Способ рекуперации электрической энергии и устройство для его осуществления

Изобретение относится к средствам электропитания потребителей, использующих аккумуляторы, и может быть применено для электроснабжения различных автономных объектов. Технический результат заключается в увеличении длительности разряда аккумулятора в автономных установках и упрощении конструкции. Способ заключается в рекуперации электрической энергии в импульсной установке с питанием от аккумулятора и осуществляется преобразованием импульсов тока из аккумулятора в магнитную энергию, затем последнюю преобразуют в электрическую энергию, которую возвращают в аккумулятор. Для этого в установке возбуждают вынужденные электромагнитные колебания с частотой, кратной частоте импульсов тока заданной скважности. Импульсная установка для реализации способа содержит индуктивный и ёмкостной накопители электрической энергии, активную нагрузку, аккумулятор и управляемый ключ, соединённые в схему, при этом содержит цепь из последовательно соединенных индуктивного накопителя и аккумулятора, параллельно которой подключен ёмкостной накопитель, параллельно которым подключен ключ, при этом активная нагрузка введена последовательно с ключом, или последовательно в цепь индуктивного накопителя с аккумулятором, или последовательно с ёмкостным накопителем. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам электропитания потребителей, использующих аккумуляторы и может быть применено для электроснабжения различных автономных объектов.

Известен источник питания, содержащий электрохимический источник тока, ключевой элемент с блоком управления и индуктивный накопитель энергии с индуктивностью L, отличающийся тем, что электрохимический источник тока зашунтирован конденсатором емкостью С_ш, в качестве электрохимического источника тока взят источник тока с водным раствором электролита, газодиффузионным катодом и эквивалентным внутренним сопротивлением R, определяемым выражением R=(0,09÷0,14)(L/C_ш)^0,5, при этом соотношение емкостей электрохимического источника тока и шунтирующего конденсатора определяется выражением С_ист=(50÷100)С_ш, а соотношение емкости шунтирующего конденсатора и индуктивности накопителя энергии определяется выражением LC_ш=(2/π)²/Т², где Т - время накопления энергии в индуктивном накопителе.

Известен способ его эксплуатации, заключающийся в периодическом подключении и отключении электрохимического источника тока с напряжением разомкнутой цепи U и током короткого замыкания I к индуктивному накопительному элементу посредством ключевого элемента, отличающийся тем, что контролируют напряжение и ток нагрузки и при достижении значения тока величины (0,1÷0,2)I отключают электрохимический источник тока от индуктивного накопительного элемента, а при достижении напряжения на электрохимическом источнике тока величины (0,6÷0,8)U вновь подключают электрохимический источник тока к индуктивному накопительному элементу [патент RU2302060].

Недостатком известного способа и устройства на его основе является то, что при каждом размыкании ключевого элемента, энергия экстратока размыкания, возникающего в индуктивном накопителе, не возвращается обратно в аккумулятор.

Известен способ генерации энергии в индуктивном накопителе энергии и ее вывода в нагрузку, согласно которому через последовательно включенные индуктивный накопитель энергии, первичный источник питания и коммутатор электрической цепи пропускают ток накачки индуктивного накопителя энергии и после достижения током накачки заданного значения размыкают общую цепь коммутатором, а энергию импульса экстратока размыкания выводят в нагрузку, отличающийся тем, что для увеличения отношения энергии импульса экстратока размыкания к энергии тока накачки первичным источником питания выполняют электрическую цепь, содержащую активное сопротивление и индуктивность накопителя с такими значениями номиналов, при которых длительность импульса тока накачки меньше постоянной времени индуктивного накопителя на заданную величину [патент RU2558693].

В известном способе генерации энергии в индуктивном накопителе также, как и в приведённом выше аналоге, отсутствует возможность её рекуперации в аккумулятор.

Известен способ заряда аккумуляторов асимметричным током от источника переменного тока с синусоидальной формой напряжения, при котором формируют постоянную составляющую зарядного тока в виде однополярных импульсов на частоте источника или двухкратной ей за счет выпрямления напряжения упомянутого источника, переменную составляющую тока путем поддержания вынужденных колебаний зарядно-разрядного тока аккумуляторов с одновременным ограничением его величины, при этом в тактах ограничения величины импульсов зарядного тока получают зарядную электромагнитную энергию, которую и используют для создания вынужденных колебаний зарядно-разрядного тока, а асимметричный ток получают суммированием постоянной и переменной составляющих одинаковой частоты непосредственно в цепи заряда аккумуляторов, отличающийся тем, что трансформируют часть упомянутой зарядной электромагнитной энергии и используют полученную энергию для поддержания вынужденных колебаний.

