МОДУЛЬ СИЛОВОГО КОНЦЕНТРАТОРА ДЛЯ СИСТЕМЫ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ (ВАРИАНТЫ)
CONCENTRATOR POWER MODULE (CPM) OF UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY SYSTEM FOR ELECTRONICS (VERSIONS)

Изобретение относится к областям электротехники, электроники и автоматики и может быть использовано для электропитания радиоэлектронной аппаратуры.
В современной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) по данным различных источников порядка 65% неисправностей и потерь информации возникает по вине отказов и нестабильной работы их систем электропитания. При этом проблема надежности систем электропитания становится все актуальнее в связи с возрастающей мощностью электропотребления усложняющихся РЭА. Автором заявляемого изобретения в своей монографии (ссылка следует ниже) было, в частности, показано, что параллельное включение по входу и выходу n модулей системы электропитания с мощностью каждого в n раз меньше требуемой общей мощности этой системы является одним из перспективных путей повышения ее надежности.
Известно устройство параллельного включения модулей системы электропитания (В.А. Колосов «Электропитание стационарной радиоэлектронной аппаратуры», Москва, «Радио и связь», выпуск 2, 1992 г., стр.18-34, рис.1.7), содержащее блок управления и контроля, n модулей системы электропитания, входы которых связаны с входным, а выходы - с выходным напряжением.
Известное устройство при отказе любого из n модулей автоматически выводит из работы отказавший модуль и продолжает успешно обеспечивать электропитание РЭА с помощью оставшихся.
Недостатком известного устройства, в отсутствии резервного автономного источника энергообеспечения, является его функциональная ограниченность при аварии вне устройства, следствием которой будет потеря входного напряжения, что, естественно, обесточит РЭА.
Сущностью заявляемого изобретения, устраняющего указанный выше недостаток, является принципиально другое устройство модулей системы электропитания, позволяющих воспроизводить отсутствующее входное напряжение. Целесообразность такого подхода основывается на особенностях электропитания современных РЭА, представляющих собой по входным напряжениям, как правило, двухноминальную нагрузку из базовых переменного напряжения промышленной сети, необходимого для питания электродвигателей, кондиционеров, нагревателей, вентиляторов, общего освещения и др., и автономного постоянного напряжения (например от аккумуляторной батареи или дизельгенератора или другого альтернативного источника питания), необходимого для питания слаботочных и безопасных для людей цепей сигнализации, управления, связи и т.п. При этом из базового переменного напряжения промышленной сети (обычно 220/380 В×50 Гц, реже 400 Гц) автоматически воспроизводят потерянное базовое постоянное напряжение (обычно 27 или 36 В) и наоборот.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Корабельный агрегат бесперебойного питания» (см. журнал «Электропитание» №4, 2011 г., Бабкин В.А. «Корабельные агрегаты бесперебойного питания», стр.7-14, рис.1, 2), содержащий два устройства защиты от импульсного перенапряжения сети переменного (УЗпер) и сети постоянного (УЗпос) тока, стабилизированный конвертор напряжения (СКН), стабилизированный инвертор напряжения (СИН), устройство контроля и управления (УКУ), а также входы и выходы однофазного переменного и постоянного напряжения, причем потенциальный и нулевой входы пары переменного напряжения соединены с соответствующими входами УЗпер, пара выходов которого соединена с соответствующими входами СКН и первой сигнальной парой входов УКУ, вторая сигнальная пара входов которого соединена с соответствующими выходами УЗпос, входы которого являются парой входов постоянного напряжения МСК, пара выходов СИН является парой выходов переменного напряжения МСК, а пара выходов СКН является парой выходов постоянного напряжения МСК.
Недостатком известного устройства является его неоправданное переусложнение (в два раза) в части избыточности преобразователей СКН (в известном устройстве - МПБП и МП) и СИН (в известном устройстве - МИ), используемых отдельно для каждого из двух базовых входных напряжений (переменного и постоянного), что снижает надежность устройства и ухудшает его весогабаритные характеристики. Кроме того, в известном устройстве не раскрыта (только оговаривается) функция УКУ.
