Устройство для имитации секционированной солнечной батареи с общей шиной

Устройство для имитации секционированной солнечной батареи с общей шиной относится к электротехнике и может быть использовано для имитации вольт-амперных характеристик (ВАХ) солнечных батарей, используемых в качестве источника электроэнергии в наземных комплектах проверочной аппаратуры систем электроснабжения космических аппаратов. Задачей полезной модели является создание модульной системы имитации секционированной солнечной батареи с повышенной точностью воспроизведения требуемых ВАХ, с одновременным повышением КПД и улучшенными массогабаритными характеристиками. Поставленная задача решается тем, устройство содержит N ячеек-стабилизаторов тока, по числу секций имитатора солнечной батареи (ИБС), осуществляющих с помощью ШИМ-преобразования стабилизацию тока I_стаб Дросселя собственного выходного фильтра независимо от тока нагрузки, каждая ячейка-стабилизатор 4 содержит отсекающий диод 10, связанный с обводной цепью, соединяющей катод указанного отсекающего диода 10 с входным зажимом дросселя 5 ключевого стабилизатора тока, и состоящей из обводного ключа 14 и обводного диода 15, причем датчик тока нагрузки 17 в каждой ячейке связан посредством блока управления 16 с обводным ключом 14, а блок управления 16 регулирует интервал проводимости обводного ключа в функции отношения величины тока нагрузки к току стабилизации: общая точка соединения катодов всех отсекающих диодов 10 связана с источником напряжения U₀, величина которого задает горизонтальный участок вольт-амперной характеристики имитатора секционированной солнечной батареи, а отрицательная клемма источника U₀ является общей отрицательной клеммой всех ячеек для соединения с нагрузкой, и каждая из ячеек имеет свою клемму положительной полярности для соединения с нагрузкой. Источник напряжения U₀ выполнен в виде параллельно соединенных конденсатора 11 с зарядным 12 и разрядным 13 устройствами. Заявлено также выполнение зарядного 12 и разрядного 13 устройств для различных вариантов.

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для имитации вольт-амперных характеристик (ВАХ) солнечных батарей, используемых в качестве источника электроэнергии в наземных комплектах проверочной аппаратуры систем электроснабжения космических аппаратов.

Известен вторичный источник питания, со специальной формой ВАХ (см. А.С. СССР 828814), используемый как имитатор солнечных батарей, состоящий из ряда преобразовательных ячеек-стабилизаторов тока, соединенных по входу с выводами для подключения питания Un, а по выходу через развязывающие диоды с нагрузкой. Выходы всех преобразовательных ячеек зашунтированы транзисторами, причем базовый вывод одного транзистора соединен с выходом узла сравнения, к входным выводам которого подключены источник опорного напряжения, выход источника питания и выход включенного в цепь нагрузки датчика тока. Базовые выводы остальных транзисторов через компараторы соединены с выходом датчика тока нагрузки.

Недостатками такого источника являются низкие надежность и точность воспроизведения требуемых ВАХ из-за несовпадения значений выходных токов преобразовательных ячеек и порогов срабатывания компараторов.

Известен имитаторы солнечных батарей, состоящие из источника постоянного тока, шунтового линейного регулятора, датчика тока и функционального преобразователя, в которых обеспечивается получение вольт-амперных характеристик, близких к характеристикам солнечной батареи (патент США 3435328). Недостатком линейных регуляторов является их неэффективность в использовании электрической мощности, а также большой вес. Кроме того, их производительность может ухудшаться появлением паразитных колебаний на выходе.

Известен также вторичный источник питания (А.С. СССР 1579277), содержащий N ячеек-стабилизаторов тока, соединенных входами с выводами для подключения источника питающего напряжения, датчик тока нагрузки, узел сравнения опорного напряжения с суммарным значением напряжения на датчике тока и выходного напряжения, N транзисторов, N развязывающих диодов, N-1 компараторов и N-2 сумматоров.

