Автономная система электроснабжения

Союз СоветскикСоциалистическикреспубпик ОП ИКАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВМДЕ ТЕ ЛЬСТВУ и 847438гт(22)Заявлено 17.07.79 (2) 2800031/24-07с присоелинениен заявки рмпо аелам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Куйбышевский институт инженеровтранспорта(54) АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 2ра орбиты и с датчиков напряжения итемпературы АБ 1.Недостатком такой АСЭС являетсято, что уровень зарядного тока АБ определяется исходя лишь из длительности световой фазы предшествующегопериода, без учета глубины разрядаАБ по емкости.Известна также автономная система электроснабжения для регулирования заряда АБ, в которой используетсяшунтовой регулятор, управляемый наоснове данных счетчика амперчасов,который определяет глубину разряда АБ.Кроме того, для повышения точностиконтроля заряда АБ учитывается еетемпература 1,21.Однако в этой системе при регулировании тока заряда не учитываетсяизменение длительности световой фазыФЭП,Общим недостатком рассмотренныхсистем является невысокая эффективность использования ФЭП по энергии Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к автономным системам электроснабжения (АСЭС), в которых в качестве первичных источников электроэнергии используются полупроводниковые фотопреоб 5 разователи (ФЭП), а для обеспечения нормальной работы системы в режиме сеансных нагрузок и в теневой фазе ФЭП используются аккумуляторные батареи АБ). Такие АСЭС применяются на необслуживаемых радиорелейных линиях, гидрометеоустановках, на летательных аппаратах и т.д. 15Известна АСЭС, в которой Функция устройства управления состоит в контроле и регулирования процесса заряда АБ. Такая АСЭС состоит из ФЭП и двух АБ, одна из которых является рабочей, а другая резервной. Управление током заряда АБ осуществляется переключателем и шунтовым регулятором на основе информации, получаемой с таймеВСтСОНщ. аВелижанский " " ф т 1:1 ГЩт 116 1 д(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 ФЭП с объединенной нагрузкой (АБ и потребителем энергии) нарушается. Невысокая эффективность использования 10 ФЭП вызывает необходимость увеличения установленной мощности ФЭП, а следовательно, ее габаритов массы и стоимости.Известка также автономная систе ма электроснабжения спутника "Че 1 а" (США), состоящая из двух одинаковых ФЗП, последовательно с которыми включены регуляторы с широтно-импульсной модуляцией,и двух АБ. Регулирование 20 напряжения на нагрузке в этой АСЭС производится в функции тока заряда АБ 1 31.Однако данная .система обладает указанным недостатком.Известны АСЭС, в которых повыше ние эффективности использования ФЭП достигается путем автоматической настройки на режим максимальной мощности, Одна из таких автономных систем электроснабжения содержит регу лятор, систему качания, измеритель мощности, фазочувствительный усилитель и интегрирующее устройство. Работа регулятора основана на непрерывном поиске точки максимапьной мощ ности ФЭП при помощи подключения дополнительной нагрузки 1 41.Однако это вызывает снижение КПД АСЗС.Для устранения этого недостатка 40 была предложена схема регулятора мощкости, управляемого по основному возмущению - изменению температуры панелей ФЗП Г 5,1 .Однако целью управления этого ре гулятора, также как и регулятора рассмотренного выше, является получение максимальной мощности от ФЭП. При таком управлении не учитывается режим работы АБ и многие другие факторы. 50 Большой ток заряда при большой величине мощности ФЭП в экстремальном режиме приводит к снижению ресурса АБ, Кроме того, после заряда АБ и отключения ФЭП, если длительность свето вой фазы ФЭП больше минимальной, в течение ее оставшейся части происходитразряд АБ,что требует увеличения уста 38 фновлекной емкости АБ. Если же ФЭПвключать для дозаряда АБ, то увеличивается число циклов заряд-разряд,что также отрицательно сказываетсяна емкости АБ.Во всех рассмотренных АСЭС реализуются частные задачи оптимальногоуправления и не обеспечивается оптимизация работы системы в целом, Этоприводит к необходимости устанавливатьФЭП с избыточной мощностью, а АБ - сизбыточной емкостью, что связано сувеличением габаритов, массы, стоимости и со снижением надежности АСЭС.Таким образом, известные АСЗС имеютневысокую эффективность.