Экстремальный регулятор мощности, потребляемой от источника постоянного тока

 

Использование: системы электропитания постоянного тока, автономные системы электроснабжения с нерегулируемыми первичными источниками постоянного тока ограниченной мощности и импульсными регуляторами тока. Сущность изобретения для повышения надежности и точности экстремального регулирования дополнительно введены датчик температуры, датчик освещенности , блок эталонных интервалов температуры и освещенности соответственно матрица эталонной мощности, узлы сравнения температуры и освещенности узел управления , элемент И, а пороговый элемент выполнен в виде набора пороговых элементов . Выход элемента И соединен с пороговыми элементами, а входы - с выходами анализатора знака производной и с выходом датчика Холла. Выбор пороговых элементов осуществляется на основании данных, получаемых с датчиков температуры и освещенности, и сравнения их с эталонными значениями. 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ Е СКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 5

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ (21) 4852896/07 (22) 25.07.90 (46) 23.07.92. Бюл. N. 27 (72) М.А.Антипов, А.В,Гвев и Т.Б.Кушенов (56) Веденеев Г,М. и др. Статический экстремальный регулятор мощности для автономной системы электроснабжения. / В сб.:

Повышение эффективности устройств преобразовательной техники, ч, 2, — Киев: Наукова думка, 1972, с, 355, рис, 2.

Авторское свидетельство СССР

N 1251048, кл. G 05 F 1/66, 1986, Авторское свидетельство СССР

¹ 1309015, кл, G 05 F 1/66, 1985. (54)ЭКСТРЕМАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ, ПОТРЕБЛЯЕМОЙ ОТ ИСТОЧНИКА

ПОСТОЯННОГО ТОКА (57) Использование: системы электропитания постоянного тока, автономные системы электроснабжения с нерегулируемыми перИзобретение относится к системам электропитания постоянного тока и может быть использовано при реализации автономных систем электроснабжения с нерегулируемыми первичными источниками постоянного тока ограниченной мощности и импульсными регуляторами тока, Известен регулятор мощности источника электропитания, в котором производится экстремальное регулирование мощности источника широтно-импульсным методом;

Для реализации поискового движения в нем периодически подключают и отключают баластную (дополнительную) нагрузку, в связи с этим непроизводительно расходуется электроэнергия на баластную нагрузку.

Недостатком также является. необходимость организации поисковых движений, „„5U „„1749893 А1 вичными источниками постоянного тока ограниченной мощности и импульсными регуляторами тока. Сущность изобретения: для повышения надежности и точности экстремального регулирования дополнительно введены датчик температуры, датчик освещенности, блок эталонных интервалов температуры и освещенности соответственно. матрица эталонной мощности, узлы сравнения температуры и освещенности, узел управления, элемент И, а пороговый элемент выполнен в виде набора пороговых элементов, Выход элемента И соединен с порого выми элементами, а входы — с выходами анализатора знака производной и с выходом датчика Холла, Выбор пороговых элементов осуществляется на основании данных, получаемых с"датчиков температуры и освещенности, и сравнения их с эталонными значениями. 2 ил. требующих достаточного времени. При больших возмущениях, воздействующих на

ЭДС и внутреннее сопротивление источника, длительные поисковые движения являются причинойпостоянногозапаздывания регулятора по отношению к изменениям положения экстремума мощности, что снижает эффективность использования источника электропитания.

Известен также экстремальный регулятор мощности, в котором поиск экстремума мощности осуществляется путем определения величины и зйака производной мгновенной мощности источника.

