Автономная система электроснабжения

Автономная система электроснабжения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советскик

Социалистическик рес убп

ОП ИКАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН Ия

К АВТОРСКОМУ СВМДЕ ТЕ ЛЬСТВУ (iii847438

° Ф (61) Дополнительное к авт. свил-ву (22)Заявлено 17.07.79 (21) 2800031/24-07 с присоединением заявки рм (23) Приоритет (51)M. Кл.

Н 02 J 7/34

G 05 F 1/64

Гееударстввнный квинтет

СССР по аелвм изобтетений и вткрытий

Опубликовано 15.07. 81. Беллетень М 26

Дата опубликования описания (53) УДК 62! .355 °.1 (088.8).

А.П. Макаров, В.В.Сазонов, А. С и В. И. Пушкин (72) Авторы изобретения

Куйбышевский институт инженеров транспорта (7I } Заявитель (54) АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

2 ра орбиты и с датчиков напряжения и температуры АБ Pl).

Недостатком такой АСЭС является то, что уровень зарядного тока АБ определяется исходя лишь из длительности световой фазы предшествующего периода, без учета глубины разряда

АБ по емкости.

Известна также автономная система электроснабжения для регулирования заряда АБ, в которой используется шунтовой регулятор, управляемый на основе данных счетчика амперчасов, который определяет глубину разряда АБ.

Кроме того, для повышения точности контроля заряда АБ учитывается ее температура 1,21.

Однако в этой системе при регулировании тока заряда не учитывается изменение длительности световой фазы

ФЭП.

Общим недостатком рассмотренных систем является невысокая эффективность использования ФЭП по энергии

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к автономным системам электроснабжения (АСЭС), в которых в качестве первичных источников электроэнергии используются полупроводниковые фотопреобS разователи (ФЭП ), а для обеспечения нормальной работы системы в режиме сеансных нагрузок и в теневой фазе

ФЭП используются аккумуляторные батареи (АБ). Такие АСЭС применяются на необслуживаемых радиорелейных линиях, гидраметеоустановках, на летательных аппаратах и т.д.

Известна АСЭС, в которой функция устройства управления состоит в контроле и регулирования процесса заряда

AS. Такая АСЭС состоит из ФЭП и двух

АБ, одна из которых является рабочей, а другая резервной. Управление током заряда АБ осуществляется переключателем и шунтовым регулятором на основе информации, получаемой с таймеR(.K(. .OцЗет а

° Велижанскии те% ti,1тгнтчо ."-- -"- - := т- ::,:М !

1 Ь-" p:.-«f к:.- °

t железнодорожного

8474

3 (70-80 ). Это связано с тем, что

АСЭС постоянно подвергается воздействию различных динамических возмущений (из-за изменения освещенности

ФЭП, его температуры, влияния радиации, колебаний тока нагрузки и др.) и режим оптимального согласования ФЭП с объединенной нагрузкой (АБ и потребителем энергии) нарушается. Невысокая эффективность использования 10

ФЭП вызывает необходимость увеличения установленной мощности ФЭП, а следовательно, ее габаритов массы и ,,стоимости.

Известка также автономная систе- 15 ма электроснабжения спутника "Ve1a" (США), состоящая из двух одинаковых

ФЗП, последовательно с которыми включены регуляторы с широтно-импульсной модуляцией,и двух АБ. Регулирование 20 напряжения на нагрузке в этой АСЭС производится в функции тока заряда

АБ t3j . Однако данная .система обладает указанным недостатком.

Известны АСЭС, в которых повыше- 25 ние эффективности использования ФЭП достигается путем автоматической настройки на режим максимальной мощности, Одна из таких автономных систем электроснабжения содержит pery- 30 лятор, систему качания, измеритель мощности, фазочувствительный усилитель и интегрирующее устройство. Работа регулятора основана на непрерывном поиске точки максимапьной мощ- 35 ности ФЭП при помощи подключения дополнительной нагрузки 1 41.

Однако это вызывает снижение КПД

АСЗС.

