Способ управления импульсным силовым преобразователем в режиме среднего тока
METHOD FOR CONTROLLING A PULSED POWER CONVERTER IN MEDIUM CURRENT MODE

Предполагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно: к области преобразовательной электротехники, в частности, к способам управления импульсными силовыми преобразователями, а именно: к способам управления преобразователем напряжения понижающего и повышающего типа, и может найти применение в способах организации электропитания разных устройств во многих областях техники, например, в способах организации заряда аккумуляторной батареи на борту летательного аппарата с гибридной силовой установкой посредством мощных импульсных силовых преобразователей понижающего и повышающего типа по контролируемым напряжению и току, а также в способах организации вторичного электропитания оборудования и функциональной аппаратуры летательных аппаратов со стабилизированными напряжением и предельным значением тока в нагрузке.
Решением проблемы повышения уровней загрязнения окружающей среды и шума и вибраций вследствие увеличения количества авиаперевозок может стать по аналогии с автомобилями замена традиционных летательных аппаратов с двигателем внутреннего сгорания на полностью электрические или частично электрические, гибридные летательные аппараты. Среди прочего проблема создания таких летательных аппаратов обусловлена разработкой силовых установок небольшого веса и габаритов с высоким КПД и оптимальным распределением и использованием энергии на борту летательных аппаратов.
Энергия, необходимая для полета, может запасаться в суперконденсаторах, топливных элементах и литиевых батареях, которые характеризуются плотностью энергии, удельной мощностью, сроком службы и стоимостью.
Суперконденсаторы обладают высокой удельной мощностью и обеспечивают длительный срок службы с высоким КПД, а также быструю зарядку/разрядку [1, 2], и могут работать в широком диапазоне температур. Их главный недостаток - высокая стоимость и большой вес при меньшей удельной энергии по сравнению с аккумуляторными батареями. Поэтому суперконденсаторы используются там, где требуется несколько циклов или когда нет альтернативных технических решений из-за необходимости их работы при экстремальных рабочих температурах.
В отличие от аккумуляторной батареи, топливный элемент непрерывно вырабатывает электричество. Топливные элементы могут достигать плотности мощности более 1000 Вт/кг [3]. Использование топливных элементов позволяет перераспределять тягу, что положительно сказывается на аэродинамической эффективности летательных аппаратов. Кроме того, многофункциональная интеграция водородного топливного элемента в летательный аппарат позволяет использовать такие побочные продукты, как вода, тепло или обедненный кислород для обеспечения таких жизненно важных процессов, как борьба с обледенением, кондиционирование, водоснабжение [4]. Однако, для функционирования топливных элементов необходимы резервуары для водорода, система для управления отводом тепла, что существенно влияет на массу этого источника энергии, и также сказывается на эффективности его использования на борту летательных аппаратов [5].
Литиевые аккумуляторные батареи обладают высокой плотностью энергии, малым весом, могут быть достаточно компактными и эргономичными. Их основным преимуществом по сравнению с топливными элементами является возможность зарядки во время полета. Кроме того, их можно подключать последовательно и параллельно для увеличения рабочего напряжения и/или тока. Однако очень важно правильно управлять работой аккумуляторов и состоянием их заряда на борту электрического самолета. Особое внимание следует уделять циклам зарядки и разрядки аккумулятора. Неправильная работа аккумуляторных батарей, их перегрузка, повреждение или короткое замыкание могут стать причиной возгорания. Для обеспечения правильных режимов заряда литиевых батарей необходим оптимально работающий силовой преобразователь с точным контролем тока и напряжения заряда в процессе зарядки [4-9].
Комбинированный (понижающе-повышающий) преобразователь представляет собой тип преобразователя постоянного тока, имеющего величину выходного напряжения больше или меньше, чем величина входного напряжения. Другими словами, комбинированный преобразователь включает функциональные возможности понижающего преобразователя, так и функциональные возможности повышающего преобразователя.
