Имитатор химической батареи Советский патент 1984 года по МПК G06G7/63 

ля с зоной нечувствительности, вы,ходом функционального преобразователя является выход второго сумматора.

1. ИМИТАТОР ХИМИЧЕСКОЙ БАТАРЕИ, содержащий обратимый статический преобразователь, выходной фильтр и блок управления, состоящий из датчика тока и функционального преобразователя, один вывод выходного фильтра соединен с первым входом функционального преобразователя блока управления и является первым выходом имитатора, второй вывод выходного фильтра подключен к входу датчика тока блока управления, первый выход которого является вторым выходом имитатора, второй выход датчика тока подключен к второму входу функционального преобразователя блока управления, о.т л ич ающи и с я тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия имитатора и упрощения, он дополнительно содержит элементы гальванической развязки, а об ратимый статический преобразователь состоит из прямого и обратного каналов, причем прямой канал состоит из последовательно соединенных диодного выпрямителя, релейного транзисторного стабилизатора тока и преобразователя постоянного напряжения в постоянное, обратньй канал состоит из последовательно соединенных преобразователя постоянного напряжения в. постоянное, релейного транзисторного стабилизатора тока и тиристорного инвертора, выходы которого объединены с входами диодного выпрямителя прямого канала и подключены к сети переменного напряжения, выходы преобразователя постоянного напряжения в постоянное прямого канала и входы преобразователя постоянного напряжения в постоянное обратного канала i соответственно объединены и под(О ключены к вьшодам выходного фильтра, а выход функционального преобразоваС теля блока управления через элементы гальванической развязки подключен к управляющим входам релейных транзисторных стабилизаторов тока прямого и обратного каналов. 2. Имитатор по п.1,о т ли ч а ющ и и с я тем,что функциональный 00 преобразователь содержит два суммао тора, счетчик ампер-часов,усилитель и О1 усилитель с зоной нечувствительности,высо оо ход которого и выход усилителя подключены к соответствующим входам первого сумматора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход второго сумматора .- с шиной опорного напряжения, а третий вход второго сумматора является первым входом функционального преобразователя, вторым входом функционального преобразователя являются объединенные вход усилителя и вход счетчика ампер-часов, выход которого соединен с входом усилите

Изобретение относится к технике моделирования процессов в электротехнических системах и может быть использовано для исследования систем электроснабжения, источником питания которых является химическая батарея.

Известно устройство, имитирующее работу химической батареи и состоящее из сумматора, усилителей и интеграторов С1 J.

Однако данное устройство не позволяет имитировать вольт-ампер-часовые характеристики химических батарей в реальном масштабе напряжений и токов, что исключает возможность непосредственной замены батареи ее имитатором.

Известно также устройство, имитирующее работу химической батареи,состоящее из усилителя мощности,выход которого подключен к нагрузочному элементу, а управлякщий вход - к выходу устройства управления, содержащее измерительные элементы, сумматоры и функциональный преобразователь12.

Недостатком данного устройства является то, что он может имитировать только один режим работы батареи - режим разряда, что сужает его функциональные возможности и не позволяет осуществить замену батареи ее имитатором.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, имитирующее работу химической батареи, содержащее первый функциональный преобразователь, первый вход которого соединен с выходом счетчика, сумматор, блок задания начальных условий, нагрузочный элемент регулятор напряжения, накопнтельньй элемент, датчик напряжения, фильтр, датчик тока, блок задания температурных коэффициентов, усилитель постоянного тока, второй функциональный преобразователь, стабилизатор напряжения, первый вход которого является входом устройства, второй вход которого через второй функциональный преобразователь подключен к выходу первого датчика напряжения, вход которого через накопительный элемент соединен с выходом стабилизатора напряжения и с первом входом регулятора напряжения, выход которого через фильтр Подключен к входу датчика , нагрузочного элемента и второго датчика напряжения, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого подключен к второму входу регулятора напряжения, второй вход сумматора соединен с выходом

первого функционального преобразователя, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам блока задания температурных коэф циентов и усилителя постоянного тока, вход которого соединен с первым входом счетчика и с выходом датчика тока, второй вход счетчика подключен к выходу блока задания начальных условий Гз J.

