SU1749893A1 - Экстремальный регул тор мощности, потребл емой от источника посто нного тока - Google Patents

Abstract

Использование: системы электропитани  посто нного тока, автономные системы электроснабжени  с нерегулируемыми первичными источниками посто нного тока ограниченной мощности и импульсными регул торами тока. Сущность изобретени  дл  повышени  надежности и точности экстремального регулировани  дополнительно введены датчик температуры, датчик освещенности , блок эталонных интервалов температуры и освещенности соответственно матрица эталонной мощности, узлы сравнени  температуры и освещенности узел управлени , элемент И, а пороговый элемент выполнен в виде набора пороговых элементов . Выход элемента И соединен с пороговыми элементами, а входы - с выходами анализатора знака производной и с выходом датчика Холла. Выбор пороговых элементов осуществл етс  на основании данных, получаемых с датчиков температуры и освещенности, и сравнени  их с эталонными значени ми. 2 ил. (Л С

Description

Изобретение относитс  к системам электропитани  посто нного тока и может быть использовано при реализации автономных систем электроснабжени  с нерегу- лируемыми первичными источниками посто нного тока ограниченной мощности и импульсными регул торами тока.

Известен регул тор мощности источника электропитани , в котором производитс  экстремальное регулирование мощности источника широтно-импульсным методом.

Дл  реализации поискового движени  в нем периодически подключают и отключают баластную (дополнительную) нагрузку, в св зи с этим непроизводительно расходуетс  электроэнерги  на баластную нагрузку. Недостатком также  вл етс , необходимость организации поисковых движений,

требующих достаточного времени При больших возмущени х, воздействующих на ЭДС и внутреннее сопротивление источника , длительные поисковые движени   вл ютс  причиной посто нного запаздывани  регул тора по отношению к изменени м положени  экстремума мощности, что снижает эффективность использовани  источника электропитани .

Известен также экстремальный регул тор мощности, в котором поиск экстремума мощности осуществл етс  путем определени  величины и знака производной мгновенной мощности источника.

В этом устройстве производитс  пошаговый выход источника питани  в точку экстремума мощности, причем очередной шаг куказанной точке производитс  после опреXI

4 Ю 00 О СО

делени  производной мгновенного значени  мощности, что  вл етс  причиной низкого быстродействи .

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  экстремальный регул тор мощности, потребл емой от источника посто нного тока , содержащий дроссель и блок обратных диодов, последовательно включенные в первую из двух силовых шин, расположенных между входными и выходными выводами регул тора, предназначенными дл  подключени  соответственно источника питани  и нагрузки, блок силовых ключей, включенный между общим выводом дроссел  и блока обратных диодов и второй силовой шиной, датчик мощности, выполненный в виде элемента Холла, размещенного в немагнитном зазоре дроссел  и подключенного управл ющими электродами через резистор к входным выводам регул тора, блок дифференцировани , вход которого соединен с выходом элемента Холла, формирователь импульсов, вход которого подключен к дополнительной обмотке дроссел , блок переключени , выполненный в виде транзисторной триггерной  чейки ,соединеннойвыходной межколлекторной цепью с управл ющим входом блока силовых ключей, транзисторный вспомогательный ключ, эмиттер-коллекторный переход которого включен между выходами формировател  импульсов и управл ющими входами транзисторной триггерной  чейки, пороговый узел, включенный последовательно в цепь управлени  транзисторного вспомогательного ключа.

Недостатком известного регул тора  вл етс  низка  надежность из-за использовани  в качестве чувствительного элемента величины экстремальной мощности порогового элемента с одним уровнем порога ера- батывани . Вследствие этого при уменьшении сигнала с датчика мощности (элемента Холла) ниже этого порога срабатывани , что в процессе эксплуатации системы электроснабжени  возможно, экстремальный регул тор становитс  вообще неработоспособным . Если же порог срабатывани  чувствительного (порогового) элемента выбирают из расчета минимума возможной выходной мощности источника питани , то при высоких уровн х мощности источника применение экстремального регул тора становитс  крайне неэффективным.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности регулировани  и надежности в работе.

