Способ, устройство и система управления распределением тока между модулями AC/DC преобразователей
METHOD, DEVICE AND CONTROL SYSTEM FOR CURRENT DISTRIBUTION BETWEEN MODULES OF AC/DC CONVERTERS

Область техники
Заявляемая группа изобретений относится к электротехнике, в частности, к решениям, направленным на преобразование входной энергии переменного тока в энергию постоянного тока, и могут быть использованы в устройствах с несколькими AC-DC преобразователями, работающими на общую нагрузку.
Уровень техники
Известен автоматический цифровой способ управления током на основе связи по шине CAN (заявка CN № 109274089А, МПК H02J1/10, опубл. 25.01.2019), в котором выбор ведущего модуля выполняется по минимальному ID, а перевыбор нового ведущего между ведомыми осуществляется в случае отказа предыдущего. Идентификационный номер модуля определяется положением слота источника бесперебойного электропитания (ИБЭП), в который помещен модуль преобразователя.
Недостатком известного решения является отсутствие учета значения выходного тока и выходного напряжения модуля и при одинаковых целевых устанавливаемых значениях тока и напряжения, что приводит к затягиванию переходных процессов при запуске модуля, инициализации ИБЭП и при изменении нагрузки. В результате происходит неравномерное распределение тока между модулями, поэтому ошибки по току каждого модуля могут сильно отличаться.
Известен автоматический цифровой способ управления током на основе связи по шине CAN (патент CN № 104914908B, G05F1/46, опубл. 04.05.2016), в котором используют автоматический выбор, а в случае потери связи с ведущим модулем его перевыбор осуществляют по двум условиям: минимальный идентификационный номер и минимальный ток модуля.
Недостатком известного способа является длительный процесс выбора и перевыбора ведущего модуля, а также отсутствие блока контроля и управления (БКУ) электропитанием, задающего режимы работы преобразователей, выходное напряжение и ток ограничения.
Наиболее близким к заявляемой группе изобретений являются способ, устройство и система управления параллельным разделением тока с несколькими зарядными модулями (заявка № CN113708458A, МПК B60L53/62, опубл. 26.11.2021), в которых ведущий модуль выбирают по наименьшему идентификационному модулю, который рассчитывает средний ток системы и отправляет его значение ведомым. Напряжение одинаковое для каждого модуля отправляют широковещательной посылкой. Устройство управления содержит модуль сбора данных для получения значений обратных связей и модуль управления для вычисления средних значений каждого зарядного модуля и для отправки значения собственного целевого напряжения каждому из зарядных модулей. Система управления включает в себя несколько зарядных модулей и главный вычислительный модуль и реализует способ управления параллельным распределением тока для множества зарядных модулей.
Недостатком известных решений являются невысокая скорость изменения выходных данных при значительном изменении выходного тока и перегрузке по току, что обуславливается большим количеством вычислений в модуле сбора и в главном вычислительном модуле. Кроме того, отсутствует возможность использования зарядного модуля в резервном режиме, а наличие дополнительного отдельного модуля – модуля сбора данных – снижает общую надежность системы.
Основной технической задачей, решаемой заявляемой группой изобретений, является повышение скорости реакции модулей AC/DC преобразователя на изменение нагрузки и перегрузку по току, реализация эффекта памяти последнего состояния при выходе из строя одного из модулей AC/DC преобразователей.
Основным техническим результатом заявляемой группы решений является сокращение времени реакции модулей AC/DC преобразователя на изменение нагрузки и перегрузку по току.
Технический результат достигается за счет того, что в способе управления распределением тока между модулями AC/DC преобразователей, в котором обмен данными происходит при помощи интерфейса CAN, определяют адрес модуля, при этом ведущим считают модуль с наименьшим адресом, ограничивают максимально возможный ток модуля,согласно предложенному решению, программно ограничивают максимально возможное значение тока каждого модуля, определяют фактическое значение выходного тока ведущего модуля, отправляют данные об измеренном выходном токе ведущего модуля ведомым, корректируя целевое значение напряжения каждого модуля так, что выходной ток ведомого модуля стремится к значению выходного тока ведущего модуля, при этом модули имеют программно или автоматически заданные состояния - активное, резервное и выключенное.
