ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2004 года по МПК H02J1/00 

Изобретение относится к системам электроснабжения на постоянном токе, состоящих из автономных источников электроэнергии, и может быть использовано на подводных и летательных аппаратах, например на самолетах, космических аппаратах и т.п.

Известно устройство для пропорционального распределения нагрузки между параллельно работающими преобразователями [1] , содержащее измерительные трансформаторы тока и датчики тока преобразователей, датчик суммарного тока, блоки сравнения и схемы управления преобразователями, в котором каждый измерительный трансформатор тока преобразователей подключен к датчику суммарного тока через соответствующий датчик тока преобразователей.

Недостатком данного устройства является низкая надежность, в связи с тем, что отказ датчика суммарного тока приводит к тому, что перестает вырабатываться управляющий сигнал преобразователя и выходит из строя сразу все устройство.

Прототипом предлагаемого изобретения является электроэнергетическая система для подводной лодки по патенту РФ [2], содержащая аккумуляторную батарею, потребителей электроэнергии, электрохимический генератор из нескольких энергоблоков-модулей, согласующий преобразователь, разделенный по числу энергоблоков-модулей, датчики тока и общий блок управления, снабженный датчиком напряжения. В упомянутой системе электрохимический генератор подключен к аккумуляторной батарее через согласующий преобразователь, разделенный по числу энергоблоков, включенных параллельно.

Недостатком этой системы является низкая надежность из-за наличия критичного элемента - общего блока управления, когда его отказ приводит к отказу всей системы, несмотря на модульный характер исполнения основных источников электроэнергии и согласующего преобразователя.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и увеличение ресурса работы.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение возможности исключения из системы критичного элемента, которым является общий блок управления, обеспечение автоматического деления суммарного тока нагрузки автономного источника электроэнергии, например электрохимического генератора (ЭХГ) между параллельно работающими модулями, ограничения величины этих токов для предотвращения перегрузок, а также обеспечение стабилизации общего выходного напряжения на выходных электрических шинах после окончания зарядки аккумуляторной батареи, подключенной к выходным шинам, при которой из автономного источника, например из ЭХГ, передается к потребителям электроэнергии максимально возможная мощность.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в известной электроэнергетической системе постоянного тока, содержащей аккумуляторную батарею, потребителей электроэнергии, модули автономного источника электроэнергии, статические согласующие преобразователи, датчики тока и выходные электрические шины, при этом выход каждого модуля автономного источника электроэнергии соединен со входом соответствующего датчика тока, первый выход которого соединен с первым входом статического согласующего преобразователя, а второй - со вторым входом статического согласующего преобразователя, образуя отрицательную обратную связь по току, где выход статического согласующего преобразователя подключен к выходным электрическим шинам, дополнительно в канале каждого модуля автономного источника электроэнергии содержатся источник эталонного напряжения, датчик напряжения, сравнивающее устройство и сумматор ошибок регулирования с насыщением, при этом третий вход каждого статического согласующего преобразователя связан с выходом соответствующего упомянутого сумматора, а входы каждого этого сумматора соединены с выходами каждого сравнивающего устройства, причем оба входа каждого сравнивающего устройства подключены к выходам соответствующего источника эталонного напряжения и соответствующего датчика напряжения, соответственно вход которого подключен к выходным электрическим шинам.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется на фиг.1-4.

На фиг. 1 представлена схема заявленной электроэнергетической системы, где:
1 - модули автономного источника электроэнергии;
2 - аккумуляторная батарея;
3 - статические согласующие преобразователи;
4 - выходные электрические шины ("+" и "-");
5 - датчики тока;
6 - датчики напряжения;
7 - сумматоры ошибок регулирования с насыщением;
8 - сравнивающие устройства;
9 - источники эталонного напряжения;
10 - потребители электроэнергии.

На фиг. 2 изображена вольт-амперная характеристика идеального источника напряжения.

На фиг. 3 изображена вольт-амперная характеристика идеального источника тока.

На фиг.4 изображена вольт-амперная характеристика электроэнергетической системы после охвата каждого статического согласующего преобразователя обратными связями по току и по напряжению.