В экстремальный регул тор мощности, потребл емой от источника посто нного тока , введены анализатор знака производной

мощности, элемент И, датчик температуры, датчик освещенности, блок эталонных интервалов температуры, блок эталонных интервалов освещенности, два блока

сравнени , матричный узел эталонной мощности и узел управлени , представл ющий собой микропроцессорный контроллер, а пороговый узел выполнен многоэлементным с переключаемыми порогами, причем

0 вход анализатора знака производной мощности соединен с выходом блока дифферен- цировани , выход элемента Холла подключен к цепи управлени  транзисторного вспомогательного ключа через элемент

5 И, другой вход которого соединен с выходом анализатора знака производной мощности, входы первого блока сравнени  подключены к выходам датчика температуры и блока эталонных интервалов температуры, входы

0 второго блока сравнени  соединены с выходами датчика освещенности и блока эталонных интервалов освещенности, первый и второй входы матричного узла эталонной мощности подключены к выходам блоков

5 сравнени , а выходы - к переключающим входам порогового узла, выходы блока управлени  соединены с входами блоков эталонных интервалов температуры и освещенности и с третьим входом матрич0 ного узла эталонной мощности

На фиг 1 представлена схема экстремального регул тора мощности, потребл емой от источника посто нного тока, на фиг. 2 - диаграмма, по сн юща  его работу

5 Экстремальный регул тор мощности включен между источником 1 посто нного тока и нагрузкой 2 и содержит силовой дроссель 3 с основной обмоткой 4, блок 5 силовых ключей, блок 6 обратных диодов, датчик

0 7 мощности, выполненный в виде элемента Холла, размещенный в немагнитном зазоре дроссел  3, блок 8 переключени , выходом соединенный с цеп ми управлени  блока 5 силовых ключей, формирователь 9 импуль5 сов, транзисторный вспомогательный ключ 10, пороговый узел 11, блок 12 дифренциро- вани , анализатор 13 знака производной мощности, элемент И 14, датчик 15 температуры , датчик 16 освещенности, блок 17 эта0 лонных интервалов температуры, блок 18 эталонных интервалов освещенности, первый 19 и второй 20 блоки сравнени , матричный узел 21 эталонной мощности, узел 22 управлени .

5 Управл ющие электроды датчика 7 мощности (элемента Холла) через резистор 23 подключены к клеммам источника 1 посто нного тока. Дроссель 3 снабжен дополнительной обмоткой 24, выполненной с отводом от средней точки, Выводы дополнительной обмотки 24 св заны с входом формировател  9 импульсов, выход которого через транзисторный вспомогательный ключ 10 соединен с управл ющими входами блока 8 переключени . Цепь управлени  тран- зисторного вспомогательного ключа 10 через элемент И Т4 и пороговый узел 11 подключена к выходу датчика 7 Холла. Выходы датчиков температуры 15 и освещенности 16 подсоединены к первым входам первого 19 и второго 20 устройств сравнени , к вторым входам которых соответственно подключены выходы блоков эталонных интервалов температуры 17 и освещенности 18, выходы устройств сравнени  19 и 20 подключены к первым входам матричного узла 21 эталонной мощности.

Выходы узла 22 управлени  подключены к входам блоков эталонных интервалов температуры 17, освещенности 18 и вторым входам MatpH4Horo узла 21 эталонной мощности , выходы которого соединены с соответствующими переключающими входами порогового узла 11, состо щего из стабилитронов 25-27. Данные стабилитроны подключаютс  в цепь с помощью ключей 28-30 соответственно. К выходу датчика 7 Холла подключен блок 12 дифференцировани , выходы которого соединены с входами анализатора 13 знака производной мощности, причем к выходу анализатора 13 знака производной подключен один из входов элемента И 14.

Формирователь 9 импульсов может быть выполнен в виде двухпол рного симметричного параметрического стабилизатора на стабилитронах 31-34, диодах 35 и 36 и резисторах 37 и 38. В качестве блока 8 переключени  может быть использована триггерна   чейка, содержаща  транзисторы 39 и 40, конденсаторы 41 и 42 и резисто- ры 43-47. Резистор 47 служит дл  ограничени  тока в цепи управлени  блока 5 силовых ключей,

Блок дифференцировани  12 выполнен, например, в виде дифференцирующей цепочки на конденсаторе 48 и резисторах 49 и 50. Анализатор 13 знака производной может быть выполнен в виде диода.

Блоки эталонных интервалов температуры 17 и освещенности 18, а также матричный узел 21 эталонной мощности могут быть выполнены в виде запоминающих устройств в совокупности с известными входными и выходными элементами (шифраторами, дешифраторами и т.д.). Узел 22 управлени  может быть выполнен в виде известного микропроцессорного контроллера .

Регул тор работает следующим образом .