Техническим результатом и целью заявляемого изобретения является повышение надежности электропитания РЭА за счет обеспечения его бесперебойности при потере на входе РЭА одного из базовых напряжений путем воспроизведения в МСК соответствующих напряжений системы электропитания при одновременном его упрощении примерно в два раза, что также улучшает его весогабаритные характеристики.
Указанные технический результат и цель по варианту 1 достигаются тем, что модуль силового концентратора (МСК) для системы бесперебойного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, содержащий два устройства защиты от импульсного перенапряжения сети переменного (УЗпер) и сети постоянного (УЗпос) тока, стабилизированный конвертор напряжения (СКН), стабилизированный инвертор напряжения (СИН), устройство контроля и управления (УКУ), а также входы и выходы однофазного переменного и постоянного напряжения, причем потенциальный и нулевой входы пары переменного напряжения соединены с соответствующими входами УЗпер, пара выходов которого соединена с соответствующими входами СКН и первой сигнальной парой входов УКУ, вторая сигнальная пара входов которого соединена с соответствующими выходами УЗпос, входы которого являются парой входов постоянного напряжения МСК, пара выходов СИН является парой выходов переменного напряжения МСК, а пара выходов СКН является парой выходов постоянного напряжения МСК, дополнительно содержит коммутатор напряжения постоянного тока (КНпос), который вместе с УКУ содержит три транзисторных ключа, три диода и три формирователя включения (ФВ), при этом первые и вторые пары входов всех ФВ соединены соответственно с первыми и вторыми парами сигнальных входов УКУ, первый выход первого ФВ соединен с базой первого транзистора, коллектор которого через обратно включенный первый диод соединен с потенциальным выходом УЗпос, который через прямо включенный второй диод соединен с коллектором второго транзистора, база которого соединена с первым выходом второго ФВ, эмиттер второго транзистора соединен с эмиттером третьего транзистора и потенциальным входом СИН, потенциальный выход которого соединен с потенциальным выходом пары переменного напряжения МСК, коллектор третьего транзистора соединен через обратно включенный третий диод с эмиттером первого транзистора и потенциальным выходом постоянного напряжения МСК, первый выход третьего ФВ соединен с базой третьего транзистора, вторые выходы первого, второго и третьего ФВ соединены соответственно с эмиттерами первого, второго и третьего транзисторов, нулевые входы и выходы всех напряжений МСК соединены между собой.
Указанные технический результат и цель по варианту 2 достигаются тем, что модуль силового концентратора (МСК) для системы бесперебойного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, содержащий два устройства защиты от импульсного перенапряжения сети переменного (УЗпер) и сети постоянного (УЗпос) тока, стабилизированный конвертор напряжения (СКН), стабилизированный инвертор напряжения (СИН), устройство контроля и управления (УКУ), а также входы и выходы однофазного переменного и постоянного напряжения, причем потенциальный и нулевой входы пары переменного напряжения соединены с соответствующими входами УЗпер, пара выходов которого соединена с соответствующими входами СКН и первой сигнальной парой входов УКУ, вторая сигнальная пара входов которого соединена с соответствующими выходами УЗпос, входы которого являются парой входов постоянного напряжения МСК, а пара выходов СКН является парой выходов постоянного напряжения МСК, дополнительно содержит коммутатор напряжения постоянного тока (КНпос) и коммутатор напряжения переменного тока (КНпер), которые вместе с УКУ содержат девять транзисторных ключей, девять диодов и десять ФВ, при этом первые и вторые пары входов всех ФВ соединены соответственно с первыми и вторыми парами сигнальных входов УКУ, первый выход первого ФВ соединен с базой первого транзистора, коллектор которого через обратно включенный первый диод соединен с с потенциальным