Способ распределения тока между преобразователем и электрохимическим накопителем,включенными на импульсную нагрузку Советский патент 1983 года по МПК H02J3/32 

Изобретение относится к импульсной энергетике, а именно к системам электропитания - низко- и инфранизкочастотным импульсным устройствам с регулируемыми параметрами периодического процесса для средств радионавигации, гидролокации и прикладной лазерной техники.

Известен способ распределения тока между параллельно включенными на общую нагрузку преобразователем напряжения и аккумуляторной батареей, в частности в системах электропитания аппаратуры телеграфно-телефонной связи, заключающийся в том что с помощью сигнала управления преобразователем по отклонению напряжения устанавливают и стабилизируют выходное напряжение преобразователя, требуемое для обеспечения номинального тока электропитания нагрузки и подзаряда аккумуляторной батареи, а при аварий.ном или запланированном переводе нагрузки с основного источника электроэнергии на резервный электропитание нагрузки требуемым током осуществляют от аккумуляторной батареи.

Недостатками системы импульсного электропитания являются большие установленные мощности первичного источника и преобразователя, поскольку их расчитывают и выбирают исходя из обеспечения импульсной мощности (тока) статической или дискретной нагрузки, плохое использование энергоемкости батареи, ибо от- нее потребляют ток только в относительно короткие интервалы времени аварийного или запланированного перевода электропитания нагрузки с одного первичного источника электроэнергии на другой.

Известен способ распределения тока нагр1узки между параллельно включенными стабилизированными по на пряжению источниками питания 2 и способ управления системой непрерывного питания, состоящей из нескольких регулируемых статических преобразователей з , которые принципиально могут быть применены для распределения тока между преобразователями и аккумуляторной батареей, работающи ми на импульсную нагрузку. При реализации этих, способов, в частности 2 , необходимо индивидуально для каждого преобразователя установить величину выходного напряжения несколько выше, чем напряжение, требуемое для подзаряда буферной аккумуляторной батареи, подключенной паралельно преобразователям. Затем с помощью да тчика измерения выходного тока и цепи обратной связи по току для каждого преобразователя необходимо задать определенный ток нагрузки, при котором они переходят в режим стабилизации выходного тока. Тогда в интервале времени импульса нагрузка потребляет ток от батареи, пропорциональный ее напряжению , а от преобразователей потребляют сум5 марный стабилизированный ток, при этом в интервале паузы аккумуляторную батарею подзаряжают от преобразователей тем же стабилизированным током. Выходной ток преобразователей

10 задают такой величины, чтобы при

постоянных параметрах периодич.еского процесса импульсной нагрузки (мощности, длительности и периода импульсов) обеспечить равенство энергии

15 заряда и разряда батареи для поддержания ее номинальной энергоемкости (степени заряженности). Импульсный ток нагрузки равен-сумме токов источников и батарей. Реализация спо2Q собов 2 и З в системах электропитания импульсных устройств с постоянными параметрами, rfo сравнению с l , позволяет уменьшить установленные мощности преобразователя и

25 первичного источника электроэнергии и обеспечить энергобаланс разрядзаряда батареи.

Недостатком указанных способов Н и t- является то, что они не могут быть применены в системах

электропитания импульсных устройств

с регулируемыми (переменными) параметрами периодического процесса. Это обусловлено тем, что стабилизированный ток преобразователей задают цепью обратной связи такой величины, чтобы при постоянных парг1метрах периодического процесса - мощности, периода и длительности импульсов, обеспечить равенство энергий заряда и разряда батареи в пределах периода импульсного процесса. Если параметры периодического процесса изменяются, например ,возрастёт мощность или длительность импульсов, .

5 то энергоёмкость (степень заряженности) и напряжение батареи постепенно уменьшаются, поскольку ток подзаряда ее в интервале остается неизменным (задан цепью обратной

связи по току), а энергия, отдаваемая нагрузке в интервале времени

импульса, увеличится. Следовательно, через некоторое время работы батарея разряжается, что приводит к нарушению работоспособности системы.

5 и, наоборот, при уменьшении мощности или длительности импульсов энергия, отдаваемая батареей нагрузке в интервале времени импульса, уменьшается, а зарядный ток в интервале

0 паузы остается неизменным. Это, в конечном итоге, приводит к перезаряду батареи и к выходу ее из строя.

