ТОКОВЫЙ КОЛЛЕКТОР ДЛЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПОДКЛЮЧЕНИЯ ВЫХОДОВ ОДНОТИПНЫХ СИЛОВЫХ КАНАЛОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к областям электротехники, автоматики и электроники и может быть использована для электропитания радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).
Известен выпрямительный блок, рассматриваемый в качестве аналога и являющийся составной частью трехфазного выпрямителя переменного тока [Лунгин Н.А., Коняхин С.Ф., Цветков А.Н. Оптимальный теплоотвод от силовых элементов источника питания. Журнал «Электропитание», №1, 2006 г.] и представляющий собой токопроводящий радиатор-теплоотвод с тремя выпрямительными диодами, установленными на нем минусовыми выводами. К плюсовому выводу каждого из трех диодов присоединен один из трех фазных проводов трехфазной системы электроэнергии. Выпрямленные диодами токи каждой фазы складываются в проводящем теле радиатора. Суммарный ток выпрямителя поступает в нагрузку по цепи, плюсовой провод которой подключается к радиатору с помощью установленного на нем присоединительного элемента. Таким образом, считая каждый из фазных проводов трехфазного выпрямителя аналогом вывода положительной полярности выходной цепи одного из трех однотипных силовых каналов (СК) преобразователя напряжения (ПН) и учитывая возможность обеспечения выпрямительными диодами трехфазного выпрямителя развязки между выходными цепями СК трехканального ПН, известное устройство может рассматриваться в качестве аналога предлагаемого токового коллектора (ТК).
Недостатками известного устройства относительно его применения в качестве ТК в составе ПН, содержащего M однотипных СК (в данном случае M=3), подключенных параллельно по выходу к общей выходной шине ПН для увеличения значения его выходной мощности, являются его функциональное и связанное с ним конструктивное ограничения, т.к., являясь частью конструкции трехфазного выпрямителя, оно позволяет иметь в составе ПН не более трех СК. При необходимости обеспечения в ПН резервирования по способу N+1 основных и один нагруженный резервный СК, в данном случае M=N+1), количество N не может быть более двух. При организации в ПН резервирования по способу N+1+K (N основных, один нагруженный резервный СК и К ненагруженных резервных СК, предназначенных для последовательного замещения в процессе работы ПН нагруженного резервного СК в случае его отказа, в данном случае M=N+1+K) количество N и K СК не может быть более одного, что значительно ограничивает энергетические и резервные возможности ПН. В известном устройстве также отсутствует силовая шина отрицательной полярности, объединенная конструкционно с имеющейся силовой шиной положительной полярности, что не позволяет использовать данное устройство в качестве выходной силовой шины (ВСШ) ПН. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрены оперативный контроль технического состояния диодов и измерение значений протекающих через них токов.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемой полезной модели является «токовый коллектор» для ПН с магистрально-модульной архитектурой (ММА) [Ю.Н. Либенко, А.Н. Четин. Электронные модули второго уровня разукрупнения в системе преобразования электроэнергии с магистрально-модульной архитектурой. Журнал «Электропитание», №2, 2013 г.], содержащий ВСШ, состоящую из силовой шины положительной и силовой шины отрицательной полярности, М пар однотипных развязывающих диодов (РД), М входов на силовой шине положительной полярности ВСШ ПН и М входов на силовой шине отрицательной полярности ВСШ ПН для подключения к ним соответственно выводов положительной и отрицательной полярности выходных цепей каждого из М СК ПН, конструктивно представляющий собой соединенные через изоляторы металлическую силовую шину положительной полярности с ребристой теплоизлучающей поверхностью и с присоединенным к ней проводом от выходной клеммы положительной полярности ПН, а также металлическую силовую шину отрицательной полярности с присоединенным к ней проводом от выходной клеммы отрицательной полярности ПН, при этом катоды РД, установленные на силовую шину положительной полярности ВСШ ПН, имеют с ней тепловой и электрический контакты.
Недостатком известного ТК по отношению к заявляемой полезной модели является отсутствие возможности проведения оперативного контроля технического состояния РД и измерения значений протекающих через них токов. Кроме того, известный ТК, являясь составной частью ПН с ММА, не обеспечивает информационный обмен с его другими основными составными частями по внутрисистемному интерфейсу, что усложняет реализацию, как некоторых из них, так и общесистемного программного обеспечения в части обеспечения возможности автоматического управления функционированием СК в штатном режиме работы и резервирования отказавших СК, при необходимости.
Техническим результатом и целью заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей прототипа путем обеспечения возможности оперативного автоматического контроля технического состояния РД, измерения значений протекающих через них токов и выходного напряжения ВСШ, а также обеспечение информационного обмена с другими основными составными частями ПН с ММА по внутрисистемному интерфейсу, что позволяет упростить схемотехнику и конструкцию ряда основных составных частей ПН, а также алгоритм его работы и общесистемное программное обеспечение.
