Устройство для регулирования избыточной мощности солнечной батареи

 

Изобретение относится ко вторичным источникам электропитания и может быть использовано для питания радиоэлектронной аппаратуры при использовании в качестве первичного источника солнечной батареи (СБ). Технический результат - возможность ограничивать уровень выходного напряжения. Устройство для регулирования избыточной мощности СБ содержит разделительный диод, катод которого соединен с выходными шинами для подключения емкостного фильтра и нагрузки, одна из которых является общей минусовой шиной, силовые транзисторы, коллекторы которых через предохранители соединены с анодом разделительного диода и с клеммой для подключения положительного вывода солнечной батареи, а их имиттеры связаны с клеммой для подключения отрицательного вывода солнечной батареи и с общей выходной минусовой шиной, конденсатор и блок питания схемы управления, включенные параллельно выходным шинам, и общую для всех силовых модулей схему управления силовыми транзисторами, включающую усилитель рассогласования, состоящий из входного резистивного делителя, подключенного к выходным шинам, операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к средней точке входного резистивного делителя, последовательно включенных конденсатора и резистора в цепи обратной связи между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, балластный резистор, один вывод которого соединен с плюсовой шиной выходного напряжения блока питания, а другой вывод балластного резистора соединен с катодом стабилитрона опорного напряжения, анод которого соединен с минусовой шиной выходного напряжения блока питания, при этом сигнал с выхода операционного усилителя поступает на вход широтно-импульсного регулятора и через предварительный усилитель, предназначенный для принудительного открытия силовых транзисторов, на базы силовых транзисторов, дополнительно содержит введенную в усилитель рассогласования интегральную цепь, состоящую из резистора и конденсатора, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к общей точке соединения резистора и конденсатора интегральной цепи, другой вывод конденсатора интегральной цепи соединен с минусовой шиной выходного напряжения блока питания, а другой вывод резистора интегральной цепи подключен к общей точке соединения катода стабилитрона опорного напряжения и балластного резистора. Устройство также содержит пороговое устройство, получающее питание от блока питания схемы управления, при этом два входа порогового устройства подключены к выходным шинам, а его выход соединен со входом предварительного усилителя. 2 ил.

Изобретение относится ко вторичным источникам электропитания и может быть использовано для питания радиоэлектронной аппаратуры, при использовании в качестве первичного источника солнечной батареи (СБ).

Известно устройство для регулирования избыточной мощности СБ путем закорачивания СБ на транзисторный ключ, выполненный на параллельно включенных через предохранители транзисторах (РТ-50 по ЕИГА.435264.001-03). Это устройство, принятое в качестве прототипа, состоящее из параллельно включенных по входу и выходу силовых модулей, содержит в каждом из силовых модулей разделительный диод, катод которого соединен с выходными шинами для подключения емкостного фильтра и нагрузки, силовые транзисторы, коллекторы которых через предохранители соединены с анодом разделительного диода и с клеммой для подключения положительного вывода солнечной батареи, а их имиттеры связаны с клеммой для подключения отрицательного вывода солнечной батареи и с общей выходной минусовой шиной для подключения нагрузки, конденсатор и блок питания схемы управления, включенные параллельно выходным шинам для подключения нагрузки, и общую для всех силовых модулей схему управления транзисторами, включающую усилитель рассогласования, состоящий из входного резистивного делителя, подключенного к выходным шинам для подключения нагрузки, операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к средней точке входного резистивного делителя, последовательно включенных конденсатора и резистора в цепи обратной связи между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к катоду стабилитрона опорного напряжения и к первому выводу балластного резистора, второй вывод которого соединен с плюсовой шиной выходного напряжения блока питания, а анод стабилитрона опорного напряжения соединен с минусовой шиной выходного напряжения блока питания, при этом выход операционного усилителя через широтно-импульсный регулятор и предварительный усилитель соединен с базами силовых транзисторов.

