Способ управления импульсным силовым понижающим преобразователем в режиме среднего тока Российский патент 2022 года по МПК G05F1/56 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно: к области преобразовательной электротехники, в частности, к способам управления импульсными силовыми преобразователями, и может найти применение в способах организации электропитания разных устройств во многих областях техники, например, в способах организации заряда аккумуляторной батареи на борту летательного аппарата с гибридной силовой установкой посредством мощных импульсных силовых понижающих преобразователей по контролируемым напряжению и току, а также в способах организации вторичного электропитания оборудования и функциональной аппаратуры летательных аппаратов со стабилизированными напряжением и предельным значением тока в нагрузке.

Решением проблемы повышения уровней загрязнения окружающей среды и шума и вибраций вследствие увеличения количества авиаперевозок может стать по аналогии с автомобилями замена традиционных летательных аппаратов с двигателем внутреннего сгорания на полностью электрические или частично электрические, гибридные летательные аппараты. Среди прочего проблема создания таких летательных аппаратов обусловлена разработкой силовых установок небольшого веса и габаритов с высоким КПД и оптимальным распределением и использованием энергии на борту летательных аппаратов.

Энергия, необходимая для полета, может запасаться в суперконденсаторах, топливных элементах и литиевых батареях, которые характеризуются плотностью энергии, удельной мощностью, сроком службы и стоимостью.

Суперконденсаторы обладают высокой удельной мощностью и обеспечивают длительный срок службы с высоким КПД, а также быструю зарядку/разрядку [1, 2], и могут работать в широком диапазоне температур. Их главный недостаток - высокая стоимость и большой вес при меньшей удельной энергии по сравнению с аккумуляторными батареями. Поэтому суперконденсаторы используются там, где требуется несколько циклов или когда нет альтернативы из-за экстремальных рабочих температур.

В отличие от аккумуляторной батареи, топливный элемент непрерывно вырабатывает электричество. Топливные элементы могут достигать плотности мощности более 1000 Вт/кг [3]. Использование топливных элементов позволяет перераспределять тягу, что положительно сказывается на аэродинамической эффективности летательных аппаратов. Кроме того, многофункциональная интеграция водородного топливного элемента в летательный аппарат позволяет использовать такие побочные продукты, как вода, тепло или обедненный кислород для обеспечения таких жизненно важных процессов, как борьба с обледенением, кондиционирование, водоснабжение [4]. Однако, для функционирования топливных элементов необходимы резервуары для водорода, система для управления отводом тепла, что существенно влияет на массу этого источника энергии, и также сказывается на эффективности его использования на борту летательных аппаратов [5].

Литиевые аккумуляторные батареи обладают высокой плотностью энергии, малым весом, могут быть достаточно компактными и эргономичными. Их основным преимуществом по сравнению с топливными элементами является возможность зарядки во время полета. Кроме того, их можно подключать последовательно и параллельно для увеличения рабочего напряжения и/или тока. Однако очень важно правильно управлять работой аккумуляторов и состоянием их заряда на борту электрического самолета. Особое внимание следует уделять циклам зарядки и разрядки аккумулятора. Неправильная работа аккумуляторных батарей, их перегрузка, повреждение или короткое замыкание могут стать причиной возгорания. Для обеспечения правильных режимов заряда литиевых батарей необходим оптимально работающий силовой преобразователь с точным контролем тока и напряжения заряда в процессе зарядки [4-10].

Известен способ управления импульсным понижающим преобразователем напряжения со стабилизацией тока, основанный на широтно-импульсной модуляции сигнала управления ключевым элементом, включающем измерение текущего значения тока преобразователя в электрической цепи управления током, получение сигнала рассогласования текущего значения тока преобразователя и его опорной величины, суммирование полученного сигнала рассогласования тока с сигналом пропорциональным: 1) выходному напряжению преобразователя, и формирование ШИМ-сигнала управления ключевым элементом полученным суммарным сигналом, или 2) результату деления выходного напряжения преобразователя на его входное напряжение, и формирование ШИМ-сигнала управления ключевым элементом полученным суммарным сигналом [11].

Данный способ управления импульсным понижающим преобразователем не обеспечивает стабилизацию выходного напряжения. Кроме того, недостатком данного технического решения согласно второму предложенному варианту управления преобразователем является большое количество датчиков, что ведет к усложнению и снижению надежности всей системы в целом.

Наиболее близким к заявляемому способу по своей технической сути (прототипом) является способ управления импульсным силовым понижающим преобразователем в режиме среднего тока, включающий измерение тока в электрической цепи тока нагрузки в импульсном силовом понижающем преобразователе, формирование сигнала обратной связи по току, интегрирование сигнала обратной связи по току, формирование сигнала обратной связи по среднему току, управление модулятором с использованием сигнала обратной связи по току и сигнала среднего тока и управление переключением в импульсном силовом понижающем преобразователе с выхода модулятора [12].

