СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2018 года по МПК H02J3/46 

Изобретение относится к области электротехники, к разделу преобразовательной техники, к системам вторичного электропитания для потребителей большой мощности, а именно к стабилизированным источникам напряжения постоянного тока, включающим несколько параллельно работающих статических преобразователей напряжения, и может быть использовано для зарядки аккумуляторных батарей большой емкости.

Для целей повышения выходной мощности и повышения надежности устройства питания применяются преобразователи постоянного напряжения, работающие параллельно на общую нагрузку с обшей схемой управления, обеспечивающей регулировку номинального выходного напряжения, а также регулировку и стабилизацию тока в режиме зарядки аккумуляторных батарей.

Известно устройство стабилизированного источника напряжения постоянного тока, реализующее способ управления такими источниками напряжения, работающими параллельно на общую нагрузку [1].

Недостатком данного источника напряжения постоянного тока является то обстоятельство, что один из преобразователей (И1) берет на себя функцию стабилизации напряжения нагрузки, поэтому при выходе из строя преобразователя И1 все устройство теряет способность работать с заданной величиной выходного напряжения.

Известен способ реализации параллельной работы статических преобразователей напряжения, основанный на усовершенствованном методе использования падающей нагрузочной характеристики, описанный в [2] и где приведена структурная схема преобразователя напряжения [2, фиг. 7], предназначенного для параллельной работы на общую нагрузку, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и который включает: первичный источник 1, силовой блок преобразователя 2, датчик выходного тока преобразователя 3, делитель напряжения 4, усилитель с изменяемым коэффициентом передачи 5, сумматор 6, усилитель ошибки 7, источник опорного напряжения 8, модулятор 9, генератор пилообразного напряжения 10, нагрузку 11 R_L

В данном устройстве схема управления параллельно работающими преобразователями напряжения обеспечивает достаточно высокую точность распределения тока нагрузки между преобразователями при больших выходных токах преобразователей, близких к номинальному току каждого преобразователя, что, в том числе, повышает надежность их работы, но наличие в способе управления обязательного наклона выходных нагрузочных характеристик каждого из преобразователей напряжения (усилитель с изменяемым коэффициентом передачи 5) при изменении величины тока в нагрузке приводит к изменению величины напряжения на общей нагрузке, снижая точность стабилизации выходного напряжения.

Технической задачей, решение которой достигается изобретением, является повышение точности стабилизации выходного напряжения на общей нагрузке при применении N одинаково управляемых статических преобразователей напряжения.

Это достигается тем, что в стабилизированный источник напряжения постоянного тока, содержащий N параллельно работающих на общую нагрузку статических преобразователей напряжения, каждый из которых включает цепочку последовательно соединенных первичного источника питания, силового блока преобразователя напряжения, датчика выходного тока преобразователя напряжения, делителя напряжения, сумматора напряжения, ко второму входу которого через усилитель с характеристикой экспоненциального вида подключен второй выход датчика тока, усилителя ошибки, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, модулятора, ко второму входу которого подключен генератор пилообразного напряжения, а выход модулятора соединен со вторым входом силового блока преобразователя напряжения, при этом первые выходы датчиков тока каждого из N статических преобразователей напряжения параллельно соединены между собой, в устройство вводится датчик суммарного выходного тока преобразователей напряжения, подключенный входом к первым выходам датчиков выходного тока преобразователей напряжения, первый выход датчика суммарного выходного тока преобразователей напряжения является выходом напряжения устройства для подключения нагрузки, второй делитель напряжения, вход которого соединен с первыми выходами датчиков выходного тока преобразователей напряжения, контроллер, первый вход которого соединен с выходом второго делителя напряжения, второй вход соединен с дополнительно введенным вторым источником опорного напряжения, третий вход соединен со вторым выходом датчика суммарного выходного тока преобразователей напряжения, первый выход контроллера через дополнительно введенную в каждый из N преобразователей напряжения цепочку из последовательно соединенных блока опторазвязки, нормализатора ШИМ (широтно-импульсного модулированного) сигнала, фильтра низких частот соединен с третьим входом сумматора напряжения соответствующего преобразователя напряжения.

В варианте выполнения устройства второй выход контроллера через дополнительно введенный в каждый из N преобразователей напряжения второй блок опторазвязки подключен к входу соответствующего генератора пилообразного напряжения, что позволяет выключать из работы преобразователи напряжения в случае аварийных ситуаций.

