Автономная система электроснабжения Советский патент 1981 года по МПК H02J7/34 G05F1/64 

(54) АВТОН(ЖНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к автономным системам электроснабжения (АСЭС) в которых в качестве первичных источников электроэнергии исполь зуются полупроводниковые фотопреобразователи (ФЭП), а для обеспечения нормальной работы системы в режиме сеансных нагрузок и в теневой фазе ФЭП используются аккумуляторные батареи (АБ). Такие АСЭС применяются н необслуживае в гх радиорелейных линиях гидрометеоустановках, на летательных аппаратах и т.д. Известна АСЭС, в которой функция устройства управления состоит в контроле и регулирования процесса заряд АБ. Такая АСЭС состоит из ФЭП и двух АБ, одна из которых является рабочей, а другая резервной. Управление током заряда АБ осуществляется перек лючателем и шунтовым регулятором на основе информации, получаемой с тайм ра орбиты и с датчиков напряжения и температуры АБ ClНедостатком такой АСЭС является то, что уровень зарядного тока АБ определяется исходя лишь из длительности световой фазы предшествующего периода, без учета глубины разряда АБ по емкости. Известна также автономная система электроснабжения для регулирования заряда АБ, в которой используется шунтовой регулятор, управляемый на основе данных счетчика амперчасов, который определяет глубину разряда АБ. Кроме того, для повышения точности контроля заряда АБ учитывается ее температура f2. Однако в этой системе при регулировании тока заряда не учитывается изменение длительности световой фазы ФЭП. Обцим недостатком рассмотренных систем является невысокая эффективность использования ФЭП по энергии (70-80%). Это связано с тем, что АСЭС постоянно подвергается воздействию различных динамических возмущений (из-за изменения освещенности ФЭП, его температуры, влияния радиации, колебаний тока нагрузки и др.) и режим оптимального согласования ФЭ с объединенной нагрузкой (АБ и потребителем энергии) нарушается. Невысокая эффективность использования ФЭП вызывает необходимость увеличения установленной мощности ФЭП, а сл довательно, ее габаритов массы и ,стоимости. Известна также автономная система электроснабжения спутника Vela (США), состоящая из двух одинаковых ФЭП, последовательно с которыми вклю чены регуляторы с широтно-импульсной модуляцией,и двух АБ. Регулирование напряжения на нагрузке в этой АСЭС производится в функции тока заряда АБ (3j . Однако данная .система обладает указанным недостатком. Известны АСЭС, в которых повьшение эффективности использования ФЭП достигается путем автоматической настройки на режим максимальной мощности. Одна из таких автономных систем электроснабжения содержит регулятор, систему качания, измеритель мощности, фазочувствительный усилитель и интегрирующее устройство. Работа регулятора основана на непрерыв ном поиске точки максимальной мощности ФЭП при помощи подключения дополнительной нагрузки Однако это вызывает снижение КПД АСЭС. Для устранения этого недостатка была предложена схема регулятора мощ ности, управляемого по основному воз мущению - изменению температуры панелей ФЭП СЗ. Однако целью управления этого регулятора, также как и регулятора рас смотренного выше, является получение максимальной мощности от ФЭП. При та ком управлении не учитывается режим работы АБ и многие другие факторы. Большой ток заряда при большой величине мощности ФЭП в экстремальном ре жиме .приводит к снижению ресурса АБ Кроме того, после заряда АБ и отключения ФЭП, если длительность световой фазы ФЭП больше минимальной, в чение ее оставшейся части происходит разряд АБ,что требует увеличения уста 84 новленной емкости АБ. Если же ФЭП включать для дозаряда АБ, то увеличивается число циклов заряд-разряд, что также отрицательно сказывается на емкости АБ. Во всех рассмотренных АСЭС реализуются частные задачи оптимального управления и не обеспечивается оптимизация работы системы в целом. Это приводит к необходимости устанавливать ФЭП с избыточной мощностью, а АБ - с избыточной емкостью, что связано с увеличением габаритов, массы, стоимости и со снижением надежности АСЭС. Таким образом, известные АСЭС имеют невысокую эффективность. Цель изобретения - повышение эффективности и надежности АСЭС. Указанная цель достигается тем, что в АСЭС, содержащую датчики тока и уровня заряда АБ, счетчик амперчасов, подключенный к датчику тока АБ, датчик освещенности ФЭП, подключенный к нему таймер, блок регулирования по току и блок настройки на экстремум, введены дополнительно блок деления, запоминающее устройство, пороговое устройство, задатчик и сумматор, причем входы блока деления . подключены к выходам таймера и счетчика амперчасов, а его выход через запоминающее устройство связан со входом порогового элемента и одним из входов задатчика, второй вход задатчика подключен к выходу счетчика амперчасов, а третий - к датчику уровня заряда, входы блока регулирования по току подключены к выходам задатчика, порогового элемента и датчика тока, входы блока настройки на экстремум подключены к выходам датчика тока, датчика уровня заряда и порогового элемента, а нзтходы обоих указанных блоков через сумматор связаны с управляющим входом регулятора мощности. На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемой системы, на фиг.2временные диаграммы, поясняющие ее работу. АСЭС состоит из фотопреобразователя 1 и подключенной к нему через регулятор мощности 2 аккумуляторной батареи 3. К батарее подсоединена нагрузка 4. Управляющий вход регулятора мощности (РМ) через сумматор 5 подключен к блоку 6 регулирования по току(БРТ) и к блоку 7 настройки на экстремум (ВНЭ) . Входы БРТ подключены к задатчику 8, к одному из выходов порогового элемента (ПЭ) 9 и к -датчику 10 тока. Входы БНЭ 7 подключены к другому выходу ПЭ 9 к датчику тока и к датчику 11 уровня заряда АБ. Один из входов задатчика 8 и вход ПЭ 9 связаны через запоминающее устройство 12 с блоком 13 деления, входы которого,в свою очередь, подключены к выходам таймера 14 и счетчика 15 амперчасов (САЧ Таймер подключен к датчику 16 освещенности, а САЧ - к датчику 10 тока Два других входа задатчика 8 подключены к выхода САЧ и датчику 11 уровня заряда. Датчик уровня заряда подключен также ко входу САЧ, по которому производится его установка в исходное состояние. Датчик освещенности подключен ко входу РМ 2, производящему его отключение и ко вход блока 13 деления, по которому разрешается выполнение операции деления.

Система работает следующим образом.

В конце световой фазы (n-l)-ro периода функционирования АСЭС таймер 1:4 по сигналу с датчика 16 освещенности фиксирует длительность этой фазы Tc(n-l). Информация о величине Тс(п-1) держится в таймере до наступления световой фазы следующего п-го периода. САЧ 15 на основании информации с датчика 10 о значении тока АБ определяет глубину разряда (ip(n-l) АБ в теневой фазе (n-l)-ro периода.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы освещенности Е панели ФЭП и изменения разрядной емкости АБ Qp.

В момент начала световой фазы п-г периода по сигналу датчика освещенности (точка 1 на фиг. 2 )блок 13 деления на основании информации о значениях Тс(п-1) 0.р(п-1) производит определение уровня зарядного тока АБ, необходимого для полного восполнения емкости АБ в течение световой фазы п-го периода, т.е.

OpCn-i /k T C -) где Kj, - коэффициент запаса, учитывающий эффективность АБ по энергии, неравномерность потребления тока нагрузки и другие факторы (К.1).

Информация о величине (п) поступает в запоминающее устройство 12, а с него - на задатчик 8, на выхопр

которого устанавливается сигнал, пропорциональный величине Ц . Таймер сбрасывается в исходное состояние .

Если полученная величина 1 (f) оказывается меньше некоторого фиксированного значения 1, , то ПЭ 9 включает БРТ 6. Управляющий сигнал с БРТ через сумматор 5 поступает на РМ 2. Сравнивая сигнал с датчика 10, характеризующий текущее значение тока заряда АБ i,, с сигналом задатчика БРТ обеспечивает настройку РМ на режима заряда током l-j, (п) .От ФЭП в этом ржиме потребляется только мощность, необходимая для заряда АБ и питания нагрузки. Если по каким-либо причинам ток нагрузки возрастает, то это приводит к уменьшению тока заряда АБ. Однако БРТ настраивает РМ таким образом, чтобы iл вновь восстановил заданное значение. Возможное увеличение мощности нагрузки до значения, превышающего мощность ФЭП, учитывается коэффициентом Ка при настройке задатчика.

При полном восстановлении емкости АБ (точка 2 на фиг. 2) датчик 11 заряда сбрасыват САЧ на нуль и выдает сигнал, изменяющий настройку БРТ 6 на режим заряда небольшим, близким к нулю током. Это осуществляется установкой на выходе ггадатчика 8 сигнала, пропорционального сигналу на выходе САЧ При полном заряде АБ этот сигнал близок к нулю. РМ 2 в этом режиме обеспечивает потребление от ФЭП только мощности, требуемой для нормальной работы нагрузки.

