Устройство для питания нагрузки Советский патент 1978 года по МПК H02J7/34 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам электропитания. Известны устройства для питания нагрузки от источнику ограниченной мощности, выполненного в виде ряда отдельных звеньев, например солнечной батареи 1. Известно также устройство, которое содержит солнечную батарею, аккумуляторные батареи, две шины, узел контроля с датчиками и узлы управления режимом работы, при этом к первой шине, питающей нагрузки, подключены регулируемая часть солнечной батареи, разделенной на секции, и одна аккумуляторная батарея, а к второй щине, служащей для поочередного заряда, подключены другая аккумуляторная батарея и оставшаяся часть солнечной батареи 2. Однако энергия, генерируемая солнечной батареей, в известном устройстве недоиспользуется, напряжение на нагрузке изменяется существенно, как в процессе разряда (заряда), так и в моменты коммутации секций солнечной батареи и аккумуляторных батарей к щине нагрузки, и устройство не допускает подключения потребителей, питающихся стабилизированным или пониженным напряжением (по отношению к номинальному) без применения стабилизаторов или регуляторов напряжения. применение которых влечет за собой увеличение веса устройства для питания нагрузки н снижение его КПД. Кроме того, значительная неравномерность в распределении нагрузки по секциям и частям солнечной батареи сопровождается неравномерным выделением мощности рассеяния но поверхности батареи и соответственно неравномерным распределителем температуры по площади батареи, что также сказывается на снижении КПД батареи. Известное устройство не позволяет изменять режим заряда аккумуляторов и выходное напряжение с целью обеспечения быстрого или оптимального заряда аккумуляторов, или с целью использования его для нагрузок, питающихся пониженным напряжением по отношению к номинальному, или с целью замены в действующей схеме устройства солнечной батареи или аккумуляторной батареи другими, имеющимися в распоряжении, равноценными по мощности источниками, без изменения узлов его схемы, что объясняет ограниченные функциональные возможности устройства и, следовательно, узкую область применения. С целью повышения КПД и расширения ункциональных возможностей устройства для итания нагрузки, а также повыщения точности поддержания напряжения на нагрузке в предлагаемое устройство для питания нагрузки введены стабилизатор напряжения и регулируемый источник опорного напряжения, причем секции источника постоянного тока подключены через контакты коммутатора на обе шины, связанные с нагрузкой и накопителем энергии через блок контроля и управления режимом работы, в цепь разряда накопителя энергии последовательно включены датчик тока и стабилизатор напряжения, а блок контроля и управления режимом работы связан с пороговой схемой сравнения и стабилизатором напряжения посредством регулируемого источника опорного напряжения, при этом входы пороговой схемы сравнения соответственно подключены к выходам регулируемого источника опорного напряжения, один из которых одновременно подключен к управляющему входу стабилизатора налря жения, к выходу датчика тока и к шине, соединенной с нагрузкой, а входы регулируемого источника опорного напряжения подключены к управляющим выходам блока контроля и управления режимом работы.

На чертеже изображена блок-схема устройства для питания нагрузки.

Устройство содержит источник 1 постоянного тока, выполненный в виде ряда отдельных секций 1-1 - 1-п, часть которых подключена к шине 2, питающей нагрузку 3, а оставшаяся часть-к шине 4 заряда накопителя 5 энергии, коммутатор 6 с элементами переключения 7-1-7-п, генератором 8, первой схемой И 9, второй схемой И 10, первым распределите„чем 11 и вторым распределителем 12, пороговую схему сравнения 13, датчик 14 тока, стабилизатор напряжения 15, регулируемый источ ник 16 опорного напряжения и блок 17 контроля и управления режимом работы.

Блок 17 контроля и управления .режимом работы подключает нагрузку 3 к шине 2, накопитель 5 к шине 4 и устанавливает выходные напряжения регулируемого источника 16 опорного напряжения на заданные уровни, один из которых соответствует напряжению стабилизации нагрузки, а другой - минимальному току разрядки накопителя. Контролируя напряжение на шинах 2, 4 и на накопителе 5, блок осуществляет отключение накопителя от тины заряда 4 по достижении на нем максимально-допустимого значения и отключение части или всей нагрузки при снижении напряжения на ней ниже минимально-допустимого, чем достигается автоматический перевод работы устройства в режим заряда накопителя. ,

Кроме того, блок 17 контроля и управления режимом работы исполняет внешние команды по изменению режима работы устройства в целом, например для изменения режима заряда, изменения напряжения на нагрузке и т.п.

Ток нагрузки устройства складывается из двух составляющих: тока источника , протекающего от источника 1, и выходного тока стабилизатора /сг , протекающего от накопителя 5 через датчик 14 тока и стабилизатор 15, т.е. IH 1-и + /сг Этот ток определяет напряжение на шине 2, подключаемой к нагрузке 3 посредством блока 17 контроля и управления режимом работы.

С изменением /, за счет изменения его составляющей /, зависящей от значения сопротивления нагрузки 3 и параметров источника 1, напряжение на шине 2 изменяется. Любые изменения его приводят к разбалансу схемы сравнения стабилизатора 15, сравнивающей выходное напряжение с заданным, сни.маемым с выхода а регулируемого источника 16 опорного напряжения и, следовательно, к изменению выходного тока /сг- Причем уменьщение (увеличение) напряжения вызывает увеличение (уменьщение) тока настолько, что компенсируется уменьшение (увеличение) тока /и. sТаким образом, за счет энергии накопления

осуществляется стабилизация напряжения на щине нагрузки 2 с заданной точностью при любых возмущающих воздействиях как со стороны источника и нагрузки, так и со стороны регулируемого источника опорного напряжения.

