SU1042130A1 - Способ распределени тока между преобразователем и электрохимическим накопителем,включенными на импульсную нагрузку - Google Patents

Abstract

СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА МЕЖДУ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ НАКОПИТЕЛЕМ, ВКЛЮЧЕННЫМИ НА ИМПУЛЬСНУЮ НАГРУЗКУ, при котором В интервале времени импульса пере-, дают ток нагрузке от накопител  и преобразовател , выходной ток которого поддерживают необходимой величины с помощью сигнала управлени , сформированного в предшествующем интервале времени паузы по отклонению напр жени  накопител  от згщан- i ного значени , а в интервале времени паузы зар жают накопитель таким током преобразовател , который необходим дл  восполнени  энергоемкости , израсходованной накопителем в интервале времени предшествующего импульса, отличающийс   тем, что, с целью уменьшени  установленной мощности первичного источника электроэнергии и преобразовател  напр жени  при повышении равномерности их загрузки, в течение периода квазиустановишиегос  импульсного процесса нагрузки формируют сигнал управлени  преобразователем по отклонению его выходного тока от заданного значени  и поддерживают ток посто нным, 5S величина которого меньше величины (Л требуемого тока нагрузки в импульсе в число раз, пропорциональное отношению периода к времени импульса, причем дл  поддержани  номинальной энергоемкости накопител  при изменении параметров импульсного процесса формиру рт в интервалах времени пауз корректирующий сигнал, пропорциональный максимальному значению напр жени  накопител , суммируют его с основным сигналом управлени  преобразователем по току и измен ют выходной ток преобразовател  в течение времени установлени  номинальной энергоемкости накопител  в новом квазиустановившемс  режиме работы импульсной нагрузки.

Description

Изобретение относитс  к импульсной энергетике, а именно к системам электропитани  - низко- и инфранизкочастотным импульсным устройствам с регулируемыми параметрами периодического процесса дл  средств радионавигации , гидролокации и прикладной лазерной техники.

Известен способ распределени  тока между параллельно включенными на общую нагрузку преобразователем напр жени  и аккумул торной батареей , в частности в системах электропитани  аппаратуры телеграфно-телефонной св зи, заключающийс  в том что с помощью сигнала управлени  преобразователем по отклонению напр жени  устанавливают и стабилизируют выходное напр жение преобразовател , требуемое дл  обеспечени  номинального тока электропитани  нагрузки и подзар да аккумул торной батареи, а при аварий.ном или запланированном переводе нагрузки с основного источника электроэнергии на резервный электропитание нагрузки требуемым током осуществл ют от аккумул торной батареи.

Недостатками системы импульсного электропитани   вл ютс  большие установленные мощности первичного источника и преобразовател , поскольку их расчитывают и выбирают исход  из обеспечени  импульсной мощности (тока) статической или дискретной нагрузки, плохое использование энергоемкости батареи, ибо от- нее потребл ют ток только в относительно короткие интервалы времени аварийного или запланированного перевода электропитани  нагрузки с одного первичного источника электроэнергии на другой.

Известен способ распределени  тока нагр1узки между параллельно включенными стабилизированными по на пр жению источниками питани  2 и способ управлени  системой непрерывного питани , состо щей из нескольких регулируемых статических преобразователей з , которые принципиально могут быть применены дл  распределени  тока между преобразовател ми и аккумул торной батареей, работающи ми на импульсную нагрузку. При реализации этих, способов, в частности 2 , необходимо индивидуально дл  каждого преобразовател  установить величину выходного напр жени  несколько выше, чем напр жение, требуемое дл  подзар да буферной аккумул торной батареи, подключенной паралельно преобразовател м. Затем с помощью да тчика измерени  выходного тока и цепи обратной св зи по току дл  каждого преобразовател  необходимо задать определенный ток нагрузки , при котором они переход т в режим стабилизации выходного тока. Тогда в интервале времени импульса нагрузка потребл ет ток от батареи, пропорциональный ее напр жению , а от преобразователей потребл ют сум5 марный стабилизированный ток, при этом в интервале паузы аккумул торную батарею подзар жают от преобразователей тем же стабилизированным током . Выходной ток преобразователей

10 задают такой величины, чтобы при

посто нных параметрах периодич.еского процесса импульсной нагрузки (мощности , длительности и периода импульсов ) обеспечить равенство энергии

15 зар да и разр да батареи дл  поддержани  ее номинальной энергоемкости (степени зар женности). Импульсный ток нагрузки равен-сумме токов источников и батарей. Реализаци  спо2Q собов 2 и З в системах электропитани  импульсных устройств с посто нными параметрами, rfo сравнению с l , позвол ет уменьшить установленные мощности преобразовател  и

25 первичного источника электроэнергии и обеспечить энергобаланс разр дзар да батареи.

