Система управления импульсным силовым понижающим преобразователем в режиме среднего тока - RU2767050C1

Чертежи

Описание

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно: к области преобразовательной электротехники, в частности, к системам управления импульсными силовыми преобразователями по контролируемым напряжению и току, и может найти применение для электропитания разных устройств во многих областях техники, например, в мощных импульсных понижающих преобразователях, используемых для заряда аккумуляторной батареи на борту летательного аппарата с гибридной силовой установкой, а также в источниках вторичного электропитания оборудования и функциональной аппаратуры летательных аппаратов со стабилизированными напряжением и предельным током в нагрузке.

Решением проблемы повышения уровней загрязнения окружающей среды и шума и вибраций вследствие увеличения количества авиаперевозок может стать по аналогии с автомобилями замена традиционных летательных аппаратов с двигателем внутреннего сгорания на полностью электрические или частично электрические, гибридные летательные аппараты. Среди прочего проблема создания таких летательных аппаратов обусловлена разработкой силовых установок небольшого веса и габаритов с большим КПД с оптимальным распределением и использованием энергии на борту летательных аппаратов.

Энергия может запасаться в суперконденсаторах, топливных элементах и литиевых батареях, которые характеризуются плотностью энергии, удельной мощностью, сроком службы и стоимостью.

Суперконденсаторы обладают высокой удельной мощностью и обеспечивают длительный срок службы с высоким КПД, а также быструю зарядку/разрядку [1, 2], и могут работать в широком диапазоне температур. Их главный недостаток - высокая стоимость и большой вес при меньшей удельной энергии по сравнению с аккумуляторными батареями. Поэтому суперконденсаторы используются там, где требуется несколько циклов или когда нет альтернативы из-за экстремальных рабочих температур.

В отличие от аккумуляторной батареи, топливный элемент непрерывно вырабатывает электричество. Топливные элементы могут достигать плотности более 1000 Вт/кг [3]. Использование топливных элементов позволяет перераспределять тягу, что положительно сказывается на аэродинамической эффективности летательных аппаратов. Кроме того, многофункциональная интеграция водородного топливного элемента в летательный аппарат позволяет использовать побочные продукты как вода, тепло или обедненный кислород для обеспечения таких жизненно важных процессов, как борьба с обледенением, кондиционирование, водоснабжение [4]. Однако, для функционирования топливных элементов необходимы резервуары для водорода, система для управления отводом тепла, что существенно влияет на массу этого источника энергии, и также сказывается на эффективности его использования на борту летательных аппаратов [5].

Литиевые аккумуляторные батареи обладают высокой плотностью энергии, малым весом, могут быть достаточно компактными и эргономичными. Их основным преимуществом по сравнению с топливными элементами является возможность зарядки во время полета. Кроме того, их можно подключать последовательно и параллельно для увеличения рабочего напряжения и/или тока. Однако очень важно правильно управлять работой аккумуляторов и состоянием их заряда на борту электрического самолета. Особое внимание следует уделять циклам зарядки и разрядки аккумулятора. Неправильная работа аккумуляторных батарей, их перегрузка, повреждение или короткое замыкание могут стать причиной возгорания. Для обеспечения правильных режимов заряда литиевых батарей необходим оптимально работающий силовой преобразователь с контролем тока и напряжения заряда в процессе зарядки [4-10].

