СИСТЕМА РЕЗЕРВНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НА СУПЕРКОНДЕНСАТОРЕ С БУСТЕРНОЙ СХЕМОЙ

Полезная модель относится к электрическим устройствам для преобразования постоянного тока в постоянный и предназначена для использования в электросетях или аналогичных системах энергоснабжения для преобразования входной энергии постоянного тока в выходную энергию требуемого вида, а также управление или регулирование таких устройств и может использоваться в системах электропитания автотранспорта, источниках бесперебойного питания, установках возобновляемой энергии на основе солнечных элементов или ветрогенераторов.
Известно устройство «Boost Converter» [1], содержащее два противофазно работающих бустерных преобразователя.
Характеристики данного устройства позволяют увеличить предельную мощность вдвое по сравнению с одиночной схемой без ухудшения КПД и с улучшением качества выходной энергии.
Однако использование этой схемы применительно к накопительной системе на суперконденсаторах не предусмотрено.
Наиболее близким техническим решением является «Устройство для управления зарядом аккумулятора» [2], в котором в качестве накопителя используется аккумулятор.
Однако в прототипе накопитель на аккумуляторе не способен эффективно отдавать и получать большие мощности; характеризуется ограниченными ресурсом циклов заряда-разряда и сроком службы; требует обслуживания; плохо переносит эксплуатацию при отрицательных температурах.
Целью полезной модели является увеличение эффективности работы системы резервного электропитания, которая характеризуется: способностью отдачи и получения большой мощности; существенно большем ресурсе циклов заряд-разряд и сроке службы; без необходимости обслуживания и некритичности к температуре эксплуатации.
Технический результат достигается путем замены аккумулятора на суперконденсатор, к которому добавлена бустерная схема и схема заряда от генератора.
Сущность технического решения заключается в следующем:
Система резервного электропитания на суперконденсаторе с бустерной схемой, содержит генератор и нагрузку, к тому же дополнительно введены накопитель энергии на суперконденсаторе, бустерная схема и схема заряда от генератора. Выход схемы заряда и вход бустерной схемы подключены к суперконденсатору, причем вход схемы заряда подключен к генератору, а выход бустерной схемы к нагрузке. Между генератором и нагрузкой включен диод.
На фиг.1 показана электрическая схема устройства резервного электропитания на суперконденсаторе с бустерной схемой, включающая: накопитель энергии на суперконденсаторе 1, бустерную схему 2, схему заряда от генератора 3 и диод прямой передачи энергии от генератора в нагрузку 4. На фиг.2 показаны временные диаграммы бустерной схемы 2. На фиг.3 показаны графики зависимости КПД от выходной мощности бустерной схемы 2.
Устройство работает следующим образом.
1
н
0
н
2
2
н
y2
2
0
Допустим, что в схеме заряда от генератора 3 генератор Г перестает вырабатывать электрическую энергию. В этом случае транзистор VT закрыт, схема заряда от генератора 3 отключена от генератора и начинает работать бустерная схема 2, задача которой - поддерживать постоянство напряжения нагрузки U по мере разряда накопителя энергии на суперконденсаторе 1. Если напряжение накопителя энергии на суперконденсаторе 1 U больше минимального рабочего напряжения U, транзистор VТ бустерной схемы 2 закрыт, и происходит прямая передача энергии в нагрузку постоянным током через индуктивную катушку и открытый диод VD. Из-за прямого падения напряжения на диоде и активных потерь катушки происходит незначительная потеря мощности. Эффективность прямой передачи более 95%. При понижении напряжения нагрузки U до критического уровня, управляющая работой бустерной схемы 2 типовая микросхема ШИМ контроллера начинает вырабатывать периодические импульсы напряжения U с автоматически изменяющейся скважностью. Управляющие импульсы подаются на затвор VТ (мощный MOSFET транзистор), в результате чего выходное напряжение поддерживается бустерной схемой 2 постоянным, как при уменьшении напряжения U, так и при изменении сопротивления нагрузки.