Указанное устройство регулирует избыточную мощность СБ путем ее закорачивания на транзисторные ключи в функции выходного напряжения с использованием широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Кроме этого схема управления формирует еще два режима работы ключей: 1-й режим возникает при избытке мощности СБ и ключи открыты (режим КЗ), 2-й режим возникает при недостатке мощности СБ и ключи закрыты (режим трансляции).

К недостаткам известного устройства для регулирования избыточной мощности СБ (в дальнейшем устройство) можно отнести отсутствие ограничения уровня выходного напряжения в переходном процессе, возникающем при первом включении устройства от имитатора СБ (ИСБ) при наземных испытаниях в составе системы электроснабжения (СЭС), которое может превысить допустимую для нагрузки величину за счет того, что инерционность усилителя рассогласования обеспечивает задержку на включение устройства в режим стабилизации выходного напряжения и во время переходного процесса удерживает устройство в режиме трансляции, т. е. силовые ключи закрыты.

Это особенно опасно при высоковольтной СЭС, когда при номинальном значении выходного напряжения, равном 120 В, уровень его при переходном процессе в момент включения ИСБ может достигать 150-160 В.

Причины, вызывающие появление перенапряжений на выходных шинах нагрузки при первом включении ИСБ, следующие: 1) При включении ИСБ его напряжение поступает в выходные шины для подключения нагрузки через разделительные диоды всех силовых модулей устройства, т.к. силовые ключи закрыты, и начинает заряжать емкостный фильтр (Сф) (см. фиг.1).

При напряжении на Сф, достаточном для запуска блока питания (БП), БП включится и обеспечит напряжением питания схему управления.

Усилитель рассогласования (УР) после включения БП, сравнивая выходное напряжение на шинах нагрузки (U_Н), поделенное входным резистивным делителем, с опорным напряжением (U_ОПОР), установит выходное напряжение УР с уровнем +U_ПИТБП за счет того, что U_ОПОР растет всегда быстрее, чем напряжение на Сф, т.к. емкость фильтра составляет десятки тысяч микрофарад, а время нарастания U_ОПОР определяется временем выхода напряжений питания БП в установившийся режим.

Таким образом, при выходном напряжении УР, равном +U_ПИТ БП (УР насыщен), в устройстве всегда будет иметь место второй режим работы (трансляция), т.к. выходное напряжение УР через широтно-импульсный регулятор и предварительный усилитель закроет силовые транзисторы 3, 4.

2) Усилитель рассогласования УР представляет собой операционный усилитель разностного сигнала между U_ОПОР и U_Н, поделенным входным резистивным делителем, в цепи обратной связи которого для повышения точности поддержания U_H в СЭС включено "изодромное" RC звено с большой постоянной времени. Наличие большой емкости в "изодромном" звене принципиально важно для повышения устойчивости прибора в целом, обеспечивая тем самым наличие фазового сдвига "изодрома" только в области низких частот, т.е. его частотно-фазовая характеристика лежит в окрестности от 0,1 до 100 Гц и достигает минус 90^o при частоте, равной 1 Гц.

Таким образом, наличие большой емкости в "изодромном" звене, которая перезаряжается медленнее, чем изменяется напряжение на Сф за время переходного процесса при включении устройства, не позволяет перевести устройство из режима трансляции в режим ШИМ, т.е. стабилизации U_Н, что приводит к превышению U_Н максимально допустимого для нагрузки уровня в переходном процессе.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого технического решения, является обеспечение "мягкого" нарастания выходного напряжения устройства при его включении, для чего необходимо при подаче питания на вход устройства зафиксировать U_Н на выходных шинах для подключения нагрузки на таком уровне, который необходим для включения и работы БП на время выхода УР в режим стабилизации, и, плавно повышая уровень опорного напряжения, обеспечить "мягкий" выход напряжения U_Н на стабилизированное номинальное значение.