Известна система заряда аккумуляторной батареи асимметричным током, содержащая положительный и отрицательный выходные выводы для подключения заряжаемой аккумуляторной батареи, два входных вывода для соединения с выводами источника электрической энергии переменного тока, выпрямитель переменного тока, например, управляемый мостовой, отрицательная выходная клемма которого соединена с отрицательным выходным выводом, а также зарядно-разрядные двухобмоточный дроссель-трансформатор и конденсатор, одна обкладка которого подключена к положительному выходному выводу непосредственно, а другая через одну обмотку зарядно-разрядного дросселя-трансформатора к отрицательному выходному выводу, отличающаяся тем, что другая обмотка зарядно-разрядного дросселя-трансформатора включена между положительным выходным выводом системы и положительной выходной клеммой выпрямителя, при этом упомянутые обмотки соединены через зарядно-разрядный конденсатор последовательно-встречно [ патент RU2091953].

Недостатками изобретения по патенту RU2091953 является то, что потребитель привязан к источнику переменного тока, кроме того, ему требуются выпрямитель и трансформатор.

Известен способ рекуперации электрической энергии в импульсных установках, заключающийся в преобразовании магнитной энергии электрического тока, полученной в результате преобразования энергии заряженного емкостного накопителя в магнитную энергию электрического тока, в энергию емкостного накопителя, отличающийся тем, что в течение одного цикла работы импульсной установки преобразование энергии емкостного накопителя в магнитную энергию электрического тока и наоборот производится дважды, причем на первом этапе энергия емкостного накопителя преобразуется в магнитную энергию тока в активно-индуктивной нагрузке с последующей рекуперацией энергии в емкостный накопитель, на втором этапе энергия емкостного накопителя преобразуется в магнитную энергию тока в катушке индуктивности с последующей рекуперацией энергии в емкостный накопитель.

Известно устройство, реализующее указанный способ, содержащее подключаемый к зарядному устройству емкостный накопитель энергии, параллельно которому подключены последовательно соединенные активно-индуктивная нагрузка и первый ключ, отличающееся тем, что в него введена цепь из последовательно соединенных катушки индуктивности и второго ключа, которая подключена параллельно емкостному накопителю энергии, при этом первый вывод емкостного накопителя энергии, первый вывод активно-индуктивной нагрузки и первый вывод катушки индуктивности соединены между собой и подключаются к положительному выводу зарядного устройства, второй вывод активно-индуктивной нагрузки подключен к аноду первого ключа, второй вывод катушки индуктивности подключен к катоду второго ключа, второй вывод емкостного накопителя энергии, катод первого ключа и анод второго ключа соединены между собой и подключаются к отрицательному выводу зарядного устройства [патент RU2351064].

Наиболее близким аналогом предлагаемому изобретению является патент RU2351064.

У него можно указать следующие недостатки:

во-первых, известный способ предусматривает однополярные импульсы тока в катушках индуктивности. В мощных установках применяют катушки с ферромагнитными сердечниками. Под действием однополярных импульсов тока, сердечник всегда намагничивается, что приводит к снижению эффективности установки. С этой проблемой, в частности, борются посредством введения немагнитного зазора в сердечнике, но расплачиваться приходится увеличением массы катушки с сердечником;

во-вторых, схема в известном патенте усложнена элементами, в том числе - за счет введения второй индуктивности, а это дополнительное увеличение массы. Например, в летательных аппаратах с электроприводом конструкторы борются за каждый грамм снижения массы;

в-третьих, в известном патенте рекуперация осуществляется лишь между двумя цепями с индуктивными накопителями и одним емкостным накопителем, аккумулятор только расходует энергию на заряд накопителей.

В предлагаемом изобретении устранены перечисленные недостатки.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение длительности разряда аккумулятора в автономных установках и упрощение конструкции.