Известна система управления стабилизированным ключевым преобразователем напряжения, содержащая ключевой усилитель мощности, фильтр нижних частот, электрическую цепь обратной связи по напряжению, шину опорного напряжения, вычитающее устройство и широтно-импульсный модулятор, соединенный входом к выходу вычитающего устройства, а выходом - к входу управления ключевого усилителя мощности, выводы электропитания которого подключены к соответствующим шинам электропитания, а выходы через фильтр нижних частот к шинам нагрузки и входу цепи обратной связи по напряжению, усилитель разностного сигнала, вычитающее устройство, электрическую цепь обратной связи по току и датчик тока, подключенный выводами между выходами ключевого усилителя мощности и входами фильтра нижних частот, а выходом соединенный с входом электрической цепи обратной связи по току, выход которой подключен к первому входу вычитающего устройства, второй вход которой соединен с выходом усилителя разностного сигнала, первый вход которого подключен к шине опорного напряжения, а второй вход - к выходу электрической цепи обратной связи по напряжению, кабельный соединитель с известным проходным сопротивлением, причем усилитель разностного сигнала имеет дополнительный вход, соединенный с дополнительным выходом электрической цепи обратной связи по току, коэффициент передачи которого определяется пропорциональным известному проходному сопротивлению кабельного соединителя, включенного в шины нагрузки [11].

Недостатком данного технического решения является то, что выходной сигнал после усилителя разностного напряжения (усилителя ошибки по напряжению) является задающим сигналом для петли обратной связи по току, состоящей из датчика тока, цепи обратной связи по току, вычитающего устройства и модулятора. При этом сигнал с усилителя ошибки определяется целиком параметрами усилителя, следствием чего является его недостаточная температурная стабильность и невозможность регулировки этого выходного сигнала.

Известна система управления силовым преобразователем, содержащая устройство переключения, имеющее состояния включения и выключения, соединенные с постоянным напряжением для пропускания напряжения в соответствии с управляющим сигналом, подаваемым на устройство переключения; соединенное с устройством переключения устройство для измерения тока, проходящего через устройство переключения, когда устройство переключения находится во включенном состоянии; устройство хранения энергии, соединенное с устройством измерения тока для поддержания постоянного выходного тока нагрузки от силового преобразователя, когда устройство переключения находится в состоянии выключения; устройство для формирования управляющего сигнала для устройства переключения в соответствии с тактовым сигналом, имеющим заданную частоту, первым управляющим сигналом с обратной связью, вторым управляющим сигналом с обратной связью, генерируемым устройством для измерения тока, проходящего через устройство переключения, и третьим управляющим сигналом с обратной связью; устройство для измерения выходного напряжения силового преобразователя или тока выходной нагрузки для обеспечения регулирования измеренного выходного напряжения или тока выходной нагрузки; соединенное с выходным чувствительным устройством и заданным выходным опорным сигналом устройство для генерирования первого сигнала управления с обратной связью, соединенное на выходе устройства хранения энергии с выходным напряжением силового преобразователя устройство для непрерывной выборки выходного напряжения и соединенное с устройством выборки выходного напряжения устройство формирования третьего сигнала управления с обратной связью [12].

Недостатком данного технического решения являются сложность исполнения, наличие двух датчиков тока и низкая помехоустойчивость. При использовании данной топологии для зарядки батареи необходимо также использовать внешнее дополнительное устройство для контроля переключателя.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является система управления импульсным силовым понижающим преобразователем в режиме среднего тока, содержащая первый и второй операционные усилители, резисторы и датчик тока для измерения тока в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя, выводящий сигнал, соответствующий току в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя, совместно с интегрирующими RC-цепями обратной связи по току и по напряжению для формирования проинтегрированного сигнала ошибки, подаваемого непосредственно на модулятор, контролирующий совместно с датчиком тока для измерения тока в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя коммутационное устройство, формирующее совместно с индуктором импульсного силового понижающего преобразователя электрическую цепь импульсного силового понижающего преобразователя [13].

Хотя данная схема управления силовым преобразователем, основанная на контроле среднего тока в силовой электрической цепи, и обеспечивает быстрый динамический отклик с датчика тока, стабильность напряжения преобразователя, возможность работы в прерывистом режиме, а также ограничение полосы пропускания сигнала обратной связи, недостатком данного технического решения являются низкие стабильность и эффективность в целом работы импульсного силового понижающего преобразователя как по напряжению, так и по току.

