Система электроснабжения постоянным напряжением

 

Использование: во вторичных источниках электропитания радиоаппаратуры, где требуется высокая степень использования установленной мощности первичного источника электропитания, и данном случае солнечной батареи. Сущность изобретения: введение датчика суммарного тока, суммирующего и вычитающего узлов, а также датчика, диода и блока выравнивания тока нагрузки в каждый канал электропитания позволило обеспечить возможность параллел ьнi ого вк л ючения ta н а л ов без п е регрузок аккумуляторных батарей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1784955 А1 (51)5 G 05 F 1/59

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4891485/07 (22) 17.12.90 (46) 30.12.92. Бюл; N. 48 (71) Харьковскйй авиационный институт им.

Н,Е, Жуковского (72) Е.К. Алехина. А.Я. Зимовий, Ю,Н. Соколов, Н.П. Меркушев и В,И, Быцько (56) Основй промышленной электроники.

Под ред, Герасимова В.Г. Высшая школа, 1986, с. f86, рис, 8.21;

Авторское свидетельство СССР

М 1538751, кл. G 05 F 1/56, 1988. (54) СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПО. СТОЯННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ

Изобретение относится ко вторичным источникам питания радиоаппаратуры и является дополнительным к изобретению по а.с. N 1538751. Известная система электроснабжения характеризуется низкой степенью использования установленной мощности перзичного источника-питания." которым является. солнечная батарея. Для . преодоления этого недостатка обычно ис- пользуется параллельная работа нескольких каналов электропитания на общую нагрузку, Однако в определенных режимах работы, в которых используется дополйи-" тельный первичный источник (аккумуляторная батарея) — параллельная работа нескольких каналов на общую нагрузку может привести к перегрузке аккумуляторных батарей, что существенно снижает надеж- ность всей системы электроснабжения. Указанная перегрузка обусловлена- тем, что каждый иэ каналов электропитания имеет высокую точность стабилизации выходного (57) Использование: во вторичных источниках электропитания" радиоаппаратуры, где требуется высокая степень использования устайовлен ной мощности первичного источника электропитания, в данном случае — солнечной батареи. Сущность изобретения: введение датчика суммарного тока. суммирующего и вычитающего узлов, а также датчика; диода и блока выравнивания тока нагрузки в каждый канал электропитания позволило обеспечить возможность параллельного включениья таких кайалов без перегрузок аккумуляторных батарей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

С: напряжения и, слгедбвательно; Малый стэтиз м внешHMx à рактетрисатИк.

Целью изобретения является расширение области практического использования системы злектросйабжения за счет обеспечения возможности Hà e>i<ной параллельной работы нескольких каналов на общую нагрузку.

Это достигается тем, что в систему элек- О троснабжения постоянным напряжением, (Я содержащую модулятор длитальйости им- Q3 пульсов, дифференциальный трансформатор," первичная " обмотка которого подключена к вйходныМ выводам, сумматор, входы которого(один непосредственно, а другой через дифференциальный трансформатор) соединены с выходными выводами, а вЬ1ход подклюЧей кб вмхььоду мбдулгятОра длительности импульсов, формирователь форсирующих импульсов, источник опорного напряжения, подкл1оченный к одному из входов формирователя форсирующих им1784955

40

50 пульсов, другой вход которого соединен со вторичной обмоткой дифференциального трансформатора, и первый канал электропитания, включающий в себя параллельно соединенные между собой солнечную батарею, регулятор избыточной мощности и цепь из последовательно соединенных аккумуляторной батареи и параллельно включенных между собой регуляторов заряда и разряда аккумуляторных батарей, блок контроля и"управления состоянием зарядаразряда аккумуляторной батареи и три логических блока, выходы которых соединены с управляющими входами регуляторов избыточной мощности, заряда и разряда аккумуляторной батареи, входы — с соответствующими выходами модулятора длительности импульсов, управляющие входы первого и второго логических блоков подключены к выходу формирователя форсирующих импульсов непосредственно, а третьего— через инвертор, при этом каждый логический блок включает в себя объединенные анодом и катодом первый и второй диоды, два элемента совпадений, расширитель импульсов, аналоговый инвертор, логические элементы 2ИЛИ и НЕ и буферный усилитель, причем катод первого диода через последовательно соединенные первый элемент совпадений, расширитель импульсов и логический элемент 2ИЛИ подключен к первому входу второго элемента совпадений, а анод второго диода через последовательно соединенные аналоговый инвертор и логический элемент НŠ— ко второму входу второго элемента совпадений, второй вход логического элемента 2ИЛИ использован в качестве входа. объединенные входы первого и второго диодов — в качестве управлающего входа, а выход буферного усилителя— в качестве выхода логического блока, введены датчик суммарного тока и делитель выходного напряжения, а также по меньшей мере еще Один канал электропитания, аналогичный первому, при этом в каждый канал электропитания введены последовательно соединенные развязывающий диод и датчик тока, включенные последовательно с датчиком суммарного тока в выходную силовую шину, блок выравнивания тока нагрузки, имеющий два информационных, два логических, синхронизирующий и запрещающий входы и один выход, а также последовательно соединенные вычитающий и суммирующий узлы, причем первый информационный вход блока выравнивания тока нагрузки соединен с выходом второго элемента совпадений логического блока. выход которого подключен к управляющему входу регулятора разряда аккумуляторной бата5