Если к началу п-го интервала величина la, (п) оказалась больше 1о,о, то ГО 9 включает БНЭ 7, сигнал БНЭ через сумматор 5 поступает на вход РМ, который в этом случае работает в режиме отбора от ФЭП максимальной мощности. Настройка БНЭ ведется по значению тока lo,, поскольку максимальное значение i« соответствует максимальному значению мощности ФЭП. Настройка должна производиться с учетом ограничения величины ij, на уровне допустимого значения. При полном заряде АБ по сигналу с датчика 11 управление передается на БРТ 6, настроенный на режим заряда по сигналу с САЧ. Если в течение части световой фазь оставшейся после восстановления емкости АБ, ток нагрузки в отдельные моменты превышает ,ток, который может обеспечить ФЭП; то происходит заряд АБ. Для восстановления емкости АБ сигналом с САЧ, который фиксирует ве личину разряда Qp, на выходе задатчи ка в этом режиме устанавливается сиг нал, пропорциональный величине Q.p. Поэтому ток заряда оказывается также зависящим от величины Q.p и дозаряд ,. происходит тем интенсивнее, чем болъ , ше глубина разряда АБ. . В момент прекращения действия све тового потока (точка 3 на фиг. 2). по сигналу датчика освещенности РМ 2 отключается, за счет чего исключается работа АБ на ФЭП. В течение теневой фазы периода питание нагрузки осуществляется только от АБ. С начал (п+1)-го интервала (точка 4 на фиг.2 описаннЬш процесс повторяется. До точки 5 ФЭП и АБ работают на нагрузку совместно. В предлагаемой АСЭС достигается оптимальная работа ФЭП и АБ в течени всего периода. Заряд AJB в световой фазы ФЭП производится током, не превышающим величину, минимально необхо димую для восполнения емкости АБ до номинального значения. Эта величина корректируется с учетом длительности световой и теневой фаз. Чем больше Тс, тем меньше разряд АБ и тем меньше значение тока используется для ее заряда. Такой режим обеспечивает максимум ресурса АБ применительно к условиям ее работы в буферном режиме . Б наиболее жестких релшмах работы систе, когда величина Тс при 5лижается к минимальной и от ФЭП тре буется отбирать максимум мощности, РМ переводится в релсим экстремального регулирования. Это дает возможность существенно снизить резервный запас мощности ФЭП. Таким образом, эффективность пред лагаемой системы с оптимальным управ ленз-seM существенно выше, чем у известных АСЭС. Это позволяет при заданной мощности нагрузки снизить установленную мощность ФЭП и номинальную емкость АБ, что приводит к умень шению массы, габаритов и стоимости АСЭС, повьшению ее надежности. Реализация рассмотренного принципа управления в используемых АСЭС позволиет значительно увеличить их ресурс Предлагаемая система по характеру функционирования является адаптивной (самоорганизующейся),поскольку она автоматически изменяет свою структуру и алгоритмы работы в зависимости от изменения внешних условий и анализа поведения системы. К достоинствам системы следует отнести возможность использования при реализации устройства управления хорошо отработанных стандартных блоков (блока деления, датчиков, блоков регулирования по току и настройки на экстремум). Предложенное устройство управления может найти применение в АСЭС на базе ФЭП и электрохимических АБ самых различных объектов. Оно может быть также использовано в АСЭС, в которых в качестве первичных источников электроэнергии используются и другие неуправляемые преобразователи, например радиоизотопные генераторы. В результате моделирования предлагаемой АСЭС на ЦВМ была показана возможность уменьшения необходимой мощности ФЭП на 15-25% и увеличения ресурса АБ в 1,5-2 раза. Формула изобретения Автономная система электроснабжения, содержащая фотопреобразователь, аккумуляторную батарею, регулятор мощности фотопреобразователя, датчики тока и уровня заряда аккумуляторной батареи, счетчик амперчасов, подключенный к датчику тока, датчик освещенности фотопреобразователя, подключенные к нему таймер, блок регулирования по току и блок настройки на экстремум, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности и надежности, в устройство введены блок деления, запоминающее устройство, пороговый элемент, задатчик и сумматор, входы блока деления подключены к выходам таймера и счетчика амперчасов, а его выход через запоминающее устройство связан со входом порогового элемента и одним из входом задатчика, второй вход которого подключен к выходу счетчика амперчасов, а третий - к датчику уровня заряда, при этом входы

блока регулирования по току подклю- чены к выходам задатчика, порогового элемента и датчика тока, входы блока настройки на экстремум подключены к выходам датчика тока, датчик уровня заряда и порогового элемента, а выходы блоков регулирования по току и настройки на экстремум связаны через сумматор с управляющим входом регулятора мощности.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

кл. G 05 F 1/64, 1977.