - выход пятого датчика тока.
2. Зарядно-разрядный береговой комплекс для корабельных аккумуляторных батарей с электропитанием от высоковольтной сети по п.1, отличающийся тем, что шина информационного обмена выполнена на базе интерфейса RS-485.
3. Зарядно-разрядный береговой комплекс для корабельных аккумуляторных батарей с электропитанием от высоковольтной сети по п.1, отличающийся тем, что шина информационного обмена выполнена на базе интерфейса CAN.
4. Зарядно-разрядный береговой комплекс для корабельных аккумуляторных батарей с электропитанием от высоковольтной сети по п.1, отличающийся тем, что шина информационного обмена выполнена на базе интерфейса MIL-STD 1553 В.
5. Зарядно-разрядный береговой комплекс для корабельных аккумуляторных батарей с электропитанием от высоковольтной сети по п.1, отличающийся тем, что шина информационного обмена выполнена на базе интерфейса Ethernet.