Известен способ управления преобразователем напряжения, содержащий этапы, на которых дискретизируют входное напряжение, выходное напряжение, входной ток и выходной ток преобразователя напряжения, который включает схему понижения напряжения, включающую первый набор переключателей, содержащий первые переключатели, и схему повышения напряжения, включающую второй набор переключателей, содержащий вторые переключатели, где второй набор переключателей отделен и может управляться независимо от первого набора переключателей, при этом, когда входное напряжение больше, чем сумма выходного напряжения и первого фиксированного напряжения, которое больше или равно нулю вольт, управляют подачей питания от преобразователя напряжения на нагрузку путем управления операциями переключения первых переключателей, использующих соответствующие сигналы управления с широтно-импульсной модуляцией, соответственно, и путем выключения второго набора переключателей, а, когда входное напряжение меньше, чем выходное напряжение, управляют подачей питания от преобразователя напряжения на нагрузку путем управления операциями переключения вторых переключателей, использующих соответствующие сигналы управления с широтно-импульсной модуляцией, соответственно, и путем выключения первого набора переключателей [10].
К недостаткам известного способа управления преобразователем можно отнести большое количество полупроводниковых элементов, которые создают дополнительные потери. Кроме того, подобная схема не обеспечивает быстрое измерение тока в индукторе, что не позволяет использовать современные эффективные методы контроля широтно-импульсной модуляцией, такие как режим пикового тока и режим среднего тока.
Наиболее близким к заявляемому способу по своей технической сути (прототипом) является способ управления импульсным силовым преобразователем в режиме среднего тока, включающем измерение тока в электрической цепи тока нагрузки в импульсном силовом преобразователе, формирование сигнала обратной связи по току, интегрирование сигнала обратной связи по току, формирование сигнала обратной связи по среднему току, контроль режима среднего тока импульсного силового преобразователя принудительным переключением между режимами стабилизации тока и понижающего напряжения посредством мультиплексора, сформированного резистором, операционным усилителем и диодом, сравнение значения сигнала понижающего напряжения, пропорционального току в индукторе, с установленным опорным значением напряжения, полученным в результате контроля режима среднего тока импульсного силового преобразователя, управление широтно-импульсным модулятором с использованием сигнала среднего тока и переключением в импульсном силовом преобразователе с выхода широтно-импульсного модулятора [11].
Известный способ управления импульсным понижающим преобразователем не обеспечивает режим повышения напряжения, что требуется в ряде практически важных применений, например, включая заряд аккумуляторов, поддержание постоянного напряжения на шине инверторного электродвигателя.
Новым достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение стабильности процесса зарядки аккумуляторной батареи как по напряжению, так и по току, с повышенной эффективностью в широком диапазоне напряжений, коэффициентов преобразования и уровней мощности импульсного силового преобразователя при улучшении переходной характеристики при резком изменении режима работы.
Новый технический результат достигается тем, что в способе управления импульсным силовым преобразователем в режиме среднего тока, включающем измерение тока в электрической цепи тока нагрузки в импульсном силовом преобразователе, формирование сигнала обратной связи по току, интегрирование сигнала обратной связи по току, формирование сигнала обратной связи по среднему току, контроль режима среднего тока импульсного силового преобразователя принудительным переключением между режимами стабилизации тока и понижающего напряжения посредством мультиплексора, сформированного резистором, операционным усилителем и силовым диодом, сравнение значения сигнала понижающего напряжения, пропорционального току в индукторе, формирующим совместно с коммутационным устройством, содержащим полевой транзистор, электрическую цепь понижающего напряжения импульсного силового преобразователя, с установленным опорным значением напряжения, полученным в результате контроля режима среднего тока импульсного силового преобразователя, управление широтно-импульсным модулятором с использованием сигнала среднего тока и переключением в импульсном силовом преобразователе с выхода широтно-импульсного модулятора, формирующего управляющие импульсы понижающего напряжения нужной скважности, посредством драйвера поступающие на затвор полевого транзистора, в отличие от прототипа, формирование сигнала обратной связи по току одновременно осуществляют на дополнительно введенный второй широтно-импульсный модулятор после вычитания из сигнала обратной связи по току фиксированного напряжения посредством дополнительно введенного устройства вычитания напряжения, на выходе которого формируют управляющие импульсы повышающего напряжения нужной скважности посредством силовой цепи повышающего напряжения, образованной индуктором и дополнительно введенными вторым полевым транзистором, вторым силовым диодом и сглаживающим конденсатором.
Выходной сигнал обратной связи по напряжению импульсного силового преобразователя может быть дополнительно скомбинирован с сигналом обратной связи по среднему току.
Можно ограничивать искажение выходных сигналов в петле обратной связи по напряжению и в петле обратной связи по току посредством ограничения изменения полосы пропускания сигналов в петле обратной связи по напряжению и в петле обратной связи по току.
