ЭКСТРЕМАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ

ЭКСТРЕМАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ


RU (11) 2117983 (13) C1

(51) 6 G05F1/66 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 1998.08.20 
(21) Регистрационный номер заявки: 96113968/09 
(22) Дата подачи заявки: 1996.07.11 
(45) Опубликовано: 1998.08.20 
(56) Аналоги изобретения: Веденеев Г.М. и др. Статический экстремальный регулятор мощности для автономной системы электроснабжения /Сб. Повышение эффективности устройств преобразования техники, ч.2. - Киев, Наукова думка, 1972, с.354 - 358. SU, авторское свидетельство, 1749893, кл. G 05 F 1/66, 1992. SU, авторское свидетельство, 1408435, кл. G 05 F 1/66, 1989. 
(71) Имя заявителя: Товарищество с ограниченной ответственностью "Гелион" 
(72) Имя изобретателя: Карабанов С.М.; Симкин В.В. 
(73) Имя патентообладателя: Товарищество с ограниченной ответственностью "Гелион" 

(54) ЭКСТРЕМАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ 

Сущность: экстремальный регулятор мощности, предназначенный для применения в автономных системах электроснабжения с нерегулируемым первичным источником постоянного тока ограниченной мощности, позволяет существенно снизить аппаратные затраты на его реализацию и улучшить удельные энергетические характеристики. Для этого в устройство, содержащее блок силовых ключей и последовательно соединенные источник питания со своим внутренним сопротивлением, обмотку дросселя, блок обратных диодов и нагрузку, дополнительно введена цепь положительной обратной связи, состоящая из двух последовательно соединенных резисторов и включенная между общей шиной и выводом общим для обмотки дросселя, блоки силовых ключей и блока обратных диодов. Введены также транзистор-усилитель и транзистор-нелинейное сопротивление, коллекторы которых подключены к управляющему входу блока силовых ключей, а базы - к общему выводу сопротивлений, являющемуся выходом цепи положительной обратной связи. Эмиттер транзистора-усилителя подключен к выходному сопротивлению источника питания, и эмиттер транзистора-нелинейного сопротивления - к общей шине. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Предлагаемое изобретение относится к системам электропитания постоянного тока и может быть использовано при реализации автономных систем электроснабжения с нерегулируемыми первичными источниками постоянного тока ограниченной мощности, например, с солнечными батареями (СБ).

Известен импульсный регулятор мощности автономных систем электроснабжения, предназначенный для повышения коэффициента использования СБ путем автоматической настройки на режим работы в точке максимальной мощности СБ [1].

Однако этот регулятор сложен в изготовлении, имеет низкую надежность, требует больших аппаратных и энергетических затрат.

Введение в регулятор мощности дополнительно датчиков температуры и освещенности, как это сделано в устройстве [2], позволяет повысить точность регулирования, однако при этом еще более увеличивает аппаратные и энергетические затраты.

Наиболее близким по технической сущности к рассматриваемому устройству является экстремальный регулятор мощности [3] , в состав которого входит силовой канал, состоящий из основной обмотки дросселя, блока обратных диодов и блоки силовых ключей, а также канал регулирования, включающий в себя датчик Холла, формирователь импульсов в виде параметрического стабилизатора переменного напряжения с дополнительной обмоткой дросселя, преобразователь информации, транзисторный ключ, пороговый элемент на стабилитроне, параллельную RC-цепь и набор резисторов.

При выбранном схемном построении регуляторов величина мощности, поступающей от первичного источника питания в нагрузку, колеблется в окрестности своего максимума.

Большие аппаратные и энергетические затраты в данном устройстве связаны с использованием в нем датчика Холла, размещаемого в немагнитном зазоре дросселя, формирователя импульсов, преобразователя информации, порогового элемента, RC-цепи, диодных и резистивных цепей.

Сущность предлагаемого изобретения: устройство содержит источник питания 1 постоянного тока с внутренним сопротивлением 2, нагрузку 3, блок силовых ключей 4, дроссель 5, блок обратных диодов 6, транзистор-усилитель 7, транзистор-нелинейное сопротивление 8, резисторы 9, 10. Такое построение регулятора мощности позволяет существенно уменьшить аппаратные затраты при его построении и улучшить его удельные энергетические характеристики. Это обеспечивается за счет использования элементов силового канала в качестве элементов канала регулирования; за счет использования интегрирующих и дифференцирующих свойств LR-цепи, состоящей из индуктивности дросселя и внутреннего сопротивления первичного источника питания; за счет исключения из устройства транзистора, сильноточных цепей со стабилитронами, диодами и резисторами, а также дорогостоящих трансформаторов и датчика Холла. Вместо всех этих элементов в устройство дополнительно введено два транзистора 7, 8, работающих в импульсном режиме малых токов и резистивная высокоомная (общее сопротивление 40 кОм) цепь обратной связи из сопротивлений 9, 10.