25 реи, выход — со входом буферного усилителя этого же логического блока, второй информационный вход — с выходом суммирующего узла, к первому входу которого вместе с первым входом вычитающего узла подклю- . чен выход делителя напряжения, входом соединенного с выходом датчика суммарного тока, второй вход вычитающего узла соединен с выходом датчика тока канала электропитания, а выход — со вторым входом суммирующего узла и с запрещающим входом блока выравнивания тока нагрузки, первый и второй логические входы блока выравнивания тока нагрузки соединены соответственно с выходом логического элемента НЕ и с катодом первого развязывающего диода упомянутого логического блока, а синхронизирующий вход— с выходом модулятора длительности импульсов, соединенным с управляющим входом данного логического блока.

Блок выравнивания тока нагрузки каждого канала электропитания включает в себя последовательно соединенные синхронизируемый генератор линейно-изменяющегося напряжения и широтно-импульсный модулятор, две пары логических элементов 2И, 2ИЛИ, схему запрета, а также логический сумматор, выход которого использован в качестве выхода блока выравнивания тока нагрузки, причем в первой паре логических элементов, состоящей из элементов 2И и 2ИЛИ, первые входы элементов объединены и соединены с выходом широтно-импульсного модулятора, второй вход элемента 2И использован в качестве первого логического входа, а второй вход элемента 2ИЛИ вЂ” в качестве второго логического входа блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента ZN соединен с первым входом логического элемента 2ИЛИ второй пары, а выход элемента 2ИЛИ вЂ” с первым входом элемента 2И второй пары, вторые входы элементов второй пары обьединены и использованы в качестве первого информационного входа блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента 2ИЛИ второй пары логических элементов использован в качестве разреаающего входа схемы запрета, второй вход которой использован в качестве запрещающего ВхОда блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента 2И второй пары логических элементов и выход схемы запрета подключены ко входам логического сумматора, второй вход широтно-импульсного модулятора использован в качестве второго информационного входа, а выход генератора линейноизменяющегося напряжения — в качестве

1784955

20

30

50 синхронизирующего входа блока выравнивания тока нагрузки.

Введение названных устройств дает возможность обеспечить надежную параллельную работу каналов электропитанйя на общую нагрузку за счет выравнивания выходных токов каналов, работающих в режиме разряда аккумуляторных батарей.

Выравнивание осуществляется путем сравнения фактического значения тока каждого . канала электропитания с требуемым значением, равным 1/N части. суммарного тока нагрузки, и формированием на основании такого сравнения воздействия, изменяющего длительность импульсов, поступающих . от модулятора длительности импульсов (МДИ) на регуляторы разряда в каждом канале при установившейся нагрузке всей системы электроснабжения. В переходных режимах при значительных изменениях нагрузки работа блока выравнивания тока нагрузки блокируется. чем сохраняются достоинства системы электроснабжения. приобретенные ею после введения логических блоков.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предложенной системы электроснабжения; нэ фиг. 2 — временные диаграммы ее работы.

Система включает N параллельных каналов электропитания, ка>кдый из которых содержит подключенные параллельно общей нагрузке 1 солнечную батарею 2, регулятор избыточной мощности 3. аккумуляторную батарею 4 со своими регуляторами заряда 5 и разряда 6, блок контроля и управления 7 состоянием заряда-разряда аккумуляторной батареи, Модулятор длительности импульсов 8 управляет работой регуляторов всех каналов 9.1, 9.2, ..., 9.N, каждый из которых имеет в своей выходной шине датчик тока 10, через развязывающий диод VD, подключенный к общей нагрузке

