Устройство для электропитания Советский патент 1980 года по МПК G05F1/10 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропитания цифровых вычислительных машин.

Известно устройство для электропитания, содержсицее трансформаторы с управляемым под нагрузкой коэффициентом трансформации, измерительный элемент, узел управления исполнительным органом и )|1сполнительный орг гаи 1.

В известном устройстве стабилизация осуществляется при больших затратах энергии (с низким КПД) при плавной регулировке или с невысокой точностью при использовании тиристоров (ограниченное число отводов), Автоматически не устраняются также и ошибки, возникающие в тракте стабилизации в процессе эксплуатации.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для электропитания, содержащее последовательно соединенные блок вентилей, блок фильтров и блок переключателей, выход которого служит для подк.гаочения блока нагрузок, синхронизатор, вход которого подключен к первому входному выводу для подключения нитающей сети, ко входу опорного источника и к первому входу батареи аккумуляторов, блок индикации и сигнализации, пульт, один из входов которого служит для подключения ко второму входному выводу для включения или отключения устройства, и перек.шочатель 2.

Целью изобретения является повыше10ние показателя качества устройства для электропитания.

Это достигается тем, что устройство для электропитания, содержащее последовательно соединенные,блок вентилей, блок фильтров и блок переключателей, выход которого служит для подключения блока нагрузок, синхронизатор, вход которого подк.шочен к первому входному выводу для подк.шочения

20 питающей сети, ко входу опорного источника и к первому входу батареи аккумуляторов, блок индикации и сигнализации, пульт, один из входов которого служит для подключения ко второму входному выводу для включения или отк.лючения устройства и переклю- . чатель, снабжено цифроаналоговым умножителем, выход которого подключен ко входу блока вентилей, первый