Новым достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение стабильности функционирования системы управления силовым преобразователем при зарядке аккумуляторной батареи как по напряжению, так и по току, при обеспечении высокого отношения мощности преобразователя к его массе и его высокой эффективности.

Новый технический результат достигается тем, что в систему управления импульсным силовым понижающим преобразователем в режиме среднего тока, содержащую первый и второй операционные усилители, резисторы и датчик тока для измерения тока в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя, выводящий сигнал, соответствующий току в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя, совместно с интегрирующими RC-цепочками обратной связи по току и по напряжению для формирования проинтегрированного сигнала ошибки, подаваемого на модулятор, контролирующий совместно с датчиком тока для измерения тока в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя коммутационное устройство, формирующее совместно с индуктором импульсного силового понижающего преобразователя электрическую цепь импульсного силового понижающего преобразователя, в отличие от прототипа, дополнительно введены понижающий резистор, третий операционный усилитель и диод, формирующие мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, функционирующий при открытом диоде как повторитель, при этом на вход мультиплексора подается опорный сигнал, соответствующий заданному предельному значению тока, второй вход мультиплексора электрически связан с выходом второго операционного усилителя и входом первого операционного усилителя, а выход мультиплексора электрически связан со входом первого операционного усилителя.

Коммутационное устройство может быть выполнено в виде полевого транзистора и диода Шоттки.

Датчик тока для измерения тока в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя выполнен может быть в виде датчика компенсационного типа с элементом Холла.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема системы управления силовым преобразователем в режиме среднего тока.

Система управления импульсным силовым понижающим преобразователем в режиме среднего тока содержит первый и второй операционные усилители 1, 2, резисторы 3, 4 и датчик тока 5 для измерения тока в индукторе 6 импульсного силового понижающего преобразователя, первую RC-цепочку 7, 8, 9 частотной коррекции обратной связи по току для формирования проинтегрированного сигнала ошибки на входе модулятора 10, вторую RC-цепочку 11, 12 частотной коррекции обратной связи по напряжению, коммутационное устройство, понижающий резистор 13.

Петля обратной связи по току системы управления силовым понижающим преобразователем в режиме среднего тока содержит датчик тока 5 для измерения тока в индукторе 6 импульсного силового понижающего преобразователя, модулятор 10, первый операционный усилитель 1, первую RC-цепочку 7, 8, 9 частотной коррекции обратной связи по току для формирования проинтегрированного сигнала ошибки на входе модулятора 10. Петля стабилизации напряжения системы управления силовым понижающим преобразователем в режиме среднего тока содержит делитель напряжения из резисторов 3, 4, вторую RC-цепочку 11, 12 частотной коррекции, третий операционный усилитель 14, понижающий резистор 13 и диод 15, формирующие мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения (фиг. 1).

Мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения предназначен для пропускания на выход наименьшего из поданных на его входы сигнала: при открытом диоде 15 мультиплексор пропускает на выход опорный сигнал, соответствующий заданному предельному току, который подается на один из его входов, а при закрытом диоде 15 пропускает на выход сигнал ошибки со второго операционного усилителя 2, подаваемый на другой вход мультиплексора. Сигнал с выхода мультиплексора поступает на вход первого операционного усилителя 1.

Мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения позволяет импульсному силовому понижающему преобразователю работать также в режиме стабилизации тока, причем значение выходного тока импульсного силового понижающего преобразователя можно задавать с высокой точностью и оперативно менять.

Индуктор 6 предназначен для накопления электрической энергии.

В качестве индуктора 6 может быть использован, например, силовой дроссель с сердечником из ферромагнетика или сендаста с высокой магнитной проницаемостью, работающим на частотах сотни кГц.

Модулятор 10 предназначен для формирования импульсов управления коммутационным элементом нужной длительности.

В качестве модулятора 10 может быть использован, например, компаратор LMV7239.

Операционные усилители 1, 2, 14 предназначены для усиления разности входного и опорного сигналов.

В качестве операционных усилителей 1, 2, 14 может быть использован, например, AD8604ARZ.

