устройство для регулирования избыточной мощности солнечной батареи

Формула изобретения

Устройство для регулирования избыточной мощности солнечной батареи, содержащее разделительный диод, включенный между одноименными полюсами солнечной батареи и выходными шинами для подключения нагрузки, транзисторы, подключенные параллельно солнечной батарее через предохранители, конденсатор, включенный параллельно выходным шинам для подключения нагрузки, и схему управления транзисторами, включающую усилитель рассогласования, предназначенный для сравнения выходного напряжения нагрузки с опорным напряжением упомянутого усилителя рассогласования, сигнал с выхода которого поступает на широтно-импульсный регулятор и через предварительный усилитель, предназначенный для принудительного открытия транзисторов, на базы транзисторов, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит схему гашения дугового разряда, включающую датчики высокого и низкого напряжения, входами связанные с солнечной батареей, а выходами подключенные к устройству совпадения, выход которого через устройство временной задержки связан с таймером, один из выходов которого подключен к входу указанного предварительного усилителя, другой выход таймера подключен к устройству временной задержки, выход которого связан со входом устройства совпадения, при этом входы синхронизации устройства временной задержки и таймера связаны с выходом широтно-импульсного регулятора.

Описание изобретения к патенту

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). Это устройство, принятое в качестве прототипа, состоящее из параллельно включенных по входу и выходу силовых модулей, содержит в каждом из силовых модулей, разделительный диод, включенный между одноименными полюсами СБ и нагрузки, конденсатор, включенный параллельно выходным шинам для подключения нагрузки, параллельно СБ через предохранители включены транзисторы, управляемые общей для всех модулей схемой управления в функции выходного напряжения.

Указанное устройство регулирует избыточную мощность СБ путем ее закорачивания на транзисторные ключи. При отказе в одном из модулей любого из транзисторов выгорает предохранитель, отключающий вышедший из строя транзистор, за счет чего обеспечивается высокая надежность указанного устройства.

К недостаткам известного устройства для регулирования избыточной мощности солнечной батареи можно отнести то, что при эксплуатации устройства в условиях вакуума и напряжениях солнечной батареи свыше 30-100 В, использовать предохранители, выпускаемые промышленностью, для отключения неисправного транзистора не представляется возможным, по причине возникновения коронного (дугового) разряда, не пропадающего в предохранителе после выгорания плавкой вставки.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого технического решения, является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности его надежной работы в условиях вакуума.

Поставленная задача решается тем, что устройство для регулирования избыточной мощности солнечной батареи, содержащее разделительный диод, включенный между одноименными полюсами солнечной батареи и выходными шинами для подключения нагрузки, транзисторы, подключенные параллельно солнечной батарее через предохранители, конденсатор, включенный параллельно выходным шинам для подключения нагрузки и схему управления транзисторами, включающую усилитель рассогласования, широтно-импульсный регулятор и предварительный усилитель, дополнительно содержит схему гашения дугового разряда, включающую датчики высокого и низкого напряжения, входами, связанные с солнечной батареей, а выходами подключенные к устройству совпадения, выход которого через устройство временной задержки связан с входом таймера, один из выходов которого подключен ко входу указанного предварительного усилителя, его другой выход подключен к устройству временной задержки, выход которого связан с входом устройства совпадения, при этом входы синхронизации устройства временной задержки и таймера связаны с выходом широтно-импульсного регулятора.

На фиг. 1 представлена схема устройства регулирования избыточной мощности СБ с устройством гашения дуги; на фиг. 2 представлена вольтамперная характеристика СБ; на фиг. 3 - временная диаграмма, поясняющая работу устройства со схемой гашения дуги.

Устройство содержит высоковольтную солнечную батарею (СБ) 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 нагрузки 8, транзисторы 3 и 4, включенные через предохранитель 5 и 6 параллельно СБ, конденсатор 7, включенный параллельно выходным шинам для подключения нагрузки 8 и общую для всех силовых модулей схему управления 9, состоящую из усилителя рассогласования 10, широтно-импульсного регулятора 11 и предварительного усилителя 12, схему гашения дуги 13, состоящую из двух датчиков высокого и низкого напряжения 14, 15, включенных через устройство совпадения 16, устройство временной задержки 17 и таймер 18 на вход предварительного усилителя 12.

Устройство работает следующим образом.

Поддержание стабильного выходного напряжения устройства на нагрузке 8 осуществляется регулированием избыточной мощности СБ путем закорачивания СБ на транзисторы 3, 4, которые перемещают рабочую точку на вольтамперной характеристике СБ (ВАХ СБ) из точки А в точку Г и обратно (см. фиг. 2). При этом стабилизация выходного напряжения происходит с использованием широтно-импульсной модуляции.

Управление транзисторами 3,4 осуществляет схема управления 9, посредством сравнения выходного напряжения на нагрузке 8 с опорным напряжением в усилителе рассогласования (УР) 10. Усиленный сигнал рассогласования с выхода УР 10 поступает на широтно-импульсный регулятор 11 и с через предварительный усилитель 12 в базу транзисторов 3, 4. Диод 2 предотвращает разряд конденсатора 7 через открытые транзисторы 3, 4.

Схема гашения дуги 13 работает следующим образом.