Недостатком этого вторичного источника питания является низкая точность воспроизведения требуемых ВАХ из-за смещения координаты крутопадающего участка ВАХ при выходе из строя ячейки-стабилизатора тока какого-либо из питающих каналов или из-за того, что в случае выхода из строя ячейки первого питающего канала развязывающий диод закрыт и линейный регулятор отключен от выходных выводов источника.

Задачей полезной модели является создание модульной системы имитации секционированной солнечной батареи с повышенной точностью воспроизведения требуемых ВАХ, с одновременным повышением КПД и улучшенными массогабаритными характеристиками.

Поставленная задача в заявляемой полезной модели решается тем, что вторичный источник питания для имитации секционированной солнечной батареи, так же как и прототип, содержит входные «плюсовой» и «минусовой» зажимы, предназначенные для подключения к шинам источника питания постоянного тока, N ячеек-стабилизаторов тока, по числу секций имитатора солнечной батареи (ИБС), осуществляющих с помощью ШИМ-преобразования стабилизацию тока I_стаб дросселя собственного выходного фильтра независимо от тока нагрузки, а также выходные «плюсовой» и «минусовой» зажимы, предназначенные для подключения к нагрузке. В каждую ячейку-стабилизатор введено переменное сопротивление R_п, определяющее наклон участка напряжения вольтамперной характеристики, и шунтирующее выход ячейки сопротивление R _ш, определяющее наклон токового участка вольтамперной характеристики секции ИБС, а также датчик тока нагрузки. Каждая ячейка-стабилизатор содержит отсекающий диод, связанный с обводной цепью, соединяющей катод указанного отсекающего диода с входным зажимом дросселя ключевого стабилизатора тока, и состоящей из обводного ключа и обводного диода, причем датчик тока нагрузки в каждой ячейке связан посредством блока управления с обводным ключом, а блок управления регулирует интервал проводимости обводного ключа в функции отношения величины тока нагрузки к току стабилизации: общая точка соединения катодов всех отсекающих диодов связана с источником напряжения U₀, величина которого задает горизонтальный участок вольт-амперной характеристики имитатора секционированной солнечной батареи, а отрицательная клемма источника U₀ является общей отрицательной клеммой всех ячеек для соединения с нагрузкой, и каждая из ячеек имеет свою клемму положительной полярности для соединения с нагрузкой.

Источник напряжения U₀ выполнен в виде параллельно соединенных конденсатора с зарядным и разрядным устройствами.

Зарядное устройство выполнено в виде конвертора постоянного тока в постоянный ток или переменного тока в постоянный ток с функцией стабилизации U₀.

Источник питания постоянного тока для питания ячеек-стабилизаторов тока выполнен на основе сетевого выпрямителя с фильтром и общего входного конвертора постоянного тока с функцией стабилизации напряжения, причем выходное напряжение конвертора составляет 1,1-1,15 величины напряжения U₀.

В этом случае разрядное устройство выполнено в виде рекуперирующего преобразователя на базе повышающего преобразователя, который нагружен на фильтр входного конвертора, питающего ячейки-стабилизаторы.

Ячейки-стабилизаторы могут быть выполнены на основе индивидуальных конверторов постоянного тока с функцией стабилизации тока в каждой ячейке-стабилизаторе, питающихся от сетевого выпрямителя с фильтром.

В этом случае разрядное устройство выполнено в виде рекуперирующего преобразователя на базе повышающего преобразователя с согласующим конвертором, выход которого нагружен на общий фильтр выпрямителя, питающего конверторы стабилизаторов тока ячеек.

