Способ распределения тока между преобразователем и электрохимическим накопителем, включенными на импульсную нагрузку

(19) ОПИ САНИ Н АВТОРСНОМЪГ ЗОБР ИДЕТЕЛЬСТВ У ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ(56) 1. Нецвет В.А. Электропитаниеустройств связи. - фТехника связиза рубежом, М., Связь, 1976,с.18-20, рис,13) 39-41, рис. 26, 29, 30,.2. Авторское свидетельство СССР9 710033, кл; С 05 Р 1/10, 1980.3. Авторское свидетельство СССРР 864420, кл. Н 02 Д 3/38, 19814, Воук. Мощная тиристорно-акку-. муляторная уставка, используемаяв системе для генерирования импульсов с большой пиковой и малой . средней мощностью, Труды института инженеров по электротехнике и радио. электронике. т. 55, 1967, Р 8, август, с. 246-251.Ф (54) (57) СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА МЕЖДУ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ И ЭЛЕКТРО- ХИМИЧЕСКИМ НАКОПИТЕЛЕМ, ВКЛЮЧЕННЫМИ НА ИМПУЛЬСНУЮ НАГРУЗКУ, при котором в интервале времени импульса пере- . дают ток нагрузке от накопителя и преобразователя, выходной ток которого поддерживают необходимой величины с помощью сигнала управления, . сформированного в предшествующем интервале времени паузы по отклонению напряжения накопителя от задан- ,. ного значения, а в интервале времени паузы заряжают накопитель таким током преобразователя, который необходим для восполнения энергоемкости, израсходованной накопителем в интервале времени предшествующего импульса, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения установленной мощности первичного источника электроэнергии и преобразователя напряжения при повышении равномерности их загрузки, в течение периода квазиустановившегося импульсного процесса нагрузки формируют сигнал управления преобразователем по отклонению его выходного тока от заданного значения и поддерживают ток постоянным, а величина которсго меньше величины требуемого тока нагрузки в импульсе в число раэ, пропорциональное отношению периода к времени импульса, С причем для поддержания номинальной энергоемкости накопителя при изменении параметров импульсного процесса формируют в интервалах времени пауз корректирующий сигнал, пропорциональный максимальному значению напряжения накопителя, суммируют его с основным сигналом управления преобразователем по току и изменяют выходной ток преобразователя в течение времени установления номинальной энергоемкости накопителя в новом квазиустановившемся режиме работы импульсной нагрузки.ми на импульсную нагрузку. При реализации этих способов, н частности2, необходимо индивидуально длякаждого преобразователя установитьвеличину выходного напряжения несколько выше, чем напряжение, требуемое для подзаряда буферной аккуму-ляторной батареи, подключенной паралельно преобразонателям. Затем спомощью дагчика измерения выходноготока и цепи обратной связи по токудля каждого преобразователя необходимо задать определенный ток нагрузки, при котором они переходят в ре 55 65 Изобретение относится к импульсной энергетике, а именно к системамэлектропитания - низко- и инфранизкочастотным импульсным устройствамс регулируемыми параметрами периодического процесса для средств радионавигации, гидролокации и прикладной лазерной техники.Известен способ распределения .тока между параллельно включеннымина общую нагрузку преобразователем 10напряжения и аккумуляторной батареей, в частности в системах электропитания аппаратуры телеграфно-телефонной связи, заключающийся в том, что с помощью сигнала управления 15 преобразователем по отклонению нап ряжения устанавливают и стабилизируют выходное напряжение преобразователя, требуемое для обеспечения номинального тока электропитания го нагрузки и подзаряда аккумуляторной батареи, а при аварийном или запланированном переводе нагрузки с ос новного источника электроэнергии на резервный электропитание нагрузки требуемым током осуществляют от аккумуляторной батареи.