ЭКСТРЕМАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ Российский патент 2003 года по МПК G05F1/66 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для применения в автономных системах электроснабжения с нерегулируемым первичным источником постоянного тока ограниченной мощности типа солнечной батареи (далее СБ).

Целью предлагаемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей как самого устройства, так и первичного источника энергии.

Известен экстремальный регулятор мощности, потребляемой от источника питания постоянного тока [1]. Его недостатком является большие аппаратные и энергетические затраты, связанные с использованием в нем датчика Холла, размещенного в немагнитном зазоре накопительного дросселя, и неэффективность использования на больших (более 100 Вт) мощностях накопительного дросселя из-за его неизбежного подмагничивания.

Известен источник электропитания постоянного тока [2], содержащий солнечную батарею, соединенную с выводом для подключения нагрузки через экстремальный регулятор мощности с маломощной измерительной группой солнечных элементов в качестве источников опорного напряжения, а экстремальный регулятор мощности выполнен в виде параметрического импульсного стабилизатора напряжения с усилителем сигнала рассогласования, состоящим из последовательно включенных компаратора и интегратора.

Недостатком данного источника питания является сложность, заключающаяся в необходимости иметь дополнительную измерительную группу солнечных элементов, которые должны находиться в тех же температурных условиях и условиях освещенности, что и рабочая группа солнечных элементов, и иметь усредненные от основной группы солнечных элементов технические характеристики, что при больших площадях солнечных батарей и неизбежности изменения ее параметров в течение времени вызывает определенные трудности.

Наиболее близким по техническому решению к рассматриваемому устройству является экстремальный регулятор мощности [3], содержащий блок силовых ключей и последовательно соединенные источник питания со своим внутренним сопротивлением, обмотку дросселя, блок обратных диодов и нагрузку, причем 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 и введенной в него цепью положительной обратной связи, состоящей из двух последовательно соединенных резисторов и включенной 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 подсоединенных к общему выводу резисторов, являющихся 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.

Недостатком данного устройства является его ограниченные эксплуатационные возможности.

Принцип отбора максимальной мощности СБ можно свести [2] к тому, что напряжение на выходе батареи под нагрузкой должно быть пропорционально напряжению холостого хода U_хх этой батареи:
U_м=K•U_хх.

Здесь U_м - напряжение на выходе СБ, при котором обеспечивается режим максимальной мощности на нагрузке. К - коэффициент пропорциональности, значение которого лежит в пределах 0,75-0,8 и определяется типом СБ.

В соответствии с принципом действия устройства [3] величина напряжения U_c, определяющего положение диапазона отключения рабочей точки регулятора относительно точки экстремума U_м, зависит от коэффициента передачи цепи обратной связи γ и напряжения U_в в точке b:
U_c = γU_в.
При открытом состоянии диода 6 величина U_в ¹ задается напряжением U_н на нагрузке (отличается от U_н только падением напряжения на открытом диоде и практически не зависит от U_хх).

При изменении температуры или освещенности СБ в большом диапазоне положение точки экстремума смещается и может выйти из диапазона отклонения рабочей точки регулятора. Условие обеспечения максимальной мощности выполняться не будет.

К аналогичному результату может привести и изменение параметров нагрузки. При изменении параметров нагрузки (например, величины напряжения аккумуляторной батареи) необходимо изменить величину коэффициента передачи γ.

Существенно снижает эксплутационные возможности устройства и однотактный принцип построения его выходного каскада (силовой ключ 4 и дроссель 5). Из-за неизбежного подмагничивания дросселя снижается эффективность использования объема его железа и существенно уменьшается допустимая величина выходной мощности регулятора.

