Система электроснабжения постоянным напряжением Советский патент 1992 года по МПК G05F1/59 

Изобретение относится ко вторичным источникам питания радиоаппаратуры и является дополнительным к изобретению по а.с. № 1538751. Известная система электроснабжения характеризуется низкой степенью использования установленной мощности перзичного источника питгания, которым является солнечная батарея. Для преодоления этого недостатка обычно используется параллельная работа нескольких каналов электропитания на общую нагрузку. Однако в определенных режимах работы, в которых используется дополнительный первичный источник (аккумуляторная батарея) - параллельная работа нескольких каналов на общую нагрузку может привести к перегрузке аккумуляторных батарей, что существенно снижает надёжность всей системы электроснабжения. Указанная перегрузка обусловлена тем, что каждый из каналов электропитания имеет высокую точность стабилизации выходного

напряжения и, следовательно; малый ста- тиЗм внешних хар е рисШКГ ;

Целью изобретения является расширение области практического использоьания системы электроснабжения за счет обеспечения возможности №айёжной параллельной работы нескольких каналов на общую нагрузку.

Это достигается тем, что в систему электроснабжения постоянным напряжением, содержащую Модулятор ДлитёльШСти им- пул1ьсов, дифференциальный трансформатор, п е р в и ч W о б м от к а кот о р о г о подключена к выходмымг в Ывбдам, сумма- тор, входы которого (один непосредственно, а другой через дифференциальный трансформатор) соединены с выходными выводами, а выход подклю ёнт бШОД м длительности импульсов, формирователь форсирующих импульсов, источник опорного напряжения, подключённый к одному из входов формирователя форсирующих имел

с

XJ

оэ

4

ю ся ел

пульсов, другой вход которого соединен со вторичной обмоткой дифференциального трансформатора, и первый канал электропитания, включающий в себя параллельно соединенные между собой солнечную батарею, регулятор избыточной мощности и цепь из последовательно соединенных аккумуляторной батареи и параллельно включенных м%жду собой регуляторов заряда и разряда аккумуляторных батарей, блок контроля и управления tocVoflnneM заряда- разр яда аккумулято рн о й батареи и три логических блока, выходы которых соединены с управляющими входами регуляторов избыточной Мощности, заряда и разряда аккумуляторной батареи, входы - с соответствующими выходами модулятора длительности импульсов, управляющие входы первого и второго логических блоков подключены к выходу формирователя форсирующих импульсов непосредственно, а третьего - через инвертор, при этом каждый логический блок включает в себя объединенные анодом и катодом первый и второй диоды, два элемента совпадений, расширитель импульсов, аналоговый инвертор, логические элементы 2ИЛИ и НЕ и буферный усилитель, причем катод первого диода через по- следовательно соединенные первый элемент совпадений, расширитель импульсов и логический элемент 2ИЛИ подключен к первому входу второго элемента совпадений, а анод второго диода через последовательно соединенные аналоговый инвертор и логический элемент НЕ -ко второму входу второго элемента совпадений, второй вход логического элемента 2ИЛИ использован в качестве входа, объединенные входы первого и второго диодов - в качестве управляющего входа, а выход буферного усилителя - в качестве выхода логического блока, введены датчик суммарного тока и делитель выходного напряжения, а также по меньшей мере еще один канал электропитания, аналогичный первому, при этом в каждый канал электропитания введены последовательно соединенные развязывающий диод и датчик тока, включенные последовательно с датчиком суммарного тока в выходную силовую шину, блок выравнивания тока нагрузки, имеющий два информационных, два логических, синхронизирующий и запрещающий входы и один выход, а также последовательно соединенные вычитающий и суммирующий узлы, причем первый информационный вход блока, выравнивания тока нагрузки соединен с выходом второго элемента совпадений логического блока, выход которого подключен к управляющему входу регулятора рапряда аккумуляторной батареи, выход - со входом буферного усилителя этого же логического блока, второй информационный вход - с выходом суммирующего узла, к первому входу которого вместе с

первым входом вычитающего узла подключен выход делителя напряжения, входом соединенного с выходом датчика суммарного тока, второй вход вычитающего узла соединен с выходом датчика тока канала электропитания, а выход - со вторым входом суммирующего узла и с запрещающим входом блока выравнивания тока нагрузки, первый и второй логические входы блока выравнивания тока нагрузки соединены соответственно с выходом логического элемента НЕ и с катодом первого развязывающего диода упомянутого логического блока, а синхронизирующий вход - с выходом модулятора длительности импульсов, соединенным с управляющим входом данного логического блока.