Поставленная задача решается тем, что устройство для регулирования избыточной мощности СБ, содержащее разделительный диод, катод которого соединен с выходными шинами для подключения емкостного фильтра и нагрузки, одна из которых является общей минусовой шиной, силовые транзисторы, коллекторы которых через предохранители соединены с анодом разделительного диода и с клеммой для подключения положительного вывода солнечной батареи, а их имиттеры связаны с клеммой для подключения отрицательного вывода солнечной батареи и с общей выходной минусовой шиной, конденсатор и блок питания схемы управления, включенные параллельно выходным шинам, и общую для всех силовых модулей схему управления силовыми транзисторами, включающую усилитель рассогласования, состоящий из входного резистивного делителя, подключенного к выходным шинам, операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к средней точке входного резистивного делителя, последовательно включенных конденсатора и резистора в цепи обратной связи между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, балластный резистор, один вывод которого соединен с плюсовой шиной выходного напряжения блока питания, а другой вывод балластного резистора соединен с катодом стабилитрона опорного напряжения, анод которого соединен с минусовой шиной выходного напряжения блока питания, при этом сигнал с выхода операционного усилителя поступает на вход широтно-импульсного регулятора и через предварительный усилитель, предназначенный для принудительного открытия силовых транзисторов, на базы силовых транзисторов, дополнительно содержит введенную в усилитель рассогласования интегральную цепь, состоящую из резистора и конденсатора, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к общей точке соединения резистора и конденсатора интегральной цепи, другой вывод конденсатора интегральной цепи соединен с минусовой шиной выходного напряжения блока питания, а другой вывод резистора интегральной цепи подключен к общей точке соединения катода стабилитрона опорного напряжения и балластного резистора, при этом устройство дополнительно содержит пороговое устройство, получающее питание от блока питания схемы управления, при этом два входа порогового устройства подключены к выходным шинам, а его выход соединен со входом предварительного усилителя.

На фиг.1 представлена схема устройства регулирования избыточной мощности СБ с "мягким" переходным процессом нарастания напряжения U_Н на выходных шинах нагрузки, на фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит высоковольтную СБ (или ИСБ) 1, параллельно включенные по входу и выходу силовые модули, в каждый из которых входят разделительный диод 2, включенный между одноименными полюсами СБ и выходными шинами для подключения емкостного фильтра 8 и нагрузки 9, силовые транзисторы 3 и 4, включенные через предохранители 5 и 6 параллельно СБ, конденсатор 7 и блок питания 10 схемы управления 11, включенные параллельно выходным шинам и общую для всех силовых модулей схему управления 11, в которую входят усилитель рассогласования УР 12, состоящий из входного резистивного делителя U_Н 14 и 17, интегральную цепь 20, состоящую из резистора 19 и конденсатора 18, стабилитрона опорного напряжения 21 и балластного резистора 22, операционного усилителя 13 с "изодромным" звеном 15 и 16 в цепи обратной связи, выход которого через широтно-импульсный регулятор 23 и первый вход предварительного усилителя 24 связан с базами силовых транзисторов 3 и 4 всех силовых модулей, при этом блок питания 10 обеспечивает питанием схему управления 11 и пороговое устройство 25, два входа которого подключены к выходным шинам нагрузки, а выход соединен со вторым входом предварительного усилителя 24.

Устройство работает следующим образом.

В установившемся режиме (см. момент t8-t9 на фиг.2а) поддержание стабильного выходного напряжения на нагрузке 9 осуществляется регулированием избыточной мощности СБ (или ИСБ) путем изменения длительности закорачивания СБ (ИСБ) на силовые транзисторы 3, 4. При этом стабилизация выходного напряжения U_Н происходит с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Управление силовыми транзисторами 3, 4 осуществляет схема управления 11 посредством сравнения выходного напряжения U_Н на нагрузке 9, поделенного входным резистивным делителем 14, 17 и поступающего на инвертирующий вход (U_-), с опорным напряжением на неинвертирующем входе (U₊) операционного усилителя 13. Усиленный сигнал рассогласования с выхода УР поступает на широтно-импульсный регулятор 23 и через первый вход предварительного усилителя 24 в базы силовых транзисторов 3, 4 всех силовых модулей. Диод 2 предотвращает разряд конденсатора 7, необходимого для подавления высокочастотных пульсаций U_Н, и емкостного фильтра 8 через открытые силовые транзисторы 3, 4.

