MD136Y

MD136Y - Imitator al bateriei solare

Info

Publication number: MD136Y
Application number: MDS20090017A
Authority: MD
Inventors: Alexandr Penin
Original assignee: Institutul De Inginerie Electronica Si Tehnologii Industriale Al Academiei De Stiinte A Moldovei
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2010-01-29
Also published as: MD136Z

Abstract

Inventia se refera la domeniul electrotehnicii, si anume la sistemele de alimentare electrica prin utilizarea bateriilor solare si este destinata pentru functionarea si incercarea reglarii extremale a consumului energetic in regim de putere maxima a bateriilor solare. Imitatorul bateriei solare este executat in forma de bloc de alimentare, care include doua convertizoare de tensiune (1, 2) cu cvasirezonanta cu curentii de scurt circuit similari, primul (1) dintre acestea fiind executat cu caracteristica de sarcina apropiata de cea dreptunghiulara, iar cel de-al doilea (2) - cu caracteristica de sarcina apropiata de o linie inclinata. Iesirile convertizoarelor de tensiune (1, 2) sunt conectate consecutiv. Fiecare convertizor de tensiune (1, 2) cu cvasirezonanta contine un generator de impulsuri de comutare, iesirile caruia sunt unite cu bazele tranzistoarelor suportului semipunte, colectorul primului tranzistor al caruia este conectat la doua bobine de rezonanta, unite consecutiv, iesirea carora este conectata la o borna a sursei de alimentare, la a doua borna a careia este conectatemitorul tranzistorului al doilea al suportului semipunte. Convertizorul de tensiune (1, 2) mai contine un condensator de rezonanta, o borna a caruia este conectata la borna medie a suportului semipunte, iar a doua, prin bobina primara a transformatorului de iesire cu sarcina - la borna comuna a bobinelor de rezonanta. Tranzistoarele suporturilor semipunte ale fiecarui convertizor de tensiune (1, 2) sunt conectate la generatoarele de impulsuri de comutare in asa mod, incat perioada de repetare Tc a impulsurilor primului convertizor de tensiune (1) sa corespunda conditiei:Tc>= 2T0 , unde T0 este perioada oscilatiilor proprii, stabilite de bobina de rezonanta si condensatorul de rezonanta, iar perioada de repetare a impulsurilor convertizorului de tensiune (2) sa corespunda conditiei:2T0 >= Tc >= T0 .

Description

Invenţia se referă la domeniul electrotehnicii, şi anume la sistemele de alimentare electrică prin utilizarea bateriilor solare şi este destinată pentru funcţionarea şi încercarea reglării extremale a consumului energetic în regim de putere maximă a bateriilor solare.

Se cunoaşte un imitator al bateriei solare, care conţine un element neliniar cu caracteristică volt-amperică sau de sarcină apropiată de caracteristica bateriei solare în formă de un tranzistor, care este inclus între sursa de alimentare şi sarcină [1, p.141].

Dezavantajul acestui dispozitiv constă în randamentul scăzut, ceea ce limitează utilizarea lui la puteri ridicate, de sute şi mai mulţi waţi.

Cea mai apropiată soluţie este imitatorul în formă de un bloc de alimentare cu curent continuu cu un rezistor de limitare a curentului la ieşire [2].

Dezavantajul acestei soluţii este randamentul scăzut. Mai mult de aceasta, ca şi oricare bloc de alimentare cu un contur de stabilizare a tensiunii de ieşire, un aşa tip de imitator poate genera procese tranzitorii nedorite la schimbarea sarcinii, fapt care face dificil controlul lucrului reglatorului extremal şi al sistemului integru de alimentare electrică. Deficienţele indicate mai sus complică construcţia şi limitează domeniul de utilizare la puteri ridicate.

Problema pe care o rezolvă invenţia este majorarea randamentului, simplificarea construcţiei şi lărgirea domeniului de utilizare.