На фиг. 1 изображена электрическая схема предлагаемого экстремального регулятора мощности, на фиг.2 - диаграммы, поясняющие его работу.

Регулятор мощности содержит источник питания 1 с внутренним сопротивлением 2 (условно выделено на схеме в виде отдельного элемента), нагрузку 3, блок силовых ключей 4, дроссель 5, блок обратных диодов 6, транзистор-усилитель 7, транзистор-нелинейное сопротивление 8, резисторы 9, 10.

Внутреннее сопротивление 2 совместно с дросселем 5 входит в состав времязадающей RL-цепи мультивибратора с интегрирующим контуром, который питается от источника 1 и работает в автоколебательном режиме. Кроме блоков 2 и 5 в состав мультивибратора входят блоки 4, 7, 8, сопротивления 9 и 10.

Условно мультивибратор можно считать каналом регулирования. При этом некоторые элементы его входят в состав силового канала, включающего в себя внутреннее сопротивление 2, блок силовых ключей 4, дроссель 5, блок обратных диодов 6.

Блоки транзисторов 4, 7, 8 совместно с сопротивлением 2 и дросселем 5 образуют усилитель постоянного тока, охваченный с помощью резистивного делителя из сопротивлений 9, 10 положительной обратной связью (ПОС). Убедиться в этом можно на следующем примере: при возрастании напряжения в точке "с" (фиг. 1) транзистор 7, работая как усилительный каскад в схеме с общим эмиттером, начинает закрываться, а транзистор 8 - открываться. Транзистор 8 играет роль нелинейной нагрузки транзисторного каскада 7. Напряжение на коллекторах этих транзисторов понижается, что приводит к закрыванию транзистора 4 и к увеличению напряжения на его коллекторе (точка "б"). В итоге напряжение в точке "с" еще больше возрастает.

Аналогично снижение напряжения в точке "с" приводит к понижению напряжения на коллекторе транзистора 4 (точка "б"), что еще более снижает напряжение в точке "с".

Следовательно, условно можно считать вход "с" неинвертирующим входом усилителя с выходом в точке "б", а делитель напряжения на сопротивлениях 9, 10 - цепью ПОС.

Если в качестве второго входа усилителя рассматривать вход "а", то можно заметить, что увеличение напряжения в точке "а" (Ua) приводит к открыванию транзисторов 4, 7. А за счет цепи обратной связи 9, 10 это обеспечивает закрывание транзистора 8. В итоге напряжение на выходе усилителя (точка "б") убывает.

И, наоборот, снижение величины Ua приводит к увеличению напряжения на выходе усилителя.

Вход "a" условно можно считать инвертирующим входом усилителя, реагирующим на переменную составляющую напряжения в этой точке, так как сопротивление дросселя 5 проявляется только на переменном токе.

Рассматриваемый усилитель в совокупности с цепью ПОС образует гистерезисный компаратор, формирующий неоднозначную характеристику "вход-выход" и сравнивающий два напряжения Ua и Uc, где Uc - напряжение в точке "c". Если Uc < Ua, то выходное напряжение компаратора (в точке "б") мало и определяется падением напряжения U0 на открытом транзисторе 4. Блок обратных диодов 6 при этом закрыт.

Если же Uc > Ua, то на выходе компаратора устанавливается высокий уровень напряжения U1 , близкий по своему значению к напряжению на нагрузке 3, так как блок обратных диодов при этом оказывается открытым.

Величина напряжения Uc определяется произведением

Uc= U

где

- коэффициент передачи цепи обратной связи из сопротивлений 9, 10 выбирается таким образом, чтобы, с одной стороны, величина U1 была несколько больше того напряжения СБ, при котором обеспечивается режим максимальной передачи мощности в нагрузку, а с другой стороны, чтобы произведение U1 не превышало максимально возможное значение напряжения на выходе СБ.

Рассмотрим работу устройства. Предполагаем, что в момент времени tl (фиг.2) устанавливается режим работы, при котором Uc > Ua и транзисторы 7, 4 переходят из открытого состояния в закрытое - на выходе компаратора устанавливается высокий уровень напряжения U1 (фиг.2б). Напряжение на выходе интегрирующей RL-цепи (точка "a", фиг.1) начинает возрастать, асимптотически стремясь к значению U1 , однако в момент времени t2 оно начинает превышать напряжение Uc= U1. Транзистор 7 начинает открываться совместно с транзистором 4. За счет цепи ПОС транзистор 8 закрывается, а транзистор 7 еще более открывается. Развивается лавинообразный процесс, в результате которого транзистор 4 быстро переводится в режим насыщения, напряжение на его коллекторе падает до величины U0. , а в точке "с" - до величины U0.