Принцип действия заявляемого устройства имитации секционированной солнечной батареи с общей шиной основан на преобразовании электроэнергии питающей сети с помощью промежуточных звеньев повышенной частоты в энергию постоянного тока на выходе имитатора, и формировании его ВАХ с улучшенными динамическими характеристиками Выполнение системы имитации в соответствии с заявляемой полезной моделью позволяет имитировать совместную или раздельную работу любого набора секций СБ, точно имитируя вольт-амперную характеристику солнечных батарей в различных условиях, таких как затемнение, старение и колебания температуры. При этом ток в каждой ячейке стабилизируется собственным ключевым стабилизатором, который обеспечивает постоянство тока на токовом участке ВАХ за счет параметрического перераспределения выходного тока ячейки и тока отсекающего диода при их заданной стабильной сумме, а ограничение выходного напряжения ИБС заданным стабильным уровнем на участке стабилизации напряжения вольтамперной характеристики ИБС обеспечивается за счет источника U₀, которым в схеме является конденсатор вместе с зарядным и разрядным устройствами.

Далее сущность заявляемого устройства объясняется с помощью рисунков, на которых представлена структурная схема многоканальной системы имитации секционированной солнечной батареи с общей шиной при питании от общего конвертора постоянного тока с функцией стабилизации напряжения (фиг.1), и при питании от индивидуальных конверторов постоянного тока с функцией стабилизации тока (фиг.2). На фиг.1 устройство для имитации секционированной солнечной батареи содержит общий сетевой выпрямитель 1 с фильтром 2 и общий входной конвертор DC/DC 3 с функцией стабилизации напряжения, и N секций ячеек-стабилизаторов 4₁-4_N. Каждая ячейка-стабилизатор 4 включает ключевой преобразователь с дросселем 5, датчиком тока обратной связи 6, связанным посредством блока управления 7 с ключом 8. В состав блока управления 7 входит ШИМ-преобразователь, и на управляющий вход блока управления подается напряжение уставки. В каждую ячейку-стабилизатор 4 введены резисторы R_П и R_Ш. Величиной резистора R_П задается наклон ВАХ на токовом участке. Резистор R_П задает наклон ВАХ на участке напряжения. Конденсатор 9 имитирует выходную емкость ячейки реальной солнечной батареи. В каждую ячейку введен отсекающий диод 10. Общая точка соединения катодов отсекающих диодов 10 всех ячеек связана с источником U₀, роль которого в данной схеме выполняет конденсатор 11 совместно с зарядным 12 и разрядным 13 устройствами. Зарядное устройство 12 в данном техническом решении выполнено в виде конвертора постоянного тока с функцией стабилизации U₀, а разрядное устройство 13 с функцией стабилизации U₀ - в виде рекуперирующего преобразователя, выполненного на базе повышающего преобразователя, выход которого нагружен на выходной фильтр 2 входного конвертора, питающего ячейки 4. Для снижения мощности, поступающей в источник U₀ (конденсатор 11) в режимах, когда I_нагр <I_стаб., общая точка соединения катода отсекающего диода 10 в каждой ячейке соединена через обводной ключ 14 и обводной диод 15 с «входным» зажимом дросселя 5 ключевого стабилизатора тока. Обводной ключ 14 управляется блоком управления 16, в зависимости от тока нагрузки, измеряемого датчиком тока 17 по закону где - коэффициент заполнения сигнала управления ключом 16.

На фиг.2 устройство для имитации секционированной солнечной батареи содержит общий сетевой выпрямитель 1 с фильтром 2 и индивидуальные конверторы постоянного тока 18₁ -18_N. На этой схеме датчик тока обратной связи 6 в каждой ячейке связан с блоком управления ключом индивидуального стабилизатора тока 18. Далее схема устройства аналогична схеме, представленной на фиг.1, за исключением того, что повышающий преобразователь 13, связан с согласующим конвертором 19, выход которого нагружен на общий входной фильтр 2 источника, питающего ячейки 4.