Можно формировать импульсы определенной длительности посредством широтно-импульсного модулятора в зависимости от уровня сигнала ошибки на входе широтно-импульсного модулятора.
Можно при управлении многофазным импульсным силовым преобразователем формировать сигналы токов различными и измерять в каждой фазе отдельно, а сигнал напряжения на входе первого операционного усилителя формировать общим для всех фаз.
Способ управления импульсным силовым преобразователем реализуют следующим образом.
Предлагаемый способ управления импульсным силовым преобразователем основан на управлении импульсным силовым преобразователем в режиме среднего тока посредством использования двух петель обратной связи: внутренней по среднему току и внешней по напряжению, на базе силовых электрических цепей понижающего и повышающего напряжения.
На вход импульсного силового преобразователя приходит постоянное напряжение Vin. Управление импульсным силовым преобразователем реализовано через обратную связь по напряжению и току. Датчик тока 1 измеряет ток, который течет через индуктор 2 (фиг.1). Сигнал тока поступает на усилитель сигнала ошибки по току, включающий первый операционный усилитель 3 и первую RC-цепочку 4, 5, 6 частотной коррекции обратной связи по току для обеспечения устойчивой работы системы в целом. Таким образом, на вход первого операционного усилителя 3 поступают сигнал напряжения Vis, пропорциональный току в индукторе 2, и опорный сигнал напряжения Vset. Значение сигнала напряжения Vset формируется в зависимости от значения опорного напряжения Vref1, значения опорного напряжения Vref2 и текущего значения напряжения Vout на выходе импульсного силового преобразователя, формирующегося на нагрузке 7, в качестве которой может служить аккумуляторная батарея. Напряжение Vout после делителя напряжения, содержащего резисторы 8 и 9, поступает на усилитель ошибки по напряжению, содержащий второй операционный усилитель 10 и вторую корректирующую RC-цепочку 11, 12 частотной коррекции, где сравнивается с опорным значением напряжения Vref1. Второй операционный усилитель 10 формирует сигнал ошибки Е, который вместе с установленным опорным значением напряжения Vref2 поступает на вход мультиплексора принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, содержащего понижающий резистор 13, третий операционный усилитель 14 и силовой диод 15. Если сигнал ошибки Е больше значения Vref1, то силовой диод 15 открыт, мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения работает как повторитель, и сигнал напряжения Vset равен сигналу напряжения Vref1. В этом случае импульсный силовой преобразователь работает как стабилизатор тока.
Если сигнал ошибки Е меньше значения опорного напряжения Vref1, то силовой диод 15 закрыт и сигнал напряжения Vset равен Е, так как падением напряжения на понижающем резисторе 13 можно пренебречь. В этом случае импульсный силовой преобразователь работает как стабилизатор напряжения.
То есть после формирования сигнала обратной связи по среднему току осуществляют его сравнение с полученным установленным опорным значением напряжения Vset, которое может принимать значение как Vref1, так и Е, в результате принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, тем самым контролируя режим среднего тока.
Формирование сигнала обратной связи по току с выхода первого операционного усилителя 3 Veca одновременно осуществляют на дополнительно введенный второй широтно-импульсный модулятор 16 после вычитания из сигнала обратной связи по току фиксированного напряжения Vd, соизмеримого с разностью между максимальным и минимальным значениями пилообразного сигнала Vramp, посредством дополнительно введенного устройства вычитания напряжения 17, на выходе которого формируют управляющие импульсы повышающего напряжения нужной скважности посредством силовой электрической цепи повышающего напряжения, образованной дополнительно введенными вторым драйвером 18, вторым полевым транзистором 19 и вторым силовым диодом 20, идентичными силовым элементам в цепи понижения напряжения и выполняющими аналогичные функции. Практически значение напряжение Vd выбирается в диапазоне от 0,95 до 1,05 от значения Vramp. Диод 21, транзистор 22, индуктор 2 и конденсатор 25 образуют вместе повышающий преобразователь и в составе описываемого преобразователя осуществляют функцию повышения напряжения.