В этом устройстве производится пошаговый выход источника питания в точку экстремума мощности, причем очередной шаг куказанной точке производится после опре1749893 деления производной мгновенного значе- мощности, элемент И, датчик температуры, ния мощности, что я, что является причиной низ- датчик освещенности, блок эталонных инкого быстродействия. тервалов температуры, блок эталонных инНаиболее близким к предлагаемомуяв- тервалов освещенности, два блока ляется экстремальный регулятор мощности, 5 сравнения, матричный узел эталонной мощпотребляемой от источника постоянного то- ности и узел управления, представляющий ка, содержащий дроссель и блок обратных собой микропроцессорный контроллер, а диодов, последоват едовательно включенные в пороговый узел выполнен многоэлементс ловых шин расположен- ным с переключаемыми порогами, причем ных между входными и выходными вывода- 10 вход анализатора знака производной мощми регулятора, предназначенными для ности соединен с выходом блока дифференподключения соответственно источника пи- цирования, выход элемента Холла тания и нагрузки, блок силовых ключей, подключен к цепи управления транзистор.включенныи между о еж у общим выводом дроссе- ного вспомогательного ключа через элемент ля и блока обратных диодов и второй сила- 15 И, другой вход которого соединен с выходом вой шиной, датчик мощности, выполненный анализатора знака производной мощности, в виде элемента Холла, размещенного в не- входы первого блока сравнения подключемагнитном зазоре дросселя и подключенно- ны к выходам датчика температуры и блока го управляющими электродами через эталонных интервалов температуры, входы резистор к входным выводам регулятора, 20 второго блока сравнения соединены с выхоблок дифференцирования, вход которого дами датчика освещенности и блока эталонсоединен с выходом элемента Холла, фор- ных интервалов освещенности, первый и мирователь импульсов, вход которого под- второй входы матричного узла эталонной

КЛЮЧЕН К ДОПОЛНИ ополнительной обмотке мощности подключены к выходам блоков дросселя, блок переключения, выполнен- 25 сравнения, а выходы — к переключающим ный в виде транзисторной триггерной ячей- входам порогового узла, выходы блока упки, соединен оединен ной выходной равления соединены с входами блоков этамежколлекторной цепью с управляющим лонных интервалов температуры и входом блока силовых ключей, транзистор- освещенности и с третьим входом матричный вспомогательный ключ, эмиттер-кол- 30 ного узла эталонной мощности. лекторный переход которого включен На фиг, 1 представлена схема экстремежду выходами формирователя импульсов мального регулятора мощности, потребляеи управляющими входами транзисторной мой от источника постоянного тока; на фиг. триггерной ячейки, пороговый узел, вклю.- 2 — диаграмма, поясняющая его работу. ченный последовательно в цепь управления 35 Экстремальный регулятор мощности транзисторног в ого вспомогательного ключа, включен между источником 1 постоянного

Недостатком известного регулятора яв- тока и нагрузкой 2 и содержит силовой дросляется низкая надежность из-за использо- сель 3 с основной обмоткой 4, блок 5 силования в качестве чувствительного элемента . вых ключей, блок 6 обратных диодов, датчик величины экстремальной мощности порого- 40 7 мощности, выполненный в виде элемента вого элемента с одним уровнем порога сра- Холла, размещенный в немагнитном зазоре батывания.. Вследствие этого при дросселя 3, блок 8 переключения, выходом уменьшении сигнала с датчика мощности соединенный с цепями управления блока 5 (элемента Холла)нижеэтогопорогасрабатыва- силовых ключей, формирователь 9 импульния, что в процессе эксплуатации системы 45 сов, транзисторный вспомогательный ключ электроснабжения возможно, экстремаль- 10, пороговый узел 11, блок 12 дифренцироный регулятор становится вообще нерабо- вания, анализатор 13 знака производной тоспособным. Если же порог срабатывания мощности, элемент И 14, датчик 15 темперачувствительного (порогового) элемента вы- туры, датчик 16 освещенности, блок 17 этабирают из расчета минимума возможной 50 лонных интервалов температуры, блок 18 выходной мощности источника питания, то эталонных интервалов освещенности, персо их уровнях мощности источника вый 19 и второй 20 блоки сравнения, матричи, л22 применение экстремального регулятора ный узел 21 эталонной мощности, узел становится крайне неэффективным. управления.