Недостатком указанных способов Н и t-  вл етс  то, что они не могут быть применены в системах

электропитани  импульсных устройств

с регулируемыми (переменными) параметрами периодического процесса. Это обусловлено тем, что стабилизированный ток преобразователей задают цепью обратной св зи такой величины, чтобы при посто нных парг1метрах периодического процесса - мощности, периода и длительности импульсов, обеспечить равенство энергий зар да и разр да батареи в пределах периода импульсного процесса. Если параметры периодического процесса измен ютс , например ,возрастёт мощность или длительность импульсов, .

5 то энергоёмкость (степень зар женности ) и напр жение батареи постепенно уменьшаютс , поскольку ток подзар да ее в интервале остаетс  неизменным (задан цепью обратной

св зи по току), а энерги , отдаваема  нагрузке в интервале времени

импульса, увеличитс . Следовательно, через некоторое врем  работы батаре  разр жаетс , что приводит к нарушению работоспособности системы.

5 и, наоборот, при уменьшении мощности или длительности импульсов энерги , отдаваема  батареей нагрузке в интервале времени импульса, уменьшаетс , а зар дный ток в интервале

0 паузы остаетс  неизменным. Это, в конечном итоге, приводит к перезар ду батареи и к выходу ее из стро .

Наиболее близким к изобретению  вл етс  способ распределени  тока

5 между параллельно включенными на

импульсную нагрузку преобразователе напр жени  и электрохимическим накопителем , в частности аккумул торной батареей, заключающийс  в том, что в интервале времени импульса передают ток нагрузке от накопител  и преобразовател , причем ток нако пител  пропорционален его напр жению , а выходной ток преобразовател  поддерживают требуемой величины с помощью сигнала управлени  по отклонению напр жени  накопител , сформированного цепью обратной св зи преобразовател  в предшествующем интервале паузы, затем в интервале времени последующей паузы вновь формируют сигнал управлени  преобразователем по отклонению напр жени  накопител , устанавливают заданное значение выходного напр жени  преобразовател  и зар жают накопитель током, необходимым дл  восполнени  энергии, израсходованной накопителем в интервале времени предшествующего импульса нагрузки. Здесь ток нагрузки в импульсе равен также сумме токов преобразовател  и батареи . Однако ток, потребл емый от .преобразовател  нагрузкой в импульсе , более чем в два раза превышает ток, передаваемый батарее в интервале времени паузы 4 .

Указанный способ обуславливает следующие недостатки системы электрпитани  импульсного устройства.

Не выполн етс  условие потреблени  от первичного источника и преобразовател  посто нной по величине . мощности, равной среднему значению за период импульсного процесса.

Не обеспечиваетс  равномерна  загрузка первичного источника электроэнергии и преобразовател  напр жени , вследствие чего требуетс  увеличение их установленной мощности, массы и габаритов, поскольку они выбираютс  по мощности, потребл емой нагрузкой в интервале времени иМпульса , котора  более чем в два раза превышает мощность, отдаваемую накопителю в интервале паузы.

Наличие импульсных возмущений в системе электропитани  вследствие дискретного изменени  выходного тока преобразовател  в течении периода импульсного процесса нагрузки , ухудшает динамику системы и отрицательно сказываетс  на работе Других потребителей, подключен-: ных к одному и тому же первичному источнику.

Повышенна  стоимость системы электропитани  первичный источник электропитани -преобразователь напр жени -зЛектрокимический накопи .тель, поскольку их расчитывают на мощность, потребл емую в интервале времени импульса.