На фиг. 1 можно видеть, что каждый модуль автономного источника электроэнергии (1), например ЭХГ, подключен к датчику тока (5), первый выход которого соединен с первым входом статического согласующего преобразователя (3), а второй - со вторым входом статического согласующего преобразователя (3), образуя отрицательную обратную связь по току. Выход статического согласующего преобразователя (3) подключен к выходным электрическим шинам (4), с которыми связана также аккумуляторная батарея (2) и потребители электроэнергии (10).

В канале каждого модуля автономного источника электроэнергии (1) имеется датчик напряжения (6), вход которого связан с выходными электрическими шинами (4), а выход - с первым входом сравнивающего устройства (8). Второй вход сравнивающего устройства (8) связан с выходом соответствующего источника эталонного напряжения (9). Выход каждого сравнивающего устройства (8) связан со входом каждого сумматора ошибок регулирования с насыщением (7) (выполненного, например, на операционном усилителе), выход которого подключен к третьему входу по напряжению соответствующего статического согласующего преобразователя (3), образуя обратную связь по напряжению.

Электроэнергетическая система работает следующим образом (на примере электроэнергетической системы подводного аппарата с применением в качестве автономного источника электроэнергии электрохимического генератора, состоящего из параллельных модулей).

Функционирование каждого модуля автономного источника электроэнергии (1), например каждого модуля ЭХГ, начинается после подачи импульсной команды на включение соответствующего статического согласующего преобразователя (3). После подачи команды статический согласующий преобразователь (3) активизируется и начинает перекачивать электроэнергию из модуля автономного источника электроэнергии (1) на выходные электрические шины (4). До включения каждый модуль автономного источника электроэнергии (1) можно условно отнести к разряду источников напряжения, поскольку будучи нагруженным на индивидуальную резистивную нагрузку он имеет выходную вольт-амперную характеристику, близкую к представленной на фиг.2. Поскольку в электрической цепи каждого модуля автономного источника электроэнергии (1), предусмотрен датчик тока (5), выход которого связан со вторым (управляющим по току) входом статического согласующего преобразователя (3) и образует контур отрицательной обратной связи по току, модуль автономного источника электроэнергии (1) совместно со статическим согласующим преобразователем (3) превращается в источник тока с выходной вольт-амперной характеристикой, близкой к представленной на фиг.3.

Поскольку в канале каждого модуля автономного источника электроэнергии (1) имеется датчик напряжения (6), образующий для каждого статического согласующего преобразователя (3) обратную связь по напряжению, то каждый модуль автономного источника электроэнергии (1) совместно с соответствующим статическим согласующим преобразователем (3), будучи нагруженным на резистивную нагрузку вне системы, превращаются в источник электроэнергии с выходной вольт-амперной характеристикой, показанной на фиг.4.

При наличии в электроэнергетической системе аккумуляторной батареи (2) в неполностью заряженном состоянии напряжение на выходных электрических шинах (4) будет определять аккумуляторная батарея (2). Если аккумуляторная батарея (2) в рассматриваемый момент времени будет полностью заряженной, в статический согласующий преобразователь (3) необходимо подать внешнюю команду, по которой выходное напряжение модуля автономного источника электроэнергии (1) понижается до некоторого уровня, при котором заряд аккумуляторной батареи (2) прекращается, а напряжение на выходных электрических шинах (4) будет при подключенных потребителях (10) стабилизироваться с помощью ССП (3). Аккумуляторная батарея (2) в это время не заряжается и не разряжается.

Рассмотрим совместную работу нескольких модулей автономного источника электроэнергии (1). В этой ситуации на вход каждого сумматора ошибок регулирования с насыщением (7), входящего в канал каждого модуля автономного источника электроэнергии (1) поступают сигналы от сравнивающих устройств (8) всех модулей автономного источника электроэнергии (1). Каждый сумматор ошибок регулирования с насыщением (7) производит алгебраическое сложение всех ошибок регулирования, но поскольку имеет выходную характеристику с насыщением (т. е. с ограничением выходного сигнала), например, при выполнении на операционном усилителе, то регулирующее воздействие, выработанное на его выходе, будет определяться только линейной частью сумматора ошибок регулирования с насыщением, следовательно, оно будет равно некоторой среднедискретной величине. Эта величина определяет одно общее для всех модулей автономного источника электроэнергии (1) выходное напряжение, а суммарный ток нагрузки делится поровну между всеми модулями автономного источника электроэнергии (1).

