ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ПАДЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
VOLTAGE CONVERTER WITH VOLTAGE DROP COMPENSATION

Изобретение относится к преобразователям постоянного или переменного тока, к источникам напряжения и может быть применено на подвижном транспорте, в том числе электромобилях, в бытовой электронике для питания или зарядки аккумуляторов, в портативных устройствах, автономных электростанциях, а также в промышленной электронике для питания различных типов потребителей.
При включении преобразователя напряжения на нагрузку с помощью соединительных проводов на переходных контактах, соединительных проводах и других неоднородностях возникает падение напряжения. В системах электроснабжения, где используется свинцовая аккумуляторная батарея (АКБ), соединенная параллельно с нагрузкой, падение напряжения на соединительных проводах приводит к значению напряжения на клеммах АКБ на уровне недостаточном для начала процесса восстановления активной массы электродов. В результате ресурс АКБ быстро снижается по причине постоянного недостаточного заряда.
Известны схемы компенсации напряжения в проводах. Широко распространены технические решения, которые используют известное значение сопротивления кабеля и значение тока для вычисления нормы добавляемого напряжения к номинальному выходному. Также существуют адаптивные системы, которые работают без известного сопротивления кабеля. Такие решения используют либо дополнительные провода, либо дополнительный конденсатор на клеммах нагрузки, либо дополнительный датчик АКБ, либо дополнительный электронный блок. Все это приводит к удорожанию и усложнению преобразователя, поэтому в настоящее время актуальны системы, не требующие встраивания дополнительных компонентов и имеющие ту же схему подключения.
Из существующего уровня техники известен понижающий преобразователь напряжения электротранспортного назначения, состоящий из силового блока преобразования напряжения и системы управления. Силовой блок в свою очередь состоит из фильтра входного напряжения, силовых транзисторов, дросселя первичной цепи, трансформатора, выпрямительных диодов, дросселя выходного фильтра, конденсатора выходного фильтра, датчика тока низкого напряжения, датчика температуры. Преобразователь подключен к тяговой высоковольтной батарее, к низковольтной батарее, к электронному блоку управления питанием и к замку зажигания. Система работает следующим образом: к преобразователю поступает сигнал включения KL15 через замок зажигания и сигнал от блока управления питанием о степени заряда высоковольтной батареи и степени требуемой выходной мощности преобразователя. Силовой блок преобразует напряжение высоковольтной батареи и питает низковольтную батарею. Система управления выполняет расчет сопротивления проводов между силовым блоком и низковольтной батареей на основе значения напряжения с батареи поступающего по цепи от замка зажигания до преобразователя, значения напряжения с выхода силового блока и значения выходного тока с блока. Система управления регулирует значение выходного напряжения с блока на основе вычисленного значения сопротивления проводов (патент Китай №102377331 А, МПК Н02М 3/3376, B60L 1/00, B60L 53/20, опуб. 14.03.2012 г.).
Недостатками данного технического решения являются возможность неполной компенсации падения напряжения, так как линия KL15 в силу конструктивных особенностей может иметь не прямое подключение к клемме АКБ, а может подсоединяться через коммутационную аппаратуру и силовые провода, сопротивление которых не учитывается. Возможность неполной компенсации падения напряжения, вследствие не учета падения напряжения на обратном силовом соединении преобразователя и АКБ, так как при пути протекания обратного зарядного тока через массу автомобиля со временем может наблюдаться значительное падение напряжения в местах соединения с рамой в силу коррозии такого электрического соединения. Невозможность работы системы компенсации напряжения в понижающих преобразователях, не предусматривающих подключение линий KL15 и KL30.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является принятый в качестве прототипа источник питания с адаптивной системой компенсации падения напряжения, состоящий из стабилизатора напряжения, соединительных силовых проводов, имеющих собственное сопротивление между стабилизатором и нагрузкой, масштабирующего усилителя и сумматора. Стабилизатор имеет входы питающего напряжения сети, вход напряжения обратной связи, выход преобразованного напряжения. Экран минусового провода соединен с концом провода на стороне нагрузочного устройства. На стороне источника появляется возможность измерить падение напряжение на минусовом проводе между его одним концом и экраном. Алгоритм работы системы компенсации падения напряжения состоит в измерении значения падения напряжения на минусовом проводе, умножении его на -2, суммировании этого напряжения с напряжением преобразователя непосредственно на его выходе и вычисления значения напряжения компенсации усилителем ошибки как разность опорного напряжения и полученного предыдущего значения (патент Россия 178394 U1 МПК H02J 7/00, H02J 7/04, G05F 1/00 опуб. 03.04.2018 г.).
