Система электроснабжения постоянным напряжением

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 784955 А 1 5 Г 1/5 1)5 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. оа;. СТОЯННЫМ Бюл; %48кйй авиационный институт икогоина, А.Я. Зимовий, Ю,Н. Соркушев и В,И, Быцькопромышленной электронирасимова В.Г. Высшая шкорис, 8.21;е свидетельство СССРл. 0 05 Р 1/56, 1988.А ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПНАПРЯЖЕНИЕМ Изобретение относится ко вторичным источникам питания радиоаппаратуры и является дополнительным к изобретению по а.с. Ит 1538751, Известная система электро-снабжения характеризуется низкой степенью использования установленной мощности первичного источника-питания." которым является. солнечная батарея. Для . преодоления этого недостатка обычно ис- пользуется параллельная работа нескольких каналов электропитания на общую нагрузку, Однако в определенных режимах работы, в которых используется дополйи-" тельный первичный источник (аккумуляторная батарея) - параллельная работа нескольких канадов на общую нагрузку может привести к перегрузке аккумуляторных батарей, что существенно снижает надеж- ность всей системы электроснабжения. Указанная перегрузка обусловлена тем, что каждый иэ каналов электропитания имеет. высокую точность стабилизации выходного(57) Использование: во вторичных источниках электропитания" радиоаппаратуры, где требуется высокая степень использования установленной мощности первичного источника электропитания, в данном случае - солнечной батареи. Сущность изобретения: введение датчика суммарноготока. суммирующего и вычитающего узлов, а также дат- чика; диода и блока выравнивания тока нагрузки в каждый канал электропитания позволило обеспечить возможность параллельного включениятаких кайалов без перегрузок аккумуляторных батарей, 1 з.п. ф-лы, 2 ил. напряжения и, следбвательно; Малый стэтизмвне шних хараКтеристик".Целью изобретения является расширение области практического использования системы злектросйабжения за счет обеспечеййя возможности йадежной параллельной работы нескольких каналов на общую нагрузку,Это достигается тем, что в системуэлектроснабжения постоянным напряжением, содержащую модулятор длитбльйостиимпульсов, дифференциальный трансформатор первичная обмотка которого подключена к вйходныМвЫводам, сумматор, входы которого(один непосредственно, а другой через дифФеренциальный трансформатор) соединены с выходными выводами,а вь 1 ходподключей ковходу модулятора длительности импульсов, формирователь форсирующих импульсов, источник опорного напряжения, подкл 1 оченный к одному из входов формирователя форсирующих им30 35 40 45 50 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 вежду собой регуляторов заряда и разряда аккумуляторных батарей, блок контроля и управления состоянием заряда- разряда аккумуляторной 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 2 ИЛИ и НЕ и буферный усилитель, причем катод первого диода через последовательно соединенные первый элемент совпадений, расширитель импульсов и логический элемент 2 ИЛИ подключен кпервому 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 2 ИЛИ использован в качестве входа. объединенные входы первогои второго диодов - в качестве управллющего 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 разряда аккумуллторной бата 5 10 15 20 25 реи, 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 подклю- . чен 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-импульсный модулятор, две пары логических элементов 2 И,2 ИЛИ, 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 2 И и 2 ИЛИ, первые входы элементов объединены и соединены с выходом широтно-импульсного модулятора, второй вход элемента 2 И использован в качестве первого логического входа, а второй вход элемента 2 ИЛИ - в качестве второго логического входа блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента 2 И соединен с первым входом логического элемента 2 ИЛИ второй пары, а выход элемента 2 ИЛИ - с первым входом элемента 2 И второй пары, вторые входы элементов второй пары обьединены и использованы в качестве первого информационного входа блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента 2 ИЛИ 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 2 И 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 качестве1784955 10 15 20 25 30 35 40 50 синхронизирующего входа блока выравнивания тока нагрузки.