УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ В МНОГОФАЗНЫХ МНОГОМОДУЛЬНЫХ ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ

Предполагаемая полезная модель относится к мощным источникам электропитания, преобразующим энергию переменного тока на входе в энергию постоянного тока на выходе, а именно к многофазным многомодульным устройствам на основе однотактных прямоходовых силовых коммутаторов с трансформатором и централизованной синхронизацией.
Известны многофазные многомодульные устройства, описанные, например в [1, 2], содержащие внешний источник переменного тока, входной выпрямитель, однотипные модули фазы, постоянно функционирующие в процессе эксплуатации, и соединенный с каждым их них централизованный блок внешней синхронизации.
Существенным недостатком отмеченных устройств является низкая надежность функционирования в процессе эксплуатации, обусловленная тем, что при отказе (или временном отказе) каждого отдельного модуля фазы происходит отказ (прекращение работы) всего устройства.
По совокупности признаков наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели, принимаемым за прототип, является устройство, предложенное в [3], которое содержит внешний источник переменного тока, входной выпрямитель, однотипные рабочие модули фазы, постоянно функционирующие в процессе эксплуатации, и соединенный с каждым их них централизованный блок внешней синхронизации. В данном устройстве для повышения надежности функционирования в процессе эксплуатации дополнительно введены резервные модули фазы, конструктивно аналогичные рабочим модулям фазы, а также дополнительные силовые коммутирующие элементы, входящие в состав каждого как рабочего, так и резервного модуля фазы. Резервные модули при функционировании устройства находятся в «ждущем режиме» (не функционируют) и подключаются только при отказах рабочих модулей, последовательно замещая их. Количество резервных модулей определяется известными методами, например, при помощи оценки вероятности безотказной работы модулей фазы и т.п.
Существенным недостатком устройства [3] по-прежнему остается низкая надежность функционирования в процессе эксплуатации, обусловленная тем, что в конструкцию данного устройства дополнительно введены резервные модули фазы, конструктивно аналогичные рабочим модулям фазы, а также дополнительные силовые коммутирующие элементы, входящие в состав каждого как рабочего, так и резервного модуля фазы, при этом все силовые коммутирующие компоненты при функционировании устройства находятся под теми же «стрессовыми» электрическими нагрузками, что и рабочие элементы модулей. Недостатком устройства [3] также является его высокая стоимость, обусловленная, в первую очередь, высокими затратами на изготовление дополнительных силовых коммутирующих элементов. Данные затраты сопоставимы с затратами на рабочую силовую часть модуля в целом, а с учетом того, что дополнительные коммутирующие элементы введены как в рабочие модули фазы, так и в резервные модули фазы, то это приводит к значительному увеличению стоимости устройства в целом.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении надежности функционирования устройства в процессе эксплуатации и снижении затрат на его изготовление.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что, предлагаемое устройство содержит внешний источник переменного тока, входной выпрямитель, модули фазы и централизованный блок внешней синхронизации, при этом внешний источник переменного тока соединен со входом входного выпрямителя, выход которого и выход блока внешней синхронизации связаны с каждым из модулей фазы. В предлагаемом устройстве каждый из модулей фазы содержит последовательно связанные друг с другом однотактный прямоходовой силовой коммутатор, трансформатор, выходной выпрямитель и выходной фильтр, а также узел задания выходного тока, узел формирования импульсов управления и узел аварийного сигнала, устройство дополнительно снабжено системой управления выходным током, соединенной с выходами узлов аварийного сигнала на входе и входами узлов задания выходного тока на выходе каждого из модулей фазы, при этом в каждом модуле фазы выход узла задания выходного тока соединен со входом узла формирования импульсов управления, выход последнего - с однотактным прямоходовым силовым коммутатором, а узел аварийного сигнала на входе - с выходом однотактового прямоходового силового коммутатора.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическим материалом, где на фиг.1 схематично представлено предлагаемое устройство.
Предлагаемое устройство для резервирования мощности в многофазных многомодульных источниках питания содержит внешний источник переменного тока (на фиг.1 не показано), входной выпрямитель 1, модули фазы 2 (№№1, 2, …, N, где N - количество модулей фазы 2 в устройстве), централизованный блок внешней синхронизации 3 и систему управления выходным током 4, при этом внешний источник переменного тока соединен со входом входного выпрямителя 1, выход которого и выход блока внешней синхронизации 3 связаны с каждым из модулей фазы 2.
Каждый из модулей фазы 2 содержит последовательно связанные друг с другом однотактный прямоходовой силовой коммутатор 5, трансформатор 6, выходной выпрямитель 7 и выходной фильтр 8, а также узел задания выходного тока 9, узел формирования импульсов управления 10 и узел аварийного сигнала 11.