и
y2
2
L
На фиг.2 показаны временные диаграммы работы бустерной схемы 2. На интервале длительности τ управляющего импульса Uпроисходит накопление энергии в катушке L - индуктивном накопителе энергии (ИНЭ), ток i достигает значения i. Для эффективности (КПД) накопления энергии получена формула:
m
0
L
0
и
L
Здесь i=U/R, t=L/R - постоянная времени цепи, R - общее активное сопротивление контура заряда ИНЭ. При фиксированном времени заряда t наибольший КПД получается для нулевого начального тока i. Из формулы (1) видно, что максимальный КПД, близкий к единице, достигается при t=τ<<τ. При этом ток заряда можно оценить из выражения:
L
0
и
i≈Uτ/L,
а энергию ИНЭ из выражения:
2
2
н
н
Отметим, что при открытом ключе VT напряжение на нем близко к нулю, диодный ключ VD закрыт, питание нагрузки обеспечивает заряженный до напряжения U конденсатор С.
2
2
2
0
н
н
0
2
2
0
н
0
и
и
По окончании управляющего импульса VТ закрывается, ток i индуктивной катушки, сохраняя непрерывность, вызывает ЭДС индукции положительной полярности, которая открывает диод UD, и происходит передача энергии из источника U и катушки в нагрузку и конденсатор С. При этом конденсатор заряжается до напряжения U большего, чем напряжение источника U, а ток индуктивности i носит колебательный характер и имеет постоянную составляющую. При прохождении тока через ноль в момент времени τ ключ VD автоматически закрывается. При этом вся энергия ИНЭ передается конденсатору и нагрузке, которая отключается от источника Uна время T-τ. Питание нагрузки обеспечивает заряженный конденсатор, который незначительно разряжается на интервале T-τ. По окончании следующего управляющего импульса в нагрузку и конденсатор передается очередная порция энергии. Так как частота управляющих импульсов достаточно высока, спустя малое время на нагрузке устанавливается постоянное пульсирующее напряжение U>U, которое можно регулировать, изменяя τ (или скважность) управляющих импульсов. С увеличением τ напряжение и мощность нагрузки растут.
0
н
L
L
2
2
L
и
L
Постоянная составляющая тока разряда индуктивности зависит от напряжения U, сопротивления нагрузки R и величины i. С уменьшением iток ИНЭ может не проходить через ноль, ключ VD не закроется, и схема будет работать в режиме непрерывных токов i. При этом уменьшается КПД (1) заряда ИНЭ. Ввиду того, что малый ток iдает малый вклад в выходную мощность, общая эффективность бустерной схемы понижается незначительно. Гораздо важнее обеспечить режим разрывных токов при предельной выходной мощности, когда τ максимальна, вклад накопленной энергии ИНЭ (2) в выходную мощность также максимален и существенное уменьшение η (1) приведет также к существенному уменьшению полного КПД бустерной схемы 2. Для режима разрывных токов должно выполняться условие:
н
Разработан алгоритм расчета динамики бустерной схемы 2, который позволяет рассчитать время передачи энергии в нагрузку τ, а также напряжение нагрузки U и КПД преобразования энергии. Для расчета КПД η получена формула:
ср
где U - рассчитанное среднее напряжение нагрузки.
H
2
2
н
0
Реализован опытный образец бустерной схемы 2 (фиг.1). Катушка намотана на кольцевом сердечнике из магнитодиэлектрика проводом из литцендрата. Нагрузка - низкоомная, R≈1 Oм. Транзисторный ключ VТ реализован на мощном МДП (MOSFET) транзисторе IRFP044N. Ключ управлялся генератором импульсов через повторитель на транзисторе КП-901. В качестве ключа VD использовался диод Шотки SBL3040PT. Эквивалент суперконденсатора - лабораторный линейный источник питания, работающий в режиме стабилизации напряжения. Для уменьшения влияния эквивалентного последовательного сопротивления фильтрующий конденсатор С реализован параллельным включением конденсаторов меньшей емкости. Предельная выходная мощность в эксперименте ограничена предельным током лабораторного источника. Предельная мощность в расчете ограничена поддержанием режима разрывных токов (3). Результаты эксперимента («») и расчета (4) КПД бустерной схемы для трех значений напряжения U: 1-7B, 2-9B и 3-11B показаны на фиг.3. Схема обладает приемлемым КПД при достаточно высокой предельной выходной мощности, ограниченной условием (3). Увеличить выходную мощность вдвое, при одновременном снижении вдвое коэффициента пульсаций выходного напряжения (сохраняя неизменным КПД) можно, используя параллельное включение двух одинаковых бустерных схем 2 на общую нагрузку. Схемы работают на одинаковой частоте и запускаются поочередно с временным сдвигом в полпериода. КПД источника можно увеличить, используя элементы электронных ключей с меньшими потерями, используя в обмотке индуктивности провод большего сечения и оптимизируя расположение силовых элементов схемы.