Введение названных устройств дает возможность обеспечить надежную параллельную работу каналов электропитанйя 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/М 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 нагрузки работа блока выравнивания тока нагрузки блокируется. цем сохраняются достоинства системы электроснабжения. приобретенные ею после введения логических блоков.На фиг. 1 предстаолена функциональная схема предложенной системы электроснабжения; на фиг. 2 - оременные диаграммь 1 ее работы.Система включает 1 ц параллельных каналов 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 6, блок контроля и управления 7 состоянием заряда-разряда аккумуляторной .батареи, Модулятор длительности импульсов 8 управляет работой регуляторов всех каналов 9.1, 9.2, , 9 Ю каждый из которых имеет о своей выходной шине датчик тока 10, через развязывающий диод ЧО, подключенный к общей нагрузке 1, Кроме названных устройств о 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 вы- . равнивания тока нагрузки (БВТН) осуществляется сигналами поступающими в БВТН через запрещающий Е) и один из информационных (1 К 2) входов. Кроме названных, БВТН имеет еще один йнформационный(первый - 1 М 1) и два логических (1 1, 3 2) входа, связанные с соответствующимйвыходами. третьего из логицеских блоков 16,17; 18 канала, а также синхронизирующий С) вход, подключенный к тому выходу МДИ 8, который взаимодействует с логическим блоком 18, Выход.БВТН 15 через буферный усилитель 32 логического блока 18 5 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 кото-рого представляет собой второй информационный (1 И 2) вход БВТН,Блок выравнивания тока нагрузки состоит из синхронизированного от МДИ ге-. нератора линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) 33. выходом соединенного с опорным входом широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 34, информационный оходШИМ является вторым информационным (1 И 2) входом БВТН, двух пар логических элемейтов 2 И, 2 ИЛИ 35-36, 37-38, соединенных таким образом, чтовыход элемента 2 И первой пары подключен ко входуэлемента 2 ИЛИ второй пары, а выход 2 ИЛИ первой пары - ко входу 2 И второй пары, первые входы элементов первой пары обьединены и подключены к выходу ШИМ, а вторые входы элементов первой пг ы являются логическими входами БВТН 15, прицем первый логический вход 1) соединен с выходом инвертора 30 блока 18, а второй логический вход (3.2) - с катодом диода 24 того же блока, вторые входы элементов второй пары также объединены и формируют первый информационный вход (1 М 1) блока выравнивания тока нагрузки, соедйненный 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),45 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 электроснабкения(СЭС) иллюстрируют диаграммы, изображенные на рис. 2. При разлицных энергетических характеристиках аккумуляторных батарей и высокой точности стабилизации выходного напряжения СЭС при параллельной работе М каналов электропитания оыходные токи каждого из них; измеряемые датчиками тока 10, различны и не соответствуют среднему значению 1 ср, равйому/Мчасти тока нагрузки 1 измерлемому датчиком суммарного тока 11. На диаграмме 2,а изображены знацения токов 1, 2, 1 з одного из каналов, прицем 121 ср,3 ср, Выходное напряжение 1.4,дт датчика суммарного тока 11 посредством делителя 12 преобразуется в величину Оср 0 хдт/К. Вычитающий узел 13 осуществляет сравнение напря: жения Оср с выходным напряжением Одтдатчика тока канала (1=1,2,3 й), На диаграмме 2,6 показаны уровни выходных напряжений Ь вычитающего узла" в случае, когда 1 з 1 ср и сигнал Ь положителен, и в 5 10 выходных напряжений суммирующего узла14 для 3-х случаев:- в канале установился ток, равный 1 ср. В этом случае Ь=О, а выходное напряжение суммирующего узла совпадает с напряжением, формируемым элементом 31 логического блока 18, а сигнал, управляющий 20 работой регулятора разряда 6, проходит от МДИ через логический блок 18 и БВТН 15 без изменения;:25 в канале установился ток 13 с и сигналЬ полбжителен;в канале установилсл ток Ьср йсигнал Ь отрицателен.Работа широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 34 иллюстрируется диаграммами 2,г и 2,д, На диаграмме 2.г изображены 30 входы ШИМ, один изкоторМхсбегайен свыходом генератора линейно-изменйоще-:гося напряжения (ГЛИН) 33, синхронизиро ванного с МДИ 8, а другой -"с вьходом суммирующего узла, формирующего сигналы, йзображенные на диаграмме 2,в. 1-а диаграмме 2,д показаны выходные импульсы 40 ШИМ для рассмотренных выше случаев. Из диаграммы 2,а,б.