Экстремальный регулятор мощности, потребляемой от источника постоянного тока Советский патент 1992 года по МПК G05F1/66 

Изобретение относится к системам электропитания постоянного тока и может быть использовано при реализации автономных систем электроснабжения с нерегу- лируемыми первичными источниками постоянного тока ограниченной мощности и импульсными регуляторами тока.

Известен регулятор мощности источника электропитания, в котором производится экстремальное регулирование мощности источника широтно-импульсным методом.

Для реализации поискового движения в нем периодически подключают и отключают баластную (дополнительную) нагрузку, в связи с этим непроизводительно расходуется электроэнергия на баластную нагрузку. Недостатком также является, необходимость организации поисковых движений,

требующих достаточного времени При больших возмущениях, воздействующих на ЭДС и внутреннее сопротивление источника, длительные поисковые движения являются причиной постоянного запаздывания регулятора по отношению к изменениям положения экстремума мощности, что снижает эффективность использования источника электропитания.

Известен также экстремальный регулятор мощности, в котором поиск экстремума мощности осуществляется путем определения величины и знака производной мгновенной мощности источника.

В этом устройстве производится пошаговый выход источника питания в точку экстремума мощности, причем очередной шаг куказанной точке производится после опреXI

4 Ю 00 О СО

деления производной мгновенного значения мощности, что является причиной низкого быстродействия.

Наиболее близким к предлагаемому является экстремальный регулятор мощности, потребляемой от источника постоянного тока, содержащий дроссель и блок обратных диодов, последовательно включенные в первую из двух силовых шин, расположенных между входными и выходными выводами регулятора, предназначенными для подключения соответственно источника питания и нагрузки, блок силовых ключей, включенный между общим выводом дросселя и блока обратных диодов и второй силовой шиной, датчик мощности, выполненный в виде элемента Холла, размещенного в немагнитном зазоре дросселя и подключенного управляющими электродами через резистор к входным выводам регулятора, блок дифференцирования, вход которого соединен с выходом элемента Холла, формирователь импульсов, вход которого подключен к дополнительной обмотке дросселя, блок переключения, выполненный в виде транзисторной триггерной ячейки,соединеннойвыходной межколлекторной цепью с управляющим входом блока силовых ключей, транзисторный вспомогательный ключ, эмиттер-коллекторный переход которого включен между выходами формирователя импульсов и управляющими входами транзисторной триггерной ячейки, пороговый узел, включенный последовательно в цепь управления транзисторного вспомогательного ключа.

Недостатком известного регулятора является низкая надежность из-за использования в качестве чувствительного элемента величины экстремальной мощности порогового элемента с одним уровнем порога ера- батывания. Вследствие этого при уменьшении сигнала с датчика мощности (элемента Холла) ниже этого порога срабатывания, что в процессе эксплуатации системы электроснабжения возможно, экстремальный регулятор становится вообще неработоспособным. Если же порог срабатывания чувствительного (порогового) элемента выбирают из расчета минимума возможной выходной мощности источника питания, то при высоких уровнях мощности источника применение экстремального регулятора становится крайне неэффективным.

Целью изобретения является повышение точности регулирования и надежности в работе.

В экстремальный регулятор мощности, потребляемой от источника постоянного тока, введены анализатор знака производной

мощности, элемент И, датчик температуры, датчик освещенности, блок эталонных интервалов температуры, блок эталонных интервалов освещенности, два блока

сравнения, матричный узел эталонной мощности и узел управления, представляющий собой микропроцессорный контроллер, а пороговый узел выполнен многоэлементным с переключаемыми порогами, причем

0 вход анализатора знака производной мощности соединен с выходом блока дифферен- цирования, выход элемента Холла подключен к цепи управления транзисторного вспомогательного ключа через элемент

5 И, другой вход которого соединен с выходом анализатора знака производной мощности, входы первого блока сравнения подключены к выходам датчика температуры и блока эталонных интервалов температуры, входы

0 второго блока сравнения соединены с выходами датчика освещенности и блока эталонных интервалов освещенности, первый и второй входы матричного узла эталонной мощности подключены к выходам блоков

5 сравнения, а выходы - к переключающим входам порогового узла, выходы блока управления соединены с входами блоков эталонных интервалов температуры и освещенности и с третьим входом матрич0 ного узла эталонной мощности

На фиг 1 представлена схема экстремального регулятора мощности, потребляемой от источника постоянного тока, на фиг. 2 - диаграмма, поясняющая его работу

