СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКОМ ТОКА В ИМИТАТОРЕ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2021 года по МПК H01L31/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в безынерционных электрических имитаторах солнечных батарей (ИБС) на основе источника постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода солнечной батареи (БС), источника напряжения вольтодобавки и источника тока короткого замыкания БС с эквивалентной схемой понижающего преобразователя (ПН) для управления ключами основного и обводного контуров, нулевым контуром, обеспечивающим корректирующую стабилизацию тока в дросселе ПН при сбросах тока нагрузки имитатора БС.

Из описания работы имитатора солнечной батареи по патенту на полезную модель №77695 можно сделать вывод, что способ управления основным и обводным ключами источника тока в имитаторе БС на основе источника постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода БС, источника напряжения вольтодобавки и источника тока короткого замыкания БС, заключается в том, что при сбросе нагрузки ИБС с целью ограничения сброса тока от дросселя в источник постоянного напряжения, контролируют этот ток, и при достижении заданного порога открывают обводной ключ.

Недостатком такого способа является необходимость контролировать пороговое значение тока при малых его значениях в условиях при неблагоприятном отношении сигнал-шум, а также одностороння коррекция темпа спада тока.

Из описания работы имитатора солнечной батареи по патенту на полезную модель №97007 способ управления основным и дополнительным обводным ключами источника тока в имитаторе БС на основе источника постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода БС и источника тока короткого замыкания БС, заключается в том, что относительную длительность γ_осн включенного состояния основного ключа с целью стабилизации тока короткого замыкания ИБС в дросселе ПН регулируют в замкнутом контуре по закону ШИМ с использованием в качестве обратной связи тока Iкз дросселя, а относительную длительность включенного состояния обводного ключа γ_обв регулируют по закону ШИМ на интервале паузы основного ключа в функции отношения величины тока нагрузки Iн к току стабилизации Iкз: γ_обв = 1-(Iн/Iкз).

Недостаток данного способа заключается в усложненной реализации, связанной с применением дополнительного датчика тока и вычислений, повышающих проблемность достижения требуемой точности стабилизации тока.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ управления основным и обводным ключами источника тока в имитаторе БС на основе источника постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода БС, источника напряжения вольтодобавки и источника тока короткого замыкания БС, понятный из описания к патенту на полезную модель №144248 и заключающийся в том, что во время изменения нагрузки ИБС от короткого замыкания до точки максимального отбора мощности вольт-амперной характеристики (ВАХ)

ИБС относительную длительность γ_осн включенного состояния основного ключа регулируют от 0 до 1 при γ_обв = 0, а при изменении нагрузки от точки максимального отбора мощности ВАХ ИБС до холостого хода регулируют относительную длительность включенного состояния обводного ключа γ_обв от 0 до 1 при γ_осн = 1.

Недостатком такого способа является невозможность мгновенного реагирования на резкое изменение нагрузки, связанная с задержками, обусловленными периодом ШИМ-преобразования и применением интегрирующих цепей в усилителе ошибки, необходимых для обеспечения устойчивости при возмущающих воздействиях нагрузки, все это в конечном итоге в динамике приводит к отклонению движения рабочей точки от заданной ВАХ ИБС, а, следовательно, к неполному соответствию имитатора имитируемой солнечной батарее.

Цель изобретения - повышение надежности имитатора солнечной батареи путем уменьшения уровня пульсаций тока короткого замыкания источника тока ИБС при резких сбросах-набросах нагрузки ИБС, в качестве которой, например, может быть использован шунтовый стабилизатор системы электропитания (СЭП) космического аппарата (КА).

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления источником тока в имитаторе солнечной батареи, содержащем источник постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода, источник напряжения вольтодобавки и источник тока короткого замыкания в виде стабилизатора тока короткого замыкания имитатора с дросселем, датчиком тока и с ключами основного и обводного контуров регулирования, заключающемся в том, что коммутацию ключей основного и обводного контуров производят в зоне допуска на отклонение тока от заданного, определяемой заданными допустимыми пульсациями тока, во время изменения нагрузки имитатора от короткого замыкания до точки максимального отбора мощности ВАХ, причем, относительную длительность открытого состояния основного ключа γ_осн источника тока регулируют от 0 до 1 при относительной длительности открытого состояния обводного ключа γ_обв = 0, а при изменении нагрузки от точки максимальной мощности до холостого хода ВАХ регулируют γ_обв от 0 до 1 при γ_осн = 1, а при резких сбросах - набросах нагрузки имитатора БС производят коммутацию основного и обводного ключей во второй расширенной зоне допуска, причем, при сбросе нагрузки и уменьшении величины тока ниже нижнего уровня первой зоны допуска открывают оба упомянутых ключа, а при набросе нагрузки и увеличении величины тока выше верхнего уровня первой зоны запирают оба ключа.

Поставленная цель достигается также тем, что нижняя и верхняя границы второй зоны допуска имеют два уровня, обусловленные гистерезисом, позволяющие при динамическом перерегулировании по закону первой зоны ограничить величину тока в рамках заданного гистерезиса второй зоны.

Далее сущность изобретения поясняется с помощью рисунков, на которых показано: на фиг. 1 представлена функциональная схема имитатора солнечной батареи, на фиг. 2 показана структурная схема устройства реализации предложенного способа управления источником тока короткого замыкания, на фиг. 3, 4 и 5 представлены временные диаграммы формирования коэффициентов заполнения управляемых транзисторных ключей источника тока короткого замыкания.

Имитатор вольт-амперной характеристики солнечной батареи содержит источник напряжения постоянного тока 1, модуль вольтодобавки 2 со стабильным добавочным напряжением, источник постоянного тока в виде стабилизатора тока 3, состоящего из ключей 6 и 7, первого и второго диодов 12 и 13, дросселя 4, а также включающего в себя устройство управления 8 ключами 6 и 7, датчик тока 9, отсекающий диод 14, последовательно включенный управляемый резистор 10 задающий наклон ВАХ на участке напряжения, шунтирующий управляемый резистор 11, задающий наклон характеристики на участке тока.

Устройство управления 8 ключами 6 и 7, реализующее предложенный способ, содержит усилитель ошибки 15, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 16, задающий генератор (ЗГ) 17, первым выходом соединенный со входами тактовой частоты двух счетчиков импульсов (СИ) 18 и 19, а вторым и третьим выходами подключен для синхронизации, соответственно, ко входам сброса счетчиков (СИ) импульсов 18 и 19, формирующих сдвинутые на 180 электрических градусов пилообразные коды. Выходы указанных счетчиков импульсов 18 и 19 подключены к первым входам соответствующих цифровых схем сравнения (ЦСС) 20 и 21, вторые входы которых соединены с выходом АЦП 16. Выход ЦСС 20 подключен к первым входам схем «И» 22 и «ИЛИ» 23, а выход ЦСС 21 соединен со вторыми входами схем «И» 22 и «ИЛИ» 23, выходы которых подключены, соответственно, к первым входам схем «И-НЕ» 24 и 25, выходами соединенных, соответственно, с первыми входами схем «И-НЕ» 26 и 27. Вторые входы схем «И-НЕ» 24 и 25 подключены к выходу компаратора 28 с гистерезисом, а вторые входы «И-НЕ» 26 и 27 подключены к выходу компаратора 29 с гистерезисом. Инверсный вход компаратора 28 и неинверсный вход компаратора 29 соединены с неинверсным входом усилителя ошибки 15, а также выведены для подключения сигнала уставки тока Iкз. Неинверсный вход компаратора 28 и инверсный вход компаратора 29 соединены с инверсным входом усилителя ошибки 15, и выведены для подключения сигнала датчика тока 9 Iкз. Выход схемы «И-НЕ» 26 является выходом для управления ключом 6 обводного контура, а выход схемы «И-НЕ» 27 - выходом для управления ключом 7 основного контура источника тока 3.

Устройство реализации способа управления ключами 6 и 7 источника тока в имитаторе солнечной батарее работает следующим образом.

Счетчики импульсов 18 и 19 при наличии тактовой частоты и соответствующих импульсов сброса 30 и 31 (фиг. 3) от ЗГ 17 формируют на первых входах ЦСС 20 и 21, соответственно, линейно нарастающие пилообразные коды, сдвинутые по фазе на 180 электрических градусов (32, 33 на Фиг. 3). Усилитель ошибки 15 усиливает отклонение тока Iкз от заданной уставки Iкз, а АЦП 16 преобразует это расхождение в код (34 на Фиг. 4), поступающий на вторые входы ЦСС 20 и 21 для сравнения с соответствующим пилообразным кодом. Т.о. образованы два контура ШИМ. Схемы «И» и «ИЛИ» выполняют функцию распределения импульсов управления для основного (VTocн) и обводного ключей (VТобв) источника тока (см. фиг. 3).