Недостатками системы импульсного электропитания являются большие установленные мощности первичного источника и преобразователя, поскольку их расчитынают и выбирают исходя из обеспечения импульсной мощности (тока) статической или дискретной нагрузки, плохое использование энергоемкости батареи, ибо от. нее З 5 потребляют ток только в относитель- но короткие интервалы времени аварийного или запланированного перевода электропитания нагрузки с одного первичного источника электроэнергии 40 на другой.Изнестен способ распределения тока наг 13 узки между параллельно включенными стабилизированными по на-. пряжению источниками питания 2 и 45 способ управления системой непрерывного питания, состоящей из нескольких регулируемых статических преобразователей 3, которые принципиально могут быть применены для распределения тока между преобразователямии аккумуляторной батареей, работающи жим стабилизации выходного тока. Тогда в интервале времени импульса нагрузка потребляет ток от батареи, пропорциональный ее напряжению, а от преобразователей потребляют суммарный стабилизированный ток, при этом в интервале паузы аккумуляторную батареюподзаряжают от преобразова- телей тем же стабилизированным токомВыходной ток преобразователей задают такой величины, чтобы при постоянных параметрах периодического процесса импульсной нагрузки (мощности, длительности и периода импульсов) обеспечить равенство энергии заряда и разряда батареи для поддержания ее номинальной энергоемкости (степени заряженности), Импульсный ток нагрузки равен сумме токов источников и батареи. Реализация способов 21 и 31 в системах электропитания импульсных устройств с постоянными параметрами, г 1 о сравнению с Я , позволяет уменьшить установленные мощности преобразователя и первичного источника электроэнергии и обеспечить энергобаланс разряд- заряда батареи.Недостатком указанных способов 21 и 31 является то, что они не могут быть применены в системах электропитания импульсных устройств с регулируемыми (переменными) параметрами периодического процесса. Это обусловлено тем, что стабилизированный ток преобразователей задают цепью обратной связи такой величины, чтобы при постоянных параметрах периодического процесса - мощности, периода и длительности импульсов, обеспечить равенство энергий заряда и разряда батареи в пределах периода импульсного процесса. Если параметры периодического процесса изменяются, например, возрастет мощность или длительность импульсов, то энергоемкость (степень заряженности) и напряжение батареи постепенно уменьшаются, поскольку ток подзаряда ее в интервале остается неизменным (задан цепью обратной снязи по току), а энергия, отдаваемая нагрузке в интервале времени импульса, увеличится. Следовательно, через некоторое время работы батарея разряжается, что приводит к нарушению работоспособности системы. И, наоборот, при уменьшении мощности или длительности импульсов энергия, отдаваемая батареей нагрузке в интервале времени импульса, уменьшается, а зарядный ток в интервале паузы остается неизменным. Это, в конечном итоге, приводит к перезаряду батареи и к выходу ее из строя.Наиболее близким к изобретению является способ распределения тока между параллельно включенными наимпульсную нагрузку преобразователем . Цель изобретения - уменьшениенапряжения и электрохимическим на- установленной мощности первичногокопителем, в частности аккумулятор- . источника электроэнергии и преобной батареей, заключающийся в том, , разователя напряжения при повышечто в интервале времени импульса нии равномерности их загРузки.передают ток нагрузке от накопителя Поставленная цель достигается тем,и преобразователя, причем ток нако- что согласно способу распределенияпителя пропорционален его напряже- . тока между преобразователем напрянию, а выходной ток преобразователя жения и электрохимическим накопиподдерживают требуемой величины с телем, включенными на импульсную нацомощью сигнала управления по от-10, грузку, состоящем в том, что в инклонению напряжения накопителя, тервале времени импульса передаютсформированного цепью обратной свя- ток нагрузке от накопителя и прези преобразователя в предшествующем .