30 вход - к указанному первому входному выводу,, второй - к выходу синхрониза тора, информационным диспетчером, к выходу которого, соединенному со вторым входом блока переключателей, подключен третий вход цифроаналогового умножителя, аналого-цифровым преобразователем, первый вход которого соединен с выходом блока переключателей, второй - с выходом блока фильтров, третий - с третьим входом цифроаналогового умножителя, четвертый - с выходом переключателя, первы вход которого соединен с выходом батареи аккумуляторов, второй вход с выходом опорного источника, а третий вход - с выходом информационного диспетчера, анализатором прирашений, выход которого соединен с первым входом информационного диспетчера, первый вход соединен с выходом анало го-цифрового поеобразователя и вторым входом информационного диспатчера, второй вход - с третьим входом информационного диспетчера, четвертый вход которого соединен с выходом пульта, а третий вход анализатора приращений соединен с третьим входом цифроаналогового умножител цифроаналоговым преобразователем, один вход которого соединен с выходом информационного диспетчера, другой вход - с третьим входом информационного диспетчера, а выход - с пятым входом аналого-цифрового преобразователя, блоком уставок и конс тант, первый вход которого соединен с третьим входным выводом, служащим для подключения к шине источника программ, второй вход - со вторым из указанных входов цифроаналогового преобразователя, третий вход - с третьим входом цифроаналого вого преобразователя, а выход - с пятым входом информационного диспетчера, шестой вход которого соединен с выходом блока сигнализации и индикации, входом соединенного с третьим входом цифроаналогового умножителя и другим входом пульта, причем выход батареи аккумуляторов соединен с третьим входом блока переключателей, а другой вход - с третьим входом бло ка уставок и констант, причег дифроаналоговый умножитель выполнен из по следовательно соединенных узлов по числу разрядов входного кода, каждый из которых выполнен в виде дросселя, один и второй выводы которого соедийены с первыми выводами вторичных обмоток трансформаторов соседних узлов за исключением младшего разряда, один вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, первичная обмот ка трансформатора подключена одним выводом к первому входу цифроаналого вого умножителя, другим выводом чере цепь переключения - ко второму вывод вторичной обмотки трансформатора и к шине нулевого потенцигша, а два управляющих входа цепи переключения соединены со вторым и третьим входами цифроаналогового умножителя, выход которого гальванически и индуктивно подключен к трансформатору группы старшего разряда. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для электропитания; на фиг. 2 - схема цифроана-логового умножителя. Устройство для электропитания содержит блок 1 вентилей, блок 2 фильтров, блок 3 переключателей, блок 4 нагрузок, синхронизатор 5, блок 6 индикации и сигнализации, пульт 7, опорный источник 8, переключатель 9, батарею 10 аккумуляторов, цифроаналоговый умножитель 11, аналого-цифровой преобразователь 12, анализатор 13 приращений, информационный диспетчер 14, блок 15 уставок и констант, цифроаналоговый поеобразователь 16, шину 17 источника переменного напряжения, шину 18 источника программы и -тну 19 оператора. Цифроаналоговый умножитель 11, соединенный с источником переменного напряжения по шине 17, например с сетью, управляет значением переменного напряжения на входе блока 1 так, чтобы выпрямленные им и отфильтрованные блоком 2 постоянные напряжения, поступающие через -блок 3 на блок 4, поддерживались на нагрузках блока 4 постоянными при изменении величины переменного напряжения на шине 17, при изменении величины нагрузок в блоке 4, и при изменении внешних условий (температуры, влс1жности, давления) . Синхронизатор 5 формирует импульсные управляющие сигналы в моменты перехода переменного напряжения на шине 17 через нуль. Изменение внутреннего состояния цифроаналогового умножителя 11 осуществляется в моменты времени, определяемые указанными импульсными сигналами, благодаря чему на элементах умножителя 11 отсутствуют перенапряжения и исключаются помехи переключения для нагрузок блока 4. Напряжения с выхода блока 2 поступают на аналого-цифровой преобразователь 12, преобразующий указанные напряжения в пропорциональные им коды, поступающие на вход диспетчера 14, На вход диспетчера 14 с блока 15 поступают эталонные коды значений напряжений на нагрузках блока 4, коды верхней и нижней границ отклонения напряжений на нагрузках от номинала, коды максимальных и минимальных значений токов в нагрузках блока 4, коды фиксированных интервалов времени, коды верхней и нижней границ ЭДС и внутреннего сопротивления источников питания, эталонные контрольные коды и любые другие эталонные коды уставо И констант. Хранение эталонов в цифровом, а не в аналоговом виде сумеет венно повышает точность эталонов при заданном числе разрядов в коде, Бдок 15 представляет собой пассивное запоминающее устройство, выполненное, например, на диодах, ферритах, униполярных транзисторах в интегральном исполнении и т.п. Информацию в блоке 15 легко видоизменить источником внешней программы на шине 18, Диспетчер 14 вычисляет разницу между текущим значением кода соответствующего напряжения и его эталон ным значением. Код разницы с выхода диспетчера 14 поступает на вход умножителя 11, изменяя его состояние так, чтобы при изменении переменного напряжения на его выходе значение кода разницы кодов эталонного и теку щего стремилось к нулю. Анализатор приращений 13 выделяет разницу текущих значений кодов ЭДС (Е) на выходе блока 2 и напряжений на нагрузках блока 4 (И) (получение значения ЭДС и внутреннего сопротивления устройства до блока 4 будет описйно ниже), По этой разнице и известному значению внутреннего сопротивления г диспетчер 14 вычисляет текущее значение кода тока J в нагрузке блока 4 по формуле - - которое сравнивается е эталонными значениями кодов верхней и нижней границ тока, записанными в блоке 15, Увеличение тока вьние эталонного предела в течение заданного интервал времени интерпретируется как коротко замыкание, ниже эталонного предела - как неисправность устройства до блока 4 , В каждом из этих случаев диспетчером 14 включается блок 6, указывающий место и причину неисправности, С пульта 7, осуществляется включение и выключение устройства для элек ропитания оператором по шине 19 или выключение в аварийных ситуациях диспетчером 14, Диспетчер 14 определяет также порядок включения и выключения через блок 3 пита-омих напряжений блока 4, представляющего Ьобой цифровую вычислительную машину. Алгоритмы включения и выключения питающих напряжений J для современных вычислительных машин - достаточно сложная последовательность управляющих действий, имеющих различную длительность . Данное устройство благодаря возможности перепрогра ммирования диспет чера 14 и изменения констант в блоке 15 позволяет сравнительно легко реализовать указанные алгоритмы и просто переориентировываться на самые разнообразные вычислительные машины. Особое значение для современных вычислительыык машин, особенно больших, региаюших сложные многочасовые задачи, и yпpaвляющIix (аэрокосмических, энергетических, технологических) имеет продолжение вычислительного процесса при перерывах в поступлении перёменного напряжения на шине 17, вызывающих стирание информации в оперативной памяти цифровой вычислительной машины. Сигналом об этом служит уменьшение напряжений на блоке 4 ниже заданного предела, например на 10-15%, В этом случае диспетчер 14 отключает по заданной .программе блок 4 от блока 2 с помощью блока 3 и подключает также по заданной программе к блоку 4 батарею 10 аккумуляторов, которая до этого момента времени постоянно подзаряжалась с помощью внутреннего зарядного устройства от источника переменного напряжения по шине 17, Блоки 12-16 питаются через переклЮ чатель 9 от опорного источника 8 или в аварийных ситуациях от батареи 10, ЭДС (Е) и внутреннее сопротивление активного двухполюсника , состоящего из умножителя 11, блоков1 и 2, вычисляется диспетчером 14 на основании теоремы об эквивалентном генераторе. Для этого диспетчер 14 регулярно через определенные промежутки времени, задаваемые блоком 15 по заданной программе, отключает блок 4 с помощью блока 3 от активного двухполюсника с одновременным подключением к блоку 4 батареи 10. Напряжение на выходе активного двухполюсника, которое в режиме холостого хода является искомой ЭДС (Е), измеряется аналого-цифровым преобразователем 12, Затем выход активного двухполюсника замыкается с помощью блока переключателей 3 через эталонное сопротивление, обеспечивающее, режим, .близкий к режиму короткого замыкания двухполюсника, на шину нулевого потенциала. По известному значению падения напряжения на эталонном сопротивлении, измеренном аналого-цифровым преобразователем 12, диспетчер 14 вычисляет ток короткого замыкания. По известному значению ЭДС (Е) и тока короткого замыкания диспетчер 14 вычисляет внутреннее сопротивление двухполюсника. Внутреннее сопротивление активного двухполюсника кроме вычисления тока в нагрузке блока 4 используется для контроля внутреннего состояния двухполюсника. Для этого вычисленное значение внутреннего сопротивления