Устройство на фиг.1 работает следующим образом: При подаче напряжения питания в каждой ячейке начинает работать широтно-импульсный модулятор, включенный в состав блока управления 7 ячейки-стабилизатора тока 4, обеспечивая стабилизацию тока дросселя 5 независимо от тока нагрузки. Блок управления 7 вырабатывает сигналы управления и подает их на ключ 8, включая его с определенной частотой. Выходы всех ячеек-стабилизаторов тока через отсекающие диоды 10 с быстрым восстановлением связаны с источником U₀, выполненным в виде конденсатора 11, соединенного с общей отрицательной шиной ИБС для подключения нагрузки. Параллельно конденсатору 11 подключены зарядное устройство 12 и разрядное устройство 13 для стабилизации напряжения U ₀. При уменьшении сопротивления нагрузки от холостого хода до величины тока I_нагр=I_стаб, напряжение на нагрузке определяется U₀ и падением на отсекающих диодах 10 соответствующих ячеек. Причем ток дросселя 5 разделяется на 2 составляющие - одна составляющая течет через нагрузку, а вторая (представляющая собой разницу между стабильным током дросселя и током нагрузки) течет через отсекающий диод 10, заряжая конденсатор 11 на интервалах замкнутого состояния основного ключа 8 и разомкнутого состояния обводного ключа 14. А на интервалах замкнутого состояния ключа 14 и разомкнутого состояния ключа 8 эта составляющая тока дросселя течет через осекающий диод 10, обводной ключ 14, обводной диод 17, и далее на «входную» клемму дросселя 5, т.о. замыкая часть тока, равную (I_стаб-I_нагр ) по нулевому контуру, и препятствуя избыточному впрыску энергии в источник U₀ при сохранении и стабилизации тока I _стаб, при этом конденсатор 11 разряжается током I_нагр . Ключ 14 отпирается на интервалах паузы основного ключа 8 ячейки-стабилизатора. Относительная длительность открытого состояния ключа 14 регулируется по закону . На интервалах разомкнутого состояния обводного ключа 14 ток ячейки-стабилизатора 4 разделяется на две составляющие, одна течет через нагрузку, а другая составляющая заряжает конденсатор 11. В этой системе конденсатор 11 вместе с зарядным 12 и разрядным 13 устройствами является источником U₀ для всех ячеек, стабилизирующим напряжение ВАХ на участке напряжения. При этом резисторы R_П и R_Ш задают наклон ВАХ на участках регулирования напряжения и тока, соответственно. Для стабилизации напряжения на конденсаторе 11 до величины U ₀ используются зарядное устройство 12 и разрядное устройство 13. Зарядное устройство 12 постоянно поддерживает напряжение на конденсаторе 11, подзаряжая его. При изменении сопротивления нагрузки таком, что I_нагр<I_стаб, ток дросселя 5 равный I_стаб-I_нагр на интервале открытого состояния ключа 8 поступает на зарядку конденсатора 11. Для того чтобы сбросить излишний заряд конденсатора, включается разрядное устройство 13, представляющее собой рекуперирующий преобразователь, выполненный на базе повышающего преобразователя, выход которого нагружен на общий фильтр 2 источника, питающего ячейки 4 имитатора. Разрядное устройство 13 сбрасывает излишки мощности в фильтр 2 источника питания, обеспечивая при этом повышение КПД устройства. Таким образом, конденсатор 11 заряжается током (I_стаб-I_нагр) при замкнутом ключе 8 и разомкнутом ключе 14, а разряжается током I_нагр при разомкнутом ключе 8 и замкнутом ключе 14, и вместе с зарядным 12 и разрядным 13 устройствами обеспечивает стабилизацию выходного напряжения имитатора заданным стабильным уровнем U₀ на участке стабилизации напряжения ВАХ для всех ячеек. При этом напряжения уставки зарядного 12 и разрядного 13 устройств отличаются на некоторую постоянную величину U, для того, чтобы эти устройства не работали одновременно: Uуст.зу<Uуст.ру.