выходом УЗпер и сэмиттером второго транзистора, база которого соединена с первым выходом второго ФВ, а коллектор которого через обратно включенный второй диод соединен с с потенциальным выходом пары переменного напряжения МСК и с эмиттерами первого и шестого транзисторов, которые через прямо включенный пятый диод с коллектором пятого транзистора, база которого соединена с первым выходом пятого ФВ, а эмиттер которого соединен через прямо включенный шестой диод с коллектором шестого транзистора, база которого соединена с первым выходом шестого ФВ, первый выход третьего ФВ соединен с базой третьего транзистора, коллектор которого через обратно включенный третий диод соединен с нулевым выходом УЗпер и эмиттером четвертого транзистора, база которого соединена с первым выходом четвертого ФВ, а коллектор которого через обратно включенный четвертый диод соединен с эмиттерами третьего и восьмого транзисторов, с нулевым выходом пары переменного напряжения МСК, которые через прямо включенный седьмой диод соединены с коллектором седьмого транзистора, база которого соединена с первым выходом седьмого ФВ, а эмиттер которого соединен с первым выходом СИН и через прямо включенный восьмой диод с коллектором восьмого транзистора, база которого соединена с первым выходом восьмого ФВ, первый выход девятого ФВ соединен с базой девятого транзистора, коллектор которого через обратно включенный девятый диод соединен с потенциальными выходом УЗпос и входом СИН, а эмиттер которого соединен с потенциальным выходом СКН, первый и второй выходы десятого ФВ соединены с соответствующими входами управления СИН, второй выход которого соединен с эмиттером пятого транзистора, вторые входы первого, … девятого ФВ соединены соответственно с эмиттерами первого, … девятого транзисторов, нулевые входы и выходы всех напряжений МСК соединены между собой.
На фиг.1 и 2 показаны соответственно структурные схемы МСК для вариантов 1 и 2. При этом являющиеся существенными в рамках настоящей заявки КНпос и КНпер раскрыты до уровня принципиальной схемы.
МСК по варианту 1 (фиг.1) содержит УЗпер 1, УЗпос 2, СКН 3, СИН 4, КНпос 5 в составе транзисторных ключей 5.1, 5.2 и 5.3 и диодов 5.4, 5.5 и 5.6, УКУ 6 в составе ФВ 6.1, 6.2 и 6.3, входы 7,8 и выходы 9, 10 однофазного переменного напряжения Uпер, входы 11, 12 и выходы 13, 14 постоянного напряжения Uпос.
Потенциальный 7 и нулевой (общий, корпус) 8 входы пары переменного напряжения Uпер соединены с соответствующими входами УЗпер 1, пара выходов которого соединена с соответствующими входами СКН 3 и первой сигнальной парой входов УКУ 6, вторая сигнальная пара входов которого соединена с соответствующими выходами УЗпос 2, входы которого являются парой входов постоянного напряжения Uпос МСК, пара выходов СИН 4 является парой выходов переменного напряжения МСК, а пара выходов СКН 3 является парой выходов постоянного напряжения МСК, первые и вторые пары входов всех ФВ 6.1, …6.3 соединены соответственно с первыми и вторыми парами сигнальных входов УКУ 6, первый выход первого ФВ 6.1 соединен с базой первого транзистора 5.1, коллектор которого через обратно включенный первый диод 5.4 соединен с потенциальным выходом УЗпос 2, который через прямо включенный второй диод 5.5 соединенный с коллектором второго транзистора 5.2, база которого соединена с первым выходом второго ФВ 6.2, эмиттер второго транзистора 5.2 соединен с эмиттером третьего транзистора и потенциальным входом СИН, потенциальный выход которого соединен с потенциальным выходом пары переменного напряжения МСК, коллектор третьего транзистора 5.3 соединен через обратно включенный третий диод 5.6 с эмиттером первого транзистора 5.1 и потенциальным выходом 13 постоянного напряжения МСК, первый выход третьего ФВ 6.3 соединен с базой третьего транзистора 5.3, вторые выходы первого 6.1, второго 6.2 и третьего 6.3 ФВ соединены соответственно с эмиттерами первого 5.1, второго 5.2 и третьего 5.3 транзисторов, нулевые входы 8, 12 и выходы 14, 10 всех напряжений МСК соединены между собой.