Целью изобретения является повыше- 55 Управляющие электроды датчика 7 ние точности регулирования и надежности мощности (элемента Холла) через резистор в работе. 23 подключены к клеммам источника 1 пбстоВ экстремальный регулятор мощности, янного тока. Дроссель 3 снабжен дополнипотребляемойотис1очникэпостоянногото- тельной обмоткой 24, выполненной с ка, введены анализатор знака производной отводом отсреднейточки, Выводы дополни1749893 тельной обмотки 24 связаны с входом формирователя 9 импульсов, выход которого через транзисторный вспомогательный ключ

10 соединен с управляющими входами блока 8 переключения, Цепь управления транзисторного вспомогательного ключа 10 через элемент И 14 и пороговый узел 11 подключена к выходу датчика 7 Холла. Выходы датчиков температуры 15 и освещенности 16 подсоединены к первым входам первого 19 и второго 20 устройств сравнения, к вторым входам которых соответственно подключены выходы блоков эталонных интервалов температуры 17 и освещенности 18, выходы устройств сравнения 19 и 20 подключены к первым входам матричного узла 21 эталонной мощности.

Выходы узла 22 управления подключены к входам блоков эталонных интервалов температуры 17, освещенности 18 и вторым входам матричного узла 21 эталонной мощности, выходы которого соединены с соответствующими переключающими входами порогового узла 11, состоящего из стабилитронов 25 — 27. Данные стабилитроны подключаются в цепь с помощью ключей 28 — 30 соответственно, К выходу датчика 7 Холла подключен блок 12 дифференцирования, выходы которого соединены с входами анализатора 13 знака производной мощности, причем к выходу анализатора 13 знака производной подключен один из входов элемента И 14.

Формирователь 9 импульсов может быть выполнен в виде двухполярного симметричного параметрического стабилизатора на стабилитронах 31 — 34, диодах 35 и 36 и резисторах 37 и 38. В качестве блока 8 переключения может быть использована триггерная ячейка, содержащая транзисторы 39 и 40, конденсаторы 41 и 42 и резисторы 43 — 47. Резистор 47 служит для ограничения тока в цепи управления блока

5 силовых ключей, Блок дифференцирования 12 выполнен, например, в виде дифференцирующей цепочки на конденсаторе 48 и резисторах 49 и

50. Анализатор 13 знака производной может быть выполнен в виде диода, Блоки эталонных интервалов температуры 17 и освещенности 18, а также матричный узел 21 эталонной мощности могут быть выполнены в виде запоминающих устройств в совокупности с известными входными и выходными элементами (шифраторами, дешифраторами и т.д,). Узел

22 управления может быть выполнен в виде известного микропроцессорного контроллера.

Регулятор работает следующим образом, Предварительно на этапе подготовки экстремального регулятора к работе производят экспериментальные замеры максимальной мощности источника 1 постоянного тока (солнечной батареи) при различных уровнях температуры и освещенности и фиксируют эти значения. Предположим, что на некотором интервале температуры и некотором интервале освещенности максимальная мощность источника при различных сочетаниях .температуры и освещенности изменяется в пределах Рмин — PMGKc При этом фиксируют в каждом интервале изменения от минимального до максимального значения температуры и освещенности и записывают эти значения в ячейки памяти соответственно блоков эталонных интервалов температуры

17 и освещенности 18, а в матричный узел

21 эталонной мощности заносится значение минимальной из всех максимальных значений мощности для данного интервала температур и освещенности, т.е. максимальную потребляемую от источника постоянного тока мощность при самых неблагоприятных для источника температуре и освещенности из каждого их интервала. Аналогично производят указанные действия для всех возможных сочетаний интервалов температуры и освещенности, Выбор величины самих интервалов температуры и освещенности производится с учетом используемых чувствительных элементов (параметров их эксплуатации) и аппаратурных затрат на реализацию экстремального регулятора и т.д.

Таким образом, в блоках эталонных интервалов температуры 17 и освещенности

18 соответственно хранится информация обо всех интервалах температуры и освещенности при из изменении во всем диапазоне, а в матричном узле 21 эталонной мощности — информация о максимальной мощности источника при самых неблагоп— риятных для источника температуре и освещенности для каждого из их интервалов.

