Способ управления многоячейковой системой электропитания Советский патент 1981 года по МПК H02M7/48 

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОЯЧЕЙКОВОЙ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Изобретение относится к силовой полупроводниковой преобразовательной технике и предназначено для применения в, устройствах управления вентильными преобразователями, использ емыми в системах электропитания, электроприводе, электротермии и элек тротехнологии . Известен способ управления многоячейковьами системами электропитания параллельньам соединением ячеек по выходу, при котором каждую из ячеек переводят в режим стабилизации напряжения, а максимальное значение тока ячейки ограничивают на заранее заданном уровне. При достижении выходным током ячейки уровня ограниче ния напряжение на выходе падает и подключается следующая ячейка 1. Недостаток данного способа состо в том, что трудно осуществлять изме нение уровня выходного стабилизированного напряжения (тока), так как для этого необходимо производить ре гулирование одновременно во всех ячейках системы. Кроме того, при из менении выходного тока ячейки систе мы оказываются загруженными по мощности неравномерно. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ, реализованный в устройстве, представляющем собой многоячейковую систему электропитания, ячейки в которых, с целью выравнивания их выходных токов, охвачены обратными связями. В данном способе измеряют разность между напряжением, пропорциональным напряжению нагрузки и напряжением установки, и устанавливсцот режим работы одной ячейки в зависимости от указанной разницы так, чтобы минимизировать среднее, за некоторый промежуток времени,о значение этой разности. Кроме того, для всех остальных ячеек измеряют разность между током каждой из liHx, и током основной ячейки и устанавливают режим работы остальных ячеек так, чтобы для каждой из них указанная разность между токами стремилась к нулю 2 . Недостаток этого способа состоит в сложности управления следящей системой, содержащей множество органов сравнения и звеньев обратной связи, и поэтому склонной к самовозбуждению. Далее в подобной системе невозможно обеспечить большую кратность изменения тока нагрузки без изменения структуры схемы ynpaejieния; при сбросе тока нагрузки, вследствие уменьшения КПД каждой ячейки, уменьшается общий КПД системы.

Цель изобретения - повышение устойчивости работы системы, расширение допустимых изменений выходного тока и повышение КПД системы.

ДЛЯ зтой цели ток каждой включенной ячейки устанавливают зависящим, например линейно, от упомянутого напряжения отрицательной обратной связи, при этом включение (отпирание) каждой ячейки в системе осуществляют тогда, когда напряжение отрицательной обратной связи превысит по модулю первый пороговый уровень, а отключение (запирание)- когда напряжение отрицательной обратной связи станет по модулю меньше второго порогового уровня, причем величина второго порогового уровня в каждой из ячеек выбрана по модулю меньше первого порога .

На чертеже показана функциональная схема устройства, параллельного по выходу включения п ячеек, пронумерованных индексом j(j ,2,...п).

Устройство содержит источник 1 входного напряжения многоячейковой сист.емы-электропитания , ячейку 2 j, нагрузку 3, регулирующий элемент 4 j ячейки, пороговое переключающее устройство 5 j, усилитель 6 отрицательной обратной связи, делитель 7 выходного непряжения. Выходы всех ячеек объединены на общей нагрузке 3. Каждая ячейка представлена регулирующим элементом 4 j и пороговым переключающим устройством 5 j (например, Шлидта) . Регулирующий элемент имее;т два канала регулирования: дискретный управляемый пороговым переключающим устройством 5 j, и аналоговый, управляемый напряжением отрицательной связи, сформированным операционным усилителем 6,- на один вход которого подано напряжение , а на другой напряжение, пропорциональное выходному, снимаемое с делителя 7.

Реализация предлагаемого способа управления в устройстве состоит в следующем.

При подключении системы к источнику 1 питания, когда нап эяжение нагрузки на нем равно нулю, на выходе операционного усилителя б устанавливается максимальное значение напряжения отрицательной обратной связи, большее по модулю всех первых пороговых уровней иуячеек. Пороговое переключающее устройс о 5 j каждой из ячеек формирует ci i л отпирания (включения) ячейки. как выходной ток каждой ячейки пропорционален величине напряжения отрицательной обратной связи (что легко выполнить, например, в преобразователях напряжения с индуктивным ограничением скорости изменения первичного тока), то выход на установившийся режим происходит при работе всех ячеек, причем выходной ток каждой из ячеек равен

j; максимальному. В установившемся режиме изменение тока нагрузки вызывает пропорциональное изменение уровня напряжени.я отрицательной обратной связи. Если ток нагрузки снижается

п до такой степени, что соответствующий этому значению тока уровень напряжения отрицательной обратной связи становится по модулю выше второго порогового уровня и какой-либо ячейки, то пороговое переключающее

- устройство этой ячейки вырабатывает сигнал выключения, и ячейка запирается (выключается). При этом происходит перераспределение токов оставшихся ячеек, причем уровень напряжения отрицательной обратной связи

повышается таким образом, чтобы обеспечить неизменное значение суммарного тока нагрузки. Таким образом, при отключении какрй-либо ячейки оставшиеся продолжают работать при

больших уровнях токов в энергетических режимах, приближающихся к номинальным.

