Please use this identifier to cite or link to this item: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/51964
Title: Импульсный стабилизатор напряжения с цифровым управлением для автономной системы электропитания
Other Titles: Pulsed voltage regulator with digital control for autonomous power supply system
Authors: Краснобаев, Юрий Вадимович
Непомнящий, Олег Владимирович
Иванчура, Владимир Иванович
Пожаркова, Ирина Николаевна
Яблонский, Алексей Павлович
Krasnobaev, Yuri Vadimovich
Nepomnyashchiy, Oleg Vladimirovich
Ivanchura, Vladimir Ivanovich
Pozharkova, Irina Nikolaevna
Yablonskiy, Aleksey Pavlovich
Keywords: возобновляемые источники энергии; автономные системы; импульсные стабилизаторы; напряжение; цифровой контур управления; длительность переходного процесса; регулируемые составляющие переменных состояния; системы электропитания; испытательная аппаратура; автономные системы; импульсные преобразователи; генерация; максимальная мощность; стабилизация; напряжение; шины; renewables; autonomous power supply system; switching voltage regulator; digital control loop; embedded software; adjustable components of state variables
Issue Date: 2018
Publisher: Томский политехнический университет
Citation: Импульсный стабилизатор напряжения с цифровым управлением для автономной системы электропитания / Ю. В. Краснобаев [и др.] // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. Инжиниринг георесурсов. — 2018. — Т. 329, № 11. — [С. 61-73].
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.
Relevance. The efficiency and effectiveness of geophysical survey, geological work, meteorological observation and environmental monitoring depend on the power supply systems of testing and research equipment. Specificity of such works implies the use of field autonomous systems. Primary energy sources in such systems, as a rule, are renewable energy sources, such as solar batteries, wind or hydroelectric power plant, and secondary sources of energy are accumulator batteries. Energy sources are combined into a power supply system using pulse energy converters, which provide transferring energy and stabilizing supply voltage for consumers. An important function of pulse energy converters is increasing the energy efficiency of primary energy sources by means of their exploiting in the mode of generating maximum power. Consumers of autonomous power supply system are a complex and heterogeneous equipment, often having an impulse mode of energy consumption. This leads to significant voltage deviations on output buses of the power supply system and mutual influence of separate consumers and may cause malfunctions in their operation. Pulse energy converters must provide voltage stabilization on output buses. In the mode of maximum power generation, the pulse converter control unit provides conversion and holding of the operating point on the power characteristic of the primary source within the maximum power. The control unit implements a rather complicated algorithm of extreme control. At the modern level of technology development, the control unit is developed on the basis of a programmable digital device. The use of the same programmable digital control device for the mode of voltage stabilization on output buses is an actual task. This solution will reduce the complication of the converter control unit, decrease its own power consumption and improve operation reliability. The aim of the work is to solve the theoretical and practical tasks of ensuring digital control with the pulse converter in stabilizati on mode of output tension ensuring small duration of transients caused by of loading current increment and output tension astatism. Methods: theory of pulsed automatic control systems, mathematical modeling of processes in switching voltage regulators and physical prototyping. Results. The authors have analyzed the features of autonomous power supply systems, synthesized the control law and developed the model of the pulse voltage stabilizer. The proposed method of the switching voltage regulator control provides the minimal transient duration. Microprogramming control algorithms are designed on the base of the specified control method. The authors developed the architecture of the microprocessor control system and builtin software and implemented a single-chip computing module of the control system using a programmable integrated circuit as well as a prototype of the switching voltage regulator with the digital control unit on the base of the single-chip computational module. A case study of the prototype shows the effectiveness of the developed control system. It is shown that the developed control system provides the minimum transient finite duration caused by a step change in the load current equal to two conversion periods. The test results confirmed that a fully digital control loop on the base of a high-speed micro- processor unit for switching voltage regulators has significant advantages over analog implementations.
URI: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/51964
ISSN: 2413-1830
Appears in Collections:Известия ТПУ

Files in This Item:
File SizeFormat 
bulletin_tpu-2018-v329-i11-07.pdf783,69 kBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.