Недостатки такого устройства сравнительно низкий КПД, что объясняется наличием в нем обратимых стабилизатора и регулятора, сложность изготовления и настройки, что вытекает

из применения многоячейкового регулятора, и сравнительно невысокая надежность, обусловленная токовыми и мощностными перегрузками силовых элементов и сложностью cxefB i.

В прототипе все ячейки сделаны обратимыми, поэтому в процессе работы в их выходных или входных цепях (в зависимости от напряжения передачи энергии) образуются короткозамкнутые

контуры. При этом по транзисторам и диодам ячеек протекают значительные неконтролируемые токи, которые снижают КПД и надежность регулятора. В особенной степени данные недостатки

проявляются при работе на вьюоких частотах преобразования. Аналогичные недостатки присущи и обратимому стабилизатору напряжения, используемому в прототипе в качестве предварительного каскапа регулирования.Потеря КПП в известном имитаторе происхо .пит еще за счет вьтолнения регулятор на многоячейковой основе. При этом часть ячеек находится в режиме передачи в требуемом направлении, а часть (определяемая глубиной регулирования) работает в рекуперативном режиме, т.е. прокачивает значительные доли энергии внутри регулятора, что существенно снижает КПД имитатора. Недостатком прототипа,является также его сложность. Это вытекает из того, что, во-первых, в нем присутствуют два контура регулирования напряжения, что уже усложняет изготовление и особенно настройку устройства, а, во-вторых, в нем примен многоячейковый регулятор, где кажда ячейка оснащена элементами автономного управления. При этом для каждо ячейки требуется вьщеление особой зоны работы, что создает значительн трудности при настройке. Цель изобретения - повышение КПД и упрощение имитатора химической батареи. Поставленная цель достигается тем, что в имитатор химической бата реи, содержащий обратимый статическ преобразователь, выходной фильтр и блок управления, состоящий из датчи ка тока и функционального преобразо вателя, один вывод выходного фильтр соединен с первым входом функционального преобразователя блока управления и является первым выходом имитатора, второй вывод выходного фильтра подключен к входу датчика тока блока управления,первый выход которого является вторым выходом им татора , второй выход датчика тока подключен к второму входу функционального преобразователя блока управления, введены элементы гальвани ческой развязки, а обратимый статический преобразователь состоит из прямого и обратного каналов,причем прямой канал состоит из последовательно соединенных диодного выпрямителя , релейного транзисторного стабилизатора тока и преобразователя постоянного напряжения в постоянное, обратный канал состоит из последовательно соединенных преобразоватех1Я постоянного напряжения в постоянное, релейного,транзисторного стабилизатора тока и тиристорного инвертору, выходы которого объединены с входами диодного выпрямителя прямого канала и подключены к сети переменного напряжения, выходы преобразователя постоянного напряжения в постоянное прямого канала и входы преобразователя постоянного напряжения в постоянное обратного канала соответственно объединены и подключены к вьгаодам выходного фильтра, а выход функционального преобразователя блока управления через элементы гальванической развязки подключен к управлякщим входам релейных транзисторных стабилизаторов тока прямого и обратного каналов. Функциональный преобразователь тока управления содержит два сумматора, счетчик ампер-часов,усилитель и усилитель с зоной нечувствительности, / выход которого и вйпсод усилителя подключены к соответствующим входам первого сумматора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход второго сумматора с шиной опорного напряжения, а третий вход второго сумматора является первым входом функционального преобразователя, вторым входом которого являются объединенные вход усилителя и вход счетчика ампер-часов,выход которого соединен с входом усилителя с зоной нечувствительности, выходом функционального преобразователя является выход второго сумматора. На фиг.1 показана ,структурная схема имитатора химической батареи; на фиг.2 - схема функционального преобразователя. Имитатор состоит из обратимого статического преобразователя 1, включающего прямой и обратный каналы 2 и 3 передачи энергии, выходного фильтра 4, блока 5 управле1 я,включающего датчик 6 тока и функциональный преобразователь 7, и элементы 8 и 9 гальванической развязки.