УСТРОЙСТВО ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Полезная модель относится к области радиоэлектроники, точнее - к области электропитания радиоэлектронной аппаратуры и может быть использована для создания различных устройств силовой электроники (УСЭ) на основе магистрально-модульной архитектуры (ММА), содержащих встроенные устройства (УВО) и системы (СВО) воздушного охлаждения.
Известны устройство воздушного охлаждения (В.А. Мельников. Статья «Стандартные конструктивные модули на основе БНК-3 с расширенными функциональными возможностями», журнал «Электропитание», №4, 2009 г., стр. 24,), а также вентиляторные блоки, выпускаемые фирмой Schroff (Главный каталог Schroff, издание 24, R 10/2012, стр. 4.4, 4.14; электронный ресурс - 2012. - Режим доступа: http://www.Schroff.ru, свободный). Каждое из этих устройств состоит из нескольких вентиляторов, расположенных в одном корпусе, включаемых и отключаемых одновременно ручным способом с помощью общего коммутатора напряжения внешнего источника электроэнергии, и совокупно обеспечивающих необходимые условия охлаждения для функциональных узлов аппаратуры, в составе которой применены данные устройства. Недостатками устройств является отсутствие возможностей дистанционного управления работой и оперативного контроля технического состояния вентиляторов, что затрудняет их применение в УСЭ с ММА, принципиально предполагающей наличие в первых развитой структуры информационных связей для обеспечения режима контроля и управления основными составными частями УСЭ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство воздушного охлаждения УВО-1, входящее в состав СВО системы преобразования электрической энергии СПЭ-Б-27/2, созданной на основе ММА (Либенко Ю.Н., Четин А.Н. Статья «Электронные модули второго уровня разукрупнения в системе преобразования электроэнергии с магистрально-модульной архитектурой» // журнал «Электропитание», №2, 2013 г., стр. 13, 14) и принятое в качестве прототипа (см. фиг. 1).
На фиг. 1 представлены:
1 - первый и второй выводы от внешнего источника электроэнергии;
2 - основной ручной коммутатор напряжения внешнего источника электроэнергии;
3 - общая плавкая вставка;
4 - первый световой индикатор;
5 - второй световой индикатор;
6 - узел защиты от высоковольтных импульсов напряжения;
7 - первый узел формирования контрольных сигналов;
8 - вспомогательный ручной коммутатор напряжения внешнего источника электроэнергии;
9 - управляемый коммутатор напряжения;
10 - второй узел формирования контрольных сигналов;
11 - третий световой индикатор;
12 - индивидуальные плавкие вставки;
13 - вентиляторы.
УВО-1 содержит первый и второй выводы 1 от внешнего источника электроэнергии, основной 2 и вспомогательный 8 ручные коммутаторы напряжения внешнего источника электроэнергии, общую 3 и семь индивидуальных 12 плавких вставок, первый 4, второй 5 и третий 11 световые индикаторы, узел 6 защиты от высоковольтных импульсов напряжения, первый 7 и второй 10 узлы формирования контрольных сигналов, семь вентиляторов 13, управляемый коммутатор 9 напряжения.
Основной ручной коммутатор 2 предназначен для включения (отключения) напряжения внешнего источника электроэнергии на узлы и элементы УВО-1.
Общая плавкая вставка 3 защищает внешний источник электроэнергии от короткого замыкания (перегрузки по току) во входной цепи УВО-1.
Первый световой индикатор 4 отображает факт включения напряжения внешнего источника электроэнергии на узлы и элементы УВО-1.
Узел 6 защиты от высоковольтных импульсов напряжения, возникающих во внешнем источнике электроэнергии, ограничивает значение их амплитуды на уровне, безопасном для узлов и элементов УВО-1.
Второй световой индикатор 5 отображает факт работоспособного состояния узла 6 защиты от высоковольтных импульсов напряжения.
Первый узел 7 формирования контрольного сигнала выдает во внешнюю цепь электрический сигнал, отображающий факт работоспособного состояния узла 6 защиты от высоковольтных импульсов напряжения.
Управляемый коммутатор 9 напряжения по сигналам, поступающим из внешней цепи, управляет работой вентиляторов 13 путем коммутации напряжения внешнего источника электроэнергии в цепях электропитания вентиляторов.
Индивидуальные плавкие вставки 12 защищают управляемый коммутатор 9 от короткого замыкания (перегрузки по току) в цепях электропитания вентиляторов 13.
Третий световой индикатор 11 отображает факт включения напряжения внешнего источника электроэнергии в цепях электропитания вентиляторов 13.
Второй узел 10 формирования контрольного сигнала выдает во внешнюю цепь электрический сигнал, отображающий факт включения напряжения внешнего источника электроэнергии в цепях электропитания вентиляторов 13.