1, Кроме названных устройств в систему электроснабжения введены дополнительно датчик суммарного тока нагрузки 11 и делитель 12 выходного напряжения датчика 11. выходом Соединенный с первыми входами вычитающего 13 и суммирующего 14 узлов. управляющих работой блока выравнивания тока нагрузки 15. Управление блоком вы- . равнивания тока нагрузки (БВТН) осуществляется сигналами„ поступающими в БВТН через запрещающий (Е) и один из информационных (1N2) входов. Кроме названных, БВТН имеет еще один йнформэционный (первый — 1N1) и два логических (L1, l 2) входа, связанные с соответствующимйвыходами третьего из логических блоков 16, 17; 18 канала, а также синхронизирующий (С) вход, подключенный к тому выходу

МДИ8, который взаимодействует с логическим блоком l8. Выход.БВТН 15 через буферный усилитель 32 логического блока 18

5 управляет работой ключевого регулятора разряда 6. Запрещающий (Е) вход БВТН. формируемый вычитающим узлом 13. второй вход которого соединен с выходом дэтчика 10, является одновременно вторым входом суммирующего узла 14. выход кото- рого представляет собой второй информационный (1N2) вход БВТН, Блок выравнивания тока нагрузки состоит из синхронизированного от МДИ ге-. нератора линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) 33. выходом соединенного с опорным входом широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 34, информационный вход

ШИМ является вторым информационным (1N2) входом БВТН, двух пэр логических элемейтов 2И, 2ИЛИ 35-36, 37-38, соединенных таким образом, что выход элемента

2И первой пары подключен ко входуэлемен-. та 2ИЛИ второй пары, а выход 2ИЛИ первой пары — ко входу 2И второй пары, первые входы элементов первой пары обьединены и подключены к выходу LUNM, а вторые входы элементов первой пг.>ы являются логическими входами БВТН 15. причем первый логический вход (L1) соединен с выходом инвертора 30 блока 18. а второй логический вход (1 2) — с катодом диода 24 того же блока. вторые входы элементов второй пары также объединены и формируют первый информационный вход (1N1) блока выравнивания тока нагрузки, соедйненный с выходом схемы сравнения 31 логического блока 18. при этом связь выхода схемы 31со входом буферного усилителя 32 исключена.

Выход элемента 38 второй пары логических элементов является разрешающим входом схемы запрета 39 (" Основы промышленной электроники" под ред, В,Г. Герасимова, М.

"Высшая школа", 1986, рис. 8,21. с. 186), 45 второй вход которой соединен с запрещалщим (Е) входом БВТН, выход элемента 37 второй пары логических элементов и выход схемы запрета 39 подключены ко входам логического сумматора 40, выход которого есть выход 6ВТН.

Работу системы электроснаб>кения (СЭС) иллюстрируют диаграммы, изображенные нэ рис. 2. При различных энергетических характеристиках аккумуляторных батарей и высокой точности стабилизации выходного напряжения СЭС при параллельной работе Nкана,лов электропитания выходные токи каждого из них; измеряемые датчиками тока 10, различны и не соответствуют среднему значению lcp. рэвйому l/N

1784955 части тока нагрузки 1»,, измеряемому датчиком суммарного тока 11. На диаграмме 2,а изображены значения токов I>, lz, !з одного из каналов, причем lz>lap, !з< Iкением Одт! датчика тока канала (1=1,2,3...N), На диаграмме 2,б показаны уровни выходных напряжений Л вычитающего узла" в случае, когда !зкителен, и в

10 выходных напряжений суммирующего узла

14 для 3-х случаев: — в канале установился ток, равный Iср. В этом случае Л=О, э выходное напряжение суммирующего узла совпадает с напряжением, формируемым элементом 31 логического блока 18, а сигнал, управляющий

20 работой регулятора разряда 6, проходит от

МДИ через логический блок 18 и БВТН 15 без изменения;: .. 25 в канале установился ток !з<1ц» и сигнал

6 полбжителен; в канале установился ток 1р>1,р и сигнал

Ь отрицателен.

Работа широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 34 иллюстрируется диаграммами 2,r и 2,д, На диаграмме 2.r изображены

30 входы LLIVIM, один из" котор1тх сбеДййен с выходом генератора линейно -йзменяющегося напряжения (ГЛИН) 33, синхронизиро- 35 ванного с МДИ 8, а другой ="c âüéîäoì суммирующего узла, формирующего сигналы, йзображенные на диаграмме 2,в. I-! а диаграмме 2,д показаны выходные импульсы

ШИМ для рассмотренных выше случаев. Из диаграммы 2,а,б.в и г очевидно, что при

13leap"- су>каегся по cl> iâíåíèþ со случаем равенства I >--1 р.

Диаграммы, изображенные нэ рис.