Прямой канал 2 включает диодный выпрямитель 10, релейный транзисторный стабилизатор 11 тока, состоящий из силового транзистора 12, обратного диода 13, датчика 14 тока, порогового элемента 15 и. сглаживающего дросселя 16, и преобразователь 17 постоянного напряжения в постоянное. Обратный канал 3 содержит тиристорный инвертор 18, релейньй транS1зисторный стабилизатор 19 тока, вклю чающий силовой транзистор 20, обратный диод 21, датчик 22 тока, пороговый элемент 23 и сглаживакщий дроссель 24, и преобразователь 25 постоянного напряжения в постоянное. Функциональный преобразователь 7 сос тоит из первого сумматора 26,счетчика 27 ампер-часов (САЧ), второго сумматора 28, линейного усилителя 29 и усилителя 30 с зоной нечувствитель ности. Напряжение с датчика 6 тока, поступает на линейный усилитель 29 и на вход САЧ 27. Выход СЛЧ подключен к входу усилителя 30 с зоной нечувствительности. Напряжения с выходов усилителя 30 и линейного усилителя 29 суммируются сумматором 28 и поступают на сумматор 26. Входы прямого канала 2 соединены параллельно с выходами обратного канала 3 и подключены к сети переменного трехфазного напряжения. Выходы прямого канала 2 соединены параллельно с входами обратного канала 3 и подключены к выходному фильтру 4 и выходу имитатора. Входы функционального преобразователя 7 соединены с выходом имитатора и выходом датчика 6 тока, а вы ход через элементы 8 и 9 гальванической развязки - с управлякмцими входами релейных транзисторных стабилизаторов 11 и 19 тока. Вьтрям тель 10 сетевого напряжения нагруже через релейньм транзисторный стабил затор 11 тока на вход преобразователя 17 постоянного напряжения в постоянное, выходы которого являютс выходами прямого канала. Транзистор 12, диод 13 и дроссель 16 стабилиза тора 11 соединены по схеме прямого однотактного конвертора, а пороговый элемент 15, связанный по вхоДу с датчиком 14 тока и повыходу с базой транзистора 12, образует схему управления релейного стабилизатора 1 1 . Преобразователь 25 обратного канала нагружен через релейный стабил затор 19 тока на вход тиристорного инвертора 18, выходы которого являются выходами обратного канала.Тран зистор 20, диод 21, дроссель 24, датчик 22 тока и пороговый элемент 23 соединены таким же-образом,как 3 Ианалогичные элементы стабилиза ора 11. Функциональный преобразователь 7 работает следующим образом. Выходное напряжение линейного усилителя 29, пропорциональное величине тока нагрузки, через сумматоры изменяет суммарное опорное напряжение, что приводит в зависимости от направления тока нагрузки к увеличению или уменьшению выходного напряжения имитатора химической батареи (ИХБ). Реализация зависимости выходного напряжения ИХБ от направления и величины тока нагрузки позволяет имитировать действие.внутреннего сопротивления на величину напряжения реального аккумулятора. Выходное напряжение счетчика 27, пропорциональное количеству электричества Q(t), прошедшему через датчик 6 тока, поступает на вход усилителя 30 с зоной нечувствительности. Если входное напряжение Q(t) находится в пределах от Q. до Q,«, то niln ПЛ1ЧА выходное напряжение равно нулю. Если входное напряжение Q(t) больше то выходное напряжение равно U, k(Q)Q(t), а если Q(t) меньше Q.TO (Q).Q,-Q(t). Имитатор работает следукяцим образом. При имитации разрядной характеристики химической батареи работает прямой канал 2 передачи энергии. Сетевое напряжение вьтрямляется вьтрямителем 10 и подается на вход релейного стабилизатора 11. Выходное напряжение последнего преобразуется транзисторным преобразователем 17 в постоянное напряжение заданного уровня, которое после сглаживания фильтром 4 подается на выходные зажимы имитатора. Функциональный преобразователь 7 на основе поступающей в него информации о величине выходного напряжения имитатора к величине разрядного тока обеспечивает требуемое изменение своего выходного напряжения Uy,которое через элемент 8 гальванической развязки управляет работой стабилизатора 11 тока. Стабилизатор 11 осуществляет двухпозиционную (релейную) стабилизацию тока дросселя 16 на уровне, определяемом сигналом, приходящим с элемента 8 на вход порогового элемента 15.

