ЭНЕРГОПРЕОБРАЗУЮЩАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ENERGY CONVERSION EQUIPMENT FOR DC POWER SUPPLY SYSTEMS

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении систем электропитания постоянного тока, в которых не требуется гальваническая развязка источников электрической энергии и нагрузки, а для обеспечения непрерывного электропитания нагрузки используется два источника электрической энергии постоянного тока, один из которых может накапливать электрическую энергию. Для достижения качественных показателей выходной энергии постоянного тока применяется статические преобразователи электрической энергии с двумя входами. Первичными источниками постоянного тока с нестабильными параметрами входной энергии в таких системах служат, например, солнечная батарея, роль второго источника выполняет аккумуляторная батарея. Функции обеспечения непрерывности электропитания и поддержания заданного качества электрической энергии постоянного тока на нагрузке возлагается на энергопреобразующую аппаратуру (ЭПА), выполненную на базе статического полупроводникового преобразователя с силовым фильтром.
Для указанного применения энергопреобразующей аппаратуры важными показателями при заданном качестве выходной электрической энергии являются масса и габариты всех элементов системы, при проектировании которых необходимо стремиться к их уменьшению, а также надежность обеспечения электроснабжения.
Учитывая, что масса и габариты полупроводниковых элементов могут быть минимизирована за счет применения интегральных вариантов их исполнения, то при заданной частоте преобразования электрической энергии можно утверждать, что данные показатели будут определяться массой и габаритами пассивных элементов, таких как конденсаторы, дроссели и трансформаторы. Поэтому возникает задача уменьшения их количества и номинальных значений. Надежность обеспечения электроснабжения определяется, в частности, обеспечением ограничения тока аккумуляторной батареи на заданном уровне.
Известна энергопреобразующая аппаратура для системы электропитания постоянного тока [П. Четти Проектирование ключевых источников электропитания. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 240 с.: ил.], состоящая из транзистора, замыкающего и размыкающего выходные зажимы солнечной батареи, за счет чего обеспечивается стабилизация постоянной составляющей напряжения на нагрузке, диода, подключающего солнечную батарею к нагрузке, двух транзисторов с обратными диодами, реализующих функцию разрядного и зарядного устройства для аккумуляторной батареи, и силовых фильтров, состоящих из двух конденсаторов и двух дросселей, обеспечивающих снижение пульсаций напряжения на нагрузке, тока аккумуляторной батареи и ограничения тока разряда внутренней емкости солнечной батареи.
Данная система обладает рядом недостатков. Примененные однотактные схемы характеризуются повышенной массой и габаритами конденсаторов и дросселей, обеспечивающих заданный уровень пульсаций тока аккумуляторной батареи и напряжения нагрузки. [Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с.: ил.] К недостаткам, также, относится отсутствие аппаратуры от перегрузок и короткого замыкания в нагрузке, сопровождающихся неконтролируемым ростом тока аккумуляторной батареи, что снижает надежность функционирования системы.
Кроме того, известна энергопреобразующая аппаратура для системы электропитания постоянного тока [Wuhua Li, Jianguo Xiao, Yi Zhao, Xiangning He, PWM Plus Phase Angle Shift (PPAS) Control Scheme for Combined Multiport DC/DC Converters. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 27, NO. 3, MARCH 2012, 1479-1489 p.], которая является прототипом предлагаемого изобретения, содержащая две параллельно включенные ветви моста, каждая из которых состоит из двух последовательно включенных транзисторов с обратными диодами, солнечную батарею и аккумуляторную батарею, отрицательный вывод которых подключен к отрицательному выводу конденсатора, диод, который, анодом соединен с положительным полюсом солнечной батареи, катодом соединен с положительным выводом конденсатора и положительным выводом двух параллельно включенных ветвей моста, два дросселя, каждый из которых одним выводом подключен к узлу соединения двух последовательно включенных транзисторов моста, другие выводы дросселей объединены и подключены к положительному выводу аккумуляторной батареи, каждая из точек соединения выводов дросселей и узлов соединения двух последовательно включенных транзисторов моста подключена к одному из выводов первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого через выпрямитель подключена к входным зажимам Г-образного низкочастотного LC фильтра, выходные зажимы которого подключены к нагрузке.
