Способ управления статическими стабилизированными источниками напряжения постоянного тока, работающими параллельно на общую нагрузку

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии или систем гарантированного электропитания, в которых для достижения надежности электропитания и повышения выходной мощности статические стабилизированные источники электрической энергии включаются параллельно на общую нагрузку. Сущность изобретения состоит в том, что формируют сигнал задания напряжения, измеряют напряжение на общей нагрузке и формируют сигнал отрицательной обратной связи по напряжению вычитанием сигнала, пропорционального напряжению на общей нагрузке, из сигнала задания напряжения, измеряют выходной ток каждого источника, формируют сигнал задания доли тока источника в общем токе нагрузке, формируют сигнал отрицательной обратной связи по току путем вычитания сигнала, пропорционального току данного источника, из сигнала задания доли тока данного источника, и формируют сигнал управления каждым источником, отличающийся тем, что, формируют дополнительный сигнал напряжения путем интегрирования сигнала отрицательной обратной связи по напряжению, сигнал управления одного из параллельно работающих источников, отвечающего за стабилизацию напряжения на общей нагрузке, формируют суммированием трех составляющих, одна из которых пропорциональна дополнительному сигналу напряжения, вторая - пропорциональна сигналу отрицательной обратной связи по напряжению, а третья - пропорциональна выходному току данного источника, указанное формирование сигнала задания доли тока каждого из остальных параллельно работающих источников осуществляют пропорционально току источника, регулируемого по напряжению, с коэффициентом пропорциональности, равным отношению номинального значения тока данного источника к номинальному значению тока источника, регулируемого по напряжению, для каждого из остальных источников формируют дополнительный сигнал тока путем интегрирования его сигнала отрицательной обратной связи по току, и формируют сигнал управления для каждого из остальных источников суммированием трех составляющих, одна из которых пропорциональна его дополнительному сигналу тока, вторая - его сигналу отрицательной обратной связи по току, а третья пропорциональна его сигналу задания доли тока. Предложенный способ обеспечивает достижение технического результата - повышение точности стабилизации напряжения на общей нагрузке и точность распределения тока нагрузки между источниками пропорционально их номинальным мощностям в статическом режиме при сохранении качества выходной энергии в переходных режимах. 1 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии или систем гарантированного электропитания, в которых для достижения надежности электропитания и повышения выходной мощности статические стабилизированные источники электрической энергии включаются параллельно на общую нагрузку. Первичными источниками с нестабильными параметрами входной энергии в таких системах может служить сеть промышленной частоты, синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала или аккумуляторная батарея. Функция стабилизации величины постоянного выходного напряжения возлагается на управляемый выпрямитель или преобразователь постоянного напряжения, а требуемый гармонический состав выходного напряжения достигается включением на выходе источника низкочастотного фильтра.

Известен способ управления N параллельно работающими статическими стабилизированными источниками напряжения постоянного тока на базе управляемых полупроводниковых выпрямителей или преобразователей постоянного напряжения [1], основанный на измерении мгновенных значений тока общей нагрузки и токов источников, формировании сигнала управления каждым преобразователем как разность тока данного источника и тока нагрузки, деленного на N - число параллельно работающих источников, формировании сигнала уставки тока для каждого источника и перевод источника из режима стабилизации его выходного напряжения в режим стабилизации тока при превышении тока источника тока уставки.

Вышеописанный способ управления параллельно работающими источниками предполагает наличие обязательного наклона (статизма) внешних характеристик каждого из источников и поэтому при изменении величины общей нагрузки будут изменяться и величина напряжения на общей нагрузке, и перераспределение токов между источниками в статическом режиме, определяемые конечными коэффициентами усиления соответствующих контуров регулирования. При переходе всех источников в режим стабилизации тока, например в переходном режиме, ни значение выходного напряжения, ни распределение токов между источниками при таком способе управления не контролируются.

Кроме того, известен способ управления статическими стабилизированными источниками напряжения постоянного или переменного тока, работающими параллельно на общую нагрузку [2], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, заключающийся в том, что формируют сигнал задания выходного напряжения преобразователей, измеряют напряжение на общей нагрузке и формируют сигнал отрицательной обратной связи по напряжению вычитанием сигнала, пропорционального напряжению на общей нагрузке, из сигнала задания напряжения, измеряют выходной ток каждого преобразователя, формируют эталонный сигнал тока нагрузки параллельно работающих преобразователей суммированием сигналов, пропорциональных токам преобразователей, формируют сигнал задания доли тока каждого преобразователя в токе нагрузке пропорционально эталонному сигналу тока нагрузки, с коэффициентом пропорциональности, равным отношению номинального тока данного преобразователя к номинальному току нагрузки, формируют сигнал отрицательной обратной связи по току путем вычитания сигнала, пропорционального току данного преобразователя, из сигнала задания доли тока данного преобразователя, и формируют сигнал управления каждым преобразователем суммированием сигналов отрицательной обратной связи по току, напряжению и сигнала задания доли тока.