5 Экстремальный регулятор мощности включен между источником 1 постоянного тока и нагрузкой 2 и содержит силовой дроссель 3 с основной обмоткой 4, блок 5 силовых ключей, блок 6 обратных диодов, датчик

0 7 мощности, выполненный в виде элемента Холла, размещенный в немагнитном зазоре дросселя 3, блок 8 переключения, выходом соединенный с цепями управления блока 5 силовых ключей, формирователь 9 импуль5 сов, транзисторный вспомогательный ключ 10, пороговый узел 11, блок 12 дифренциро- вания, анализатор 13 знака производной мощности, элемент И 14, датчик 15 температуры, датчик 16 освещенности, блок 17 эта0 лонных интервалов температуры, блок 18 эталонных интервалов освещенности, первый 19 и второй 20 блоки сравнения, матричный узел 21 эталонной мощности, узел 22 управления.

5 Управляющие электроды датчика 7 мощности (элемента Холла) через резистор 23 подключены к клеммам источника 1 постоянного тока. Дроссель 3 снабжен дополнительной обмоткой 24, выполненной с отводом от средней точки, Выводы дополнительной обмотки 24 связаны с входом формирователя 9 импульсов, выход которого через транзисторный вспомогательный ключ 10 соединен с управляющими входами блока 8 переключения. Цепь управления тран- зисторного вспомогательного ключа 10 через элемент И Т4 и пороговый узел 11 подключена к выходу датчика 7 Холла. Выходы датчиков температуры 15 и освещенности 16 подсоединены к первым входам первого 19 и второго 20 устройств сравнения, к вторым входам которых соответственно подключены выходы блоков эталонных интервалов температуры 17 и освещенности 18, выходы устройств сравнения 19 и 20 подключены к первым входам матричного узла 21 эталонной мощности.

Выходы узла 22 управления подключены к входам блоков эталонных интервалов температуры 17, освещенности 18 и вторым входам MatpH4Horo узла 21 эталонной мощности, выходы которого соединены с соответствующими переключающими входами порогового узла 11, состоящего из стабилитронов 25-27. Данные стабилитроны подключаются в цепь с помощью ключей 28-30 соответственно. К выходу датчика 7 Холла подключен блок 12 дифференцирования, выходы которого соединены с входами анализатора 13 знака производной мощности, причем к выходу анализатора 13 знака производной подключен один из входов элемента И 14.

Формирователь 9 импульсов может быть выполнен в виде двухполярного симметричного параметрического стабилизатора на стабилитронах 31-34, диодах 35 и 36 и резисторах 37 и 38. В качестве блока 8 переключения может быть использована триггерная ячейка, содержащая транзисторы 39 и 40, конденсаторы 41 и 42 и резисто- ры 43-47. Резистор 47 служит для ограничения тока в цепи управления блока 5 силовых ключей,

Блок дифференцирования 12 выполнен, например, в виде дифференцирующей цепочки на конденсаторе 48 и резисторах 49 и 50. Анализатор 13 знака производной может быть выполнен в виде диода.

Блоки эталонных интервалов температуры 17 и освещенности 18, а также матричный узел 21 эталонной мощности могут быть выполнены в виде запоминающих устройств в совокупности с известными входными и выходными элементами (шифраторами, дешифраторами и т.д.). Узел 22 управления может быть выполнен в виде известного микропроцессорного контроллера.

Регулятор работает следующим образом.

Предварительно на этапе подготовки экстремального регулятора к работе произ- водят экспериментальные замеры максимальной мощности источника 1 постоянного тока (солнечной батареи) при различных уровнях температуры и освещенности и фиксируют эти значения Предполо0 жим, что на некотором интервале температуры и некотором интервале освещенности максимальная мощность источника при различных сочетаниях температуры и освещенности изменяется в

5 пределах РМин - Рмакс. При этом фиксируют в каждом интервале изменения от минимального до максимального значения температуры и освещённости и записывают эти значения в ячейки памяти соответственно

0 блоков эталонных интервалов температуры 17 и освещенности 18, а в матричный узел 21 эталонной мощности заносится значение минимальной из всех максимальных значений мощности для данного интервала тем5 ператур и освещенности, т.е. максимальную потребляемую от источника постоянного тока мощность при самых неблагоприятных для источника температуре и освещенности из каждого их интервала. Аналогично произ0 водят указанные действия для всех возможных сочетаний интервалов температуры и освещенности. Выбор величины самих интервалов температуры и освещенности производится с учетом используемых чув5 ствительных элементов ( параметров их эксплуатацией аппаратурных затрат на реализацию экстремального регулятора и т д Таким образом,, в блоках эталонных интервалов температуры 17 и освещенности

0 18 соответственно хранится информация обо всех интервалах температуры и освещенности при из изменении во всем диапа- зоне, а в матричном узле 21 эталонной мощности - информация о максимальной

5 мощности источника при самых неблагоприятных для источника температуре и освещенности для каждого из их интервалов.