Ток, потребляемый от накопителя 5 измеряется датчиком 14 тока и в виде напряжения, пропорционального /ст, поступает на вход пороговой схемы сравнения 13, которая сравнивает это напряжение с заданным, снимаемым с.выхода б регулируемого источника 16 опорного напряжения, соответствующим минимальному току стабилизатора 1.

В случае равенства этих напряжений или превышения выходного напряжения датчика 14 0 .над заданным пороговая схема сравнения срабатывает и на ее выходе в устанавливается уровень напряжения «разрешающий прохождение через первую схему И 9 импульсов генератора 8 на вход первого распределителя 11. С каждым импульсом генератора распределитель, продвигаясь на один щаг, последовательно посылает управляющие импульсы на первые входы элементов переключения 7-1 - 7-п коммутатора 6, которые, срабатывая, переключают секции 1-1--1-п источника 1 с щины 4 заряда накопителя на шину 2 питания нагрузки.

В связи с этим составляющая тока нагрузки /и растет, а /с уменьщается. Уменьшается и ток заряда накопителя /з„. Движение распределителя и переключение секций источника 1 с щины 4 на щину 2 осуществляется до тех пор, пока /ст не станет меньше /сг„,,. При выполнении условия /сг /с-г„,, напряжение на выхо:а.е датчика 14 тока станет меньще напряжения снимаемого с выхода б регулируемого источника 16 опорного напряжения

и пороговая схема сравнения 13 возвращается в исходное состояние. На ее выходе в устанавливается напряжение, «запрещающее прохождение импульсов генератора 8 через схему И 9 на вход распределителя 11.

Дальнейщая регулировка напряжения на щине 2 осуществляется за счет изменения то. Знака стабилизатора в пределах О-/,

гагп чение тока /ст„,л выбирается равным или меньще значения номинального тока одной секции источника 1, в результате при наименьшем потреблении тока от накопителя 5 обеспечивается заданная точность стабилизации напряжен-ия нагрузки.

Аналогично, в случае превышения напряжения на шине 2 нагрузки над заданным регулируемым источником 16 опорного напряжения, снимаемым с выхода а, пороговая схема срабатывает по двум другим входам, открывает вторую схему И 10 по выходу г и импульсы от генератора 8 продвигают второй распределитель 12, который посылает управляющие импульсы на вторые входы элементов переключения 7-1 - 7-п. Последние, срабатывая в той же последовательности, переключают секции 1-1 - 1-п источника с шины 2 на шину 4, уменьшая тем самым ток источника 1 и увеличивая ток заряда накопителя ,.

Процесс переключения секций источника прекращается в тот момент, когда напряжение, снимаемое с выхода а регулируемого источника 16 опорного напряжения на вход пороговой схемы сравнения 13, станет меньше напряжения, снимаемого с щины 2 на ее вход.

Таким образом, напряжение на нагрузке стабилизируется с заданной точностью путем автоматического подключения к ней необходимого для этого количества секции источника и незначительного разряда накопителя с использованием энергии неподключенных к нагрузке секций для заряда накопителя.

При значениях мощности нагрузки меньших значения мощности источника избыточная энергия его запасается в накопителе, а при значениях мощности нагрузки . больших мощности источника за 1асенная энергия с накопителя возвращается в нагрузку, то есть энергия источника используется максимально с учетом потерь на стабилизаторе, КПД которого может быть доведен до 0,8 и более.

В случае использования в качестве источника солнечной батареи КПД устройства повышается епле за счет равномерного распределения температуры но поверхности батареи, так как практически все секции ее несут одну и ту же переменную нагрузку (при работе происходит последовательная передача нагрузки с предыдущих секций на последующие).

Установленные связи между пороговой схемой сравнения, регулируемым источником опорного напряжения, блоком контроля и управления режимом работы, стабилизатором, датчиком тока, накопителем и нагрузкой позволяют стабилизировать выходное напряжение в широком диапазоне и, следовательно, применять источники и накопители на пойышенное напряжение по отношению к номинальному нагрузки, изменять динамические характеристики устройства и режим заряда накопителя.

Устройство может использоваться с любыми источниками, расчленяюпхимися н.а звенья, например, с термоэлектрическими или с электро механическими генераторами, а также с любыми накопителями энергии, например с батареями конденсаторов.

Формула изобретения

Устройство для питания нагрузки, содержащее источник постоянного тока, например, солнечную батарею, выполненный в виде ряда отдельных секций, накопитель энергии, например аккумуляторную батарею, шину заряда накопителя, шину питания нагрузки, коммутатор, пороговую схему сравнения, датчик тока разряда накопителя и блок контроля и управления режимом работы, отличающееся тем, что,

с целью повышения КПД, точности регулирования и расширения функциональных возможностей, в устройство введены стабилизатор напряжения и регулируемый источник опорного напряжения, причем секции источника постоянного тока нодключены через контакты коммутаторов на обе шины, связанные с нагрузкой и накопителем энергии через блок контроля и управления режимом работы, в цепь разряда накопителя

энергии последовательно включены датчик тока и стабилизатор напряжения, а блок контроля и управления режимом работы связан с пороговой схемой сравнения и стабилизатором напряжения посредством регулируемого источника опорного напряжения, при это входы пороговой схемы сравнения подключены соответственно к выходам регулируемого источника опорного напряжения, один из которых одновременно подключен к управляемому входу стабилизатора напряжения, к выходу датчика тока и к шине, соединенной с нагрузкой, а входы регулируемого источника опорного напряжения подключены к управляющим выходам блока контроля и управления режимом работы.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Авторское свидетельство № 271619, кл. Н 02 J 7/00, 1968.

2.Авторское свидетельство № 417871, кл. Н 02 J 7/34, 1969.