Способ управления токораспределением в многоканальной системе импульсного преобразования Российский патент 2023 года по МПК H02J9/06 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам и трактам вторичного электропитания, и может быть использовано для бесперебойного электропитания особо ответственных потребителей от различных сетей энергоснабжения.

Задача поддержания электропитания наиболее ответственных потребителей, обеспечивающая бесперебойное функционирование вычислительных комплексов, пультов управления технологическими процессами, жизнедеятельность автономных объектов и ряда других промышленных систем непрерывного действия относится к актуальным направлениям разработки устройств силовой электроники. Решение этой задачи связано с реализацией многоканальных систем вторичного электропитания с резервированием, например, описанных в патенте РФ №2403664 [Многоканальный агрегат бесперебойного питания потребителей напряжением постоянного и переменного тока. Опубл. 10.11.2010], патенте РФ №2583002 [Устройство вторичного электропитания с резервированием. Опубл. 24.04.2016] и патенте РФ №2754919 [Тракт вторичного электропитания с резервированием. Опубл 08.09.2021].

В известных системах могут быть использованы различные каналы ключевого преобразования, включенные параллельно по выходу с электропитанием от различных сетей электроснабжения, например от основной и резервной электросети [Патент РФ №2583002], в том числе с аккумуляторной поддержкой [Патент РФ №2403664], либо с использованием емкостного накопителя [патент РФ №2754919], что позволяет обеспечить питание потребителей при аварийном отключении сети энергоснабжения, а также в условиях нестабильности первичного напряжения электропитания, включающего недопустимые динамические изменения и кратковременное отключение одного либо нескольких источников каналов ключевого преобразования. Вместе с тем известные технические решения не обеспечивают необходимого резервирования каналов ключевого преобразования и не допускают наращивания числа каналов для повышения суммарной выходной мощности. Этот недостаток непосредственно связан с отсутствием эффективных технических средств для выравнивания выходного тока каналов ключевого преобразования в известных способах управления многоканальными системами импульсного преобразования, реализованными в технических аналогах [патенты РФ №2583002, №2403664, №2754919].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является техническое решение, описанное в патенте РФ №2447478 [Способ управления равномерным токораспределением в многоканальном импульсном преобразователе напряжения. Опубл. 10.04.2021. Заявитель ОАО «НТУ «Плюс», г. Томск]. Способ-прототип основан на выравнивании выходного тока ряда параллельно включенных каналов, в каждом из которых выделяются корректирующие сигналы по току и напряжению, причем эти корректирующие сигналы определяются как разность измеренной величины тока канала с усредненной величиной тока нагрузки и как разность опорного напряжения и напряжения на нагрузке, причем усредненная величина тока нагрузки определяется измеренной величиной тока в шине выходного напряжения:

где n - число каналов ключевого преобразования;

ΔU_iк - корректирующий сигнал по току k-ого сигнала (k=1…n);

U_iн - измеренная величина тока в шине выходного напряжения;

U_icp - измеренная величина тока канала с усредненной величиной тока нагрузки.

В свою очередь корректирующий сигнал по напряжению для всех сигналов является общим и формируется как разность заданного опорного напряжения U₀ и напряжения U_н обратной связи с нагрузкой:

При этом действующее значение импульсного сигнала управления V задается с учетом суммы корректирующих сигналов ΔU_i и ΔU_u в каждом канале преобразования. Принимая во внимание, что глубина отрицательной обратной связи по корректирующему сигналу ΔU_i весьма значительная, и ограничена только весьма малым собственным сопротивлением каналов ключевого преобразования, в способе-прототипе достигается высокая равномерность распределения тока нагрузки по каналам многоканального импульсного преобразователя напряжения.

Для увеличения глубины обратной связи по напряжению в способе-прототипе предложена в качестве сигнала развертки переменная составляющая измеренного напряжения с выхода датчика тока для каждого канала, причем для ряда каналов предложена синхронизация переключений с равномерным временным сдвигом ΔT:

где Т - период переключений, заданный централизованным генератором синхронизации.

Последнее обстоятельство позволяет согласно способу-прототипу реализовать потенциал многоканальной ШИМ. Однако такая реализация многоканального импульсного преобразования имеет существенные недостатки при широком диапазоне изменения тока нагрузки. В частности в режиме, близком к холостому ходу, переменная составляющая тока дросселя искажается, что нарушает процесс формирования импульсов управления в отдельных каналах, причем централизованная синхронизация в этом случае принципиально нарушает стабильность выходного напряжения. В свою очередь в режиме нагрузки согласно способу-прототипу не происходит ограничение выходного тока каналов ключевого преобразователя, не срабатывают механизмы защиты, в которых нарушается равномерность токораспределения, и это обуславливает отключение преобразователя в целом. Как следствие, реализация способа-прототипа в условиях динамических перегрузок и пусковых режимов ограничивает возможности применения многоканального импульсного преобразователя напряжения, понижая надежность его работы. Также к основным недостаткам способа - прототипа относится его применяемость только для реализации многоканального импульсного преобразователя напряжения с каналами ключевого преобразования без гальванической развязки и подключенными входами электропитания к единой сети электропитания, что неприемлемо для построения многоканальной системы импульсного преобразования для бесперебойного питания особо ответственных потребителей при необходимости использования гальванически развязанных разнотипных каналов ключевого преобразования, адаптированных к различным сетям энергоснабжения.

Задачей изобретения является обеспечение бесперебойного электропитания нагрузки в условиях повышения надежности при перегрузке и пусковых режимах работы.

Техническим результатом от использования заявленного способа является обеспечение равномерного токораспределения параллельно включенных по выходу разнотипных гальванически развязанных каналов ключевого преобразования при ограничении выходного тока в условиях перегрузки с минимизацией границы перехода от режима стабилизации напряжения к режиму стабилизации тока.

Технический результат достигается тем, что в способе управления токораспределением в многоканальной системе импульсного преобразования, в котором параллельно работающие на нагрузку каналы ключевого преобразования выравниваются по выходному току посредством выделения в каждом канале ключевого преобразования корректирующего сигнала по току, соответствующего разности измеренной величины выходного тока и сигнала усредненного тока нагрузки, при стабилизации выходного напряжения посредством корректирующего сигнала по напряжению, соответствующего разности опорного напряжения и напряжения обратной связи по напряжению нагрузки, причем корректирующие сигналы по току и напряжению используют для формирования импульсного сигнала управления каждого канала ключевого преобразования, введены новые признаки, а именно усредненную величину тока нагрузки формируют при параллельном суммировании измеренных величин выходного тока всех каналов ключевого преобразования, причем в каждом канале ключевого преобразования корректирующий сигнал по напряжению преобразуют в первый сигнал управления посредством ограничения максимальной величины на уровне, соответствующем полной модуляции импульсного сигнала управления при отсутствии токовой перегрузки, заданной пороговым значением сигнала усредненного тока нагрузки, который после порогового усиления преобразуют во второй сигнал управления, в свою очередь результирующий сигнал управления, определенный как весовая сумма первого и второго сигналов управления и корректирующего сигнала по току.

Предложенный способ основан на новой совокупности действий, взаимосвязанная последовательность которых приводит к достижению заявленного технического результата.

Функциональная схема многоканальной системы импульсного преобразования, включающая блоки, реализующие совокупность действий предлагаемого способа и временные диаграммы, поясняющие принцип действия и достижение технического результата, приведены на фиг. 1 и фиг. 2 соответственно.

Функциональная схема (фиг. 1) включает n каналов ключевого преобразования, каждый из которых содержит ключевой преобразователь 1.1 напряжения, дроссель 1.2 фильтра, датчик 1.3 тока, емкость 1.4 фильтра, цепь 1.5 обратной связи по току, цепь 1.6 обратной связи по напряжению, вычитающие устройства 1.7 и 1.8, весовой сумматор 1.9, усилитель - ограничитель 1.10, пороговый усилитель 1.11, генератор 1.12 пилообразного напряжения и компаратор 1.13.

Ключевой преобразователь 1.1 напряжения может быть выполнен, например, на конверторе с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), [РФ №2692699 Ключевой регулятор напряжения. Опубл. 26.06.19], реализующем высокочастотную гальваническую развязку при преобразовании напряжения Е электропитания во вторичное стабилизированное напряжение нагрузки. Дроссель 1.2 и емкость 1.4 выходного фильтра, также как датчик 1.3 тока являются неотъемлемой частью выходной цепи ключевого преобразователя 1.1 такого типа.

Также по известным правилам выполняются компаратор 1.13 и генератор 1.12 пилообразного напряжения, обеспечивающие формирование ШИМ сигнала управления.

Соответственно реализуются цепи 1.5 и 1.6 обратной связи по току и напряжению, предназначенные для передачи измеренной величины выходного тока и напряжения нагрузки на соответствующие входы вычитающих устройств 1.7 и 1.8, которые могут быть выполнены на обычных резистивных сумматорах и соответствующей полярности входных сигналов, либо на операционных усилителях.

Здесь заслуживает внимания дополнительный резистивный выход цепи 1.7, поступающий на общую шину суммирования всех каналов ключевого преобразования. В условиях равенства масштабирования измеренной величины выходного тока отдельных каналов на общей шине суммирования формируется напряжение усредненной величины измеренных токов:

Усилитель-ограничитель 10 доложен выполнять функции линейного усиления корректирующего сигнала по напряжению ΔU_u до уровня ограничителя ΔU_гu для формирования управляющего сигнала:

где - разностный сигнал на выходе сумматора 8;

К_u - собственный коэффициент передачи весового сумматора, где U_пм - размах опорного пилообразного напряжения при формировании сигнала ШИМ.

Пороговый усилитель 1.11 должен обеспечивать линейное усиление сигнала результирующего тока нагрузки U_i, превышающего установленное граничное значение U_гi для формирования управляемого сигнала U_pi:

Генератор 12 пилообразного напряжения и компаратор 13 соответствуют структуре традиционного широтно-импульсного модулятора, формирующего ШИМ-сигнал (F) по результату сравнения результирующего сигнала U_p с выхода весового сумматора 9 с опорным (например, линейно-нарастающим пилообразным напряжением U_п (фиг. 2)

где К_u, K_pi и K_i - коэффициенты передачи весового сумматора 9 по сигналу с выходов, соответственно, усилителя ограничителя 10, порогового усилителя 11 и сумматора 7.

Таким образом, совокупность действий, положенная в основу заявленного способа управления токораспределением в многоканальной схеме импульсного преобразования может быть реализована на основе функциональных узлов, выполненных по известным правилам, что подтверждает реализуемость предлагаемого технического решения.

Реализация заявленного способа определяет формирование импульсных сигналов согласно закону управления, обеспечивающее равномерное токораспределение в каналах многоканальной системы импульсного преобразования. Для n каналов ключевого преобразования в каждом j-ом канале согласно выражению (7) выполняется закон управления импульсным сигналом F_j следующего вида:

где K_uj, K_pij, К_ij - коэффициенты весового сумматора j.9, формирующего результирующий сигнал U_pj для сравнения с пилообразным напряжением U_пj.

Усредненная величина тока нагрузки определяется параллельным суммированием сигналов 1.5…N.5 тока через рассматриваемые выходы цепей обратной связи по току 1.5…N.5. В результате в каждом j-ом канале формируется корректирующий сигнал U_uj, который используется для измерения уровня модуляции из условия выравнивания выходных токов отдельных каналов:

Одновременно в каждом канале обеспечивается выделение разностного сигнала по результату сравнения опорного напряжения U₀ с напряжением U_u с выхода ОСН:

При идентичных значениях опорных напряжений и напряжений обратной связи значения ΔU_u одинаковы для всех каналов ключевого усиления. Для ΔU_uj не более U_гu сигнал U_uj=ΔU_uj усиливается усилителем j.10 и поступает через весовой сумматор на вход компаратора j. 13, где в результате сравнения с опорным пилообразным напряжением ГПН j.12 формируется сигнал F_j. В результате в соответствии с законом управления (8) обеспечивается стабилизация выходного напряжения, как отдельных каналов, так и многоканальной системы импульсного преобразования в целом. Некоторое различие параметров отдельных каналов компенсируется корректирующим сигналом ΔU_ij выравнивания выходных токов, без существенного влияния на стабильность выходного напряжения U. Представленный алгоритм стабилизации выходного напряжения обеспечивается во всем диапазоне модуляции ШИМ сигнала при изменении корректирующего сигнала по ΔU в пределах от 0 до U_гu (5). В условиях выбора U_гu=U_пм дальнейшее увеличение уровня ΔU ограничено усилителем-ограничителем 10j, что обеспечивает переход к режиму стабилизации выходного тока.

При перегрузке по току реализуется следующий алгоритм работы. В условиях превышения усредненной величины тока нагрузки i_н заданного значения i_нmax усредненное значение измеренной величины выходного тока каналов превышает пороговое значение U_гij, установленное пороговым усилителем j.11 канала. Соответственно разностный сигнал через пороговый усилитель j.11 и весовой сумматор j.9 с результирующим коэффициентом усиления K_pij поступает на вход сумматора j.13. Далее за счет значительной глубины ОС по току при ограничении корректирующего сигнала по напряжению канал переходит в режим стабилизации выходного тока на уровне, незначительно (на 5-10%) превышающем установленное максимальное значение, соответствующее уровню U_гij. При некотором разбросе параметров каналов, как правило, не превышающих 10%, выравнивание выходного тока каналов в режиме перегрузки также обеспечивается корректирующим сигналом ΔU_uj.

Совокупность предлагаемых действий определяет принцип действия заявляемого способа управления токораспределением в многоканальной системе импульсного преобразования, и заданная последовательность их выполнения приводит к достижению технического результата, а именно к обеспечению равномерного токораспределения в режимах стабилизации напряжения и ограничения выходного тока.

При этом обеспечивается возможность параллельного включения разнотипных каналов ключевого преобразования с гальванической развязкой для заданной номенклатуры выходного напряжения.

Рассмотрим принцип действия заявленного

На фиг. 2 иллюстрируются временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип действия заявленного способа на примере двух сигналов системы импульсного преобразования. Здесь в каждом из двух каналов формируются в общем случае несинхронные опорные пилообразные напряжения U_п1 и U_п2, имеющие отличия как по частоте изменения, так и по амплитуде.

В каждом канале в результате суммирования измеренных величин выходного тока формируется усредненная величина U_i, соответствующая усредненному току нагрузки:

При этом в отсутствии режима перегрузки (i/j<U_гu; U_pi=0) реализуется режим стабилизации напряжения с выравниванием выходных токов каналов. Стабилизация напряжения достигается выделением сигналов управления U_1u и U_2u с учетом отрицательной обратной связи по напряжению для j - канала:

где - усредненное значение опорных напряжений и коэффициентов передачи цепей ОС по напряжению всех сигналов преобразования.

С повышением тока нагрузки имеет место некоторое увеличение управляющих сигналов U_u (U_1u и U_2u - фиг. 2), комментирующие падение напряжения на элементах ключевого преобразователя 1 и дросселя 2 для сохранения стабильности напряжения на нагрузке.

При достижении тока нагрузки порогового значения (U_i>U_гi) формируется сигнал ОС по току U_pi с глубиной, значительно превышающей величину ОС по напряжению, что ведет к уменьшению результирующего сигнала U_p (U_1p и U_2p - фиг. 2), несмотря на увеличение корректирующих сигналов U_u (U_1u, U_2u - фиг. 2). При достижении величины U_u граничного значения, примерно соответствующего полной модуляции в режиме стабилизации напряжения (U_пм=U_p), в режиме ограничения тока также сохраняется равномерное распределение выходного тока между каналами ключевого преобразования, что имеет принципиальное значение для обеспечения надежности работы многоканальной системы импульсного преобразования в условиях перегрузки и первичного включения на емкостную нагрузку.

Принципиальным преимуществом предлагаемого технического решения является обеспечение равномерного токораспределения и ограничение максимального выходного тока при использовании независимых гальванически развязанных каналов ключевого преобразования, что позволяет реализовывать многоканальную систему гарантированного электропитания особо ответственных потребителей от различных сетей электроснабжения.

При этом за счет применения предполагаемого способа достигается повышение надежности работы многоканальной системы импульсного преобразования по сравнению с известными техническими аналогами и прототипом, что позволило внедрить заявленное техническое решение в систему бесперебойного электропитания гидроакустического комплекса с энергоснабжением от основной и резервной сети переменного тока с аккумуляторной поддержкой от сети постоянного тока.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для бесперебойного электропитания особо ответственных потребителей от различных сетей энергоснабжения. Технический результат - равномерное токораспределение параллельно включенных по выходу гальванически развязанных каналов ключевого преобразования, в том числе при ограничении выходного тока при минимизации границы перехода от стабилизации напряжения к стабилизации тока. Достижение технического результата обеспечивается получением результирующего сигнала для формирования импульсных сигналов управления в каждом канале как результат весового суммирования корректирующего сигнала по току, как разность выходного тока и усредненного тока нагрузки, а также корректирующего сигнала по напряжению, как разности сигнала обратной связи и опорного напряжения, проходящего через усилитель-ограничитель, и сигнала обратной связи по току, определяемой как разность измеренной величины выходного тока и усредненного тока нагрузки, проходящего через пороговый усилитель. При этом в режимах токовой перегрузки обеспечивается подавление обратной связи по выходному напряжению в условиях сохранения равномерности токораспределения как при стабилизации максимального выходного тока и при стабилизации выходного напряжения, чем достигается повышение надежности, в том числе для гальванически развязанных каналов преобразования в условиях энергоснабжения от различных сетей электропитания. 2 ил.

Способ управления токораспределением в многоканальной схеме импульсного преобразования, заключающийся в том, что параллельно работающие на нагрузку каналы ключевого преобразования выравниваются по выходному току посредством выделения в каждом канале ключевого преобразования корректирующего сигнала по току, соответствующего разности измеренной величины выходного тока и сигнала усредненного тока нагрузки, при стабилизации выходного напряжения посредством корректирующего сигнала по напряжению, соответствующего разности опорного напряжения и напряжения обратной связи по напряжению нагрузки, причем корректирующие сигналы по току и напряжению используют для формирования импульсного сигнала управления каждого канала ключевого преобразования, отличающийся тем, что усредненную величину сигнала тока нагрузки формируют при параллельном суммировании измеренных величин выходного тока всех каналов ключевого преобразования, причем в каждом канале ключевого преобразования корректирующий сигнал по напряжению преобразуют в первый сигнал управления посредством ограничения максимальной величины на уровне, соответствующем полной модуляции импульсного сигнала управления при отсутствии токовой перегрузки, заданной пороговым значением сигнала усредненного тока нагрузки, который после порогового усиления преобразуют во второй сигнал управления, при этом результирующий сигнал для формирования импульсного сигнала управления определяют как весовую сумму первого и второго сигналов управления и корректирующего сигнала по току.