Наиболее близким к изобретению является способ распределения тока

5 между параллельно включенными на

импульсную нагрузку преобразователе напряжения и электрохимическим накопителем, в частности аккумуляторной батареей, заключающийся в том, что в интервале времени импульса передают ток нагрузке от накопителя и преобразователя, причем ток нако пителя пропорционален его напряжению, а выходной ток преобразователя поддерживают требуемой величины с помощью сигнала управления по отклонению напряжения накопителя, сформированного цепью обратной связи преобразователя в предшествующем интервале паузы, затем в интервале времени последующей паузы вновь формируют сигнал управления преобразователем по отклонению напряжения накопителя, устанавливают заданное значение выходного напряжения преобразователя и заряжают накопитель током, необходимым для восполнения энергии, израсходованной накопителем в интервале времени предшествующего импульса нагрузки. Здесь ток нагрузки в импульсе равен также сумме токов преобразователя и батареи. Однако ток, потребляемый от .преобразователя нагрузкой в импульсе, более чем в два раза превышает ток, передаваемый батарее в интервале времени паузы 4 .

Указанный способ обуславливает следующие недостатки системы электрпитания импульсного устройства.

Не выполняется условие потребления от первичного источника и преобразователя постоянной по величине . мощности, равной среднему значению за период импульсного процесса.

Не обеспечивается равномерная загрузка первичного источника электроэнергии и преобразователя напряжения, вследствие чего требуется увеличение их установленной мощности, массы и габаритов, поскольку они выбираются по мощности, потребляемой нагрузкой в интервале времени иМпульса, которая более чем в два раза превышает мощность, отдаваемую накопителю в интервале паузы.

Наличие импульсных возмущений в системе электропитания вследствие дискретного изменения выходного тока преобразователя в течении периода импульсного процесса нагрузки, ухудшает динамику системы и отрицательно сказывается на работе Других потребителей, подключен-: ных к одному и тому же первичному источнику.

Повышенная стоимость системы электропитания первичный источник электропитания-преобразователь напряжения-зЛектрокимический накопи.тель, поскольку их расчитывают на мощность, потребляемую в интервале времени импульса.

Цель изобретения - уменьшение установленной мощности первичного источника электроэнергии и преобразователя напряжения при повышении равномерности Их загрузки.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу распределения тока между преобразователем напряжения и электрохимическим накопителем, -включенными на импульсную нагрузку, состоящем в том, что в интервале времени импульса передают ток нагрузке от накопителя и преобразователя, выходной ток которого поддерживают необходимой величины с помощью сигнала управления, сформированного цепью обратной связи преобразователя в предшествующем интервале времени паузы по отклонению напряжения накопителя от заданного значения, а в интервале йремени паузы заряжают накопитель таким током преобразователя, котррый необходим для восполнения энергоемкости, израсходованной накопителем в интер-. вале времени предшествующего импульс са нагрузки, производят новые операции, заключающиеся в том, что в течение периода квазиустановившегося импульсного процесса нагрузки формируют сигнал управления преобразователем по отклонению его выходного тока от заданного значения и поддерживают ток постоянным, величина которого меньше величины требуемого тока импульсной нагрузки в число раз, пропорциональное отношению периода к времени импульса, причем для поддержания номинальной энергоемкости накопителя при- изменении параметров импульсного процесса формируют в интервалах времени пауз корректирующий сигнал, пропорциональный макси мальному значению напряжения заряда накопителя, суммируют его с основным сигналом управления преобразователем по току .и изменяют выходной ток преобразователя в течение времени установления номинальной энергоемкости накопителя в новом квазиустановившемся режиме работы импульсной нагруз0 На фиг.1 показаны диаграммы дозированной передачи тока импульсной нагрузке от преобразователя и нако, пителя, в качестве которого применена аккумуляторная батарея. Здесь обозначено: пц - и k - k, импульсы тока нагрузки в порядке их следования для двух режимов работы, причем для первого режима ток в импульсе обозначен как 3 , а для второго - как JHQ ; З., ; 3 ; ги f - токи в импульсе, потребляемые нагрузкой соответственно от батареи и преобразователя для двух

