БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к системам гарантированного электропитания ответственных потребителей переменного тока, таких, например, как аэрокосмические центры, средства телекоммуникаций, финансовые центры, серверы компьютерных систем, медицинские комплексы и т.п.
Известны устройства, осуществляющие гарантированное электропитание за счет использования источника бесперебойного питания 1,2,3, который для поддержания питающего напряжения на нагрузке использует агрегат бесперебойного питания, аккумуляторную батарею, дизель-генератор и т.д. Однако аварийные ситуации, вызванные отказами источника электропитания, ложными срабатываниями автоматов защиты, неправильным подключением или повреждением силового кабеля снижают надежность работы таких систем.
Известны устройства, обеспечивающие гарантированное электропитание за счет использования резервного источника питания 4. В таких устройствах надежность работы системы выше, но время переключения на резервный источник питания в случае ухудшения параметров основного источника довольно значительно.
источник в случае отклонения какого-либо параметра сети от номинального значения за счет использования тиристорных коммутаторов.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является быстродействующее устройство переключения источников питания А.с. СССР № 1741226, М.кл. H02J 9/06, выбранное за прототип. Устройство-прототип содержит секцию шин гарантированного питания (ШГП), подключенную через два блока 3 и 4 твердотельных реле (ТР), выполненных в виде силовых тиристоров и схем управления., к двум источникам 1 и 2 питания (ИП), напряжение на которых контролируется двумя датчиками 11 и 12 напряжения (ДН), два датчика 14 и 15 тока (ДТ), датчик 13 сравнения напряжения (ДСН), обеспечивающий подключение потребителей к источнику питания с напряжением, наиболее близким к номинальному, третий датчик 16 напряжения (ДН), контролирующий напряжение на секции щин гарантированного питания и логический блок 5 (ЛБ), который вырабатывает логические сигналы, управляющие блоками ТРЗ и ТР4. При этом логический блок выполнен на логических элементах И, ИЛИ. НЕ.
Устройство-прототип работает следующим образом. Секция шин гарантированного питания (ШГП) получает питание через блок ТРЗ от ИП1 или через ТР4 от ИП2. Контроль напряжения на ИП1, ИП2 и на нагрузке (на секции ШГП) осуществляется с помощью датчиков 11, 12 и 16 напряжения. Датчики 14 и 15 тока производят контроль тока в каждой фазе. Датчик 13 сравнения напряжений сравнивает напряжения на ИП1 и ИП2 по величине и по знаку. При отклонении напряжения на одном из источников питания от номинального значения по сигналу от датчика 13 сравнения напряжений логический блок 5 вырабатывает управляющий сигнал, отключающий силовые тиристоры всех фаз этого источника питания и включающий силовые тиристоры источника питания, на котором напряжение находится в допустимых пределах. Аналогично работает устройство и при отклонениях тока в каждой фазе источников питания. Как уже было указано, применение
,fJi/r,
2
силовых тиристоров обеспечивает достаточное быстродействие при переключении источников питания.
В настоящее время, в качестве источников питания ИП1 и ИП2 могут использоваться различные источники питания, например: две сети, сеть и бесперебойный источник питания, два бесперебойных источника питания. В последних двух вариантах возможно возникновение ситуаций, когда источники питания становятся несинхронными или не в фазе. Это происходит в том случае, если бесперебойный источник питания или два бесперебойных источника питания переходят в режим работы от батарей или частота сети на их входе вышла за допуск. В том случае, если выходные сигналы источников питания несихронны или не совпадают по фазе и происходит переключение нагрузки на резервный источник питания, например, по причине выхода напряжения ИП1 или ИП2 за допуск, то источники питания ИП1 и ИП2 оказываются замкнутыми друг на друга через силовые тиристоры до тех пор, пока не произойдет отключение тиристора, с которого был снят управляющий сигнал включения. Это вызвано тем что, после формирования сигнала на выключение канала, тиристоры этого канала остаются включенными до тех пор, пока ток через них не станет равным нулю. Такая ситуация может привести к срабатыванию элементов защиты по току и отключению нагрузки от источников питания ИП1 и ИП2, т.е. может вызвать аварийную ситуацию в системах потребителей. Наиболее неблагоприятен случай, когда выходные сигналы источников питания на момент переключения имеют сдвиг по фазе на 180°. Перед заявителем и авторами стояла задача обеспечить возможность работы устройства с любыми источниками питания, т.е. расширить область его применения за счет повышения надежности автоматического переключения источников питания на нагрузку. Из сказанного выше следует, что приведенные аналоги и прототип не могут решить поставленную задачу.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является обеспечение надежности автоматического переключения различных источников питания.