Хотя данный способ управления импульсным силовым понижающим преобразователем, основанный на контроле среднего тока в силовой цепи, и обеспечивает быстрый динамический отклик с датчика тока, стабильность напряжения преобразователя, возможность работы в прерывистом режиме, а также ограничение полосы пропускания сигнала обратной связи, недостатком данного технического решения являются низкие стабильность и эффективность в целом работы импульсного силового понижающего преобразователя по току.

Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности зарядки аккумуляторной батареи по току при обеспечении высокого отношения мощности преобразователя к его массе и его высокой эффективности.

Новый технический результат достигается тем, что в способе управления импульсным силовым понижающим преобразователем в режиме среднего тока, включающем измерение тока в электрической цепи тока нагрузки в импульсном силовом понижающем преобразователе, формирование сигнала обратной связи по току, интегрирование сигнала обратной связи по току, формирование сигнала обратной связи по среднему току, управление модулятором с использованием сигнала среднего тока и управление переключением в импульсном силовом понижающем преобразователе с выхода модулятора, в отличие от прототипа, после формирования сигнала обратной связи по среднему току дополнительно контролируют режим среднего тока импульсного силового понижающего преобразователя принудительным переключением между режимами стабилизации тока и напряжения посредством дополнительно введенного мультиплексора, сформированного резистором, операционным усилителем и диодом и осуществляют сравнение сигнала напряжения, пропорционального току в индукторе, с установленным опорным значением напряжения, полученным в результате контроля режима среднего тока импульсного силового понижающего преобразователя.

Выходной сигнал обратной связи по напряжению импульсного силового понижающего преобразователя может быть дополнительно скомбинирован с сигналом обратной связи по среднему току.

Можно ограничивать искажение выходных сигналов в петле обратной связи по напряжению и в петле обратной связи по току посредством ограничения изменения полосы пропускания сигналов в петле обратной связи по напряжению и в петле обратной связи по току.

Можно формировать импульсы определенной длительности посредством широтно-импульсного модулятора в зависимости от уровня сигнала ошибки на входе модулятора.

Способ управления импульсным силовым понижающим преобразователем реализуют следующим образом.

Предлагаемый способ управления импульсным силовым понижающим преобразователем основан на управлении понижающим преобразователем в режиме среднего тока посредством использования двух петель обратной связи: внутренней по среднему току и внешней по напряжению.

На вход импульсного силового понижающего преобразователя приходит постоянное напряжение Vin. Управление импульсным силовым понижающим преобразователем реализовано через обратную связь по напряжению и току. Датчик тока 1 измеряет ток, который течет через индуктор 2 (фиг. 1). Сигнал тока поступает на усилитель сигнала ошибки по току, включающий первый операционный усилитель 3 и первую RC-цепочку 4, 5, 6 частотной коррекции обратной связи по току для обеспечения устойчивой работы системы в целом. Таким образом, на вход первого операционного усилителя 3 поступают сигнал напряжения Vis, пропорциональный току в индукторе 2, и опорный сигнал напряжения Vset. Значение сигнала напряжения Vset формируется в зависимости от значения опорного напряжения Vref1, значения опорного напряжения Vref2 и текущего значения напряжения Vout на выходе импульсного силового понижающего преобразователя, формирующегося на нагрузке 7, в качестве которой может служить аккумуляторная батарея. Напряжение Vout после делителя напряжения, содержащего резисторы 8 и 9, поступает на усилитель ошибки по напряжению, содержащий второй операционный усилитель 10 и вторую корректирующую RC-цепочку 11, 12 частотной коррекции, где сравнивается с опорным значением напряжения Vref1. Второй операционный усилитель 10 формирует сигнал ошибки Е, который вместе с установленным опорным значением напряжения Vref1 поступает на вход мультиплексора принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, содержащего понижающий резистор 13, третий операционный усилитель 14 и диод 15. Если сигнал ошибки Е больше значения Vref1, то диод 15 открыт, мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения работает как повторитель, и сигнал напряжения Vset равен сигналу напряжения Vref2. В этом случае импульсный силовой понижающий преобразователь работает как стабилизатор тока.

Если сигнал ошибки Е меньше значения опорного напряжения Vref1, то диод 15 закрыт и сигнал напряжения Vset равен Е, так как падением напряжения на понижающем резисторе 13 можно пренебречь. В этом случае импульсный силовой понижающий преобразователь работает как стабилизатор напряжения.

То есть после формирования сигнала обратной связи по среднему току осуществляют его сравнение с полученным установленным опорным значением напряжения Vset, которое может принимать значение как Vref1, так и Е, в результате принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, тем самым контролируя режим среднего тока.