В разрядном режиме напряжение на выходе функционального преобразователя 7 всегда положительно, при этом за счет избирательного усиления присутствует напряжения только на выходе элемента 8, а на выходе элемента 9 развязки напряжение равно нулю. Поэтому в указанном режиме стабилизатор 19 обратного канала не пропускает ток (транзистор 20 закрыт) . При имитации зарядной характеристики химической батареи на выходе преобразователя 7 сигнал становится отрицательным; при этом напряжение на вьпюде элемента 8 становится разным нулю, а на выходе элемента 9 напряжение становится отличным от нуля В таком режиме стабилизатор 11 обесточивается (прямой канал закрывается), а стабилизатор 19 осуществляет двухпозиционную стабш1изащ1ю тока дросселя 24 на уровне, определяемом значением сигнала управления, поступающего с выхода элемента 9 на вход порогового элемента 23. Для обеспечения нормального процесса передачи энергии с выходных клемм имитатора в сеть трехфазного напряжения нерегулируемый преобразователь 25 обеспечивает повьшение выходного напряжения имитатора до необходимого уровня, стабилизатор 19 регулирует величину передаваемой мощности, а тиристорный ведомый сетьн5 инвертор 18 преобразует постоянное напряжение в трехфазное переменное.

Таким образом, имитатор обеспечивает двухсторонний обмен энергией между сетью переменного напряжения и потребителем со стороны выхода,при этом на выходных клеммах имитатора напряжение зависит от величины и

направления протекающего тока, количества ампер-часов, отданньк (принятых) имитатором, и других параметров.

Преимущества предлагаемого имитатора по сравнению с прототипом состоят в более высоком КПД, меньшей сложности и большей надежности.

Повьшгение КПД имитатора обусловлено отсутствием в нем обратимых регуляторов.

В устройстве отсутствуют обратимые стабилизаторы и регуляторы. Так, нерегулируемые преобразователи 17 и 25 выполнены по обычным схемам (мостовым, полумостовым или со средней точкой) и в них принципиально не может быть образовано короткозамкнутых контуров, присущих обратимым схемам. 6 любом из режимов работы предложенного имитатора работает только один из каналов передачи энергии, при этом внутри устройства от сутствует циркуляция дополнительной (не поступающей в нагрузку) энергии, а потому и отсутствуют дополнительные потери мощности.

Таким образом, КПД предлагаемого имитатора выше, чем КПД прототипа. В имитаторе имеется лишь один контур регулирования, охватывающий устройство управления и один из каналов передачи энергии. Преобразователи 17 и 25 выполнены нерегулируемыми, а, потому просты в схемном исполнении. Разделение зон работы каналов происходит автоматически в зависимости от полярности управляющего напряжения и.Поэтому имитатор проще известного.

Отсутствие возможности образования имитатора и сравнительная простота делают его более надежным по сравнению с известным.

F

i

ЬГ

SJ

Xl

I Ax.4.

СЭ

v«

CM

Й

5

Era

3

.

,J