Цель изобретени  - уменьшение установленной мощности первичного источника электроэнергии и преобразовател  напр жени  при повышении равномерности Их загрузки.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу распределени  тока между преобразователем напр жени  и электрохимическим накопителем , -включенными на импульсную нагрузку , состо щем в том, что в интервале времени импульса передают ток нагрузке от накопител  и преобразовател , выходной ток которого поддерживают необходимой величины с помощью сигнала управлени , сформированного цепью обратной св зи преобразовател  в предшествующем интервале времени паузы по отклонению напр жени  накопител  от заданного значени , а в интервале йремени паузы зар жают накопитель таким током преобразовател , котррый необходим дл  восполнени  энергоемкости, израсходованной накопителем в интер-. вале времени предшествующего импульс са нагрузки, производ т новые операции , заключающиес  в том, что в течение периода квазиустановившегос  импульсного процесса нагрузки формируют сигнал управлени  преобразователем по отклонению его выходного тока от заданного значени  и поддерживают ток посто нным, величина которого меньше величины требуемого тока импульсной нагрузки в число раз, пропорциональное отношению периода к времени импульса, причем дл  поддержани  номинальной энергоемкости накопител  при- изменении параметров импульсного процесса формируют в интервалах времени пауз корректирующий сигнал, пропорциональный макси мальному значению напр жени  зар да накопител , суммируют его с основным сигналом управлени  преобразователем по току .и измен ют выходной ток преобразовател  в течение времени установлени  номинальной энергоемкости накопител  в новом квазиустановившемс  режиме работы импульсной нагруз0 На фиг.1 показаны диаграммы дозированной передачи тока импульсной нагрузке от преобразовател  и нако , пител , в качестве которого применена аккумул торна  батаре . Здесь обозначено: пц - и k - k, импульсы тока нагрузки в пор дке их следовани  дл  двух режимов работы, причем дл  первого режима ток в импульсе обозначен как 3 , а дл  второго - как JHQ ; З., ; 3 ; ги f - токи в импульсе, потребл емые нагрузкой соответственно от батареи и преобразовател  дл  двух