При отсутствии отказов транзисторов, в установившемся режиме, на входы датчиков высокого и низкого напряжения 14 и 15 поступают импульсы от солнечной батареи 1 (интервал t₀-t₂ на фиг. 3а) с амплитудой, изменяющейся от 0 В до 120 В. При этом импульсы "логического нуля" (0 В) датчик высокого напряжения 14 вырабатывает при амплитуде входного сигнала больше его опорного напряжения, которое соответствует точке Б на фиг. 2 (см. момент t₀ на фиг. 3а), 3б)), а датчик низкого напряжения 15 - при значении входного сигнала меньше его опорного напряжения, соответствующего точке В на фиг. 2 (см. момент t₁ на фиг. 3а), 3в)).

Таким образом, датчики высокого и низкого напряжения 14 и 15 в интервале t₀-t₂ (фиг. 3б), 3в)) формируют импульсные сигналы, которые в противофазе поступают на вход устройства совпадения 16, поэтому он находится в исходном состоянии (интервал t₀-t₂ на фиг. 3 г)). При этом устройство временной задержки 17 и таймер 18 не включаются и не оказывают влияние на работу транзисторов 3, 4 силовых модулей (интервал t₀-t₂ на фиг. 3д), 3е)).

При замыкании одного из транзисторов в любом силовом модуле (например в 1-ом) произойдет выгорание плавкой вставки предохранителя, защищающего вышедший из строя транзистор, и образование коронного (дугового) разряда между наконечниками предохранителя, которые и будут являться анодным и катодным пятном дуги соответственно.

При этом напряжение СБ 1 станет равно напряжению дуги U_д, которое определится из соотношения:

U_д = A + BL,

где A - сумма падений напряжений на анодном и катодном пятнах, равное 10 В;

B - напряжение дуги на 1 мм дины дуги, равное 2 В;

L - расстояние между пятнами (анод-катод), мм.

Например, предохранитель ВП1-2-5А-250 В имеет расстояние между наконечниками 10 мм, тогда напряжение дуги будет равно: U_д = 10 + 210 = 30 В.

Поскольку выходное напряжение устройства понизится и выйдет из зоны стабилизации, то схема управления 9 в момент t₃ (фиг. 3а)) закроет силовые транзисторы в силовых модулях и переведет устройство в режим трансляции напряжения СБ в нагрузку 8 через диод 2.

Таким образом, при возникновении дуги рабочая точка СБ будет находиться в "зоне наличия дуги" (интервал Б-В на ВАХ СБ фиг. 2). При этом на выходе датчиков высокого и низкого напряжения 14, 15 появятся сигналы "логической единицы" (t₃ на фиг. 3б), 3в)), т.к. в датчике высокого напряжения 14 значение входного сигнала станет меньше его опорного напряжения, определяемого точкой Б на фиг. 2, а в датчике низкого напряжения 15 входной сигнал станет больше его опорного напряжения, соответствующего точке В на фиг. 2. По сигналам с датчиков высокого и низкого напряжения 14, 15 сработает устройство совпадения 16 (t₃ фиг. 3г)) и запустит устройство временной задержки (УВЗ) 17. По истечении нескольких периодов тактовой частоты широтно-импульсного регулятора 11 УВЗ вырабатывает сигнал (t₄ фиг. 3д)), который удерживает устройство совпадения 16 в сработанном состоянии и оно не зависит от состояния датчиков высокого и низкого напряжения 14, 15, а также включает таймер 18 (t₄ фиг. 3е)), который через предварительный усилитель 12 принудительно открывает транзисторы 3, 4 во всех силовых модулях устройства, в результате чего рабочая точка СБ 1 переместится в точку Г (фиг. 2) на ВАХ СБ 1.

Поскольку напряжение СБ 1 становится равным нулю (t₄ фиг. 3а)), то дуга погаснет и предохранитель отключит от шин СБ 1 вышедший из строя транзистор. По истечении времени таймер 18 выключится (t₅ фиг. 3е)) и вернет в исходное состояние устройство временной задержки 17 и устройство совпадения 16 (t₅ фиг. 3г), 3д)) в результате чего устройство возвращается в исходное рабочее состояние, осуществляя стабилизацию выходного напряжения. При повторном возникновении дуги в любом из силовых модулей процесс повторится. Ширину "зоны наличия дуги" (интервал между точками Б и В на фиг. 2) целесообразно выбрать в диапазоне от 10 В до 70 В с тем, чтобы унифицировать схему гашения дуги, т.к. при использовании предохранителей другого типа значение U_д может изменяться в связи с изменением параметра L (см. формулу U_д).

Следует отметить, что разработка и производство предохранителей со специальными химическими наполнителями, способными гасить дуговой разряд в условиях вакуума и напряжениях свыше 30-100 В, трудоемки и требуют больших финансовых затрат.

Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность применения промышленных предохранителей при эксплуатации устройства в условиях вакуума за счет использования специальной схемы распознавания наличия дуги в сработавшем предохранителе и ее гашения.

В настоящее время на предприятии ТОО НПК "Космос-ЭНВО" изготовлены опытные образцы предлагаемого устройства.

Испытания подтвердили высокую работоспособность устройства.