сравнивается с эталонными значениями верхней и нижней границ кодов внут-. раннего сопротивления, записанными в блоке 15 .

Увеличение внутреннего сопротивления может свидетельствовать, например, о высыхании конденсаторов , фильтров в блоке 2, об увеличении сопротивления вентилей блока 1, а уменьшение - о паразитных шунтирующих утечках, возникших в результате старения компонентов. Полученная информация высвечивается-на блоке 6.

После выполнения изложенного алгоритма, занимающего по времени единицы - десятки микросекунд и не влияюшего поэтому на выполнение основной функции диспетчера 14 - стабилизации напряжений на блоке 4, блок 4 опять подключается к активному двухполюснику.

Для самонастройки устройства диспетчер 14 считывает из блока 15 эталонный код настройки, поступающий на вход прецизионного цифроаналогового преобразователя 16. Напряжение на выходе преобразователя 16 преобразуется преобразователем 12 в код, который опять поступает на вход диспетчера 14.

Входы преобразователей i2 и 16 . также поочередно соединяются с шиной нулевого потенциала, и полученное значение преобразованного кода, которое в идеале должно было бы равнятьс нулю, поступает на вход диспетчера 1

По полученным и эталонным кодам диспетчер 14 вычисляет как аддитивную, так и мультипликативную погрешности преобразователя 12, связанные с изменениями внешних условий, напряжениями и токами дрейфаоперационных усилителей преобразователей 12 и 1б, старением компонентов.

Значение кодов ошибок используются для коррекции значений стабилизир ванных напряжении на выходе активного двухполюсника.

По командам с диспетчера 14 измеряется преобразователем 12 напряжени на выходе батареи 10 и по результаTeiM этих измерений осуществляется управление подзарядным устройством бат.реи 10,

Диспетчер 14 контролирует состояние блока 6 (например, входных регистров, элементов воспроизведения изображения)и пульта 7 (например, положение ручек регулировки).