Данный способ управления реализует пропорциональное управление как по мгновенным значениям токов, так и по мгновенному значению выходного напряжения в каждом из параллельно работающих источников, и поэтому он обладает статическими ошибками при стабилизации общего напряжения и распределении тока нагрузки между источниками.

Задача изобретения - повышение точности стабилизации напряжения на общей нагрузке и точности распределения тока нагрузки между источниками пропорционально их номинальным мощностям в статическом режиме при сохранении качества выходной энергии в переходных режимах.

Это достигается тем, что в известном способе управления статическими источниками напряжения постоянного тока, заключающимся в том, что формируют сигнал задания напряжения, измеряют напряжение на общей нагрузке и формируют сигнал отрицательной обратной связи по напряжению вычитанием сигнала, пропорционального напряжению на общей нагрузке, из сигнала задания напряжения, измеряют выходной ток каждого источника, формируют сигнал задания доли тока источника в токе нагрузке, формируют сигнал отрицательной обратной связи по току путем вычитания сигнала, пропорционального току данного источника, из сигнала задания доли тока данного источника, и формируют сигнал управления каждым источником, формируют дополнительный сигнал напряжения путем интегрирования сигнала отрицательной обратной связи по напряжению, сигнал управления одного из параллельно работающих источников, отвечающего за стабилизацию напряжения на общей нагрузке, формируют суммированием трех составляющих, одна из которых пропорциональна дополнительному сигналу напряжения, вторая - пропорциональна сигналу отрицательной обратной связи по напряжению, а третья - пропорциональна выходному току данного источника, указанное формирование сигнала задания доли тока каждого из остальных параллельно работающих источников осуществляют пропорционально току источника, регулируемого по напряжению, с коэффициентом пропорциональности, равным отношению номинального значения тока данного источника к номинальному значению тока источника, регулируемого по напряжению, для каждого из остальных источников формируют дополнительный сигнал тока путем интегрирования его сигнала отрицательной обратной связи по току, и формируют сигнал управления для каждого из остальных источников суммированием трех составляющих, одна из которых пропорциональна его дополнительному сигналу тока, вторая - его сигналу отрицательной обратной связи по току, а третья пропорциональна его сигналу задания доли тока.

На чертеже представлена одна из возможных структурных схем, реализующая предлагаемый способ управления. Структурная схема, приведенная на чертеже, реализует режим параллельной работы N статических источников постоянного тока с различными номинальными мощностями (блоки 1... 3) на общую нагрузку (блок 4), представляющую собой резистор или последовательное включение резистора и дросселя. Каждый источник содержит стандартную систему импульсно-фазового управления (блоки 5, 6, 7), реализующую вертикальный принцип управления (см. B.C.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш. школа, 1980), силовую схему статического источника постоянного напряжения (блоки 8, 9, 10), которая может представлять собой либо управляемый выпрямитель по любой из известных схем при использовании первичного источника энергии переменного тока (см. B.C.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш. школа, 1980), либо преобразователь постоянного напряжения при использовании первичного источника энергии постоянного тока (см. B.C.Моин. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1980), выходной силовой фильтр (блоки 11, 12, 13), подавляющий высокочастотные гармонические составляющие спектра выходного напряжения источника, например, однозвенный LC-фильтр, датчик мгновенного значения тока источника (блоки 14, 15, 16), например, измерительный шунт с высокочастотным преобразованием постоянного измеренного напряжения через трансформатор с последующим выпрямлением, первичный источник с нестабильными параметрами выходной энергии (блоки 17, 18, 19), представляющий собой промышленную сеть или синхронный генератор для первичной сети переменного тока и аккумуляторную батарею для первичной сети постоянного тока, схему вычитания (блоки 20, 21, 22), интегратор (блоки 23, 24, 25) и сумматор (блоки 26, 27, 28) - типовые элементарные звенья, известные из теории автоматического регулирования (см. Теория автоматического управления. Ч.1. Теория линейных систем автоматического управления. Под ред. А.А.Воронова. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1977). Регулируемый по параметрам напряжения источник содержит источник сигнала задания напряжения (блок 29), например параметрический стабилизатор (см. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/Под ред. Г.С.Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986). Каждый источник содержит пропорциональные звенья (блоки 30-41) (см. Теория автоматического управления. Ч.1. Теория линейных систем автоматического управления. Под ред. А.А.Воронова. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1977).

