СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ Российский патент 2001 года по МПК G01F1/66 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах вторичного электропитания.

Известен способ регулирования мощности, в котором фиксируются параметры, характеризующие условия эксплуатации источника питания, и обработки этих параметров с учетом математического описания вольтамперной характеристики источника питания (авторское свидетельство СССР N 1746271 А1, МПК⁵ G 05 F 1/66, 1992).

Недостатком этого способа является временная нестабильность поддержания точки экстремума из-за изменения параметров источников питания, а также большого числа дополнительно влияющих факторов, например при применении солнечной батареи в качестве источника питания в предлагаемом способе фиксируют температуру и освещенность, но не учитывают загрязненность поверхности, старение и частичный выход элементов солнечной батареи из строя и т.д., что приводит к дополнительным потерям энергии.

Наиболее близким к изобретению является способ регулирования мощности, потребляемой от источника питания постоянного тока, реализованный в устройстве, описанном в авторском свидетельстве СССР N 1251048, кл. G 05 F 1/66, 1985. Способ регулирования основан на определении первой производной мощности, вычислении значения мгновенной мощности источника питания и поддержании нулевого уровня производной, соответствующего максимальному значению мощности.

Недостатком способа является сложность реализации и низкая технологичность.

Технической задачей предлагаемого способа является обеспечение экстремального регулирования мощности.

Это достигается тем, что в известном способе регулирования мощности, заключающемся в импульсном регулировании тока импульсным регулятором и вычислении значения мгновенной мощности источника питания, из вычисленного значения мгновенной мощности источника питания выделяют переменную составляющую мощности, из напряжения источника питания выделяют его переменную составляющую, перемножают выделенные переменные составляющие и интегрируют полученное произведение, осуществляя управление импульсным регулятором, обеспечивающим импульсное регулирование тока.

Существо изобретения пояснено чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема регулятора, реализующего предлагаемый способ, на фиг. 2 показан закон изменения мощности, выделяемой в нагрузке в зависимости от тока или напряжения нагрузки.

Любой источник обладает некоторой зависимостью i=f(u). Если функция p(u)=u·i=u·f(u) имеет один максимум, непрерывна и непрерывно дифференцируема во всем рабочем диапазоне источника, то можно утверждать, что у такого источника можно однозначно определить точку экстремума мощности.

Разложим функцию p(u)=u·f(u) в ряд Тейлора вблизи точки

где среднее значение напряжения на источнике.

Из этого ряда видно, что его второй член обращается в нуль только в том случае, если мы находимся в точке экстремума. А так как первая производная в этой точке меняет знак, то можно судить о местонахождении относительно экстремума мощности.

Устройство, реализующее данный способ, содержит регулятор 1 включенный между источником питания 2 и нагрузкой 3 и содержащий датчик тока 4, один выход которого соединен с вычислителем мгновенной мощности 5, потребляемой от источника 2. Вычислитель мгновенной мощности 5 через фильтр верхних частот 6 подключен к первому входу умножителя 7, второй вход которого через фильтр верхних частот 8 соединен с источником питания 2, выход умножителя 7 подключен к интегратору 9, соединенному с импульсным регулятором 10, который и соединен с нагрузкой 3. Параллельно к источнику 2 подключена батарея конденсаторов 11.

Регулятор мощности, реализующий предлагаемый способ работает следующим образом.

При подключении источника 2 и нагрузки 3 запускается импульсный модулятор блока 10. Периодическое включение ключей этого блока 10 обеспечивает импульсное регулирование тока источника питания 2, причем в интервале отбора энергии импульсным регулятором 10 напряжение на конденсаторах 11 падает, а в момент паузы - нарастает, образуя тем самым форму напряжения близкую к пилообразной.

Изменение тока источника 2 приводит к соответствующему изменению напряжения источника за счет увеличения или уменьшения падения напряжения на его внутреннем сопротивлении. Одновременно изменяется выходная мощность источника 2 как результат изменения его тока и напряжения. Поскольку с импульсным регулированием связаны циклические изменения тока и напряжения, то и выходная мощность изменяется тоже в некотором диапазоне. В зависимости от скважности переключения ключей блока 10 в установившемся циклическом режиме работы этот диапазон может занимать по отношению к экстремуму (фиг. 2) различные положения: располагаясь левее - режим недогрузки источника (диапазон a-b), правее - режим перегрузки (диапазон e-f) или симметрично - экстремум мощности (диапазон c-d).