Сущность технического решения поясняется чертежом, где представлена структурная электрическая схема предлагаемого устройства и обозначено: 1 - первичный источник питания; 2 - силовой блок преобразователя напряжения; 3 - датчик выходного тока преобразователя напряжения; 4, 12 - делители напряжения; 5, 7 - усилители; 6 - сумматор напряжения; 8, 14 - источники опорного напряжения (ИОН); 9 - модулятор; 10 - генератор пилообразного напряжения; 11 - датчик суммарного выходного тока преобразователей напряжения; 13 - контроллер; 15, 18 - блоки опторазвязки; 16 - нормализатор ШИМ сигнала; 17 - фильтр низких частот (ФНЧ).

Стабилизированный источник напряжения постоянного тока содержит N параллельно работающих на общую нагрузку статических преобразователей напряжения, каждый из которых включает цепочку последовательно соединенных первичного источника питания 1, силового блока преобразователя напряжения 2, датчика выходного тока 3, делителя напряжения 4, сумматора напряжения 6, ко второму входу которого через усилитель с характеристикой экспоненциального вида 5 подключен второй выход датчика выходного тока 3, усилителя ошибки 7, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 8, модулятора 9, ко второму входу которого подключен генератор пилообразного напряжения 10, а выход модулятора 9 соединен со вторым входом силового блока преобразователя напряжения 2, при этом первые выходы датчиков выходного тока 3 каждого из N каналов параллельно соединены между собой.

Устройство содержит также датчик суммарного выходного тока 11 преобразователей напряжения, подключенный входом к выходу датчика выходного тока 3, первый выход датчика суммарного выходного тока 11 является выходом напряжения устройства для подключения нагрузки, второй делитель напряжения 12, вход которого соединен с выходом датчика тока 3, контроллер 13, первый вход которого соединен с выходом делителя напряжения 12, второй вход соединен с источником опорного напряжения 14, третий вход соединен со вторым выходом датчика тока 11. Первый выход контроллера 13 через цепочку в каждом из N преобразователей напряжения из последовательно соединенных блока опторазвязки 15, нормализатора широтно-модулированного сигнала 16, фильтра низких частот 17 соединен с третьим входом сумматора напряжения 6 соответствующего преобразователя напряжения.

В варианте выполнения устройства второй выход контроллера 13 через дополнительно введенный в каждый из N преобразователей напряжения второй блок опторазвязки 18 подключен к входу соответствующего генератора пилообразного напряжения 10.

Схемное выполнение блоков 1-10, 11, 12, 14 аналогично блокам прототипа [2, фиг. 7], за исключением усилителя 5, выполненного на операционном усилителе LMV358D и имеющего амплитудную характеристику коэффициента передачи экспоненциального вида. Контроллер 13 выполнен на микросхеме ATmega128 и реализует функции измерения аналоговых сигналов делителя напряжения 12 и датчика суммарного тока 11 путем сравнения их с напряжением источника опорного напряжения 14, функцию вычисления величины управляющего напряжения по параметрам величины заданного оператором напряжения и/или тока и измеренного напряжения на входе 1 или измеренного напряжения на входе 2, пропорционального величине тока нагрузки, в зависимости от режима работы устройства, реализует функцию формирования управляющего ШИМ сигнала, функцию формирования сигнала на остановку генератора пилообразного напряжения 10 по измеренным аварийным значениям величин напряжения и тока в нагрузке, а также сигнала запуска генератора пилообразного напряжения 10 при включении устройства после калибровки датчика суммарного тока 11, функцию приема/передачи данных от панели управления оператора. Оптронные развязки 15 и 18 выполнены на оптронах 6N137 и TLP181 соответственно. Блок 16 нормализатора ШИМ сигнала выполнен на триггерах Шмитта (микросхема 74НС16). ФНЧ 17 выполнен как RC-фильтр второго порядка на операционном усилителе LMV358D.

Работа устройства состоит в следующем.

Напряжение с выхода 1 силового блока преобразователя напряжения 2 через датчик тока 3 и делитель напряжения 4, пропорциональное величине напряжения нагрузки, поступает на вход 1 сумматора напряжения 6, на вход усилителя 5 от датчика тока 3 поступает напряжение, пропорциональное выходному току преобразователя, которое с выхода усилителя 5 с амплитудной передаточной характеристикой экспоненциального вида поступает на вход 2 сумматора напряжения 6. Одновременно от силового блока преобразователя напряжения 2 напряжение через делитель напряжения 12 поступает на вход 1 АЦП (аналого-цифровой преобразователь) контроллера 13, а на вход 2 - эталонное напряжение от ИОН 14. В результате измерения на выходе АЦП в контроллере 13 определяется цифровое значение измеренного выходного напряжения, которое будет являться напряжением ошибки для дальнейшей работы программного ПИД-регулятора (пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора) контроллера 13 по подстройке величины выходного напряжения до заданного оператором с панели управления (не показано) значения, причем с целью уменьшения времени подстройки, которое в том числе зависит от разницы заданного и установившегося выходного напряжения, производится быстрая предварительная установка управляющего напряжения, соответствующего вычисленной по результатам калибровки устройства «табличной» величине выходного напряжения, после чего запускается программа ПИД-регулятора по подстройке величины выходного напряжения.

Величина вычисленного контроллером управляющего напряжения преобразуется на выходе 1 контроллера 13 в управляющий ШИМ сигнал, коэффициент заполнения которого пропорционален величине вычисленного контроллером управляющего преобразователями напряжения. Далее управляющий ШИМ сигнал, общий для всех N преобразователей, подается через опторазвязку 15 в каждый из N преобразователей. Восстановление параметров ШИМ сигнала по параметрам длительности фронтов и величине напряжения импульсов после опторазвязки, в которой происходит искажение ШИМ сигнала из-за нелинейности ее передаточной характеристики, происходит в узле нормализатора ШИМ сигнала 16. Восстановленный ШИМ сигнал поступает на ФНЧ 16, на выходе которого формируется напряжение управления преобразователем, величина которого одинакова для всех N преобразователей (общее управляющее напряжение), которое затем поступает на третий вход сумматора 6, на выходе которого формируется напряжение ошибки преобразователя, поступающее на усилитель ошибки 7, где происходит его сравнение с напряжением ИОН 8 и получается напряжение, управляющее скважностью импульсов, формирующихся на выходе модулятора 9, которые поступают в силовой блок преобразователя 2, величина выходного тока, а следовательно, и напряжения, которого определяется скважностью управляющих импульсов.

Таким образом, общее управляющее напряжение, формирующееся в виде ШИМ сигнала на выходе 1 контроллера 13 и поддерживающее заданную величину напряжения нагрузки, подается во внутренний контур регулирования каждого преобразователя напряжения, компенсируя изменение выходных напряжений преобразователей, обусловленное наклоном падающей нагрузочной характеристики преобразователей при изменении в широком диапазоне выходных токов преобразователей.

Выходное напряжение каждого преобразователя линейно зависит от величины общего управляющего напряжения и, предусмотрев широкий диапазон изменения последнего, можно реализовать не только стабилизацию выходного напряжения нагрузки, но также реализовать большой диапазон регулировки заданного напряжения нагрузки или регулировку в широком диапазоне тока нагрузки, измеряемого датчиком тока 11, и стабилизацию тока нагрузки в любой точке диапазона регулировки путем регулировки напряжения на нагрузке, например, для реализации алгоритмов зарядки аккумуляторных батарей или для ограничения выходного тока устройства, для предотвращения выхода его за допустимые значения.

Усилитель 5 с характеристикой экспоненциального вида позволяет реализовать более плавный «перегиб» нагрузочной характеристики преобразователя, обеспечивая минимальную разность выходных токов, работающих в параллель преобразователей при токах, близких к номинальным значениям, как и в [2], но меньшую разность токов, чем в [2], при средних (около 0,5 от номинального) значениях выходных токов за счет большей крутизны характеристики, но при этом максимально-возможное изменение напряжения за счет наклона выходной характеристики будет больше чем в [2], но увеличение его компенсируется точностью поддержания напряжения, обеспечиваемой управлением с помощью контроллера.

Генератор пилообразного напряжения 10 преобразователей напряжения дополнен входом запуска/остановки генератора сигналом контроллера 13 через опторазвязку 18, который необходим для остановки (выключения) преобразователей в случае аварийных ситуаций, например токе короткого замыкания в нагрузке (что определяется датчиком тока 11), выхода напряжения нагрузки за диапазон рабочих напряжений устройства из-за увеличения нагрузки на устройство или при выходе напряжения нагрузки за диапазон рабочих напряжений устройства в режиме зарядки аккумуляторных батарей, а также для отключения преобразователей сразу после включения устройства в работу для проведения калибровки датчика тока 11.

Таким образом, предлагаемое устройство реализации параллельной работы статических преобразователей напряжения, основанная на усовершенствованном методе использования падающей нагрузочной характеристики, описанном в [2], позволяет повысить стабильность выходного напряжения путем введения дополнительного управления выходным напряжением устройства, состоящего из N статических преобразователей напряжения, работающих в параллель.

При этом сохраняется свойство прототипа, когда при выходе из строя одного или нескольких преобразователей напряжения устройство остается работоспособным с частичным, пропорционально количеству вышедшим из строя преобразователям, уменьшением номинальной мощности в нагрузке.

Литература

1. SU 2246747 С1. Способ управления статическими стабилизированными источниками напряжения постоянного тока, работающими параллельно на общую нагрузку. Н.И. Бородин, С.А. Харитонов. - Опубл. 20.02.2005, бюл. №5.

2. Jung-Won Kim, Hang-Seok Choi, Bo Hyung Cho, A Novel Droop Method for Converter Parallel Operation. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 17, NO. 1, JANUARY 2002.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к вторичным источникам напряжения постоянного тока. Технический результат - повышение точности стабилизации выходного напряжения на общей нагрузке. Устройство содержит N преобразователей напряжения, каждый из которых включает последовательно соединенные первичный источник питания (1), силовой блок преобразователя напряжения (2), датчик выходного тока (3), делитель напряжения (4), сумматор напряжения (6), второй вход которого через усилитель (5) подключен ко второму выходу датчика тока (3), усилитель ошибки (7), второй вход которого соединен с источником опорного напряжения (8), модулятор (9), ко второму входу которого подключен генератор пилообразного напряжения (10), а выход модулятора (9) соединен со вторым входом силового блока преобразователя (2), при этом первые выходы датчиков выходного тока (3) каждого из N каналов параллельно соединены между собой. Устройство содержит также датчик суммарного выходного тока (11) преобразователей напряжения, подключенный входом к выходу датчика тока (3), первый выход датчика суммарного тока (11) является выходом напряжения устройства для подключения нагрузки, делитель напряжения (12), вход которого соединен с выходом датчика тока (3), контроллер (13), первый вход которого соединен с выходом делителя напряжения 12, второй вход соединен с источником опорного напряжения (14), третий вход соединен со вторым выходом датчика тока (11). Первый выход контроллера (13) через цепочку в каждом из N преобразователей напряжения из последовательно соединенных блока опторазвязки (15), нормализатора широтно-модулированного сигнала (16), фильтра низких частот (17) соединен с третьим входом сумматора напряжения (6). Второй выход контроллера (13) через второй блок опторазвязки (18) в каждом из N преобразователей подключен к входу соответствующего генератора пилообразного напряжения (10). 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Стабилизированный источник напряжения постоянного тока, содержащий N параллельных статистических преобразователей напряжения, работающих на общую нагрузку, каждый из которых включает цепочку, содержащую последовательно соединенные первичный источник питания, силовой блок преобразователя напряжения, датчик выходного тока преобразователя напряжения, делитель напряжения, сумматор напряжения, ко второму входу которого через усилитель с изменяемым коэффициентом передачи подключен второй выход датчика тока, усилитель ошибки, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, модулятор, ко второму входу которого подключен генератор пилообразного напряжения, а выход модулятора соединен со вторым входом силового блока преобразователя напряжения, при этом первые выходы датчиков тока каждого из N преобразователей напряжения параллельно соединены между собой, отличающийся тем, что в устройство введены датчик суммарного выходного тока преобразователей напряжения, подключенный входом к первым выходам датчиков выходного тока N преобразователей напряжения, первый выход датчика суммарного выходного тока является выходом напряжения устройства для подключения нагрузки, второй делитель напряжения, вход которого соединен с выходами датчиков выходного тока N преобразователей напряжения, контроллер, первый вход которого соединен с выходом второго делителя напряжения, второй вход соединен с дополнительно введенным вторым источником опорного напряжения, третий вход соединен со вторым выходом датчика суммарного выходного тока, первый выход контроллера через дополнительно введенную в каждый из N преобразователей напряжения цепочку из последовательно соединенных блока опторазвязки, нормализатора широтно-импульсного модулированного сигнала, фильтра низких частот соединен с третьим входом сумматора напряжения соответствующего преобразователя напряжения.

2. Стабилизированный источник напряжения постоянного тока по п. 1, отличающийся тем, что второй выход контроллера через дополнительно введенный в каждый из N преобразователей напряжения второй блок опторазвязки подключен к входу соответствующего генератора пилообразного напряжения.