Недостатком данной энергопреобразующей аппаратуры при применении для систем постоянного тока, в которых не требуется гальваническая развязка источников электрической энергии и нагрузки, является относительно высокие массогабаритные показатели за счет наличия трансформатора и дросселя в Г-образном низкочастотном LC фильтре, конденсатора, подключенного параллельно двум ветвям с двумя последовательно включенными ключами. Кроме того, отсутствие аппаратуры отключения аккумуляторной батареи в режимах, когда питание нагрузки осуществляется от солнечной батареи, приводит снижению ресурса аккумуляторной батареи по причине ее загрузки токами высокой частоты, появление которых обусловлено принципом работы импульсной схемы прототипа.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение массы и габаритов энергопреобразующей аппаратуры и повышение надежности обеспечения электроснабжения.
Поставленная задача достигается тем, что в известной энергопреобразующей аппаратуре, отрицательный вывод солнечной батареи и аккумуляторной батареи подключают к отрицательному выводу объединения двух параллельных ветвей моста, диод катодом подключают к положительному выводу объединения двух параллельных ветвей моста, каждую из точек соединения выводов дросселей и узлов соединения двух последовательно включенных транзисторов моста соединяют с анодом одного из двух диодов, катоды которых объединены и подключены к одному выводу конденсатора, подключенному параллельно нагрузке, другой вывод конденсатора и нагрузки подключают к отрицательному выводу объединения двух параллельных ветвей моста, вводится третья ветвь из соединенных последовательно двунаправленного твердотельного ключа и транзистора с обратным диодом, к точке их соединения подключается точка объединения выводов двух дросселей, положительный вывод третьей ветви подключают к положительному полюсу аккумуляторной батареи, отрицательный вывод третьей ветви соединяют с отрицательным выводом объединения двух параллельных ветвей моста.
Схема предлагаемой энергопреобразующей аппаратуры для системы электропитания постоянного тока, построенной, для примера, с использованием полевых транзисторов с обратными диодами, приведена на фиг. 1.
5
6
7
1
2
1
2
3
4
1
2
3
Схема содержит: солнечную батарею СБ, аккумуляторную батарею АБ, двунаправленный твердотельный ключ 1, состоящий из двух встречно включенных полевых транзисторов VT и VT с обратными диодами, последовательно соединенный с транзистором VT с обратным диодом, два дросселя L и L, мост, содержащий две ветви, каждая из которых состоит из двух последовательно включенных транзисторов с обратными диодами VT-VT и VT-VT, диоды VD, VD и VD, конденсатор С, нагрузку 2.
1
1
3
1
2
3
4
1
2
2
2
1
2
7
5
6
6
7
5
5
Положительный полюс солнечной батареи подключен к аноду диода VD, а его катод подключен положительному выводу объединения двух параллельных ветвей (стоки транзисторов VT и VT). Узлы соединения транзисторов в каждой из двух параллельных ветвей, соответственно, соединение истока полевого транзистора VT и стока полевого транзистора VT, а также, аналогично, истока полевого транзистора VT и стока полевого транзистора VT, подключены, с одной стороны, к первым выводам дросселей L и L. С другой стороны, указанные узлы подключены к анодам диодов VD и VD, катоды которых объединены между собой и соединены с конденсатором С, подключенным параллельно нагрузке 2. Вторые выводы дросселей L и L объединены и подключены к средней точке третьей ветви, представляющей собой последовательное соединение двунаправленного твердотельного ключа 1 и полевого транзистора VT. Двунаправленный твердотельный ключ 1 состоит из двух встречно включенных полевых транзисторов VT VT. Средняя точка данной ветви есть соединение стока одного из встречно включенных полевых транзисторов (VT) ключа 1 со стоком полевого транзистора VT. Положительный вывод третьей ветви (исток другого из встречно включенных полевых транзисторов (VT) ключа 1 соединен с положительным полюсом АБ. Отрицательный вывод третьей ветви (исток транзистора VT) подключен к отрицательному выводу объединения двух параллельных ветвей и отрицательных шин СБ и АБ.
Предлагаемая энергопреобразующая аппаратура для системы электропитания постоянного тока функционирует следующим образом.