Цель изобретения - повышение эффективности и надежности АСЭС,Указанная цель достигается тем,что в АСЭС, содержащую датчики токаи уровня заряда АБ, счетчик амперчасов, подключенный к датчику тока АБ,датчик освещенности ФЭП, подключенный к нему таймер блок регулирования по току и блок настройки ка экстремум, введены дополнительно блокделения, запоминающее устройство,пороговое устройство, задатчик исумматор, причем входы блока деленияподключены к выходам таймера и счетчика амперчасов, а его выход череззапоминающее устройство связан совходом порогового элемента и однимиз входов задатчика, второй вход задатчика подключен к выходу счетчикаамперчасов, а третий - к датчикууровня заряда, входы блока регулирования по току подключены к выходамзадатчика, порогового элемента идатчика тока, входы блока настройки на экстремум подключены к выходамдатчика тока, датчика уровня зарядаи порогового элемента, а выходы обоихуказанных блоков через сумматор связаны с управляющим входом регулятора мощностиНа фиг. 1 приведена структурнаясхема предлагаемой системы, на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие ееработу.АСЭС состоит из фотопреобразователя 1 и подключенной к нему черезрегулятор мощности 2 аккумуляторнойбатареи 3. К батарее подсоединенанагрузка 4. Управляющий вход регулятора мощности (РМ) через сумматор5 подключен к блоку 6 регулирования по току(БРТ) и к блоку 7 наст38 5 8474 ройки на экстремум (БНЭ) . 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 О очередь, подключены к выходам таймера 14 и счетчика 15 амперчасов (САЧ). Таймер подключен к датчику 16 освещенности, а САЧ - к датчику 1 О тока, Два других входа задатчика 8 подклю чены 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 освещен ности подключен ко входу РМ 2, производящему его отключение и ко входЪ блока 13 деления, по которому разрешается выполнение операции деления.Система работает следующим об разом.В конце световой фазы (и)-го периода функционирования АСЭС таймер 1.4 по сигналу с датчика 16 освещенности фиксирует длительность 30 этой фазы Тс(п). Информация о величине Тс(п) держится в таймере до наступления световой фазы следующего и-го периода. САЧ 15 на основании информации с датчика 1 О о значении то- З 5 ка АБ определяет глубину разряда Цр(п) АБ в теневой фазе (и)-го периода.На фиг. 2 показаны временные диаграммы освещенности Е панели ФЭП и 40 изменения разрядной емкости АБ Ор.В момент начала световой фазы и-го периода по сигналу датчика освещенности (точка 1 на фиг2 )блок 13 делейия на основании информации о зна чениях Тс(п) Ор(п) производит определение уровня зарядного тока АБ, необходимого для полного вос. полнения емкости АБ в течение световой фазы и-го периода, т.е. 50ЦР ,т; - ) где К - коэффициент запаса, учитывающий эффективность АБ по энергии, неравномерность потребления тока нагрузки и другие факторы (КзС 1). 55Информация о величине 1 (и) посЪ тупает в запоминающее устройство 12, а с него - на задатчик 8, на выхоп которого устанавливается сигнал, пропорциональный величине, Тай 5мер сбрасывается в исходное состояние.Если полученная величина 1(п) оказывается меньше некоторого фиксированного значения, то ПЭ 9 включает БРТ 6. Управляющий сигнал с БРТ через сумматор 5 поступает на РМ 2, Сравнивая сигнал с датчика 1 О, характеризующий текущее значение тока заряда АБ, с сигналом задатчика БРТ обеспечивает настройку РМ на режима заряда током 1 (и) .От ФЭП в этом ре. жиме потребляется только мощность, необходимая для заряда АБ и питания нагрузки. Если по каким-либо причинам ток нагрузки возрастает, то это приводит к уменьшению тока заояпа АБ. Однако БРТ настраивает РМ таким образом, чтобывновь восстановил заданное значение. Возможное увеличение мощности нагрузки до значения, превышающего мощность ФЭП, учитывается коэффициентом К при настройке заЪдатчика. 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 задатчика 8 сигнала,пропорционального сигналу на выходе САЧ,При полном заряде АБ этот сигнал близок к нулю. РИ 2 в этом режиме обеспечивает потребление от ФЭП только мощности, требуемой для нормальной работы нагрузки. Если к началу и-го интервала величина 1 (и) оказалась больше 1 о, то ПЭ 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 1, поскольку максимальное значение 1 соответствует максимальному значению мощности ФЭП. Наст. ройка должна производиться с учетом ограничения величины 1 на уровне допустимого зиачения. При полном заряде АБ по сигналу с датчика 11 управление передается на БРТ 6, настроенный на режим заряда по сигналу с САЧ.7 84Если в течение части световой фазысоставшейся после восстановления емкости АБ, ток нагрузки в отдельныемоменты превышает ток, который можетобеспечить ФЭП, то происходит зарядАБ. Для восстановления емкости АБсигналом с САЧ, который фиксирует величину разряда Ор, на выходе задатчика в этом режиме устанавливается сигнал, пропорциональный величине Яр.Поэтому ток заряда оказывается такжезависящим от величины Цр и дозаряд,происходит тем интенсивнее, чем больше глубина разряда АБ.