Указанные технический результат и цель достигаются тем, что ТК с ВСШ, состоящей из силовой шины положительной и силовой шины отрицательной полярности, М пар однотипных РД, М входов на силовой шине положительной полярности ВСШ и М входов на силовой шине отрицательной полярности ВСШ для подключения к ним, соответственно, выводов положительной и отрицательной полярности выходных цепей каждого из М СК ПН, конструктивно представляющий соединенные через изоляторы металлическую силовую шину положительной полярности с ребристой теплоизлучающей поверхностью и с присоединенным к ней проводом от выходной клеммы положительной полярности ПН и металлическую силовую шину отрицательной полярности с присоединенным к ней проводом от выходной клеммы отрицательной полярности ПН, при этом катоды РД, установленные на силовую шину положительной полярности ВСШ, имеют с ней тепловой и электрический контакты, дополнительно содержит М каналов ТК (КТК), каждый из которых состоит из двух однотипных датчиков тока (ДТ), датчика напряжения (ДН), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а также дополнительно содержит общую часть (ОЧ) КТК, состоящую из ДН-ОЧ, АЦП-ОЧ, узла обработки информации (УОИ), узла сопряжения (УС) и источника питания (ИП), при этом входы токовой цепи каждого из двух ДТ соединены между собой, с одним из М входов положительной полярности ТК и с входом положительной полярности ДН, вход отрицательной полярности ДН соединен с силовой шиной отрицательной полярности ВСШ, выход положительной полярности токовой цепи первого ДТ соединен с анодом первого РД, выход токовой цепи второго ДТ соединен с анодом второго РД, измерительные выходы обоих ДТ и ДН соединены с соответствующими входами АЦП КТК, выход которого соединен с внутренней информационной шиной КТК, вход положительной полярности ДН-ОЧ соединен с силовой шиной положительной полярности ВСШ, вход отрицательной полярности ДН-ОЧ соединен с силовой шиной отрицательной полярности ВСШ, выходы ДН-ОЧ соединены с соответствующими входами АЦП-ОЧ, выход АЦП-ОЧ и информационный вход УОИ соединены с внутренней информационной шиной КТК, выводы каждого направления передачи информации УОИ соединены с соответствующими выводами направления передачи информации УС, информационный вывод которого соединен с внешней информационной шиной ТК, входы ИП соединены с соответствующими выходами вспомогательного источника питания ПН, а выходы ИП - с цепями питания используемых микросхем, конструкцию ТК реализуют в виде сборки из ВСШ и печатной платы, на которой установлены электрорадиоэлементы ДТ, ДН, АЦП, ДН-ОЧ, АЦП-ОЧ, УОИ, УС, ИП, а также внутренней информационной шины КТК.
На фиг. 1 и 2, соответственно, представлены функциональные схемы ТК в целом и его первого КТК (для остальных КТК - аналогично), а на фиг. 3 - вариант конструкции ТК в целом, например, для М=9 (внешние провода с наконечниками и винты для их подключения к ТК не являются его принадлежностями).
На фиг. 1…3 представлены:
1 - группа из девяти КТК;
1.1…1.9 - КТК (с первого по девятый);
1.1.1 - первый РД;
1.1.2 - второй РД;
1.1.3 - первый ДТ;
1.1.4 - второй ДТ;
1.1.5 - ДН;
1.1.6 - АЦП;
1.1.7 - присоединительный элемент;
2 - силовая шина положительной полярности ВСШ;
2.1…2.11 - присоединительные элементы (с первого по одиннадцатый);
2.12 - ребристая теплоизлучающая поверхность;
3. - силовая шина отрицательной полярности ВСШ;
3.1…3.11 - присоединительные элементы (с первого по одиннадцатый);
4 - ОЧ;
4.1 - внутренняя информационная шина;
4.2 - УОИ;
4.3 - УС;
4.4 - АЦП-ОЧ;
4.5 - ДН-ОЧ;
4.6 - ИП;
4.7 - разъемный соединитель;
5 - группа внешних выводов положительной полярности от СК ПН;
5.1…5.9 - внешние выводы положительной полярности от СК ПН (с первого по девятый);
6 - группа внешних выводов отрицательной полярности от СК ПН
6.1…6.9 - внешние выводы отрицательной полярности от СК ПН (с первого по девятый);
7 - внешняя информационная шина;
8 - внешняя цепь питания;
9 - внешний вывод положительной полярности выходной цепи ПН;
10 - внешний вывод отрицательной полярности выходной цепи ПН;
11 - плата с печатным монтажом.