При подключении источника 1 к нагрузке 2 через цепь установки исходного состояния триггерной ячейки блока 8 переключения (не показан) транзистор 40 переводится в закрытое состояние (транзистор 39 открывается). Указанное состояние триггерной ячейки вызывает замыкание блока 5 силовых ключей. Под действием тока, протекающего через основную обмотку

4, дроссель 3 накапливает энергию. В это время во вторичной обмотке 24 наводится

ЭДС самоиндукции, которая через формирователь 9 импульсов прикладывается к со1749893 единенным последовательно база-эмиттер- ющим выбранной мощности источника пиному переходу транзистора 39 и коллектор- тания в данный момент времени. Наряду с эмиттерному переходу ключа 10, этим выходной сигнал датчика 7 Холла приИзменение тока источника 1 в процессе кладывается к последовательному соединенакопления энергии в дросселе 3 приводит 5 нию выбранного на основании сигналов к соответствующему изменейию напряже- датчиков температуры 15 и освещенности ния источника за счет увеличения падения 16 соответственно стабилитрона элемента напряжения на его внутреннем сопротивле- И 14 и цепи управления ключа 10. А паралнии, Одновременно изменяется выходная лельносэтойцепьюсигналдатчика7Холла мощность источника 1 как результат изме- 10 прикладывается к входу блока 12дифференнения его тока и напряжения. Выходная цирования, ЭДС датчика 7 Холла прямо пропорцио- При увеличении мощности источника 1 нальна произведению величины магнитно- (фиг, 2, движение от точки а к точке c) прого потока, в котором размещен датчик, на изводная от мощности положительна и анавеличину протекающего через его управля- 15 лизатор 13 знака производной мощности ющие электроды тока. В данном регуляторе формирует запрещающий сигнал на второй магнитный поток в зазоре сердечника дрос- вход элемента И, Следовательно, из-за заселя 3, в котором размещен датчик 7 Холла, крытого состояния элемента И стабилитрон прямо пропорционален магнитодвижущей (один из 25-27) порогового узла 11 не срасиле, создаваемой током источника 1, про- 20 ботает при увеличении мощности от точки а текающим через основную обмотку 4 этого к точке d (точке максимума). И лишь, когда др росселя. Поэтому магнитный поток про- мощность начнег уменьшаться (движение порционален току источника 1. от точки б к точке b), следовательно, произТок, протекающий через управляющие водная станет отрицательной, тогда аналиэлектроды датчика 7 Холла, пропорционален 25 затор 13 знака производной выдает напряжениюисточника1.Следовательно,вы- разрешающий сигнал на второй вход элеходнойсигналдатчика7Холлапропорциона- мента И, Стабилитрон (один из 25 — 27), вылен произведению тока источника на его бранный матричным узлом 21 эталонной напряжение, т.е. пропорционален мгновен- мощности, срабатывает (порог срабатываному значению его выходной мощности. Од- 30 ния каждого стабилитрона 25 — 27 выбираетновременно с этим снимается информация с ся несколько меньше уровня сигнала датчиков температуры 15 и освещенности 16. датчика 7 Холла при максимальной мощноЭта информация поступает на первый 19 и сти для самых неблагоприятных в данном второй 20 блоки сравнения, где она сравни- интервале температуре и освещенности), ваются с информацией, предварительно за- 35 что происходит в точке b. писанной в блоках эталонных интервалов Расстояние между точкой d u b (фиг. 2) температуры 17 и освещенности 18. определяется не настройкой порога срабаВ результате сравнения с выходов пер- тывания выбранных стабилитронов 25 — 27 вого 19 и второго 20 блоков сравнения в (известный), а зоной нечувствительности матричный узел 21 эталонной мощности по- 40 анализатора 13 знака производной и свойступаютсигналы, свидетельствующие отом, ствами блока 12 дифференцирования. Это к какому интервалу температуры и к какому позволяет выбирать порог срабатывания интервалу освещенности относятся темпе- стабилитронов 25-27 с меньшей степенью, ратура и освещенность, измеренные соот- чему известного, точности в сторонууменьветственно датчиками 15 и 16. Таким 45 шения. Крометого, порогсрабатывания стаобразом, в матричный узел 21 эталонной билитронов 25 — 27 выбирается из расчета мощности поступают сигналы, на основа- максимальной мощности при самых неблании которых в ней выбирается уровень мак- гоприятных для источника 1 температуре и симальной мощности, который в данный освещенности, Следовательно, в заданном момент может быть получен с источника 1 50 интервале температуры и освещенности постоянноготока при наиболее неблагопри- при других их значениях уровень максиятных температуре и освещенности данного мальной потребляемой мощности растет, выбранного интервала. однако точность экстремального регулироДалее на основании этой информации с вания при этом не падает. При увеличении ! выхода матричного узла 21 эталонной мощ- 55 мощности от тоски с до точки d тот же ности (через деформирующие устройства) самый, что и в первом случае, пороговый сигнал подается на один из ключей 28-30, элемент не срабатывает, так как произкоторый подключает в цепь управления водная мощности положительна и аналитранзистора 10 стабилитрон порогового уз- за т о р 1 3 з н а к а и р о и з в о д í о и ла11 с порогом срабатывания, соответству- вы рабаты вает запрещающий си г1749893