Устройство, показанное на Фиг.2 работает аналогичным образом, за исключением того, что сигнал с датчика тока 6 передается на блок управления ключевым элементом в составе индивидуального конвертора постоянного тока 18 соответствующей ячейки 4. Кроме того, повышающий преобразователь соединен с введенным согласующим конвертором постоянного тока 19, который нагружен на общий фильтр выпрямителя, питающего конверторы ячеек-стабилизаторов. В остальном работа устройства на фиг.2 ничем не отличается от работы устройства на фиг.1.

Таким образом, в указанном устройстве имитатора секционированной солнечной батареи ток на токовом участке ВАХ стабилизируется в каждой ячейке собственным ключевым стабилизатором тока, а напряжение на участке напряжения ВАХ стабилизируется с помощью общего для всех секций стабилизирующего блока, роль которого в данном устройстве выполняет конденсатор 11 относительно большой емкости, подключенный к общей точке соединения катодов отсекающих диодов 10 всех секций, вместе с зарядным 12 и разрядным 13 устройствами.

1. Устройство для имитации секционированной солнечной батареи с общей шиной, содержащее входные «плюсовой» и «минусовой» зажимы, предназначенные для подключения к шинам источника питания постоянного тока, N ячеек-стабилизаторов тока, по числу секций имитатора солнечной батареи (ИБС), осуществляющих с помощью ШИМ-преобразования стабилизацию тока I_стаб дросселя собственного выходного фильтра независимо от тока нагрузки, а также выходные «плюсовой» и «минусовой» зажимы, предназначенные для подключения к нагрузке, отличающееся тем, что в каждую ячейку-стабилизатор введено переменное сопротивление R_п, определяющее наклон участка напряжения вольтамперной характеристики, и шунтирующее выход ячейки сопротивление R_ш, определяющее наклон токового участка вольтамперной характеристики секции ИБС, а также датчик тока нагрузки, каждая ячейка-стабилизатор содержит отсекающий диод, связанный с обводной цепью, соединяющей катод указанного отсекающего диода с входным зажимом дросселя ключевого стабилизатора тока, и состоящей из обводного ключа и обводного диода, причем датчик тока нагрузки в каждой ячейке связан посредством блока управления с обводным ключом, а блок управления регулирует интервал проводимости обводного ключа в функции отношения величины тока нагрузки к току стабилизации: , общая точка соединения катодов всех отсекающих диодов связана с источником напряжения U₀, величина которого задает горизонтальный участок вольт-амперной характеристики имитатора секционированной солнечной батареи, а отрицательная клемма источника U₀ является общей отрицательной клеммой всех ячеек для соединения с нагрузкой, и каждая из ячеек имеет свою клемму положительной полярности для соединения с нагрузкой.

2. Устройство для имитации секционированной солнечной батареи по п.1, отличающееся тем, что источник напряжения U₀ выполнен в виде параллельно соединенных конденсатора и зарядного и разрядного устройств.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что источник питания постоянного тока для питания ячеек-стабилизаторов тока выполнен на основе сетевого выпрямителя с фильтром и общего входного конвертора постоянного тока с функцией стабилизации напряжения, причем выходное напряжение конвертора составляет 1,1-1,15 величины напряжения U₀.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что зарядное устройство выполнено в виде конвертора постоянного тока в постоянный ток или переменного тока в постоянный ток с функцией стабилизации U₀.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что разрядное устройство выполнено в виде рекуперирующего преобразователя на базе повышающего преобразователя, который нагружен на фильтр входного конвертора, питающего ячейки-стабилизаторы.

6. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что ячейки-стабилизаторы выполнены на основе индивидуальных конверторов постоянного тока с функцией стабилизации тока в каждой ячейке, питающихся от сетевого выпрямителя с фильтром.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что разрядное устройство выполнено в виде рекуперирующего преобразователя на базе повышающего преобразователя с согласующим конвертором, выход которого нагружен на общий фильтр выпрямителя, питающего конверторы стабилизаторов тока ячеек.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что зарядное устройство выполнено в виде конвертора постоянного тока, питающегося от фильтра сетевого выпрямителя.