Резисторы 3, 4, 7, 9, 12 предназначены для формирования нужной передаточной функции цепи обратной связи по току и по напряжению.

В качестве резисторов 3, 4, 7, 9, 12 могут быть использованы, например, металлопленочные smd-резисторы типоразмера 0805.

В качестве конденсаторов 8, 11 могут быть использованы керамические smd-конденсаторы 0805.

Понижающий резистор 13 предназначен для регулировки уровня напряжения на выходе мультиплексора принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения.

В качестве понижающего резистора 13 может быть использован, например, smd-резистор типоразмера 0805.

Датчик тока 5 предназначен для измерения тока в индукторе 7.

В качестве датчика тока 5 может быть использован, например, датчик Холла ACS730KLCTR с высокой чувствительностью.

Диод 15 предназначен для обеспечения возможности функционирования третьего операционного усилителя 15 в качестве мультиплексора принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения.

В качестве диода 15 может быть использован, например, диод 1N4148. Коммутационное устройство предназначено для переключения режима работы преобразователя.

Коммутационное устройство может быть выполнено в виде силового полевого транзистора 16 и мощного диода Шоттки 17.

Полевой транзистор 16 выполняет роль управляемого ключа в силовом понижающем преобразователе.

В качестве полевого транзистора 16 может быть использован, например, силовой карбид-кремниевый транзистор C2M0045170D.

Диод Шоттки 17 предназначен для реализации работы импульсного силового понижающего преобразователя и выполняет роль неуправляемого ключа в импульсном силовом понижающем преобразователе.

В качестве диода Шоттки 17 может быть использован, например, карбид-кремниевй диод C5D10170H.

Конденсатор 18 предназначен для сглаживания пульсации выходного сигнала напряжения Vout с выхода импульсного силового понижающего преобразователя.

Система управления силовым преобразователем в режиме среднего тока работает следующим образом.

Предлагаемая система управления импульсным силовым понижающим преобразователем в режиме среднего тока управления основана на обеспечении контроля режима среднего тока преобразователя.

На вход импульсного силового понижающего преобразователя приходит постоянное напряжение Vin. Управление импульсным силовым понижающим преобразователем реализовано через обратную связь по напряжению и току. Датчик тока 5 измеряет ток, который течет через индуктор 6. Сигнал тока поступает на усилитель сигнала ошибки по току, включающий первый операционный усилитель 1 и первую RC-цепочку 7, 8, 9 частотной коррекции обратной связи по току для обеспечения устойчивой работы первого операционного усилителя 1. Таким образом, на вход первого операционного усилителя 1 поступают сигнал напряжения Vis, пропорциональный току в индукторе, и сигнал напряжения Vset. Значение сигнала напряжения Vset формируется в зависимости от значения опорного напряжения Vref1, значения опорного напряжения Vref2 и текущего значения напряжения Vout на выходе импульсного силового понижающего преобразователя, формирующегося на нагрузке 19, в качестве которой может служить аккумуляторная батарея. Напряжение Vout после делителя напряжения, содержащего резисторы 3 и 4, поступает на усилитель ошибки по напряжению, содержащий второй операционный усилитель 2 и вторую корректирующую RC-цепочку 11, 12 частотной коррекции, где сравнивается с опорным значением напряжения Vref1. Второй операционный усилитель 2 формирует сигнал ошибки Е, который вместе с установленным опорным напряжением Vref2 поступает на вход мультиплексора принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, содержащего понижающий резистор 13, третий операционный усилитель 14 и диод 15. Если сигнал ошибки Е больше значения Vref1, то диод 15 открыт, мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения работает как повторитель, и сигнал напряжения Vset равен сигналу напряжения Vref2. В этом случае импульсный силовой понижающий преобразователь работает как стабилизатор тока. Если сигнал ошибки Е меньше значения опорного напряжения Vref2, то диод 15 закрыт и сигнал напряжения Vset равен Е, так как падением напряжения на понижающем резисторе 13 можно пренебречь. В этом случае импульсный силовой понижающий преобразователь работает как стабилизатор напряжения. Сигнал с выхода первого операционного усилителя 1 Veca поступает на модулятор 10, где данный сигнал сравнивается с пилообразным сигналом напряжения Vramp. На выходе модулятора 10 формируются управляющие импульсы напряжения нужной скважности, которые после драйвера 20 поступают на затвор полевого транзистора 16.

