RU218981U1

RU218981U1 - Устройство управления ключами стабилизированного источника тока в имитаторе солнечной батареи

Info

Publication number: RU218981U1
Application number: RU2023112157U
Authority: RU
Inventors: Олег Геннадьевич Рекутов; Виктор Алексеевич Пчельников; Олег Викторович Бубнов; Антон Геннадьевич Юдинцев; Леонид Алексеевич Карих
Filing date: 2023-05-12
Publication date: 2023-06-21

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в безынерционных электрических имитаторах солнечных батарей (ИБС) на основе источника постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода солнечной батареи (БС), источника напряжения вольтодобавки и источника тока короткого замыкания БС с эквивалентной схемой понижающего преобразователя для управления ключами основного и обводного контуров, нулевым контуром, обеспечивающим корректирующую стабилизацию тока в дросселе понижающего преобразователя при сбросах тока нагрузки имитатора БС. Задача полезной модели – упрощение устройства с одновременным повышением надежности имитатора солнечной батареи путем уменьшения уровня пульсаций тока короткого замыкания, обеспечиваемого ускорением реакции на возмущающее воздействие, вызванное изменением выходного напряжения. Поставленная задача решается тем, что в устройство управления ключами стабилизированного источника тока в имитаторе солнечной батареи, содержащем источник постоянного напряжения U₀, модуль вольтодобавки со стабильным добавочным напряжением U_доб,и стабилизированный источник постоянного тока в виде стабилизатора тока короткого замыкания имитатора с дросселем, датчиком тока короткого замыкания I_кз и с ключами основного и обводного контуров регулирования, содержащее усилитель ошибки, одним входом соединенный с датчиком тока I_кз, а вторым - с источником уставки этого тока, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), задающий генератор, первым выходом соединенный со входами тактовой частоты двух счетчиков импульсов, а вторым и третьим выходами подключенный для синхронизации, соответственно, к входам сброса указанных счетчиков импульсов, формирующих сдвинутые на 180 электрических градусов пилообразные коды, выходы указанных счетчиков импульсов подключены к первым входам первой и второй цифровых схем сравнения (ЦСС), вторые входы которых соединены с выходом АЦП, при этом выход первой ЦСС соединен с первыми входами схем И и ИЛИ, а выход второй ЦСС соединен со вторыми входами указанных схем И и ИЛИ, введены соединенные последовательно сумматор и умножитель, при этом первый вход умножителя связан с модулем вольтодобавки через дополнительный ключ и с источником постоянного напряжения, а на второй вход заведено напряжение U ₍ _I _кз)=U _вых имитатора, выход сумматора соединен с АЦП, а выходы указанных схем И и ИЛИ являются выходами управления ключами обводного и основного контуров регулирования, соответственно.

Description

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в безынерционных электрических имитаторах солнечных батарей (ИБС) на основе источника постоянного напряжения, соответствующего напряжению холостого хода солнечной батареи (БС), источника напряжения вольтодобавки и источника тока короткого замыкания БС с эквивалентной схемой понижающего преобразователя для управления ключами основного и обводного контуров, нулевым контуром, обеспечивающим корректирующую стабилизацию тока в дросселе понижающего преобразователя при сбросах тока нагрузки имитатора БС.

Известны имитаторы солнечных батарей, которые содержат источник напряжения и источник тока, которые управляются т.о., чтобы быть взаимосвязанными и имитировать вольт-амперную характеристику (ВАХ) солнечной батареи (см., например, описание к патенту US 4999524). Указанное устройство содержит источник постоянного напряжения, соединенный последовательно с программируемым источником напряжения вольтодобавки, и программируемый импульсный источник тока. Ограничительный диод соединен параллельно с источником тока и источником постоянного напряжения. Полная схема управления содержит два контура. Относительно медленный основной контур управления с полосой пропускания в несколько кГц регулирует среднюю амплитуду тока, текущего в дроссель и содержит датчик Холла, усилитель ошибки, суммирующий усилитель, компаратор для генерации выходного сигнала ШИМ, драйвер ключа, ключ и дроссель. Относительно быстрый контур с полосой пропускания, по крайней мере, в 100 кГц, компенсирует изменения напряжения на дросселе и связывает динамические изменения в главном контуре. Недостатком устройства является наличие датчика Холла, а также суммирующего усилителя и компаратора, реализующих переход с токового участка ВАХ на участок напряжения.