Вспомогательный ручной коммутатор 8 напряжения внешнего источника электроэнергии позволяет обеспечить режим диагностирования УВО-1.
Работа УВО-1 осуществляется следующим образом. При априорной установке в отключенное состояние вспомогательного ручного коммутатора 8 напряжения внешнего источника электроэнергии, последнее подается на элементы и узлы УВО-1 путем включения основного ручного коммутатора 2. Через общую плавкую вставку 3 это напряжение поступает на входы: управляемого 9 и вспомогательного ручного 8 коммутаторов напряжения, узла 6 защиты от высоковольтных импульсов напряжения, а также на первый световой индикатор 4. При работоспособном состоянии узла 6 защиты от высоковольтных импульсов напряжения на втором световом индикаторе 5 и на выходе первого узла 7 формирования контрольного сигнала выдаются соответствующие данному факту сигналы. При поступлении по внешней цепи на вход управляющего коммутатора 9 сигнала на включение вентиляторов 13 он коммутирует напряжение внешнего источника электроэнергии в цепи электропитания вентиляторов через индивидуальные плавкие вставки 12.
При отказе узла 6 защиты от высоковольтных импульсов напряжения соответствующий сигнал с выхода первого узла 7 формирования контрольного сигнала выдается во внешнюю цепь, что приводит к блокировке выдачи по внешней цепи управляющего сигнала на включение вентиляторов (при его отсутствии), либо к выдаче по этой цепи сигнала на отключение управляющего коммутатора 9 напряжения.
При отказе любого из вентиляторов (определяется косвенно путем постоянного контроля значения температуры в охлаждаемом устройстве) УВО-1 изымается из охлаждаемого устройства и подключается к внешнему источнику электроэнергии непосредственно. После подачи на УВО-1 напряжения этого источника вручную с помощью основного ручного коммутатора 2 включение вентиляторов 13 выполняется путем дополнительного включения вспомогательного ручного коммутатора 8 в обход управляемого коммутатора 9 (без использования внешнего сигнала управления работой) с последующим визуальным определением неработоспособного вентилятора.
Основными недостатками прототипа являются:
- отсутствие возможности раздельного управления каждым вентилятором, исключающее оперативность и адаптивность управления УВО-1;
- отсутствие возможности текущего контроля технического состояния каждого вентилятора, исключающее адресное определение отказавших вентиляторов;
- получение управляющих и передачу контрольных сигналов между УВО-1 и ВУКУ через промежуточное устройство сопряжения, являющееся составной частью СПЭ-Б-27/2 и обеспечивающее приведение сигналов обоих видов к форматам команд и сообщений, принятым для используемой в изделии информационной шины на базе стандартного интерфейса RS-485;
- влияние несанкционированных действий оператора («человеческого фактора») на функционирование устройства (например, неправильная установка положения РК2 после проведения диагностирования УВО-1);
- возможность развития аварийной ситуации в УВО-1 путем повторной подачи напряжения источника энергии на ранее отказавший вентилятор.
Техническим результатом и целью заявляемой полезной модели является устранение вышеперечисленных недостатков с одновременным повышением статуса устройства до уровня, соответствующего идеологии ММА и обеспечивающего расширение возможностей его применения в других типах систем преобразования электроэнергии с ММА, а также получение в результате этого дополнительного ряда полезных эффектов, недостижимых в прототипе и указанных ниже.
Указанная цель достигается тем, что устройство воздушного охлаждения (см. фиг. 2), содержащее общий ручной коммутатор 2 напряжения, общую плавкую вставку 3, первый 4 и второй 5 световые индикаторы, узел 6 защиты от высоковольтных импульсов напряжения с одной входной и двумя выходными цепями, группу из N индивидуальных плавких вставок 12 и группу из N вентиляторов 13, при этом первый и второй выводы 1 от внешнего источника электроэнергии соединены с первым и вторым выводами входной цепи общего ручного коммутатора 2 напряжения, соответственно, первый вывод выходной цепи общего ручного коммутатора 2 напряжения соединен с первым выводом общей плавкой вставки 3, второй вывод выходной цепи общего ручного коммутатора 2 напряжения соединен со вторым выводом первого светового индикатора 4, со вторым выводом входной цепи узла 6 защиты от высоковольтных импульсов напряжения и со вторыми выводами вентиляторов 13, второй вывод общей плавкой вставки 3 соединен с первым выводом первого светового индикатора 4, с первым выводом входной цепи узла 6 защиты от высоковольтных импульсов напряжения и с первыми выводами индивидуальных плавких вставок 12, первый вывод первой выходной цепи узла 6 защиты от высоковольтных импульсов напряжения соединен с первым выводом второго светового индикатора 5, второй вывод первой выходной цепи узла защиты 6 от высоковольтных импульсов напряжения соединен со вторым выводом второго светового индикатора 5, отличается тем, что в устройство дополнительно введены N индивидуальных коммутаторов 14 напряжения, N датчиков 15 тока, узел 16 сопряжения с основной 17 и резервной 18 информационными цепями, с одной индивидуальной 22 и N типовыми 23 контрольными цепями, с N типовыми управляющими цепями 21, источник 19 питания, при этом вторые выводы индивидуальных плавких вставок 12 соединены с первыми силовыми выводами индивидуальных коммутаторов 14 напряжения, соответственно, вторые силовые выводы индивидуальных коммутаторов 14 напряжения соединены с первыми силовыми выводами датчиков 15 тока, соответственно, вторые силовые выводы датчиков 15 тока соединены с первыми выводами вентиляторов 13, соответственно, первый и второй выводы второй выходной цепи узла 6 защиты от высоковольтных импульсов напряжения соединены с первым и вторым выводами индивидуальной контрольной цепи 22 узла 16 сопряжения, соответственно, первые и вторые выводы типовых управляющих цепей 21 узла 16 сопряжения соединены с первыми и вторыми выводами цепей управления индивидуальных коммутаторов 14 напряжения, соответственно, первые и вторые выводы типовых контрольных цепей 23 узла 16 сопряжения соединены с первыми и вторыми выводами контрольных цепей датчиков 15 тока, соответственно, основная 17 и резервная 18 информационные цепи узла 16 сопряжения соединены с основной и резервной внешними информационными шинами, соответственно, первый вывод входной цепи источника 19 питания соединен со вторым выводом общей плавкой вставки 3, с первым выводом первого светового индикатора 4, с первым выводом входной цепи узла 6 защиты от высоковольтных импульсов напряжения и с первыми выводами индивидуальных плавких вставок 12, второй вывод входной цепи источника 19 питания соединен со вторым выводом общего ручного коммутатора 2 напряжения, со вторым выводом первого светового индикатора 4, со вторым выводом входной цепи узла 6 защиты от высоковольтных импульсов напряжения и со вторыми выводами вентиляторов 13, первый и второй выводы выходной цепи 20 источника питания 19 соединены с входами электропитания индивидуальных коммутаторов 14 напряжения, датчиков 15 тока, узла 16 сопряжения в соответствии с полярностью электропитания этих узлов.
На фиг. 2 представлены:
14 - индивидуальные коммутаторы напряжения;
15 - датчики тока;
16 - узел сопряжения;
17 - основная информационная цепь узла сопряжения;
18 - резервная информационная цепь узла сопряжения;
19 - источник питания;
20 - выводы выходной цепи источника электропитания;
21 - типовые управляющие цепи узла сопряжения;
22 - индивидуальная контрольная цепь узла сопряжения;
23 - типовые контрольные цепи узла сопряжения.
В заявляемой модели количество вентиляторов и соответствующие ему количества индивидуальных плавких вставок, индивидуальных коммутаторов напряжения, датчиков тока, контрольных входов и управляющих выходов в узле сопряжения не имеет принципиального значения.
Используемые в данном техническом решении элементы и материалы широко применяются в промышленности РФ.
Устройство работает следующим образом
При подключении к устройству выводов 1 от внешнего источника электроэнергии и включении общего коммутатора 2 напряжение источника поступает через общую плавкую вставку 3 на первый световой индикатор 4, во входную цепь узла 6 защиты от высоковольтных импульсов напряжения и через индивидуальные плавкие вставки 12 - на индивидуальные коммутаторы 14 напряжения. В исходном состоянии устройства коммутаторы разомкнуты, что определяет отсутствие напряжения источника электроэнергии на выводах вентиляторов 13. При этом первый световой индикатор 4 отображает факт включения напряжения источника электроэнергии, а второй световой индикатор 5 отображает факт работоспособного состояния узла 6 защиты от воздействия высоковольтных импульсов напряжения, получая по его первой выходной цепи контрольный сигнал. Сигнал, соответствующий состоянию узла 6 защиты от воздействия высоковольтных импульсов напряжения, по его второй выходной цепи поступает на индивидуальный контрольный вход 22 узла 16 сопряжения для формирования соответствующего сообщения и передачи его по основной 17 или (при ее отказе) резервной 18 информационным цепям, подключенным к основной и резервной внешним информационным шинам, соответственно, на ВУКУ.
В случае появления в источнике электроэнергии высоковольтных импульсов напряжения узел 6 защиты ограничивает их амплитуду до значения, безопасного для узлов и элементов устройства. При отказе узла защиты 6 второй световой индикатор 5 гаснет, а узел 16 сопряжения передает соответствующее сообщение по основной 17 или (при ее отказе) резервной 18 информационным цепям, подключенным к основной и резервной внешним информационным шинам, соответственно, на ВУКУ.
Команда на включение выбранных вентиляторов из группы 13 поступает в узел 16 сопряжения от ВУКУ по основной 17 или резервной 18 информационным цепям, подключенным к основной и резервной внешним информационным шинам, соответственно. Узел 16 сопряжения вырабатывает сигналы включения в типовых управляющих цепях из группы 21, соответствующих выбранным вентиляторам. Сигналы поступают на управляющие входы индивидуальных коммутаторов 14 напряжения, установленных в цепях этих вентиляторов. При включении индивидуальных коммутаторов напряжение источника электроэнергии поступает в цепи электропитания выбранных вентиляторов.
Факт включения выбранных вентиляторов, являющийся совокупностью фактов подачи на них напряжения электропитания и работоспособности каждого из них, формируется в виде контрольных сигналов от датчиков тока из группы 15, установленных в цепях электропитания вентиляторов. Сигналы поступают на входы типовых контрольных цепей из группы 23 узла 16 сопряжения для последующего анализа. Узел 16 сопряжения формирует соответствующее сообщение и обеспечивает его передачу по основной 17 или резервной 18 информационным цепям, подключенным к основной и резервной внешним информационным шинам, соответственно, на ВУКУ. Таким же образом реализуется отключение выбранных вентиляторов при поступлении от ВУКУ соответствующей команды. При возникновении отказа любого из вентиляторов прекращается поступление контрольного сигнала от датчика тока в его цепи, что отображается в сообщении от узла сопряжения к ВУКУ.
Функции, выполнявшиеся составными частями прототипа, отсутствующими в заявляемой полезной модели, полностью сохраняются и реализуются на более высоком техническом уровне путем использования совокупных ресурсов дополнительно введенных составных частей заявляемой полезной модели с одновременным расширением технических возможностей устройства в целом и возможных областей его применения.
Так, диагностирование (поиск отказавшего вентилятора), выполняемое в прототипе с использованием вспомогательного ручного коммутатора РК2, возможно только после остановки работы охлаждаемой аппаратуры, изъятия устройства воздушного охлаждения из ее состава и подключения к источнику электроэнергии с помощью технологического сетевого кабеля. Все это требует участия человека, а само диагностирование заключается в проведении им визуального контроля отсутствия вращения крыльчатки отказавшего вентилятора. В заявляемой модели диагностирование выполняется автоматически непосредственно в процессе функционирования устройства путем циклического анализа ВУКУ сигналов от датчиков тока из группы 15, то есть не требует участия человека.
Расширениями данной функции для заявляемой полезной модели являются возможности:
- автоматического аварийного отключения напряжения источника электроэнергии от отказавшего вентилятора соответствующим ему индивидуальным коммутатором по сигналу управления, вырабатываемому узлом сопряжения;
- исключения развития аварийной ситуации в следующем цикле работы устройства путем автоматического блокирования подачи напряжения внешнего источника электроэнергии на отказавший вентилятор;
- автоматической оперативной выдачи данных об отказе вентиляторов на любой уровень диагностирования УСЭ, в составе которого применена заявляемая полезная модель.
Функция дистанционного управления включением или отключением вентиляторов в прототипе обеспечивается с помощью управляемого коммутатора напряжения, который осуществляет подачу или снятие напряжения от внешнего источника электроэнергии одновременно на все вентиляторы устройства. В заявляемой модели данный режим работы поддерживается индивидуальными коммутаторами, как один из множества вариантов выбора вентиляторов из совокупности N.
Дистанционная сигнализация факта работоспособного состояния узла защиты от высоковольтных импульсов напряжения в прототипе выполняется с помощью первого узла формирования контрольного сигнала, который получает от первого соответствующий сигнал и затем выдает его на ВУКУ. В заявляемой модели узел защиты от высоковольтных импульсов напряжения выдает соответствующий сигнал в индивидуальную контрольную цепь узла сопряжения, который затем анализирует его и выдает результат на ВУКУ.
Отображение факта включения вентиляторов в прототипе выполняется с помощью светового индикатора на основе сигнала, получаемого от второго узла формирования контрольного сигнала, и предназначено для оператора устройства. В заявляемой модели контроль включения или отключения любого из совокупности N вентиляторов выполняется путем автоматического анализа узлом сопряжения сигнала от соответствующего ему датчика тока с выдачей результатов на ВУКУ.
Устройство, соответствующее заявляемой модели, работает аналогично при любом количестве N вентиляторов.
Совокупность усовершенствований, реализованных в заявляемой полезной модели по отношению к прототипу, позволила повысить ее технический уровень и изменить статус, преобразовав относительно простое устройство воздушного охлаждения с низкой степенью автоматизации и, как следствие, с минимальным набором функций в электронный модуль второго уровня разукрупнения, соответствующий условиям его применения в УСЭ с ММА, что расширяет область его применения.