Предлагаемое изобретение обеспечивает технический результат, заключающийся в использовании рекуперации энергии за счёт части реактивной энергии, которую генерирует индуктивный накопитель и которую преобразуют сначала в электрическую энергию ёмкостного накопителя, а уже из него - возвращают в аккумулятор, в целом, повышая эффективность автономной установки.

Технический результат достигается в предлагаемом способе рекуперации электрической энергии в импульсной установке с питанием от аккумулятора, при котором преобразуют энергию импульсов тока из аккумулятора в реактивную энергию индуктивного накопителя, которую затем преобразуют в электрическую энергию ёмкостного накопителя, из которого её возвращают в аккумулятор, при этом циклической подачей питания из аккумулятора в импульсную установку, в ней возбуждают вынужденные электромагнитные колебания с частотой, кратной частоте импульсов тока из аккумулятора, причем длительность подключения аккумулятора осуществляют с продолжительностью не более четверти периода вынужденных электромагнитных колебаний, которую задают величиной скважности импульсов тока из аккумулятора ключом, при этом ёмкость ёмкостного накопителя выбирают такой величины, чтобы в каждом упомянутом цикле амплитуда напряжения на нём превышала напряжение аккумулятора.

При этом циклическую подачу питания из аккумулятора в импульсную установку задают равной или близкой к резонансной частоте электромагнитных колебаний в импульсной установке.

В этом случае получают наибольший эффект от рекуперации.

При этом устройство импульсной установки для осуществления способа, содержит индуктивный и ёмкостной накопители электрической энергии, активную нагрузку, аккумулятор и управляемый ключ, соединённые в схему, при этом управляемый ключ предназначен для выдачи в схему импульсов тока из аккумулятора заданной длительности и частоты, причем устройство содержит цепь из последовательно соединенных индуктивного накопителя и аккумулятора, параллельно которой подключен ёмкостной накопитель, параллельно которым подключен управляемый ключ, при этом активная нагрузка введена последовательно с ключом или последовательно в цепь индуктивного накопителя с аккумулятором, или последовательно с ёмкостным накопителем.

При этом в качестве ёмкостного накопителя используется конденсатор, а в качестве индуктивного накопителя используется дроссель или обмотка электродвигателя.

При этом последовательно с аккумулятором введен второй ключ, предназначенный для размыкания при длительном простое устройства.

В данном устройстве, если оно длительно не эксплуатируется, размыкание второго ключа позволяет уменьшить утечку энергии аккумулятора через изоляцию монтажа.

Изобретение поясняется фигурами 1 – 3. На фиг. 1 изображена электрическая схема импульсной установки. На фиг. 2 изображена схема измерений электрических сигналов в импульсной установке двухканальным осциллографом. На фиг. 3 изображены синхронизированные между собой графики электрических сигналов.

Введены следующие обозначения. Ак - аккумулятор, L - индуктивный накопитель, С - ёмкостной накопитель, R - активная нагрузка, R_И - измерительный резистор, К1 - управляемый ключ, К2 - ключ, предназначенный для выключения установки. Поз. 1 обозначен двухканальный осциллограф. Треугольными стрелками показаны направления токов: I_П - из аккумулятора, I_З - в аккумулятор. Фигурными стрелками показаны точки подключения щупов осциллографа в схеме импульсной установки. На графиках, фиг.3 обозначены: Х - горизонтальная ось развёртки осциллографа, её вертикальное положение соответствует нулевому значению ординат; U_К1 - график напряжения на клеммах ключа К1; I_П - ток из аккумулятора; I_З - ток в аккумулятор; Т - период частоты замыканий ключа К1; t - длительность замкнутого состояния ключа К1.

На фиг. 1 представлен основной вариант схемы импульсной установки. Она выполнена в виде трёх параллельных цепей: первая цепь состоит из последовательно соединённых аккумулятора Ак , индуктивного накопителя L и ключа К2; второй цепью является ёмкостной накопитель С ; третья цепь состоит из последовательно соединённых активной нагрузки R и управляемого ключа К1. Схема управления ключа К1 условно не показана. Активная нагрузка R может быть, в том числе, включена последовательно с ёмкостным накопителем С или последовательно с индуктивным накопителем L, возможна и одновременная комбинация включенных нагрузок.