Для достижения указанного технического результата в быстродействующее устройство автоматического переключения источников питания, содержащее первое и второе твердотельные реле, включенные в фазах первого и второго источников питания, и логический блок, дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь, первый и второй блоки детекторов нуля, соединенные последовательно с первым и вторым блоками фазовой автоподстройки частоты, выходы которых подключены к первому и второму информационным входам логического блока соответственно, сигнальный вход логического блока соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго источников питания и входами блока детекторов нуля, третий вход соединен с выходом устройства, а четвертый подключен к третьему управляющему выходу логического блока, первый и второй управляющие выходы которого подключены к управляющим входам первого и второго твердотельных реле соответственно, а четвертый и пятый управляющие выходы логического блока подключены ко вторым входам соответственно первого и второго блоков фазовой автоподстройки частоты, при этом логический блок выполнен программируемым.
Сущность полезной модели заключается в том, что введение совокупности существенных отличительных признаков обеспечивает контроль синфазности и синхронности входных сигналов, что позволяет сформировать сигналы, управляющие твердотельными реле таким образом, что исключается короткое замыкание силовых тиристоров твердотельных реле и обеспечивается надежное автоматическое переключение. При этом появляется возможность расширить класс переключаемых устройств.
.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемой полезной модели.
На фиг.2 - блок-схема алгоритма работы программируемого логического блока.
На фиг.З - блок-схема устройства-прототипа.
Быстродействующее устройство автоматического переключения источников питания по фиг. 1 содержит первый ИП1 и второй ИП2 источники питания, трехфазные выходы которых подключены к соответствующим входам первого ТРЗ и второго ТРТ4 твердотельных реле, выходы которых объединены и являются выходом устройства. Управляющие входы блоков ТРЗ и ТР4 подключены соответственно к первому и второму управляющим выходам программируемого логического блока ПЛБ5, третий управляющий выход которого соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя АЦП6, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого ИП1 и второго ИП2 источников питания и входами первого БДН7 и второго БДН8 блоков детекторов нуля, соединенных последовательно с первым БФАПЧ9 и вторым БФАНЧ10 блоками фазовой автоподстройки частоты. Выходы блоков БФАПЧ9 и БФАПЧ10 соединены с первым и вторым информационными входами программируемого логического блока ПЛБ5. Сигнальный вход ПЛБ5 подключен к выходу АЦП6, третий вход которого подключен к выходу устройства. Четвертый и пятый управляющие выходы ПЛБ5 подключены к управляющим входам соответственно первого БФАПЧ9 и второго БФАПЧ10.
Блок детекторов нуля БДН реализован на микросхемах LM311, БФАНЧ - на 74НС4046, АЦП - на МХ7824 или AD7824. Твердотельные реле - асинхронного типа (мгновенное включение) серии SC7 (SC764110, SC767110, SC7769110,..) фирмы CELDUC. ПЛБ5 реализован с возможностью выполнения алгоритма, приведенного на фиг.2. Программирование алгоритма работы ПЛБ5 осуществляется по известным правилам с
использованием ПЛИС (программируемых логических интегральных схем) фирмы ALTERA
Быстродействующее устройство автоматического переключения источников питания по фиг. 1 работает следующим образом. В нормальном режиме напряжение и частота источников питания ИП1 и ИП2 в допуске, включено твердотельное реле ТРЗ, и нагрузка получает трехфазное питание от ИП1. БДН7 и БДН8 формируют из входных синусоидальных сигналов импульсные сигналы (меандр), фронты которых совпадают с моментом перехода синусоидальных сигналов через нуль. С выхода БДН7 и БДН8 импульсные сигналы с частотой FI и р2 (где FI - частота на выходе ИП1, р2 - частота на выходе ИП2) поступают на входы БФАПЧ9 и БФАПЧ10. На выходе БФАПЧ9 и БФАПЧ10 формируются импульсные сигналы с частотой NxFi и NxF2 (где N-число дискретных отсчетов), которые поступают на вход ПЛБ5. В ПЛБ5 производится деление этих сигналов на N и с выходов Вых.4 и Вых.5 частота FI и F2 поступает на второй вход БФАПЧ9 и БФАПЧ10. БФАПЧ9 и БФАПЧ10 совместно с ПЛБ5, образуют системы фазовой автоподстройки частоты. В режиме захвата системы ФАПЧ,. фаза и частота сигналов Fi(F2) и Fi(F2) совпадают, т.е.  и . Сигналы с частотой NxFi и NxF2 используются для формирования временных меток (выборок), которые поступают на АЦП6 и по которым АЦП6 производит преобразование аналогового сигнала в цифровой код. Количество этих временных меток за один период сигнала с частотой FI (F2) всегда равно коэффициенту деления делителя N, а их частота меняется синхронно с изменением частоты FI (F2). Каждой временной метке соответствуют два цифровых кода, значения которых определяют минимальное и максимальное допустимое напряжение. Эти значения допусков, для всех N измерений, записаны в ПЛБ5 и используются для сравнения с измеряемым напряжением. За счет использования системы фазовой автоподстройки частоты достигается независимость значений допусков от частоты.