Известен электрический имитатор солнечной батареи по патенту на полезную модель РФ №144248, который содержит источник постоянного напряжения со стабильным выходным напряжением, источник постоянного тока в виде стабилизатора тока короткого замыкания имитатора, модуль вольтодобавки, включенный между источником постоянного напряжения и источником постоянного тока, блок резисторов, включенный на выходе источника постоянного тока и содержащий последовательный управляемый резистор Rп и шунтовый управляемый резистор R_ш. Стабилизатор тока в указанном имитаторе выполнен с двумя контурами управления, образованными двумя ключами, первый ключ - входом, а второй - выходом, соединены с катодом диода, анод которого подключен к выходу источника постоянного напряжения и общей выходной шине модуля вольтодобавки, а также дросселем и возвратным диодом, катод которого соединен с выходом первого ключа, а через дроссель - с точкой соединения входа блока резисторов и анода отсекающего диода, при этом, анод возвратного диода соединен с общей шиной нагрузки и источника постоянного напряжения, нелинейный элемент подключен своим входом к катоду отсекающего диода, а также, через развязывающий диод и реверсивный преобразователь - параллельно выходу модуля вольтодобавки, соединенного положительным полюсом с входом второго ключа стабилизатора тока.

Недостатками этого имитатора являются: сложность электрической схемы, обусловленная применением двух контуров импульсного управления в стабилизаторе тока, а также использованием реверсивного преобразователя.

Наиболее близким является устройство управления ключами стабилизированного источника тока в имитаторе солнечной батареи по патенту на полезную модель RU 208820, где стабилизированный источник тока является стабилизатором тока короткого замыкания имитатора с дросселем, датчиком тока короткого замыкания (I_кз) и с ключами основного и обводного контуров регулирования. Устройство содержит усилитель ошибки, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), задающий генератор (ЗГ), первым выходом соединенный со входами тактовой частоты двух счетчиков импульсов (СИ), а вторым и третьим выходами подключен для синхронизации, соответственно, к входам сброса счетчиков (СИ) импульсов, формирующих сдвинутые на 180 электрических градусов пилообразные коды, выходы указанных счетчиков импульсов подключены к первым входам соответствующих первой и второй цифровых схем сравнения (ЦСС), вторые входы которых соединены с выходом АЦП, при этом выход первой ЦСС подключен к первым входам схем И и ИЛИ, а выход второй ЦСС соединен со вторыми входами схем И и ИЛИ, выходы которых подключены, соответственно, к первым входам двух схем И-НЕ ограничения высокого уровня тока, выходами соединенных, соответственно, с первыми входами двух схем И-НЕ управления ключами стабилизатора тока, два компаратора с гистерезисом, причем, инверсный вход первого компаратора и неинверсный вход второго компаратора соединены с неинверсным входом указанного усилителя ошибки, а также упомянутые входы первого и второго компараторов выведены для подключения сигнала уставки тока Iкз, а неинверсный вход первого компаратора и инверсный вход второго компаратора соединены с инверсным входом усилителя ошибки и выведены для подключения сигнала датчика тока Iкз, введены задатчик диапазонов ошибки регулятора для сигналов высокого и низкого уровней тока, третья и четвертая цифровые схемы сравнения, вторая и третья логические схемы ИЛИ, при этом выходы высокого и низкого уровней задатчика диапазонов ошибки соединены с первыми входами третьей и четвертой цифровых схем сравнения соответственно, вторые входы которых соединены с выходом АЦП, выходы третьей и четвертой цифровых схем сравнения соединены с первыми входами второй и третьей схем ИЛИ, соответственно, вторые входы которых связаны с выходами первого и второго компараторов с гистерезисом, соответственно, выход второй схемы ИЛИ соединен с первыми входами двух схем И-НЕ ограничения высокого уровня тока, выходами соединенных, соответственно, с первыми входами двух схем И-НЕ управления ключами стабилизатора тока, вторые входы которых соединены с выходом третьей схемы ИЛИ, выходы двух схем И-НЕ являются выходами управления ключами основного и обводного контуров регулирования.

