устройство управления полупроводниковыми преобразователями в системах электропитания

Формула изобретения

Устройство управления полупроводниковыми преобразователями, работающими поочередно в системе электропитания, содержащее блоки управления по числу преобразователей, каждый из которых содержит источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к входу устройства управления, а выход соединен с входом усилителя сигнала ошибки, выход которого связан с первым входом модулятора, второй вход которого подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, а выход модулятора является выходом устройства, предназначенным для подключения к входу управления соответствующего преобразователя, отличающееся тем, что к выходу каждого усилителя сигнала ошибки подключено соответствующее устройство, ограничивающее диапазон изменения выходного напряжения усилителя сигнала ошибки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах управления полупроводниковыми преобразователями, работающими поочередно, например, в системах электропитания (СЭП), содержащих первичный источник и накопитель энергии, использующийся для питания нагрузки в пиковых режимах.

Известно устройство управления (фиг. 1), применяемое в системах электропитания для управления преобразователями, содержащее источник опорного напряжения (U_оп.)1, сумматор 2, усилитель сигнала ошибок (УСО) 3, модулятор 4 и генератор пилоообразного напряжения (ГПН) 5 [1, 2].

На фиг. 2 приведен пример системы электропитания с полупроводниковыми преобразователями, управляемыми подобными устройствами. Система содержит три блока управления 6, 7, 8, выходы которых подключены к управляющим входам полупроводниковых преобразователей, являющихся регулирующими устройствами СЭП, регулятору напряжения 9, зарядному 10 и разрядному 11 устройствам. В качестве первичного источника в СЭП используется фотоэлектрическая батарея 12, в качестве накопителя энергии - аккумуляторная батарея 13. Стабилизацию напряжения на нагрузке осуществляют регулятор напряжения, зарядное и разрядное устройства. Блоки управления обеспечивают широтно-импульсный режим работы этих полупроводниковых преобразователей.

Сигнал обратной связи по напряжению поступает на первый вход сумматора, ко второму входу которого подключен источник опорного напряжения (ИОН - U_ион1, U_ион2, U_ион3).

Сигнал разности (U_вых - U_оп),усиленный усилителем УСО, поступает на вход модулятора, к второму входу которого подключен выход генератора пилообразного напряжения. На выходе модулятора присутствует широтно-модулированный сигнал, предназначенный для управления преобразователями системы.

Для обеспечения работоспособности СЭП и поддержания стабилизированного напряжения на ее выходе необходимо обеспечить последовательную работу трех регулирующих устройств-преобразователей: РН, ЗУ и РУ.

Для этого входы блоков управления подключаются к выходной шине СЭП (U_вых СЭП). Требуемая последовательность функционирования преобразователей РН, ЗУ и РУ обеспечивается выбором рабочих областей для каждого из трех блоков управления с помощью индивидуальных источников опорного напряжения.

Принцип работы СЭП поясняется на фиг. 3.

При избытке мощности фотоэлектрической батареи (БФ) и необходимости заряда аккумуляторной батареи (АБ) стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется ЗУ (режим ЗУ). Преобразователи РН и РУ при этом включены, но не работают (силовые ключи закрыты). При полностью заряженной АБ ЗУ выключается. В этом случае и в случае, если мощности БФ не достаточно для одновременного обеспечения нагрузки и заряда АБ, стабилизацию напряжения нагрузки осуществляет РН (режим РН). В случае, если мощности нагрузки больше мощности, генерируемой БФ, или при отсутствии последней (при затенении БФ), напряжение на выходе СЭП понижается, переходит в диапазон регулирования РУ, РУ стабилизирует напряжение на нагрузке (режим РУ).

Недостатком данного устройства управления является большое время отработки применения входного напряжения при включении в работу преобразователя, управляемого этим устройством.

В системе электропитания это приводит к большой длительности переходных процессов и, следовательно, к большим выбросам напряжения на выходе системы при изменении режимов работы СЭП, например, при переходах из режима ЗУ в режим РН, из режима РН в режим РУ и т.д.

Это вызвано тем, что усилитель сигнала ошибки каждого блока управления (РН, РУ и ЗУ) находится в активной рабочей области (соответствующей размаху напряжения генератора пилообразного напряжения) только в случае, если выходное напряжение СЭП находится в диапазоне регулирования соответствующего блока (U_рн, U_рз, U_зу).

Вне рабочей области усилитель УСО находится в насыщении либо при низком, либо при высоком уровне выходного сигнала (U_{вых.насыщ}).

Таким образом, при переходе из одного режима в другой (например, РУ РН, фиг. 4) длительность переходного процесса имеет три составляющие: t₁ - время выхода усилителя УСО из насыщенного состояния; t₂ - время перехода выходного напряжения усилителя от величины U_вых.max до рабочего диапазона; t₃ - время переходного процесса в рабочем диапазоне выходного напряжения УСО (U_вых. УСО).

Изобретение решает задачу уменьшения времени отработки изменений входного напряжения блока управления, что позволяет в системе электропитания, содержащей поочередно включающиеся в работу полупроводниковые преобразователи, уменьшить длительность переходных процессов и амплитуду выбросов выходного напряжения системы при изменении режимов ее работы.

Эта задача решается за счет введения дополнительного устройства, ограничивающего диапазон изменения выходного напряжения усилителя сигнала ошибки.

Структурная схема одного из блоков управления предлагаемого устройства управления приведена на фиг. 5.

Блок управления содержит источник опорного напряжения 1, соединенный с первым входом сумматора 2, второй вход которого является входом устройства, выход сумматора связан с входом усилителя сигнала ошибки (УСО) 3, выход которого соединяется с первым входом модулятора 4, второй вход которого подключен к генератору пилообразного напряжения 5, а выход является выходом устройства. К выходу усилителя сигнала ошибки подключено устройство ограничения диапазона изменения выходного напряжения 14.

На фиг. 6 приведен пример практической реализации предлагаемого устройства. Здесь в качестве устройства ограничения диапазона изменения выходного напряжения УСО используются две цепи из последовательно включенных диодов VD2. . .VD5, включенные параллельно усилителю УСО, то есть операционный усилитель A1 включен по схеме усилителя-ограничителя.

Выходное напряжение УСО необходимо ограничивать на уровне, незначительно превышающем амплитуду напряжения пилообразной формы ГПН (U_ГПН). В зависимости от этой величины выбирается количество последовательно включенных диодов.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Устройство управления обеспечивает широтно-импульсный режим работы полупроводниковых преобразователей. В установившемся режиме работы системы электропитания один из полупроводниковых преобразователей РН, ЗУ или РУ работает в активной области. Выходное напряжение УСО соответствующего блока управления находится в диапазоне пилоообразного напряжения ГПН. При этом вследствие наличия устройств ограничения диапазона изменения выходного напряжения усилители УСО в других блоках управления не находятся в режиме насыщения.

Выходное напряжение этих двух усилителей ограничено на уровне U_доп, незначительно превышающем рабочий диапазон УСО (т.е. амплитуду напряжения ГПН). При изменении режимов работы системы электропитания работающий преобразователь выключается, включается в работу другой преобразователь. Вследствие того, что усилитель УСО этого преобразователя не находится в насыщении, длительность переходного процесса и как следствие амплитуда выбросов выходного напряжения системы уменьшаются.

Из времени переходного процесса при изменении режимов работы СЭП исключена составляющая t₁ и значительно уменьшена составляющая t₂ (фиг. 7).

Таким образом введение устройства ограничения диапазона изменения выходного напряжения усилителя сигнала ошибки позволяет уменьшить время отработки изменения входного напряжения устройства управления при переходных процессах.