Способ осуществляется следующим образом: источник сигнала задания напряжения (блок 29) вырабатывает высокостабильное постоянное напряжение, поступающее на первый вход схемы вычитания (блок 20). На второй вход схемы вычитания поступает напряжение общей нагрузки, уровень которого согласуется с напряжением источника сигнала задания напряжения пропорциональным звеном (блок 30). На выходе схемы вычитания формируется сигнал отрицательной обратной связи по напряжению, который интегрируется (блок 23), и через пропорциональные звенья (блоки 31, 32) сигнал отрицательной обратной связи по напряжению и результат его интегрирования - дополнительный сигнал напряжения - поступают на вход сумматора (блок 26). На третий вход сумматора поступает также сигнал, пропорциональный мгновенному значению выходного тока источника. На выходе сумматора формируется сигнал управления данным источником, отвечающим за стабилизацию напряжения на общей нагрузке. Сигнал управления через систему импульсно-фазового управления (блок 5) обеспечивает переключение ключей силовой схемы источника (блок 8) и преобразование нестабильной энергии первичного источника (блок 17) в энергию на выходе силовой схемы с заданными параметрами. Высокочастотная часть спектра выходного напряжения силовой схемы подавляется низкочастотным силовым фильтром (блок 11) и на нагрузке формируется стабильное напряжение постоянного тока, определяемое сигналом управления.

Мгновенное значение тока источника, регулируемого по напряжению, измеряется датчиком тока (блок 14) и служит сигналом задания для токов остальных параллельно работающих источников, регулируемых по параметрам токов, с индивидуальным коэффициентом пропорциональности (блоки 34, 38), определяющим долю тока каждого источника в токе нагрузки. На выходе схемы вычитания (блоки 21, 22) каждого из источников, регулируемых по токам, вырабатывается собственный сигнал отрицательной обратной связи по току, который интегрируется (блоки 24, 25) и через пропорциональное звено (блоки 36, 40) поступает на первый вход сумматора (блоки 27, 28). На второй вход сумматора поступает собственный сигнал отрицательной обратной связи по току через пропорциональное звено (блоки 37, 41). На третий вход сумматора через пропорциональное звено (блоки 35, 39) поступает сигнал задания доли тока данного источника. На выходах сумматоров формируются сигналы управления для каждого из остальных параллельно работающих источников, регулируемых по току. Эти сигналы через системы импульсно-фазового управления (блоки 6, 7) определяют коммутацию ключей силовых схем остальных источников (блоки 9, 10) и обеспечивают преобразование нестабильной энергии первичных источников (блоки 18, 19) в энергию на выходе каждого источника. Высокочастотная часть спектра выходного напряжения силовой схемы подавляется низкочастотным силовым фильтром (блоки 12, 13), и на выходе каждого источника формируется ток с параметрами, определяемыми сигналом управления.

Предлагаемый способ управления параллельной работой статических стабилизированных источников разрешает противоречие, связанное с тем, что для стабилизации напряжения на общей нагрузке необходима максимальная "жесткость" внешних характеристик источников, а для распределения тока нагрузки между источниками их внешние характеристики должны быть максимально "мягкими". Поэтому в предложенном способе управления функция стабилизации напряжения на общей нагрузке и функция распределения тока нагрузки между параллельно работающими источниками возложены на различные источники.

Указанное формирование сигнала управления источником, регулируемого по напряжению, позволяет сохранить стабильность напряжения на общей нагрузке при ее коммутации за счет наличия в сигнале управления сигнала, пропорционального току этого источника, и уменьшить время переходного процесса за счет сигнала отрицательной обратной связи по напряжению.

Введение в сигнал управления дополнительного сигнала по напряжению, реализующего интегральную составляющую в сигнале управления по напряжению, повышает точность стабилизации напряжения на общей нагрузке в статическом режиме. Это происходит потому, что интегральная составляющая сигнала управления в установившемся режиме принимает такое значение, при котором выполняется условие: U_ЭТ-B₁·U_H=0. Отсюда следует, что U_H=U_ЭТ/В₁. Это означает, что напряжение на общей нагрузке не будет зависеть в установившемся режиме ни от величины нагрузки, ни от параметров статического контура регулирования по напряжению, ни от параметров токовых контуров регулирования остальных параллельно работающих источников, а будет определяться только стабильностью сигнала задания напряжения (U_ЭТ) и стабильностью коэффициента пропорциональности (B₁), т.е. будет более стабильным по сравнению с прототипом.