Сигнал с выхода первого операционного усилителя 3 Veca поступает как на широтно-импульсный модулятор 21, так и на второй широтно-импульсный модулятор 16-после вычитания из него фиксированного напряжения Vd. На входе широтно-импульсного модулятора 21 сигнал Veca сравнивается с пилообразным сигналом напряжения Vramp. На выходе широтно-импульсного модулятора 21 формируются управляющие импульсы понижающего напряжения нужной скважности, которые после драйвера 22 поступают на затвор полевого транзистора 23, который вместе с силовым диодом 24, индуктором 2 и сглаживающим конденсатором 25 формирует силовую электрическую цепь понижающего преобразователя (фиг.1). На выходе второго широтно-импульсного модулятора 16 формируются управляющие импульсы повышающего напряжения нужной скважности, которые после второго драйвера 18 поступают на затвор второго полевого транзистора 19, который вместе со вторым силовым диодом 20, индуктором 2 и сглаживающим конденсатором 25 формирует силовую электрическую цепь повышающего напряжения преобразователя (фиг.1).
Переключение между режимами понижения и повышения напряжения происходит автоматически исходя из уровней сигналов Veca, Vd и амплитуды пилообразного сигнала Vramp. При проектировании возможно заложить один из случаев: 1) когда размах пилы Vramp Vp меньше значения напряжения Vd, и 2) когда Vp > Vd.
В первом случае (Vp меньше Vd фиг.2) в зависимости от величины сигналов с усилителей ошибки Veca и Veca - Vd реализуются либо режим прямого преобразования (то есть когда постоянно открытый транзистор 23 пропускает входное напряжение напрямую а второй полевой транзистор 19 - постоянно закрыт, либо режим понижения, либо режим повышения напряжения, что иллюстрируется соответственно, на фиг.2.
Во втором случае ((Vp больше Vd фиг.3) можно та реализовать два описанных выше основных режима понижения и повышения напряжения. Но еще существует смешанный режим, когда оба силовых полевых транзистора 19, 23 находятся в переключательном режиме. С точки зрения потерь лучше реализовать первый случай и задать Vd > Vp, поскольку переключательные потери в смешанном режиме удваиваются. Но второй случай имеет преимущество в более плавной регулировке управления режимами благодаря отсутствию мертвой зоны, то есть зоны шириной равной (Vd - Vp) (фиг.2), в которой изменение сигнала ошибки Veca не приводит к изменению скважностей импульсов управления полевым транзистором 23 и вторым полевым транзистором 19.
Благодаря наличию петель обратной связи в импульсном силовом преобразователе: 1) по току, образованной датчиком среднего тока 1 и усилителем ошибки по току, включающем первый операционный усилитель 3 и первую RC-цепочку 4, 5, 6 частотной коррекции обратной связи по току, и 2) по напряжению, образованной делителем напряжения, содержащим резисторы 8,9, усилителем ошибки по напряжению, содержащем второй операционный усилитель 10 и вторую RC-цепочку 11, 12 частотной коррекции, и мультиплексором принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, содержащем понижающий резистор 13, третий операционный усилитель 14 и силовой диод 15, предложенное техническое решение позволяет независимо и с высокой точностью устанавливать и контролировать как средний ток импульсного силового преобразователя, так и напряжение на выходе импульсного силового преобразователя. Для формирования необходимой передаточной функции замкнутой системы управления в петле обратной связи по току введена первая RC-цепочка 4, 5, 6 и вторая RC-цепочка 11, 12 частотной коррекции в петле обратной связи по напряжению.
Данная система управления может эффективно работать в импульсных силовых преобразователях напряжения понижающего и повышающего типа в режиме среднего тока, используемых для зарядки литиевых аккумуляторных батарей на борту летательных аппаратов с гибридной силовой установкой, что обусловлено двухстадийным процессом зарядки литиево-ионных аккумуляторов (фиг.4). На начальной стадии I аккумулятор заряжается при постоянном токе и напряжение на аккумуляторной батарее постепенно нарастает. При достижении заданного напряжения на стадии II зарядка продолжается при постоянном напряжении и сопровождается постепенным спадом тока зарядки.
При необходимости, выходной сигнал обратной связи по напряжению импульсного силового преобразователя может быть дополнительно скомбинирован с сигналом обратной связи по среднему току.
При необходимости, можно ограничивать искажение выходных сигналов в петле обратной связи по напряжению и в петле обратной связи по току посредством ограничения изменения полосы пропускания сигналов в петле обратной связи по напряжению и в петле обратной связи по току.
При необходимости, можно формировать импульсы определенной длительности посредством второго широтно-импульсного модулятора 16 и широтно-импульсного модулятора 21 в зависимости от уровня сигнала ошибки на входе второго широтно-импульсного модулятора 16 и широтно-импульсного модулятора 21.