Переходный процесс, происходящий при первом включении ИСБ в наземных условиях, показан на фиг.2 с момента t0-t8, где кривая 1 показывает изменения напряжений при работе устройства с зоной ШИМ-1, а кривая 2 - при работе устройства с зоной ШИМ-N, при этом - на фиг.2а показана временная диаграмма изменения выходного напряжения U_Н на нагрузке 9; - на фиг.2б - напряжения на инвертирующем входе, и на неинвертирующем входе, где U₊=U_ОПОР; - на фиг.2в - выходные импульсы, сформированные пороговым устройством 25 для управления через предварительный усилитель 24 силовыми транзисторами 3, 4; - на фиг.2г - изменения напряжения на выходе усилителя рассогласования (U_ВЫХ УР).

Рассмотрим работу устройства, у которого зона регулирования ШИМ находится в окрестности нулевого значения выходного напряжения УР, т.е. в зоне ШИМ-1 (см. фиг.2г). При этом, если U_ВЫХ УР имеет уровень выше зоны ШИМ-1, то через широтно-импульсный регулятор на первом входе предварительного усилителя установится сигнал, который закроет силовые транзисторы 3, 4, т.е. устройство находится в режиме трансляции. Если U_ВЫХ УР имеет уровень ниже зоны ШИМ-1, то в устройстве установится режим К3, т.е. силовые транзисторы 3, 4 открыты.

При включении ИСБ его напряжение в интервале t0-t1 (см. фиг.2а) поступает в силовые шины нагрузки 9 через разделительные диоды 2 всех силовых модулей, начинает заряжать конденсатор 7 и выходной емкостный фильтр 8, т.к. блок питания 10 выключен и силовые транзисторы 3, 4 закрыты.

В момент t1 уровень напряжения U_Н достигнет точки А на фиг.2а, блок питания 10 включится и обеспечит напряжением питания схему управления 11 и пороговое устройство 25, которое имеет гистерезисную характеристику на включение и отключение, при этом если U_Н равно или ниже уровня в точках В и Д (см. фиг. 2а, 2в в моменты t3, t5), то на его выходе сформируется сигнал "логическая единица", равный +U_ПИТ, что соответствует напряжению включения порогового устройства (U_ПОРОГ ВКЛ), если U_Н достигает или превышает уровень в точках Б, Г, Е (см. фиг.2а, 2в) в моменты t2, t4, t6, то на его выходе сформируется сигнал "логического нуля", равный 0 В, т.е. U_ПОРОГ ОТКЛ.

За счет того, что в момент t1 (см. фиг.2б) напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 13
больше, чем на неинвертирующем (U₊=U_ОПОР=0 В), выходное напряжение усилителя 13 установится в точку А с уровнем - U_ПИТ (см. фиг.2г), т.е. оно находится ниже уровня зоны ШИМ-1, а значит в регуляторе установится первый режим работы (КЗ).

Это напряжение поступит на вход широтно-импульсного регулятора, который на первом входе предварительного усилителя (ПУ) разрешает установить силовые транзисторы 3, 4 в открытое состояние, но сформированный пороговым устройством 25 в момент t1 (см. фиг.2в) сигнал "логической единицы" на входе 2 ПУ, который всегда превалирует над входом 1 ПУ, запретит открыть силовые транзисторы 3, 4 и они останутся в закрытом состоянии до тех пор, пока U_Н в интервале t1-t2 не достигнет точки Б (см. фиг.2а).

В момент t2 (см. точку Б фиг.2а, 2в) сработает пороговое устройство 25 и установит на входе 2 ПУ сигнал с уровнем "логического нуля", тем самым разрешая сигналу на входе 1 ПУ открыть силовые транзисторы 3, 4, которые закорачивают ИСБ, и напряжение U_Н на конденсаторах 7, 8 начнет уменьшаться с постоянной времени = СфR_Н до тех пор, пока U_Н в интервале t2-t3 не достигнет точки В (см. фиг.2).