образователя, выходной ток которогоинтервале паузы, затем в интервале поддерживают необходимой величинывремени последующей паузы вновь фор с помощью сигнала управления, сформимируют сигнал управления преобра- рованного цепью обратной связи презователем по отклонению напряжения образователя в предшествующем интернакопителя, устанавливают заданное вале времени паузы по отклонениюзначение выходного напряжения пре-напряжения накопителя от заданногообразователя и заряжают накопитель .20 значения, а винтервале времени патоком, необходимым для восполненияузы заряжают накопитель таким тоэнергии, израсходованной накопите- ком преобразователя, который необлем в интервале времени предшествую- ходим для восполнения энергоемкости,щего импульса нагрузки. Здесь ток израсходованной накопителем в интернагруэки в импульсе равен также 5 вале времени предшествующего импуль."сумме токов преобразователя и бата- са нагрузки, производят новые операреи. Однако ток, потребляемый от ции, заключающиеся в том, что в те,преобразователя нагрузкой в импуль- чение периода квазиустановившегосясе, более чем в два раза превышаетимпульсного процесса нагрузки форток передаваемый батарее в интерва- . мируют сигнал управления преобразоле времени паузы 41 .Р30вателем по отклонению его выходногоУказанный способ обуславливает тока от заданного значения и подследующие недостатки системы электро-держивают ток постоянным, величинапитания импульсного устройства,которого меньше величины требуемогоНе выполняется условие потребле- тока импульсной нагрузки в число Раз,ния от первичного источника и преоб- З 5 пропорциональное отношению периодаразователя постоянной по величине,к времени импульса, причем для подмощности, равной среднему значению . держания номинальной энергоемкостиза период импульсного процесса. накопителя при изменении параметровНе обеспечивается равномерная за-. импульсного процесса формируют вгрузка первичного источника электро. - 40 интервалах времени пауз корректируюэнергии и преобразователя напряже-щий сигнал, пропорциональный макси"ния, вследствие чего требуется уве-мальному значению напряжения зарядаличение их установленной мощности,накопнтеля, суммируют его с основныммассы и габаритов, поскольку они вы- ,сигналом управления преобразователембираются по мощности, потребляемой 45;,по току и изменяют выходной ток пренагруэкой в интервале времени им-образователя в течение времени устапульса, которая более чем в два . новления номинальной энергоемкостираза превышает мощность, отдаваемую накопителя в новом квазиустановившемнакопителю в интервале паузы. ся режиме работы импульсной нагрузНаличие импульсных возмущений50 ки,в системе электропитания вследствие дискретного изменения выход- - На фиг,1 показаны диаграммы доного тока преобразователя в течении зированной передачи тока импульснойпериода импульсного процесса на- нагрузке от преобразователя и накогруэки ухудшает динамику системы ;: пителя, в качестве которого примеУ55и отрицательно сказывается на рабо- нена аккумуляторная батарея. Здесьте других потребителей, подключен-, обозначено: гп - гп и-ных к одному и тому же первичному . импульсы тока нагрузки в порядке ихисточнику. следования для двух режимов работы,Повышенная стоимость системыпричем для первого режима ток в имэлектропитания "первичный источник .4 О пульсе обозначен как 3 ц а дляэлектропитания-преобразователь на- второго - как 1 н,2, 3 , 3 ", ггпряжения-э 1 ектрокимический накопи- гг - токи в импульсе, потребляетель", поскольку их расчитывают на мые нагрузкой соответственно от бамощность, потребляемую в интервале тареи и преобразователя для двухвремени импульса. ,65 1 вазиустановившихся режимов работы)(2),) н,) и к3 и к - токи В импульсе, потребляемые нагрузкой отбатареи и преобразователя и переходном режиме: Т, 1, ьп - соответственно период импульсного процесса,длительности импульса и паузы.