в и г оцевидно, цто при 1 зср выходной импульс ШИМ расширяет- сЯ, а пРи 12 ср - СУкаегсл по"с 1 Йвнению со случаем равенства 1=1 ср.Диаграммы, изображенные на рис.2,е,ж,3 иллюстрируот работу элемента 39"2 ИЛИ" второй пары логицеских элементов как расширителя импульсов, корректирую, щего действие централизованного модуля тора длительйости импульсов 8 в установившемся режиме при условии, если 1 з 1 ср. Диаграммы, приведенные на рис. 2 е,и,к,иллюстрируют работу элемента 37 2 И второй пары логических элементов как устрой ства сужения импульсов, корректирующего действие МДИ при условии, если 21 ср. Рас. ширение и сужение импульсов, поступающих от МДИ на регуляторы разряда случае, когда 12 ср и сигнал Ь отрщателей, На диаграмме 2, в изображены уровни 15 происходит до тех пор, пока ток в каждом канале не станет соответствующим среднему значению 1 ср. Логическая функция "Запрет" 39 предотвращает одновременное попадание на вход логического сумматора 40 выходных сигналов элементов 37 и 38 в тех случаях, когда необходимо сужение импульсов, поступающих от МДИ. В этом слу- . чае сигнал Ьна выходе вычитающего узла 13 отрицателен и является запрещающим сигналом, предотвращающим поступление на вход логического сумматора 40 выходного сигнала элемента 38 2 ИЛИ второй пары ло- . гических элементов,Для сохранения работоспособности системы. электроснабкения в переходных режимах при резких изменениях нагрузки .в схему блока выравнивания тока нагрузки 15 введены дополнительно элементы 35 (2 И) и 36 (2 ИЛИ), управляемые сигналами логического блока 18, Их действие направлено на то, чтобыпри появлении значительных всплесков напряженил на выходной шине блок выравнивания тока нагрузки не влиял на форсированную работу регуляторов силовой части системы, Тем самым сохраняютсл такие достоинства системы как ограничение выбросов и провалами выходного напряжения и высокое ее быстродействие,Вместе с тем вследствие малой длительности переходных процессов неравномернал 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 форсируощих импульсов(ФФИ) 21. Логйцеские сигналы блокирования поступают со знаком рассогласования выходного сигнала ФФИ 21 в логическом блоке 18 с выхода логического инвертора 30 и после первого развлзывающего диода 24.В случае положительного выброса выходного напряжения, когда необходимо блокировать работурегулятора разряда. на выходе инвертора 30 и схемы совпадений 31 появляются сигналы низкого логического уровня, которые при помощй логических элементов 2 И 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 18 ноя влл ется сигнал высокого логического уровня,который на протяжении нескольких перио- и разряда аккумуляторной батареи, а управд (или МДИ) при помощи элементов ляющие входы - с соответствую имов ШИМ (или МДИ)2 ИЛИ 36 и 38 бщ и выхо 6 и 38 обеспечивает сигнал макси- дами модулятора длительности импульсов, мальнойдлительности на выходе блоков вы- при этом каждый логический блок включает равнивания тока нагрузки 15 одновременно 5 в себя два аналоговых инвертора, два элевсех каналов, форсируя работу их регулято- мента совпадений, расширйтель импульсов,логические элементы ИЛИ и НЕ, буферный. Анализ работы автономной системы усилитель и два инвертора, причем в элект бич м выходр ора через пороснабжения постоянным напряжени- первого аналогового инвертора "че ем.позволяетутверждать,чтопредлагаемый 10 следовательно соединенные первый диод.способ включения М параллельных каналов первый элемент совпадений, расширитель электропитания обеспечивает существен- ймпульсов и логический элемент ИЛИ подное расширение функциональных возмож- ключен к первому входу второго элемента настей системы электроснабжения, совпадений, а через последовательно соезаключающееся в следующем: 15 диненные второй диод, второй аналоговыйформирование И-кратной мощности на- инвертор и логический элемент НЕ - к втогруэки в пределах установленной мощности рому входу второго элемента совпадений, солнечных бата ей;р; . вход первого аналогового инвертора исповышение качества вырабатываемой . пользован в качестве входа, выход буферно- СЭС электроэнергии вследствие значитель го усилителя - в качестве выхода, а второй ного сокращения длительности переходных, входлогического элемента ИЛИ - в качестве режимов и минимизации при этом выбросов управляющего входа логйческого блока, о ти провалов выходного напряжения за счет л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью расшииспользования логических блоков 16, 17, 18; . рения области использования, в нее введеповышение эксплуатационной надеж ны датчик суммарного тока и делитель ности, достигаемое использованием уст- выходного напряжения, а также по меньшей ройства выравнивания тока нагрузки 15 в мере еще один канал электропитания, анаустановившихся режимах работы СЭС в слу- логичный первому, при этом в каждый канал чаях использования системой энергии акку- электропитания введены последовательно30 соединенные развязывающийдиод и датчик муляторных атарей.