В момент t3 (см. точку В фиг.2а, 2в) пороговое устройство 25 вновь установит на входе 2 ПУ сигнал с уровнем "логической единицы", силовые транзисторы 3, 4 принудительно закрываются и остаются в этом состоянии до тех пор, пока U_Н в интервале t3-t4 на фиг.2а не достигнет точки Г.

Далее процесс повторяется до тех пор, пока U_ОПОР усилителя 13, изменяющееся с постоянной времени _опор = C18R19, не достигнет точки Ж на фиг.2б, при этом напряжение на входе U_- будет равно напряжению входа U₊=U_ОПОР, а выходное напряжение операционного усилителя 13 войдет в зону ШИМ-1.

Таким образом, при первом включении ИСБ произойдет включение БП 10 и, за счет того что в операционном усилителе 13 напряжение на входе U_- больше входа U₊, на выходе УР устанавливается напряжение всегда ниже зоны ШИМ (точка А на фиг.2г), а на выходе широтно-импульсного регулятора 23 установится сигнал, разрешающий включение силовых транзисторов 3, 4, которые закорачивают ИСБ в точке Б на фиг.2а и уровень U_Н понижается, при этом пороговое устройство 25 предотвращает снижение U_Н до уровня отключения БП 10, принудительно блокируя разрешающий включение силовых транзисторов 3, 4 в точке В на фиг.2а сигнал с ПУ.

Медленное возрастание опорного напряжения на входе U₊ операционного усилителя 13 однозначно определяет характер изменения выходного напряжения усилителя 13: оно движется в сторону зоны ШИМ-1 к точке Ж на фиг.2г и при достижении точки Ж (в усилителе 13 будет выполнено равенство U_-=U₊ (см. фиг. 2б)) стабилизирует U_Н в соответствии с уровнем опорного напряжения, при этом U_Н будет иметь значение всегда выше U_ПОРОГ ВКЛ, при котором пороговое устройство 25 уже больше не сработает и U_Н начинает плавно возрастать в соответствии с ростом опорного напряжения до его установившегося значения, т.е. до номинального стабилизированного схемой управления 11 значения.

При одновременной работе нескольких устройств для регулирования избыточной мощности СБ, включенных параллельно на выходные шины нагрузки, их зоны ШИМ смещаются относительно друг друга и размещаются в области отрицательных значений выходного напряжения усилителя рассогласования 13, т.е. используется так называемое "зонное" регулирование U_Н в СЭС.

Это необходимо при регулировании избыточной мощности нескольких СБ для стабилизации U_Н при разной освещенности СБ и при изменении токов на выходных шинах для подключения нагрузки.

На фиг.2 показан вариант устройства, у которого зона ШИМ смещена в область отрицательного значения напряжения и имеет обозначение ШИМ-N, а изменения U_Н, U_- и U_ВЫХ УР происходят в соответствии с кривой 2.

В этом случае устройство работает следующим образом.

При первом включении ИСБ произойдет включение БП10 и, за счет того что на входах операционного усилителя 13 уровень входа U_- больше входа U₊, на выходе УР устанавливается напряжение всегда ниже зоны ШИМ-N (точка А на фиг. 2г в момент t1), a через широтно-импульсный регулятор на входе 1 ПУ установится сигнал, разрешающий включение транзисторов 3, 4, которые закорачивают ИСБ в точке Б (момент t2 на фиг.2а), и уровень _Н понижается до точки В (момент t3 фиг.2г).

Из временной диаграммы на фиг.2г видно, что в точке В выходное напряжение УР уже находится в зоне ШИМ-N, но поскольку между входами U_- и U₊ усилителя 13 сохраняется значительная разность напряжений, а емкость "изодромного" звена продолжает заряжаться, то в точке В величина коэффициента усиления операционного усилителя 13 еще не достаточна для удержания выходного напряжения усилителя 13 в зоне ШИМ-N, т.к.

U_ВЫХУР = -U_ВХt/_изодр
и эквивалентный коэффициент усиления УР будет определять отношение t/_изодр, где
U_ВХ=U_--U₊ в момент t_з;
t=t₃-t₀ - время заряда емкости "изодрома";
_изодр - постоянная времени "изодромного звена".

