курсас - комаров (Два расчета по импульсным источникам, которые могут помочь при выполнении зачетного задания), страница 2

-эффективно используют как прямое, так и рассеянное (диффузное) излучение;

-пригодны для создания установок практически любой мощности.

Таким образом, использование солнечной энергии является одним из весьма перспективных направлений энергетики. Экологичность, возобновимость ресурсов, отсутствие затрат на капремонт фотомодулей как минимум в течение первых 30 лет эксплуатации, в перспективе - снижение стоимости относительно традиционных методов получения электроэнергии - всё это является сильными сторонами солнечной энергетики.

ВВЕДЕНИЕ

Рассмотрим, как технически реализуется в настоящее время подключение солнечной батареи.

1. Автономное подключение.

Автономное подключение солнечной батареи показано на рис.В.1.

Рис.В.1.

Как видно из рисунка, солнечная батарея подключается к нагрузке через инвертор. Инвертор – устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменное.

Аккумуляторы в этой схеме запасают энергию и затем расходуют ее, когда энергии от солнечной батареи недостаточно.

Недостатки данного подключения:

- наличие в системе аккумуляторов

Недостаток аккумуляторов:

- необходимо доливать

- нельзя сильно разряжать

- нельзя допускать чрезмерного заряда

- обладают большими массогабаритными показатели

2. Подключение с использованием городской сети.

Чтобы отказаться от использования аккумуляторов в настоящее время используется схема с накопителем энергии в качестве которого выступает городская электрическая сеть (см рис.В.2), так как в сети всегда кто-то потребляет электроэнергию.

Рис.В.2.

Us= = (450 ÷ 900) B – напряжение солнечной батареи

Un~ = 220 B – напряжение на нагрузке

Для того чтобы передать энергию в сеть, в этой схеме, в отличие от предыдущей, инвертор представляет собой источник тока синхронизированный с сетью. Чтобы получить на выходе 220 В переменного напряжения частотой 50 Гц необходимо чтобы напряжение на входе инвертора удовлетворяло условию:

Us= > Un~ *√2 * 1.1

Us= > 220 *√2 * 1.1 = 343 B

С запасом выбирают напряжение 450 В.

На напряжение солнечной батареи сильное влияние оказывает температура. При низких температурах (например в горах) напряжение на солнечной батарее возрастает. Нам необходимо чтобы напряжение на солнечной батареи в наихудшем случае было не менее 450 В, максимальное же напряжение, при низкой температуре, будет составлять примерно 900 В. Вольтамперная характеристика солнечной батареи показана на рис.В.3.

Рис.В.3.

Недостатки данного подключения:

- высокая стоимость солнечной батареи

- повышенные требования к входному напряжению инвертора

Рассмотрим каждый из вышеперечисленных недостатков более подробно.

Солнечная батарея с минимальным напряжением 450 В и мощностью порядка 3кВт стоит очень дорого – около 15000$

Использование в схеме инвертора полупроводниковых элементов (транзисторы и диоды) рассчитанных на высокое напряжение (>900 В) и обладающих худшими характеристиками чем низковольтные.

3. Подключение с использованием преобразователя напряжения.

Рассмотрим новую схему подключения солнечной батареи (см рис.В.4)

Рис.В.4.

Us₌ = (200 ÷ 650) B

Up₌ = (450 ± 20) B

Un_~ = 220 B

Преобразователь напряжения – стабилизирует напряжение солнечной батареи в диапазоне 450 ± 20 B. Это позволяет использовать более дешевые солнечные модули – с минимальным напряжением 200 В (это в наихудшем случае) и впоследствии наращивать мощность солнечной батареи, постепенно докупая модули и подсоединяя их параллельно. Также увеличивается КПД инвертора за счет использование полупроводниковых элементов (транзисторы, диоды) рассчитанных на более низкое напряжение.

Таким образом, предлагаемая схема подключения солнечной батареи обладает следующими достоинствами:

- использование более дешевых солнечных модулей

- возможность “гибко” наращивать мощность солнечной батареи

- отсутствие аккумуляторов

- работа инвертора от стабильного и более низкого напряжения

Разрабатываемый преобразователь напряжения будет повышать напряжение до 450 В, когда напряжение на солнечной батарее находится в диапазоне (200-430) В, и понижать его до 450 В, когда напряжение на солнечной батарее находится в диапазоне (470-650) В.

Преобразователь напряжения будем делать на основе ключевых схем, как самое современное направление в источниках вторичного электропитания.

Ключевые схемы имеют много достоинств:

а) высокое значение КПД, от 90% и выше

б) позволяют получить малые искажения сигнала на выходе

в) малые массогабаритные показатели

Поэтому использование ключевых схем (индуктивных преобразователей энергии) наиболее предпочтительно.

Теоретически преобразователь будет состоять из двух классических индуктивных преобразователей энергии: повышающего регулятора напряжения (boost) и понижающего регулятора напряжения (buck). Практически преобразователь напряжения реализуется последовательным соединением этих двух базовых регуляторов с последующим исключением из схемы дублирующих элементов. Также это позволяет использовать практически одну и ту же схему управления для обоих регуляторов.

Понижающий регулятор представлен на рис.В.5, повышающий – рис. В.6, их последовательное соединение с исключением дублирующих элементов – рис. В.7.

Рис.В.5.

Рис.В.6.

Рис.В.7.

Расчет преобразователя напряжения будем проводить в три этапа:

Глава 1 – расчет повышающего регулятора напряжения

Глава 2 – расчет понижающего регулятора напряжения

Глава 3 – объединение регуляторов, и разработка общей схемы управления устройством.

Глава 1.