5 1{.вазиустановившихс  режимов работы; rJtiKi - токи в им пульсе, потребл емые нагрузкой от батареи и преобразовател  в переходном режиме: Т, ty ,tn соответ ственно период импульсного процесс длительности импульса и паузы, На фиг.2 приведена функциональн схема системы электропитани , реализующа  предлагаемый способ. Схема содержит первичный источн электроэнергии (общепромышленна  сеть или автономный источник 1, трех фазный преобразователь 2 переменно го напр жени  в посто нное, накопитель электроэнергии 3,в качестве которого применена аккумул торна  батаре , импульсна  нагрузка с регулиремыми параметрами периодического процесса 4. Преобразователь 2 напр жени  состоит из регулирующего органа 5, трансформатора 6, выпр мител  7, датчика 8 напр жени  батареи, усилител  9 сигнала обрат ной св зи, ключевого формировател  10 импульсов управлени .Регулирующи орган 5 включает в себ  блокирующий вентиль 11, линейный дроссель 12, дроссели насыщени  13-18 с совмещен ными обмотками. На фиг.2 обозначены: н - ток нагрузки в импульсе; Зц f б ток, потреб/  емый нагрузко от преобразовател  и батареи в импульсе; J.J - ток зар да батареи в интервале времени паузы:,3у - ток управлени  дросселей насьпцени  13-1 На фиг.З приведены: иЦ1 ) UH2 (IHI) нагрузочные характери стики нагрузки в интервале времени импульса дл  двух квазиустановившихс  режимов работы; Un, i (1пч) (Ifii) - внешние характеристики преобразовател  дл  тех же режимов работы; и 1 (П) внешн   характеристика ак:кумул торной батареи; J.f,| i I токи, потребл емые импульсной нагрузкой дл  первого и второго режимов работы соответствен но от преобразовател  и аккумул торной батареи. Суть способа заключаетс  в следу ющем . Допустим, что вначале импульсна  нагрузка работает в квазиустановившемс  режиме в интервале времени следовани  импульсов т - т,, характеризующихс  током в импульсеJp (фиг.1). Дл  первого режима работы энергию, потребл емую в импульсе, можно выразить через составл ющие W,, Wn/WB,, /Wpi энерги , потребл ема  нагрузкой в импульсе соответственно от преобразовател  и батареи. Энерги , потребл ема  нагрузкой в импульсе от батареи равна ( П 6. Рб.-Ь«, где Pg - мощность в импульсе, отдаваема  батареей нагрузке , t, - врем  импульса. Энерги , отдаваема  преобразователем нагрузке в импульсе, может определена как пгРпн И где Pf, - мощность, отдаваема  преобразователем нагрузке. Энерги , сообщаема  батарее от преобразовател  в интервале времени паузы при условии посто нства его выходной мощности, может быть выражена VV6,PnAT-tM), 4) где in - интервал времени паузы. Дл  обеспечени  работоспособности батареи необходимо в течение всего периода импульсного процесса поддерживать энергобаланс ее разр дзар да , чтобы Wg VV53 г тогда из (2) и (4) следует рв т7 / где 6 - скважность импульсов. После подстановки (2) и (3) в (1) с учетом (5) получаем соотношение между требуемой энергией нагрузки в импульсе и энергией, потребл емой нагрузкой от преобразовател  WH, , Дл  определени  соотношени  между требуемым током нагрузки в импульсе ( J щ ) и током, потребл емым нагрузкой от преобразовател  ( при условии выполнени  требовани  потреблени  от преобразовател  посто нной по величине мощности (тока) в течение всего периода квазиустановившегос  режима работы импульсной нагрузки, необходимо учесть, что напр жение на нагрузке в интервале времени импульса определ етс  напр жением аккумул торной батареи (Ug), поскольку преобразователь работает в режиме источника тока (стабилизатора тока) и его выходное напр жение равно напр жению батареи,  вл ющейс  в данном случае источником напр жени  (небольшим падением напр жени  на внутреннем сопротивлении батареи можно пренебречь) . Тогда выразив в (6) энергию нагрузки в импульсе иэнергию, потребл емую от преобразовател , через напр жение батареи (Ug) , требуемый ток нагрузки в импульсе -( Зщ ) ,ток преобразовател  ( П(,, ) и врем  импульса (t«) находим соотношение Между требуемым током нагрузки в импульсе и током, потребл емым от преобразовател  н SUgt,, S : Из выражени  (7) следует, что дл обеспечени  требовани  потреблени  посто нной по величине мощности в течение периода квазиустановившегос  режима работы импульсной нагрузки и сохранени  энергобаланса разр д-зар да батареи необходимо поддерживать выходной ток преобразовател  посто нным, величина которого должна быть меньше требуемого тока нагрузки в импульсе в число раз, приблизительно, равное отношению периода к времени импульса (скважности} . Из выражени  (l) и (6) можно определить энергию, потребл емую нагрузкой в импульсе от батареи c.WurWn. (У бГ™иГ П1- § Ток, потребл емый от батареи в импульсе , можно определить из (8), выразив энергию через соответствующие токи напр жени  и длительности импульса ( 6-l)U5lHi-t« 5-1 . : Т SUgt При изменении параметров периоди ческого процесса необходимо в новом квазиустановившемс  режиме работы импульсной нагрузки также поддерживать энергобаланс разр д-зар да батареи при плавном изменении мощности , потребл емой от преобразовател  в переходном режиме. В предлагаемом способе это обеспечиваетс  плавным регулированием выходного тока преобразовател  за счет изменени  сигнала управлени  в зависимо ти от изменени  степени зар женнрсти батареи. Дл  этого датчиком напр жени  контролируют в интервалах пауз отклонение напр жени  батареи от заданного значени  формируют дополнительным звеном корректирующи сигнал, суммируют его с основным сигналом управлени , полученным це пью обратной св зи по выходному то ку преобразовател , и, воздейству  измен ющимс  во времени суммарным сигналом управлени  на регулирующи орган, измен ют выходной ток преоб разовател  таким образом, чтобы скомпенсировать изменение степени эар женности батареи, оценива емое по изменению ее напр жени . в новом квазиустановившемс  регжиме работы системы общие выражени ( 1).-(9) также справедливы, только здесь необходимо оперировать новы ми величинами параметров периодического процесса. Принцип работы системы электропитани  при использовании предложенного способа заключаетс  в следующем . Регулирующий орган 5, трансформатор 6, выпр митель 7, формирователь 10 образуют контур регулировани - выходного тока преобразовател  2, где действует внутренн   обратна  св зь по току ц при неизменном токе управлени  q дросселей 13-18 (фиг.2). Датчик 8, усилитель 9 и формирователь управл ющих импульсов 10 вход т в контур обратной св зи по напр жению батареи 3, При этом дл  исключени  возмущающего вли ни  контура обратной св зи по напр жению батареи 3 на контур регулировани  (стабилизации) выходного тока преобразовател  2 в интервале времени импульса нагрузки 4, когда напр жение батареи 3 скачком уменьшаетс  На некоторую величину падени  напр жени  на ее внутреннем сопротивлении , посто нна  времени датчика 8 на отрицательное приращение напр жени  батареи 3 превьзшает на несколько (2-4) пор дков длительность импулксов нагрузки 4. Допустим, что при включении нагрузка 4 работает при токе в импульсе ц (фиг. 1). Под действием датчика 8, усилител  9, формировател  10 в обмотках дросселей насыщени  13-18 устанавливаетс  ток управлени  Зи f фиг.2) и преобразователь 2 работает в режиме стабилизатора (йстЬчника) . тока, характеризуемом крутопадающим участком внешней характеристики (Hi) (Фиг.З). В этом случае нагрузка 4 потребл ет при напр жении батареи 3, соответствующем точке А пересечени  характеристикUg (Н) иИц, { (1ц4 (фиг.З) токи: от преобразовател  2 -J , от батареи 3 Ig . В паузу между импульсами тока нагрузки 4 преобразователь 2 подзар жает батарею 3 током (фиг.З) при большем напр жении на клеммах батареи, определ емом точкой а, пересечени  характеристик 1{1п4) г Ug iUB), вследствие перехода бата- реи 3 из. режима разр да в режим зар да . Этот режим работы системы по фиг.1 соответствует интервалу времени от О до1{ . Теперь предположим , что в какой-то момент времени t ток нагрузки 4 в импульсе увеличиваетс  от Зц- (фиг.1а) . -Тогда в первых интервалах времени .импульсов от батареи 3 потребл етс  больша  энерги  по сравнению с энергией, сообщаемой- батарее от преобразовател  2 в интервалах времени пауз, поскольку вкколной ток