В точке Г выключается пороговое устройство 25, которое принудительно удерживало силовые транзисторы 3, 4 в закрытом состоянии в интервале t3-t4, на фиг. 2в, но U_Н продолжает возрастать в связи с тем, что выходное напряжение усилителя 13 вышло за пределы зоны ШИМ-N и установило в регуляторе второй режим (трансляции), т.е. на входе 1 ПУ установится сигнал, который закроет силовые транзисторы 3, 4.

В связи с тем что напряжение на емкости "изодромного" звена продолжает возрастать, растет также и коэффициент усиления разностного сигнала между входами U_- и U₊ операционного усилителя 13, при этом выходное напряжение усилителя 13 сначала плавно перестанет уменьшать свое значение по абсолютной величине, а затем начнет увеличиваться до тех пор, пока не войдет в зону ШИМ-N (см. точку И в момент t7 на фиг.2а, б, г, кривая 2).

Начиная с момента t7 УР будет удерживать свое выходное напряжение в зоне ШИМ-N за счет того, что "изодромное" звено будет постоянно сокращать разницу напряжений между входами U_- и U₊ операционного усилителя 13 за счет повышения коэффициента усиления и сведет ее к минимуму до равенства напряжений между входами U_- и U₊, после чего U_Н будет плавно возрастать до его установившегося номинального значения, которое определено уровнем опорного напряжения на входе U₊ операционного усилителя 13, и стабилизируется.

Предлагаемое изобретение позволяет обеспечить "мягкий" переходный процесс нарастания выходного напряжения устройства в момент включения имитатора солнечной батареи при наземных испытаниях системы электроснабжения, что исключает появление опасных перенапряжений на выходных шинах для подключения нагрузки.

В настоящее время на предприятии ООО НПК "Космос-ЭНВО" изготовлены опытные образцы предлагаемого устройства. Испытание подтвердили работоспособность устройства.

Список литературы
1. В.С. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988 г. - стр.93-97.

Формула изобретения

Устройство для регулирования избыточной мощности солнечной батареи, содержащее разделительный диод, катод которого соединен с выходными шинами для подключения емкостного фильтра и нагрузки, одна из которых является общей минусовой шиной, силовые транзисторы, коллекторы которых через предохранители соединены с анодом разделительного диода и с клеммой для подключения положительного вывода солнечной батареи, а их эмиттеры связаны с клеммой для подключения отрицательного вывода солнечной батареи и с общей выходной минусовой шиной, конденсатор и блок питания схемы управления, включенные параллельно выходным шинам, и общую для всех силовых модулей схему управления силовыми транзисторами, включающую усилитель рассогласования, состоящий из входного резистивного делителя, подключенного к выходным шинам, операционного усилителя, инвертирующий вход которого подключен к средней точке входного резистивного делителя, последовательно включенных конденсатора и резистора в цепи обратной связи между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя, балластный резистор, один вывод которого соединен с плюсовой шиной выходного напряжения блока питания, а другой вывод балластного резистора соединен с катодом стабилитрона опорного напряжения, анод которого соединен с минусовой шиной выходного напряжения блока питания, при этом сигнал с выхода операционного усилителя поступает на вход широтно-импульсного регулятора и через предварительный усилитель, предназначенный для принудительного открытия силовых транзисторов, поступает на базы силовых транзисторов, отличающееся тем, что в усилитель рассогласования дополнительно введена интегральная цепь, состоящая из резистора и конденсатора, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к общей точке соединения резистора и конденсатора интегральной цепи, другой вывод конденсатора интегральной цепи соединен с минусовой шиной выходного напряжения блока питания, а другой вывод резистора интегральной цепи подключен к общей точке соединения катода стабилитрона опорного напряжения и балластного резистора, при этом в устройство дополнительно введено пороговое устройство, получающее питание от блока питания схемы управления, при этом два входа порогового устройства подключены к выходным шинам, а его выход соединен со входом предварительного усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2