Внутреннее сопротивление ключей блока 3 и переключателя 9 рассчитывается диспетчером 14 по известным значениям напряжения до и после ключей, измеренных преобразователем 12, и по известным значениям тока в нагрузках блока 4 и сравнивается с эталонными значениями, хранимыми в блоке 15. Отклонение контролируемого пар;1метра от номинала интерпретируется соответствующим образом (обрыв, утечка, увеличение прямого сопротив(пения ключа, например из-за износа контактов) и поступает для индикации и сигнализации на блок 6.

Цифроаналоговый умножитель 11 (см. фиг. 2) содержит трансформатор 20 с первичной обмоткой 21, вторичной обмоткой 22, индуктивность которой равна 2L, и с ключом 23, дроссели 24, индуктивность которых равна

L (.за исключением дросселя младшего разряда, индуктивность которого равна 2L), выходные обмотки 25.

Каждая из первичных обмоток 21 трансформаторов 20 подключается к источнику переменного напряжения на шине 17 одним концом непосредственно, а вторым концом - через ключ 23.

Ключ 23 замыкается при одновременном выполнении двух условий: наличии в соответствующем разряде п кода с выхода диспетчера 14 на соответствующей шине и моменте времени, соответствующем переходу через нуль синусоидального переменного напряжения на шине 17. В этот момент времени синхронизатор 5 формирует разрешающий импульс на шине 19.

Ключ 23 работает в релейном режиме - замкнут, разомкнут, поэтому потери энергии на ключах 23 незначительны.

На фиг..2 срабатывание ключа 23 одновременно от двух сигналов показано условно.

Результирующее напряжение на выходе умножителя 11 определится суммой напряжений с активированных трапсформаторов 20 в соответствии с весами этих напряжений:

.

U --U.2%U,-2V,..U. -S -2 z. г г г ъ .Q

где и - напряжение на шине 17,

Следовательно, и равняется произведению аналогово,го напряжения U на цифровой код.

Выходные цепи 25 непосредственно или индуктивно связаны с трансформатором 20, находящимся в старшем разряде, С цепей 25 снимаются переменные напряжения, амплитуда которых соответствует требуемому спектру значений постоянных питающих напряжений на нагрузках блока 4.

