МОБИЛЬНЫЙ ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ КОРАБЕЛЬНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Изобретение относится к области электротехники и, в частности, к системам, использующим дизель-электрические генераторы и полупроводниковые преобразователи напряжения для проведения формовочных циклов заряда-разряда корабельных аккумуляторных батарей большой емкости. Изобретение может быть использовано для автоматизированного заряда-разряда аккумуляторных батарей на различных объектах (подвижных и стационарных) промышленного и военного назначения.

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.

Известна система заряда аккумуляторных батарей (Патент РФ на полезную модель №89296 «АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИЛЬНОТОЧНАЯ СИСТЕМА ЗАРЯДКИ-РАЗРЯДКИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ», МПК 2006.01: H02J 7/00, патентообладатель: Закрытое акционерное общество «Дорожный центр внедрения ВСЖД» (RU), содержащая управляющий компьютер и М функциональных модулей, каждый из которых имеет стабилизированный силовой источник питания и зарядно-коммутационный блок, включающих в себя коммутаторы силовых цепей подключения к аккумуляторам батареи, устройство управления коммутаторами и измерения напряжения на клеммах каждого аккумулятора, температуры электролита, уровня электролита. К недостатку данного технического решения можно отнести использование в составе зарядно-коммутационного блока для коммутации тока зарядки-разрядки каждого аккумулятора, образующих аккумуляторную батарею, реле (то есть, контактных коммутационных устройств), что при больших токах значительно усложняет техническое обслуживание и снижает надежность функционирования системы в целом.

Известна электростанция (Патент РФ на полезную модель №122212 «АВТОНОМНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ», МПК 2006.01: H02J 7/32, патентообладатель: Закрытое акционерное общество «Стилсофт» (RU), содержащая генератор электрической энергии, выпрямительно-зарядное устройство, блок аккумуляторных батарей, контроллер управления и блок автоматической замены масла, при этом контроллер управления выполнен с возможностью приема команд управления от удаленного диспетчерского пункта и передачи ему данных контроля состояния автономной электростанции. Основным недостатком данной электростанции является отсутствие возможности проведения формовочных циклов заряда-разряда аккумуляторных батарей.

Наиболее близким по исполнению аналогом, принятым в качестве прототипа предлагаемого изобретения, является зарядно-разрядный комплекс (Патент РФ на изобретение №2419943 «ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНЫЙ БЕРЕГОВОЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ КОРАБЕЛЬНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ С ЭЛЕКТРОПИТАНИЕМ ОТ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ СЕТИ», МПК 2006.01: H02J 7/10, патентообладатель: Закрытое акционерное общество «ИРИС» (RU).

В данном зарядно-разрядном комплексе 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.

Основным недостатком зарядно-разрядного комплекса по прототипу является невозможность его автономной работы, то есть необходимость электроснабжения от внешних питающих сетей достаточно большой мощности.

Кроме этого к недостаткам можно также отнести следующее:

- необходимость использования в качестве источника энергии для заряда корабельных аккумуляторных батарей большой емкости высоковольтных сетей переменного тока с частотой 50 Гц и напряжением 6 или 10 кВ (зачастую отсутствующих на многих объектах, например, на плавучих доках судостроительных/судоремонтных заводов);

- применение в составе комплекса высоковольтного оборудования (переключатель сети 6/10 кВ, первый автоматический выключатель, переключатель треугольник/звезда первичной обмотки высоковольтного трансформатора и высоковольтный трансформатор), предъявляющих повышенные требования к квалификации эксплуатационного персонала (в том числе, в части электробезопасности), а также к условиям его эксплуатации и, в частности, по ограничению значений относительной влажности воздуха (например, не более 80% при температуре не более 40°С);

- достаточно сложная конструкция высоковольтного трансформатора (наличие первичной высоковольтной обмотки с возможность переключения схемы: звезда-треугольник и двух вторичных низковольтных обмоток).