Предварительно на этапе подготовки экстремального регул тора к работе произ- вод т экспериментальные замеры максимальной мощности источника 1 посто нного тока (солнечной батареи) при различных уровн х температуры и освещенности и фиксируют эти значени  Предполо0 жим, что на некотором интервале температуры и некотором интервале освещенности максимальна  мощность источника при различных сочетани х температуры и освещенности измен етс  в

5 пределах РМин - Рмакс. При этом фиксируют в каждом интервале изменени  от минимального до максимального значени  температуры и освещённости и записывают эти значени  в  чейки пам ти соответственно

0 блоков эталонных интервалов температуры 17 и освещенности 18, а в матричный узел 21 эталонной мощности заноситс  значение минимальной из всех максимальных значений мощности дл  данного интервала тем5 ператур и освещенности, т.е. максимальную потребл емую от источника посто нного тока мощность при самых неблагопри тных дл  источника температуре и освещенности из каждого их интервала. Аналогично произ0 вод т указанные действи  дл  всех возможных сочетаний интервалов температуры и освещенности. Выбор величины самих интервалов температуры и освещенности производитс  с учетом используемых чув5 ствительных элементов ( параметров их эксплуатацией аппаратурных затрат на реализацию экстремального регул тора и т д Таким образом,, в блоках эталонных интервалов температуры 17 и освещенности

0 18 соответственно хранитс  информаци  обо всех интервалах температуры и освещенности при из изменении во всем диапа- зоне, а в матричном узле 21 эталонной мощности - информаци  о максимальной

5 мощности источника при самых неблагопри тных дл  источника температуре и освещенности дл  каждого из их интервалов.

При подключении источника 1 к нагрузке 2 через цепь установки исходного состо0  ни  триггерной  чейки блока 8 переключени  (не показан) транзистор 40 переводитс  в закрытое состо ние (транзистор 39 открываетс ). Указанное состо ние триггерной  чейки вызывает замыкание

5 блока 5 силовых ключей. Под действием тока , протекающего через основную обмотку 4, дроссель 3 накапливает энергию В это врем  во вторичной обмотке 24 наводитс  ЭДС самоиндукции, котора  через формирователь 9 импульсов прикладываетс  к соединенным последовательно база-эмиттер- ному переходу транзистора 39 и коллектор- эмиттерному переходу ключа 10.

Изменение тока источника 1 в процессе накоплени  энергии в дросселе 3 приводит к соответствующему изменению напр жени  источника за счет увеличени  падени  напр жени  на его внутреннем сопротивлении . Одновременно измен етс  выходна  мощность источника 1 как результат изменени  его тока и напр жени . Выходна  ЭДС датчика 7 Холла пр мо пропорциональна произведению величины магнитного потока, в котором размещен датчик, на величину протекающего через его управл ющие электроды тока. В данном регул торе магнитный поток в зазоре сердечника дроссел  3, в котором размещен датчик 7 Холла, пр мо пропорционален магнитодвижущей силе, создаваемой током источника 1, протекающим через основную обмотку 4 этого дроссел . Поэтому магнитный поток пропорционален току источника 1.

Ток, протекающий через управл ющие электроды датчика 7 Холла, пропорционален напр жению источника 1. Следовательно, выходной сигнал датчика 7 Холла пропорционален произведению тока источника на его напр жение, т.е. пропорционален мгновенному значению его выходной мощности. Одновременно с этим снимаетс  информаци  с датчиков температуры 15 и освещенности 16. Эта информаци  поступает на первый 19 и второй 20 блоки сравнени , где она сравниваютс  с информацией, предварительно записанной в блоках эталонных интервалов температуры 17 и освещенности 18.

В результате сравнени  с выходов первого 19 и второго 20 блоков сравнени  в матричный узел 21 эталонной мощности по- ступаютсигналы, свидетельствующие о том, к какому интервалу температуры и к какому интервалу освещенности относ тс  температура и освещенность, измеренные соответственно датчиками 15 и 16. Таким образом, в матричный узел 21 эталонной мощности поступают сигналы, на основании которых в ней выбираетс  уровень максимальной мощности, который в данный момент может быть получен с источника 1 посто нного тока при наиболее неблагопри тных температуре и освещенности данного выбранного интервала.

Далее на основании этой информации с выхода матричного узла 21 эталонной мощности (через деформирующие устройства) сигнал подаетс  на один из ключей 28-30, который подключает в цепь управлени  транзистора 10 стабилитрон порогового узла 11 с порогом срабатывани , соответствующим выбранной мощности источника питани  в данный момент времени. Нар ду с этим выходной сигнал датчика 7 Холла прикладываетс  к последовательному соединению выбранного на основании сигналов датчиков температуры 15 и освещенности 16 соответственно стабилитрона элемента И 14 и цепи управлени  ключа 10. А параллельно с этой цепью сигнал датчика 7 Холла

0 прикладываетс  к входу блока дифференцировани .