Блок выравнивания тока нагрузки каждого канала электропитания включает в себя последовательно соединенные синхронизируемый генератор линейно-изменяющегося напряжения и широтно-им- пульсный модулятор, две пары логических элементов 2W. 2ИЛ И, схему запрета, а также

логический сумматор, выход которого использован в качестве выхода блока выравнивания тока нагрузки, причем в первой паре логических элементов, состоящей из элементов 2И и 2ИЛИ. первые входы элементов объединены и соединены с выходом широтно-импульсного модулятора, второй вход элемента 2И использован в качестве первого логического входа, а второй вход элемента 2ИЛИ - в качестве второго логического входа блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента 2И соединен с первым входом логического элемента 2ИЛИ второй пары, а выход элемента 2ИЛИ - с первым входом элемента 2И второй пары,

вторые входы элементов второй пары объединены и использованы в качестве первого информационного входа блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента 2ИЛИ второй пары логических элементов использован в качестве разрешающего входа схемы запрета, второй вход которой использован в качестве запрещающего входа блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента 21/1 второй пары логических

элементов и выход схемы запрета подключены ко входам логического сумматора, второй вход широтно-импульсного модулятора использован в качестве второго информационного входа, а выход генератора линейно- изменяющегося напряжения - в качестве

синхронизирующего входа блока выравнивания тока нагрузки.

Введение названных устройств дает возможность обеспечить надежную параллельную работу каналов электропитания на общую нагрузку за счет выравнивания выходных токов каналов, работающих в режиме разряда аккумуляторных батарей. Выравнивание осуществляется путем сравнения фактического значения тока каждого канала электропитания с требуемым значением, равным 1/N части, суммарного тока нагрузки, и формированием на основании такого сравнения воздействия, изменяющего длительность импульсов, поступающих от модулятора длительности импульсов (МДИ) на регуляторы разряда в каждом канале при установившейся нагрузке всей системы электроснабжения. В переходных режимах при значительных изменениях на- грузки работа блока выравнивания тока нагрузки блокируется, чем сохраняются достоинства системы электроснабжения, приобретенные ею после введения логиче- ских блоков.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предложенной системы электроснабжения; на фиг. 2 - временные диаграммы ее работы.

Система включает N параллельных ка- налов электропитания, каждый из которых содержит подключенные параллельно общей нагрузке 1 солнечную батарею 2, регулятор избыточной мощности 3. аккумуляторную батарею 4 со своими регуляторами заряда 5 и разряда б, блок контропя и управления 7 состоянием заряда-разряда аккумуляторной батареи. Модулятор длительности импульсов 8 управляет работой регуляторов всех каналов 9.1, 9.2, .,., 9.N. каж- дый из которых имеет в своей выходной шине датчик тока 10, через развязывающий диод VD, подключенный к общей нагрузке 1. Кроме названных устройств в систему электроснабжения введены дополнительно датчик суммарного тока нагрузки 11 и делитель 12 выходного напряжения датчика 11. выходом соединенный с первыми входами вычитающего 13 и суммирующего 14 узлов, управляющих работой блока выравнивания тока нагрузки 15. Управление блоком выравнивания тока нагрузки (БВТН) осуществляется сигналами, поступающими в БВТН через запрещающий (Е) и один из информационных (1N2) входов. Кроме названных. БВТН имеет еще один информационный (первый - 1N1) и два логических (L1, L2) входа, связанные с соответствующими выходами третьего из логических блоков 16, 17, 18 канала, а также синхронизирующий

(С) вход, подключенный к тому выходу МДИ8, который взаимодействует с логическим блоком 18. Выход БВТН 15 через бу- ферный усилитель 32 логического блока 18 управляет работой ключевого регулятора разряда 6. Запрещающий (Е) вход БВТН. формируемый вычитающим узлом 13. второй вход которого соединен с выходом датчика 10, является одновременно вторым- входом суммирующего узла 14. выход которого представляет собой второй информационный (1N2) вход БВТН.