Сигнал с выхода первого операционного усилителя 3 Veca поступает на модулятор 16, где данный сигнал сравнивается с пилообразным сигналом напряжения Vramp. На выходе модулятора 16 формируются управляющие импульсы напряжения нужной скважности, которые после драйвера 17 поступают на затвор полевого транзистора 18 (фиг. 1). На фиг. 1 также обозначены силовой диод 19 и сглаживающий конденсатор 20, предназначенные для корректной работы импульсного понижающего преобразователя.

Благодаря наличию двух петель обратной связи в импульсном силовом понижающем преобразователе: 1) по току, образованной датчиком среднего тока 1 и усилителем ошибки по току, включающем первый операционный усилитель 3 и первую RC-цепочку 4, 5, 6 частотной коррекции обратной связи по току, и 2) по напряжению, образованной делителем напряжения, содержащим резисторы 8, 9, усилителем ошибки по напряжению, содержащем второй операционный усилитель 10 и вторую RC-цепочку 11, 12 частотной коррекции, и мультиплексором принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, содержащем понижающий резистор 13, третий операционный усилитель 14 и диод 15, предложенное техническое решение позволяет независимо и с высокой точностью устанавливать и контролировать как средний ток импульсного силового понижающего преобразователя, так и напряжение на выходе импульсного силового понижающего преобразователя. Для формирования необходимой передаточной функции замкнутой системы управления в петле обратной связи по току введена первая RC-цепочка 4, 5, 6 и вторая RC-цепочка 11, 12 частотной коррекции в петле обратной связи по напряжению.

Данная система управления может эффективно работать в импульсных силовых понижающих преобразователях в режиме среднего тока, используемых для зарядки литиевых аккумуляторных батарей на борту летательных аппаратов с гибридной силовой установкой, что обусловлено двухстадийным процессом зарядки литиево-ионных аккумуляторов (фиг. 2). На начальной стадии I аккумулятор заряжается при постоянном токе и напряжение на аккумуляторной батарее постепенно нарастает. При достижении заданного напряжения на стадии II зарядка продолжается при постоянном напряжении и сопровождается постепенным спадом тока зарядки.

При необходимости, выходной сигнал обратной связи по напряжению импульсного силового понижающего преобразователя может быть дополнительно скомбинирован с сигналом обратной связи по среднему току.

При необходимости, можно ограничивать искажение выходных сигналов в петле обратной связи по напряжению и в петле обратной связи по току посредством ограничения изменения полосы пропускания сигналов в петле обратной связи по напряжению и в петле обратной связи по току.

При необходимости, можно формировать импульсы определенной длительности посредством широтно-импульсного модулятора 16 в зависимости от уровня сигнала ошибки на входе модулятора 16.

На основании вышеизложенного новый достигаемый технический результат предлагаемого изобретения обеспечивается следующими по сравнению с прототипом техническими преимуществами.

1. Достигается повышение стабильности управления импульсным силовым понижающим преобразователем при зарядке аккумуляторной батареи по току не менее чем на 1000%, что обеспечивает нормальный процесс заряда батареи, например, на борту летательного аппарата, при обеспечении высокого отношения мощности преобразователя к его массе и его высокой эффективности за счет работы транзистора 18 на частоте сотни кГц и использовании в схеме управления транзистора 18 режима среднего тока с возможностью стабилизации как напряжения, так и тока.

2. Обеспечивается более высокая (не менее чем на 10%) эффективность работы импульсного силового понижающего преобразователя за счет работы транзистора 18 на частоте сотни кГц и использовании в схеме управления ключами режима среднего тока с возможностью стабилизации как напряжения, так и тока.

3. Продление срока службы аккумуляторных батарей при заряде с импульсного силового понижающего преобразователя посредством предлагаемого способа управления за счет оптимизации тока заряда не менее чем на 10%.

4. Обеспечивается более высокое (не менее чем на 5%) отношение мощности импульсного силового понижающего преобразователя к его массе за счет оптимизации работы транзистора 18 на частоте сотни кГц и использования в схеме управления ключами режима среднего тока с возможностью стабилизации как напряжения, так и тока.

Используемые источники

1. Zhang Y. et al. Model and control for supercapacitor-based energy storage system for metro vehicles, Electrical Machines and Systems, ICEMS 2008, p. 2695-2697.

2. Lu Y., Hess H.L., Edwards D.B. Adaptive control of an ultracapacitor energy storage system for hybrid electric vehicles, IEMDC'07, vol. 1, p. 129-133.

3. Bradley Т.H. et al. Test results for a fuel cell-powered demonstration aircraft: SAE Technical Paper, 2006, 01-3092.

4. Sharpe J.E. et al.: Modelling the potential of adsorbed hydrogen for use in aviation, Microporous and Mesoporous Materials, vol. 209, p. 135-140.

5. Verstraete D. Long range transport aircraft using hydrogen fuel, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 38, no. 34, p. 14824-14831.