При увеличении мощности источника 1 (фиг. 2, движение от точки а к точке с) производна  от мощности положительна и ана5 лизатор 13 знака производной мощности формирует запрещающий сигнал на второй вход элемента И. Следовательно, из-за закрытого состо ни  элемента И стабилитрон (один из 25-27) порогового узла 11 не сра0 ботает при увеличении мощности от точки а к точке d (точке максимума). И лишь, когда мощность начнет уменьшатьс  (движение от точк/i d к точке Ь), следовательно, производна  станет отрицательной, тогда анали5 затор 13 знака производной выдает разрешающий сигнал на второй вход элемента И. Стабилитрон (один из 25-27), выбранный матричным узлом 21 эталонной мощности, срабатывает (порог срабатыва0 ни  каждого стабилитрона 25-27 выбираетс  несколько меньше уровн  сигнала датчика 7 Холла при максимальной мощности дл  самых неблагопри тных в данном интервале температуре и освещенности),

5 что происходит в точке Ь.

Рассто ние между точкой d и Ь (фиг. 2) определ етс  не настройкой порога срабатывани  выбранных стабилитронов 25-27 (известный), а зоной нечувствительности

0 анализатора 13 знака производной и свойствами блока 12 дифференцировани . Это позвол ет выбирать порог срабатывани  стабилитронов 25-27 с меньшей степенью, чем у известного, точности в сторону умень5 шени . Кроме того, порог срабатывани  стабилитронов 25-27 выбираетс  из расчета максимальной мощности при самых неблагопри тных дл  источника 1 температуре и освещенности. Следовательно, в заданном

0 интервале температуры и освещенности при других их значени х уровень максимальной потребл емой мощности растет, однако точность экстремального регулировани  при этом не падает. При увеличении

5 мощности от тоски с до точки d тот же самый, что и в первом случае, пороговый элемент не срабатывает, так как производна  мощности положительна и анализа тор 13 знака производной вырабатывает запрещающий сигнал . Срабатывание его происходит лишь в точке b . Следовательно, предлагаемое устройство обладает большей точностью экстремального регулировани , чем известное.

Срабатывание порогового узла 11 (точки b и b ) приводит к тому, что сигнал с выхода датчика 7 Холла прикладываетс  к цепи управлени  транзистора 10, который открываетс , Сигнал с формировател  9 импульсов прикладываетс  к управл ющим входам транзисторов 39 и 40. Дальнейшее состо ние блока 8 переключени  определ етс  пор дком соединени  выводов полуобмоток дополнительной обмотки 24 дроссел  3. На фиг. 1 начала полуобмоток дроссел  3 обозначены дл  случа , когда при включенном состо нии блока 5 ключей (возрастани  тока основной обмотки 4 этого дроссел ) транзистор 39 триггерной  чейки закрываетс , а транзистор 40 открываетс . Таким образом, при достижении мощностью источника 1 некоторого значени , близкого к максимальному, блок 8 переключени  вырабатывает сигнал на выключение блока 5 силовых ключей.

В момент выключени  силовых ключей в основной обмотке 4 дроссел  3 наводитс  ЭДС самоиндукции, котора  складываетс  с напр жением источника 1 и совместно с ним обеспечивает нагрузку 2 через блок 6 обратных диодов. При этом ток источника 1 уменьшаетс  во времени, вызыва  вначале повышение его мощности от точки b (b1) до точки d (d ), а затем ее уменьшение отточки d (d1) до точки е(е ).

При повышении мощности источника 1 пороговый узел 11 срабатывает повторно (стабилитрон выключаетс ), так как анализатор 13 вырабатывает запрещающий дл  схемы И сигнал, и напр жение формировател  9 импульсов за счет запирани  электронного ключа 10 снимаетс  суправл ющих входов транзисторов 39 и 40 триггерной  чейки. При снижении мощности источника 1 (дальнейшем уменьшении его тока) анализатор 13 знака производной вырабатывает сигнал на открытие логической схемы И 14, так как производна  при движении от точки d (d1 ) к точке е (е1 ) отрицательна (фиг. 2), Пороговый узел 11 срабатывает (стабилитрон 25-27 повторно пробиваетс ) и напр жение положительной пол рности прикладываетс  к база-эмиттерному переходу электронного ключа 10,, вызыва  erg открытие. В это врем  ЭДС самоиндукции, наводима  в дополнительной обмотке 24 дроссел  3, имеет пол рность, при которой уровень напр жени , вырабатываемый формирователем 9 импульсов, через электронный ключ 10 открывает транзистор 39 и