2,е,ж,з иллюстрируют работу элемента 39

"2ИЛИ" второй пары логических элементов как расширителя импульсов, корректирую. щего действие централизованного модуля тора длительйости импульсов 8 в

50 установившемся режиме при условии, если

13< !ср.

Диаграммы, приведенные на рис. 2е,и,к, иллюстрируют работу элемента 37 2И второй пары логических элементов как устрой- 55 ства сужения импульсов, корректирующего действие МДИ при условии, если lz>l p. Рас. ширение и сужение импульсов, поступающих от МДИ на регуляторы разряда случае, когда lz> ibp и сигнал Л отръЦэтелей, На диаграмме 2, в изображены уровни 15 происходит до тех пор, пока ток в каждом канале не станет соответствующим средне-му значению I

40 выходных сигналов элементов 37 и 38 в тех случаях, когда необходимо сужение импульсов, поступающих от. МДИ. В этом слу- . чае сигнал Ьна выходе вычитающего узла 13 отрицателен и является запрещающим сигналом, предотвращающим поступление на вход логического сумматора 40 выходного сигнала элемента 38 2ИЛИ второй пары ло- . гических элементов, Для сохранения работоспособности системы. электроснаб>кения в переходных режимах при резких изменениях нагрузки .в схему блока выравнивания тока нагрузки 15 введены дополнительно элементы 35 (2И) и

36 (2ИЛИ), управляемые сигналами логического блока 18, Их действие направлено на то, чтобы при появлении значительных всплесков напряжения на выходной шине блок выравнивания тока нагрузки не влиял нэ форсированную работу регуляторов силовой части системы, Тем самым сохраняются такие достоинства системы как ограничение выбросов и провалами выходного напряжения и высокое ее быстродействие, Вместе с тем вследствие малой длительности переходных процессов неравномерная загрузка каналов электропитания во время этих процессов не сказывается заметно на наде>кности системы. Схема. блокирующая выравнивание токов, действует в течение той части переходных процессов, когда возникает необходимость включения логических блоков, т.е. когда появляется сигнал на выходе формирователя форсирующих импульсов (ФФИ) 21. Логйческие сигналы блокирования поступают со знаком рассогласования выходного сигнала ФФИ

21 в логическом блоке 18 с выхода логического инвертора 30 и после первого развязывающего диода 24.

В случае положительного выброса выходного напряжения, когда необходимо блокировать работу регулятора разряда. на выходе инвертора 30 и схемы совпадений 31 появляются сигналы низкого логического уровня, которые при помощй логических элементов 2И 35 и 37 блокируют сигнал широтно-импульсного модулятора 34. Управляющий сигнал на входе буферного усилителя

32 отсутствует, Наоборот, с появлением большого отрицательного выброса на выходе диода 24, а также на выходе второй схемы совпадений 31 логического блока 18 появляется сигнал высокого логического уровня, 1784955

10 который на протяжении нескольких перио- и разряда аккумуляторной батареи, а управ2ИЛИ и дов ШИМ (или МДИ) при помощи элементов ляющие входы — с соответствующим щ и выхо36 и 38 обеспечивает сигнал макси- дами модулятора длительности импульсов, мальнойдлительности на выходе блоков вы- при этом каждый логический блок включает равнивания тока нагрузки 15 одновременно 5 в себя два аналоговых инвертора, два элевсех каналов. форсируя работу их регулято- мента совпадений, расширйтель импульсов, логические элементы ИЛИ и НЕ, буферный . Анализ работы автономной системы усилитель и два инвертора, причем выход электроснабжения постоянным напряжени- первого аналогового инвертора "через поем.позволяетутверждать,чтопредлагаемый 10 следовательно соединенные первый диод, способ включения N параллельных каналов первый элемент совпадений, расширитель электропитания обеспечивает существен- ймпульсов и логический элемент ИЛИ подное расширение функциональных возмож- ключен к первому входу второго элемента настей системы электроснабх<ения, совпадений, а через последовательно соезаключающееся в следующем: 15 диненные второй диод, второй аналоговый формирование N-кратной мощности на- инвертор и логический элемент НŠ— к втогруэки в пределах установленной мощности рому входу второго элемента совпадений, солнечных бата ей; ба арей; вход первого аналогового инвертора исповышение качества вырабатываемой . пользован в качестве входа, выход буферноЭС электроэнергии вследствие значитель- 20 го усилителя — в качестве выхода. а второй ного сокращения длительности переходных, входлогического элемента ИЛИ вЂ” в качестве режимов и минимизации при этом выбросов управляющего входа логйческого блока, о ти провалов выходного напряжения за счет . л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью расши.использования логических блоков 16, 17, 18; рения области использования, в нее введеповышение эксплуатационной надеж- 25 ны датчик суммарного тока и делитель ности, достигаемое использованием уст- выходного напряжения, атакже по меньшей ройства выравнивания тока нагрузки 15 в мере еще один канал электропитания, анаустановившихся режимах работы СЭС в слу- логичный первому, при этом в каждый канал чаях использования системой энергии акку- электропитания введены последовательно муляторных батарей.. 30 соединенные развязывающийдиод и датчик

1.