Блок выравнивания тока нагрузки состоит из синхронизированного от МДИ генератора линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) 33. выходом соединенного с опорным входом широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 34, информационный вход ШИМ является вторым информационным (1N2) входом БВТН, двух пар логических элементов 2И, 2ИЛИ 35-36, 37-38, соединенных таким образом, что выход элемента 2И первой пары подключен ко входу элемента 2ИЛИ второй пары, а выход 2ИЛИ первой пары - ко входу 2И второй пары, первые входы элементов первой пары объединены и подключены к выходу ШИМ, а вторые входы элементов первой являются логическими входами БВТН 15. причем первый логический вход (L1) соединен с выходом инвертора 30 блока 18. а второй логический вход (L2) - с катодом диода 24 того же блока, вторые входы элементов второй пары также объединены и формируют первый информационный вход (1N1) блока выравнивания тока нагрузки, соединенный с выходом схемы сравнения 31 логического блока 18. при этом связь выхода схемы 31 со входом буферного усилителя 32 исключена. Выход элемента 38 второй пары логических элементов является разрешающим входом схемы запрета 39 (Основы промышленной электроники под ред. В.Г. Герасимова, М. Высшая школа, 1986, рис. 8.21. с. 186), второй вход которой соединен с запрещающим (Е) входом БВТН, выход элемента 37 второй пары логических элементов и выход схемы запрета 39 подключены ко входам логического сумматора 40, выход которого есть выход БВТН.

Работу системы электроснабжения (СЭС) иллюстрируют диаграммы, изображенные на рис. 2. При различных энергетических характеристиках аккумуляторных батарей и высокой точности стабилизации выходного напряжения СЭС при параллельной работе N каналов электропитания выходные токи каждого из них измеряемые датчиками тока 10, различны и не соответствуют среднему значению Ср. равному I/N

асти тока нагрузки l(), измеряемому датчиом суммарного тока 11. На диаграмме 2,а зображены значения токов И, 2, з одного з каналов, причем з 1ср. Выходное апряжение ивыхдт датчика суммарного то- 5 ка 11 посредством делителя 12 преобразутся в величину иСр иВыхДТ/М. Вычитающий узел 13 осуществляет сравнение напряения UCp с выходным напряжением 11дт1 атчика тока канала (.2,3...N). На диаг- 10- рамме 2,6 показаны уровни выходных напряжений А вычитающего узла в случае, когда ср и сигнал Л положителен, и в случае, когда г Icp и сигнал Л отрицателен.

На диаграмме 2, в изображены уровни 15 выходных напряжений суммирующего узла 14 для 3-х случаев; ,

в канале установился ток, равный Ср. В этом случае , а выходное напряжение суммирующего узла совпадает с напряже- 20 нием, формируемым элементом 31 логического блока 18, а сигнал, управляющий работой регулятора разряда 6, проходит от МДИ через логический блок 18 и БВТН 15 без изменения;25

в канале установился ток и сигнал Д /положителен;

в канале установился ток и сигнал Д отрицателен.

Работа широтно-импульсного модуля- 30 тора (ШИМ) 34 иллюстрируется диаграммами 2,г и 2,д. На диаграмме 2.г изображены входы ШИМ, один из ШторЪ1х ТГбё дШен с выходом генератора линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) 33, синхронизиро- 35 ванного С МДИ 8, а другой - ЕГ Шходом суммирующего узла, формирующего сигналы, изображенные на диаграмме 2,в. На диаграмме 2,д показаны выходные импульсы ШИМ для рассмотренных выше случаев. Из 40 диаграммы 2,а,б.в и г очевидно, что при выходной импульс ШИМ расширяется, а при сужается по сравненТ/гю со случаем райенства НСр.

Диаграммы, изображенные на рис. 45 2,е,ж,з иллюстрируют работу элемента 39 2ИЛИ второй пары логических элементов как расширителя импульсов, корректирую- ш,его действие централизованного модулятора длительности импульсов 8 в 50 установившемся режиме при условии, если . ---- - - - -

Диаграммы, приведенные на рис. 26.И.К, иллюстрируют работу элемента 37 2И второй пары логических элементов как устрой- 55 ства сужения импульсов, корректирующего действие МДИ при условии, если . Расширение и сужение импульсов, поступающих от МДИ на регуляторы разряда

происходит до тех пор, пока ток в каждом канале не станет соответствующим среднему значению 1Ср. Логическая функция Запрет 39 предотвращает одновременное попадание на вход логического сумматора АО выходных сигналов элементов 37 и 38 в тех случаях, когда необходимо сужение им- пульсоо, поступающих от- МДИ. В этом случае сигнал Дна выходе вычитающего узла 13 отрицателен и является запрещающим сигналом, предотвращающим поступление на вход логического сумматора 40 выходного сигнала элемента 38 2ИЛИ второй пары логических элементов.