Целью предлагаемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей как самого устройства, так и первичного источника энергии. Предлагается экстремальный регулятор мощности, содержащий источник питания со своим внутренним сопротивлением и нагрузку, отличающийся тем, что он содержит инвертор, кроме того, дополнительно введен датчик среднего значения напряжения, датчик напряжения холостого хода, широтно-импульсный модулятор, блок обратной связи, управляемый генератор и накопительный конденсатор, причем датчик среднего значения напряжения и датчик напряжения холостого хода первым и вторым входами подключены к плюсу и минусу источника питания, а выходы соединены соответственно с первым и вторым входами широтно-импульсного модулятора, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входом инвертора, силовой вход инвертора подключен к источнику питания, а его выход соединен с нагрузкой, кроме того, первый и второй выходы широтно-импульсного модулятора соединены с первым и вторым выходом блока обратной связи, выход блока обратной связи соединен с управляющим входом генератора, выход которого соединен с отключающим входом широтно-импульсного модулятора, а накопительный конденсатор включен параллельно источнику питания.

Замена силовых ключей и дросселя на инвертор, представляющий собой двухтактный высокочастотный трансформаторный преобразователь, дает возможность использовать регулятор при работе с СБ малой (несколько ватт), средней и большой мощности (до нескольких киловатт). Применение трансформаторного каскада, кроме того, позволяет согласовывать СБ высокого выходного напряжения с низковольтной нагрузкой, рассчитанной на большой выходной ток. Такой регулятор, например, можно использовать для согласования высоковольтной СБ с низковольтным аккумулятором большой емкости.

Датчик среднего значения напряжения формирует сигнал, пропорциональный среднему значению выходного напряжения СБ. Датчик напряжения холостого хода, представляющий собой пиковый детектор, позволяет фиксировать и сохранять в течение определенного времени сигнал, пропорциональный значению U_хх. Совместно с широтно-импульсным модулятором эти устройства позволяют управлять выходной мощностью инвертора, поддерживая с определенной точностью напряжение на выходе СБ равным U_м, при установившихся на данный момент времени условиях освещенности, температуры и сопротивления нагрузки, что также расширяет эксплуатационные возможности экстремального регулятора.

Введение блока обратной связи, накопительного конденсатора и управляемого генератора позволяет кратковременно отключать широтно-импульсный модулятор и прерывать работу инвертора, создавая при этом для СБ режим холостого хода. Напряжение на выходе возрастает, что позволяет пиковому детектору фиксировать его как текущее значение U_хх. Кроме того, управляемый генератор позволяет продолжить передачу энергии в нагрузку при очень малой освещенности СБ, когда мощность, генерируемая СБ, сравнима с непрерывно потребляемой мощностью инвертора на холостом ходу. При этом во время блокировки инвертора накопительная емкость заряжается через большое внутреннее сопротивление СБ, а затем кратковременно отдает энергию через инвертор в нагрузку. Все это значительно расширяет эксплуатационные возможности экстремального регулятора мощности и СБ.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в устройство дополнительно введены датчик среднего значения напряжения, датчик напряжения холостого хода, широтно-импульсный модулятор, блок обратной связи, управляемый генератор, накопительный конденсатор. Заявляемое устройство отличается от прототипа не только вновь введенными элементами, но и связями между элементами схемы, что позволяет сделать вывод о соответствии данного технического решения критерию "новизна".

Сопоставительный анализ с другими техническими решениями позволяет сделать вывод, что предлагаемое техническое решение позволяет осуществлять с большей точностью отбор от СБ максимально возможной мощности в более широком диапазоне изменения освещенности, температуры, сопротивления нагрузки, а также работать с СБ высокого напряжения и низковольтными нагрузками большой мощности.

Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Устройство содержит (см. фиг.1) солнечную батарею 1 со своим внутренним сопротивлением 2, нагрузку 3, подключенную к выходу инвертора 4, выполненного по схеме PUSH-PULL и состоящего из высокочастотного трансформатора 5, первый и второй выводы первичной обмотки которого соединены со стоками полевых транзисторов 6 и 7, а средняя точка соединена с плюсом СБ 1, вторичная обмотка трансформатора 5 через выпрямитель 8 и фильтр 9 соединена с нагрузкой 3.