Применение в сигналах управления остальными параллельно работающими источниками составляющей, пропорциональной сигналу задания доли тока каждого источника, снижает отклонение напряжения на общей нагрузке при ее коммутации за счет компенсации падения напряжения на внутреннем сопротивлении каждого источника. Составляющая, пропорциональная сигналу отрицательной обратной связи по току, снижает величину колебаний токов источников в переходных режимах и снижает время переходного процесса. Обе эти составляющие обеспечивают высокие динамические показатели выходной энергии в динамических режимах.

Использование в сигнале управления остальными параллельно работающими источниками дополнительного сигнала тока повышает точность распределения тока нагрузки между источниками, пропорционально их номинальным токам, в установившемся режиме. Это происходит потому, что интегральная составляющая сигнала управления остальными параллельно работающими источниками в установившемся режиме примет такое значение, при котором будут выполняться условия: I₁ (I_iном/I_1ном)-I_i=0; i=2,3,... ,N. Следовательно, I_i=I₁ (I_iном/I_1ном). Ток общей нагрузки равен сумме токов всех параллельно работающих источников, т.е. Тогда отношение текущего значения тока источника к текущему значению тока нагрузки в установившемся режиме определиться выражением: Оно показывает, что в установившемся режиме значение тока, распределяемого на каждый из параллельно работающих источников, не зависит ни от величины нагрузки, ни от коэффициентов усиления пропорциональных составляющих сигналов управления источниками, а определяется только отношением номинальных значений тока данного источника к номинальному значению тока нагрузки. Значит, точность распределения тока нагрузки между источниками будет выше, чем в прототипе.

Таким образом, предложенный способ управления параллельно работающими источниками на общую нагрузку повышает точность стабилизации напряжения на общей нагрузке и точность распределения тока нагрузки между источниками, пропорционально их номинальным токам, при сохранении высоких динамических показателей источников в переходных режимах при включении источников и коммутации общей нагрузки.

Источники

1. Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 184 с.

2. А.С. 1310974 СССР, Н 02 М 7/48. Способ управления статическими преобразователями частоты, работающими параллельно на общую нагрузку/ Е.А.Подъяков, Н.И.Бородин, В.В.Иванцов, С.А.Харитонов, Ю.Е.Семенов. - опубл. 15.05.87, бюл. №18.

Способ управления статическими стабилизированными источниками напряжения постоянного тока, работающими параллельно на общую нагрузку, состоящий в том, что формируют сигнал задания напряжения, измеряют напряжение на общей нагрузке и формируют сигнал отрицательной обратной связи по напряжению вычитанием сигнала, пропорционального напряжению на общей нагрузке, из сигнала задания напряжения, измеряют выходной ток каждого источника, формируют сигнал задания доли тока источника в общем токе нагрузке, формируют сигнал отрицательной обратной связи по току путем вычитания сигнала, пропорционального току данного источника, из сигнала задания доли тока данного источника и формируют сигнал управления каждым источником, отличающийся тем, что формируют дополнительный сигнал напряжения путем интегрирования сигнала отрицательной обратной связи по напряжению, сигнал управления одного из параллельно работающих источников, отвечающего за стабилизацию напряжения на общей нагрузке, формируют суммированием трех составляющих, одна из которых пропорциональна дополнительному сигналу напряжения, вторая пропорциональна сигналу отрицательной обратной связи по напряжению, а третья пропорциональна выходному току данного источника, указанное формирование сигнала задания доли тока каждого из остальных параллельно работающих источников осуществляют пропорционально току источника, регулируемого по напряжению, с коэффициентом пропорциональности, равным отношению номинального значения тока данного источника к номинальному значению тока источника, регулируемого по напряжению, для каждого из остальных источников формируют дополнительный сигнал тока путем интегрирования его сигнала отрицательной обратной связи по току и формируют сигнал управления для каждого из остальных источников суммированием трех составляющих, одна из которых пропорциональна его дополнительному сигналу тока, вторая его сигналу отрицательной обратной связи по току, а третья пропорциональна его сигналу задания доли тока.