5 1{.вазиустановившихся режимов работы; rJtiKi - токи в им пульсе, потребляемые нагрузкой от батареи и преобразователя в переходном режиме: Т, ty ,tn соответ ственно период импульсного процесс длительности импульса и паузы, На фиг.2 приведена функциональн схема системы электропитания, реализующая предлагаемый способ. Схема содержит первичный источн электроэнергии (общепромышленная сеть или автономный источник 1, трех фазный преобразователь 2 переменно го напряжения в постоянное, накопитель электроэнергии 3,в качестве которого применена аккумуляторная батарея, импульсная нагрузка с регулиремыми параметрами периодического процесса 4. Преобразователь 2 напряжения состоит из регулирующего органа 5, трансформатора 6, выпрямителя 7, датчика 8 напряжения батареи, усилителя 9 сигнала обрат ной связи, ключевого формирователя 10 импульсов управления.Регулирующи орган 5 включает в себя блокирующий вентиль 11, линейный дроссель 12, дроссели насыщения 13-18 с совмещен ными обмотками. На фиг.2 обозначены: н - ток нагрузки в импульсе; Зц f б ток, потреб/ яемый нагрузко от преобразователя и батареи в импульсе; J.J - ток заряда батареи в интервале времени паузы:,3у - ток управления дросселей насьпцения 13-1 На фиг.З приведены: иЦ1 ) UH2 (IHI) нагрузочные характери стики нагрузки в интервале времени импульса для двух квазиустановившихся режимов работы; Un, i (1пч) (Ifii) - внешние характеристики преобразователя для тех же режимов работы; и 1 (П) внешняя характеристика ак:кумуляторной батареи; J.f,| i I токи, потребляемые импульсной нагрузкой для первого и второго режимов работы соответствен но от преобразователя и аккумуляторной батареи. Суть способа заключается в следу ющем . Допустим, что вначале импульсная нагрузка работает в квазиустановившемся режиме в интервале времени следования импульсов т - т,, характеризующихся током в импульсеJp (фиг.1). Для первого режима работы энергию, потребляемую в импульсе, можно выразить через составляющие W,, Wn/WB,, /Wpi энергия, потребляемая нагрузкой в импульсе соответственно от преобразователя и батареи. Энергия, потребляемая нагрузкой в импульсе от батареи равна (П 6. Рб.-Ь«, где Pg - мощность в импульсе, отдаваемая батареей нагрузке , t, - время импульса. Энергия, отдаваемая преобразователем нагрузке в импульсе, может определена как пгРпн И где Pf, - мощность, отдаваемая преобразователем нагрузке. Энергия, сообщаемая батарее от преобразователя в интервале времени паузы при условии постоянства его выходной мощности, может быть выраженаVV6,PnAT-tM), 4) где in - интервал времени паузы. Для обеспечения работоспособности батареи необходимо в течение всего периода импульсного процесса поддерживать энергобаланс ее разрядзаряда, чтобы Wg VV53 г тогда из (2) и (4) следует рв т7 / где 6 - скважность импульсов. После подстановки (2) и (3) в (1) с учетом (5) получаем соотношение между требуемой энергией нагрузки в импульсе и энергией, потребляемой нагрузкой от преобразователя WH, , Для определения соотношения между требуемым током нагрузки в импульсе ( J щ ) и током, потребляемым нагрузкой от преобразователя ( при условии выполнения требования потребления от преобразователя постоянной по величине мощности (тока) в течение всего периода квазиустановившегося режима работы импульсной нагрузки, необходимо учесть, что напряжение на нагрузке в интервале времени импульса определяется напряжением аккумуляторной батареи (Ug), поскольку преобразователь работает в режиме источника тока (стабилизатора тока) и его выходное напряжение равно напряжению батареи, являющейся в данном случае источником напряжения (небольшим падением напряжения на внутреннем сопротивлении батареи можно пренебречь) . Тогда выразив в (6) энергию нагрузки в импульсе иэнергию, потребляемую от преобразователя, через напряжение батареи (Ug) , требуемый ток нагрузки в импульсе -( Зщ ) ,ток преобразователя ( П(,, ) и время импульса (t«) находим соотношение Между требуемым током нагрузки в импульсе и током, потребляемым от преобразователя н SUgt,, S : Из выражения (7) следует, что дл обеспечения требования потребления постоянной по величине мощности в течение периода квазиустановившегося режима работы импульсной нагрузки и сохранения энергобаланса разряд-заряда батареи необходимо поддерживать выходной ток преобразователя постоянным, величина которого должна быть меньше требуемого тока нагрузки в импульсе в число раз, приблизительно, равное отношению периода к времени импульса (скважности} . Из выражения (l) и (6) можно определить энергию, потребляемую нагрузкой в импульсе от батареи c.WurWn. (У бГ™иГ П1- § Ток, потребляемый от батареи в импульсе, можно определить из (8), выразив энергию через соответствующие токи напряжения и длительности импульса (6-l)U5lHi-t« 5-1 . : Т SUgt При изменении параметров периоди ческого процесса необходимо в новом квазиустановившемся режиме работы импульсной нагрузки также поддерживать энергобаланс разряд-заряда батареи при плавном изменении мощности, потребляемой от преобразователя в переходном режиме. В предлагаемом способе это обеспечивается плавным регулированием выходного тока преобразователя за счет изменения сигнала управления в зависимо ти от изменения степени заряженнрсти батареи. Для этого датчиком напряжения контролируют в интервалах пауз отклонение напряжения батареи от заданного значения формируют дополнительным звеном корректирующи сигнал, суммируют его с основным сигналом управления, полученным це пью обратной связи по выходному то ку преобразователя, и, воздействуя изменяющимся во времени суммарным сигналом управления на регулирующи орган, изменяют выходной ток преоб разователя таким образом, чтобы скомпенсировать изменение степени эаряженности батареи, оценива емое по изменению ее напряжения. в новом квазиустановившемся регжиме работы системы общие выражени (1).-(9) также справедливы, только здесь необходимо оперировать новы ми величинами параметров периодического процесса. Принцип работы системы электропитания при использовании предложенного способа заключается в следующем. Регулирующий орган 5, трансформатор 6, выпрямитель 7, формирователь 10 образуют контур регулирования- выходного тока преобразователя 2, где действует внутренняя обратная связь по току ц при неизменном токе управления q дросселей 13-18 (фиг.2). Датчик 8, усилитель 9 и формирователь управляющих импульсов 10 входят в контур обратной связи по напряжению батареи 3, При этом для исключения возмущающего влияния контура обратной связи по напряжению батареи 3 на контур регулирования (стабилизации) выходного тока преобразователя 2 в интервале времени импульса нагрузки 4, когда напряжение батареи 3 скачком уменьшается На некоторую величину падения напряжения на ее внутреннем сопротивлении, постоянная времени датчика 8 на отрицательное приращение напряжения батареи 3 превьзшает на несколько (2-4) порядков длительность импулксов нагрузки 4. Допустим, что при включении нагрузка 4 работает при токе в импульсе ц (фиг. 1). Под действием датчика 8, усилителя 9, формирователя 10 в обмотках дросселей насыщения 13-18 устанавливается ток управления Зи f фиг.2) и преобразователь 2 работает в режиме стабилизатора (йстЬчника) . тока, характеризуемом крутопадающим участком внешней характеристики (Hi) (Фиг.З). В этом случае нагрузка 4 потребляет при напряжении батареи 3, соответствующем точке А пересечения характеристикUg (Н) иИц, { (1ц4 (фиг.З) токи: от преобразователя 2 -J , от батареи 3 Ig . В паузу между импульсами тока нагрузки 4 преобразователь 2 подзаряжает батарею 3 током (фиг.З) при большем напряжении на клеммах батареи, определяемом точкой а, пересечения характеристик 1{1п4) г Ug iUB), вследствие перехода бата- реи 3 из. режима разряда в режим заряда. Этот режим работы системы по фиг.1 соответствует интервалу времени от О до1{ . Теперь предположим, что в какой-то момент времени t ток нагрузки 4 в импульсе увеличивается от Зц- (фиг.1а) . -Тогда в первых интервалах времени .импульсов от батареи 3 потребляется большая энергия по сравнению с энергией, сообщаемой- батарее от преобразователя 2 в интервалах времени пауз, поскольку вкколной ток