1
x
Рассмотрим схему заряда от генератора 3, показанную на фиг.1. Транзистор VT управляется ШИМ контроллером с переменной скважностью S и позволяет регулировать процесс заряда накопителя энергии на суперконденсаторе 1. Среднее значение напряжения U, зависит от скважности:
x
U=E/S
0
1
и должно изменяться от начального значения напряжения накопителя энергии на суперконденсаторе 1 U до значения ЭДС Е, вырабатываемой генератором Г при S→1. Через накопитель энергии на суперконденсаторе 1 и шунт R протекает средний зарядный ток i:
1
x
0
i=(U-U)/R.
Если управление транзистором организовать таким образом (изменяя скважность S), чтобы средний зарядный ток не изменялся, то КПД заряда накопителя энергии на суперконденсаторе 1 будет определяться выражением:
п
п
з
1
x
0
0
Здесь τ=RC - постоянная времени заряда, R - полное активное сопротивление контура заряда. Если время заряда t существенно больше постоянной времени, эффективность заряда (5) будет близка к 1. ШИМ контроллер ключа VT регулирует скважность таким образом, чтобы обеспечивать постоянство напряжения (U-U) на шунте R. Таким образом, напряжение U накопителя энергии на суперконденсаторе 1 в процессе заряда будет линейно расти от начального значения до максимального, близкого к ЭДС генератора Е, после чего заряд прекращается.
1
н
2
2
н
0
1
2
2
1
Рассмотрим работу полной электрической схемы устройства резервного электропитания, показанную на фиг.1. Если работает генератор Г, вырабатывая номинальное напряжение Е, диод 4 (VD) открыт и это напряжение подается в нагрузку R. В этом случае напряжение нагрузки превышает напряжение, при котором запускается ШИМ контроллер бустерной схемы 2, транзистор VT и диод VD закрыты и бустерная схема 2 отключена. Происходит прямая передача энергии из генератора Г в нагрузку R. Если напряжение U меньше максимального, одновременно происходит зарядка накопителя энергии на суперконденсаторе 1 через схему заряда от генератора 3 до максимального значения, близкого к величине Е. При неработающем генераторе Г диод 4 (VD) закрыт, открывается диодный ключ VD и происходит прямая передача энергии бустерной схемой 2 из накопителя энергии на суперконденсаторе 1 в нагрузку. При уменьшении напряжения до порогового значения запускается ШИМ контроллер бустерной схемы 2, на затвор VТ поступают управляющие импульсы, и напряжение нагрузки поддерживается неизменным вплоть до разряда накопителя энергии на суперконденсаторе 1 до заданного критического напряжения, например, до значения Е/2. После этого бустерная схема 2 отключается и передача энергии прекращается. Критическое напряжение накопителя энергии на суперконденсаторе 1 должно обеспечить повторный запуск генератора Г. При повторном включении генератора Г его энергия передается в нагрузку напрямую через диод 4 (VD) и происходит заряд накопителя энергии на суперконденсаторе 1, а бустерная схема 2 отключена.
Источники информации:
1. Патент US 2007/0096700 A1 Boost Converter
2. Патент RU №2293415 от 10 февраля 2007 г. Устройство для управления зарядом аккумулятора (прототип).