Недостаток устройства заключается в его сложности, кроме того, диапазоны сигнала ошибки регулирования, в которых происходит блокировка сигналов низкого и высокого уровней определяется влиянием помеховой обстановки. Соответственно, чем хуже помеховая обстановка, тем больше эти диапазоны и тем меньше эффективность такого устройства.

Задача полезной модели – упрощение устройства с одновременным повышением надежности имитатора солнечной батареи путем уменьшения уровня пульсаций тока короткого замыкания источника тока за счет ускорения реакции на возмущающее воздействие, вызванное изменением выходного напряжения. В качестве нагрузки, например, может быть использован шунтовый стабилизатор системы электропитания (СЭП) космического аппарата (КА).

Поставленная задача решается тем, что в устройство управления ключами стабилизированного источника тока в имитаторе солнечной батареи, содержащее источник постоянного напряжения U₀, модуль вольтодобавки со стабильным добавочным напряжением U_доб,и стабилизированный источник постоянного тока в виде стабилизатора тока короткого замыкания имитатора с дросселем, датчиком тока короткого замыкания I_кз и с ключами основного и обводного контуров регулирования, содержащее усилитель ошибки, одним входом соединенный с датчиком тока I_кз, а вторым - с источником уставки этого тока, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), задающий генератор, первым выходом соединенный со входами тактовой частоты двух счетчиков импульсов, а вторым и третьим выходами подключенный для синхронизации, соответственно, к входам сброса указанных счетчиков импульсов, формирующих сдвинутые на 180 электрических градусов пилообразные коды, выходы указанных счетчиков импульсов подключены к первым входам первой и второй цифровых схем сравнения (ЦСС), вторые входы которых соединены с выходом АЦП, при этом выход первой ЦСС соединен с первыми входами схем И и ИЛИ, а выход второй ЦСС соединен со вторыми входами указанных схем И и ИЛИ, введены сумматор и умножитель, при этом первый вход умножителя связан с модулем вольтодобавки через дополнительный ключ и с источником постоянного напряжения, на второй вход заведено напряжение U ₍ _I _кз)=U _вых имитатора, выход соединен с первым входом сумматора, второй его вход соединен с выходом усилителя ошибки, а выход сумматора соединен с АЦП, при этом выходы указанных схем И и ИЛИ являются выходами управления ключами обводного и основного контуров регулирования, соответственно.

Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунков, на которых показано: на фиг.1 представлена структурная схема имитатора солнечной батареи, на фиг.2 показана структурная схема устройства управления ключами стабилизированного источника тока в имитаторе солнечной батареи, на фиг.3 представлены временные диаграммы формирования коэффициентов заполнения управляемых транзисторных ключей источника тока короткого замыкания.

Имитатор вольт-амперной характеристики солнечной батареи содержит источник напряжения постоянного тока 1, модуль вольтодобавки 2 со стабильным добавочным напряжением, источник постоянного тока в виде стабилизатора тока 3, состоящего из ключей 5 и 6, первого и второго диодов 11 и 12, дросселя 4, а также включающего в себя устройство управления 7 ключами 5 и 6, датчик тока 8, отсекающий диод 13, последовательно включенный управляемый резистор 9 задающий наклон ВАХ на участке напряжения, шунтирующий управляемый резистор 10, задающий наклон характеристики на участке тока.