Работает импульсная установка следующим образом. В исходном положении ключ К1 разомкнут, ключ К2 замкнут и остается в таком положении в течение всего времени работы установки. В результате, ёмкостной накопитель С заряжен до величины напряжения, равного напряжению на клеммах аккумулятора Ак. Включают управляемый ключ К1, который начинает циклически, с заданными периодом Т и скважностью замыкаться. В данном случае длительность замкнутого состояния равна t. В течение этого времени ток I_П с плюсовой клеммы аккумулятора Ак , через индуктивный накопитель L , нагрузку R , замкнутые контакты ключа К1, замкнутый ключ К2 поступает на минусовую клемму аккумулятора. В индуктивном накопителе L энергия W тока I_П преобразуется в магнитную энергию:

W = L * (I_П)²/2. (1)

В момент размыкания ключа К1, индуктивный накопитель L генерирует ЭДС которая значительно превышает напряжение аккумулятора Ак. Длительность размыкания является внутренним свойством ключа. У современных полупроводниковых ключей она в тысячи раз меньше длительности периода рабочего диапазона частоты. Так как цепь с ключом К1 разомкнута, то ток I_П вынужден течь через ёмкостной накопитель С , заряжая его и, соответственно, уменьшаясь по величине. Для изменяющегося тока ёмкость С становится проводящей. На фиг.3 заряд ёмкостного накопителя заканчивается в момент пересечения графика тока I_П с осью Х. Чтобы ёмкостной накопитель С стал разряжаться на аккумулятор Ак, напряжение на нём должно превышать напряжение аккумулятора. Для выполнения этого условия, выбирают необходимую величину электрической ёмкости накопителя из выражения:

Uc = √[(2W + C *U²)/С] > U, (2)

где Uc - напряжение заряженной ёмкости, W – энергия индуктивного накопителя, С - электрическая ёмкость ёмкостного накопителя, U - напряжение аккумулятора.

На фиг. 2 показана схема измерения рабочих параметров экспериментальной импульсной установки. Использованы следующие значения элементов: напряжение аккумулятора U = 107 вольт, индуктивность L = 1,57 генри, ёмкость С = 1 мкф, сопротивление Rи = 0,1 ом,

активная мощность потребляемая нагрузкой R равна 30 Вт, частота замыканий ключа К1 равна 4000 гц , скважность равна 5. Результат измерений показывает, что 85% энергии затраченного тока возвращается в аккумулятор. Экспериментальные графики изменения тока и напряжения показаны на фиг. 3.

1. Способ рекуперации электрической энергии в импульсной установке с питанием от аккумулятора, при котором преобразуют энергию импульсов тока из аккумулятора в реактивную энергию индуктивного накопителя, которую затем преобразуют в электрическую энергию ёмкостного накопителя, из которого её возвращают в аккумулятор, отличающийся тем, что циклической подачей питания из аккумулятора в импульсную установку в ней возбуждают вынужденные электромагнитные колебания с частотой, кратной частоте импульсов тока из аккумулятора, причем длительность импульсов тока из аккумулятора создают не более четверти периода вынужденных электромагнитных колебаний, которую задают величиной скважности импульсов ключом, при этом ёмкость ёмкостного накопителя выбирают такой величины, чтобы в каждом упомянутом цикле амплитуда напряжения на нём превышала напряжение аккумулятора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоту импульсов тока из аккумулятора задают равной или близкой к резонансной частоте электромагнитных колебаний в импульсной установке.

3. Устройство импульсной установки для осуществления способа по п. 1, содержащее индуктивный и ёмкостной накопители электрической энергии, активную нагрузку, аккумулятор и управляемый ключ, соединённые в схему, при этом ключ предназначен для выдачи в схему импульсов тока из аккумулятора заданной длительности и частоты, отличающееся тем, что содержит цепь из последовательно соединенных индуктивного накопителя и аккумулятора, параллельно которой подключен ёмкостной накопитель, параллельно которым подключен ключ, при этом активная нагрузка введена последовательно с ключом, или последовательно в цепь индуктивного накопителя с аккумулятором, или последовательно с ёмкостным накопителем.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в качестве ёмкостного накопителя используется конденсатор, а в качестве индуктивного накопителя используется дроссель или обмотка электродвигателя.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что последовательно с аккумулятором введён второй ключ, предназначенный для размыкания при длительном простое устройства.