Для сохранения работоспособности системы электроснабжения в переходных режимах при резких изменениях нагрузки в схему блока выравнивания тока нагрузки 15 введены дополнительно элементы 35 (2И) и 36 (2ИЛИ), управляемые сигналами логического блока 18. Их действие направлено на то, чтобы при появлении значительных всплесков напряжения на выходной шине блок выравнивания тока нагрузки не влиял на форсированную работу регуляторов силовой части системы. Тем самым сохраняются такие достоинства системы как ограничение выбросов и провалоэ выходного напряжения и высокое ее быстродействие.

Вместе с тем вследствие малой длительности переходных процессов неравномерная загрузка каналов электропитания во время этих процессов не сказывается заметно на надежности системы. Схема, блокирующая выравнивание токов, действует в течение той части переходных процессов, когда возникает необходимость включения логических блоков, т.е. когда появляется сигнал на выходе формирователя форсирующих импульсов (ФФИ) 2 1. Логические сигналы блокирования поступают со знаком рассогласования выходного сигнала ФФИ 21 в логическом блоке 18 с выхода логического инвертора 30 и после первого развязывающего диода 24.

В случае положительного выброса выходного напряжения, когда необходимо блокировать работу регулятора разряда, на выходе инвертора 30 и схемы совпадений 31 появляются сигналы низкого логического уровня, которые при помощи логических элементов 2И 35 и 37 блокируют сигнал широтно-импульсного модулятора 34.Управляющий сигнал на входе буферного усилителя 32 отсутствует. Наоборот, с появлением большого отрицательного выброса на выходе диода 24, а также на выходе второй схемы совпадений 31 логического блока 18появля- ется сигнал высокого логического уровня,

который на протяжении нескольких периодов ШИМ (или МДИ) при помощи элементов 2ИЛИ 36 и 38 обеспечивает сигнал максимальной длительности на выходе блоков выравнивания тока нагрузки 15 одновременно всех каналов, форсируя работу их регуляторов разряда.

Анализ работы автономной системы электроснабжения постоянным напряжением позволяет утверждать, что предлагаемый способ включения N параллельных каналов электропитания обеспечивает1 существенное расширение функциональных возможностей системы электроснабжения, заключающееся в следующем:

формирование N-кратной мощности нагрузки в пределах установленной мощности солнечных батарей;

повышение качества вырабатываемой СЭС электроэнергии вследствие значительного сокращения длительности переходных режимов и минимизации при этом выбросов и провалов выходного напряжения за счет использования логических блоков 16, 17,18;

повышение эксплуатационной надежности, достигаемое использованием устройства выравнивания тока нагрузки 15 в установившихся режимах работы СЭС в случаях использования системой энергии аккумуляторных батарей

Формула изобретения

1. Система электроснабжения постоянным напряжением, содержащая модулятор длительности импульсов, дифференциальный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к выходным выводам, сумматор, входы которого через дифференциальный трансформатор соединены с выходными выводами, а выход подключен к входу модулятора длительности импульсов, формирователь форсирующих импульсов, источник опорного напряжения, подключенный к одному из входов формирователя форсирующих импульсов, другой вход которого соединен с вторичной обмоткой дифференциального трансформатора, и первый канал электропитания, включающий в себя параллельно соединенные МРЖДУ собой солнечную батарею, регулятор избыточной мощн ости и цепь из последовательно соединенных аккумуляторной батареи и параллельно включенных между собой регуляторов заряда и разряда аккумуляторной батарей, блок контроля и управления состоянием заряда-разряд.э аккумуляторной батареи и три логических блока, входы которых соединены с выходом формирователя форсирующих импульсов, выходы - с управляющими входами соответствующих регуляторов избыточной мощности, заряда