закрывает транзистор 40 триггерной  чейки . Триггерна   чейка переходит в первона- чальное состо ние, при котором под действием сигнала, вырабатываемого на его

выходе блок 5 силовых ключей открываетс  Далее работа экстремального регул тора мощности циклически повтор етс  При этом величина мощности источника 1 колеблетс  между точками b (b1) и е (е1)

0 Таким образом, предлагаемое устройство обладает по сравнению с известным повышенной точностью из-за срабатывани  пороговых элементов не на уровне порога срабатывани  этих элементов, а сразу после

5 смены знака производной мощности с положительного на отрицательный. С увеличением уровн  максимальной мощности точность экстремального регулировани  остаетс  такой же высокой, что отсутствует у

0 известного

В случае, если у известного устройства порог срабатывани  по каким-либо причинам окажетс  больше максимальной мощности источника, экстремальный регул тор

5 становитс  вообще неработоспособным т.е. снижаетс  его надежность Настройка порогового элемента у известного на минимально возможную максимальную мощность приводит к значительному снижению точно0 сти экстремального регулировани  (точки с

с ).

В предлагаемом устройстве возможно экстремальное регулирование с одним пороговым элементом, настроенным на мини5 мальную из всех максимальных мощностей источника питани . Однако в этом случае возникновение случайных помех, привод щих к колебани м мгновенного значени  мощности, может послужить причиной вы0 дачи анализатором 13 знака производной разрешающего сигнала на элемент И И и следовательно, срабатывани  порогового узла не в точке глобального максимума мощности - после точки d (d1), а в точке локаль5 ного максимума (не показано), т е в этом случае может наступить сбой в работе экстремального регул тора. Применение подстройки порогов срабатывани  (выбор пороговых элементов 25-27) исключает воз0 можность такого сбо , так как даже если сработает анализатор 13 знака производной , сам пороговый элемент не пробьетс , если мощность значительно отличаетс  от уровн  настройки порогового элемента

5 Следовательно, выбор пороговых элементов в зависимости от показаний датчиков характеризующих максимально возможную в этих услови х мощность, повышает надежность экстремального регул тора путем исключени  сбоев в его работе.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Экстремальный регул тор мощности, потребл емой от источника посто нного тока , содержащий дроссель.и блок обратных диодов, последовательно включенные в первую из двух силовых шин, расположенных между входными и выходными выводами регул тора, предназначенными дл  подключени  соответственно источника питани  и нагрузки, блок силовых ключей, включенный между общим выводом дроссел  и блока обратных диодов и второй силовой шиной, датчик мощности, выполненный в виде элемента Холла, размещенного в немагнитном зазоре дроссел  и подключен- ного управл ющими электродами через резистор к входным выводам регул тора, блок дифференцировани , вход которого соединен с выходом элемента Холла, формирователь импульсов, вход которого подключен к дополнительной обмотке дроссел , блок переключени , выполненный в виде транзисторной триггерной  чейки, соединенной выходной межколлекторной цепью с управл ющим входом блока силовых ключей, транзисторный вспомогательный ключ, эмиттер-коллекторный переход которого включен между выходами формировател  импульсов и управл ющими входами транзисторной триггерной  чейки, пороговый узел, включающий последовательно в цепь управлени  транзисторного вспомогательного ключа, отличающийс  тем, что.

   с целью повышени  точности регулировани  и надежности в работе, в него введены анализатор знака производной мощности, элемент И, датчик температуры, датчик освещенности , блок эталонных интервалов температуры, блок эталонных интервалов освещенности, два блока сравнени , матричный узел эталонной мощности и узел управлени , представл ющий собой микропроцессорный контроллер, а пороговый узел выполнен многоэлементным с переключаемыми порогами, причем вход анализатора знака производной мощности соединен с выходом блока дифференцировани , выход элемента Холла подключен к цепи управлени  транзисторного вспомогательного ключа через элемент И, другой вход которого соединен с выходом анализатора знака производной мощности, входы первого блока сравнени  подключены к выходам датчика температуры и блока эталонных интервалов температуры, входы второго блока сравнени  соединены с выходами датчика освещенности и блока эталонных интервалов освещенности, первый и второй входы матричного узла эталонной мощности подключены к выходам блоков сравнени , а выходы - к переключающим входам порогового узла, выходы блока управлени  соединены с входами блоков эта- лонных интервалов температуры и освещенности и с третьим входом матричного узла эталонной мощности.

   Фаг 2