1
4
1
2
2
3
СБкз
p
p
В том случае, если мощности СБ достаточно для питания нагрузки, транзисторы VT-VT, дроссели L и L, диоды VD и VD работают в режиме шунтового преобразователя напряжения. В случае применения энергопреобразующей аппаратуры на космическом аппарате (КА) данный режим имеет место, когда КА находится на освещенном участке траектории полета. Реализация такого режима работы с СБ возможна благодаря ее вольт-амперной характеристике, которая в широком диапазоне напряжений имеет ярко выраженный характер внешней характеристики источника тока фиг. 2. (Гуртов В.А. Твердотельная электроника: Учеб. Пособие - 3-е изд., Москва. Техносфера. 2008 г. 512 с.). В этом случае ток короткого замыкания I мало отличается от рабочего тока I, при этом напряжение на зажимах СБ изменяется значительно в диапазоне от нулевого значения до некоторого рабочего значения U, что позволяет при импульсном управлении регулировать среднее значение напряжения на нагрузке. Принцип работы такого регулятора очевиден, он основан на регулировании длительности подключенного состояния напряжения СБ к нагрузке, при этом среднее значение напряжения на ней может стабилизироваться на заданном уровне. На фиг. 3 представлены диаграммы, поясняющие принцип работы шунтового преобразователя напряжения. Здесь каждому транзистору сопоставлена переключающая функция F, принимающая ненулевое значение, когда соответствующий транзистор открыт и нулевое значение, соответственно, когда он закрыт.Переключающие функции транзисторов (фиг. 3) обозначены согласно следующей последовательности:
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
VT→F, VT→F, VT→F, VT→F, VT→F, VT→F, VT→F.
5
6
7
2
3
5
6
7
2
3
1
1
и
4
1
2
1
1
4
В режиме шунтового преобразователя напряжения транзисторы VT и VT ключа 1, транзистор VT, а так же VT и VT закрыты, т.е. F=F=F=F=F=0, транзистор VT открыт F=1, а коэффициент заполнение импульсов управления (γ=τ/Т) транзистора VT (фиг. 3) формируется по определенному закону с целью стабилизации напряжения на нагрузке. Дроссели L и L, включенные в цепь последовательного соединения СБ, диода VD и транзисторов VT и VT, выполняют роль ограничения токов разряда внутренней емкости СБ.
1
4
6
6
7
7
2
7
5
Если мощность СБ больше мощности нагрузки, то возможен заряд АБ, в этом случае транзисторы VT-VT, по-прежнему, работают в режиме шунтового регулятора, но транзистор VT ключа 1 открывается (F=1), а на транзистор VT подаются импульсы управления с регулируемым коэффициентом заполнения, то есть, F в этом режиме - импульсная функция. Индуктивность L, транзистор VT и обратный диод транзистора VT ключа 1 образуют повышающий импульсный преобразователь с регулируемым по определенному закону коэффициентом заполнения импульсов управления, что обеспечивает ограничение тока заряда АБ.
1
4
5
5
6
6
1
2
2
4
2
3
2
4
1
3
2
4
1
4
2
3
1
3
2
4
2
4
При недостатке мощности СБ в энергопреобразующей аппаратуре изменяется алгоритм управления транзисторами VT-VT с реализацией режима разрядного устройства, то есть нагрузка может дополнительно питаться от аккумуляторной батареи. Реализация такого режима поясняется с помощью диаграмм на фиг. 4. В этом режиме транзистор VT ключа 1 открыт, то есть F=1, a VT ключа 1 закрыт, то есть F=0. С помощью индуктивностей L и L, транзисторов VT и VT, диодов VD и VD реализуется повышающий двухтактный преобразователь. Стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется за счет изменения коэффициентов заполнения импульсов транзисторов VT, VT (фиг. 4), однако, в отличие от режима шунтового регулятора, в данном режиме F и F - импульсы с коэффициентом заполнения 0.5 и фазовым сдвигом в 180 эл. градусов, причем, момент включения VT, VT соответствует диаграмме фиг. 4: одновременно включена пара VT, VT или VT, VT. Указанный алгоритм формирования импульсов управления транзисторами VT, VT позволяет подключить солнечную батарею СБ к нагрузке с передачей в нагрузку той мощности, которая формируется ею, а недостаток мощности передается от аккумуляторной батареи АБ в нагрузку 2 повышающим двухтактным преобразователем на транзисторах VT, VT. Если КА находится на затемненном участке траектории полета, то от СБ мощности не поступает, а нагрузка питается только от АБ. Причем, с помощью введения фазового сдвига импульсов управления транзисторами VT и VT осуществляется улучшение качества тока, потребляемого от АБ.
5
5
7
1
2
В режиме разрядного устройства при наличии в нагрузке перегрузок или коротких замыканий для ограничения разрядных токов АБ транзистор VT ключа 1 управляется импульсами с регулируемым по определенному закону коэффициентом заполнения. Транзистор VT ключа 1, обратный диод транзистора VT и индуктивности L и L в этом режиме образуют понижающий импульсный преобразователь.
Таким образом, предложенная энергопреобразующая аппаратура для систем электропитания постоянного тока, реализует все необходимые режимы непрерывного электропитания нагрузки, что продемонстрировано на примере системы электропитания для космических аппаратов, получено снижение массы и габаритов энергопреобразующей аппаратуры и повышение надежности обеспечения электроснабжения.