Автономная система электроснабжения

Изобретение относится к электротехнике, к системам электроснабжения автономных объектов с использованием в качестве первичных источников энергии солнечных батарей, а в качестве накопителей энергии - аккумуляторных батарей. Технический результат - уменьшение количества оборудования. Сущность технического решения заключается в том, что использование солнечной батареи с дополнительной промежуточной шиной, включенной в цепь второго входного силового вывода стабилизатора напряжения, уменьшает амплитуду пульсации напряжения на обмотках дросселя стабилизатора напряжения при коммутации его ключевого элемента на величину напряжения промежуточной шины солнечной батареи, а введение в стабилизатор напряжения двухобмоточного дросселя и второго конденсатора реализует сглаживающий магнитно-связанный фильтр, который совместно с дополнительным диодом и четырьмя ключевыми элементами интегрирует в стабилизатор напряжения дополнительные функции заряда и разряда аккумуляторной батареи. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электроснабжения автономных объектов с использованием в качестве первичных источников энергии солнечных батарей, а в качестве накопителей энергии - аккумуляторных батарей.

Известна автономная система электроснабжения (СЭС), состоящая из солнечной и аккумуляторной батарей, стабилизатора напряжения, зарядного и разрядного устройств, первые входные силовые выводы стабилизатора напряжения и зарядного устройства соединены с потенциальной шиной солнечной батареи, первый выходной силовой вывод зарядного устройства и первый входной силовой вывод разрядного устройства соединены с потенциальной шиной аккумуляторной батареи, первые выходные силовые выводы стабилизатора напряжения и разрядного устройства соединены с выходной потенциальной шиной СЭС, вторые входные и выходные силовые выводы стабилизатора напряжения, зарядного и разрядного устройств, а также нулевая шина солнечной и аккумуляторной батарей соединены с нулевой выходной шиной СЭС [1].

При наличии энергии в солнечной батарее стабилизатор напряжения передает ее энергию бортовым потребителям, а зарядное устройство питает аккумуляторную батарею. При отсутствии энергии в солнечной батарее питание бортовых потребителей осуществляется разрядным устройством от аккумуляторной батареи.

Недостатком известной СЭС является большое количество оборудования, а также большая величина коммутируемого напряжения на дросселе стабилизатора напряжения, что ухудшает массогабаритные показатели системы.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является СЭС, состоящая из солнечной и аккумуляторной батарей, зарядного и разрядного устройств и стабилизатора напряжения, первые входные силовые выводы стабилизатора напряжения и зарядного устройства соединены с потенциальной шиной солнечной батареи, первый выходной силовой вывод зарядного устройства, первый входной силовой вывод разрядного устройства и второй входной силовой вывод стабилизатора напряжения соединены с потенциальной шиной аккумуляторной батареи, первые выходные силовые выводы стабилизатора напряжения и разрядного устройства соединены с выходной потенциальной шиной СЭС, вторые входные и выходные силовые выводы зарядного поразрядного устройств, второй выходной силовой вывод стабилизатора напряжения, а также нулевые шины солнечной и аккумуляторной батарей соединены с нулевой выходной шиной СЭС [2].

В известной СЭС соединение второго входного силового вывода стабилизатора напряжения с потенциальной шиной аккумуляторной батареи уменьшает величину коммутируемого напряжения на дросселе стабилизатора напряжения на значение напряжения аккумуляторной батареи.

Недостатком известной СЭС является большое количество оборудования.

Цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении количества оборудования.

Поставленная цель достигается тем, что в СЭС, состоящей из солнечной и аккумуляторной батарей и стабилизатора напряжения, который содержит ключевой элемент, диод, обмотку дросселя и конденсатор, первый силовой вывод ключевого элемента соединен с первым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, первый вывод диода соединен со вторым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй силовой вывод ключевого элемента и второй вывод диода соединены с первым выводом обмотки дросселя, второй вывод обмотки дросселя и первый вывод конденсатора соединены с первым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй вывод конденсатора соединен со вторым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения, первый входной силовой вывод стабилизатора напряжения соединен с потенциальной шиной солнечной батареи, первый выходной силовой вывод стабилизатора напряжения соединен с выходной потенциальной шиной СЭС, нулевые шины солнечной и аккумуляторной батарей, второй выходной силовой вывод стабилизатора напряжения соединены с нулевой выходной шиной СЭС, солнечная батарея выполнена с дополнительной промежуточной шиной, которая соединена со вторым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, а в стабилизатор напряжения дополнительно введены: вторая обмотка дросселя, второй конденсатор и второй ключевой элемент, второй вывод второго конденсатора соединен с первым выводом второй обмотки дросселя, первый вывод второго конденсатора соединен с первым выводом первой обмотки дросселя, второй вывод второй обмотки дросселя соединен с первым силовым выводом второго ключевого элемента, второй силовой вывод второго ключевого элемента соединен со вторым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения, кроме того, в стабилизатор напряжения дополнительно введены: третий входной силовой вывод, третий и четвертый ключевые элементы, первые силовые выводы третьего и четвертого ключевых элементов соединены с третьим входным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй силовой вывод третьего ключевого элемента соединен с первым выводом второй обмотки дросселя, второй силовой вывод четвертого ключевого элемента соединен с первым выводом первой обмотки дросселя, кроме того, в стабилизатор напряжения дополнительно введены: пятый ключевой элемент и второй диод, первый силовой вывод пятого ключевого элемента соединен с первым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй силовой вывод пятого ключевого элемента соединен с первым выводом второй обмотки дросселя, первый вывод второго диода соединен со вторым выводом второй обмотки дросселя, второй вывод второго диода соединен с третьим входным силовым выводом стабилизатора напряжения.