преобразователя 2 вследствие большой постоянной времени реакций датчика 8 на отрицательное приращение напряжения батареи 3 и медленного уменьшения степени ее заряженности увеличивается сравнительно медленно (фиг.1в). Напряжение батареи 3 уменьшается. Корректирующий сигнал обратной связи по напряжению батареи, формируемый датчиком 8 и усилителем 9, суммируемый с сигналом, управления по току преобразователя в формирователе управляющих импульсов 10, уменьшается. Длительность управляющих импульсов, подаваемых с формирователя 10 на дроссели насыщения 13-18, и среднее значение тока управления в обмотках увеличиваются. Подмагничивание дросселей 13-18 повышается, что вызывает соответствующее увеличение выходного тока преобразователя 2 с постоянной времени, определяемой изменением степени заряженности батареи 3 и постоянной времени датчика 8. Процесс увеличения выходного тока преобразователя 2 длится до тех пор, пока.в новом квазиустановившемся режиме работы системы не установится энерго-баланс разряд-заряд батареи 3. Характер изменения тока (соответственно мощности), потребляемого нагрузкой от преобразователя 2 и батареи 3 в переходном режиме, качественно показан на фиг.15, ЬНачало переходного режима в системе характеризуетсяскачкообразным увеличением тока нагрузки 4 в импульсе oT3v4 до J н (при .t () и соответствующим увеличением тока, потребляемого от батареи 3, до . Далее ток, потребляемый от преобразователя 2, увеличивается а от батареи 3 уменьшается. Переходный режим заканчивается в точке i t42 когда после достижения определенного значения напряжения батареи 3 вновь наступает установившийс режим работы системы, где в пределах периода импульсного процесса энергия заряда батареи 3 становится приблизительно равной энергии разряда. В .этом режиме .работы ток, потребляемый нагрузкой 4 в импульсе от батареи 3, равен «5 , Соответственно выходной ток преобразователя 2 в течение всего периода равен значению Jfj . При этом заштрих:ованные участки на фиг.3. сответствуют току, отдаваемому преобразователем 2 нагрузке 4 в интервале времени импульса, а незаштрихованные области соответствуют импульсам тока, сообщаемым преобразователем 2 аккуМуляторной батареи 2 в интервалах времени пауз для ее подзаряда.