На фиг.2 приведена функциональнаясхема системы электропитания, реализующая предлагаемый способ,Схема содержит первичный источникэлектроэнергии (общепромышленнаясеть или антономный источник 1,трехфазный преобразователь 2 переменного напряжения в постоянное, накопитель электроэнергии 3 в качествекоторого применена аккумуляторнаябатарея, импульсная нагрузка с регулиремыми параметрами периодического процесса 4. Преобразователь 2напряжения состоит из регулирующего органа 5, трансформатора б, выпрямителя 7, датчика 8 напряжениябатареи,. усилителя 9 сигнала обратной связи, ключевого формирователя10 импульсов упранления,Регулирующийорган 5 включает в себя блокирующийнентиль 11, линейный дроссель 12,дроссели насыщения 13-18 с совмещенными обмотками. На фиг.2 обозначены: )и - ток нагрузки в импульсе;н, 3 б - ток, потребляемый нагрузкойот преобразователя и батареи в импульсе; 3 - ток заряда батареи винтервале времени паузы:,.3 - токупранления дросселей насыщения 13-1 ЬНа фиг.3 приведены: 0 =1 (1 Н 1)н г = 1 ( цг) - нагрузочные характеристики нагрузки в интервале времениимпульса для двух квазиустановившихся режимов работы1 и, = 1 (1 п)"ьг = (афпг) - ннешние характеристикипреобразователя для тех же режимовработы;= 1 11 б) - внешняя характеристика аккумуляторной батареи;3 Пафпг 1 )Б 13 Бг - токи, потребляемыеимпульсной нагрузкой для первого ивторого режимов работы соответственно от преобразователя и аккумуляторной батареи.Суть способа заключается в следующем.Допустим, что вначале импульсная.нагрузка работает в квазиустановившеМся режиме в интервале времениследонания импульсов )п, - п характеризующихся током в импульсе 3 Н(фиг,1), Для первого режима работыэнергию, потребляемую в импульсе,можно выразить через состанляющиефн фп ф)В(где ФпФР- энеРгиЯ, потРеблЯемаЯ нагрузкой в импульсе соответстненно от преобразователя и батареи.Энергия, потребляемая нагрузкой в импульсе от батареи раннагде Р- мощность в импульсе, отдаваемая батареей нагрузкеИ - время импульса,Энергия, отдаваемая преобразона телем нагрузке в импульсе, можетопределена как Мц, = Рп( и(3) о где РП - мощность, отдаваемая преобразователем нагрузке.Энергия, сообщаемая батарее отпреобразователя в интервале временипаузы при условии постоянства еговыходной мощности, может быть выра- жена ф 55 Р 1(,)И)7 (4)где) - Т И - интервал времени паузы.Для обеспечения работоспособности 20 батареи необходимо в течение всегопериода импульсного процесса поддерживать энергобаланс ее разряд- заряда, чтобы Юб=бб, тогда из (2) и (4) следует25Р Р4 Р.,и где б = -- скважность импульсов.ТиЗО После подстановки (2) и (3) в (1)с учетом (5) получаем соотношениемежду требуемой энергией нагрузки вимпульсе и энергией, потребляемойнагрузкой от преобразователя35 фнЩп(б ) Для определения соотношения между требуемым током нагрузки в им пульсе ( )И ) и током, потребляемымнагрузкой от преобразователя (3 п ),при условии выполнения требованияпотребления от преобразователя постоянной по величине мощности (тока) 45 в течение всего периода кваэиустановившегося режима работы импульсной нагрузки, необходимо учесть, чтонапряжение на нагрузке в интервалевремени импульса определяется напряжением аккумуляторной батареи(Об), поскольку преобразователь работает в режиме источника тока (стабилизатора тока) и его выходное на, пряжение равно напряжению батареи,являющейся в данном случае источником напряжения (небольшим падениемнапряжения на внутреннем сопротивлении батареи можно пренебречь)Тогда выразив н (б) энергию нагрузки н импульсе иэнергию, потребля емую от преобразователя, через напряжение батареи (.