10 нал, Срабатывание его происходит лишь в точке Ь . Следовательно, предлагаемое уст1 ройство обладает большей точностью экстремального регулирования, чем известное, Срабатывание порогового узла 11 (точки Ь и b ) приводит к тому, что сигнал с выхода датчика 7 Холла прикладывается к цепи управления транзистора 10, который открывается, Сигнал с формирователя 9 импульсов прикладывается к управляющим входам транзисторов 39 и 40, Дальнейшее состояние блока 8 переключения определяется порядком соединения выводов полуобмоток дополнительной обмотки 24 дросселя

3. На фиг, 1 начала полуобмоток дросселя 3 обозначены для случая, когда при включенном состоянии блока 5 ключей (возрастания тока основной обмотки 4 этого дросселя) транзистор 39 триггерной ячейки закрывается, а транзистор 40 открывается. Таким образом, при достижении мощностью источника 1 некоторого значения, близкого к максимальному, блок 8 переключения вырабатывает сигнал на выключение блока 5 силовых ключей.

В момент выключения силовых ключей в основной обмотке 4 дросселя 3 наводится

ЭДС самоиндукции, которая складывается с напряжением источника 1 и совместно с ним обеспечивает нагрузку 2 через блок 6 обратных диодов. При этом ток источника 1 уменьшается во времени, вызывая вначале повышение его мощности от точки Ь (b ) до точки d (d ), а затем ее уменьшение от точки

d (d ) до точки е (е ).

При повышении мощности источника 1 пороговый узел 11 срабатывает повторно (стабилитрон выключается), так как анализатор 13 вырабатывает запрещающий для схемы И сигнал, и напряжение формирователя 9 импульсов за счет запирания электронного ключа 10 снимается с управляющих входов транзисторов 39 и 40 триггерной ячейки, При снижении мощности источника

1 (дальнейшем уменьшении его тока) анализатор 13 знака производной вырабатывает сигнал на открытие логической схемы И 14, так как производная при движении от точки

d (d ) к точке е (е ) отрицательна (фиг. 2), Пороговый узел 11 срабатывает (стабилитрон 25-27 повторно пробивается) и напряжение положительной полярности прикладывается к база-эмиттерному переходу электронного ключа 10, вызывая его открытие. В это время ЭДС самоиндукции, наводимая в дополнительной обмотке 24 дросселя 3, имеет полярность, при которой уровень напряжения, вырабатываемый формирователем 9 импульсов, через электронный ключ 10 открывает транзистор 39 и

15 закрывает транзистор 40 триггерной ячейки. Триггерная ячейка переходит в первоначальное состояние, при котором под действием сигнала, вырабатываемого на его выходе блок 5 силовых ключей открывается.

Далее работа экстремального регулятора мощности циклически повторяется. При этом величина мощности источника 1 колеблется между точками Ь (b ) и е (е ).

