ЭКСТРЕМАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ Российский патент 1998 года по МПК G05F1/66 

Предлагаемое изобретение относится к системам электропитания постоянного тока и может быть использовано при реализации автономных систем электроснабжения с нерегулируемыми первичными источниками постоянного тока ограниченной мощности, например, с солнечными батареями (СБ).

Известен импульсный регулятор мощности автономных систем электроснабжения, предназначенный для повышения коэффициента использования СБ путем автоматической настройки на режим работы в точке максимальной мощности СБ [1].

Однако этот регулятор сложен в изготовлении, имеет низкую надежность, требует больших аппаратных и энергетических затрат.

Введение в регулятор мощности дополнительно датчиков температуры и освещенности, как это сделано в устройстве [2], позволяет повысить точность регулирования, однако при этом еще более увеличивает аппаратные и энергетические затраты.

Наиболее близким по технической сущности к рассматриваемому устройству является экстремальный регулятор мощности [3] , в состав которого входит силовой канал, состоящий из основной обмотки дросселя, блока обратных диодов и блоки силовых ключей, а также канал регулирования, включающий в себя датчик Холла, формирователь импульсов в виде параметрического стабилизатора переменного напряжения с дополнительной обмоткой дросселя, преобразователь информации, транзисторный ключ, пороговый элемент на стабилитроне, параллельную RC-цепь и набор резисторов.

При выбранном схемном построении регуляторов величина мощности, поступающей от первичного источника питания в нагрузку, колеблется в окрестности своего максимума.

Большие аппаратные и энергетические затраты в данном устройстве связаны с использованием в нем датчика Холла, размещаемого в немагнитном зазоре дросселя, формирователя импульсов, преобразователя информации, порогового элемента, RC-цепи, диодных и резистивных цепей.

Сущность предлагаемого изобретения: устройство содержит источник питания 1 постоянного тока с внутренним сопротивлением 2, нагрузку 3, блок силовых ключей 4, дроссель 5, блок обратных диодов 6, транзистор-усилитель 7, транзистор-нелинейное сопротивление 8, резисторы 9, 10. Такое построение регулятора мощности позволяет существенно уменьшить аппаратные затраты при его построении и улучшить его удельные энергетические характеристики. Это обеспечивается за счет использования элементов силового канала в качестве элементов канала регулирования; за счет использования интегрирующих и дифференцирующих свойств LR-цепи, состоящей из индуктивности дросселя и внутреннего сопротивления первичного источника питания; за счет исключения из устройства транзистора, сильноточных цепей со стабилитронами, диодами и резисторами, а также дорогостоящих трансформаторов и датчика Холла. Вместо всех этих элементов в устройство дополнительно введено два транзистора 7, 8, работающих в импульсном режиме малых токов и резистивная высокоомная (общее сопротивление 40 кОм) цепь обратной связи из сопротивлений 9, 10.

На фиг. 1 изображена электрическая схема предлагаемого экстремального регулятора мощности, на фиг.2 - диаграммы, поясняющие его работу.

Регулятор мощности содержит источник питания 1 с внутренним сопротивлением 2 (условно выделено на схеме в виде отдельного элемента), нагрузку 3, блок силовых ключей 4, дроссель 5, блок обратных диодов 6, транзистор-усилитель 7, транзистор-нелинейное сопротивление 8, резисторы 9, 10.

Внутреннее сопротивление 2 совместно с дросселем 5 входит в состав времязадающей RL-цепи мультивибратора с интегрирующим контуром, который питается от источника 1 и работает в автоколебательном режиме. Кроме блоков 2 и 5 в состав мультивибратора входят блоки 4, 7, 8, сопротивления 9 и 10.

Условно мультивибратор можно считать каналом регулирования. При этом некоторые элементы его входят в состав силового канала, включающего в себя внутреннее сопротивление 2, блок силовых ключей 4, дроссель 5, блок обратных диодов 6.

Блоки транзисторов 4, 7, 8 совместно с сопротивлением 2 и дросселем 5 образуют усилитель постоянного тока, охваченный с помощью резистивного делителя из сопротивлений 9, 10 положительной обратной связью (ПОС). Убедиться в этом можно на следующем примере: при возрастании напряжения в точке "с" (фиг. 1) транзистор 7, работая как усилительный каскад в схеме с общим эмиттером, начинает закрываться, а транзистор 8 - открываться. Транзистор 8 играет роль нелинейной нагрузки транзисторного каскада 7. Напряжение на коллекторах этих транзисторов понижается, что приводит к закрыванию транзистора 4 и к увеличению напряжения на его коллекторе (точка "б"). В итоге напряжение в точке "с" еще больше возрастает.