Благодаря наличию двух петель обратной связи в импульсном силовом понижающем преобразователе: 1) по току, образованной датчиком среднего тока 5 и усилителем ошибки по току, включающем первый операционный усилитель 1 и первую RC-цепочку 7, 8, 9 частотной коррекции обратной связи по току, и 2) по напряжению, образованной делителем напряжения, содержащим резисторы 3, 4, усилителем ошибки по напряжению, содержащем второй операционный усилитель 2 и вторую RC-цепочку 11, 12 частотной коррекции, и мультиплексором принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, содержащем понижающий резистор 13, третий операционный усилитель 14 и диод 15, предложенное техническое решение позволяет независимо и с высокой точностью устанавливать и контролировать как средний ток импульсного силового понижающего преобразователя, так и напряжение на выходе импульсного силового понижающего преобразователя.

Данная система управления может эффективно работать в импульсных силовых понижающих преобразователях в режиме среднего тока, используемых для зарядки литиевых аккумуляторных батарей на борту летательных аппаратов с гибридной силовой установкой, что обусловлено двухстадийным процессом зарядки литиево-ионных аккумуляторов (фиг. 2). На начальной стадии I аккумулятор заряжается при постоянном токе и напряжение на аккумуляторной батарее постепенно нарастает. При достижении заданного напряжения на стадии II зарядка продолжается при постоянном напряжении и сопровождается постепенным спадом тока зарядки.

На основании вышеизложенного новый достигаемый технический результат предлагаемого изобретения обеспечивается следующими по сравнению с прототипом техническими преимуществами.

1. Достигается повышение стабильности системы управления импульсным силовым понижающим преобразователем при зарядке аккумуляторной батареи по току не менее чем на 1000%, что обеспечивает нормальный процесс заряда батареи, например, на борту летательного аппарата, при обеспечении высокого отношения мощности преобразователя к его массе и его высокой эффективности за счет работы транзисторных ключей на частоте сотни кГц и использовании в схеме управления ключами режима среднего тока с возможностью стабилизации как напряжения, так и тока.

2. Обеспечивается более высокая (не менее чем на 10%) эффективность работы импульсного силового понижающего преобразователя за счет транзисторных ключей на частоте сотни кГц и использовании в схеме управления ключами режима среднего тока с возможностью стабилизации как напряжения, так и тока.

3. Продление срока службы аккумуляторных батарей при заряде с импульсного силового понижающего преобразователя посредством предлагаемой системы управления за счет оптимизации тока заряда не менее чем на 10%.

4. Обеспечивается более высокое (не менее чем на 5%) отношение мощности импульсного силового понижающего преобразователя к его массе за счет работы транзисторных ключей на частоте сотни кГц и использовании в схеме управления ключами режима среднего тока с возможностью стабилизации как напряжения, так и тока.

Используемые источники

1. Zhang Y. et al. Model and control for supercapacitor-based energy storage system for metro vehicles, Electrical Machines and Systems, ICEMS 2008, p. 2695-2697.

2. Lu Y., Hess H.L., Edwards D.B. Adaptive control of an ultracapacitor energy storage system for hybrid electric vehicles, IEMDC'07, vol. 1, p. 129-133.

3. Bradley Т.H. et al. Test results for a fuel cell-powered demonstration aircraft: SAE Technical Paper, 2006, 01-3092.

4. Sharpe J.E. et al.: Modelling the potential of adsorbed hydrogen for use in aviation, Microporous and Mesoporous Materials, vol. 209, p. 135-140.