МСК по варианту 2 (фиг.2) содержит УЗпер 1, УЗпос 2, СКН 3, СИН 4, КНпос 5 в составе диода 5.1 и транзисторного ключа 5.2, УКУ 6 в составе ФВ 6.1, … 6.10, входы 7, 8 и выходы 9, 10 однофазного переменного напряжения Uпер, входы 11, 12 и выходы 13, 14 постоянного напряжения Uпос, а также КНпер 15 в составе транзисторов 15.1, … 15.8 и диодов 15.9, … 15.16.
Потенциальный 7 и нулевой (общий, корпус) 8 входы пары переменного напряжения Uпер соединены с соответствующими входами УЗпер 1, пара выходов которого соединена с соответствующими входами СКН 3 и первой сигнальной парой входов УКУ 6, вторая сигнальная пара входов которого соединена с соответствующими выходами УЗпос 2, входы которого являются парой входов 11, 12 постоянного напряжения МСК, а пара выходов СКН является парой выходов постоянного напряжения Uпос МСК, первые и вторые пары входов всех ФВ 6.1, … 6.10 соединены соответственно с первыми и вторыми парами сигнальных входов УКУ 6, первый выход первого ФВ 6.1 соединен с базой первого транзистора 15.1, коллектор которого через обратно включенный первый диод 15.9 соединен с потенциальным выходом УЗпер 1 и с эмиттером второго транзистора 15.2, база которого соединена с первым выходом второго ФВ 6.2, а коллектор которого через обратно включенный второй диод 15.10 соединен с потенциальным выходом пары переменного напряжения МСК и с эмиттерами первого 15.1 и шестого 15.6 транзисторов, которые через прямо включенный пятый диод 15.13 соединены с коллектором пятого транзистора 15.5, база которого соединена с первым выходом пятого ФВ 6.5, а эмиттер которого соединен через прямо включенный шестой диод 15.14 с коллектором шестого транзистора 15.6, база которого соединена с первым выходом шестого ФВ 6.6, первый выход третьего ФВ 6.3 соединен с базой третьего транзистора 15.3, коллектор которого через обратно включенный третий диод 15.11 соединен с нулевым выходом УЗпер и эмиттером четвертого транзистора 15.4, база которого соединена с первым выходом четвертого ФВ 6.4, а коллектор которого через обратно включенный четвертый диод 15.12 соединен с эмиттерами третьего 15.3 и восьмого 15.8 транзисторов, с нулевым выходом (общим, корпусом) 10 пары переменного напряжения МСК, которые через прямо включенный седьмой диод 15.15 соединены с коллектором седьмого транзистора 15.7, база которого соединена с первым выходом седьмого ФВ 6.7, а эмиттер которого соединен с первым выходом СИН 4 и через прямо включенный восьмой диод 15.16 с коллектором восьмого транзистора 15.8, база которого соединена с первым выходом восьмого ФВ 6.8, первый выход девятого ФВ 6.9 соединен с базой девятого транзистора 5.2, коллектор которого через обратно включенный девятый диод 5.1 соединен с потенциальными выходом УЗпос 2 и вхдодом СИН 4, а эмиттер которого соединен с потенциальным выходом СКН 3, первый и второй выходы десятого ФВ 6.10 соединены с соответствующими входами управления СИН 4, второй выход которого соединен с эмиттером пятого транзистора 15.5, вторые входы первого, …девятого ФВ 6.1, … 6.9 соединены соответственно с эмиттерами первого, …девятого транзисторов 15.1, … 15.9, нулевые (общие) входы 8, 12 и выходы 10, 14 всех напряжений МСК соединены между собой и с корпусом.
Все используемые в изобретении элементы по вариантам 1 и 2 являются элементами широкого применения в промышленности РФ и за рубежом.