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей предлагаемого мобильного зарядно-разрядного комплекса, обеспечивающего его автономность и эксплуатацию в условиях широкого диапазона значений влажности и температуры окружающей среды, при достижении максимально возможной экономии энергии, затрачиваемой в процессе неоднократных циклов заряда-разряда корабельных аккумуляторных батарей большой емкости.

Поставленная цель достигается тем, что в мобильный зарядно-разрядный комплекс для корабельных аккумуляторных батарей, состоящий из внешней системы управления, пульта местного контроля и управления, шины информационного обмена, блока звуковой сигнализации, панели дистанционной световой сигнализации, схемы управления вентиляторами, блока вентиляторов, ЭВМ, первого, второго и третьего датчика напряжения, первого и второго релейного устройства, первого и второго блока драйверов силовых ключей, дизель-генератора, переключателя сети, первого и второго автоматического выключателя, трансформатора, выпрямителя, дросселя, первого, второго, третьего и четвертого фильтра, блока силовых IGBT-ключей, первого и второго датчика тока, сети постоянного тока напряжением 175…320 В с аккумуляторной батареей, сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 380 В, переключателя нагрузки, инвертора, блока управления насосом, насоса системы жидкостного охлаждения и нагрузочного устройства; к первому входу-выходу ЭВМ подключен вход-выход пульта местного контроля и управления, ко второму входу-выходу - через шину информационного обмена вход-выход внешней системы управления, к первому выходу - вход блока звуковой сигнализации, ко второму выходу - вход панели дистанционной световой сигнализации, к третьему выходу - через схему управления вентиляторами вход блока вентиляторов, к четвертому выходу - через блок управления насосом вход насоса системы жидкостного охлаждения, к пятому выходу - через первое релейное устройство управляющий вход первого автоматического выключателя, к седьмому выходу - через второе релейное устройство управляющий вход второго автоматического выключателя, ко второму входу - выход первого датчика напряжения, к третьему входу - информационный выход первого автоматического выключателя, к четвертому входу - информационный выход второго автоматического выключателя; вход-выход переключателя сети соединен с первым входом-выходом первого автоматического выключателя, вход-выход второго автоматического выключателя через первый датчик тока соединен с входом-выходом сети постоянного тока напряжением 175…320 В с аккумуляторной батареей, выход которой подключен к входу второго датчика напряжения; выход первого блока драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу блока силовых IGBT-ключей, выход второго блока драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу инвертора; выход четвертого фильтра, через последовательно соединенные инвертор, второй датчик тока, третий фильтр и переключатель нагрузки, подключен к входу нагрузочного устройства, введены дизель-генератор и блок из «n» датчиков контроля температуры силового оборудования.

Первый выход дизель-генератора подключен к входу первого датчика напряжения, второй выход - к входу переключателя сети, выход которого соединен с входом сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 380 В. Шестой выход ЭВМ подключен к входу первого блока драйверов силовых ключей, восьмой выход - к входу второго блока драйверов силовых ключей, первый вход - к выходу третьего датчика напряжения, пятый вход - к информационному выходу первого датчика тока, шестой вход - к выходу второго датчика напряжения, седьмой вход - к выходу блока из «n» датчиков контроля температуры силового оборудования, восьмой вход - к информационному выходу второго датчика тока. Вход-выход трансформатора соединен со вторым входом-выходом первого автоматического выключателя, вход - с первым выходом переключателя нагрузки, выход - через последовательно соединенные выпрямитель, дроссель, первый фильтр, блок силовых IGBT-ключей, второй фильтр и второй автоматический выключатель, входом четвертого фильтра.

Шина информационного обмена может быть выполнена на базе интерфейсов CAN, RS-485, MIL-STD1553B и Ethernet.

Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом зарядно-разрядном комплексе реализовано использование дизель-генератора для заряда регулируемым постоянным током корабельных аккумуляторных батарей, а в режиме разряда предусмотрена возможность рекуперации химической энергии, накопленной в аккумуляторной батарее, в промышленную сеть переменного тока, что обеспечивает максимально возможную экономию энергии, затрачиваемой в процессе неоднократных циклов заряда-разряда аккумуляторной батареи большой емкости.

Согласно фиг. 1 мобильный зарядно-разрядный береговой комплекс для корабельных аккумуляторных батарей включает внешнюю систему управления 1, пульт местного контроля и управления 2, шину информационного обмена 3, блок звуковой сигнализации 4, панель дистанционной световой сигнализации 5, схему управления вентиляторами 6, блок вентиляторов 7, ЭВМ 8, первый 9, второй 13 и третий 32 датчик напряжения, первое 10 и второе 12 релейное устройство, первый 11 и второй 36 блок драйверов силовых ключей, дизель-генератор 14, переключатель сети 15, первый 16 и второй 23 автоматический выключатель, трансформатор 17, выпрямитель 18, дроссель 19, первый 20, второй 22, третий 28 и четвертый 31 фильтр, блок силовых IGBT-ключей 21, первый 24 и второй 29 датчик тока, сеть постоянного тока напряжением 175…320 В с аккумуляторной батареей 25, сеть переменного тока 3~50 Гц напряжением 380 В 26, переключатель нагрузки 27, инвертор 30, блок управления насосом 33, насос системы жидкостного охлаждения 34, нагрузочное устройство 35 и блок из «n» датчиков контроля температуры силового оборудования 37.

К первому входу-выходу ЭВМ 8 подключен вход-выход пульта местного контроля и управления 2, ко второму входу-выходу - через шину информационного обмена 3 вход-выход внешней системы управления 1, к первому выходу - вход блока звуковой сигнализации 4, ко второму выходу - вход панели дистанционной световой сигнализации 5, к третьему выходу - через схему управления вентиляторами 6 вход блока вентиляторов 7, к четвертому выходу - через блок управления насосом 33 вход насоса системы жидкостного охлаждения 34, к пятому выходу - через первое релейное устройство 10 управляющий вход первого автоматического выключателя 16, к шестому выходу - вход первого блока драйверов силовых ключей 11, к седьмому выходу - через второе релейное устройство 12 управляющий вход второго автоматического выключателя 23, к восьмому выходу - вход второго блока драйверов силовых ключей 36, к первому входу - выход третьего датчика напряжения 32, ко второму входу - выход первого датчика напряжения 9, к третьему входу - информационный выход первого автоматического выключателя 16, к четвертому входу - информационный выход второго автоматического выключателя 23, к пятому входу - информационный выход первого датчика тока 24, к шестому входу - выход второго датчика напряжения 13, к седьмому входу - выход блока из «n» датчиков контроля температуры силового оборудования 37, к восьмому входу - информационный выход второго датчика тока 29.

Вход-выход переключателя сети 15 соединен с первым входом-выходом первого автоматического выключателя 16, вход-выход второго автоматического выключателя 23 через первый датчик тока 24 соединен с входом-выходом сети постоянного тока напряжением 175…320 В с аккумуляторной батареей 25, выход которой подключен к входу второго датчика напряжения 13.

Выход первого блока драйверов силовых ключей 11 подключен к управляющему входу блока силовых IGBT-ключей 21, выход второго блока драйверов силовых ключей 36 подключен к управляющему входу инвертора 30.

Выход четвертого фильтра 31, через последовательно соединенные инвертор 30, второй датчик тока 29, третий фильтр 28 и переключатель нагрузки 27, подключен к входу нагрузочного устройства 35.

Первый выход дизель-генератора 14 подключен к входу первого датчика напряжения 9, второй выход - к входу переключателя сети 15, выход которого соединен с входом сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 380 В 26.