Устройство управления 7 ключами 5 и 6 содержит усилитель ошибки 15, на входы которого поступают I_кз и величина уставки тока I_кз, умножитель 16, на входы которого поступают напряжения (U ₀+U _доб)=U _вх и U ₍ _I _кз)=U _вых преобразователя, на выходе получаем сигнал пропорциональный результату деления U _выхна U _вх. При этом напряжение U _вх может быть суммой двух уровней напряжений U ₀ и U _доб, где суммирование составной части напряжения U _доб зависит от сигнала VT _обв, которым может быть открыт дополнительный ключ К_1. Сигнал деления напряжений U _выхна U _вх поступает на второй вход сумматора 17, где суммируется с сигналом рассогласования по току, преобразованным усилителем ошибки 15. Выход сумматора 17 подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 18. Задающий генератор (ЗГ) 19 первым выходом соединен со входами тактовой частоты двух счетчиков импульсов (СИ) 20 и 21, а вторым и третьим выходами подключен для синхронизации, соответственно, ко входам сброса этих счетчиков 20 и 21, формирующих сдвинутые на 180 электрических градусов пилообразные коды. Выходы указанных счетчиков импульсов 20 и 21 подключены к первым входам цифровых схем сравнения (ЦСС) 22 и 23, соответственно, вторые входы которых соединены с выходом АЦП 18. Выход ЦСС 22 подключен к первым входам схем И 24 и ИЛИ 25, а выход ЦСС 23 соединен со вторыми входами схем И 24 и ИЛИ 25. Выход схемы И 24 является выходом для управления ключом 5 обводного контура, а выход схемы ИЛИ 25 – выходом для управления ключом 6 основного контура источника тока 3.

Устройство реализации способа управления ключами 5 и 6 источника тока в имитаторе солнечной батарее работает следующим образом.

Счетчики импульсов 20 и 21 при наличии тактовой частоты и соответствующих импульсов сброса 30 и 31 (фиг.3) от задающего генератора 19 формируют на первых входах ЦСС 22 и 23, соответственно, линейно нарастающие пилообразные коды, сдвинутые по фазе на 180 электрических градусов (32, 33 на Фиг.3). Усилитель ошибки 15 усиливает отклонение тока I_кз от заданной уставки Iкз, а АЦП 18 преобразует это расхождение в код (34 на Фиг.3), поступающий на вторые входы ЦСС 22 и 23 для сравнения с соответствующим пилообразным кодом. Т.о. образованы два контура ШИМ. Схемы И 24 и ИЛИ 25 выполняют функцию распределения импульсов управления для основного 6 (VT_осн) и обводного 5 ключей (VT_обв) источника тока (фиг.3).

Таким образом, при заявляемом способе управления основным 6 и обводным 5 ключами источника тока в имитаторе солнечной батареи достигается стабилизация выходного тока преобразователя независимо от изменений входного или выходного напряжений, обеспечивая, таким образом, соответствие ИБС имитируемой солнечной батареи и качество испытаний системы электропитания космического аппарата.

Claims

Устройство управления ключами стабилизированного источника тока в имитаторе солнечной батареи, содержащем источник постоянного напряжения U₀, модуль вольтодобавки со стабильным добавочным напряжением U_доб,и стабилизированный источник постоянного тока в виде стабилизатора тока короткого замыкания имитатора с дросселем, датчиком тока короткого замыкания I_кз и с ключами основного и обводного контуров регулирования, содержащее усилитель ошибки, одним входом соединенный с датчиком тока I_кз, а вторым - с источником уставки этого тока, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), задающий генератор, первым выходом соединенный со входами тактовой частоты двух счетчиков импульсов, а вторым и третьим выходами подключенный для синхронизации, соответственно, к входам сброса указанных счетчиков импульсов, формирующих сдвинутые на 180 электрических градусов пилообразные коды, выходы указанных счетчиков импульсов подключены к первым входам первой и второй цифровых схем сравнения (ЦСС), вторые входы которых соединены с выходом АЦП, при этом выход первой ЦСС соединен с первыми входами схем И и ИЛИ, а выход второй ЦСС соединен со вторыми входами указанных схем И и ИЛИ, отличающееся тем, что в него введены сумматор и умножитель, при этом первый вход умножителя связан с модулем вольтодобавки через дополнительный ключ и с источником постоянного напряжения, на второй вход заведено напряжение U ₍ _I _кз)=U _вых имитатора, выход соединен с первым входом сумматора, второй его вход соединен с выходом усилителя ошибки, а выход сумматора соединен с АЦП, при этом выходы указанных схем И и ИЛИ являются выходами управления ключами обводного и основного контуров регулирования, соответственно.