В структуру ТК (фиг. 1) входят: группа 1 КТК 1.1…1.9 (выделена на фиг. 1 пунктиром), силовая шина 2 положительной полярности ВСШ, силовая шина 3 отрицательной полярности ВСШ, общая часть 4 (выделена на фиг. 1 пунктиром). Группа 5 выводов 5.1…5.9 положительной полярности и группа 6 выводов 6.1…6.9 отрицательной полярности выходных цепей М СК ПН, приведенные на фиг. 1 и 3, информационная шина 7, цепь 8 внешнего питания, приведенные на фиг. 1, а также вывод 9 положительной полярности и вывод 10 отрицательной полярности выходной цепи ПН, приведенные на фиг. 1 и 3, являются внешними цепями по отношению к ТК, не входящими в его структуру.
В состав ОЧ входят: внутренняя информационная шина 4.1, УОИ 4.2, УС 4.3, АЦП-ОЧ 4.4, ДН-ОЧ 4.5, ИП 4.6 и разъемный соединитель 4.7.
Первый КТК 1.1 (остальные КТК - аналогично) содержит (фиг. 2) первый 1.1.1 и второй 1.1.2 однотипные РД, первый 1.1.3 и второй 1.1.4 однотипные ДТ, ДН 1.1.5, АЦП 1.1.6, вход токовой цепи в виде присоединительного элемента 1.1.7 для подключения к нему одного из выводов 5.1…5.9 (фиг. 1) положительной полярности выходной цепи одного из М СК ПН.
В КТК 1.1 (остальные КТК - аналогично) входы токовой цепи каждого из двух ДТ 1.1.3 и 1.1.4 (фиг. 2) соединены между собой, с одним из М входов токовой цепи положительной полярности ТК в виде присоединительного элемента 1.1.7, с внешним выводом 5.1 положительной полярности выходной цепи одного из М СК ПН и со входом положительной полярности ДН 1.1.5, вход отрицательной полярности ДН 1.1.5 соединен с присоединительным элементом 3.1 силовой шины 3 отрицательной полярности ВСШ и с внешним выводом 6.1 отрицательной полярности выходной цепи одного из М СК ПН (фиг. 1), выход положительной полярности токовой цепи первого ДТ 1.1.3 соединен с анодом первого РД 1.1.1, выход токовой цепи второго ДТ 1.1.4 соединен с анодом второго РД 1.1.2, катоды РД 1.1.1 и 1.1.2 соединены с присоединительным элементом 2.1 силовой шины 2 положительной полярности ВСШ, измерительные выходы ДТ 1.1.3 и 1.1.4, а также ДН 1.1.5 соединены с соответствующими входами АЦП 1.1.6 КТК, выход которого соединен с внутренней информационной шиной 4.1 (фиг. 1).
В ТК (фиг. 1) вход положительной полярности ДН-ОЧ 4.5 соединен с присоединительным элементом 2.10 силовой шины 2 положительной полярности ВСШ, вход отрицательной полярности ДН-ОЧ 4.5 соединен с присоединительным элементом 3.10 силовой шины 3 отрицательной полярности ВСШ, выходы ДН-ОЧ 4.5 соединены с соответствующими входами АЦП-ОЧ 4.4, выход АЦП-ОЧ 4.4 и информационный вход УОИ 4.2 соединены с внутренней информационной шиной 4.1, выводы каждого направления передачи информации УОИ 4.2 соединены с соответствующими выводами направления передачи информации УС 4.3, информационный вывод которого соединен через разъемный соединитель 4.7 с внешней информационной шиной 7, входная цепь ИП 4.6 соединена через разъемный соединитель 4.7 с выходной цепью внешнего вспомогательного источника питания ПН, а выходная цепь ИП 4.6 - с цепями питания используемых микросхем.
Конструкция ТК (фиг. 3) представляет собой сборку из металлической силовой шины 2 положительной полярности ВСШ с ребристой теплоизлучающей поверхностью 2.12, металлической силовой шины 3 отрицательной полярности ВСШ и платы 11 с печатным монтажом (ГШМ). Все электронные модули, микросхемы и электрорадиоэлементы, входящие в вышеприведенные функциональные узлы КТК и ОЧ, а также разъемный соединитель 4.7 расположены на НИМ. При этом токопроводящий корпус сборки из двух РД 1.1.1 и 1.1.2, входящих в КТК 1.1 (остальные РД в КТК 1.2…1.9 - аналогично) электрически соединен с их катодами и закреплен с помощью присоединительного элемента 2.1 непосредственно к силовой шине 2 положительной полярности ВСШ, обеспечивая, тем самым, электрическое соединение РД с шиной 2 и отвод на нее тепла, выделяемого на корпусе сборки. Выводы корпуса, соединенные с анодами обоих РД, впаяны в контактные площадки НИМ 11.
