Импульсный Стабилизатор Напряжения С Цифровым Управлением Для Автономной Системы Электропитания

Abstract

Актуальность. Результативность геофизических, геологоразведочных, метеорологических работ и работ по мониторингу окружающей среды во многом определяется системами электропитания испытательной и исследовательской аппаратуры. Специфика таких работ зачастую подразумевает использование полевых автономных систем. Первичными источниками энергии в таких системах, как правило, являются возобновляемые источники энергии, например солнечные батареи, ветро- или гидроэлектроустановки, а вторичными источниками энергии – аккумуляторные батареи. Источники энергии объединяются в систему электропитания посредством импульсных преобразователей энергии, которые выполняют функции по передаче энергии от её источников к потребителям, стабилизации напряжения на выходных шинах, предназначенных для питания потребителей и по повышению энергетической эффективности первичных источников энергии за счёт обеспечения их работы в режиме генерации максимальной мощности. Потребителем электроэнергии таких систем электропитания является сложная и разнородная аппаратура, часто имеющая импульсный характер энергопотребления, что приводит к значительным отклонениям напряжения на выходных шинах системы электропитания от стабильного уровня и, как следствие, к взаимному влиянию отдельных потребителей, приводящему к сбоям в их работе. Таким образом, импульсные преобразователи энергии должны обладать как способностью обеспечения работы первичных источников энергии в режиме генерации максимальной мощности, так и способностью обеспечивать режим стабилизации напряжения на выходных шинах. В режиме генерации максимальной мощности устройство управления импульсным преобразователем обеспечивает перевод и удержание рабочей точки на мощностной характеристике первичного источника в окрестности максимума мощности. В таком устройстве управления реализуется достаточно сложный алгоритм экстремального регулирования и на современном уровне развития техники устройство управления выполняется на основе программируемого цифрового устройства. Решение вопросов по применению этого же программируемого цифрового устройства и для цели управления импульсным преобразователем в режиме стабилизации напряжения на выходных шинах является актуальной задачей, поскольку позволит уменьшить количество элементов в устройстве управления преобразователем, что снизит его собственное энергопотребление и повысит надёжность функционирования. Цель работы: решение теоретических и практических задач по обеспечению цифрового управления импульсным преобразователем в режиме стабилизации выходного напряжения с обеспечением малой длительности переходных процессов, вызванных приращениями тока нагрузки и астатизма выходного напряжения. Методы: теория импульсных систем автоматического управления, математическое моделирование процессов в импульсных стабилизаторах напряжения и физическое макетирование. Результаты. Проведен анализ особенностей автономных систем электропитания, синтезирован закон управления и разработана модель импульсного стабилизатора напряжения. Предложен метод и найдены способы управления импульсными стабилизаторами напряжения, которые обеспечивают малую длительность переходных процессов и астатизм выходного напряжения. Разработаны алгоритмы микропрограммного управления, реализующие найденные способы управления. Разработана архитектура и встроенное программное обеспечение для микропроцессорной системы управления стабилизатором. Изготовлен однокристальный вычислительный модуль устройства управления на базе программируемой интегральной схемы. Разработан и изготовлен макет импульсного стабилизатора с цифровым управлением на основе однокристального вычислительного модуля. Результаты экспериментального исследования макета подтверждают эффективность разработанного устройства управления, а именно достижение минимальной конечной длительности переходных процессов, вызванных ступенчатым изменением тока нагрузки, близкой к двум периодам преобразования и астатизма выходного напряжения. Показано, что применение импульсного стабилизатора, использующего полностью цифровой контур управления и реализуемого при помощи высокоскоростных микропроцессорных средств, имеет значительные преимущества по сравнению с аналоговыми вариантами.