Dispozitivul, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că este executat în formă de bloc de alimentare, care include două convertizoare de tensiune cu cvasirezonanţă cu curenţii de scurt circuit similari, primul dintre acestea fiind executat cu caracteristica de sarcină apropiată de cea dreptunghiulară, iar cel de-al doilea - cu caracteristica de sarcină apropiată de o linie înclinată, ieşirile convertizoarelor de tensiune sunt conectate consecutiv. Fiecare convertizor de tensiune cu cvasirezonanţă conţine un generator de impulsuri de comutare, ieşirile căruia sunt unite cu bazele tranzistoarelor suportului semipunte, colectorul primului tranzistor al căruia este conectat la două bobine de rezonanţă, unite consecutiv, ieşirea cărora este conectată la o bornă a sursei de alimentare, la a doua bornă a căreia este conectat emitorul tranzistorului al doilea al suportului semipunte; un condensator de rezonanţă, o bornă a căruia este conectată la borna medie a suportului semipunte, iar a doua, prin bobina primară a transformatorului de ieşire cu sarcină - la borna comună a bobinelor de rezonanţă. Tranzistoarele suporturilor semipunte ale fiecărui convertizor de tensiune sunt conectate la generatoarele de impulsuri de comutare în aşa mod, încât perioada de repetare Tc a impulsurilor primului convertizor de tensiune să corespundă condiţiei:

Tc ≥ 2T0 ,

unde T0 este perioada oscilaţiilor proprii, stabilite de bobina de rezonanţă şi condensatorul de rezonanţă, iar perioada de repetare a impulsurilor convertizorului al doilea de tensiune să corespundă condiţiei:

2T0 ≥ Tc ≥ T0 .

Rezultatul invenţiei constă în majorarea randamentului, simplificarea construcţiei şi lărgirea domeniului de utilizare.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-5 care reprezintă:

- fig. 1, schema dispozitivului propus;

- fig. 2, caracteristicile de sarcină ale imitatorului bateriei solare (5), ale bateriei solare (6), ale primului convertizor (7) şi celui de-al doilea (8);

- fig. 3, schema principială a convertizorului de tensiune;

- fig. 4, epurele curentului tranzistorului primului convertizor de tensiune pentru regimurile caracteristice;

- fig. 5, epurele curentului tranzistoarelor celui de-al doilea convertizor de tensiune pentru regimurile caracteristice.

Dispozitivul este executat în formă de bloc de alimentare, care include convertizoarele 1 şi 2 de tensiune, ieşirile cărora sunt conectate consecutiv între ele şi la sarcina comună 3.

Fiecare convertizor de tensiune (fig. 3) conţine un suport semipunte de tranzistoare 9, 10. Emitorul tranzistorului 10 este conectat la ieşirea minus a sursei de alimentare 11, iar colectorul tranzistorului 9, prin bobinele de rezonanţă unite consecutiv 12, 13, este conectat la ieşirile plus ale sursei de alimentare. Condensatorul de rezonanţă 14 este conectat la ieşirea medie a suportului, iar cu cea de-a doua bornă, prin bobina primară a transformatorului de ieşire 15, este conectat cu sarcina la ieşire comună a bobinelor de rezonanţă. Intrările tranzistoarelor, la rândul lor, sunt conectate la generatorul de comandă 16 a impulsurilor de comutare.

Dispozitivul funcţionează în modul următor.

La ieşirea convertizoarelor 1, 2 se formează tensiunile respective U1, U2 (curbele 7 şi 8 respectiv din fig. 2), valorile cărora se determină prin curentul I al sarcinii variabile 3 şi prin valoarea tensiunii sursei de alimentare 4. Deoarece ieşirile convertizoarelor sunt unite consecutiv, tensiunea U a sarcinii 3 reprezintă suma tensiunilor de ieşire a convertizoarelor la un curent comun, cu caracteristica de sarcină comună 5 din fig. 2. Această caracteristică este apropiată după formă de caracteristica tipică a bateriei solare (curba 6 din fig. 2). Conform [1, p. 140], nu este necesară corespunderea totală a caracteristicilor, este suficientă o coincidenţă principală.