Для устранения этого недостатка 40 была предложена схема регулятора мощкости, управляемого по основному возмущению — изменению температуры панелей ФЗП $5(.

Однако целью управления этого регулятора, также как и регулятора рассмотренного выше, является получение максимальной мощности от ФЭП. При таком управлении не учитывается режим работы АБ и многие другие факторы. 50

Большой ток заряда при большой величине мощности ФЭП в экстремальном режиме приводит к снижению ресурса AS.

Кроме того, после заряда AS и отключения ФЭП, если длительность свето- 55 вой фазы ФЭП больше минимальной, в течение ее оставшейся части происходит разряд АБ,что требует увеличения уста38 4 новлекной емкости АБ. Если же ФЭП включать для дозаряда АБ, то увеличивается число циклов заряд-разряд, что также отрицательно сказывается на емкости АБ.

Во всех рассмотренных АСЭС реалиk зуются частные задачи оптимального управления и не обеспечивается оптимизация работы системы в целом. Это приводит к необходимости устанавливать

ФЭП с избыточной мощностью, а АБ — с избыточной емкостью, что связано с увеличением габаритов, массы, стоимости и со снижением надежности АСЭС.

Таким образом, известные АС3С имеют невысокую эффективность.

Цель изобретения — повышение эффективности и надежности АСЭС.

Указанная цель достигается тем, чтб в АСЭС, содержащую датчики тока и уровня заряда АБ, счетчик амперчасов, подключенный к датчику тока АБ, датчик освещенности ФЭП, подключен— ный к нему таймер блок регулирования по току и блок настройки ка экстремум, введены дополнительно блок деления, запоминающее устройство, пороговое устройство, задатчик и сумматор, причем входы блока деления подключены к выходам таймера и счетчика амперчасов, а его выход через запоминающее устройство связан со входом порогового элемента и одним из входов задатчика, второй вход задатчика подключен к выходу счетчика амперчасов, а третий — к датчику уровня заряда, входы блока регулирования по току подключены к выходам задатчика, порогового элемента и датчика тока, входы блока настройки на экстремум подключены к выходам датчика тока, датчика уровня заряда и порогового элемента, а выходы обоих указанных блоков через сумматор связаны с управляющим входом регулятора мощности.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемой системы, на фиг.2временные диаграммы, поясняющие ее работу.

АСЭС состоит из фотопреобразователя 1 и подключенной к нему через регулятор мощности 2 аккумуляторной батареи 3. К батарее подсоединена нагрузка 4. Управляющий вход регулятора мощности (PM) через сумматор

5 подключен к блоку 6 регулирования по току(БРТ) и к блоку 7 наст38

3 8474 ройки на экстремум (БНЭ) . Входы БРТ подключены к задатчику 8, к одному из выходов порогового элемента (ПЭ)

9 и к датчику 10 тока. Входы БНЭ 7 подключены к другому выходу ПЭ 9 к датчику тока и к датчику 11 уровня заряда АБ. Один из входов задатчика 8 и вход ПЭ 9 связаны через запоминающее устройство 12 с блоком

13 деления, входы которого, в свою ig очередь, подключены к выходам таймера 14 и счетчика 15 амперчасов (САЧ).

Таймер подключен к датчику 16 освещенности, а САЧ вЂ” к датчику 10 тока.

Два других входа задатчика 8 подклю- . 1s чены к выхода САЧ и датчику 11 уровня заряда. Датчик уровня заряда подключен также ко входу САЧ, по которому производится его установка в исходное состояние. Датчик освещен- 2в ности подключен ко входу PM 2, производящему его отключение и ко вход блока 13 деления, по которому разрешается выполнение операции деления.

Система работает следующим образом.

В конце световой фазы (n-1)-го периода функционирования АСЭС таймер 1.4 по сигналу с датчика 16 освещенности фиксирует длительность 30 этой фазы Тс(n-1). Информация о величине Тс(п-1) держится в таймере до наступления световой фазы следующего и-го периода. САЧ 15 на основании информации с датчика 10 о значении то- З ка АБ определяет глубину разряда

Qp(n-1) АБ в теневой фазе (n-1)-го периода.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы освещенности Е панели ФЭП и 40 изменения разрядной емкости АБ 0р.