Технический результат достигается также за счет того, что в устройстве управления распределением тока между модулями AC/DC преобразователей, включающем модули преобразователей, модуль управления, согласно предложенному решению, модуль управления реализован в виде блока контроля управлением (БКУ) с использованием микроконтроллера и выполнен с возможностью ограничивать максимально возможный ток каждого модуля преобразователей, присваивать модулю идентификационный номер и назначать роль ведущего модуля, принимать данные об измеренном выходном токе, выходном напряжении, таблицу состояний каждого модуля преобразователя, а модули преобразователя реализованы в виде блока преобразователя напряжения (БПН) с использованием микроконтроллера, при этом ведущий модуль выполнен с возможностью принимать фактическое значение ограничения выходного тока, определять фактическое значение выходного тока и отправлять его  ведомым модулям, определять значение обратной связи по выходному напряжению и току, принимать целевое значение напряжения от модуля управления, корректировать целевое значение выходного напряжения, а ведомый модуль выполнен с возможностью  принимать фактическое значение ограничения выходного тока, принимать значение выходного тока ведущего модуля, определять фактическое значение выходного тока, определять значение обратной связи по выходному напряжению и току, принимать целевое значение напряжения от модуля управления, корректировать целевое значение выходного напряжения.
Технический результат достигается также за счет того, что в системе управления распределением тока между модулями AC/DC преобразователей, включающей в себя модули преобразователей, модуль управления, согласно предложенному решению,реализуют способ управления распределением тока для нескольких модулей преобразователя при помощи устройства управления распределением тока между модулями AC/DC преобразователей.
Заявленные решения взаимосвязаны настолько, что образуют единый творческий замысел, а значит, данная группа изобретений удовлетворяет требованию единства изобретений.
Заявляемая группа изобретений поясняется рисунками, иллюстрирующими выполняемые микроконтроллером каждого модуля AC/DC преобразователя алгоритмы, где на фиг. 1 представлена схема основного алгоритма заявляемого способа; на фиг. 2 – отображена схема алгоритма определения значения уставки выходного напряжения модулей преобразователя основного алгоритма; на фиг. 3 – отображена схема алгоритма обновления ошибки по току алгоритма определения значения уставки выходного напряжения модулей преобразователя; на фиг. 4 – схема алгоритма выполнения ролевых действий ведущего/ ведомого модулей алгоритма обновления ошибки по току; где от 1 до 43 обозначены действия алгоритмов, реализующих заявленный способ:
1 - объявление мьютексов ключевых операций;
2 - объявление переменных вычисляемых и диапазона их значений;
3 - объявление констант для вычисляемых переменных;
4 - объявление операторов функций;
5 - проверка получения разрешения на действия с контуром управления преобразователя;
6 - проверка, является ли преобразователь активным модулем;
7 - запись в ЦАП значения, равного нулю;
8 - запись значения выходного тока;
9 - вычисления значения ЦАП;
10 - запись значения в ЦАП по напряжению;
11 - проверка значения выходного тока;
12 - применить новое значение;
13 - новое значение выходного тока равно току ограничения;
14 - проверка флага ограничения тока;
15 - обновление значения ошибки по току;
16 - проверка знака ошибки выходного напряжения относительно заданного;
17 - выполнение ролевых действий Master/Slave;
18 - проверка превышения выходного тока;
19 - установка флага ограничения;
20 - обновление значения ошибки по току;
21 - проверка знака ошибки выходного напряжения относительно заданного;
22 - сброс флага ограничения;
23 - выполнение ролевых действий Master/Slave;
24 - вычисление ошибки значения выходного тока;
25 - сохранение результата сравнения ошибки выходного тока с нулем;
26 - сравнение результата сравнения ошибки выходного тока с заданным;
27 - вычисление коэффициента ПИ-регулятора;
28 - переопределение текущего значения выходного напряжения;
29 - переопределение текущего значения ошибки по выходному току;
30 - переопределение текущего значения выходного напряжения;
31 - проверка роли Master/Slave;
32 - отправка значения тока ведомым;
33 - установка в ЦАП значения напряжения;
34 - вычислить собственную ошибку по току;
35 - вычислить результат сравнения ошибки с нулём;
36 - сравнение ошибки выходного тока с  заданной;
37 - вычисление коэффициента ПИ-регулятора;
38 - переопределение текущего значения выходного напряжения;
39 - переопределение текущего значения ошибки по выходному току;
40 - установка в ЦАП значения напряжения;
41 - переопределение текущего значения выходного напряжения;
42 - переопределение текущего значения ошибки по выходному току;
43 - установка в ЦАП значения напряжения.