При подключении источника 1 к нагрузке 2 через цепь установки исходного состо0 яния триггерной ячейки блока 8 переключения (не показан) транзистор 40 переводится в закрытое состояние (транзистор 39 открывается). Указанное состояние триггерной ячейки вызывает замыкание

5 блока 5 силовых ключей. Под действием тока, протекающего через основную обмотку 4, дроссель 3 накапливает энергию В это время во вторичной обмотке 24 наводится ЭДС самоиндукции, которая через формирователь 9 импульсов прикладывается к соединенным последовательно база-эмиттер- ному переходу транзистора 39 и коллектор- эмиттерному переходу ключа 10.

Изменение тока источника 1 в процессе накопления энергии в дросселе 3 приводит к соответствующему изменению напряжения источника за счет увеличения падения напряжения на его внутреннем сопротивлении. Одновременно изменяется выходная мощность источника 1 как результат изменения его тока и напряжения. Выходная ЭДС датчика 7 Холла прямо пропорциональна произведению величины магнитного потока, в котором размещен датчик, на величину протекающего через его управляющие электроды тока. В данном регуляторе магнитный поток в зазоре сердечника дросселя 3, в котором размещен датчик 7 Холла, прямо пропорционален магнитодвижущей силе, создаваемой током источника 1, протекающим через основную обмотку 4 этого дросселя. Поэтому магнитный поток пропорционален току источника 1.

Ток, протекающий через управляющие электроды датчика 7 Холла, пропорционален напряжению источника 1. Следовательно, выходной сигнал датчика 7 Холла пропорционален произведению тока источника на его напряжение, т.е. пропорционален мгновенному значению его выходной мощности. Одновременно с этим снимается информация с датчиков температуры 15 и освещенности 16. Эта информация поступает на первый 19 и второй 20 блоки сравнения, где она сравниваются с информацией, предварительно записанной в блоках эталонных интервалов температуры 17 и освещенности 18.

В результате сравнения с выходов первого 19 и второго 20 блоков сравнения в матричный узел 21 эталонной мощности по- ступаютсигналы, свидетельствующие о том, к какому интервалу температуры и к какому интервалу освещенности относятся температура и освещенность, измеренные соответственно датчиками 15 и 16. Таким образом, в матричный узел 21 эталонной мощности поступают сигналы, на основании которых в ней выбирается уровень максимальной мощности, который в данный момент может быть получен с источника 1 постоянного тока при наиболее неблагоприятных температуре и освещенности данного выбранного интервала.

Далее на основании этой информации с выхода матричного узла 21 эталонной мощности (через деформирующие устройства) сигнал подается на один из ключей 28-30, который подключает в цепь управления транзистора 10 стабилитрон порогового узла 11 с порогом срабатывания, соответствующим выбранной мощности источника питания в данный момент времени. Наряду с этим выходной сигнал датчика 7 Холла прикладывается к последовательному соединению выбранного на основании сигналов датчиков температуры 15 и освещенности 16 соответственно стабилитрона элемента И 14 и цепи управления ключа 10. А параллельно с этой цепью сигнал датчика 7 Холла

0 прикладывается к входу блока дифференцирования.

При увеличении мощности источника 1 (фиг. 2, движение от точки а к точке с) производная от мощности положительна и ана5 лизатор 13 знака производной мощности формирует запрещающий сигнал на второй вход элемента И. Следовательно, из-за закрытого состояния элемента И стабилитрон (один из 25-27) порогового узла 11 не сра0 ботает при увеличении мощности от точки а к точке d (точке максимума). И лишь, когда мощность начнет уменьшаться (движение от точк/i d к точке Ь), следовательно, производная станет отрицательной, тогда анали5 затор 13 знака производной выдает разрешающий сигнал на второй вход элемента И. Стабилитрон (один из 25-27), выбранный матричным узлом 21 эталонной мощности, срабатывает (порог срабатыва0 ния каждого стабилитрона 25-27 выбирается несколько меньше уровня сигнала датчика 7 Холла при максимальной мощности для самых неблагоприятных в данном интервале температуре и освещенности),

5 что происходит в точке Ь.