Не имеющие принципиального значения в рамках настоящей заявки элементы УЗпер 1, УЗпос 2, СКН 3 и СИН 4 широко представлены в литературе и известных изобретениях, например,:
УЗпер 1 и УЗпос 2 - в патенте №2406203 за 2009 г. авторов В.А. Колосова и др.;
СИН 4 - в журнале «Электропитание» №2 за 2010 г., в статье Анисимовой, рис.1; а.с. СССР №544083, Мкл. H02M 7/537, 1975 г.;
СКН 3 - в монографии В.А. Колосова «Электропитание стационарной радиоэлектронной аппаратуры», М., «Радио и связь» 1992 г., рис.5.4; а.с. СССР, №862331 по Мкл. H02M 3/24 за 1979 г.
МСК работает следующим образом.
Рассмотрим работу МСК для наиболее простого случая, когда в качестве базового переменного напряжения используется однофазная сеть, например, одна из фаз промышленной сети 3-380 В-50 Гц с заземленной нейтралью, т.е. с Uвх, пер=220 В, а в качестве источника базового постоянного напряжения - аккумуляторная батарея, как в прототипе.
В этом случае для варианта 1 (фиг.1) при отсутствии отказов вне МСК на его входах 7, 8 и 11, 12 присутствуют соответственно и переменное и постоянное напряжения. Первое из них через УЗпер 1 поступает на пару входов СКН 3 и на первую пару входов всех ФВ 6.1, 6.2 и 6.3. В СКН 3 переменное напряжение конвертируется в требуемое постоянное напряжение Uвых, пос и выводится к нагрузке через выходы 13, 14. Второе из них через УЗпос 2 поступает на вторую пару входов указанных выше ФВ, а его потенциальный провод - на вход КНпос 5, точнее - на аноды диодов 5.4 и 5.5. При этом указанные выше ФВ, открывающие или закрывающие полупроводниковые переходы соответствующих транзисторных ключей 5.1, 5.2 и 5.3 в зависимости от наличия или отсутствия на входах ФВ базовых напряжений, действуя как пороговые схемы типа реле с уставкой, в рассматриваемом случае при наличии двух базовых напряжений (условная логика - 11) выключат транзисторы 5.1 и 5.3 и включат транзистор 5.2, точнее ФВ 5.2 откроет полупроводниковый переход транзистора 5.2, обеспечив тем самым гальваническую связь потенциального провода с выхода УЗпос 2 через диод 5.5 и транзистор 5.2 со входом СИН 4, который проинвертирует постоянное напряжение в требуемое переменное Uвых, пер и выдаст его на выходы 9 и 10.
Если на входах 7 и 8 пропадет базовое переменное напряжение, но сохранится на входах 11 и 12 базовое постоянное напряжение, то на входах ФВ 6.1, 6.2 и 6.3 возникнет ситуация, соответствующая условной логики 01, при которой ФВ 6.1 откроет транзисторный ключ 5.1, что обеспечит гальваническую связь выхода УЗпос 2 через диод 5.4 и открытый транзистор 5.1 с выходом 13, что обеспечит относительно корпуса 14 требуемое постоянное напряжение Uвых, пос. При этом, кроме того ФВ 6.2 откроет транзисторный ключ 5.2, что обеспечит, как уже рассмотрено выше через СИН 4 на выходах 9 и 10 требуемое переменное напряжение Uвых, пер, а ФВ 6.3 закроет транзисторный ключ 5.3.
Если на входах 11 12 отсутствует базовое постоянное напряжение, но сохранится на входах 7 и 8 базовое переменное напряжение, то, как уже рассмотрено выше, через УЗпер 1 и СКН 3 на выходах 13 и 14 будет сформировано требуемое постоянное напряжение Uвых, пос, а на входах всех ФВ 6.1, 6.2 и 6.3 будет действовать условная логика 10, при которой ФВ 6.1 и 6.2 закроют транзисторы 5.1 и 5.2, а ФВ 6.3 откроет транзисторный ключ 5.3, что обеспечит гальваническую связь выхода СКН 3 через диод 5.6 и открытый транзистор 5.3 со входом СИН 4, который проинвертирует постоянное напряжение в требуемое переменное напряжение Uвых, пер на выходах 9 и 10.