Об) , требуемыйток нагрузки в импульсе (3 п ),токпреобразователя ( ЭП) и время импульса (1 и) находим соотношение 65 Между требуемым током нагрузки вимпульсе и током, потребляемым от преобразователяОЬ 1 н.и н 1О).ъ ц С 5Из выражения (7) следует, что для обеспечения требования потребления постоянной по величине мощности в течение периода квазиустановившегося режима работы импульсной нагрузки и сохранения энергобаланса раз- . 0 ряд-заряда батареи необходимо поддерживать выходной ток преобразователя постоянным, величина которого должна быть меньше требуемого тока нагрузки в импульсе в число раз, 15 приблизительно, равное отношению периода к времени импульса (скважности).Иэ выражения (1) и (б) можно определить энергию, потребляемую нагрузкой в импульсе от батареи5-6 и и : н)Ток, потребляемый от батареи в импульсе, можно определить из (8), выразив энергию через соответствующие токи напряжения и длительности импульсаЬ) ОБ 1 н(9) 301 1бО й 5 нбПри изменении параметров периодического процесса необходимо в новом квазиустановившемся режиме работы35 импульсной нагрузки также поддержи вать энергобаланс разряд-зарядабатареи при плавном изменении мощности, потребляемой от преобразователя в переходном режиме. В предла гаемом способе это обеспечивается плавным регулированием выходного тока преобразователя за счет изменения сигнала управления в зависимости от изменения степени заряженное ти батареи, Для этого датчиком напряжения контролируют в интервалах пауз отклонение напряжения батареи от заданного значения формируютдополнительным звеном корректирующий сигнал, суммируют его с основным сигналом управления, полученным цепью обратной связи по выходному току преобразователя, и, воздействуя изменяющимся во времени суммарным сигналом управления на регулирующий орган, изменяют выходной ток преоб. - разователя таким образом, чтобыскомпенсировать изменение степени заряженности батареи, оценива емое по изменению ее напряжения. 60В новом квазиустановившемся режиме работы системы общие выражеНия (1) -(9) также справедливы, только здесь необходимо оперировать новыми величинами параметров периодического процесса.Принцип работы системы электропитания при использовании предложенного способа заключается в следующем.Регулирующий орган 5, трансформатор б, выпрямитель 7, формирователь 10 образуют контур регулирования выходного тока преобразователя2, где действует внутренняя обратнаясвязь по току Зк при неизменном токе управления 3 дросселей 13-18(фиг,2),Датчик 8, усилитель 9 и формирователь управляющих импульсов 10входят в контур обратной связи понапряжению батареи 3. При этом дляисключения возмущающего влияния контура обратной связи по напряжениюбатареи 3 на контур регулирования(стабилизации) выходного тока преобразователя 2 в интервале времениимпульса нагрузки 4, когда напряжение батареи 3 скачком уменьшаетсяна некоторую величину падения напряжения на ее внутреннем сопротивлении, постоянная времени датчика 8на отрицательное приращение напряжения батареи 3 превышает на несколько (2-4) порядков длительностьимпульсов нагрузки 4.Допустим, что при включениинагрузка 4 работает при токе в импульсе 1 Н (фиг.1),Под действием датчика 8, усилителя 9, формирователя 10в обмотках дросселей насыщения 13-18устанавливается ток управления 31 фиг,2) и преобразователь 2 работаетв режиме стабилизатора (истбчника)тока, характеризуемом крутопадающим участком внешней характеристикип =11 н 1 (фиг.З). В этом случаенагрузка 4 потребляет при напряжении батареи 3, соответствующем точкеА пересечения характеристикЦб =(1)иОН, =1(,1 н) (фиг.З) токи: от преобразователя 2 -д, от батареи 33 б . В паузу между импульсами тока нагрузки 4 преобразователь 2 подзаряжает батарею 3 током 3 (фиг.З)при большем напряжении на клеммахбатареи, определяемом точкой а,пересечения характеристик и =(1 п),0 = 1 1), вследствие перехода батареи 3 из. режима разряда в режим заряда. Этот режим работы системы пофиг.1 соответствует интервалу времени от 0 до , . Теперь предположим, что в какой-то момент времениток нагрузки 4 в импульсе увеличивается от 3 Н до )Н 2 (фиг,1 а).