Устройство содержит также датчик среднего значения напряжения 10, представляющий собой детектор среднего значения и состоящий из последовательно соединенных диода 11, делителя напряжения на резисторах 12, 13 и конденсатора 14 и датчик напряжения холостого хода 15, представляющий собой амплитудный детектор и состоящий из последовательно соединенных между собой диода 16 и резистора 17 с параллельно включенным к нему конденсатором 18.

Входы датчика среднего значения напряжения 10 и датчика напряжения холостого хода 15 соединены соответственно с плюсом и минусом СБ 1, а выходы - с первым и вторым входами широтно-импульсного модулятора (далее ШИМ) 19, выполненного на многофункциональной микросхеме КР 1114 ЕУ4, которая включает в себя все необходимые устройства для получения на первом и втором выходах ШИМ прямоугольных импульсов, длительность которых изменяется от нуля до максимума под воздействием сигналов рассогласования, поступающих на первый и второй входы ШИМ. Кроме того, микросхема имеет отключающий вход, при воздействии на который блокируется работа ШИМ полностью. Первый и второй выходы ШИМ 19 соединены с затвором транзисторов 6 и 7 инвертора 4 и с первым и вторым выходом блока обратной связи 20, представляющим собой детектор среднего значения и состоящий из резисторов 21, 22, 23, диодов 24, 25 и конденсатора 26, причем катоды диодов 24, 25 соединены вместе, а также с параллельно соединенными между собой конденсатором 26 и резистором 23, соединенными также с входом управляющего генератора 27, выполненном на интегральном таймере КР 1006 ВИ1, вход которого соединен с отключающим входом ШИМ 19. Устройство содержит накопительный конденсатор 28, соединенный параллельно выводам СБ 1.

Работу устройства рассмотрим в режиме большой и малой освещенности.

При большой освещенности внутреннее сопротивление СБ 1 имеет относительно небольшую величину, накопительный конденсатор 28 быстро заряжается до напряжения СБ 1, которое подается на вход питания инвертора 4 и ШИМ 19. Одновременно с подачей питания на инвертор 4 на первый и второй вход ШИМ 19 подается напряжение с датчика среднего значения напряжения 10 и датчика напряжения холостого хода 15, соотношение между которыми должно быть как 1: 0,75, что соответствует максимальному отбору мощности от СБ 1 и обеспечивается подбором резисторов 12, 13, 17 и конденсаторов 14 и 18. В результате сравнения этих напряжений на первом и втором выходах ШИМ 19 вырабатываются прямоугольные импульсы вполне определенной длительности, которые управляют работой инвертора 4. Инвертор 4 под воздействием управляющих импульсов, поступающих на затворы полевых транзисторов 6 и 7 преобразует постоянное напряжение от СБ 1 в напряжение необходимой величины для питания нагрузки 3.