В момент начала световой фазы и-го периода по сигналу датчика освещенности (точка 1 на фиг. 2 )блок 13 делейия на основании информации о зна- 45 чениях Тс(n-1) Qp(n-1) производит определение уровня зарядного тока

АБ, необходимого для полного вос. полнения емкости АБ в течение свето вой фазы п-го периода, т.е. 30

l+(n) =apron- )iк (n-) где К вЂ” коэффициент запаса, учитывающий эффективность АБ по энергии, неравномерность потребления тока нагрузки и другие факторы (КзС1). 55

Информация о величине 1 (n) посЪ тупает в запоминающее устройство 12, а с него — на задатчик 8, на выхоп . которого устанавливается сигнал, пропорциональный величине . Тай5 мер сбрасывается в исходное состояние .

Если полученная величина 1 (n) оказывается меньше некоторого фиксированного значения l то ПЭ 9 включает БРТ 6. Управляющий сигнал с

БРТ через сумматор 5 поступает на

PM 2. Сравнивая сигнал с датчика 10, характеризующий текущее значение тока заряда АБ i, с сигналом задатчика

БРТ обеспечивает настройку РМ на режима заряда током 1 (n) .От ФЭП в этом режиме потребляется только мощность, необходимая для заряда АБ и питания нагрузки. Если по каким-либо причинам ток нагрузки возрастает, то это приводит к уменьшению тока заояпа АБ.

Однако БРТ настраивает PM таким образом, чтобы.i + вновь восстановил заданное значение. Возможное увеличение мощности нагрузки до значения, превышающего мощность ФЭП, учитывается коэффициентом К при настройке заЪ датчика.

При полном восстановлении емкости

АБ (точка 2 на фиг. 2) датчик 11 заряда сбрасыват САЧ на нуль и выдает сигнал, изменяющий настройку БРТ 6 на режим заряда небольшим, близким к нулю током. Это осуществляется установкой на выходе задатчика 8 сигнала, пропорционального сигналу на выходе САЧ.

При полном заряде АБ этот сигнал близок к нулю. РИ 2 в этом режиме обеспечивает потребление от ФЭП только мощности, требуемой для нормальной работы нагрузки.

Если к началу n-ro интервала величина ln (n) оказалась больше 1 о, то ПЭ 9 включает БНЭ 7, сигнал БНЭ через сумматор 5 поступает на вход

PM который в этом случае работает в режиме отбора от ФЭП максимальной мощности. Настройка БНЭ ведется по значению тока 1, поскольку максимальное значение l соответствует максимальному значению мощности ФЭП. Наст. ройка должна производиться с учетом ограничения величины i> на уровне допустимого зиачения. При полном заряде АБ по сигналу с датчика 11 управление передается на БРТ 6, настроенный на режим заряда по сигналу с САЧ.

7 84

Если в течение части световой фазы с оставшейся после восстановления емкости АБ, ток нагрузки в отдельные моменты превышает ток, который может обеспечить ФЭП, то происходит .заряд

АБ. Для восстановления емкости АБ сигналом с САЧ, который фиксирует величину разряда Ор, на выходе задатчика в этом режиме устанавливается сигнал, пропорциональный величине Qp.

Поэтому ток заряда оказывается также зависящим от величины Qp и дозаряд, происходит тем интенсивнее, чем больше глубина разряда АБ.

В момент прекращения действия светового потока (точка 3 на фиг. 2).по сигналу датчика освещенности РМ 2 отключается, за счет чего исключается работа АБ на ФЭП. В течение теневой фазы периода питание нагрузки осуществляется только от АБ. C начала (n+))-rn интервапа (точка 4 на фиг.2) описанныи процесс повторяется. До точки 5 ФЭП и АБ работают на нагрузку совместно.