Тогда в первых интервалах времени,импульсов от батареи 3 потребляется большая энергия по сравнению с энергией, сообщаемой батарее от преобразователя 2 в интервалах времени пауз, поскольку ныхопной.токпреобразователя 2 вследствие большой постоянной времени реакции датчика 8 на отрицательное приращениенапряжения батареи 3 и медленногоуменьшения степени ее заряженностиувеличивается сравнительно медленно(фиг.1 в), Напряжение батареи 3уменьшается. Корректирующий сигналобратной связи по напряжению батареи, формируемый датчиком 8 и усилителем 9, суммируемый с сигналом,управления по току преобразователяв формирователе управляющих импульсов 10, уменьшается. Длительностьуправляющих импульсов, подаваемых сформирователя 10 на дроссели насыщения 13-18, и среднее значение токауправления в обмотках увеличиваются, Подмагничивание дросселей 13-18повышается, что вызывает соответствующее увеличение выходного токапреобразователя 2 с постоянной времени, определяемой изменением сте-пени заряженности батареи 3 и постоянной времени датчика 8. Процессувеличения выходного тока преобразователя 2 длится до тех пор,пока.в новом квазиустановившемсярежиме работы системы не установится энергобаланс разряд-заряд батареи 3Характер изменения тока (соответственно мощности), потребляемого нагрузкой от преобразователя 2и батареи 3 в переходном режиме,качественно показан на фиг.1 ь вНачало переходного режима в системехарактеризуется скачкообразным увеличением тока нагрузки 4 в импульсе от 3 ц до 3 н (при =) исоответствующим увеличением тока,пОтребляемого от батареи 3, от 3до 3. Далее ток, потребляемыйот преобразователя 2, увеличивается,а от батареи 3 уменьшается. Переходный режим заканчивается в точке1=1, когда после достижения определеннОго значения напряжения батареи 3 вновь наступает установившийсярежим работы системы, где в пределах периода импульсного процессаэнергия заряда батареи 3 становится приблизительно равной энергииразряда, В этом режиме, работы ток,потребляемый нагрузкой 4 в импульсе от батареи 3, равен д , Соответственно выходной ток преобразоВателя 2 в течение всего периода равензначению 3 . При этом заштрихованные участки на фиг.й сответствуюттоку, отдаваемому преобразователем 2нагрузке 4 в интервале времени им пульса, а неэаштрихованные областисоответствуют импульсам тока, сообщаемым.преобразователем 2 аккуМуляторной батареи 2 в интервалахвремени пауз для ее подзаряда.15При уменьшении тока:,нагрузки 4в импульсе происходит процесс обратный описанному.Предлагаемый способ распределения тока позволяет: значительноуменьшить установленные мощностипреобразователя и первичного источника по сравнению с мощностью нагру-,зки в импульсе (приблизительно вчисло раз, равное отношению периодак времени импульса, т,е, скважностиимпульсов); уменьшить габариты имассу преобразователя напряжения посравнению с этими характеристикамипреобразователя, выбранного иэ расчета мощности нагрузки в импульсе(пропорционально числу, равному приблизительно скважности импульсов встепени три четвертых); обеспечить,равномерную загрузку преобразователя и первичного источника в течение всего периода импульсного процесса, поскольку от преобразователяпотребляют постоянную по величинемощность (ток) в установившемся 40 режиме работы системы; обеспечитьработу импульсной нагрузки как с постоянными, так и с регулируемыми параметрами периодического процесса.улучшить динамические характеристики 45 системы электропитания, так как отпреобразователя потребляют постоянную по величине мощность при импульсной нагрузке;, снизить стоимостьсистемы электропитания.н 13 илиад ППП Патент, г, Ужгород, ул, Прое Тираж 617 ПИ Государственн о делам изобрете 35, Москва, ЖПодпго комитета СССРий и открытийРаушская наб., д.