Сущность технического решения заключается в том, что использование солнечной батареи с дополнительной промежуточной шиной, включенной в цепь второго входного силового вывода стабилизатора напряжения, уменьшает амплитуду пульсации напряжения на обмотках дросселя стабилизатора напряжения при коммутации его ключевого элемента на величину напряжения промежуточной шины солнечной батареи, а введение в стабилизатор напряжения двухобмоточного дросселя и второго конденсатора реализует сглаживающий магнитно-связанный фильтр [3], который совместно с дополнительным диодом и четырьмя ключевыми элементами интегрирует в стабилизатор напряжения дополнительные функции заряда и разряда аккумуляторной батареи.

На чертеже приведена схема предлагаемой СЭС, она содержит солнечную батарею 1, аккумуляторную батарею 2, стабилизатор напряжения 3 и бортовые потребители 4. Солнечная батарея 1 имеет нулевую, потенциальную U_1СБ и промежуточную U_2СБ шины. Стабилизатор напряжения 3 состоит из пяти ключевых элементов 5, 10-13, двух диодов 6 и 14, двухобмоточного дросселя 7 с обмотками 7.1 и 7.2, двух конденсаторов 8 и 9, первые силовые выводы ключевых элементов 5 и 13 соединены с первым входным силовым выводом стабилизатора напряжения 3, первый вывод диода 6 соединен со вторым входным силовым выводом стабилизатора напряжения 3, первые силовые выводы ключевых элементов 11, 12 и второй вывод диода 14 соединены с третьим входным силовым выводом стабилизатора напряжения 3, второй силовой вывод ключевых элементов 5 и 12, второй вывод диода 6, первый вывод конденсатора 9 и первый вывод обмотки 7.1 дросселя 7 соединены между собой, вторые силовые выводы ключевых элементов 11 и 13, второй вывод конденсатора 9 и первый вывод обмотки 7.2 дросселя 7 соединены между собой, второй вывод обмотки 7.1 дросселя 7, первый вывод конденсатора 8 соединен с первым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения 3, второй вывод обмотки 7.2 дросселя 7, первый вывод диода 14 и первый силовой вывод ключевого элемента 10 соединены между собой, второй вывод ключевого элемента 10 и второй вывод конденсатора 8 соединены со вторым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения 3. Первый входной силовой вывод стабилизатора напряжения 3 соединен с потенциальной шиной U_1СБ солнечной батареи 1, второй входной силовой вывод стабилизатора напряжения 3 соединен с промежуточной шиной U_2СБ солнечной батареи 1, третий входной силовой вывод стабилизатора напряжения 3 соединен с потенциальной шиной U_АБ аккумуляторной батареи 2, первый выходной силовой вывод стабилизатора напряжения 3 соединен с потенциальной шиной бортовых потребителей 4, являющейся выходной шиной U_н СЭС, нулевая шина солнечной батареи 1, нулевая шина аккумуляторной батареи 2 и второй выходной силовой вывод стабилизатора напряжения 3 соединены с нулевой шиной бортовых потребителей 4, являющейся нулевой выходной шиной U₀ СЭС.

