Формирование необходимых характеристик

Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
Формирование необходимых характеристик автономных систем
электроснабжения и потребления энергии в транспортных средствах с
комбинированными энергоустановками
к.т.н., доц. Прохоров В.А.
МГТУ «МАМИ»
В ряде случаев в автономных системах электроснабжения и энергопотребления
в зависимости от режима работы требуется контролировать и регулировать не только
напряжение на нагрузке, но и потребляемые ею ток и мощность. В подобных случаях
регулятор всех этих параметров значительно усложняется по сравнению со
сравнительно простым регулятором только одного параметра, например напряжения.
Так, отслеживание мощности в системе и регулирование ее по определенному закону
требует перемножения соответствующих сигналов, пропорциональных току и
напряжению на нагрузке, а это, в свою очередь, требует применения современной
элементной базы с высокой степенью интеграции.
Практическим примером необходимости регулирования всех электрических
параметров являются системы электроснабжения объектов с ограниченным по
мощности первичным источником. К ним относятся, в частности, системы
электроснабжения и энергопотребления автономных транспортных средств с
комбинированными энергоустановками, включающими в себя двигатель внутреннего
сгорания, электрический генератор, тяговые аккумуляторные батареи и
электроприводы.
В статье рассматривается комбинированный регулятор, обеспечивающий
формирование характеристики с тремя участками (рис. 1).
Рисунок 1 - Комбинированная регулировочная
характеристика автономной системы
электроснабжения
0 – 1 ограничение тока на максимальном уровне;
1 – 2 формирование участка с постоянной потребляемой или регулируемой
мощностью;
2 – 3 ограничение напряжения на нагрузке на максимально допустимом уровне.
Проведенный анализ возможных вариантов построения регулятора позволил
остановить выбор на цифроаналоговом принципе обработки информации.
Блок-схема разработанного регулятора приведена на рис. 2. Рассмотрим работу
устройства, которое состоит из трех каналов регулирования: тока, напряжения и
мощности, отдаваемой в нагрузку.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
166
Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
Рисунок 2 - Блок-схема комбинированного регулятора в автономной системе
электроснабжения и энергопотребления
Канал регулирования тока нагрузки включает в себя следующие элементы:
масштабирующие усилители А1, А2, усилитель ошибкиА9 и выходной компаратор
А12, сигнал которого используется для управления исполнительным органом системы
через собирающий логический элемент D5.
Усиленный до необходимого уровня сигнал с датчика тока ДТ поступает на
инвертирующий вход усилителя сигнала рассогласования, выполненного на
микросхеме А9. На неинвертирующий вход этого же усилителя подается уровень
напряжения с движка переменного резистора R19, соответствующий заданному
уровню ограничения тока нагрузки. До тех пор, пока ток нагрузки не достигнет уровня
ограничения, на выходе усилителя А9 будет положительное напряжение, такое же
напряжение будет и на выходе компаратора А12.
Если, при изменении нагрузки, ток достигнет значения, соответствующего
заданному уровню ограничения, то на выходе А9 будет нулевое напряжение. В этот
момент начинает работать компаратор канала регулирования тока А12, формируя
сигнал управления исполнительным органом (проходным силовым ключевым
регулятором или обмоткой возбуждения генератора). Для обеспечения стабильной
работы регулятора напряжение сигнала ошибки сравнивается с пилообразным
напряжением частотой 1 КГц. Таким образом, сигнал управления представляет собой
ШИМ-сигнал. Выбранная частота переключений соответствует приемлемому режиму
с точки зрения уменьшения динамических потерь в силовых полупроводниковых
ключах.
Канал обработки заданного уровня напряжения на нагрузке реализован на
усилителе сигнала рассогласования А8 и компараторе А11. Напряжение на вход канала
поступает с делителя напряжения R6, R7. Канал ограничения напряжения на нагрузке
работает аналогично каналу тока.
Очевидно, что таким же образом можно ограничить и мощность, отдаваемую
источником в нагрузку. Необходимо только иметь сигнал, пропорциональный уровню
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
167
Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
отдаваемой мощности
. Следовательно, в системе должно быть
устройство, умножающее сигналы и .
В рассматриваемом регуляторе сигнал, пропорциональный мощности в
нагрузке, формируется на умножающем цифроаналоговом преобразователе D3.
Выходное напряжение такого ЦАП равно:
где N - двоичное число на входе ЦАП;
- уровень опорного напряжения ЦАП1.
Если в качестве
использовать сигнал, пропорциональный
, а ток
представить числом N, то выходное напряжение ЦАП1 будет выражаться
нагрузки
как:
Преобразование аналогового сигнала
в цифру производится на АЦП D1. Эта
микросхема представляет собой шестиразрядный быстродействующий аналогоцифровой преобразователь. На АЦП подается сигнал, пропорциональный
и не
превышающий уровня опорного напряжения преобразования. Входной сигнал
преобразуется в выходной шестиразрядный код по принципу:
.
Таким образом, с помощью интегрального АЦП производится квантование уровня
входного напряжения, и число N на выходе АЦП показывается, какой относительной
величины достигло входное напряжение к данному моменту времени.
Рассмотрим более подробно канал регулирования мощности в системе. Сигнал
с датчика тока ДТ, пропорциональный току нагрузки, поступает на масштабирующий
усилитель А1. Коэффициент передачи по напряжению этого усилителя, равный
выбирается из условия, что при максимальном токе нагрузки входноенапряжение АЦП
не должно превышать величину
.
На входе АЦП включен повторитель А3 для согласования входного
сопротивления АЦП с источником сигнала и для коррекции нулевого входного
напряжения.
Собственно канал регулирования мощности состоит из усилителя ошибки А7 и
компаратора А10. Работает канал идентично каналам тока и напряжения.
Все три сигнала управления по каналам регулирования собираются на
логической схеме (микросхема D5), выход которой непосредственно управляет
ключом исполнительного органа. Диоды VD1-VD3 служат для отсекания
отрицательного напряжения на входах суммирующего устройства D5.
Таким образом, если один из регулируемых параметров (U, I, P) не превосходит
уровня ограничения, то на выходе соответствующего канала (компаратора) имеет
место логическая «1», не влияющая на выходное состояние собирающей ячейки.
Следовательно, в это время регулирование осуществляется по одному из двух других
параметров. Как только регулируемый параметр превысит порог ограничения, на
выходе соответствующего канала появляется логический «0», и управлении
исполнительным ключом переходит на этот канал.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
168
Секция 3 «ЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ».
Для работы интегрального АЦП необходим источник импульсов с ТТЛуровнем. По этим импульсам происходит подключение внутренней схемы
преобразования на выход для исключения неопределенных ситуаций. В
рассматриваемом регуляторе генератор импульсов частотой 256 КГц выполнен на
интегральном таймере А4.
Пилообразное напряжение, необходимое для модуляции сигнала ошибки,
формируется на микросхемах D2, D4, А6. Импульсы частотой 256 КГц поступают на
вход восьмиразрядного счетчикаD2. Число на выходе счетчика преобразуется с
помощью ЦАП2 в пилообразное напряжение частотой 1 КГц.
По разработанному принципу был собран макетный образец комбинированного
регулятора и проведено его экспериментальное исследование по схеме рис. 3.
Рисунок 3 - Схема испытания комбинированного регулятора
В качестве силовой части системы использовался проходной импульсный
регулятор, выполненный на транзисторах VT1-VT3, диодеVD и фильтре LC. При
от нуля (режим короткого замыкания) до
изменении сопротивления нагрузки
номинального значения была воспроизведена результирующая характеристика
регулятора, соответствующая виду рис. 1.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
169