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

Описание патента на изобретение RU2210101C2

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 Uхх этой батареи:
Uм=K•Uхх.

Здесь Uм - 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 Uc, определяющего положение диапазона отключения рабочей точки регулятора относительно точки экстремума Uм, зависит от коэффициента передачи цепи обратной связи γ и напряжения Uв в точке b:
Uc = γUв.
При открытом состоянии диода 6 величина Uв1 задается напряжением Uн на нагрузке (отличается от Uн только падением напряжения на открытом диоде и практически не зависит от Uхх).

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 Uхх. Совместно с широтно-импульсным модулятором эти устройства позволяют управлять выходной мощностью инвертора, поддерживая с определенной точностью напряжение на выходе СБ равным Uм, 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 Uхх. 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.

Похожие патенты RU2210101C2

название год авторы номер документа
СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ САЛОНА АВТОМОБИЛЯ 2004
  • Карабанов Сергей Михайлович
  • Гармаш Юрий Владимирович
  • Ясевич Виктор Игоревич
  • Пономарёва Ирина Ивановна
RU2270104C1
СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА ПОМЕЩЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА 2001
  • Гармаш Ю.В.
  • Карабанов А.С.
  • Ясевич В.И.
  • Соломенко А.Н.
  • Андрук М.Ю.
RU2211156C2
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ОТОПИТЕЛЯ САЛОНА АВТОМОБИЛЯ 2004
  • Карабанов Сергей Михайлович
  • Гармаш Юрий Владимирович
  • Ясевич Виктор Игоревич
  • Папанов Павел Александрович
  • Андрук Михаил Юрьевич
RU2270764C2
КОРРЕКТОР КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ 2014
  • Харитонов Владимир Дмитриевич
RU2560103C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ 1993
  • Талалаев Н.В.
  • Бычков О.В.
  • Никитин А.А.
  • Школьников Э.М.
RU2049356C1
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОВЕНТИЛЯТОРОМ ОХЛАЖДЕНИЯ РАДИАТОРА ДВИГАТЕЛЯ С ПЛАВНОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ 2002
  • Карабанов С.М.
  • Ясевич В.И.
  • Соломенко А.Н.
  • Гармаш Ю.В.
  • Андрук М.Ю.
RU2229985C2
СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ САЛОНА АВТОМОБИЛЯ 2005
  • Карабанов Сергей Михайлович
  • Невдах Михаил Александрович
  • Айзенцон Александр Ефимович
  • Гармаш Юрий Владимирович
  • Ясевич Виктор Игоревич
RU2304525C2
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ОТОПИТЕЛЯ САЛОНА АВТОМОБИЛЯ 2004
  • Карабанов Сергей Михайлович
  • Гармаш Юрий Владимирович
  • Ясевич Виктор Игоревич
  • Сажин Борис Николаевич
RU2269428C1
ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЙ АППАРАТ 2001
  • Никитинский Л.П.
  • Ткачев С.А.
RU2216884C2
СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СЕТЕВОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ 2011
  • Есин Виктор Алексеевич
  • Лескович Юрий Юрьевич
  • Никулин Сергей Васильевич
RU2457602C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 210 101 C2

Реферат патента 2003 года ЭКСТРЕМАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ

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.

Формула изобретения RU 2 210 101 C2

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2003 года RU2210101C2

ЭКСТРЕМАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ 1996
  • Карабанов С.М.
  • Симкин В.В.
RU2117983C1
СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ МОЩНОСТИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ БАТАРЕИ 1995
  • Гордеев К.Г.
  • Черданцев С.П.
  • Шиняков Ю.А.
RU2101831C1
US 5086267 A, 04.02.1992
US 6031736 A, 29.02.2000.

RU 2 210 101 C2

Авторы

Карабанов С.М.

Симкин В.В.

Успенский Н.Г.

Леонтьев Ю.В.

Даты

2003-08-10Публикация

2001-05-07Подача