Недостатками данного технического решения являются отсутствие компенсации падения напряжения на внутренних силовых соединениях и проводах от преобразующих элементов до выходных контактов источника напряжения, что отрицательно сказывается на точности задаваемого напряжения на нагрузке, а также возможность появления эффекта перерегулирования напряжения стабилизации вследствие скачкообразного изменения нагрузки.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение точности стабилизации заданного напряжения вне зависимости от изменения величины нагрузки.
Решение поставленной задачи достигается тем, что преобразователь напряжения с компенсацией падения напряжения, содержащий стабилизатор напряжения со встроенным усилителем ошибки и источником опорного напряжения, выходы преобразованного напряжения которого соединены через клеммы преобразователя с нагрузкой с помощью силовых проводов, адаптивную систему компенсации падения напряжения на силовых проводах, выполненную в виде обратной связи и состоящей из масштабирующего усилителя, выход которого подключен ко входу сумматора добавочного напряжения, а первый вход - к отрицательной клемме преобразователя и проводника обратной связи, соединяющего отрицательную клемму нагрузки со вторым входом масштабирующего усилителя отличающийся тем, что преобразователь дополнительно снабжен задатчиком напряжения и системой компенсации падения напряжения на внутренних силовых соединениях преобразователя, подключенной к силовым проводам на выходе преобразователя, и содержит входной, промежуточный и конечный дифференциальные усилители, при этом выход сумматора подключен к прямому входу промежуточного дифференциального усилителя, входы входного дифференциального усилителя подключены к плюсовой и минусовой клеммам преобразователя, а выход входного дифференциального усилителя - к инвертирующему входу промежуточного дифференциального усилителя, при этом задатчик напряжения, который подключен к усилителю ошибки стабилизатора непосредственно и через конечный дифференциальный усилитель, а также параллельно - через сумматор добавочного напряжения, промежуточный и конечный усилители, причем параллельно входам входного усилителя системы компенсации падения напряжения и масштабирующего усилителя установлены фильтры синфазных и дифференциальных помех, соответственно, а в выходную цепь каждого из упомянутых усилителей последовательно установлен фильтр низких частот.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в качестве электрического проводника обратной связи служит либо дополнительно проложенный провод, либо металлическая рама технического средства, либо экран провода.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где представлена принципиальная схема системы компенсации и приняты следующие обозначения: U вх. - входное напряжение преобразователя, U вых. - выходное напряжение преобразователя, R внутр.+ - сопротивление силовых электрических проводников положительного потенциала внутри корпуса преобразователя, R внутр.- - сопротивление силовых электрических проводников отрицательного потенциала внутри корпуса преобразователя, +in - клемма положительного потенциала входного напряжения стабилизатора, -in - клемма отрицательного потенциала входного напряжения стабилизатора, +out - клемма положительного потенциала выходного напряжения стабилизатора, -out - клемма отрицательного потенциала выходного напряжения стабилизатора, U fed - вход цепи обратной связи стабилизатора, U adj - вход цепи подстройки стабилизатора, I нагрузки - ток нагрузки в силовых проводах, R кабеля+ - собственное сопротивление положительного силового кабеля, R кабеля- - собственное сопротивление отрицательного силового кабеля.
Преобразователь напряжения с компенсацией падения напряжения содержит стабилизатор 1 напряжения со встроенным усилителем ошибки 2 и источником 3 опорного напряжения. Причем входы 4 и 5 стабилизатора 1 подключены к источнику питания, а его выходы 6 и 7 преобразованного напряжения соединены через выходы 8 и 9 преобразователя 10 с нагрузкой 11 с помощью силовых проводов 12 и 13. В состав преобразователя 10 также входит система компенсации 14 падения напряжения на силовых проводах, выполненная в виде обратной связи и состоящая из проводника 15 обратной связи, соединяющего входы 16 и 17 нагрузки 11 и преобразователя 10, а также масштабирующего дифференциального усилителя 18, подключенного к сумматору 19 добавочного напряжения и к клеммам 9 и 16 преобразователя 10. Согласно изобретению, преобразователь 10 дополнительно снабжен задатчиком 20 напряжения, системой 21 компенсации падения напряжения на внутренних силовых соединениях преобразователя 10, фильтрами низкой частоты 22 и синфазных помех 23. Упомянутая система 21 состоит из последовательно соединенных входного дифференциального усилителя 24, фильтра 25 низких частот, промежуточного дифференциального усилителя 26 и конечного дифференциального усилителя 27, причем входы усилителя 24 подключены к дифференциальному фильтру 28 и к клеммам 8, 9 преобразователя 10, прямой вход усилителя 26 подключен к выходу сумматора 19, прямой вход усилителя 27 подключен к задатчику 20, к входу 29 подстройки стабилизатора 1, и к входу сумматора 19, а его выход соединен с входом 30 обратной связи стабилизатора 1. В системе 14 компенсации падения напряжения на силовых проводах 12, 13 фильтр 23 дифференциальных помех подключен ко входам усилителя 18, а фильтр 22 низких частот к выходу усилителя 18. Нагрузка 11 имеет вход 31 положительного напряжения.