Автономная СЭС, состоящая из (см. чертеж) солнечной батареи 1, аккумуляторной батареи 2, стабилизатора напряжения 3 и бортовых потребителей 4 со стабилизатором напряжения 3, содержащим пять ключевых элементов 5, 10-13, дроссель 7 с обмотками 7.1 и 7.2, два диода 6, 14 и два конденсатора 8, 9, работает следующим образом:

При наличии энергии в солнечной батарее 1 и заряженной аккумуляторной батарее 2 стабилизацию напряжения на выходной потенциальной шине U_н осуществляют коммутацией ключевого элемента 5 при замкнутом ключевом элементе 10 и разомкнутых ключевых элементах 11-13. При этом на периоде коммутации при замкнутом состоянии ключевого элемента 5 энергия солнечной батареи 1 с потенциальной шины U_СБ1 поступает на выходную шину U_н и накапливается в дросселе 7, увеличивая суммарный ток обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 в соответствии с выражением $$\Delta \left(I_{L7.1}+I_{L7.2}\right)=\frac{\left(U_{СБ1}-U_{н}\right)t_{з}}{L}$$ ,

где L - индуктивность обмоток дросселя 7, t_з - длительность замкнутого состояния ключевого элемента 5, (U_СБ1-U_н) - значение напряжения, поступающего на обмотки дросселя 7.

При разомкнутом состоянии ключевого элемента 5 на выходную шину U_н поступают энергия солнечной батареи, 1 с промежуточной шины U_СБ2 и накопленная в дросселе 7, уменьшая суммарный ток обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 в соответствии с выражением

$$\Delta \left(I_{L7.1}+I_{L7.2}\right)=\frac{\left(U_{СБ2}-U_{н}\right)t_{р}}{L}$$ ,

где t_р - длительность разомкнутого.состояния ключевого элемента 5, (U_СБ2-U_н) - значение напряжения, поступающего на обмотки дросселя 7.

В этом режиме соединение второго входного силового вывода стабилизатора напряжения 3 с промежуточной шиной U_СБ2 солнечной батареи 1 уменьшает величину коммутируемого напряжения на обмотках дросселя 7 на значение напряжения промежуточной шины U_СБ2 солнечной батареи 1, что, в свою очередь, уменьшает амплитуду переменной составляющей суммарного тока обмоток дросселя 7, при этом на выходную шину U_н СЭС поступает ток обмотки 7.1 дросселя 7.

При отсутствии энергии в солнечной батарее 1 и заряженной аккумуляторной батареи 2 стабилизация напряжения на выходной потенциальной шине U_н осуществляют поочередной коммутацией ключевых элементов 11 и 12 при разомкнутых ключевых элементах 5, 13 и замкнутом ключевом элементе 10. При этом на периоде коммутации при замкнутом состоянии ключевого элемента 11 и разомкнутом состоянии ключевого элемента 12 энергия аккумуляторной батареи 2 с потенциальной шины U_АБ накапливается в дросселе 7, увеличивая суммарный ток обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 в соответствии с выражением

$$\Delta \left(I_{L7.1}+I_{L7.2}\right)=\frac{U_{АБ}{t}_{з}}{L}$$ ,

где t_з - длительность замкнутого состояния ключевого элемента 11, (U_АБ) - значение напряжения, поступающего на обмотки дросселя 7.

При разомкнутом состоянии ключевого элемента 11 и замкнутом состоянии ключевого элемента 12 на выходную шину U_н поступают энергия аккумуляторной батареи 2 с потенциальной шины U_АБ и энергия, накопленная в дросселе 7, уменьшая суммарный ток обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 в соответствии с выражением

$$\Delta \left(I_{L7.1}+I_{L7.2}\right)=\frac{\left(U_{АБ}-U_{н}\right)t_{р}}{L}$$ ,

где t_р - длительность разомкнутого состояния ключевого элемента 11, (U_АБ-U_н) - значение напряжения, поступающего на обмотки дросселя 7.

В этом режиме переключение суммарного тока обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 с ключевого элемента 11 на ключевой элемент 12 и обратно происходит через конденсатор 9, а на выходную шину U_н СЭС поступает ток обмотки 7.1 дросселя 7.

При наличии энергии в солнечной батарее 1 и разряженной аккумуляторной батареи 2 стабилизация напряжения на выходной потенциальной шине U_н осуществляют коммутацией ключевого элемента 13 при разомкнутом состоянии ключевых элементов 5, 10-12. При этом на периоде коммутации при замкнутом состоянии ключевого элемента 13 энергия солнечной батареи 1 с потенциальной шины U_СБ1 поступает на потенциальную шину U_АБ аккумуляторной батареи (заряжает аккумуляторную батарею) и накапливается в дросселе 7, увеличивая суммарный ток обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 в соответствии с выражением

$$\Delta \left(I_{L7.1}+I_{L7.2}\right)=\frac{\left(U_{СБ1}-U_{АБ}\right)t_{з}}{L}$$ ,

где t_з - длительность замкнутого состояния ключевого элемента 13, (U_СБ1-U_АБ) - значение напряжения, поступающего на обмотки дросселя 7.