и разряда аккумуляторной батареи, а управляющие входы - с соответствующими выходами модулятора длительности импульсов, при этом каждый логический блок включает 5 в себя два аналоговых инвертора, два сле- мента совпадений, расширитель импульсов, логические элементы ИЛИ и НЕ, буферный усилитель и два инвертора, причем выход первого аналогового инвертора через по0 следовательно соединенные первый диод, первый элемент совпадений, расширитель импульсов и логический элемент ИЛИ подключен к первому входу второго элемента совпадений, а через последовательно сое5 диненные второй диод, второй аналоговый инвертор и логический элемент НЕ - к второму входу второго элемента совпадений, вход первого аналогового инвертора использован в качестве входа, выход буферно0 го усилителя - в качестве выхода а второй вход логического э леме нта ИЛИ- в качестве управляющего входа логического блока, о т- личающаяся тем. что. с целью расширения области использования, в нее вееде5 ны датчик суммарного тока и делитель выходного напряжения, а также по меньшей мере еще один канал электропитания, аналогичный первому, при этом в каждый канал электропитания введены последовательно

0 соединенные развязывающийдиод и датчик тока, включенные последовательно с датчиком суммарного тока в выходную силовую шину, блок выравнивания тока нагрузки имеющий два информационных, два логичэ5 ских. синхронизирующий и запрещающий входы и один выход, а также последовательно соединенные вычитающий и суммирующий узлы, причем первый информационный вход блока выравнивания тока нагрузки со0 единен с выходом второго блока совпадения логического блока, выход которого подключен к управляющему входу регупято- ра разряда аккумуляторной батареи, выход соединен с входом буферного усилителя

5 этого же логического блока, второй информационный вход - с выходом суммирующе- го узла, к первому входу которого вместе с первым входом вычитающего узла подключен выход делителя напряжения, входом си0 единенного с выходом датчика суммарного тока, второй вход вычитающего узяа соединен с выходом датчика тока канала электропитания, а выход - с вторым входом суммирующего узла и с запрещающим вхо5 дом блока выравнивания тока нагрузки, первый и второй логические входы блока выравнивания тока нагрузки соединены со- . ответственно с выходом логического блока, а синхронизирующий вход - с выходом модулятора длитепъности импульсов, соединенным с управляющим входом данного логического блока.

2. Система по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что блок выравнивания тока нагрузки каждого канала электропитания включает в себя последовательно соединенные синхронизируемый генератор линейно изменяющегося напряжения и широтно-импу- льсный модулятор, две пары логических эле- ментов 21Л. 2ИЛИ, схему запрета, а также логический сумматор, выход которого использован в качестве выхода блока выравнивания тока нагрузки, причем в первой паре логических элементов, состоящей из элементов 2И и 2ИЛИ. первые входы элементов объединены и соединены с выходом широтно-импульсиого модулятора, второй вход элемента 2И использован в качестве первого логического входа, а второй вход элемента 2 ИЛ И - о качестве второго логического входа блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента 2И соединен с первым входом логического элемента 2ИЛИ второй пары, а выход элемента 2ИЛИ - с первым входом элемента 2И второй пары, вторые входы элементов второй пары объединены и использованы в качестве первого информационного входа блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента 2ИЛИ второй пары логических элементов использован в качестве разрешающего входа схемы запрета, второй вход которой использован в качестве запрещающего входа блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента 21/1 второй пары логических элементов и выход схемы запрета подключен к входам логического сумматора, второй вход широтно-импульсного модулятора использован в качестве второго информационного входа, а выход генератора линейно изменяющегося напряжения - в качестве синхронизирующего входа блока выравнивания тока нагрузки.

Использование: во вторичных источниках электропитания радиоаппаратуры, где требуется высокая степень использования установленной мощности первичного источника электропитания, и данном случае солнечной батареи. Сущность изобретения: введение датчика суммарного тока, суммирующего и вычитающего узлов, а также дат- чика, диода и блока выравнивания тока нагрузки в каждый канал электропитания позволило обеспечить возможность парал- лел ьнi ого вк л ючения ta н а л ов без п е ре- грузок аккумуляторных батарей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Фиг.1

Н

Uu

«ли.

feЈ

6«

26

y hnnnnnr.

уг

t

P П П П П П Г . И/

h п п п п п г.. к/

/VV$ll

T /1J$

i

- J/

i

Г7

t-a r/

i

I

Д/

e/

Г

f «/

L

3/