В предлагаемой АСЭС достигается оптимальная работ" ФЭП и АБ в течение всего периода. Заряд АБ в световой фазы ФЭП производится током, не превышающим величину, минимально необходимую для восполнения емкости АБ до номинального значения. Эта величина корректируется с учетом длительности световой и теневой фаз. Чем больше

Тс, тем меньше разряд AS и тем меньше значение тока используется для ее заряда. Такой режим обеспечивает максимум ресурса АБ применительно к условиям ее работы в буферном режиме. В наиболее жестких режимах работы системы, когда величина Тс прирлиижается к минимальной и от ФЭП требуется отбирать максимум мощности, PN переводится в режим экстремального регулирования. Это дает возможность существенно снизить резервный запас мощности ФЭП.

Таким образом, эффективность предлагаемой системы с оптимальным управлением существенно выше, чем у известных АСЭС. Это позволяет при заданной мощности нагрузки снизить установленную мощность ФЭП и номинальную емкость AS, что приводит к уменьшению массы, габаритов и стоимости

АСЭС, повьппению ее надежности. Реализация рассмотренного принципа уп7438 8 равления в используемых АСЭС позво.ляет значительно увеличить их ресурс

Предлагаемая система по характеру функционирования является адаптивной (самоорганизующейся),поскольку она автоматически изменяет свою структуру и алгоритмы работы в зависимости от изменения внешних условий и анализа поведения системы.

lO К достоинствам системы следует отнести воэможность использования при реализации устройства управления хорошо отработанных стандартных блоков (блока деления, датчиков, блоков ре15 гулирования по току и настройки на экстремум).

Предложенное устройство управления может найти применение в АСЭС на базе ФЭП и злектрохимических АБ самых

2О различных объектов. Оно может быть также использовано в АСЭС, в которых в качестве первичных источников электроэнергии используются и другие неуправляемые преобразователи, например радиоизотопные генераторы.

В результате моделирования предлагаемой АСЭС на ЦВМ была показана возможность уменьшения необходимой мощности ФЭП на 15-257. и увеличения ресурса AS в 1,5-2 раза.

Формула изобретения

Автономная система электроснабжения, содержащая фотопреобразователь, аккумуляторную батарею, регулятор мощности фотопреобразователя, датчики тока и уровня заряда аккумуляторной 0 батареи, счетчик амперчасов, подключенный к датчику тока, датчик освещенности фотопреобразователя, подключенные к нему таймер, блок регулирования по току и блок настройки на экстремум, отличающаяся тем, что, с целью повьппения эффективности и надежности, в устройство введены блок деления, запоминающее устройство, пороговый элемент, задатчик и сумматор, входы блока деления подключены к выходам таймера и счетчика амперчасов, à его выход через запоминающее устройство связан со входом порогового элемента и одним из входом задатчика, второй вход которого пбдключен к выходу счетчика амперчасов, а третий — к датчику уровня заряда, при этом входы

9 84 блока регулирования по току подключены к выходам задатчика, порогового элемента и датчика тока, входы блока настройки на экстремум подключены к выходам датчика тока, датчик уровня заряда и порогового элемента, а выходы блоков регулирования по току и настройки на экстремум связаны через сумматор с управляющим входом регулятора мощности °

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Blonstein I.L. Some methods of

spacecraft battery control Proceedings of the 5 th International

Symposium held of Brighton. 1966, р. 496.

7438

2. Патент США 11 3740636, кл . 320-2, 1974.

3. Moses E.G. and Neisenring I.G.

Analysis of Satellite Power Systems

for Maximum Uti1isation of Power.

Advances in Enerqy ConversIon Engineering. 1967, р. 595-605.

4. Веденеев Г. М. и др. Статический экстремальный регулятор мощности

1р для автономной системы электроснабжения. Сб. "Повыщение эффективности устройств преобразовательной техники". ч. 2, Киев. "Наукова думка", 1972, с. 354-358.

5. Авторское свидетельство СССР по заявке У 2560823/07, кл. G 05 F 1/64, 1977.

847438

Ф. .г

Составитель И. Найдина

Редактор С. Тимохина Техред А. Савка Корректор Г. Решетник

Заказ 5517/82 Тираж 675 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д . 4/5

Филиал.ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4