Использование новых элементов цифроаналогового умножителя, аналого цифрового преобразователя, анализатора приращений, информационного диспетчера, блока уставок и констант, цифроаналогового преобразователя выгодно отличает данное устройство для электропитания от прототипа, так как используются гибридные цифроаналоговые методы переработки информации, позволяющие гибко реагировать на самые разнообразйые ситуации, связа ные с функционированием устройства, а именно: стабилизировать напряжение на нагрузке при изменении питаюш го напряжения, величины нагрузки, внешних условий (температуры, влажности, давления, старения) с одновр менноЯ коррекцией аддитивных и муль пликативных ошибок, возникающих в тракте стабилизации с контуром цифр аналоговой отрицательной обратной с зи, что эквивалентно самонастройке, самокалибровке и самоорганизации; реализовывать сложные алгоритмы вклю чения, выключения, переключения уст ройства, вычисления и контроля пара метров, характеризующих функциональ надежность устройства (ЭДС,ток коро кого замыкания, внутреннее сопротив ление) ; определять критические и аварийные режимы (перегрузки, корот замыкания, перенапряжения, уменьиения напряжений, перегрев и т.п.) при простом видоизменении указанных алгоритмов, что позволяет устройств .легко переориенгировываться на любы другие нагрузки с учетом их специфики; использовать цифровые эталоны, сохраняющие заданную точност определяемую числом разрядов в используемом коде, в течение длительного времени, и при этом число этсшонов может быть достаточно большим ( в пределах всей емкости пассивного запоминающего устройства); переключать регулирующие элементы цифроаналогового умножителя, работаю щие в релейном режиме и соединенные с шиной нулевого потенциала лиц в те моменты времени, когда ток через них близок к нулю, и лишь, тогда, ког да необходимо осуществить коррекцию выходного напряжения (в импульсных стабилизаторах, например, регулирующ элемент переключается все время, а в компенсационных - работает в линейном режиме, рассеивая большую мощность) . Благодаря этому энергетичес кие потери на стабилизацию сведены к минимуму: сохранить информацию в оперативном запоминающетл устройстве и работоспособность цифровой вычислительной машины при перерывах в поступлении напряжения питания: контролировать и управлять вспомогательными блоками. Благодаря указанным возможностям данное устройство для электропитания можно отнести к умным, обладающим собственным интеллектом устройствам, которые могут эксплуатироваться в условиях, где периодическая профилактика исключена из-за специфики работы (аэрокосмические реактор и т.п.). Управление устройством может осутяествляться по каналу связи, позволяющему перепрограммировать его на расстоянии. Дналого-цифровой и цкфроаналоговай преобразователи, используемые в устройстве, серийно выпускаются промышленностью в гибридном и интегральном исполнении о Также серийно в интегральном исполнении выпускаются пассивные запоминающие устройства, на основе которых строится блок уставок и констант. Информационный диспетчер строится также с применением серийно выпускаемых элементов с подходящей степенью (интеграции. Формула изобретения 1, Устройство для электропитания, содержащее последовательно соединенные блок вентилей, блок фильтров и блок переключателей, выход которого служит для подключения блока нагрузок, синхронизатор, вход которого Подключен к первому входному выводу для подключения питающей сети, ко входу опорного источника и к первсму входу батареи аккумуляторов, блок индикации и сигнализации, пульт, один из входов которого служит для подключения ко второму входнсму выводу для включения или отключения устройства, и переключатель, отличающеес я тем, что, с целью повьанения показателя качества устройства, оно снабжено цифроаналоговым умножителем/ выход которого подключен ко входу блока вентилей, первый вход - к указанному первому входному выводу, второй - к выходу синхронизатора, информационным диспетчером, к выходу которогоJ, соеднненному со вторым входом блока переключателей, подключен третий вход цифроаналогового умножителя, аналого-цифровым преобразователем, первый вход которого соединен с выходом блоха переключателей, второй- с выходом блока фильтров, третий с третьим входом цифроакалогового умножителя, четвертый - с выходом переключателя, первый вход которого соединен с выходом батареи аккумуляторов, второй вход- с.выходом опорного источника, а третий вход - с выходом информационного диспетчера, анализатором приргицений, выход которого соединен с первым входом информационного диспетчера, первый вход соединен с выходом аналрго-цифрового преобразователя и вторым входом информационного диспетчера, второй вход - с третьим входом информационного диспетчера, четвертый вход которого соединен с выходом пульта, а третий вход анализатора приращений соединен с третьим входом цифроаналогового умножителя, цифроаналоговытл преобразователем, один вход которого соединен с выходом ин

формационного диспетчера, другой вхос третьим входом информационного диспетчера, а выход - с пятым входом аналого-цифрового преобразователя, блоком уставок и констант, первый вход которого соединен с третьим входным выводом, служащим для подключения к шине источника программ, второй вход - со вторым из указанных входов цифроаналогового преобразователя, третий вход - с третьим входом цифроаналогового преобразователя, а выход - с пятым входом информационного диспетчера, шестой вход которого соединен с выходом блока сигнализации и индикации, входом соединенного с третьим входом цифроаналогового умножителя и другим входом пульта, причем выход батареи аккумуляторов соединен с третьим входом блока переключателей, а другой вход - с третьим входом блока уставок и констант

2. Устройство non.l, отличаюшеес я тем, что цифроаналоговый умножитель выполнен из последовательно соединенных узлов по числу разрядов входного кода, каждый из

которых выполнен в виде дросселя, один и второй -ВЫВОДЫ которого соединены с первыми выводами вторичных обмоток трансформаторов соседних узлов за исключением младшего разряда, один вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, первичная обмотка трансформатора подключена одним выводом к первому входу цифроаналогового умножителя, другим выводом через цепь переключения - ко вторсму выводу вторичной обмотки трансформатора и к шине нулевого потенциала, а два управляющих входа цепи переключения соединены со вторым и третьим входами цифроаналогового умножителя, выход которого гальванически и индуктивно подключен к трансформатору группы Старшего разряда.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР №310239, кл. G 05 F 1/10, 1969.

2.Электротехнический справочник. Под ред. Грудинского П.Г и др. т.1, кн.2, М. ,Энергия 1971, с.793 (прототип) .

2

Фи1.1