АЦП6, в соответствии с управляющими сигналами из ПЛБ5, производит преобразование входных напряжений с ИП1, ИП2 и напряжения с выхода устройства в цифровой код, который затем поступает в ПЛБ5. В ПЛБ5 производится сравнение измеренных значений напряжения с соответствующими минимальным и максимальным значениями, определяющими допустимые пределы изменения входных и выходного напряжений и при выходе какого либо напряжения за допустимые пределы формируются сигналы переключения на другой канал.
Контроль частот FI и р2 производится в ПЛБ5 с помощью стабильных импульсов высокой частоты от кварцевого генератора (на фиг.1 не показан). Минимальное и максимальное допустимое значение частоты в виде цифрового кода записано в ПЛБ5 и при выходе частоты FI или р2 за допустимые пределы формируются сигналы переключения на другой канал.
Анализ синхронности и синфазности входных напряжений осуществляется в ПЛБ5 путем заполнения временного интервала между передними фронтами частот FI и р2 стабильными импульсами высокой частоты от кварцевого генератора. Если количество импульсов, укладывающихся в этот временной интервал, меньше заданного значения в течении нескольких периодов, то в ПЛБ5 формируется сигнал ИП1 И ИП2 СИНХРОННЫ И В ФАЗЕ, который используется в логике переключения.
При отклонении параметров одного из источников питания (например, выход за допуск напряжения ИП1) АЦП6, под воздействием управляющих сигналов, формирует новое значение цифрового кода, которое поступает в ПЛБ5. В ПЛБ5 производится сравнение измеренного значения напряжения ИП1 с соответствующими минимальным и максимальным значениями и при выходе за допуск формируется сигнал на выключение ТРЗ. Сигнал на включение ТР4 формируется в зависимости от синхронности и синфазности источников питания ИП1 и ИП2. Если ИП1 и ИП2 синхронны и в фазе, то
JM t-/C T/
сигнал на включение ТР4 формируется сразу, без задержки. Твердотельное реле ТР4 включается и нагрузка получает трехфазное нитание от ИП2. Если ИП1 и ИП2 были несинхронны или не в фазе, то сигнал на включение ТР4 формируется через время Тзад. Время Тзад должно быть достаточным для выключения тиристоров твердотельного реле ТРЗ (т.к. выключение тиристоров произойдет только тогда, когда ток через тиристоры станет равным нулю) и составляет половину периода напряжения ИП1 ( при ). Такое время Тзад позволяет исключить короткое замыкание силовых тиристоров твердотельных реле. Твердотельное реле ТР4 включается и нагрузка получает трехфазное питание от ИП2. Аналогично происходит переключение при отклонении параметров ИП2 или выходного напряжения (фиг.2).
Из приведенного описания следует, что предлагаемое устройство исключает появление аварийной ситуации на нагрузке в случае несинхронности и несинфазности выходных сигналов источников питания, что обеспечивает надежность автоматического переключения источников питания и, соответственно, повышает надежность работы систем ответственных потребителей. При этом появляется возможность расширить область применения устройства за счет работы с любыми источниками питания.
Таким образом полезная модель является новой, промышленно реализуемой и позволяет решить поставленную перед заявителем и авторами задачу.
Список использованной литературы
1.Harry Petersson. The UPS book. Prospect of Fiskars Power Systems, 1996, p. 12, fig.ll.
3.Ж.А.Мкртчян. Основы построения устройств электропитания ЭВМ. М., Радио и связь, 1990, с. 157.
4.Пат. США N4879624, H02J 3/00.
5.Сосков А.Г. Тиристорные коммутационные устройства/ учебное пособие. - Киев, УМКВО, 1989,с.81.
6.А.с. СССР №1741226, H02J 9/00 - прототип.