5. Verstraete D. Long range transport aircraft using hydrogen fuel, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 38, no. 34, p. 14824-14831.

6. Варюхин А.Н., Гордин М.В., Дутов А.В., Мошкунов С.И., Хомич В.Ю., Шершунова Е.А. Мощный импульсный преобразователь постоянного тока на карбид-кремниевых транзисторах // Прикладная физика. 2021. №1. С. 75-81.

7. Варюхин А.Н., Гордин М.В., Захарченко B.C., Маланичев В.Е., Малашин М.В., Мошкунов С.И., Небогаткин С.В., Хомич В.Ю., Шершунова Е.А. Силовой многофазный импульсный преобразователь для гибридных летательных аппаратов // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2019. №6. С. 121-129.

8. Мошкунов С.И., Хомич В.Ю., Шершунова Е.А. Повышающе-понижающий преобразователь напряжения для заряда аккумуляторной батареи на борту электрического самолета // Письма в ЖТФ. 2020. Т. 46. №15. С. 22-24.

9. Варюхин А.Н., Захарченко B.C., Гелиев А.В., Гордин М.В., Киселев И.О., Журавлев Д.И., Загуменов Ф.А., Казаков А.В., Вавилов В.Е. Формирование обликов электрической силовой установки для сверхлегкого пилотируемого самолета // Авиационные двигатели. 2020. №3(8). С. 5.

10. Шершунова Е.А., Мошкунов С.И., Варюхин А.Н., Гордин М.В. Четырехфазный импульсный преобразователь постоянного напряжения для применения в составе гибридных и электрических силовых установок летательных аппаратов. Тезисы 19-й Международной Конференции «Авиация и Космонавтика». 2020. С. 232-233.

11. Патент RU 2739398, 2020, МКИ G05F 1/565.

12. Patent US 5479090, 1995, МКИ Н02М 3/156.

13. Patent US 9343964, 2016, МКИ G05F 1/46, G05F 1/56, G05F 1/565, Н02М 1/00, Н02М 3/56.

Реферат

Изобретение относится к области электротехники, а именно: к области преобразовательной электротехники, в частности к системам управления импульсными силовыми преобразователями по контролируемым напряжению и току, и может найти применение для электропитания разных устройств во многих областях техники, например в мощных импульсных понижающих преобразователях, используемых для заряда аккумуляторной батареи на борту летательного аппарата с гибридной силовой установкой, а также в источниках вторичного электропитания оборудования и функциональной аппаратуры летательных аппаратов со стабилизированными напряжением и предельным током на нагрузке. Технический результат - повышение стабильности функционирования системы управления силовым преобразователем при зарядке аккумуляторной батареи как по напряжению, так и по току, при обеспечении высокого отношения мощности преобразователя к его массе и его высокой эффективности - достигается тем, что в систему управления импульсным силовым понижающим преобразователем в режиме среднего тока, содержащую первый и второй операционные усилители, резисторы и датчик тока для измерения тока в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя, выводящий сигнал, соответствующий току в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя, совместно с интегрирующими RC-цепочками обратной связи по току и по напряжению для формирования проинтегрированного сигнала ошибки, подаваемого на модулятор, контролирующий совместно с датчиком тока для измерения тока в индукторе импульсного силового понижающего преобразователя коммутационное устройство, формирующее совместно с индуктором импульсного силового понижающего преобразователя электрическую цепь импульсного силового понижающего преобразователя, дополнительно введены понижающий резистор, третий операционный усилитель и диод, формирующие мультиплексор принудительного переключения между режимами стабилизации тока и напряжения, функционирующий при открытом диоде как повторитель, при этом на вход мультиплексора подается опорный сигнал, соответствующий заданному предельному значению тока, второй вход мультиплексора электрически связан с выходом второго операционного усилителя и входом первого операционного усилителя, а выход мультиплексора электрически связан со входом первого операционного усилителя. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула