Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям, состоящим из нескольких модулей двухканального преобразования напряжения постоянного тока (Direct Current) в напряжение постоянного тока (модулей DC/DC), получающих питание от основной и резервной сети напряжения постоянного тока с гальванической развязкой входных и выходных цепей, и может быть использовано для бесперебойного электропитания ответственных потребителей с динамически изменяемой нагрузкой различных (подвижных и стационарных) объектов промышленного и военного назначения.
Известен преобразователь (агрегат бесперебойного питания) напряжения постоянного тока питающей сети в напряжение постоянного тока, необходимое для бесперебойного электропитания ответственных потребителей, состоящий из основного канала преобразования напряжения, содержащего инвертор, трансформатор и выпрямитель, подключаемый к нагрузке, и резервного канала, содержащего аккумуляторную батарею или аналогичный канал преобразования напряжения, включаемые в работу при выходе из строя основного канала посредством переключателей (Электропитание. Научно-технический сборник. М.: «Ассоциация разработчиков, изготовителей и потребителей средств электропитания». Выпуск 4, 2002. - стр.29-35).
Недостатком данного агрегата бесперебойного питания является то, что время, необходимое на переключение с основного на резервное питание, значительно больше, чем допустимый перерыв в электропитании для ответственных потребителей.
Известен преобразователь МК200 фирмы «Interpoint», состоящий из двух идентичных каналов преобразования напряжения постоянного тока на базе транзистора, управляемого широтно-импульсным модулятором, трансформатора, датчика тока первичной обмотки трансформатора, выпрямителя, выходного фильтра и датчика напряжения на нагрузке (Вторичные источники электропитания фирмы Interpoint. В.Жданкин. - «Современные технологии автоматизации», 1997, №4. - стр.6-15). Недостатком данного преобразователя является то, что входные цепи источника не защищены от импульсно-коммутационных перенапряжений, поступающих по сети питания, и что для обеспечения параллельной работы двух каналов преобразования (чтобы каждый канал давал одинаковый вклад в суммарный ток нагрузки) использован метод «Dual-Phase-Shifted-DPPS» («Дуальная фаза/сдвиг фазы»), требующий тщательного подбора выходных компонентов каналов преобразователя, а также не обеспечивающий 100% отдачу мощности во всем диапазоне изменения питающего напряжения.
Известно устройство бесперебойного электропитания многоканальное стабилизирующее, состоящее из преобразователей постоянного напряжения по числу каналов выходного напряжения. Преобразователи постоянного напряжения выполнены по схеме высокочастотного преобразования энергии и состоят из инвертора, узла управления с широтно-импульсным модулятором и трансформаторно-выпрямительного блока (Патент РФ на изобретение №2221320 «Устройство бесперебойного электропитания многоканальное стабилизирующее», МПК 7 Н02J 7/34). Недостатком данного устройства является то, что в нем не обеспечивается параллельная работа каналов преобразования.
Известна автономная система электропитания, состоящая из трех источников питания, каждый из которых через регулятор подключен к нагрузке. Каждый регулятор содержит регулирующий орган, включенный через датчик тока между соответствующим источником питания и нагрузкой, блок управления, блок суммирования, датчик выходного напряжения (Патент РФ на изобретение №2211478 «Автономная система электропитания», МПК 7 G05F 1/59, Н02J 1/10, Н02J 7/34, Н02J 9/00). Недостатками системы является то, что в ней не обеспечена защита регулирующих органов от импульсных перенапряжений, поступающих от источников питания, отсутствие гальванической развязки между входными и выходными цепями, отсутствие защиты от токов перегрузки и коротких замыканий в нагрузке или кабелях, подключающих нагрузку.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является преобразователь постоянного напряжения (Патент РФ на полезную модель №44894 «Преобразователь постоянного напряжения», МПК 7 Н02J 7/34).
Преобразователь постоянного напряжения состоит из основного (первого) и резервного (второго) каналов преобразования, при этом первый канал преобразования содержит инвертор первого канала преобразования, питающийся от основной сети и подключенный к первичной обмотке трансформатора первого канала преобразования, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через выпрямитель первого канала преобразования, а второй канал преобразования содержит инвертор второго канала преобразования, питающийся от резервной сети и подключенный к первичной обмотке трансформатора второго канала преобразования, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через выпрямитель второго канала преобразования, первый контрольный выход нагрузки подключен к входу системы управления инвертором основного канала преобразования, второй контрольный выход нагрузки подключен к входу системы управления инвертором резервного канала преобразования.
Недостатками преобразователя является следующее.
Так как основное силовое оборудование преобразователя - инвертор первого канала преобразования и инвертор второго канала преобразования подключены к питающей сети напрямую, оно подвергается воздействию импульсных высоковольтных перенапряжений (например, связанных с коммутационными перенапряжениями) и в связи с этим может выходить из строя.
Так как система управления инвертором первого канала преобразования получает электропитание от напряжения, поступающего на нагрузку, или от напряжения основной сети (для системы управления инвертором второго канала преобразования - от напряжения, поступающего на нагрузку, или от напряжения резервной сети), то в случае потери питающего напряжения в основной сети (для системы управления инвертором второго канала преобразования - в резервной сети) может произойти полное или кратковременное обесточивание системы управления инвертором первого канала преобразования (или системы управления инвертором второго канала преобразования). То есть, потеря напряжения только в одной из питающих сетей может привести к потере электропитания потребителя, что при наличии напряжения в другой сети является для отдельных потребителей абсолютно недопустимым.
Отсутствие защиты от коротких замыканий в нагрузке или кабелях, подключающих нагрузку к преобразователю, может привести к выходу из строя первого или второго канала.
Наличие двух систем управления индивидуально для первого или второго канала, выполняющих аналогичные функции, создает некоторую аппаратную избыточность преобразователя и в общем случае уменьшает показатели его безотказности.
Преобразователь может обеспечить питание нагрузки, потребляющей мощность, равную номинальной мощности только первого или только второго канала, так как их одновременная работа с суммированием мощностей каналов на общей нагрузке не предусмотрена.
Преобразователь в целом не отказоустойчив, то есть отказ силового оборудования или системы управления одного из каналов преобразования при работе от основной сети или от резервной сети может привести к потере электропитания потребителя, что для отдельных потребителей недопустимо.
Задачей изобретения является повышение устойчивости преобразователя к воздействию импульсно-коммутационных помех, проникающих из питающей сети, защита первого и второго канала силового оборудования преобразователя (фильтр-инвертор-трансформатор-выпрямитель) от перегрузок и коротких замыканий, расширение функциональных возможностей преобразователя для обеспечения максимальной бесперебойности его работы, а также обеспечение равномерного распределения динамически изменяемой нагрузки между параллельно работающими несколькими каналами преобразования и повышение нагрузочной способности и отказоустойчивости преобразователя в целом.
Указанная задача решается тем, что в преобразователь напряжения постоянного тока с резервируемой параллельной архитектурой, состоящий из модуля двухканального преобразования напряжения постоянного тока (Direct Current) в напряжение постоянного тока (модуля DC/DC), при этом первый канал преобразования модуля DC/DC содержит инвертор первого канала преобразования, вход которого является первым силовым входом модуля DC/DC, питающийся от основной сети и подключенный к первичной обмотке трансформатора первого канала преобразования, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через выпрямитель первого канала преобразования, а второй канал преобразования модуля DC/DC содержит инвертор второго канала преобразования, вход которого является вторым силовым входом модуля DC/DC, питающийся от резервной сети и подключенный к первичной обмотке трансформатора второго канала преобразования, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через выпрямитель второго канала преобразования, контрольное напряжение на нагрузке через датчик напряжения подключено к первому входу аналого-цифрового преобразователя системы управления модулем DC/DC, аналого-цифровой преобразователь системы управления модулем DC/DC подключен к первому входу микроконтроллера системы управления модулем DC/DC, первый выход микроконтроллера системы управления модулем DC/DC через блок драйверов силовых ключей первого канала преобразования системы управления модулем DC/DC подключен к входу инвертора первого канала преобразования, второй выход микроконтроллера системы управления модулем DC/DC через блок драйверов силовых ключей второго канала преобразования системы управления модулем DC/DC подключен к входу инвертора второго канала преобразования, введены второй, ..., N-й и (N+1)-й модуль DC/DC (одинаковые с первым модулем DC/DC), фильтры импульсно-коммутационных перенапряжений первого и второго каналов преобразования, датчики тока инвертора первого и второго каналов преобразования, выходные фильтры первого и второго каналов преобразования, датчики тока нагрузки первого и второго каналов преобразования, блоки питания от основной и резервной сети, схема развязки цепей питания, часы реального времени системы управления первым модулем DC/DC, память энергонезависимая системы управления первым модулем DC/DC, адаптер шины информационного обмена системы управления первым модулем DC/DC; шина информационного обмена, внешняя система управления, причем фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений первого канала преобразования включен между основной сетью и инвертором первого канала преобразования, фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений второго канала преобразования включен между резервной сетью и инвертором второго канала преобразования, датчик тока инвертора первого канала преобразования включен между инвертором первого канала преобразования и первичной обмоткой трансформатора первого канала преобразования, датчик тока инвертора второго канала преобразования включен между инвертором второго канала преобразования и первичной обмоткой трансформатора второго канала преобразования, выход инвертора первого канала преобразования подключен ко второму входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC, выход инвертора второго канала преобразования подключен к третьему входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC, выход датчика тока инвертора первого канала преобразования подключен к четвертому входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC, выход датчика тока инвертора второго канала преобразования подключен к пятому входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC, выход датчика тока нагрузки первого канала преобразования подключен к шестому входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC, выход датчика тока нагрузки второго канала преобразования подключен к седьмому входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC; между выходом выпрямителя первого канала преобразования и нагрузкой последовательно включены выходной фильтр первого канала преобразования и датчик тока нагрузки первого канала преобразования, между выходом выпрямителя второго канала преобразования и нагрузкой последовательно включены выходной фильтр второго канала преобразования и датчик тока нагрузки второго канала преобразования, образующие общий силовой выход первого модуля DC/DC, ко второму входу-выходу микроконтроллера системы управления первым модулем DC/DC подключен адаптер шины информационного обмена системы управления первым модулем DC/DC, к третьему входу микроконтроллера системы управления первым модулем DC/DC подключена память энергонезависимая системы управления первым модулем DC/DC, к четвертому - часы реального времени системы управления первым модулем DC/DC, вход блока питания от основной сети подключен к выходу фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений первого канала преобразования, первый выход блока питания от основной сети подключен к входу питания фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений первого канала преобразования, второй выход блока питания от основной сети подключен к первому входу схемы развязки цепей питания, вход блока питания от резервной сети подключен к выходу фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений второго канала преобразования, первый выход блока питания от резервной сети подключен к входу питания фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений второго канала преобразования, второй выход блока питания от резервной сети подключен ко второму входу схемы развязки цепей питания, выход схемы развязки цепей питания подключен к входам питания микроконтроллера системы управления первым модулем DC/DC, блока драйверов силовых ключей первого канала преобразования системы управления первым модулем DC/DC, блока драйверов силовых ключей второго канала преобразования системы управления первым модулем DC/DC, аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC и адаптера шины информационного обмена системы управления первым модулем DC/DC, второй вход-выход адаптера шины информационного обмена системы управления первым модулем DC/DC, являющийся информационным входом-выходом первого модуля DC/DC, подключен к шине информационного обмена, первые силовые входы второго, ..., N-го и (N+1)-го модулей DC/DC подключены к основной сети, вторые силовые входы второго, ..., N-го и (N+1)-го модулей DC/DC подключены к резервной сети, общие силовые выходы второго, ..., N-го и (N+1)-го модулей DC/DC подключены к нагрузке, информационные входы-выходы второго, ..., N-го и (N+1)-го модулей DC/DC подключены к шине информационного обмена, к которой также подключен вход-выход внешней системы управления.
Кроме этого, в преобразователе напряжения постоянного тока с резервируемой параллельной архитектурой фильтры импульсно-коммутационных перенапряжений первого и второго каналов преобразования содержат последовательно соединенные индуктивность, выходной электролитический конденсатор и узел активного подавления импульсно-коммутационных перенапряжений, состоящий из параллельно включенных биполярного транзистора с изолированным затвором и резистора, а также датчик входного напряжения и схему управления биполярным транзистором с изолированным затвором, состоящую из последовательно соединенных компаратора и блока драйверов биполярного транзистора с изолированным затвором, причем к первому входу компаратора подключено напряжение от датчика входного напряжения, а ко второму входу - опорное напряжение от делителя напряжения из двух резисторов, подключенных соответственно к блокам питания от основной и резервной сети.
Кроме этого, в преобразователе напряжения постоянного тока с резервируемой параллельной архитектурой микроконтроллеры системы управления первым, вторым, ..., N-м и (n+1)-м модулем DC/DC выполнены с возможностью контроля уровня напряжения основной и резервной сети, определения нахождения уровня напряжения основной и резервной сети в допустимом интервале значений напряжения, формирования управляющих воздействий на инверторы первого и второго каналов преобразования с целью стабилизации напряжения на нагрузке при нахождении уровня напряжения основной или резервной сети в допустимом интервале значений напряжения, защиты первого и второго каналов преобразования силового оборудования преобразователя (фильтр-инвертор-трансформатор-выпрямитель) от перегрузок и коротких замыканий, перевода (при номинальной нагрузке) одного из модулей DC/DC в «Горячий резерв», равномерного распределения динамически изменяемой нагрузки между параллельно работающими модулями DC/DC, автоматического ввода в работу резервного модуля DC/DC при увеличении нагрузки сверх номинальной или при однократном отказе (отказе одного из модулей DC/DC), информирования внешней системы управления о факте отказа в преобразователе.
Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемый преобразователь напряжения постоянного тока с резервируемой параллельной архитектурой имеет широкие функциональные возможности: защита каналов силового оборудования преобразователя - фильтр-инвертор-трансформатор-выпрямитель от воздействия импульсно-коммутационных перенапряжений, проникающих из питающей сети; защита преобразователя от перегрузок и токов коротких замыканий; повышенная нагрузочная способность и отказоустойчивость преобразователя в целом.
Преобразователь состоит из (N+1)-го числа одинаковых модулей DC/DC, нагрузочная способность каждого из которых равна значению номинальной нагрузки, поделенной на N. В каждом из модулей DC/DC имеется собственная микроконтроллерная система управления. Системы управления модулей DC/DC имеют возможность обмениваться информацией по шине (типа CAN-bus) и являются равноправными (то есть, не разделены по признаку «Ведущая система управления» и «Ведомые системы управления»).
Оригинальные идентичные алгоритмы, реализованные во всех микроконтроллерах равноправных систем управления модулей DC/DC, обеспечивают перевод (при номинальной нагрузке) одного из модулей DC/DC в «Горячий резерв», равномерное распределение динамически изменяемой нагрузки между параллельно работающими модулями DC/DC, автоматический ввод в работу резервного модуля DC/DC при увеличении нагрузки сверх номинальной или при однократном отказе (отказе одного из модулей DC/DC), информирование внешней системы управления о факте отказа в преобразователе (и, следовательно, о его работе без резерва по мощности). Полученное внешней системой управления сообщение об отказе позволяет выполнить обслуживающему персоналу необходимые и своевременные действия по восстановлению работы преобразователя в отказоустойчивом режиме с избыточной мощностью «N+1» (замена отказавшего модуля DC/DC на исправный модуль из состава ЗИП).
На фиг.1 представлена структурная схема преобразователя напряжения постоянного тока с резервируемой параллельной архитектурой.
На фиг.2 представлена структурная схема фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений.
На фиг.3 представлена блок-схема алгоритма включения преобразователя.
На фиг.4 представлена блок-схема алгоритма набора и равномерного распределения нагрузки преобразователя в режиме с избыточной мощностью «N-H» и без резерва мощности в случае отказа одного из модулей DC/DC.
Согласно фиг.1 преобразователь напряжения постоянного тока с резервируемой параллельной архитектурой включает первый модуль DC/DC 3, при этом первый канал преобразования первого модуля DC/DC 3 содержит инвертор первого канала преобразования 11, вход которого является первым силовым входом первого модуля DC/DC 3, питающийся от основной сети 1 и подключенный к первичной обмотке трансформатора первого канала преобразования 13, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке 7 через выпрямитель первого канала преобразования 14, а второй канал преобразования первого модуля DC/DC 3 содержит инвертор второго канала преобразования 29, вход которого является вторым силовым входом первого модуля DC/DC 3, питающийся от резервной сети 2 и подключенный к первичной обмотке трансформатора второго канала преобразования 31, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке 7 через выпрямитель второго канала преобразования 32, контрольное напряжение на нагрузке 7 через датчик напряжения 19 подключено к первому входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC 18, аналого-цифровой преобразователь системы управления первым модулем DC/DC 18 подключен к первому входу микроконтроллера системы управления первым модулем DC/DC 23, первый выход микроконтроллера системы управления первым модулем DC/DC 23 через блок драйверов силовых ключей первого канала преобразования системы управления первым модулем DC/DC 20 подключен к входу инвертора первого канала преобразования 11, второй выход микроконтроллера системы управления первым модулем DC/DC 23 через блок драйверов силовых ключей второго канала преобразования системы управления первым модулем DC/DC подключен к входу инвертора второго канала преобразования 21, фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений первого канала преобразования 10 включен между основной сетью 1 и инвертором первого канала преобразования 11, фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений второго канала преобразования 28 включен между резервной сетью 2 и инвертором второго канала преобразования 29, датчик тока инвертора первого канала преобразования 12 включен между инвертором первого канала преобразования 11 и первичной обмоткой трансформатора первого канала преобразования 13, датчик тока инвертора второго канала преобразования 30 включен между инвертором второго канала преобразования 29 и первичной обмоткой трансформатора второго канала преобразования 31, выход инвертора первого канала преобразования 11 подключен ко второму входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC 18, выход инвертора второго канала преобразования 29 подключен к третьему входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC 18, выход датчика тока инвертора первого канала преобразования 12 подключен к четвертому входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC 18, выход датчика тока инвертора второго канала преобразования 30 подключен к пятому входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC 18, выход датчика тока нагрузки первого канала преобразования 16 подключен к шестому входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC 18, выход датчика тока нагрузки второго канала преобразования 34 подключен к седьмому входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC 18; между выходом выпрямителя первого канала преобразования 14 и нагрузкой 7 последовательно включены выходной фильтр первого канала преобразования 15 и датчик тока нагрузки первого канала преобразования 16, между выходом выпрямителя второго канала преобразования 32 и нагрузкой 7 последовательно включены выходной фильтр второго канала преобразования 33 и датчик тока нагрузки второго канала преобразования 34, образующие общий силовой выход первого модуля DC/DC 3, ко второму входу-выходу микроконтроллера системы управления первым модулем DC/DC 23 подключен адаптер шины информационного обмена системы управления первым модулем DC/DC 27, к третьему входу микроконтроллера системы управления первым модулем DC/DC 23 подключена память энергонезависимая системы управления первым модулем DC/DC 26, к четвертому - часы реального времени системы управления первым модулем DC/DC 25, вход блока питания от основной сети 17 подключен к выходу фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений первого канала преобразования 10, первый выход блока питания от основной сети 17 подключен к входу питания фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений первого канала преобразования 10, второй выход блока питания от основной сети 17 подключен к первому входу схемы развязки цепей питания 22, вход блока питания от резервной сети 24 подключен к выходу фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений второго канала преобразования 28, первый выход блока питания от резервной сети 24 подключен к входу питания фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений второго канала преобразования 28, второй выход блока питания от резервной сети 24 подключен ко второму входу схемы развязки цепей питания 22, выход схемы развязки цепей питания 22 подключен к входам питания микроконтроллера системы управления первым модулем DC/DC 23, блока драйверов силовых ключей первого канала преобразования системы управления первым модулем DC/DC 20, блока драйверов силовых ключей второго канала преобразования системы управления первым модулем DC/DC 21, аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC 18 и адаптера шины информационного обмена системы управления первым модулем DC/DC 27, второй вход-выход адаптера шины информационного обмена системы управления первым модулем DC/DC 27, являющийся информационным входом-выходом первого модуля DC/DC 3, подключен к шине информационного обмена 9, первые силовые входы второго 4, ..., N-го 5 и (N+1)-го 6 модулей DC/DC подключены к основной сети 1, вторые силовые входы второго 4, ..., N-го 5 и (N+1)-го 6 модулей DC/DC подключены к резервной сети 2, общие силовые выходы второго 4, ..., N-го 5 и (N+1)-го 6 модулей DC/DC подключены к нагрузке 7, информационные входы-выходы второго 4, ..., N-го 5 и (N+1)-го 6 модулей DC/DC подключены к шине информационного обмена 9, к которой также подключен вход-выход внешней системы управления 8.
Согласно фиг.2 фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений первого 10 (фиг.1) и второго 28 (фиг.1) каналов преобразования содержит последовательно соединенные индуктивность 35, выходной электролитический конденсатор 37 и узел активного подавления импульсно-коммутационных перенапряжений 38, состоящий из параллельно включенных биполярного транзистора с изолированным затвором и резистора, а также датчик входного напряжения 36 и схему управления биполярным транзистором с изолированным затвором, состоящую из последовательно соединенных компаратора 41 и блока драйверов биполярного транзистора с изолированным затвором 42, причем к первому входу компаратора 41 подключено напряжение от датчика входного напряжения 36, а ко второму входу - опорное напряжение от делителя напряжения из двух резисторов 39 и 40, подключенных соответственно к блокам питания от основной 17 (фиг.1) и резервной сети 24 (фиг.1).
На фиг.3 блок-схемы алгоритмов алгоритма включения преобразователя приняты следующие обозначения:
43 - начало алгоритма включения преобразователя;
44 - подача на преобразователь напряжения основной сети, самозапуск систем управления первого, второго, ..., N-го и (N+1)-го модуля DC/DC;
45 - опрос датчиков напряжения системами управления первого, второго, ..., N-го и (N+1)-го модуля DC/DC;
46 - передача значения напряжения основной сети, определенного системой управления i-го модуля DC/DC, в остальные модули DC/DC,
где i - любой из модулей DC/DC (первый, второй, ..., N-й и (N+1)-й);
47 - проверка условия получения i-м модулем DC/DC N параметров значений напряжения на нагрузке от остальных модулей DC/DC,
где N - количество работающих модулей DC/DC преобразователя, обеспечивающих номинальную мощность нагрузки;
48 - проверка условия получения i-м модулем DC/DC N-1 параметров значений напряжения на нагрузке от остальных модулей DC/DC;
49 - проверка условия получения i-м модулем DC/DC N-2 параметров значений напряжения на нагрузке от остальных модулей DC/DC;
50 - передача сообщения о готовности к работе от i-го модуля DC/DC (от «N+1» исправных модулей DC/DC) во внешнюю систему управления;
51 - фиксация во внешней системе управления состояния «Преобразователь готов к «отдаче» номинальной мощности нагрузке в режиме с избыточной мощностью «N+1»»;
52 - передача сообщения о готовности к работе от i-го модуля DC/DC (от «N» исправных модулей DC/DC) во внешнюю систему управления;
53 - фиксация во внешней системе управления состояния «Преобразователь готов к «отдаче» номинальной мощности нагрузке в режиме без резерва по мощности»;
54 - передача сообщения о готовности к работе от i-го модуля DC/DC (от «N-1» исправных модулей DC/DC) во внешнюю систему управления;
55 - фиксация во внешней системе управления состояния «Преобразователь готов к «отдаче» мощности, равной N-1/N номинальной мощности нагрузки»;
56 - передача сообщения о готовности к работе от i-го модуля DC/DC (от «N-2» исправных модулей DC/DC) во внешнюю систему управления;
57 - фиксация во внешней системе управления состояния «Преобразователь готов к «отдаче» мощности, меньшей N-1/N номинальной мощности нагрузки»;
58 - окончание алгоритма включения преобразователя.
На фиг.4 блок-схемы алгоритма набора и равномерного распределения нагрузки преобразователя в режиме с избыточной мощностью «N+1» и без резерва мощности в случае отказа одного из модулей DC/DC приняты следующие обозначения:
59 - начало цикла алгоритма набора и равномерного распределения нагрузки преобразователя в режиме с избыточной мощностью «N+1» и без резерва мощности в случае отказа одного из модулей DC/DC;
60 - опрос напряжения основной сети i-м модулем DC/DC;
61 - проверка условия нахождения уровня напряжения основной сети в допустимом интервале значений напряжений Uc1min≤Uc1≤Uc1max,
где Uc1 - напряжение основной сети;
Uc1min - минимально допустимое напряжение основной сети;
Uc1max - максимально допустимое напряжение основной сети;
62 - формирование повышающих управляющих воздействий на инвертор первого канала преобразования i-го модуля DC/DC для стабилизации на нагрузке выходных параметров преобразователя;
63 - опрос датчика напряжения на нагрузке i-го модуля DC/DC;
64 - проверка условия Uн min≤Uн,
где Uн - напряжение на нагрузке;
Uн min - минимально допустимое напряжение на нагрузке;
65 - формирование понижающих управляющих воздействий на инвертор первого канала преобразования i-го модуля DC/DC для стабилизации на нагрузке выходных параметров преобразователя;
66 - опрос датчика напряжения на нагрузке i-го модуля DC/DC;
67 - проверка условия Uн≤Uн max,
где Uн max - максимально допустимое напряжение на нагрузке;
68 - опрос датчика тока нагрузки первого канала преобразования i-го модуля DC/DC («N+1» исправными модулями DC/DC);
69 - передача значения тока нагрузки, определенного системой управления i-го модуля DC/DC, в остальные модули DC/DC;
70 - сравнение значения тока нагрузки в i-м модуле DC/DC со значениями тока нагрузки в остальных модулях DC/DC. Проверка условия «Значение тока нагрузки в k-м модуле DC/DC наименьшее»;
71 - опрос датчика тока нагрузки первого канала преобразования j-го модуля DC/DC,
где j - любой из работающих под нагрузкой модулей DC/DC (первый, второй, ..., N-й и (N+1)-й);
72 - передача значения тока нагрузки, определенного системой управления j-го модуля DC/DC, в остальные модули DC/DC;
73 - проверка условия получения j-м модулем DC/DC N параметров значений тока нагрузки от остальных модулей DC/DC,
74-
78 - проверка условия нахождения значения тока j-го модуля DC/DC в допустимом интервале значений токов 0≤Iср-Iнj/Iср≤Imin,
где Imin - показатель допустимого разброса значений токов j-x модулей DC/DC;
79 - передача сообщения «Авария основной сети» от i-го модуля DC/ Вычисление j-м модулем DC/DC среднего арифметического значения тока нагрузки, равного Iср=∑Iнj/N,
где Iнj - токи нагрузки всех j работающих под нагрузкой модулей DC/DC;
75 - проверка условия Icp-Iнj≥0;
76 - формирование повышающих управляющих воздействий на инвертор первого канала преобразования j-го модуля DC/DC для стабилизации на нагрузке выходных параметров преобразователя;
77 - опрос датчика тока нагрузки первого канала преобразования j-го модуля DC/DC; DC во внешнюю систему управления;
80 - самоблокировка работы инвертора первого канала преобразования, переход k-го модуля DC/DC и его системы управления в режим «Горячий резерв»;
81 - передача сообщения «Потеря резерва мощности преобразователя от j-го модуля DC/DC в систему управления k-го модуля DC/DC и во внешнюю систему управления»;
82 - снятие блокировки работы инвертора первого канала преобразования, переход k-го модуля DC/DC и его системы управления в работу из режима «Горячий резерв»;
83 - опрос напряжения резервной сети i-м модулем DC/DC;
84 - проверка условия нахождения уровня напряжения резервной сети в допустимом интервале значений напряжений Uс2min≤Uc2<Uc2max,
где Uc2 - напряжение резервной сети;
Uc2min - минимально допустимое напряжение резервной сети;
Uc2max - максимально допустимое напряжение резервной сети;
85 - формирование повышающих управляющих воздействий на инвертор второго канала преобразования i-го модуля DC/DC для стабилизации на нагрузке выходных параметров преобразователя;
86 - опрос датчика напряжения на нагрузке i-го модуля DC/DC;
87 - проверка условия Uн min≤Uн,
где Uн - напряжение на нагрузке;
Uн min - минимально допустимое напряжение на нагрузке;
88 - формирование понижающих управляющих воздействий на инвертор второго канала преобразования i-го модуля DC/DC для стабилизации на нагрузке выходных параметров преобразователя;
89 - опрос датчика напряжения на нагрузке i-го модуля DC/DC;
90 - проверка условия Uн≤Uн max,
где Uн max - максимально допустимое напряжение на нагрузке;
91 - опрос датчика тока нагрузки второго канала преобразования i-го модуля DC/DC («N+1» исправными модулями DC/DC);
92 - передача значения тока нагрузки, определенного системой управления i-го модуля DC/DC, в остальные модули DC/DC;
93 - сравнение значения тока нагрузки в i-м модуле DC/DC со значениями тока нагрузки в остальных модулях DC/DC. Проверка условия «Значение тока нагрузки в k-м модуле DC/DC наименьшее»;
94 - опрос датчика тока нагрузки второго канала преобразования j-го модуля DC/DC,
где j - любой из работающих под нагрузкой модулей DC/DC (первый, второй, ..., N-й и (N+1)-й);
95 - передача значения тока нагрузки, определенного системой управления j-го модуля DC/DC, в остальные модули DC/DC;
96 - проверка условия получения j-м модулем DC/DC N параметров значений тока нагрузки от остальных модулей DC/DC,
97 - вычисление j-м модулем DC/DC среднего арифметического значения тока нагрузки, равного Iср=∑Iнj/N,
где Iнj - токи нагрузки всех j работающих под нагрузкой модулей DC/DC;
98 - проверка условия Icp-Iнj≥0
99 - формирование повышающих управляющих воздействий на инвертор второго канала преобразования j-го модуля DC/DC для стабилизации на нагрузке выходных параметров преобразователя;
100 - опрос датчика тока нагрузки второго канала преобразования j-го модуля DC/DC;
101 - проверка условия нахождения значения тока j-го модуля DC/DC в допустимом интервале значений токов 0≤Iср-Iн j/Iср≤Imin,
где Imin - показатель допустимого разброса значений токов j-x модулей DC/DC;
102 - передача сообщения «Авария резервной сети» от i-го модуля DC/DC во внешнюю систему управления;
103 - самоблокировка работы инвертора второго канала преобразования, переход k-го модуля DC/DC и его системы управления в режим «Горячий резерв»;
104 - передача сообщения «Потеря резерва мощности преобразователя от j-го модуля DC/DC в систему управления k-го модуля DC/DC и во внешнюю систему управления»;
105 - снятие блокировки работы инвертора второго канала преобразования, переход k-го модуля DC/DC и его системы управления в работу из режима «Горячий резерв»;
106 - окончание цикла алгоритма набора и равномерного распределения нагрузки преобразователя в режиме с избыточной мощностью «N+1» и без резерва мощности в случае отказа одного из модулей DC/DC.
Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.
Работа первого модуля DC/DC 3 преобразователя от основной сети 1. Напряжение питания основной сети 1 (фиг.1) через фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений первого канала преобразования 10 подается на инвертор первого канала преобразования 11, где оно преобразуется в переменное напряжение и подается на первичную обмотку трансформатора первого канала преобразования 13. С вторичной обмотки трансформатора первого канала преобразования 13 напряжение поступает на выпрямитель первого канала преобразования 14 и далее через выходной фильтр первого канала преобразования 15 и датчик тока первого канала преобразования 16 на нагрузку 7.
Кроме этого, напряжение питания основной сети 1 с выхода фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений первого канала преобразования 10 поступает на блок питания от основной сети 17, напряжение питания резервной сети 2 с выхода фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений второго канала преобразования 28 поступает на блок питания от резервной сети 24. Напряжения питания, формируемые блоком питания от основной сети 17 и блоком питания от резервной сети 24, поступают на схему развязки цепей питания 22, а также на соответствующие гальванически развязанные от основной 1 и резервной сети 2 входы питания фильтров импульсно-коммутационных перенапряжений первого канала преобразования 10 и второго канала преобразования 28. С выхода схемы развязки цепей питания 22 подается питание на входы питания микроконтроллера 23 системы управления модулем DC/DC, блока драйверов силовых ключей первого канала преобразования 20 системы управления модулем DC/DC, блока драйверов силовых ключей второго канала преобразования 21 системы управления первым модулем DC/DC, аналого-цифрового преобразователя 18 системы управления модулем DC/DC, адаптера информационной шины 27 системы управления первым модулем DC/DC.
При этом на выходе схемы развязки цепей питания 22 напряжения, необходимые для питания вышеуказанных компонентов системы управления первым модулем DC/DC преобразователя, присутствуют, если поступает питание хотя бы от одной сети (основной сети 1 или резервной сети 2). Таким образом, в предлагаемом преобразователе система управления первым модулем DC/DC может функционировать (обеспечивать управление инверторами) до тех пор, пока сохранено электропитание хотя бы от одной сети.
Сетевое напряжение, поступающее на фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений первого канала преобразования 10 (фиг.1) и фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений второго канала преобразования 28 (фиг.1), сглаживается Г-образным индуктивно-емкостным фильтром 35-37 (фиг.2). Импульсно-коммутационные перенапряжения, поступающие по сети от датчика входного напряжения 36 и имеющие амплитуду выше опорного напряжения от делителя напряжения из двух резисторов 39 и 40, «выявляются» компаратором 41. Компаратор 41 с помощью блока драйверов биполярного транзистора с изолированным затвором 42 управляет работой узла активного подавления импульсно-коммутационных перенапряжений 38, не «пропуская» (шунтируя) импульсы перенапряжений на выход фильтров импульсно-коммутационных перенапряжений первого канала преобразования 10 и второго канала преобразования 28 (фиг.1).
Система управления первым модулем DC/DC является аппаратно-программной системой, с программами, установленными в памяти энергонезависимой 26. После включения преобразователя происходит загрузка программ в оперативную память микроконтроллера 23 системы управления первым модулем DC/DC. Для обеспечения возможности контроля значения напряжений на входе инвертора первого канала преобразования 10 от основной сети 1 и на входе инвертора второго канала преобразования 28 от резервной сети 2 и значения напряжения на нагрузке 22 в состав системы управления первым модулем DC/DC включен аналого-цифровой преобразователь 18. Для формирования управляющих воздействий на инвертор первого канала преобразования 11 и инвертор второго канала преобразования 29 в состав системы управления первым модулем DC/DC включены соответственно блок драйверов силовых ключей первого канала преобразования 20 и блок драйверов силовых ключей второго канала преобразования 21.
Микроконтроллер 23 с помощью аналого-цифрового преобразователя 18 периодически опрашивает значения напряжения основной сети 1 (второй вход аналого-цифрового преобразователя 18) и значения напряжения на нагрузке 7 (первый вход аналого-цифрового преобразователя 18), формируя через блок драйверов силовых ключей 20 соответствующие управляющие воздействия на инвертор первого канала преобразования 11 для стабилизации на нагрузке 7 выходных параметров первого канала преобразования первого модуля DC/DC.
При повреждениях в силовом оборудовании первого канала преобразования первого модуля DC/DC (первичная обмотка трансформатора первого канала преобразования 13, вторичная обмотка трансформатора первого канала преобразования 13, выпрямитель первого канала преобразования 14, выходной фильтр первого канала преобразования 15 и датчик тока первого канала преобразования 16) или в нагрузке 7 (в питающих нагрузку кабелях) и, как следствие, возникновении перегрузки по току или короткого замыкания, приводящих к возрастанию тока в первичной обмотке трансформатора первого канала преобразования 13, датчик тока 12 формирует контрольный сигнал, поступающий на четвертый вход аналого-цифрового преобразователя 18. Аналого-цифровой преобразователь 18 преобразует контрольный аналоговый сигнал от датчика тока 12 в цифровой и передает его в микроконтроллер 23, который формирует управляющие воздействия на инвертор первого канала 11, снижающие выходной ток инвертора первого канала 11 и, при необходимости, блокирующие его работу.
Второй канал первого модуля DC/DC 3 преобразователя работает от резервной сети 2 аналогично первому.
Система управления первого модуля DC/DC обеспечивает выполнение следующих основных функций:
- опрос значений напряжения на входе инвертора первого канала 11 - напряжения основной сети 1 (на входе инвертора второго канала 29 - напряжения резервной сети 2) с помощью аналого-цифрового преобразователя 18;
- опрос значений напряжения на нагрузке 7 (на выходе первого и второго канала первого модуля DC/DC) с помощью аналого-цифрового преобразователя 18;
- определение нахождения уровня напряжения основной сети 1 (резервной сети 2) в допустимом интервале значений напряжений;
- формирование управляющих воздействий на инвертор первого канала 11 (инвертор второго канала 29) для стабилизации на нагрузке 7 выходных параметров первого (и второго) канала преобразования первого модуля DC/DC при нахождении уровня напряжения основной сети 1 (резервной сети 2) в допустимом интервале значений напряжений;
- защита от токов перегрузок и коротких замыканий в первом (и втором) каналах преобразования первого модуля DC/DC;
- при выходе уровня напряжения основной сети 1 из допустимого интервала значений напряжения, формирование управляющих воздействий на инвертор второго канала 29.
Остальные модули DC/DC преобразователя работают аналогично первому. Описание блок-схемы алгоритмов включение преобразователя. После подачи питающего напряжения основной сети 1 на преобразователь производится самозапуск систем управления первого, второго, ..., N-го и (N+1)-го модуля DC/DC, каждая из которых, определив значение напряжения в основной сети, передает его в остальные модули. Так как число N в каждом конкретном преобразователе известно, то по количеству полученных взаимных сообщений система управления каждого модуля DC/DC может определить в каком режиме по мощности, отдаваемой нагрузке, сможет работать преобразователь и передать во внешнюю систему управления соответствующее сообщение. После получения команды на начало работы от внешней системы управления или после истечения определенного времени ожидания такой команды алгоритм включения преобразователя передает управление алгоритму набора и равномерного распределения нагрузки преобразователя.
Описание блок-схемы алгоритма набора и равномерного распределения нагрузки преобразователя в режиме с избыточной мощностью «N+1» и без резерва мощности в случае отказа одного из модулей DC/DC.
Алгоритм обеспечивает реализацию следующих основных функций преобразователя:
- управление напряжением на нагрузке;
- вывод в горячий резерв одного из модулей DC/DC;
- управление током нагрузки каждого из модулей DC/DC и выравнивание токов;
- ввод в работу модуля DC/DC, находящегося в горячем резерве, при набросе нагрузки сверх номинальной или при отказе одного из работающих под нагрузкой модулей DC/DC преобразователя;
- информирование внешней системы управления о событиях, происходящих при работе преобразователя.
При управлении напряжением на нагрузке микроконтроллер 23 системы управления модулями DC/DC получает информацию об уровне напряжения основной сети 1 на входе инвертора первого канала 11 (входное напряжение преобразователя) и на нагрузке 7 (выходное напряжение преобразователя) с помощью входящего в состав системы управления аналого-цифрового преобразователя 18. На основе этой контрольной информации микроконтроллер 23 формирует управляющие воздействия с помощью входящего в состав системы управления блока драйверов силовых ключей первого канала 20 на инвертор первого канала 11, обеспечивая требуемые выходные параметры по напряжению модуля DC/DC.
При выходе из допустимого интервала значений напряжения (или вовсе потере питающего напряжения) в основной сети 1, определяемого микроконтроллером 23 путем контроля напряжения на входе инвертора первого канала 11, микроконтроллер 23 фиксирует событие и передает во внешнюю систему управления сообщение «Авария основной сети», выполняет опрос значений напряжения резервной сети 2, определяет нахождение уровня напряжения резервной сети 2 в допустимом интервале значений напряжений, формирует управляющие воздействия с помощью входящего в состав системы управления блока драйверов силовых ключей второго канала 21 на инвертор второго канала 29, обеспечивая требуемые выходные параметры по напряжению модуля DC/DC.
При выходе из допустимого интервала значений напряжений (или вовсе потере питающего напряжения) в резервной сети 2, определяемого микроконтроллером 23 путем контроля напряжения на входе инвертора второго канала 29, микроконтроллер 23 фиксирует событие и передает во внешнюю систему управления сообщение «Авария резервной сети», выполняет опрос значений напряжения основной сети 1, определяет нахождение уровня напряжения основной сети 1 в допустимом интервале значений напряжений, формирует управляющие воздействия с помощью входящего в состав системы управления блока драйверов силовых ключей первого канала 20 на инвертор первого канала 11, обеспечивая требуемые выходные параметры по напряжению модуля DC/DC.
Далее цикл алгоритма повторяется.
При рассмотрении блок-схемы алгоритма реализация остальных функций очевидна и дополнительного пояснения не требует.
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый преобразователь может быть изготовлен в соответствии с приведенным описанием и чертежами на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования и использован для электропитания разнообразных объектов.
Таким образом, предлагаемый преобразователь обладает повышенной устойчивостью к воздействию импульсно-коммутационных помех, проникающих из питающей сети, имеет защиту первого и второго канала силового оборудования от токов перегрузок и коротких замыканий, имеет повышенную нагрузочную способность и высокую отказоустойчивость.
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый преобразователь напряжения постоянного тока с резервируемой параллельной архитектурой отвечает критериям «новизна», «изобретательский уровень» и может быть защищен патентом Российской Федерации на изобретение.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ НАГРУЗКИ | 2006 |
|
RU2324272C2 |
| ДВУХКАСКАДНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ЗАЩИТОЙ ОТ РЕЖИМОВ ПЕРЕГРУЗКИ И ТОКОВ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ | 2006 |
|
RU2314621C1 |
| ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ФИЛЬТРАМИ ИМПУЛЬСНО-КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ВСТРОЕННЫМ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОМ | 2005 |
|
RU2283523C1 |
| ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА СО ВСТРОЕННЫМ МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ | 2005 |
|
RU2284623C1 |
| ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ С БЕСПЕРЕБОЙНЫМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЕМ ОТВЕТСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯМИ 27 В ПОСТОЯННОГО ТОКА И 220 В ПЕРЕМЕННОГО ТОКА | 2008 |
|
RU2390896C2 |
| Интеллектуальный источник вторичного электропитания | 2020 |
|
RU2737107C1 |
| ЭНЕРГОУСТАНОВКА НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ | 2011 |
|
RU2460179C1 |
| ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ | 2012 |
|
RU2499348C1 |
| МНОГОКАНАЛЬНЫЙ АГРЕГАТ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ МОДУЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ | 2009 |
|
RU2414788C1 |
| МНОГОКАНАЛЬНЫЙ АГРЕГАТ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА | 2009 |
|
RU2403664C1 |
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для бесперебойного электропитания ответственных потребителей с динамически изменяемой нагрузкой различных объектов промышленного и военного назначения. Техническим результатом является повышение устойчивости преобразователя к импулсьно-коммутационным помехам, защита силового оборудования от перегрузки и коротких замыканий, расширение функциональных возможностей, обеспечение равномерного распределения нагрузки между параллельно работающими каналами преобразования и повышение нагрузочной способности и отказоустойчивости. Преобразователь напряжения постоянного тока с резервированной параллельной архитектурой состоит из (N+1)-го числа одинаковых модулей DC/DC. В каждом из модулей DC/DC имеется собственная микроконтроллерная система управления. Системы управления модулей DC/DC имеют возможность обмениваться информацией по шине (типа CAN-bus) и являются равноправными (то есть, не разделены по признаку «Ведущая система управления» и «Ведомые системы управления»). Оригинальные идентичные алгоритмы, реализованные во всех микроконтроллерах равноправных систем управления модулей DC/DC, обеспечивают перевод (при номинальной нагрузке) одного из модулей DC/DC в «Горячий резерв», равномерное распределение динамически изменяемой нагрузки между параллельно работающими модулями DC/DC, автоматический ввод в работу резервного модуля DC/DC при увеличении нагрузки сверх номинальной или при однократном отказе (отказе одного из модулей DC/DC), информирование внешней системы управления о факте отказа в преобразователе и, следовательно, о его работе без резерва по мощности. Полученное внешней системой управления сообщение об отказе позволяет обслуживающему персоналу выполнить необходимые и своевременные действия по восстановлению работы преобразователя в отказоустойчивом режиме с избыточной мощностью «N+1». 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
| Горный комбайн | 1935 |
|
SU44894A1 |
| УСТРОЙСТВО БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОЕ СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЕ | 2001 |
|
RU2221320C2 |
| Способ формовки зерен пористого шамота | 1939 |
|
SU59349A1 |
| Система электропитания | 1983 |
|
SU1306490A3 |
| СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА | 2005 |
|
RU2295508C1 |
| US 2004036359 A1, 26.02.2004 | |||
| Способ обработки писчего карбонатного мела | 1987 |
|
SU1511149A1 |