Аналогично снижение напряжения в точке "с" приводит к понижению напряжения на коллекторе транзистора 4 (точка "б"), что еще более снижает напряжение в точке "с".

Следовательно, условно можно считать вход "с" неинвертирующим входом усилителя с выходом в точке "б", а делитель напряжения на сопротивлениях 9, 10 - цепью ПОС.

Если в качестве второго входа усилителя рассматривать вход "а", то можно заметить, что увеличение напряжения в точке "а" (U_a) приводит к открыванию транзисторов 4, 7. А за счет цепи обратной связи 9, 10 это обеспечивает закрывание транзистора 8. В итоге напряжение на выходе усилителя (точка "б") убывает.

И, наоборот, снижение величины U_a приводит к увеличению напряжения на выходе усилителя.

Вход "a" условно можно считать инвертирующим входом усилителя, реагирующим на переменную составляющую напряжения в этой точке, так как сопротивление дросселя 5 проявляется только на переменном токе.

Рассматриваемый усилитель в совокупности с цепью ПОС образует гистерезисный компаратор, формирующий неоднозначную характеристику "вход-выход" и сравнивающий два напряжения U_a и U_c, где U_c - напряжение в точке "c". Если U_c < U_a, то выходное напряжение компаратора (в точке "б") мало и определяется падением напряжения U0σ

на открытом транзисторе 4. Блок обратных диодов 6 при этом закрыт.

Если же U_c > U_a, то на выходе компаратора устанавливается высокий уровень напряжения U1σ

, близкий по своему значению к напряжению на нагрузке 3, так как блок обратных диодов при этом оказывается открытым.

Величина напряжения U_c определяется произведением
U_c= γU_σ
где
- коэффициент передачи цепи обратной связи из сопротивлений 9, 10 выбирается таким образом, чтобы, с одной стороны, величина γU1σ

была несколько больше того напряжения СБ, при котором обеспечивается режим максимальной передачи мощности в нагрузку, а с другой стороны, чтобы произведение γU1σ не превышало максимально возможное значение напряжения на выходе СБ.

Рассмотрим работу устройства. Предполагаем, что в момент времени t_l (фиг.2) устанавливается режим работы, при котором U_c > U_a и транзисторы 7, 4 переходят из открытого состояния в закрытое - на выходе компаратора устанавливается высокий уровень напряжения U1σ

(фиг.2б). Напряжение на выходе интегрирующей RL-цепи (точка "a", фиг.1) начинает возрастать, асимптотически стремясь к значению U1σ , однако в момент времени t₂ оно начинает превышать напряжение U_c= γU1σ. Транзистор 7 начинает открываться совместно с транзистором 4. За счет цепи ПОС транзистор 8 закрывается, а транзистор 7 еще более открывается. Развивается лавинообразный процесс, в результате которого транзистор 4 быстро переводится в режим насыщения, напряжение на его коллекторе падает до величины U0σ. , а в точке "с" - до величины γU0σ.
Ток дросселя 5 начинает возрастать - напряжение на выходе интегрирующего контура падает, асимптотически стремясь к значению U0σ . Но в некоторый момент времени t₃ оно становится меньше значения U_c= γU0σ (U_a < U_c) - компаратор изменяет свое состояние, и весь процесс повторяется. В системе возникают периодические колебания.

Напряжение в точке "а" (фиг.1) задает положение рабочей точке СБ на ее выходной вольт-амперной характеристике (BAX). А в соответствии с принципом действия мультивибратора напряжение U_a в момент коммутации совпадает с величиной напряжения U_c, которое в свою очередь составляет произведение U_c= γU1σ

.
Величина γ , как уже отмечалось, выбирается таким образом, чтобы рабочая точка СБ в момент коммутации оказывалась бы несколько выше точки максимальной отдачи мощности в нагрузку, то есть точки максимального перегиба BAX источника питания.