Преобразователь работает следующим образом.
Rкабеля
Rкабеля-
вых
Rкабеля+
Rкабеля-
вых
Rвнутр+
Rвнутр-
вых
Rвнутр+
Rвнутр-
Rкабеля+
Rкабеля-
Rвнутр+
Rвнутр-
Rкабеля+
Rкабеля-
Стабилизатор 1 поддерживает напряжение на своем выходе, сравнивая его с опорным напряжением на входе 29 через цепь 30 обратной связи. При подключении нагрузка начинает потреблять ток I нагрузки. Протекая по питающим проводам, этот ток создает падение напряжения и1иабеля+на сопротивлении провода R кабеля+. Так как положительный и отрицательный провод одинаковые, то их сопротивление и падение напряжения будут одинаковыми, т.е. U+ = U. Напряжение на отрицательном проводе 13 через контакт 17, металлическую раму 15 и контакт 16, а также через контакт 9 подводится к масштабирующему усилителю 18, имеющего коэффициент передачи равный 2. На выходе усилителя 18 появляется напряжение, равное падению напряжению на обоих проводах 12 и 13. Далее, чтобы избежать скачкообразных реакций, это напряжение проходит через фильтр 22 низких частот и поступает на сумматор 19, где добавляется к напряжению задатчика 20. На выходе сумматора 19 появляется напряжение, равное заданному напряжению задатчика 20 на нагрузке 11 плюс падение напряжения на силовых проводах без учета падения напряжения на внутренних силовых соединениях R внутр+ и R внутр- внутри преобразователя 10, равное U + U + U. Этот сигнал поступает на прямой вход дифференциального усилителя 26. Напряжение преобразователя 1 на контактах 6 и 7, пройдя через фильтр 28 дифференциальных помех, поступает на дифференциальный усилитель 24 с коэффициентом усиления, равный 1. На его выходе формируется значение выходного напряжения преобразователя с учетом падения напряжения на внутренних силовых соединениях, равное U - U - U далее, чтобы избежать скачкообразных реакций, которое проходит через фильтр 25 низких частот и поступает на инвертирующий вход усилителя 26. Задатчик 20 напряжения нагрузки формирует требуемый уровень сигнала на прямом входе дифференциального усилителя 27 и прямом входе усилителя 2 ошибки стабилизатора 1 через вход цепи 29 опорного напряжения (изменяя уровень источника 3 опорного напряжения). В результате вычитания из напряжения задатчика 20 напряжение компенсации с выхода усилителя 26 на выходе усилителя 27 формируется напряжение, равное: U - (U + U + U + U), которое подается на вход 30 напряжения обратной связи стабилизатора 1. Так как стабилизатор 1 поддерживает напряжение на своем выходе 6, сравнивая его с уровнем опорного напряжения на входе 29 через цепь 30 обратной связи, с помощью усилителя 2 ошибки, то это изменение заставляет стабилизатор 1 увеличивать свое выходное напряжение на величину падения напряжения на силовых проводах и внутренних соединениях силовой низковольтной цепи, равное U + U + U + U. Таким образом, падение напряжения в силовой низковольтной цепи, где силовые питающие провода, подключенные между источником напряжения и нагрузкой, имеют ту же длину и сечение, оказывается скомпенсированным.
В частном случае выполнения между выводом 16 преобразователя 10 напряжения и выводом 17 нагрузки 11 используется либо дополнительно проложенный провод, либо металлическая рама технического средства, либо экран провода.
Стабилизатор поддерживает заданный уровень выходного напряжения в зависимости от сигнала задатчика.
Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является получение более точного стабилизированного напряжения на нагрузке, а также обеспечение поддержания постоянного значения зарядного напряжения на бортовом аккумуляторе транспортного средства или иного технического средства вне зависимости от тока нагрузки за счет увеличения подаваемого выходного напряжения при той же электрической схеме подключения. Это позволяет увеличить ресурс АКБ, а замена старого преобразователя на новый с функцией компенсации падения напряжения становится возможной без внесения изменений в схему подключения.
Таким образом, изобретение позволяет повысить точность стабилизации заданного напряжения вне зависимости от изменения нагрузки.