Расстояние между точкой d и Ь (фиг. 2) определяется не настройкой порога срабатывания выбранных стабилитронов 25-27 (известный), а зоной нечувствительности

0 анализатора 13 знака производной и свойствами блока 12 дифференцирования. Это позволяет выбирать порог срабатывания стабилитронов 25-27 с меньшей степенью, чем у известного, точности в сторону умень5 шения. Кроме того, порог срабатывания стабилитронов 25-27 выбирается из расчета максимальной мощности при самых неблагоприятных для источника 1 температуре и освещенности. Следовательно, в заданном

0 интервале температуры и освещенности при других их значениях уровень максимальной потребляемой мощности растет, однако точность экстремального регулирования при этом не падает. При увеличении

5 мощности от тоски с до точки d тот же самый, что и в первом случае, пороговый элемент не срабатывает, так как производная мощности положительна и анализа тор 13 знака производной вырабатывает запрещающий сигнал. Срабатывание его происходит лишь в точке b . Следовательно, предлагаемое устройство обладает большей точностью экстремального регулирования, чем известное.

Срабатывание порогового узла 11 (точки b и b ) приводит к тому, что сигнал с выхода датчика 7 Холла прикладывается к цепи управления транзистора 10, который открывается, Сигнал с формирователя 9 импульсов прикладывается к управляющим входам транзисторов 39 и 40. Дальнейшее состояние блока 8 переключения определяется порядком соединения выводов полуобмоток дополнительной обмотки 24 дросселя 3. На фиг. 1 начала полуобмоток дросселя 3 обозначены для случая, когда при включенном состоянии блока 5 ключей (возрастания тока основной обмотки 4 этого дросселя) транзистор 39 триггерной ячейки закрывается, а транзистор 40 открывается. Таким образом, при достижении мощностью источника 1 некоторого значения, близкого к максимальному, блок 8 переключения вырабатывает сигнал на выключение блока 5 силовых ключей.

В момент выключения силовых ключей в основной обмотке 4 дросселя 3 наводится ЭДС самоиндукции, которая складывается с напряжением источника 1 и совместно с ним обеспечивает нагрузку 2 через блок 6 обратных диодов. При этом ток источника 1 уменьшается во времени, вызывая вначале повышение его мощности от точки b (b1) до точки d (d ), а затем ее уменьшение отточки d (d1) до точки е(е ).

При повышении мощности источника 1 пороговый узел 11 срабатывает повторно (стабилитрон выключается), так как анализатор 13 вырабатывает запрещающий для схемы И сигнал, и напряжение формирователя 9 импульсов за счет запирания электронного ключа 10 снимается суправляющих входов транзисторов 39 и 40 триггерной ячейки. При снижении мощности источника 1 (дальнейшем уменьшении его тока) анализатор 13 знака производной вырабатывает сигнал на открытие логической схемы И 14, так как производная при движении от точки d (d1 ) к точке е (е1 ) отрицательна (фиг. 2), Пороговый узел 11 срабатывает (стабилитрон 25-27 повторно пробивается) и напряжение положительной полярности прикладывается к база-эмиттерному переходу электронного ключа 10,, вызывая erg открытие. В это время ЭДС самоиндукции, наводимая в дополнительной обмотке 24 дросселя 3, имеет полярность, при которой уровень напряжения, вырабатываемый формирователем 9 импульсов, через электронный ключ 10 открывает транзистор 39 и

закрывает транзистор 40 триггерной ячейки. Триггерная ячейка переходит в первона- чальное состояние, при котором под действием сигнала, вырабатываемого на его

выходе блок 5 силовых ключей открывается Далее работа экстремального регулятора мощности циклически повторяется При этом величина мощности источника 1 колеблется между точками b (b1) и е (е1)

0 Таким образом, предлагаемое устройство обладает по сравнению с известным повышенной точностью из-за срабатывания пороговых элементов не на уровне порога срабатывания этих элементов, а сразу после

5 смены знака производной мощности с положительного на отрицательный. С увеличением уровня максимальной мощности точность экстремального регулирования остается такой же высокой, что отсутствует у

0 известного

В случае, если у известного устройства порог срабатывания по каким-либо причинам окажется больше максимальной мощности источника, экстремальный регулятор

5 становится вообще неработоспособным т.е. снижается его надежность Настройка порогового элемента у известного на минимально возможную максимальную мощность приводит к значительному снижению точно0 сти экстремального регулирования (точки с

с ).