Замыкание блока ключей 4, кроме того, приводит к появлению тока источника 1, который протекает от положительного полюса к отрицательному через внутреннее сопротивление 2 и дроссель 5. При этом ток дросселя 5 начинает возрастать во времени, что обуславливает увеличение падения напряжения на внутреннем сопротивлении 2 источника - рабочая точка СБ смещается вниз по ее BAX. Начинается процесс ограничения выходного тока источника питания за счет увеличения тока нагрузки.

Рабочая точка СБ проходит по BAX точку максимального отбора мощности и в соответствии с принципом действия мультивибратора достигает значения γU0σ

- блок ключей 4 закрывается и компаратор изменяет свое состояние, обеспечивая на выходе (в точке "б") напряжение U1σ. Противо-ЭДС индуктивности дросселя 5 резко возрастает и, суммируясь с напряжением источника 1, открывает блок обратных диодов 6. Индуктивность начинает расходовать накопленный заряд, отдавая ток в нагрузку. По мере спада напряжения противо-ЭДС возрастает напряжение U_a на выходе источника. Рабочая точка СБ смещается вверх по BAX до тех пор, пока начнет выполняться неравенство U_a>γU1σ. То есть рабочая точка вновь проходит по BAX точку максимального отбора мощности.

Таким образом, периодические колебания мультивибратора обусловливают колебания рабочей точки СБ в окрестности точки максимального перегиба BAX. При этом как результат изменения выходного тока и напряжения источника питания l изменяется и выходная мощность источника в области ее максимального значения. Диапазон изменения выходной мощности задается величиной коэффициента передачи γ цепи обратной связи.

Достаточно четкому выделению точки максимального перегиба BAX источника питания 1 способствует то обстоятельство, что по отношению к источнику 1 рассматриваемая RL-цепь является дифференцирующей цепью. И всякое изменение тока J_L источника (блоки 1, 2) вызывает пропорциональное изменение напряжение на индуктивности L дросселя 5 (то есть в точке "a"):

В рассматриваемом экстремальном регуляторе мощности оптимальный режим работы сочетается с простотой конструкции, не требующей применения трансформаторов, датчика Холла и сильноточных цепей со стабилитронами, и предопределяет минимальные затраты мощности на обеспечение необходимого режима работы.

Сущность: экстремальный регулятор мощности, предназначенный для применения в автономных системах электроснабжения с нерегулируемым первичным источником постоянного тока ограниченной мощности, позволяет существенно снизить аппаратные затраты на его реализацию и улучшить удельные энергетические характеристики. Для этого в устройство, содержащее блок силовых ключей и последовательно соединенные источник питания со своим внутренним сопротивлением, обмотку дросселя, блок обратных диодов и нагрузку, дополнительно введена цепь положительной обратной связи, состоящая из двух последовательно соединенных резисторов и включенная между общей шиной и выводом общим для обмотки дросселя, блоки силовых ключей и блока обратных диодов. Введены также транзистор-усилитель и транзистор-нелинейное сопротивление, коллекторы которых подключены к управляющему входу блока силовых ключей, а базы - к общему выводу сопротивлений, являющемуся выходом цепи положительной обратной связи. Эмиттер транзистора-усилителя подключен к выходному сопротивлению источника питания, и эмиттер транзистора-нелинейного сопротивления - к общей шине. 2 ил.

Экстремальный регулятор мощности, содержащий блок силовых ключей и последовательно соединенные источник питания со своим внутренним сопротивлением, обмотку дросселя, блок обратных диодов и нагрузку, причем другими своими выводами источник питания и нагрузка подключены к общей шине, а блок силовых ключей включен между общей шиной и выводом, общим для обмотки дросселя и блока обратных диодов, отличающийся тем, что в него введена цепь положительной обратной связи, состоящая из двух последовательно соединенных резисторов и включенная между общей шиной и выводом, общим для обмотки дросселя, блока силовых ключей и блока обратных диодов, а также транзистор-усилитель и транзистор-нелинейное сопротивление, коллекторы которых подключены к управляющему входу блока силовых ключей, а базы подсоединены к общему выводу резисторов, являющемуся выходом цепи положительной обратной связи, эмиттер транзистора-усилителя подсоединен к выводу, общему для внутреннего сопротивления источника питания и обмотки дросселя, а эмиттер транзистора-нелинейного сопротивления подключен к общей шине.