При разомкнутом состоянии ключевого элемента 13 на выходную шину U_н поступают энергия солнечной батареи 1 с промежуточной шины U_СБ2 и энергия, накопленная в дросселе 7, уменьшая суммарный ток обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 в соответствии с выражением

$$\Delta \left(I_{L7.1}+I_{L7.2}\right)=\frac{\left(U_{СБ2}-U_{н}\right)t_{р}}{L}$$ ,

где t_р - длительность разомкнутого состояния ключевого элемента 13, (U_СБ2-U_н) -значение напряжения, поступающего на обмотки дросселя 7.

В этом режиме переключение суммарного тока обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 с ключевого элемента 13 на диод 6 и обратно происходит через конденсатор 9, на выходную шину U_н СЭС поступает ток обмотки 7.1 дросселя 7, а заряд аккумуляторной батареи осуществляют током обмотки 7.2 дросселя 7.

Таким образом, использование в СЭС солнечной батареи 1 с дополнительной промежуточной шиной, включенной в цепь второго входного силового вывода стабилизатора напряжения 3, уменьшает амплитуду пульсации напряжения на обмотках дросселя 7 в режиме стабилизации выходного напряжения СЭС от солнечной батареи 1, а введение в состав стабилизатора напряжения 3 дросселя 7 с двумя обмотками 7.1, 7.2 и второго конденсатора 9 реализует сглаживающий магнитно-связанный фильтр, который совместно с дополнительным диодом 14 и четырьмя ключевыми элементами 10-13 интегрирует в стабилизатор напряжения 3 дополнительные функции заряда и разряда аккумуляторной батареи 2, кроме того, на выходную шину U_н СЭС во всех режимах работы поступает ток обмотки 7.1 дросселя 7, величина переменной составляющей которого меньше переменной составляющей суммарного тока обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7.

ЛИТЕРАТУРА

1. Варианты построения экстремальных шаговых регуляторов мощности солнечных батарей. / Ю.А.Шиняков, К.Г.Гордеев, С.П.Черданцев, П.В.Обрусник // Труды ВНИИЭМ. -М., 1997. Т.97. Электромеханические устройства космических аппаратов. С.83-92.

2. Патент РФ №2402136, МПК⁷ Н02J 7/00, Н02J 7/34, опубл. 20.10.2010Э, БИПМ №29 (прототип).

3. Магнитно-связанный сглаживающий фильтр для импульсных регуляторов и преобразователей постоянного напряжения. / А.Г.Поликарпов и др. - ЭТвА, 1986, вып.17, с.116-121.

1. Автономная система электроснабжения (СЭС), состоящая из солнечной и аккумуляторной батарей и стабилизатора напряжения, содержащего ключевой элемент, диод, дроссель с одной обмоткой и конденсатор, первый силовой вывод ключевого элемента соединен с первым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, первый вывод диода соединен со вторым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй силовой вывод ключевого элемента и второй вывод диода соединены с первым выводом обмотки дросселя, второй вывод обмотки дросселя и первый вывод конденсатора соединены с первым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй вывод конденсатора соединен со вторым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения, первый входной силовой вывод стабилизатора напряжения соединен с потенциальной шиной солнечной батареи, первый выходной силовой вывод стабилизатора напряжения соединен с выходной потенциальной шиной СЭС, нулевые шины солнечной и аккумуляторной батарей, второй выходной силовой вывод стабилизатора напряжения соединены с нулевой выходной шиной СЭС, отличающаяся тем, что солнечная батарея выполнена с дополнительной промежуточной шиной, которая соединена со вторым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, а в стабилизатор напряжения дополнительно введены: вторая обмотка дросселя, второй конденсатор и второй ключевой элемент, второй вывод второго конденсатора соединен с первым выводом второй обмотки дросселя, первый вывод второго конденсатора соединен с первым выводом первой обмотки дросселя, второй вывод второй обмотки дросселя соединен с первым силовым выводом второго ключевого элемента, второй силовой вывод второго ключевого элемента соединен со вторым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения.

2. СЭС по п.1, отличающаяся тем, что в стабилизатор напряжения дополнительно введены: третий входной силовой вывод, третий и четвертый ключевые элементы, первый силовой вывод третьего и четвертого ключевых элементов соединены с третьим входным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй силовой вывод третьего ключевого элемента соединен с первым выводом второй обмотки дросселя, второй силовой вывод четвертого ключевого элемента соединен с первым выводом первой обмотки дросселя.

3. СЭС по п.1, отличающаяся тем, что в стабилизатор напряжения дополнительно введены пятый ключевой элемент и второй диод, первый силовой вывод пятого ключевого элемента соединен с первым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй силовой вывод пятого ключевого элемента соединен с первым выводом второй обмотки дросселя, первый вывод второго диода соединен со вторым выводом второй обмотки дросселя, второй вывод второго диода соединен с третьим входным силовым выводом стабилизатора напряжения.