Осуществление группы изобретений
Основной алгоритм (фиг. 1) реализует способ в части работы системы управления блоком преобразователя, а именно, в части управления контуром регулирования выходного тока и напряжения. Алгоритм последовательно определяет значения мьютексов ключевых операций (1), значения вычисляемых переменных по умолчанию и их максимальные и минимальные значения (2), значения констант (3). Затем алгоритм осуществляет проверку получения разрешения на действия с контуром управления преобразователем (5).
Не смотря на то, что поток программы, реализующей алгоритм, отвечающий за контур управления преобразователей непрерывный, программа ожидает разрешения на выполнение операций в потоке,  а именно, ожидает команды завершения формирования данных с АЦП, принимающего данные о выходном токе и выходном напряжении блока преобразователя. Если данное разрешение получено, то алгоритм переходит к проверке условия (6), является ли блок активным. Если блок не активный (в резерве или выключен), то выполняется запись в ЦАП микроконтроллера значения равного нулю (7) и основной алгоритм завершает работу.
При условии (6), если блок является активным (одним из основных), выполняется запись значения выходного тока (8), затем происходит вычисление значения ЦАП (9), затем запись значения в ЦАП по напряжению (10). Алгоритм (9) описывается следующим образом. Алгоритм вычисления значения ЦАП (фиг. 2) сначала выполняет проверку значения выходного тока (11). Если значение не больше максимального допустимого тока ограничения, то применяется новое значение выходного тока (12), если больше – применяется значение выходного тока, равное заданному максимальному току ограничения (13) блока преобразователя.
Вне зависимости от применяемого значения выходного тока, (12) или (13), затем выполняется проверка флага ограничения тока (14). Флаг устанавливается, если выходной ток преобразователя равен, в определенных пределах погрешности, заданному току ограничения.
Если флаг установлен, то выполняется алгоритм обновления значения ошибки по току (15) (фиг.3). Затем выполняется проверка знака ошибки выходного напряжения (16). Если ошибка больше либо равна нулю, то происходит выполнение ролевых функций Master/Slave (17) (фиг. 4), после чего алгоритм вычисления значения ЦАП завершает алгоритм с возвращением установленного флага ограничения тока (CL=YES). Если при проверке  знака ошибки выходного напряжения (16) ошибка меньше нуля, то совершается проверка превышения выходного тока (18). Если выходной ток превышает заданный ток ограничения блока преобразователя, то устанавливается флаг ограничения тока (19). Затем совершается обновление значения ошибки по току (20), после чего выполняется проверка знака ошибки выходного напряжения (21).
Если ошибка больше либо равна нулю, то происходит выполнение ролевых функций Master/Slave (17) и алгоритм завершается  установкой флага ограничения тока (CL=YES), если ошибка меньше нуля, то происходит сброс флага ограничения тока (22), совершается  выполнение ролевых функций Master/Slave и алгоритм завершается с отсутствием флага ограничения тока (CL=NO).
Алгоритм «Обновление значения ошибки по току» начинается с алгоритма вычисления ошибки значения выходного тока (24), затем выполняется сохранение результата сравнения ошибки выходного тока с нулем (25), далее производится сравнение результата сравнения ошибки выходного тока с заданным (26).
Если результат сравнения больше заданного, то вычисляется коэффициент ПИ-регулятора (27), переопределяется текущее значение выходного напряжения (28), переопределяется текущее значение ошибки по выходному току (29), после чего алгоритм завершается. Если результат сравнения не больше заданного, то переопределяется текущее значение выходного напряжения (30), после чего  алгоритм завершается.
Алгоритм «Выполнение ролевых действий Master/Slave» начинается с проверки роли Master/Slave (31). Если блок преобразователя является ведущим (Master), то выполняется отправка значения тока ведомым (32), затем установка в ЦАП значения напряжения (33) и алгоритм заканчивает свою работу.