В указанном случае происходит отQ ключение только одной из ячеек системы, так как пороговые уровни U и и задаются отдельно для каждой ячейки и поэтому всегда существует некоторый их разброс. В целом поро- говые уровни лежат в пределах:

5uU) цО) цш и(2) ,

nihv«ax нимупсях

определяемых неравенствами

. i;L .,,

,п.

0 I (г С2) f2 о

и ; и и . yvi-ivi jупт

При увеличении тока нагрузки происходит подключение ячеек, когда напряжение отрицательной обратной связи становится больше (по модулю) их первого порогового уровня U При подключении ячеек напряжение отрицательной обратной связи понижается; чтобы это понижение не вызывало вновь

п отключения какой-либо ячейки, необходимо выбирать значения второго порогового уровня каждой ячейки меньше первого.

Очевидно, что, если соотношение

- между первым и вторым уровнем любой

j-й ячейки удовлетворяет неравенству

uf 0.5

(1) и выполняется условие

0

(2) 0 wax Ми,

то включение и выключение ячеек при изменении тока нагрузки происходит в произвольном порядке (при достижении напряжением обратной связи пороговых уровней), и система будет усгойчивой,Так,например,при отключении одной иэ двух работающих ячеек ток оставшейся ячейки возрастает в два раза,но так как выполняются условия Ц)и(2),то напряжение отрицательной обратнбй свяэи остается меньше ни одна из ячеек не включится внов При работе трех ячеек и отключении одной из них изменение напряжения от рицательной обратной связи происходит в 3/2 раза и т.д. Таким образом, выполнение условий (1) и (2)достаточно для устойчивой работы системы Преимуществом данного способа задания пороговых уровней является уни фикация ячеек (практически все пороговые уровни устанавливаются соответ ственно одинаковыми, а требуемое их несовпадение автоматически за счет разброса параметров задающих элементов) . Недостатком можно считать тот факт, что согласно (1), минимальное и максимальное значение тока каждой ячейки различается более, чем в два раза. Если первые и вторые уровни выставлены так, что их значения удовлетворяют системе неравенств то алгоритм включения ячеек следующий: по мере увеличения тока ндгруз ки к работающей первой ячейке будут подключаться последняя п-1 и т.д. ячейка, а отключаться при сбросе тока нагрузки ячейки будут, начиная с п-й затем п-1., п-2 , . . . 2. При этом Д1%пазон изменения тока каждой ячейки уменьшится, для третьей он с ставляет 3-2 раза, для четвертой 4/3 раза, для п-ой - п/(п-1) раз. Оба описанных задания пороговых уро ней легко реализуемы на практике. Нсшичие гистерезиса при включении и выключении ячеек позволяет получит устойчивый режим работы системы. Устойчивость повышается также благо даря наличию лишь одного инерционного звена во всей системе электропи тания. Расширение пределов изменения токов нагрузки достигается отключением ячеек при уменьшении тока нагрузки при помощи пороговых переключающих устройств. Работа ячеек в режимах, близких к номинальным, обеспечивает высокий КПД всей системы в широкой диапазоне изменения тока нагрузки. Все это позволяет расширить область применения многоячейковой системы электропитания на случай, когда требуется регулирование выходного стибилизированного напряжения с высоким КПД при широком диапазоне тока нагрузки. Формула изобретения Способ управления многоячейковой системой электропитания., ячейки в которой соединены параллельно по вы,ходу, заключающийся в том, что преобразуют разность между напряжением, пропорциональным выходному напряжению или току, и напряжением установки, в напряжение отрицательной обратной связи, управлякпдее работой многоячейковой системы электропитания, о тличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости работы системы, расширения пределов допустимых изменений выходного тока и повышения КПД системы, ток каждой включенной системы устанавливают.зависящим, например линейно, от упомянутого напряжения отрицательной обратной связи, при этом включение (отпирание) каждой ячейки в системе осуществляют тогда, когда напряжение отрицательной обратной связи превысит по модулю первый пороговый уровень, а отключение (запирание) - когда напряжение отрицательной обратной связи станет по меньше второго порогового уровня, причем величина второго порогового уровня в каждой из ячеек выбрана по модулю меньше первого порога. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Голиков В.Ю., Девочкин А.Ф. Работа импульсных стабилизаторов напряжения на общую нагрузку.- Тр/Московский Энергетический институт, 1975., вып. 275, с. 83, рис. 2. 2.Антонов И.М., Глебов Б.А., Голиков В.Ю., Лукин А.А. Пути увеличения мсяцности транзисторных ВИП. Современные задачи преобразовательной техники, Киев, 1975, ч . 4, с. 357, рис. 4 (прототип).