Primul convertizor de tensiune funcţionează în modul următor.

Pe declanşatoarele tranzistoarelor 9, 10 se aplică impulsurile de comutare cu durata T0 / 2 şi perioada de comutare Tc ≥ 2T0 .

Presupunem că convertizorul este subîncărcat, ceea ce corespunde funcţionării pe sectorul vertical al caracteristicii 7 din fig. 2. La deschiderea, de exemplu, a tranzistorului 10, impulsul sinusoidal de curent i10(t) din fig. 4a trece prin acest tranzistor, condensatorul de rezonanţă 14, transformatorul de ieşire 15, bobina de rezonanţă 13 şi sursa de alimentare 11. În mod similar, la deschiderea tranzistorului 9 un aşa impuls de curent trece prin acest tranzistor, condensatorul de rezonanţă 14, transformatorul de ieşire 15 şi bobina de rezonanţă 12. La majorarea sarcinii creşte şi amplitudinea impulsurilor de curent şi respectiv curentul sarcinii. La atingerea valorii maximale a curentului de sarcină - sectorul orizontal al caracteristicii 7 din fig. 2, apare un impuls al curentului invers (negativ) din fig. 4 b). Acest impuls al curentului invers trece prin dioda antiparalelă a tranzistorului închis din contul energiei excedentare acumulate în bobinele de rezonanţă 12, 13 şi condensatorul de rezonanţă 14. Acest regim corespunde punctului de putere maximală.

La majorarea ulterioară a sarcinii (regim de suprasarcină) curentul de sarcină practic nu creşte până la regimul de scurt circuit. În cazul dat creşte amplitudinea impulsului curentului invers, iar amplitudinea impulsului de curent (de acum cel direct) se micşorează în fig. 4 c), dar se păstrează anvergura generală a amplitudinii, ceea ce fizic determină sectorul orizontal al curbei 7 din fig.2. În aşa mod se formează caracteristica dreptunghiulară a primului convertizor.

Al doilea convertizor de tensiune funcţionează în regim subîncărcat în mod similar. Însă la suprasarcină amplitudinea curentului direct i9 creşte, ca şi amplitudinea impulsului curentului invers i10 până la regimul de scurt circuit (fig. 5), deoarece într-un timp egal cu durata impulsurilor curenţilor direct şi invers i9, i10 ambele tranzistoare se închid. Prin urmare, creşte şi curentul sarcinii, adică rezultă caracteristica de sarcină a convertizorului (curba 8 în fig. 2). Cu cât mai aproape este valoarea perioadei de comutare Tc de valoarea T0, cu atât caracteristica de sarcină 8 a suprasarcinii este mai liniară, cu unghiul de înclinare mai mare.

Ambele convertizoare au un randament majorat din cauza comutării tranzistoarelor la curenţii zero în tot diapazonul de variaţie a sarcinii.

Caracteristica sumară 5 din fig. 2 are un segment strict orizontal şi un segment înclinat. Regiunea de conexiune a acestor segmente determină punctul de putere maximală.

Pentru confirmarea formei caracteristicilor de sarcină a convertizoarelor sunt prezentate rezultatele modelării computerizate în sistemul de modelare ORCAD 9.1.