Таким образом, предлагаемое устройство обладает по сравнению с известным повышенной точностью из-за срабатывания пороговых элементов не на уровне порога срабатывания этих элементов, а сразу после смены знака производной мощности с положительного на отрицательный, С увеличением уровня максимальной мощности точность экстремального регулирования остается такой же высокой, что отсутствует у

20 известного.

В случае, если у известного устройства порог срабатывания по каким-либо причинам окажется больше максимальной мощности источника, экстремальный регулятор

25 становится вообще неработоспособным. т.е. снижается его надежность. Настройка порогового элемента у известного на минимально возможную максимальную мощность приводит к значительному снижению точно30 сти экстремального регулирования (точки с, с).

В предлагаемом устройстве возможно экстремальное регулирование с одним пороговым элементом, настроенным на мини35 мальную из всех максимальных мощностей источника питания. Однако в этом случае возникновение случайных помех, приводящих к колебаниям мгновенного значения мощности, может послужить причиной вы40 дачи анализатором 13 знака производной разрешающего сигнала на элемент И 14 и, следовательно, срабатывания порогового узла не в точке глобального максимума мощности — после точки d (d ), а в точке локаль1

45 ного максимума (не показано), т.е. в этом случае может наступить сбой в работе экстремального регулятора, Применение подстройки порогов срабатывания (выбор пороговых элементов 25 — 27) исключает воз50 можность такого сбоя, так как даже если сработает анализатор 13 знака производной, сам пороговый элемент не пробьется, если мощность значительно отличается от уровня настройки порогового элемента.

55 Следовательно, выбор пороговых элементов в зависимости от показаний датчиков, характеризующих максимально возможную в этих условиях мощность, повышает надежность экстремального регулятора путем исключения сбоев в его работе.

1749893

Формула изобретения

Экстремальный регулятор мощности, потребляемой от источника постоянного тока, содержащий дроссель.и блок обратных диодов, последовательно включенные в первую из двух силовых шин, расположенных между входными и выходными выводами регулятора, предназначенными для подключения соответственно источника питания и нагрузки, блок силовых ключей, включенный между общим выводом дросселя и блока обратных диодов и второй силовой шиной, датчик мощности, выполненный в виде элемента Холла, размещенного в немагнитном зазоре дросселя и подключенного управляющими электродами через резистор к входным выводам регулятора, блок дифференцирования, вход которого соединен с выходом элемента Холла, формирователь импульсов, вход которого подключен к дополнительной обмотке дросселя, блок переключения, выполненный в виде транзисторной триггерной ячейки, соединенной выходной межколлекторной цепью с управляющим входом блока силовых ключей, транзисторный вспомогательный ключ, эмиттер-коллекторный переход которого включен между выходами формирователя импульсов и управляющими входами транзисторной триггерной ячейки, пороговый узел, включающий последовательно в цепь управления транзисторного вспомогательного ключа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулирования и надежности в работе, в него введены анализатор знака производной мощности, элемент И, датчик температуры, датчик ос5 вещенности, блок эталонных интервалов температуры, блок эталонных интервалов освещенности, два блока сравнения, матричный узел эталонной мощности и узел управления, представляющий собой

10 микропроцессорный контроллер, а пороговый узел выполнен многоэлементным с переключаемыми порогами, причем вход анализатора знака производной мощности соединен с выходом блока дифференциро15 вания, выход элемента Холла подключен к цепи управления транзисторного вспомогательного ключа через элемент И, другой вход которого соединен с выходОм анализатора знака производной мощности, входы

20 первого блока сравнения подключены к выходам датчика температуры и блока эталонных интервалов температуры, входы второго блока сравнения соединены с выходами датчика освещенности и блока эталон25 ных интервалов освещенности, первый и второй входы матричного узла эталонной мощности подключены к выходам блоков сравнения, а выходы — к переключающим входам порогового узла, выходы блока уп30 равления соединены с входами блоков эталонных интервалов температуры и освещенности и с третьим входом матричного узла эталонной мощности.

1749893

Составитель М,Антипов

Техред М.Моргентал Корректор M.ÌàêcèìèUjèíåö

Редактор И.Шулла

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2596 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5