Система управления выходным током 4 соединена с выходами узлов аварийного сигнала 11 на входе и входами узлов задания выходного тока 9 на выходе, при этом в каждом модуле фазы 2 выход узла задания выходного тока 9 соединен со входом узла формирования импульсов управления 10, выход последнего - с однотактным прямоходовым силовым коммутатором 5, а узел аварийного сигнала 11 на входе - с выходом однотактового прямоходового силового коммутатора 5.
К выходу устройства подключена нагрузка 12.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Централизованный блок внешней синхронизации 3 формирует N последовательностей импульсов с заданной частотой F, при этом все последовательности имеют фазовый сдвиг друг относительно друга на величину φ=1/(FN).
Система управления выходным током 4 формирует сигнал в виде импульсов, модулированных по ширине (ШИМ). Этот сигнал попадает на узел задания выходного тока 9, который преобразует ШИМ сигнал в напряжение и подает его на вход узла формирования импульсов управления 10, в котором после прихода импульса с блока внешней синхронизации 3, генерируется управляющий импульс для однотактного прямоходового силового коммутатора 5.
Однотактный прямоходовой силовой коммутатор 5 обеспечивает усиление управляющего импульса по напряжению и току и передачу его через трансформатор 6. На вторичной обмотке трансформатора 6 выходной импульс имеет напряжение кратное входному напряжению первичной стороны на величину коэффициента трансформации. Последовательность выходных импульсов выпрямляется с помощью выходного выпрямителя 7 и усредняется по току выходным фильтром 8.
Суммирование выходных токов каждого из модулей фаз 2 (1, 2, …, N) осуществляется непосредственно на нагрузке 12. Во время формирования импульса через трансформатор 6 узел аварийного сигнала 11 контролирует состояние однотактного прямоходового силового коммутатора 5 и в случае его отказа (или временного отказа) формирует аварийный сигнал, поступающий, в систему управления выходным током 4, изменяя ее выходной сигнал.
Особенностью функционирования предлагаемого устройства в процессе эксплуатации является то, что все модули фазы 2 (№№1, 2, …, N) находятся в рабочем состоянии «в облегченном режиме», т.е. выдают пониженный от номинального ток. При этом их количество N должно обеспечивать требуемый выходной ток (мощность) устройства в целом.
Система управления выходным током 4 обеспечивает контроль состояния каждого из модулей фазы 2 по сигналу узла аварийного сигнала 11, а при отказе (или временном отказе) модуля фазы 2 формирует сигналы на узлы задания выходного тока 9.
Узлы задания выходного тока 9 по сигналу системы управления выходным током 4 пропорционально изменяют выходной ток всех оставшихся работоспособными модулей фазы 2, т.е. увеличивают его на равную величину, соответствующую потерям на отказавшем модуле фазы 2.
Данный алгоритм функционирования реализуется только до достижения номинальной нагрузки на каждый из модулей 2, после чего повышение нагрузки на каждый из оставшихся работоспособными модулей 2 становится невозможным.
В случае временного отказа какого-либо модуля фазы 2, например, при повышении температуры выше заданного значения, после нормализации температуры, а соответственно и восстановления функций модуля 2, узлы задания выходного тока 9 по сигналу системы управления выходным током 4 также пропорционально изменяют выходной ток всех работоспособных модулей фазы 2, т.е. уменьшают его на равную величину, соответствующую приращению на восстановившемся модуле фазы 2.
Технический результат заключается в том, что конструкция предлагаемого устройства обеспечивает повышение надежности функционирования в процессе эксплуатации и позволяет снизить затраты на его изготовление.
Проведенный сравнительный анализ выявил, что в отличие от устройств-аналогов и устройства-прототипа предлагаемое техническое решение характеризуется новыми признаками, а именно - новыми конструктивными элементами, имеющими новые форму и расположение в его устройстве, позволяющими повысить надежность функционирования предлагаемого устройства в процессе эксплуатации и снизить затраты на его изготовление.
Предлагаемое устройство, сохраняя положительные качества приведенных в описании аналогов и прототипа, отличается по сравнению с ними повышенной надежностью в процессе эксплуатации и снижением затрат на его изготовление, и может быть применено в энергетике, приборостроении, машиностроении, судостроении, авиастроении и т.п.
Источники информации
1. Patent No.: US 7,596,007 B2. Date of Patent: Sep. 29, 2009.
2. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с.: ил.
3. Patent No.: US 6,650,556 B2. Date of Patent: Nov. 18, 2003.