В момент прекращения действия светового потока (точка 3 на фиг. 2),посигналу датчика освещенности РМ 2отключается, за счет чего исключается работа АБ на ФЭП. В течение теневой фазы периода питание нагрузкиосуществляется только от АБ. С начала(и+1)-го интервапа (точка 4 на фиг.2)описанныи процесс повторяется, Доточки 5 ФЭП и АБ работают на нагрузку совместно.В предлагаемой АСЭС достигаетсяоптимальная работа ФЭП и АБ в течениевсего периода. Заряд АБ в световойфазы ФЭП производится током, не превышающим величину, минимально необходимую для восполнения емкости АБ дономинального значения. Эта величинакорректируется с учетом длительностисветовой и теневой фаз. Чем большеТс, тем меньше разряд АБ и тем меньше значение тока используется дляее заряда. Такой режим обеспечиваетмаксимум ресурса АБ применительнок условиям ее работы в буферном режиме. В наиболее жестких режимах работы системы, когда величина Тс прирлиижается к минимальной и от ФЭП требуется отбирать максимум мощности,РИ переводится в режим экстремального регулирования. Это дает возможность существенно снизить резервныйзапас мощности ФЭП,Таким образом, эффективность предлагаемой системы с оптимальным управлением существенно выше, чем у известных АСЭС. Это позволяет при заданной мощности нагрузки снизить установленную мощность ФЭП и номинальную емкость АБ, что приводит к уменьшению массы, габаритов и стоимости АСЭС, повьппению ее надежности, Реализация рассмотренного принципа уп 1438 8равления в используемых АСЭС позво.ляет значительно увеличить их ресурсПредлагаемая система по характеру функционирования является адаптивной (самоорганизующейся),поскольку она автоматически изменяет своюструктуру и алгоритмы работы в зависимости от изменения внешних условий ианализа поведения системы.10 К достоинствам системы следуетотнести воэможность использования приреализации устройства управления хорошо отработанных стандартных блоков(блока деления, датчиков, блоков ре гулирования по току и настройки наэкстремум)Предложенное устройство управления может найти применение в АСЭС набазе ФЭП и злектрохимических АБ самых 20 различных объектов. Оно может бытьтакже использовано в АСЭС, в которых в качестве первичных источниковэлектроэнергии используются и другиенеуправляемые преобразователи, напри мер радиоизотопные генераторы.В результате моделирования предлагаемой АСЭС на ЦВМ была показанавозможность уменьшения необходимоймощности ФЭП на 15-257. и увеличенияресурса АБ в 1,5-2 раза.Формула изобретения35 Автономная система электроснабжения, содержащая фотопреобразователь,аккумуляторную батарею, регулятормощности фотопреобраэователя, датчикитока и уровня заряда аккумуляторной 40 батареи, счетчик амперчасов, подключенный к датчику тока, датчик освещенности фотопреобразователя, подключенные к нему таймер, блок регулирования по току и блок настройкина экстремум, о т л и ч а ю щ а я с ятем, что, с целью повьппения эффективности и надежности, в устройство введены блок деления, запоминающее устройство, пороговый элемент,задатчик и сумматор, входы блока деления подключены к выходам таймераи счетчика амперчасов, а его выходчерез запоминающее устройство связан со входом порогового элемента иодним из входом задатчика, второйвход которого пбдключен к выходу счет.чика амперчасов, а третий - к датчику уровня заряда, при этом входы9 84блока регулирования по току подключены к выходам задатчика, пороговогоэлемента и датчика тока, входы блока настройки на экстремум подключенык выходам датчика тока, датчик уровнязаряда и порогового элемента, а выходы блоков регулирования по току инастройки на экстремум связаны через сумматор с управляющим входом регулятора мощностиИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе1. В 1 опзйеи 1 5 оее вейЬодз оГзрасесгаУй Ьаййегу сопСго 1, Ргосеедпдз оГ Спе 5 сЬ пйегпайопа5 уарозца Ье 10 оГ ВгдЬеоп. 966,р. 496, 7438 102. Патент США В 3740636,кл . 320-2, 1974.3. Моэеэ Е.С. апд йезепгпд 1,6,Апа 1 узэ оГ 5 айе 11 йе Роиег 5 уэеаэГог Иахаце ОС 1 зайоп оГ Роиег.Адчапсез 1 п Епегцу Сопчегзоп Епд 1- пеегпд. 1967, р. 595-605.4. Веденеев Г. М. и др. Статический экстремальный регулятор мощности1 О для автономной системы электроснабжения. Сб. "Повьппение эффективностиустройств преобразовательной техники". ч. 2, Киев. "Наукова думка",1972, с, 354-358.5. Авторское свидетельство СССРпо заявке У 2560823/07,кл. С 05 Р 1/64, 977.847438 Решетник аказ 5517/82 Тираж ВНИИПИ Государст по делам изоб 113035, Москва, Ж75 Подписноеенного комитета СССР етений и открытий -35, Раушская наб., д ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проек 4 ил Составитель И. Найдинаедактор С. Тимохина Техред А. Савка Корре