преобразовател  2 вследствие большой посто нной времени реакций датчика 8 на отрицательное приращение напр жени  батареи 3 и медленного уменьшени  степени ее зар женности увеличиваетс  сравнительно медленно (фиг.1в). Напр жение батареи 3 уменьшаетс . Корректирующий сигнал обратной св зи по напр жению батареи , формируемый датчиком 8 и усилителем 9, суммируемый с сигналом, управлени  по току преобразовател  в формирователе управл ющих импульсов 10, уменьшаетс . Длительность управл ющих импульсов, подаваемых с формировател  10 на дроссели насыщени  13-18, и среднее значение тока управлени  в обмотках увеличиваютс . Подмагничивание дросселей 13-18 повышаетс , что вызывает соответствующее увеличение выходного тока преобразовател  2 с посто нной времени , определ емой изменением степени зар женности батареи 3 и посто нной времени датчика 8. Процесс увеличени  выходного тока преобразовател  2 длитс  до тех пор, пока.в новом квазиустановившемс  режиме работы системы не установитс  энерго-баланс разр д-зар д батареи 3. Характер изменени  тока (соответственно мощности), потребл емого нагрузкой от преобразовател  2 и батареи 3 в переходном режиме, качественно показан на фиг.15, ЬНачало переходного режима в системе характеризуетс скачкообразным увеличением тока нагрузки 4 в импульсе oT3v4 до J н (при .t () и соответствующим увеличением тока, потребл емого от батареи 3, до . Далее ток, потребл емый от преобразовател  2, увеличиваетс  а от батареи 3 уменьшаетс . Переходный режим заканчиваетс  в точке i t42 когда после достижени  определенного значени  напр жени  батареи 3 вновь наступает установившийс режим работы системы, где в пределах периода импульсного процесса энерги  зар да батареи 3 становитс  приблизительно равной энергии разр да. В .этом режиме .работы ток, потребл емый нагрузкой 4 в импульсе от батареи 3, равен «5 , Соответственно выходной ток преобразовател  2 в течение всего периода равен значению Jfj . При этом заштрих:ованные участки на фиг.3. сответствуют току, отдаваемому преобразователем 2 нагрузке 4 в интервале времени импульса, а незаштрихованные области соответствуют импульсам тока, сообщаемым преобразователем 2 аккуМул торной батареи 2 в интервалах времени пауз дл  ее подзар да.

При уменьшении тока ..нагрузки 4 в импульсе происходит процесс обратный описанному.

Предлагаемый способ распределени  тока позвол ет: значительно уменьшить установленные мощности преобразовател  и первичного источника по сравнению с мощностью нагру-; зки в импульсе (приблизительно в

5 число раз, равное отношению периода к времени импульса, т.е. скважности импульсов); уменьшить габариты и массу прёоб1&азовател  напр жени  по сравнению с этими характеристиками

преобразовател , вьабранного из расчета мощности нагрузки в импульсе (пропорционально числу, равному приблизительно скважности импульсов в степени три четвертых)f обеспечить «равномерную загрузку преобразовател  и первичного источника в течение всего периода импульсного процесса , поскольку от преобразовател  потребл ют посто нную по величине мощность (ток) в установившемс 

0 режиме работы-системы; обеспечить работу импульсной нагрузки как с посто нными , так и с регулируемыми параметрами периодического процесса ; улучшить динамические характеристики

5 системы электропитани , так как от преобразовател  потребл ют посто нную по величине мощность при импульсной нагрузке;, снизить стоимость системы электропитани .

Claims (1)

1. СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА . МЕЖДУ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ 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- i ного значения, а в интервале време ни паузы заряжают накопитель таким током преобразователя, который необходим для' восполнения энергоем кости, израсходованной накопителем в интервале времени предшествующего импульса, отличающийс 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, величина которого меньше величины требуемого тока нагрузки в импульсе в число раз, пропорциональное отношению периода к времени импульса, 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.

   >