В предлагаемом устройстве возможно экстремальное регулирование с одним пороговым элементом, настроенным на мини5 мальную из всех максимальных мощностей источника питания. Однако в этом случае возникновение случайных помех, приводящих к колебаниям мгновенного значения мощности, может послужить причиной вы0 дачи анализатором 13 знака производной разрешающего сигнала на элемент И И и следовательно, срабатывания порогового узла не в точке глобального максимума мощности - после точки d (d1), а в точке локаль5 ного максимума (не показано), т е в этом случае может наступить сбой в работе экстремального регулятора. Применение подстройки порогов срабатывания (выбор пороговых элементов 25-27) исключает воз0 можность такого сбоя, так как даже если сработает анализатор 13 знака производной, сам пороговый элемент не пробьется, если мощность значительно отличается от уровня настройки порогового элемента

5 Следовательно, выбор пороговых элементов в зависимости от показаний датчиков характеризующих максимально возможную в этих условиях мощность, повышает надежность экстремального регулятора путем исключения сбоев в его работе.

Формула изобретения Экстремальный регулятор мощности, потребляемой от источника постоянного тока, содержащий дроссель.и блок обратных диодов, последовательно включенные в первую из двух силовых шин, расположенных между входными и выходными выводами регулятора, предназначенными для подключения соответственно источника питания и нагрузки, блок силовых ключей, включенный между общим выводом дросселя и блока обратных диодов и второй силовой шиной, датчик мощности, выполненный в виде элемента Холла, размещенного в немагнитном зазоре дросселя и подключен- ного управляющими электродами через резистор к входным выводам регулятора, блок дифференцирования, вход которого соединен с выходом элемента Холла, формирователь импульсов, вход которого подключен к дополнительной обмотке дросселя, блок переключения, выполненный в виде транзисторной триггерной ячейки, соединенной выходной межколлекторной цепью с управляющим входом блока силовых ключей, транзисторный вспомогательный ключ, эмиттер-коллекторный переход которого включен между выходами формирователя импульсов и управляющими входами транзисторной триггерной ячейки, пороговый узел, включающий последовательно в цепь управления транзисторного вспомогательного ключа, отличающийся тем, что.

с целью повышения точности регулирования и надежности в работе, в него введены анализатор знака производной мощности, элемент И, датчик температуры, датчик освещенности, блок эталонных интервалов температуры, блок эталонных интервалов освещенности, два блока сравнения, матричный узел эталонной мощности и узел управления, представляющий собой микропроцессорный контроллер, а пороговый узел выполнен многоэлементным с переключаемыми порогами, причем вход анализатора знака производной мощности соединен с выходом блока дифференцирования, выход элемента Холла подключен к цепи управления транзисторного вспомогательного ключа через элемент И, другой вход которого соединен с выходом анализатора знака производной мощности, входы первого блока сравнения подключены к выходам датчика температуры и блока эталонных интервалов температуры, входы второго блока сравнения соединены с выходами датчика освещенности и блока эталонных интервалов освещенности, первый и второй входы матричного узла эталонной мощности подключены к выходам блоков сравнения, а выходы - к переключающим входам порогового узла, выходы блока управления соединены с входами блоков эта- лонных интервалов температуры и освещенности и с третьим входом матричного узла эталонной мощности.

Фаг 2

Использование: системы электропитания постоянного тока, автономные системы электроснабжения с нерегулируемыми первичными источниками постоянного тока ограниченной мощности и импульсными регуляторами тока. Сущность изобретения для повышения надежности и точности экстремального регулирования дополнительно введены датчик температуры, датчик освещенности, блок эталонных интервалов температуры и освещенности соответственно матрица эталонной мощности, узлы сравнения температуры и освещенности узел управления, элемент И, а пороговый элемент выполнен в виде набора пороговых элементов. Выход элемента И соединен с пороговыми элементами, а входы - с выходами анализатора знака производной и с выходом датчика Холла. Выбор пороговых элементов осуществляется на основании данных, получаемых с датчиков температуры и освещенности, и сравнения их с эталонными значениями. 2 ил. (Л С