Предложенный способ может быть применен при управлении многофазным импульсным силовым преобразователем, когда импульсный силовой преобразователь служит фазой более мощного понижающего-повышающего преобразователя (фиг.5). В этом случае сигналы токов Vis различны и измеряются в каждой фазе отдельно, а сигнал напряжения на входе первого операционного усилителя Vset является общим для всех фаз, что обеспечивает точный баланс токов в разных фазах (каналах) преобразователя. Все фазы подключают к выходу в одной точке.
На основании вышеизложенного новый достигаемый технический результат предполагаемого изобретения обеспечивается следующими по сравнению с прототипом техническими преимуществами.
1. Достигается повышение стабильности управления импульсным силовым преобразователем напряжения понижающего и повышающего типа при зарядке аккумуляторной батареи по току не менее чем на 1000%, что обеспечивает нормальный процесс заряда батареи, например, на борту летательного аппарата, при обеспечении высокого отношения мощности преобразователя к его массе и его высокой эффективности за счет работы транзисторов на частоте сотни кГц и использовании в схеме управления преобразователем режима среднего тока с возможностью стабилизации как напряжения, так и тока.
2. Обеспечивается более высокая (не менее чем на 10%) эффективность работы импульсного силового преобразователя напряжения понижающего и повышающего типа за счет работы транзисторов на частоте сотни кГц и использовании в схеме управления ключами режима среднего тока с возможностью стабилизации как напряжения, так и тока.
3. Продлевается срок службы аккумуляторных батарей при заряде с импульсного силового преобразователя посредством предлагаемого способа управления за счет оптимизации тока заряда не менее чем на 10%.
4. Обеспечивается более высокое (не менее чем на 5%) отношение мощности импульсного силового преобразователя напряжения понижающего и повышающего типа к его массе за счет оптимизации работы транзисторов на частоте сотни кГц и использования в схеме управления ключами режима среднего тока с возможностью стабилизации как напряжения, так и тока.
5. Улучшается переходная характеристика при резком изменении режима работы не менее чем на 5% за счет применения режима среднего тока для управления понижающим-повышающим преобразователем напряжения.
Используемые источники
1. Zhang Y. et al. Model and control for supercapacitor-based energy storage system for metro vehicles, Electrical Machines and Systems, ICEMS 2008, p.2695-2697.
2. Lu Y., Hess H. L., Edwards D. B. Adaptive control of an ultracapacitor energy storage system for hybrid electric vehicles, IEMDC'07, vol. 1, p.129-133.
3. Bradley Т. H. et al. Test results for a fuel cell-powered demonstration aircraft: SAE Technical Paper, 2006, 01-3092.
4. Sharpe J. E. et al.: Modelling the potential of adsorbed hydrogen for use in aviation, Microporous and Mesoporous Materials, vol. 209, p.135-140.
5. Verstraete D. Long range transport aircraft using hydrogen fuel, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 38, no. 34, p.14824-14831.
6. Варюхин A.H., Гордин M.B., Дутов A.B., Мошкунов С.И., Хомич В.Ю., Шершунова Е.А. Мощный импульсный преобразователь постоянного тока на карбид-кремниевых транзисторах // Прикладная физика. 2021. №1. С.75-81.
7. Варюхин А.Н., Гордин М.В., Захарченко B.C., Маланичев В.Е., Малашин М.В., Мошкунов С.И., Небогаткин С.В., Хомич В.Ю., Шершунова Е.А. Силовой многофазный импульсный преобразователь для гибридных летательных аппаратов // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2019. №6. С.121-129.
8. Варюхин А.Н., Захарченко B.C., Гелиев А.В., Гордин М.В., Киселев И.О., Журавлев Д.И., Загуменов Ф.А., Казаков А.В., Вавилов В.Е. Формирование обликов электрической силовой установки для сверхлегкого пилотируемого самолета // Авиационные двигатели. 2020. №3(8). С.5.
9. Шершунова Е.А., Мошкунов С.И., Варюхин А.Н., Гордин М.В. Четырехфазный импульсный преобразователь постоянного напряжения для применения в составе гибридных и электрических силовых установок летательных аппаратов. Тезисы 19-й Международной Конференции «Авиация и Космонавтика». 2020. С.232-233.
10. Патент RU 2617991, 2017, МКИ Н02М 3/158, Н02М 1/088, G05F 1/565.
11. Патент RU 2766320, 2022, МКИ G05F 1/56.