Если блок преобразователя является ведомым (Slave), то выполняется вычисление собственной ошибки по току (34), вычисление результата сравнения ошибки с нулем (35), затем выполняется сравнение ошибки выходного тока с заданной (36). Если ошибка выходного тока не больше заданной, то происходит вычисление коэффициента ПИ-регулятора (37), затем переопределяется текущее значение выходного напряжения (38), переопределяется текущее значение ошибки по выходному току (39) и устанавливается в ЦАП требуемое значение напряжения (40), после чего алгоритм завершает работу.
Если ошибка выходного тока больше заданной, то переопределяется текущее значение выходного напряжения (41), переопределяется текущее значение ошибки по выходному току (42) и устанавливается в ЦАП требуемое значение напряжения (43), после чего алгоритм завершает работу.
В заявляемой группе изобретений смена роли каждого модуля преобразователя, вывод аварийного модуля из системы распределения тока, ввод резервного модуля в систему распределения тока должны происходить как можно быстрее.
В связи с чем требуется обеспечить наименьшее время переходного процесса распределения тока нагрузки и регулирования выходного напряжения каждого модуля преобразователя при резком изменении тока нагрузки и при перегрузке модулей по выходному току таким образом, чтобы обеспечить минимальные импульсные воздействия по потребляемому току от аккумуляторных батарей, подключенных к нагрузке в системе бесперебойного электропитания и минимальные переходные отклонения уровня напряжения на аккумуляторных батареях.
Работа устройства, способа и системы осуществляется следующим образом. БКУ назначает роль ведущего (Master) одному модулю преобразователей, имеющему наименьший идентификационный номер среди присутствующих в системе, то есть имеющих связь по CAN-шине данных с БКУ, модулей AC/DC преобразователей.
Таким образом, при наличии хотя бы одного модуля, всегда есть один ведущий и количество ведомых (Slave) от 0 до N-1,
где N+1 – это количество модулей преобразователей в системе.
Если количество модулей преобразователей системы больше или равно двум, то один из модулей объявляется неактивным, ему присваивается состояние «Резерв», остальным модулям, имеющим связь с БКУ, присваивается состояние «В работе» (фиг. 1, шаг 6).
Если модуль присутствует в системе, имеет связь с БКУ, но находится в аварийном состоянии, при котором не может стать активным модулем и не может находиться в состоянии «В работе», то ему присваивают состояние «Авария» (фиг. 1, шаг 6).
Если БКУ определяет, что количество модулей, присутствующих в системе и имеющих связь с БКУ, меньше максимального, определенного начальной конфигурацией системы количества N+1, то модулям, фактически отсутствующим в системе, присваивается состояние «Отсутствует».
При достижении значений выходного тока каждого из N модулей, равного заданному току ограничения для данных модулей (фиг. 2, шаги 11 и 13), либо при переходе одного из N модулей в состояние «Авария», модуль, находящийся в состоянии «Резерв», переводится в состояние «В работе».
Ведущий модуль отправляет значение собственного выходного тока (фиг. 4, шаги 32-33), которое принимают ведомые (фиг. 4, шаги 34-43), при этом периодичность задается для каждой системы бесперебойного электропитания постоянного тока индивидуально, но по умолчанию равна 500 мкс.
Скорость протокола передачи данных для CAN – 1 Мбит/с.
Проверка превышения выходного тока каждого модуля по заданному току ограничения выполняется дважды за цикл выполнения алгоритма (фиг. 2, шаги 11-18) контура управления модулем AC/DC преобразователя, что в совокупности с отсутствием вычислительных операций усреднения позволяет увеличить скорость реакция контура управления на перегрузку модуля по току нагрузки.
В результате, совокупность принятых решений позволяет решить поставленные задачи в области многомодульного резервируемого бесперебойного электропитания постоянного тока для телекоммуникационного оборудования с входным напряжением питания от 40 В до 60 В.
В заявляемой группе изобретений скорость реакции реализуемой системы на изменение тока нагрузки и перегрузку по току составляет порядка 500 мкс, относительно порядка нескольких сотен миллисекунд, наблюдаемых у приведенных выше аналогов.
Время ввода в активное состояние и вывода в неактивное состояние модуля преобразователя составляет порядка 80 мс, относительно времени от 5 секунд до 60 секунд у аналогов.
Таким образом, решение поставленной задачи позволит увеличить время работы модулей AC/DC преобразователей и аккумуляторных батарей в составе системы бесперебойного электропитания телекоммуникационного оборудования до 20 лет без специального технического обслуживания.