Одновременно прямоугольные импульсы с первого и второго выходов ШИМ поступают на блок обратной связи 20, который преобразует их в постоянное напряжение, пропорциональное длительности прямоугольных импульсов, и подает на вход управляемого генератора 27, выполненного на интегральном таймере КР 1006 ВИ1. Таймер имеет вход, изменяющий величину его внутреннего источника опорного напряжения, в результате чего можно изменить частоту и длительность его выходных импульсов, которые затем подаются на отключающий вход ШИМ 19. При этом происходит кратковременное отключение ШИМ 19 и инвертора 4, создавая для СБ 1 режим холостого хода, значение напряжения которого фиксируется и запоминается датчиком напряжения холостого хода 15. Таким образом, в зависимости от напряжения холостого хода СБ 1 и изменений ее внутреннего сопротивления при разных освещенностях изменяется длительность управляющих инвертором 4 импульсов и, соответственно, регулируется напряжение на нагрузке 3, создавая при этом условие поддержания на СБ 1 напряжения, равного оптимальному, при котором в нагрузку отбирается максимально возможная мощность, генерируемая СБ 1. По мере снижения освещенности СБ 1 ее внутреннее сопротивление 2 пропорционально увеличивается, мощность, генерируемая СБ, приближается к мощности, потребляемой инвертором 4 и на холостом ходу, а управляющие импульсы, снимаемые с выходов ШИМ и подаваемые на входы инвертора 4, приближаются к минимально возможной длительности. Одновременно уменьшается и напряжение, снимаемое с выхода блока обратной связи 20, так как оно пропорционально длительности импульсов, подаваемых на его входы. Уменьшение напряжения вызывает изменение режима работы управляемого генератора 27, при этом увеличивается частота генерируемых импульсов и их длительность, определяющая интервалы блокировки ШИМ 19. Все устройство постепенно переходит в режим релаксации, когда мощность отбирается не непрерывно, а отдельными порциями. Длительность блокировки ШИМ 16, а вместе с ним и инвертора 4 определяется временем заряда накопительной емкости 28 через большое внутреннее сопротивление 2 СБ 1. Далее, накопленная в конденсаторе энергия отбирается через инвертор 4 в нагрузку 3. Таким образом, в нагрузку отдается максимальная мощность даже в том случае, когда она сравнима с мощностью, потребляемой самим инвертором 4 на холостом ходу в непрерывном режиме. Передача мощности отдельными порциями приемлема для некоторых видов нагрузки, например для зарядки аккумулятора, который, как правило, и является основной нагрузкой экстремального регулятора мощности. Релаксационный режим работы экстремального регулятора мощности расширяет его эксплуатационные возможности.

Диаграмма работы устройства при большой и малой освещенности приведена на фиг.2а и 2б.

Источники информации
1. Авторское свидетельство SU 1309015, G 05 F 1/66, 1987.

2. Авторское свидетельство SU 1810886, G 05 F 1/66, 1990.

3. Авторское свидетельство RU 2117983, G 05 F 1/66, 1998.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к экстремальным регуляторам мощности. Техническим результатом является расширение эксплуатационных возможностей устройства. Экстремальный регулятор мощности содержит источник питания со своим внутренним сопротивлением, обмотку дросселя, блок обратных диодов и нагрузку, датчик среднего значения напряжения, датчик напряжения холостого хода, широтно-импульсный модулятор, блок обратной связи, управляемый генератор и накопительный конденсатор, причем датчик среднего значения напряжения и датчик напряжения холостого хода первым и вторым входами подключены к плюсу и минусу источника питания, а выходы соединены соответственно с первым и вторым входами широтно-импульсного модулятора, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входом инвертора, силовой вход инвертора подключен к источнику питания, а его выход соединен с нагрузкой. Кроме того, первый и второй входы широтно-импульсного модулятора соединены с первым и вторым выходом блока обратной связи. Выход блока обратной связи соединен с управляющим входом генератора, выход которого соединен с отключающим входом широтно-импульсного модулятора, а накопительный конденсатор включен параллельно источнику питания. 2 ил.

Экстремальный регулятор мощности, содержащий источник питания со своим внутренним сопротивлением и нагрузку, отличающийся тем, что он содержит инвертор, кроме того, дополнительно введен датчик среднего значения напряжения, датчик напряжения холостого хода, широтно-импульсный модулятор, блок обратной связи, управляемый генератор и накопительный конденсатор, причем датчик среднего значения напряжения и датчик напряжения холостого хода первым и вторым входами подключены к плюсу и минусу источника питания, а выходы соединены соответственно с первым и вторым входами широтно-импульсного модулятора, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входом инвертора, силовой вход инвертора подключен к источнику питания, а его выход соединен с нагрузкой, кроме того, первый и второй выходы широтно-импульсного модулятора соединены с первым и вторым входом блока обратной связи, выход блока обратной связи соединен с управляющим входом генератора, выход которого соединен с отключающим входом широтно-импульсного модулятора, а накопительный конденсатор включен параллельно источнику питания.