Ток дросселя 5 начинает возрастать - напряжение на выходе интегрирующего контура падает, асимптотически стремясь к значению U0 . Но в некоторый момент времени t3 оно становится меньше значения Uc= U0 (Ua < Uc) - компаратор изменяет свое состояние, и весь процесс повторяется. В системе возникают периодические колебания.

Напряжение в точке "а" (фиг.1) задает положение рабочей точке СБ на ее выходной вольт-амперной характеристике (BAX). А в соответствии с принципом действия мультивибратора напряжение Ua в момент коммутации совпадает с величиной напряжения Uc, которое в свою очередь составляет произведение Uc= U1.

Величина , как уже отмечалось, выбирается таким образом, чтобы рабочая точка СБ в момент коммутации оказывалась бы несколько выше точки максимальной отдачи мощности в нагрузку, то есть точки максимального перегиба BAX источника питания.

Замыкание блока ключей 4, кроме того, приводит к появлению тока источника 1, который протекает от положительного полюса к отрицательному через внутреннее сопротивление 2 и дроссель 5. При этом ток дросселя 5 начинает возрастать во времени, что обуславливает увеличение падения напряжения на внутреннем сопротивлении 2 источника - рабочая точка СБ смещается вниз по ее BAX. Начинается процесс ограничения выходного тока источника питания за счет увеличения тока нагрузки.

Рабочая точка СБ проходит по BAX точку максимального отбора мощности и в соответствии с принципом действия мультивибратора достигает значения U0 - блок ключей 4 закрывается и компаратор изменяет свое состояние, обеспечивая на выходе (в точке "б") напряжение U1. Противо-ЭДС индуктивности дросселя 5 резко возрастает и, суммируясь с напряжением источника 1, открывает блок обратных диодов 6. Индуктивность начинает расходовать накопленный заряд, отдавая ток в нагрузку. По мере спада напряжения противо-ЭДС возрастает напряжение Ua на выходе источника. Рабочая точка СБ смещается вверх по BAX до тех пор, пока начнет выполняться неравенство Ua>U1. То есть рабочая точка вновь проходит по BAX точку максимального отбора мощности.

Таким образом, периодические колебания мультивибратора обусловливают колебания рабочей точки СБ в окрестности точки максимального перегиба BAX. При этом как результат изменения выходного тока и напряжения источника питания l изменяется и выходная мощность источника в области ее максимального значения. Диапазон изменения выходной мощности задается величиной коэффициента передачи цепи обратной связи.

Достаточно четкому выделению точки максимального перегиба BAX источника питания 1 способствует то обстоятельство, что по отношению к источнику 1 рассматриваемая RL-цепь является дифференцирующей цепью. И всякое изменение тока JL источника (блоки 1, 2) вызывает пропорциональное изменение напряжение на индуктивности L дросселя 5 (то есть в точке "a"):



В рассматриваемом экстремальном регуляторе мощности оптимальный режим работы сочетается с простотой конструкции, не требующей применения трансформаторов, датчика Холла и сильноточных цепей со стабилитронами, и предопределяет минимальные затраты мощности на обеспечение необходимого режима работы. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Экстремальный регулятор мощности, содержащий блок силовых ключей и последовательно соединенные источник питания со своим внутренним сопротивлением, обмотку дросселя, блок обратных диодов и нагрузку, причем другими своими выводами источник питания и нагрузка подключены к общей шине, а блок силовых ключей включен между общей шиной и выводом, общим для обмотки дросселя и блока обратных диодов, отличающийся тем, что в него введена цепь положительной обратной связи, состоящая из двух последовательно соединенных резисторов и включенная между общей шиной и выводом, общим для обмотки дросселя, блока силовых ключей и блока обратных диодов, а также транзистор-усилитель и транзистор-нелинейное сопротивление, коллекторы которых подключены к управляющему входу блока силовых ключей, а базы подсоединены к общему выводу резисторов, являющемуся выходом цепи положительной обратной связи, эмиттер транзистора-усилителя подсоединен к выводу, общему для внутреннего сопротивления источника питания и обмотки дросселя, а эмиттер транзистора-нелинейного сопротивления подключен к общей шине.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru