Устройство для имитации секционированной солнечной батареи

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для имитации вольт-амперных характеристик (ВАХ) солнечных батарей, используемых в качестве источника электроэнергии в наземных комплектах проверочной аппаратуры систем электроснабжения космических аппаратов.
Известен вторичный источник питания, со специальной формой ВАХ (см. А.С. СССР №828814), используемый как имитатор солнечных батарей, состоящий из ряда преобразовательных ячеек-стабилизаторов тока, соединенных по входу с выводами для подключения питания Un, а по выходу через развязывающие диоды - с нагрузкой. Выходы всех преобразовательных ячеек зашунтированы транзисторами, причем базовый вывод одного транзистора соединен с выходом узла сравнения, к входным выводам которого подключены источник опорного напряжения, выход источника питания и выход включенного в цепь нагрузки датчика тока. Базовые выводы остальных транзисторов через компараторы соединены с выходом датчика тока нагрузки.
Недостатками такого источника являются низкие надежность и точность воспроизведения требуемых ВАХ из-за несовпадения значений выходных токов преобразовательных ячеек и порогов срабатывания компараторов.
Известен также вторичный источник питания (А.С. СССР №1579277), содержащий N ячеек-стабилизаторов тока, соединенных входами с выводами для подключения источника питающего напряжения, датчик тока нагрузки, узел сравнения опорного напряжения с суммарным значением напряжения на датчике тока и выходного напряжения, N транзисторов, N развязывающих диодов, N-1 компараторов и N-2 сумматоров.
Недостатком этого вторичного источника питания является низкая точность воспроизведения требуемых ВАХ из-за смещения координаты крутопадающего участка ВАХ при выходе из строя ячейки-стабилизатора тока какого-либо из питающих каналов или из-за того, что в случае выхода из строя ячейки первого питающего канала развязывающий диод закрыт и линейный регулятор отключен от выходных выводов источника.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для имитации секционированной солнечной батареи с общей шиной по патенту на полезную модель ПФ №97007.
стаб
п
ш
0
Устройство содержит N ячеек-стабилизаторов тока, по числу секций имитатора солнечной батареи (ИБС), осуществляющих с помощью ШИМ-преобразования стабилизацию тока I дросселя собственного выходного фильтра независимо от тока нагрузки, в каждую ячейку-стабилизатор введено переменное сопротивление R, определяющее наклон участка напряжения вольтамперной характеристики, и шунтирующее выход ячейки сопротивление R, определяющее наклон токового участка вольтамперной характеристики секции ИБС, а также датчик тока нагрузки, каждая ячейка-стабилизатор содержит отсекающий диод, связанный с обводной цепью, соединяющей катод указанного отсекающего диода с входным зажимом дросселя ключевого стабилизатора тока, и состоящей из обводного ключа и обводного диода, причем датчик тока нагрузки в каждой ячейке связан посредством блока управления с обводным ключом, а блок управления регулирует интервал проводимости обводного ключа в функции отношения величины тока нагрузки к току стабилизации:  общая точка соединения катодов всех отсекающих диодов связана с источником напряжения U, величина которого задает горизонтальный участок вольт-амперной характеристики имитатора секционированной солнечной батареи, отрицательный полюс источника U0 является общим для всех отрицательных полюсов ячеек-стабилизаторов, каждая ячейка соединяется с нагрузкой через положительный и отрицательный полюса.
Недостатки указанного устройства заключаются в сложности устройства, связанной с применением дополнительного датчика тока и вычислений, повышающих проблемность достижения требуемой точности стабилизации тока.
Задачей полезной модели является расширение арсенала многоканальных имитаторов секционированной солнечной батареи с повышенной точностью воспроизведения требуемых ВАХ, а также - повышение КПД и улучшение массогабаритных характеристик.
Поставленная задача в заявляемой полезной модели решается тем, что устройство для имитации секционированной солнечной батареи содержит N ячеек-стабилизаторов тока, по числу секций имитатора солнечной батареи, запитанных от источника стабилизированного напряжения постоянного тока и преобразователя сетевого напряжения в постоянное. Каждая ячейка-стабилизатор тока содержит источник постоянного тока в виде стабилизатора тока короткого замыкания имитатора, модуль вольтодобавки в виде преобразователя постоянного напряжения в постоянное, запитанный от преобразователя сетевого напряжения в постоянное, включенный между источником стабилизированного напряжения постоянного тока и источником постоянного тока, блок резисторов, включенный на выходе источника постоянного тока и содержащий шунтовый управляемый резистор Rш. В отличие от прототипа, в электрическом имитаторе каждый стабилизатор тока выполнен с двумя контурами управления, образованными двумя ключами, а также дросселем и возвратным диодом, при этом, первый ключ - входом, а второй - выходом, соединены с катодом диода, анод которого подключен к положительному полюсу емкостного фильтра источника стабилизированного напряжения постоянного тока, общей выходной шине модуля вольтодобавки и катоду отсекающего диода, катод возвратного диода соединен с выходом первого ключа, а через дроссель - с точкой соединения входа блока резисторов и анода отсекающего диода, при этом анод возвратного диода соединен с общей шиной нагрузки и источника стабилизированного напряжения постоянного тока, на выходе каждого канала установлены шунтирующий ключ, вариативная емкость, а для подключения к нагрузке введены разделительный диод и выходной коммутатор.
Источник стабилизированного напряжения постоянного тока выполнен в виде параллельно соединенных емкостного фильтра, зарядного и разрядного устройств, и запитан от сетевого выпрямителя с фильтром.
Зарядное устройство выполнено в виде конвертора постоянного тока в постоянный ток или переменного тока в постоянный ток с функцией стабилизации напряжения источника.
Разрядное устройство выполнено в виде рекуперирующего преобразователя на базе повышающего преобразователя с согласующим конвертором, выход которого нагружен на входной фильтр.
Преобразователь сетевого напряжения в постоянное и источник питания постоянного тока подключены к питающей сети через устройство коммутации.
Далее принцип работы электрического имитатора объясняется с помощью рисунков, на которых представлено: на Фиг. 1 - структурная схема имитатора, на Фиг. 2 - имитируемая вольт-амперная характеристика солнечной батареи.
1
N
Имитатор солнечной батареи в соответствии с полезной моделью содержит сетевой выпрямитель 1 на основе с входным фильтром 2 и преобразователь сетевого напряжения в постоянное 3, подключенные к питающей сети через коммутатор 4, источник стабилизированного напряжения U0 постоянного тока 5, и N секций ячеек-стабилизаторов 6-6.
Каждая ячейка-стабилизатор 6 включает источник постоянного тока в виде стабилизатора тока, состоящего из ключа 7, вход которого соединен с катодом диода 8 и выходом ключа 9, служащего для образования второго контура регулирования, дросселя 10 и возвратного диода И. Модуль вольтодобавки 12, введен в каждую ячейку в качестве источника энергии для формирования тока второго контура регулирования при работе на участке напряжения 26 (Фиг. 2). Источник стабилизированного напряжения U0 постоянного тока 5 выполнен в виде параллельно соединенных емкостного фильтра 13, зарядного устройства 14 и разрядного устройства 15.
Модуль вольтодобавки 12 запитан от преобразователя 3 и положительным выходным полюсом соединен с ключом 9, а отрицательным выходным полюсом соединен с положительным полюсом емкостного фильтра 13, анодом диода 8 и катодом отсекающего диода 16. Для формирования вольт-амперной характеристики солнечной батареи на выходе стабилизатора тока включен шунтирующий управляемый резистор 17, задающий наклон характеристики на участке тока. На выходе каждой ячейки имитатора находятся шунтирующий ключ 18, мгновенным отпиранием обеспечивающий защиту нагрузки при любой аварии имитатора солнечной батареи, обратный диод 19, защищающий выход от переполюсовки со стороны нагрузки, разделительный диод 20 и коммутатор 21, подключающие ячейку к нагрузке 22, вариативная емкость 23, позволяющая обеспечить имитацию солнечной батареи с заданной выходной емкостью.