Повышающий регулятор напряжения

В этой главе будет рассмотрен расчет повышающего регулятора напряжения.

1. Принцип работы повышающего регулятора напряжения.

В настоящее время хорошо известны схемы с ШИМ, они широко применяются, но имеют большой недостаток – очень сложно обеспечить устойчивость регулятора в широком диапазоне изменений входного напряжения и сопротивления нагрузки.

Импульсный регулятор повышающего типа с управлением по <<свободной частотe>> (free frequency) выполняется по структурной схеме на рис. 1.1.

Рис.1.1.

где:

Vin – входное напряжение

L – дроссель

VD – выходной диод

S – управляющий ключ

C – конденсатор фильтра

Rn – сопротивление нагрузки

Vout – напряжение на выходе регулятора

Uo – напряжение уставки

GND – земля

LEM – бесконтактный датчик тока

K – компаратор

Регулятор напряжения, управляемый по методу со <<свободной частотой>>, имеет важное преимущество перед обычным повышающим регулятором управляемым по методу с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ):

- система принципиально стабильна в широком диапазоне изменяющихся параметров входного напряжения и сопротивления нагрузки

- простая схемная реализация и, как следствие, более дешевая.

Временные диаграммы, поясняющие работу регулятора в режиме непрерывных токов в дросселе в установившемся режиме, показаны на
рис. 1.2.

Работа регулятора заключается в следующем. Когда регулирующий ключ S замкнут, ток от источника питания E протекает через дроссель L, запасая в нем энергию. Диод VD при этом находится в закрытом состоянии и поэтому не позволяет конденсатору С разрядиться через замкнутый регулирующий ключ S. Ток в нагрузку в этот промежуток времени поступает только от конденсатора С и напряжение на выходе Vout постепенно уменьшается. На этом интервале времени (to≤ t≤ t1) , см. рис.1.2, ток в дросселе продолжает нарастать до значения определенным верхним порогом срабатывания компаратора К (I = Io+Δi), где Io – средний ток в дросселе.

Как только ток превысит этот порог (Io+Δi), компаратор размыкает регулирующий ключ S (t = t1), ЭДС самоиндукции дросселя L суммируется с входным напряжением E и энергия дросселя передается в нагрузку, при этом выходное напряжение оказывается больше напряжения питания E. Ток через дроссель уменьшается, см. рис.1.2 (t1≤ t≤ t2), а напряжение на выходе Vout возрастает. Ток через дроссель уменьшается до тех пор, пока не достигнет значения определенным нижним порогом срабатывания компаратора К (I=Io-Δi).

Как только ток уменьшится ниже (I=Io-Δi), компаратор замыкает регулирующий ключ S (t=t2), и цикл повторяется.

t, c

Рис. 1.2.

1.2. Детальный анализ работы повышающего регулятора

В этом пункте рассмотрим работу регулятора на временных интервалах (t0≤ t≤ t1) и (t1≤ t≤ t2), записывая и решая дифференциальные уравнения для них получим уравнение, которое позволит связать частоту переключения ключа S с параметрами регулятора (пульсации, индуктивность дросселя, входным и выходным напряжениями устройства). Также получим уравнение позволяющее связать напряжение на выходе с входным напряжением, средним током дросселя и сопротивлением нагрузки.

Детальный анализ работы импульсных регуляторов напряжения сложен и требует применения специального математического аппарата. Однако высокий КПД этих устройств позволяет использовать ряд упрощающих допущений и описать их работу в установившемся режиме с помощью кусочно-линейных дифференциальных уравнений первого порядка.

Вначале сделаем некоторые допущения:

- источник входного напряжения имеет нулевое внутреннее сопротивление по крайней мере на интервале (t0≤ t≤ t1) и представлен идеальной ЭДС, значение которой равно Е.

- время переключения ключей пренебрежимо мало по сравнению со временем их включенного состояния

- пульсации напряжения на выходе регулятора малы по сравнению со средним значением выходного напряжения

Рассмотрим промежуток времени to≤ t≤ t1 (ключ S замкнут):

при допущении, что внутреннее сопротивление источника входного напряжения и активная составляющая сопротивления дросселя равны нулю,

на этом интервале времени дифференциальное уравнение, описывающее состояние системы, имеет следующий вид

(1.1)

решение для тока на интервале времени to≤ t≤ t1, учитывая начальные условия

где

Io - среднее значение тока

Δi – амплитуда пульсаций тока дросселя

имеет следующий вид

(1.2)

к концу интервала при t=t1

(1.3)

откуда находим время ключа в замкнутом состоянии

(1.4)

Рассмотрим промежуток времени t1≤ t≤ t2 (ключ S разомкнут):

на этом интервале времени уравнение имеет следующий вид

(1.5)

решение для тока на интервале времени t1≤ t≤ t2, учитывая начальные условия

имеет вид

(1.6)

то есть ток i(t) спадает по линейному закону в предположении, что емкость нагрузки (или постоянная времени нагрузки RC) достаточно велика, чтобы можно было считать напряжение на выходе в течение этого интервала практически неизменным.

К концу интервала при t=t2

(1.7)

откуда находим время ключа в разомкнутом состоянии

(1.8)

Период повторения пульсаций тока дросселя найдем из уравнений (1.4)

и (1.8) :

(1.9)

тогда частота повторения пульсаций тока дросселя из (1.9):

(1.10)

Получили выражение, которое позволяет связать частоту пульсаций тока в дросселе с его индуктивностью, а также входным напряжением с батареи и напряжением на выходе. Зная напряжение на входе и выходе, и, задаваясь амплитудой и частотой пульсаций тока дросселя, сможем найти индуктивность дросселя. Данный расчет будет произведен далее в пункте 1.4.