При резком изменении нагрузки ИБС от короткого замыкания до холостого хода схема управления (регулятор) 8 какое - то время продолжает работать с малой длительностью γ_осн включенного состояния основного ключа 7. Обводной ключ 6 заперт, и к дросселю 4 не прикладывается напряжение из-за разрыва цепи нагрузки. Ток Iкз в дросселе 4 начинает падать до тех пор, пока выход регулятора 8 (сигнал ошибки, преобразованный в код (34 на Фиг. 4)) не поднимется к зоне ШИМ ключа 6 (зона ШИМ VТобв. на Фиг. 4 и 5). При этом ключ 7 (VTocн) полностью откроется, а γ_обв ключа 6 (VТобв) начнет увеличиваться. Вышеуказанный провал (38 на Фиг. 4) ограничивается снизу от уставки тока Iкз на уровне порога низкого уровня НУ=(Iкз - ΔI) зоны 2 одновременным отпиранием ключей 6 (VТобв) и 7 (VTocн) по команде компаратора 29 через схемы «И-НЕ» 26 и 27. При достижении нижней границы гистерезиса НУ (35 на см. фиг. 4) ток Iкз в дросселе 4 источника тока нарастает с темпом Uвд/L, уходя от провала, где Uвд - напряжение источника вольтодобавки. При достижении верхней границы НУ ключи возвращаются в алгоритм ШИМ, т.е. ключ 6 (VТобв) - заперт, а ключ 7 (VTocн) - увеличивает γ_осн. Но ток продолжает падать. Так циклически управление передается от ограничительного регулятора релейного типа к ШИМ регулятору до достижения напряжением усилителя 15, а значит и кодом АЦП 16, уровня ШИМ ключа 6 (VТобв) и полного отпирания ключа 7 (VTocн). Как только уровень выхода АЦП 16 перейдет в зону ШИМ ключа 6 (VТобв), образуется контур ШИМ регулирования и стабилизации Iкз, удерживающий величину тока внутри первой зоны допусков без вмешательства ограничения. При набросе нагрузки от холостого хода к короткому замыканию в первый момент выход регулятора 8 (сигнал ошибки, преобразованный в код (36 на Фиг. 5)) находится в зоне ШИМ ключа 6 (VТобв), а ключ 7 (VTocн) - замкнут.Ток нарастает (39 на Фиг. 5) с темпом Uo/L до верхней границы гистерезиса верхнего уровня ВУ Iкз зоны 2 (37 на Фиг. 5), где Uo - напряжение источника постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода БС. После срабатывания компаратора 28 ВУ через схемы «И-НЕ» 24 и 25 к ключам 6 (VТобв) и 7 (VTocн) уходит команда на запирание, и ток падает до нижней границы ВУ (37 на Фиг. 5). Компаратор 28 отключается, ключи возвращаются в алгоритм ШИМ, далее ток снова нарастает и так повторяется, пока выход схемы управления 8 (код ошибки) не снизится в зону ШИМ ключа 7 основного контура, а ключ 6 обводного контура не закроется. В устойчивом состоянии ток стабилизируется ШИМ основного ключа 7 (VTocн) (см. фиг. 5).

Таким образом, способ управления основным 7 и дополнительным обводным 6 ключами источника тока в имитаторе БС позволяет уверенно и предсказуемо ограничить отклонения рабочей точки нагрузки от заданной для имитации ВАХ ИБС в динамическом режиме, обеспечивая таким образом соответствие ИБС имитируемой солнечной батареи и качество испытаний системы электропитания космического аппарата.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в повышении надежности работы имитатора солнечной батареи путем уменьшения уровня пульсаций тока короткого замыкания источника тока имитатора при резких сбросах - набросах нагрузки. Поставленная задача достигается во время изменения нагрузки имитатора от короткого замыкания до точки максимального отбора мощности ВАХ, причем относительную длительность открытого состояния основного ключа γ_осн источника тока регулируют от 0 до 1 при относительной длительности открытого состояния обводного ключа γ_обв = 0, а при изменении нагрузки от точки максимальной мощности до холостого хода ВАХ регулируют γ_обв от 0 до 1 при γ_осн = 1, а при резких сбросах - набросах нагрузки имитатора БС производят коммутацию основного и обводного ключей во второй расширенной зоне допуска, причем при сбросе нагрузки и уменьшении величины тока ниже нижнего уровня первой зоны допуска открывают оба упомянутых ключа, а при набросе нагрузки и увеличении величины тока выше верхнего уровня первой зоны запирают оба ключа. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ управления источником тока в имитаторе солнечной батареи, содержащем источник постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода, источник напряжения вольтодобавки и источник тока короткого замыкания в виде стабилизатора тока короткого замыкания имитатора с дросселем, датчиком тока и с ключами основного и обводного контуров регулирования, заключающийся в том, что коммутацию ключей основного и обводного контуров производят в зоне допуска на отклонение тока от заданного, определяемой заданными допустимыми пульсациями тока, во время изменения нагрузки имитатора от короткого замыкания до точки максимального отбора мощности ВАХ, причем относительную длительность открытого состояния основного ключа γ_осн источника тока регулируют от 0 до 1 при относительной длительности открытого состояния обводного ключа γ_обв = 0, а при изменении нагрузки от точки максимальной мощности до холостого хода ВАХ регулируют γ_обв от 0 до 1 при γ_осн = 1, отличающийся тем, что при резких сбросах - набросах нагрузки имитатора ВАХ производят коммутацию основного и обводного ключей во второй расширенной зоне допуска, причем при сбросе нагрузки и уменьшении величины тока ниже нижнего уровня первой зоны допуска открывают оба упомянутых ключа, а при набросе нагрузки и увеличении величины тока выше верхнего уровня первой зоны запирают оба ключа.

2. Способ управления по п. 1, отличающийся тем, что нижняя и верхняя границы второй зоны допуска имеют два уровня, обусловленные гистерезисом, позволяющие при динамическом перерегулировании по закону первой зоны ограничить величину тока в рамках заданного гистерезиса второй зоны.