Ф о р м ул а и з о б р е т.е и и я тока, включенные последовательно сдатчи. Система электроснабжения постоян- ком суммарного тока в выходную силовую ным напряжением, содержащая модулятор шину, блок выравнивания тока нагрузки, длительности -ймпульсов, дифференциаль- имеющий два информационных, два логиченый трансформатор, первичная обмотка ко- 35 ских. синхронизирующий и запреща|ощ рого подключена к выходным выводам. входы и один выход, а также последовательий сумматор, входы которого через дифферен- но соединенные вычитающий и суммируюциальный трансформатор соединены с вы- щий узлы, причем первый информационный ходными выводами, а выход подключен к вход блока выравниванйя тока нагрузки совходу модулятора"длительности импульсов, 40 единен с выходом второго блока совпаде. формирователь форсирующих импульсов. ния логического блока, выход которого источник опорного напряжения, подклю- подключен к управляющему входу регуляточенный к одному из входов формирователя . ра разряда аккумуляторной батареи, выход форсирующихимпульсов,другой входкото- соединен с входом буферного усилителя рого соединен с вторичной обмоткой диф- 45 этого же логического блока, второй инфорференциального трансформатора. и первый мационный вход — с выходом суммирующе-. канал электропитания, включающий в себя то узла, к первому входу которого вместе с параллельно соединенные между собой первым входом вычитающего узла подклюсолнечную батарею. регулятор избыточной чен выход делителя напряжения, входом симощности и цепь из последовательно сое- 50 единенного с выходом датчика суммарного диненных аккумуляторной батареи и парал- тока; второй вход вычитающего узла соедилельно включенных между собой нен с выходом датчика тока канала электро. регуляторов заряда и разряда аккумулятор- питания, а выход — с вторым входом ной батарей, блок контроля и управления: суммирующего узла и с запрещающим вхосостоянием заряда-разряда аккумулятор- 55 дом блока выравнивания тока нагрузки, ной атареи и три логических блока, входы первый и второй логические входы блока которых соединены с выходом формирова- выравнивания тока нагрузки соединены сотеля форсирующих импульсов, выходы — с . ответственно с выходом логического блока, управляющими входами соответствующих а синхронизирующий вход — с выходо 1 морегуляторов избыточной мощности, заряда дулятора длительности импульсов, соеди1784955

11 ненным с управляющим входом данного логического блока, .

2. (".истема по.п.1, отл и ч а ю ща я с я тем, что блок выравнивания тока нагрузки 5 каждого канала электропитания вкл|очает в

: себя последовательно соединенные синхронизируемый генератор линейно изменяющегося напря>кения и широтно-импульсный модулятор. две пары логических эле- 10 ментов 2И, 2ИЛИ, схему запрета, а также логический сумматор. выход которого использован в качестве выхода блока выравнивания тока нагрузки. причеМ в первой паре логических элементов. состоящей из 15 элементов 2И и 2ИЛИ, первые входы элементов обьединены и соединены с выходом широтно-импульсного модулятора, второй

- вход элемента 2И использован в качестве первого логического входа. à QTopoA вход 20 элемента 2ИЛИ вЂ” в качестве второго логического входа блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента 2И соединен с первым входом логического элемента 2ИЛИ второй пары, а выход элемента 2ИЛИ вЂ” с первым входом элемента 2И второй пары, вторые входы элементов второй пары объединены и использованы в качестве первого информационного входа блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента 2ИЛИ второй пары логических элементов использован в качестве разрешающего входа схемы запрета. второй вход которой использован в качестве запрещающего входа блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента 2И второй пары логических элементов и выход схемы запрета подклю чен к входам логического сумматора, второй вход широтно-импульсного модулятора использован в качестве второго информационного входа. а выход генератора линейно изменяющегося напряжения — в качестве синхронизирующего входа блока выравнивания тока нагрузки, 1784955

Я ЯВ Я

7. >Лр рР<Я б/ г/

Ь,У е/

9/ и/ уз к/

Фиг. 2

Составитель Е.Алехина

Редактор Н.Коляда Техред М.Моргентал Корректор А.Козориз

Заказ 4364 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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