Рассмотренная выше работа МСК по варианту 1 при своей предельно простой схеме требует при воспроизведении утраченного входного постоянного напряжения достаточной мощности СКН 3 для обеспечения нагрузок на выходах 13, 14 и на выходах 9, 10. От этого недостатка свободен вариант 2, использующий, в отличие от варианта 1, дополнительно коммутатор переменного напряжения (КНпер), что требует несколько более сложной логики управления и коммутации.
МСК по варианту 2 (фиг.2) работает следующим образом.
Здесь также, как и в описанном выше варианте 1, работают ФВ 6.1, … 6.10 УКУ 6 и транзисторные ключи 15.1, … 15.8 КНпер 15 и транзисторный ключ 5.2 КНпос 5. Однако при этом используется двухполупериодная работа КНпер 15.
При отсутствии отказов вне МСК на его входы 7 и 8 поступает переменное однофазное напряжение Uвх, пер, а на его входы 11 и 12 - постоянное напряжение Uвх, пос. Работа МСК для этого случая в лаконичной записи действующих цепочек выражается:
Uвх, пер 7 и 8 - УЗпер 1 - СКН 3 - Uвых, пос 13 и 14;
Uвх. пос 11 и 12 - УЗпос 2 - СИН 4 - КНпер 15 (один полупериод: от первого выхода СИН 4 через диод 15.16 - транзистор 15.8 - выход 10 - нагрузка - выход 9 - диод 15.13 - транзистор 15.5 - на второй выход СИН 4; другой полу период: от второго выхода СИН 4 через диод 15.14 - транзистор 15.6 - выход 9 - нагрузка - выход 10 - диод 15.15 - транзистор 15.7 - на первый выход СИН 4) - Uвых, пер 9 и 10. Этому соответствует управление от ФВ 6.1, … 6.10, реагирующих на условный логический код 11 на их входах, в результате чего закрывают КНпос 5, а КНпер 15 открывают для тока от СИН 4 и закрывают для тока от УЗпер 1.
Если на входах 7 и 8 будет переменное напряжение Uвх, пер, а на входах 11 и 12 не будет постоянного напряжения Uвх, пос, то работа МСК в лаконичной записи действующих цепочек будет:
Uвх, пер 8 и 9 - Узпер 1 - СКН 3 - Uвых, пос 13 и 14;
Uвх, пер 7 и 8 - УЗпер 1 - КНпер 6 (один полупериод: от первого выхода
УЗпер 1 через диод 15.9 - транзистор 15.1 - выход 9 - нагрузка - выход 10 - диод 15.12 - транзистор 15.4 - на второй выход УЗпер; другой полупериод: от второго выхода УЗпер 1 через диод 15.11 - транзистор 15.3 - выход 10 - нагрузка - выход 9 - диод 15.10 - транзистор 15.2 на первый выход УЗпер 1) - Uвых, пер 9 и 10. При этом в соответствии с условной логикой 10 будут включены ФВ 6.1, … 6.4 и выключены ФВ 6.5, … 6.10.
Если на входах 7 и 8 не будет переменного напряжения Uвх, пер, а на входах 11 и 12 будет постоянное напряжение Uвх, пос, то работа МСК в лаконичной записи действующих цепочек будет:
Uвх, пос 11 и 12 - через потенциальный выход УЗпос 2 - через КНпос 5 (диод 5.1 - транзистор 5.2) - Uвых, пос 13 и 14 (нулевой провод подается через корпус);
Uвх, пос 11 и 12 - УЗпос 2 - СИН 4 - КНпер 15 - Uвых, пер 9 и 10, т.е. также, как это было при исправной работе, описанной выше.