Фо м лаир у а изобретения тока, включенные последовательно с датчи. Система электроснабжения постоян- ком суммарного тока в выходную силов ю ным напряжением, содержащая модулятор шину, блок выравнивания тока нагрузки, длительности-ймпульсов, дифференциаль- имеющий два информационных, два логиченый трансформатор, первичная обмотка ко ских, синхронизирующий и запрещающий . торого подключена к выходным выводам. входыиодин выход,атакжепоследователь.сумматор, входы которого через дифферен- но соединенные вычитающий и суммируюциальный трансформатор соединены с вы- щий узлы, причем первый информационный ходными выводами, а выход подключен к вход блока выравниванйя тока нагрузки совходу модулятора"длительности импульсов, 40 единен с выходом второго блока совпаде. формирователь форсирующих импульсов, ния логического блока, выход которого источник Опорного напряжения, подклю- подключен к управляющему входу регуляточенный к одному из входов формирователя . ра разряда аккумуляторной батареи, выход форсирующихимпульсов,другой входкото- соединен с входом буферного усилителя рого соединен с вторичной обмоткой диф этого же логического блока, второй инфорференциального трансформатора, ипервый мационный вход - с выходом суммирующе-, канал электропитания,включающий в себя то узла, к первому входу которого вместе с параллельно соединенные между собой первым входом вычитающего узла подклюсолнечную батарею, регулятор избыточной чен выход делителя напряжения, входом сомощности и цепь из последовательно сое единенного с выходом датчика суммарного диненных аккумуляторной батареи и парад- тока; второй вход вычитающего узлв люченных между собой нен с выходом датчика тока канала электрорегуляторов заряда и разряда аккумулятор- питания, а выход - с вторым входом ной батарей, блок контроляи управления: суммирующего узла и с запрещающим вхосостоянием заряда-разряда аккумулятор дом блока выравнивания тока нагрузки, ной атареи и три логических блока, входы первый и второй логические входы блока которых соединены с выходом формирова- выравнивания тока нагрузки соединены сотеля форсирующих импульсов, выходы - с . ответственно с выходом логического бли вл, г лока, у ра яющими входами соответствующих а синхронизирующий вход - с выходом морегуляторов избыточной мощности, заряда дулятора длительности импульсов, соеди1784955 11ненным с управляющим входом данного логического блока, . 2 Л",истема по.п.1, отл и ч а ю ща я с я тем, что блок выравнивания тока нагрузки 5 каждого канала электропитания вклочает о себя последооательно соединенные синхронизируемый генератор линейно изменяющегося напрякения и широтно-импульсный модулятор. дое пары логических эле ментов 2 И, 2 ИЛИ, схему запрета, а также логический сумматор. выход которого использован в качестве выхода блока оыраониоания тока нагрузки. причеМ в первой паре логических элементов. состоящей из 15 элементов 2 И и 2 ИЛИ, первые входы. элементов обьединены и соединены с выходом широтно-импульсного модулятора, второй вход элемента 2 И использован в качестое первого логического входа. а второй вход 20 элемента 2 ИЛИ - о качестве второго логического входа блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента 2 И соединен с первым входом логического элемента 2 ИЛИ второй пары, а выход элемента 2 ИЛИ - с первым входом элемента 2 И второй пары, вторые входы элементов второй пары объединены и использованы в качестве первого информационного входа блока выравнивания тока нагрузки, выход элемента 2 ИЛИ 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 2 И второй пары логических элементов и выход схемы запрета подклю- чен 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 оыравниоания тока нагрузки,1784955 4,Ь в/ К уз фиг. 2 едактор Н,Коляда Корре ориз Тираж Подписноественного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035,Москва.Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгор агарина каз 4364 ВНИИПИ Госуд ставитель Е.Алехинахред М. Морге нтал Я ЙЯ уа у рР