Вследствие введения в канал каждого модуля автономного источника электроэнергии (1) соответствующих датчиков напряжения (6), источников эталонного напряжения (9), сравнивающих устройств (8) и сумматоров ошибок регулирования с насыщением (7) существенно повышается надежность системы. Отказ одного или нескольких (до N-1) датчиков напряжения (6), источников эталонного напряжения (9) или сравнивающих устройств (8) не вызывает отклонений в работе ни одного модуля автономного источника электроэнергии (1) или соответствующего статического согласующего преобразователя (3), поскольку при уменьшении числа слагаемых на входе сумматоров ошибок регулирования с насыщением (7) из-за наличия зоны насыщения на выходе упомянутых сумматоров (7) всегда будет присутствовать управляющее воздействие. Больше того, при отказе нескольких датчиков тока (5), образующих контуры отрицательной обратной связи по току для каждого модуля автономного источника электроэнергии (1), выравнивание токов между этими модулями не прекратится, поскольку каждый модуль автономного источника электроэнергии (1) будет обеспечивать на своем выходе прежнюю величину выходного напряжения.

Благодаря введению в канал каждого модуля автономного источника электроэнергии (1) двух контуров обратной связи (по току и по напряжению), каждый модуль автономного источника электроэнергии (1) надежно защищен от перегрузок со стороны потребителей электроэнергии (10) и при возникновении коротких замыканий во внешней цепи. Кроме того, суммарный ток нагрузки делится строго поровну между вышеупомянутыми модулями автономного источника электроэнергии (1), что предотвращает местные перегревы, различия в значениях кпд и различия в режимах работы.

Литература
1. Авторское свидетельство СССР 610283, кл. Н 02 Р 13/16, 1978.

2. Патент РФ 2167783, кл. В 63 G 8/08, В 63 Н 23/24.

Использование: на подводных и летательных аппаратах, например, на самолетах, космических аппаратах и т.п. Технический результат заключается в повышении надежности ресурса работы системы. Электроэнергетическая система постоянного тока содержит аккумуляторную батарею, потребителей электроэнергии, модули автономного источника электроэнергии, статические согласующие преобразователи, датчики тока и выходные электрические шины, к которым подключены аккумуляторная батарея и потребители электроэнергии. В электроэнергетическую систему постоянного тока в канал каждого модуля автономного источника электроэнергии дополнительно введены источник эталонного напряжения, датчик напряжения, сравнивающее устройство и сумматор ошибок регулирования с насыщением, при этом каждый статический согласующий преобразователь связан с соответствующим упомянутым сумматором, а сумматор подключен к сравнивающему устройству, причем оба входа каждого сравнивающего устройства подключены к выходам соответствующего источника эталонного напряжения и датчика напряжения соответственно, который подключен к выходным электрическим шинам. 4 ил.

Электроэнергетическая система постоянного тока, содержащая аккумуляторную батарею, потребители электроэнергии, модули автономного источника электроэнергии, статические согласующие преобразователи, датчики тока и выходные электрические шины, к которым подключены аккумуляторная батарея и потребители электроэнергии, при этом выход каждого модуля автономного источника энергии соединен со входом соответствующего датчика тока, первый выход которого соединен с первым входом статического согласующего преобразователя, а второй - со вторым входом статического согласующего преобразователя, образуя отрицательную обратную связь по току, причем выход статического согласующего преобразователя подключен к выходным электрическим шинам, отличающаяся тем, что в нее в канал каждого модуля автономного источника электроэнергии дополнительно введены источник эталонного напряжения, датчик напряжения, сравнивающее устройство и сумматор ошибок регулирования с насыщением, при этом третий вход каждого статического согласующего преобразователя связан с выходом соответствующего упомянутого сумматора, образуя отрицательную обратную связь по напряжению, а входы каждого этого сумматора соединены с выходами каждого сравнивающего устройства, причем оба входа каждого сравнивающего устройства подключены к выходам соответствующего источника эталонного напряжения и соответствующего датчика напряжения соответственно, вход которого подключен к выходным электрическим шинам.