Вход-выход трансформатора 17 соединен со вторым входом-выходом первого автоматического выключателя 16, вход - с первым выходом переключателя нагрузки 27, выход - через последовательно соединенные выпрямитель 18, дроссель 19, первый фильтр 20, блок силовых IGBT-ключей 21, второй фильтр 22 и второй автоматический выключатель 23, с входом четвертого фильтра 31.

Предлагаемый зарядно-разрядный комплекс работает следующим образом.

Перед началом работы эксплуатационный персонал проверяет исходное состояние коммутационного оборудования зарядно-разрядного комплекса: первый 16 и второй 23 автоматические выключатели должны быть отключены, переключатель сети 15 должен быть установлен в положение, соединяющее выход дизель-генератора 14 с первым входом-выходом первого автоматического выключателя 16, а переключатель нагрузки 27 должен быть установлен в положение, когда выход третьего фильтра 28 соединен с входом нагрузочного устройства 35.

Далее включается ЭВМ 1, которая с помощью второго датчика напряжения 12 определяет значение напряжения в сети постоянного тока с аккумуляторной батареей 25, а затем с помощью первого релейного устройства 10 включает первый автоматический выключатель 16. Причем, контроль состояния первого автоматического выключателя 16 осуществляется путем опроса его информационного выхода с помощью входа 3 ЭВМ 1. Затем эксплуатационный персонал запускает дизель-генератор 14, плавно повышая выходное трехфазное напряжение переменного тока до номинального значения, которое через переключатель сети 15, первый автоматический выключатель 16 и трансформатор 17 поступает на выпрямитель 18. Напряжение постоянного тока на выходе выпрямителя 18 сглаживается дросселем 19 и поступает на первый фильтр 20, обеспечивая плавный заряд конденсаторов, входящих в его состав. ЭВМ 1 с помощью первого датчика напряжения 9 контролирует значение напряжения дизель-генератор 14 и после его выхода на номинальный режим с помощью второго релейного устройства 12 включает второй автоматический выключатель 23 и с помощью первого блока драйверов силовых ключей 11 начинает управление блоком силовых IGBT-ключей 21, контролируя напряжение и ток зарядки аккумуляторной батареи в сети постоянного тока напряжением 175…320 В 25 с помощью второго датчика напряжения 13 и первого датчика тока 24. Таким образом реализуется основной режим эксплуатации комплекса - заряд аккумуляторной батареи 25 от дизель-генератора 14, текущая информация о ходе которого выводится на пульт местного контроля и управления 2, а через шину информационного обмена 3 передается во внешнюю систему управления 1.

После заряда аккумуляторной батареи 25 до требуемой емкости ЭВМ 1 блокирует работу блока силовых IGBT-ключей 21 и выдает сигналы об окончании заряда эксплуатационному персоналу на блок звуковой сигнализации 4 и на панель дистанционной световой сигнализации 5 для остановки дизель-генератора 14. После этого ЭВМ 1 отключает первый автоматический выключатель 16 и с помощью второго блока драйверов силовых ключей 36 начинает управление инвертором 30, на вход которого через первый датчик тока 24, второй автоматический выключатель 23 и четвертый фильтр 31 поступает напряжение постоянного тока от аккумуляторной батареи 25. Далее напряжение трехфазного переменного тока, сформированное инвертором 30, через второй датчик тока 29, третий фильтр 28 и переключатель нагрузки 27 поступает на нагрузочное устройство 35. При этом ток разряда и напряжение на аккумуляторной батарее 25 контролируется ЭВМ 1 соответственно с помощью первого датчика тока 24 и второго датчика напряжения 13. Таким образом реализуется второй режим эксплуатации комплекса - разряд аккумуляторной батареи 25 на нагрузочное устройство 35.