Устройство работает следующим образом: через устройство коммутации 4 питание от сети поступает на выпрямитель 1 и преобразователь сетевого напряжения в постоянное 3. Выпрямленное напряжение от выпрямителя 1 после фильтра 2 понижается зарядным устройством 14 (конвертором) до уровня Uo на конденсаторах блока фильтра 13, определяющего напряжение холостого хода Uxx для всех ячеек имитатора. Зарядное устройство 14 осуществляет заряд блока фильтра 13 при сбросе нагрузки. Разрядное устройство 15 производит разряд блока фильтра 13 при набросе нагрузки и состоит из модулей повышающего преобразователя 24, осуществляющего преобразование уровня напряжения Uo в промежуточный повышенный уровень на своем выходе, и модуля конвертора сброса 25, осуществляющего следующее преобразование напряжения на своем входе и рекуперацию энергии во входной фильтр 2. Преобразователь 3 питает модули вольтодобавки 12 каждого канала, на выходах которых устанавливается постоянный уровень напряжения Цдоб, который, при последовательном соединении с уровнем Uo, в сумме дает напряжение позволяющее поддерживать уровень напряжения холостого хода Uxx имитатора, компенсируя потери на активном сопротивлении элементов, когда рабочая точка 27 (фиг. 2) вольт-амперной характеристики находится на участке напряжения 26 (фиг. 2). Стабилизатор тока обеспечивает регулирование и стабилизацию тока короткого замыкания 1кз через дроссель 10. Величиной резистора 17 задается наклон 28 на участке тока 29 вольт-амперной характеристики (фиг. 2).
Стабилизатор тока имеет два контура регулирования и стабилизации тока Iкз. Для пояснения рассмотрим процесс изменения сопротивления нагрузки при работе на участках тока и напряжения.
1
На участке тока 29 вольт-амперной характеристики, в т.ч. при коротком замыкании нагрузки канала имитатора, отсекающий диод 16 заперт. Транзисторный ключ 9 закрыт. Ключ 7 работает в режиме ШИМ с малым коэффициентом заполнения γ, равным отношению интервала проводимости ключа к периоду ШИМ. Когда ключ 7 открыт, ток в нагрузку протекает по цепи: 5(+) - диод 8 - ключ 7 - дроссель 10 - развязывающий диод 20 - контактор 21 - нагрузка 22 - 5(-). В моменты паузы (ключ 7 - заперт) ток в нагрузку протекает по цепи: дроссель 10(+) - развязывающий диод 20 - контактор 21 - нагрузка 22 - возвратный диод 11 - дроссель 10(-). При необходимости наклона волт-амперной характеристики на участке тока подключаются резисторы 17.
1
1
2
С ростом сопротивления нагрузки γ растет, увеличивая мощность в нагрузке. При достижении γ максимума ключ 7 полностью открывается. С этого момента на участке напряжения 26 вольт-амперной характеристики с малого γ начинается ШИМ ключа 9. Когда ключ 9 открыт, ток Iкз дросселя 10 распределяется по цепям: {источник 12(+) - ключ 9 - ключ 7 - дроссель 10 - развязывающий диод 20 - контактор 21 - нагрузка 22 - 5 (источник Uo) - 12 (источник Uдоб)(-)} и на полном холостом ходу {12 (источник Цдоб(+)) - ключ 9 - открытый ключ 7 - дроссель 10 - отсекающий диод 16 -12 (источник Цдоб(-))}. В моменты паузы ШИМ ключа 9 ток дросселя 10 распределяется по цепям: {дроссель 10(+) - развязывающий диод 20 - контактор 21 - нагрузка 22-5 (источник Uo) - диод 8 - ключ 7 - дроссель 10(-)} и {дроссель 10(+) - отсекающий диод 16 - диод 8 - ключ 7 - дроссель 10(-)}. Очевидно, что на холостом ходу нагрузки и отсутствии сопротивления 17 стабилизация тока Iкз дросселя 10 будет определяться малым контуром стабилизации, запитанным от низковольтного конвертора 12 напряжением Uдоб.
Вышеуказанный алгоритм управления обеспечивает безынерционность каналов имитатора, а также точное и без дополнительных экстремумов сопряжение участков напряжения и тока вольт-амперной характеристики, автоматически реализуемое в цифровом виде и не требующее настройки.
Наклон вольт-амперной характеристики на участке тока определяется величиной сопротивления 17 в соответствии с идеализированной статической ВАХ
н
ш
кз
н
U=R(I-I).