Беспоисковое совмещение диапазона изменения мощности источника с его экстремальным значением в предлагаемом регуляторе достигается за счет работы вычислителя мощности 5, фильтров 6 и 8, перемножающего устройства 7 и интегратора 9, управляющего импульсным модулятором блока 10.

Напряжение на выходе датчика тока 4 прямо пропорционально току, отдаваемому источником. Сигнал с датчика тока 4 мощности 5 вместе с напряжением на источнике поступают на вычислитель мощности. Таким образом, на выходе вычислителя получается сигнал, пропорциональный мгновенному значению выходной мощности источника.

Сигнал с выхода вычислителя мощности 5 подается на фильтр верхних частот 6, который отфильтровывает постоянную составляющую сигнала. Далее переменную составляющую подают на умножитель 7, где она умножается на переменную составляющую напряжения на источнике (u - ), которая получается при помощи фильтра верхних частот 8. Таким образом, второй член ряда Тейлора становится знакопостоянным и путем дальнейшего интегрирования интегратором 9 можно осуществлять управление импульсным регулятором 10 так, чтобы разность (u - ) стремилась к 0, что обеспечивает экстремальное регулирование мощности. Третий член ряда Тейлора знакопеременный и его среднее значение за период тактового цикла импульсного регулятора 10 равно нулю. Все последующие составляющие ряда практически никакого влияния на определение точки экстремума не оказывают ввиду своей малости по сравнению со вторым.

В момент запуска регулятора 1 ток от источника 2 начинает нарастать и мы оказываемся на начальном участке кривой мощности с колебаниями от i₁ до i₂. При этом устанавливаются колебания мощности в диапазоне a-b. Сигнал с выхода умножителя 7 интегрируется интегратором 9 и изменяет скважность импульсного преобразователя 10 так, что ток потребления изменяется вплоть до достижения точки экстремума мощности. Точке экстремума соответствуют колебания тока от i₃ до i₄ и колебания мощности в диапазоне c-d. Величина колебаний зависит от величины емкости батареи конденсаторов 11. Емкость выбирается из условия уменьшения пульсаций по мощности, но в то же время она не должна сильно демпфировать колебания напряжения и тока источника.

Если по какой-либо причине колебание тока происходит между пунктами i₅ и i₆ (диапазон e-f), то сигнал с умножителя 7 приводит к изменению выходного напряжения интегратора 9 в противоположную сторону и опять достигается режим экстремума мощности.

При экстремальном регулировании мощности автоматически устанавливается режим работы, при котором выходная мощность, потребляемая от источника, максимальна. Для установления такого режима не требуется длительных поисковых движений регулятора или характеристик источников, не нужны измерения освещенности, температуры и других параметров. Достаточно свести к нулю среднее значение первой производной мощности источника.

Изобретение может быть использовано в системах вторичного питания. Способ обеспечивает экстремальное регулирование мощности. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит регулятор 1, включенный между источником питания 2 и нагрузкой 3 и включающий датчик тока 4, вычислитель мгновенной мощности 5, потребляемой от источника 2, сигнал с которого через фильтр верхних частот 6 подается на первый вход умножителя 7, на второй вход которого через фильтр верхних частот 8 подаются пульсирующие напряжения источника питания 2, выходной сигнал умножителя 7 подается на интегратор 9, соединенный с импульсным регулятором 10. При подключении источника 2 и нагрузки 3 запускается импульсный регулятор 10. Периодическое включение ключей этого блока обеспечивает импульсное регулирование тока источника питания 2, причем в интервале отбора энергии импульсным регулятором 10 напряжение на конденсаторах 11 падает, а в момент паузы нарастает, образуя тем самым форму напряжения, близкую к пилообразной. Напряжение на выходе датчика тока 4 прямо пропорционально току, отдаваемому источником. Сигнал с датчика тока 4 вместе с напряжением на источнике 2 поступает на вычислитель мощности 5, поэтому на его выходе получается сигнал, пропорциональный мгновенному значению выходной мощности источника. Технический результат - обеспечение экстремального регулирования мощности. 2 ил.

Способ регулирования мощности, заключающийся в импульсном регулировании тока импульсным регулятором, вычислении значения мгновенной мощности источника питания, отличающийся тем, что из вычисленного значения мгновенной мощности источника питания выделяют переменную составляющую мощности, из напряжения источника питания выделяют его переменную составляющую, перемножают выделенные переменные составляющие и интегрируют полученное произведение, осуществляя управление импульсным регулятором, обеспечивающим импульсное регулирование тока.