При уменьшении тока ..нагрузки 4 в импульсе происходит процесс обратный описанному.

Предлагаемый способ распределения тока позволяет: значительно уменьшить установленные мощности преобразователя и первичного источника по сравнению с мощностью нагру-; зки в импульсе (приблизительно в

5 число раз, равное отношению периода к времени импульса, т.е. скважности импульсов); уменьшить габариты и массу прёоб1&азователя напряжения по сравнению с этими характеристиками

преобразователя, вьабранного из расчета мощности нагрузки в импульсе (пропорционально числу, равному приблизительно скважности импульсов в степени три четвертых)f обеспечить «равномерную загрузку преобразователя и первичного источника в течение всего периода импульсного процесса, поскольку от преобразователя потребляют постоянную по величине мощность (ток) в установившемся

0 режиме работы-системы; обеспечить работу импульсной нагрузки как с постоянными, так и с регулируемыми параметрами периодического процесса ; улучшить динамические характеристики

5 системы электропитания, так как от преобразователя потребляют постоянную по величине мощность при импульсной нагрузке;, снизить стоимость системы электропитания.

СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА МЕЖДУ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ НАКОПИТЕЛЕМ, ВКЛЮЧЕННЫМИ НА ИМПУЛЬСНУЮ НАГРУЗКУ, при котором В интервале времени импульса пере-, дают ток нагрузке от накопителя и преобразователя, выходной ток которого поддерживают необходимой величины с помощью сигнала управления, сформированного в предшествующем интервале времени паузы по отклонению напряжения накопителя от згщан- i ного значения, а в интервале времени паузы заряжают накопитель таким током преобразователя, который необходим для восполнения энергоемкости, израсходованной накопителем в интервале времени предшествующего импульса, отличающийс я тем, что, с целью уменьшения установленной мощности первичного источника электроэнергии и преобразователя напряжения при повышении равномерности их загрузки, в течение периода квазиустановишиегося импульсного процесса нагрузки формируют сигнал управления преобразователем по отклонению его выходного тока от заданного значения и поддерживают ток постоянным, 5S величина которого меньше величины (Л требуемого тока нагрузки в импульсе в число раз, пропорциональное отношению периода к времени импульса, причем для поддержания номинальной энергоемкости накопителя при изменении параметров импульсного процесса формиру рт в интервалах времени пауз корректирующий сигнал, пропорциональный максимальному значению напряжения накопителя, суммируют его с основным сигналом управления преобразователем по току и изменяют выходной ток преобразователя в течение времени установления номинальной энергоемкости накопителя в новом квазиустановившемся режиме работы импульсной нагрузки.