6. Варюхин A.H., Гордин M.B., Дутов A.B., Мошкунов С.И., Хомич В.Ю., Шершунова Е.А. Мощный импульсный преобразователь постоянного тока на карбид-кремниевых транзисторах // Прикладная физика. 2021. №1. С. 75-81.

7. Варюхин А.Н., Гордин М.В., Захарченко B.C., Маланичев В.Е., Малашин М.В., Мошкунов С.И., Небогаткин С.В., Хомич В.Ю., Шершунова Е.А. Силовой многофазный импульсный преобразователь для гибридных летательных аппаратов // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2019. №6. С. 121-129.

8. Мошкунов С.И., Хомич В.Ю., Шершунова Е.А. Повышающе-понижающий преобразователь напряжения для заряда аккумуляторной батареи на борту электрического самолета // Письма в ЖТФ. 2020. Т. 46. №15. С. 22-24.

9. Варюхин А.Н., Захарченко B.C., Гелиев А.В., Гордин М.В., Киселев И.О., Журавлев Д.И., Загуменов Ф.А., Казаков А.В., Вавилов В.Е. Формирование обликов электрической силовой установки для сверхлегкого пилотируемого самолета // Авиационные двигатели. 2020. №3 (8). С. 5.

10. Шершунова Е.А., Мошкунов С.И., Варюхин А.Н., Гордин М.В. Четырехфазный импульсный преобразователь постоянного напряжения для применения в составе гибридных и электрических силовых установок летательных аппаратов. Тезисы 19-й Международной Конференции «Авиация и Космонавтика». 2020. С. 232-233.

11. Патент RU 2661900, 2018, МКИ Н02М 3/156.

12. Patent US 9343964, 2016, МКИ G05F 1/46, G05F 1/56, G05F 1/565, H02M 1/00, H02M 3/56.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к области преобразовательной электротехники, в частности к способам управления импульсными силовыми преобразователями, и может найти применение в способах организации электропитания разных устройств во многих областях техники, например в способах организации заряда аккумуляторной батареи на борту летательного аппарата с гибридной силовой установкой посредством мощных импульсных силовых понижающих преобразователей по контролируемым напряжению и току, а также в способах организации вторичного электропитания оборудования и функциональной аппаратуры летательных аппаратов со стабилизированными напряжением и предельным значением тока в нагрузке. Технический результат - повышение стабильности зарядки аккумуляторной батареи по току при обеспечении высокого отношения мощности преобразователя к его массе и его высокой эффективности - достигается тем, что в способе управления импульсным силовым понижающим преобразователем в режиме среднего тока, включающем измерение тока в электрической цепи тока нагрузки в импульсном силовом понижающем преобразователе, формирование сигнала обратной связи по току, интегрирование сигнала обратной связи по току, формирование сигнала обратной связи по среднему току, контролируют режим среднего тока импульсного силового понижающего преобразователя принудительным переключением между режимами стабилизации тока и напряжения посредством дополнительно введенного мультиплексора, сформированного резистором, операционным усилителем и диодом, осуществляют сравнение значения сигнала напряжения, пропорционального току в индукторе, с установленным опорным значением напряжения, полученным в результате контроля режима среднего тока импульсного силового понижающего преобразователя, управляют модулятором с использованием сигнала среднего тока и управляют переключением в импульсном силовом понижающем преобразователе с выхода модулятора. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления импульсным силовым понижающим преобразователем в режиме среднего тока, включающий измерение тока в электрической цепи тока нагрузки в импульсном силовом понижающем преобразователе, формирование сигнала обратной связи по току, интегрирование сигнала обратной связи по току, формирование сигнала обратной связи по среднему току, управление модулятором с использованием сигнала среднего тока и управление переключением в импульсном силовом понижающем преобразователе с выхода модулятора, отличающийся тем, что после формирования сигнала обратной связи по среднему току дополнительно контролируют режим среднего тока импульсного силового понижающего преобразователя принудительным переключением между режимами стабилизации тока и напряжения посредством дополнительно введенного мультиплексора, сформированного резистором, операционным усилителем и диодом, и осуществляют сравнение сигнала напряжения, пропорционального току в индукторе, с установленным опорным значением напряжения, полученным в результате контроля режима среднего тока импульсного силового понижающего преобразователя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выходной сигнал обратной связи по напряжению импульсного силового понижающего преобразователя дополнительно комбинируют с сигналом обратной связи по среднему току.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ограничивают искажение выходных сигналов в петле обратной связи по напряжению и в петле обратной связи по току посредством ограничения изменения полосы пропускания сигналов в петле обратной связи по напряжению и в петле обратной связи по току.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формируют импульсы определенной длительности посредством широтно-импульсного модулятора в зависимости от уровня входного сигнала ошибки.