В комплексе предусмотрена возможность перехода в режим разряда аккумуляторной батареи 25 с использованием высвобождаемой энергии для электропитания потребителей сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 380 В 26, то есть в третий режим - рекуперация энергии в промышленную сеть переменного тока. Для перехода в этот режим эксплуатационный персонал осуществляет установку переключателя сети 15 в положение, соединяющее первый вход-выход первого автоматического выключателя 16 с входом сети переменного тока 3~50 Гц напряжением 380 В 26, а переключатель нагрузки 27 в положение, соединяющее выход третьего фильтра 28 с входом трансформатора 17. Далее ЭВМ 1, предварительно проконтролировав с помощью первого датчика напряжения 9 отсутствие напряжения на выходе дизель-генератора 14, включает первый автоматический выключатель 16 и начинает управление инвертором 30, контролируя ток нагрузки и напряжение в сети 26 соответственно с помощью второго датчика тока 29 и третьего датчика напряжения 32.

Для контроля за температурным режимом оборудования комплекса предназначен блок из «n» датчиков контроля температуры силового оборудования 37. ЭВМ 1, получая контрольную информацию от блока 37, с помощью схемы управления вентиляторами 6 обеспечивает включение необходимого количества вентиляторов в блоке вентиляторов 7. Для повышения эффективности работы блока вентиляторов 7 в зарядно-разрядном комплексе предусмотрена система жидкостного охлаждения воздуха, вводимая в работу также по команде ЭВМ 1 (блок управления насосом 33 и насос системы жидкостного охлаждения 34).

К техническим результатам, полученным в предлагаемом изобретении, относятся следующие:

- обеспечение автономности функционирования мобильного зарядно-разрядного комплекса;

- возможность эксплуатации комплекса в условиях достаточно широкого диапазона значений влажности и температуры окружающей среды, характерных для морского и тропического климата;

- обеспечение гальванической развязки выходных цепей дизель-генератора, сети постоянного тока напряжением 175…320 В с аккумуляторной батареей и сети переменного тока 3-50 Гц напряжением 380 В;

- обеспечение высокого уровня автоматизации при функционирования комплекса;

- возможность рекуперации химической энергии, накопленной в аккумуляторной батарее, в промышленную сеть переменного тока для достижения максимально возможной экономии энергии, затрачиваемой в процессе неоднократных циклов заряда-разряда корабельных аккумуляторных батарей достаточно большой емкости;

- «преобразование» мобильного зарядно-разрядного комплекса в электроустановку с напряжением до 1000 В, повышающее уровень безопасности при эксплуатации комплекса и обеспечивающее возможность снижения квалификационных требований к эксплуатационному персоналу в части электробезопасности.

Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый мобильный зарядно-разрядный комплекс может быть изготовлен в соответствии с приведенным описанием и чертежом на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования и использован для автоматизированного заряда-разряда аккумуляторных батарей кораблей, пришвартованных к причалу или размещенных в плавучих доках судостроительных/судоремонтных заводов. Для удобства перемещения к месту эксплуатации (применения по прямому назначению) мобильность данного зарядно-разрядного комплекса обеспечивается конструктивной компоновкой его оборудования в металлическом железнодорожном или морском контейнере.

Предлагаемые технические решения предполагается практически реализовать ООО «МИП «Мехатроника» ЮРГТУ (НПИ) в опытно-поставочном образце «Мобильного зарядно-разрядного комплекса с дизель-генератором МЗРК-ДГ» (поставка по техническим условиям КИАР.435511.001 ТУ).

Таким образом, заявляемый зарядно-разрядный комплекс обладает весьма широкими функциональными возможностями, обеспечивая корабельные аккумуляторные батареи большой емкости реверсивным регулируемым постоянным током при проведении формовочных циклов заряда-разряда. Причем, заряд осуществляется от дизель-генератора переменного тока, а в режиме разряда имеется возможность использования химической энергии, накопленной в аккумуляторной батарее, путем рекуперации в сеть переменного тока (для питания потребителей этой сети), вместо ее безвозвратной потери на тепловое рассеяние в нагрузочном устройстве.

На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый мобильный зарядно-разрядный комплекс для корабельных аккумуляторных батарей отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и может быть защищен патентом Российской Федерации на изобретение.