Exemplu de realizare a invenţiei

Parametrii primului convertizor: tranzistoarele 9, 10 de tip IRGPC40F, condensatorul de rezonanţă 14 cu capacitatea de 0,5 µF, inductivitatea bobinelor de rezonanţă 12, 13 de 17 µH, perioada oscilaţiilor proprii T0 = 18,4 µs, perioada de comutare Tc = 40 µs. Tensiunea sursei de alimentare 11 este egală cu 250 V. Pentru simplificarea modelării s-a utilizat sarcina redresoare fără transformator 15. Epurele curentului tranzistorului 10 ale rezistenţei sarcinii de 10, 5, 0,5 Ω corespund epurelor a), b), c) din fig. 4. Amplitudinea curentului este egală cu 42 A. Caracteristica de sarcină, trasată după datele de calcul, corespunde caracteristicii 7 din fig. 2.

Parametrii convertizorului al doilea: tranzistoarele 9, 10 de tip IRGPC40F, condensatorul de rezonanţă 14 de capacitatea 0,28 µF, inductivitatea bobinelor de rezonanţă 12, 13 de câte 30,3 µH, perioada oscilaţiilor proprii T0 = 17,8 µs, perioada de comutare Tc = 18 µs. Tensiunea sursei de alimentare 11 este egală cu 100 V. Pentru simplificarea modelării s-a utilizat sarcina de redresare fără transformator 15. Epurele curenţilor tranzistoarelor 9, 10 pentru rezistenţa sarcinii de 3 Ω corespund epurelor din fig. 5. Caracteristica de sarcină, trasată după datele calculate, corespunde caracteristicii 8 din fig. 2.

Invenţia prezintă următoarele avantaje:

- se utilizează blocul de alimentare în formă de convertizoare de tensiune cu un randament ridicat;

- convertizorul de tensiune cu cvasirezonanţă este un dispozitiv parametric, posedă caracteristici de sarcină normale de formă necesară, fără folosirea de contururi de stabilizare.

1. Четти П. Проектирование ключевых источников питания. Пер. с англ., Москва, Энергоиздат, 1990, 240 с

2. Mukerjee A.K., Dasgupta Nivedita. DC power supply used as photovoltaic simulator for testing MPPT algorithms. Renewable Energy: An International Journal; Apr. 2007, Vol. 32, Issue 4, p. 587-592 (regăsit în internet la 2009.11.10, www.sciencedirect.com/science/journal/09601481/)

Claims

1. Imitator al bateriei solare, care este executat în formă de bloc de alimentare, care include două convertizoare de tensiune cu cvasirezonanţă cu curenţii de scurt circuit similari, primul dintre acestea fiind executat cu caracteristica de sarcină apropiată de cea dreptunghiulară, iar cel de-al doilea - cu caracteristica de sarcină apropiată de o linie înclinată, ieşirile convertizoarelor de tensiune sunt conectate consecutiv.

2. Imitator al bateriei solare, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că fiecare convertizor de tensiune cu cvasirezonanţă conţine un generator de impulsuri de comutare, ieşirile căruia sunt unite cu bazele tranzistoarelor suportului semipunte, colectorul primului tranzistor al căruia este conectat la două bobine de rezonanţă, unite consecutiv, ieşirea cărora este conectată la o bornă a sursei de alimentare, la a doua bornă a căreia este conectat emitorul tranzistorului al doilea al suportului semipunte; un condensator de rezonanţă, o bornă a căruia este conectată la borna medie a suportului semipunte, iar a doua, prin bobina primară a transformatorului de ieşire cu sarcină - la borna comună a bobinelor de rezonanţă.

3. Imitator al bateriei solare, conform revendicărilor 1 şi 2, caracterizat prin aceea că tranzistoarele suporturilor semipunte ale fiecărui convertizor de tensiune sunt conectate la generatoarele de impulsuri de comutare în aşa mod, încât perioada de repetare Tc a impulsurilor primului convertizor de tensiune să corespundă condiţiei: Tc ≥ 2T0 , unde T0 este perioada oscilaţiilor proprii, stabilite de bobina de rezonanţă şi condensatorul de rezonanţă, iar perioada de repetare a impulsurilor convertizorului al doilea de tensiune să corespundă condiţiei: 2T0 ≥ Tc ≥ T0 .