Внешние провода с наконечниками (фиг. 3), являющиеся внешними выводами 5.1…5.9 положительной полярности выходной цепи одного из М СК ПН (фиг. 1), подключаются к присоединительным элементам 1.1.7 КТК (фиг. 2), расположенным на НИМ, с помощью винтового соединения (фиг. 3). Внешние провода с наконечниками (фиг. 3), являющиеся внешними выводами 6.1…6.9 отрицательной полярности выходной цепи каждого из М СК ПН, подключаются к присоединительным элементам 3.1…3.9 силовой шины 3 отрицательной полярности ВСШ (фиг. 1) с помощью винтового соединения (фиг. 3). Внешний провод с наконечником (фиг. 3), являющийся внешним выводом 9 положительной полярности выходной цепи ПН (фиг. 1), подключается к присоединительному элементу 2.11 силовой шины 2 положительной полярности ВСШ (фиг. 1) с помощью винтового соединения (фиг. 3). Внешний провод с наконечником (фиг. 3), являющийся выводом 10 отрицательной полярности выходной цепи ПН (фиг. 1), подключается к присоединительному элементу 3.11 силовой шины 3 отрицательной полярности ВСШ (фиг. 1) с помощью винтового соединения (фиг. 3).
Используемые в данном техническом решении элементы и материалы широко применяются в промышленности РФ.
Устройство работает следующим образом
Пусть, например, используют ТК для подключения к его силовым шинам положительной 2 и отрицательной 3 полярности ВСШ, соответственно, группы внешних выводов 5 положительной и группы внешних выводов 6 отрицательной полярности выходных цепей девяти (М=9) однотипных СК ПН (фиг. 1, 3), суммарный ток которых через внешние выводы положительной 9 и отрицательной 10 полярности поступает на внешние выходные клеммы ПН. И пусть через разъемный соединитель 4.7 (фиг. 3) к ТК подключены внешняя информационная шина 7 (фиг. 1) от внешнего управляющего устройства ПН и внешняя цепь 8 питания (фиг. 1) от внешнего вспомогательного источника питания ГШ. При этом особенности реализации и принципы работы вышеперечисленных внешних, по отношению к ТК, цепей и устройств здесь не рассматриваются, т.к. эти вопросы выходят за рамки настоящей заявки.
В процессе работы ПН через внешний вывод 5.1 положительной полярности выходной цепи одного из М СК ПН (фиг. 1, 2) первого КТК 1.1 (для остальных КТК - аналогично) протекает выходной ток этого СК, являющийся входным током для рассматриваемого КТК. Этот ток разветвляется примерно поровну на две параллельные ветви: ДТ 1.1.3; РД 1.1.1 и ДТ 1.1.4; РД 1.1.2, складываясь затем в выходной цепи КТК 1.1 на соединенных катодах РД 1.1.1 и 1.1.2, после чего поступает на силовую шину 2 положительной полярности ВСШ через присоединительный элемент 2.1. Значение тока в цепи РД 1.1.1 измеряет ДТ 1.1.3, значение тока в цепи РД 1.1.2 измеряет ДТ 1.1.4. При этом выходные напряжения обоих ДТ, пропорциональные значениям токов в цепях соответствующих РД, поступают на входы АЦП 1.1.6, на другой аналогичный вход которого поступает напряжение, пропорциональное напряжению, измеренному ДН 1.1.5 между силовой шиной 3 отрицательной полярности ВСШ и внешним выводом 5.1 положительной полярности выходной цепи СК ПН. Аналоговая измерительная информация с выходов ДТ 1.1.3 и 1.1.4, а также с выхода ДН 1.1.5 преобразуется в АЦП 1.1.6 в цифровой код, поступающий с его выхода на внутреннюю информационную шину 4.1 и, далее, на УОИ 4.2 (фиг. 1). На аналоговый вход АЦП-ОЧ 4.4 с выхода ДН-ОЧ 4.5 поступает напряжение, пропорциональное напряжению, измеренному ДН-ОЧ 4.5 между силовой шиной 2 положительной полярности ВСШ и силовой шиной 3 отрицательной полярности ВСШ. На выходе АЦП-ОЧ 4.4 выдается соответствующий измеренному аналоговому сигналу цифровой код, поступающий в УОИ 4.2 для сравнения с цифровым кодом, поступающим от АЦП 1.1.6 (фиг. 2) по внутренней информационной шине 4.1 и соответствующим аналоговому сигналу с выхода ДН 1.1.5 (фиг. 2). В результате сравнения УОИ 4.2 вышеупомянутых цифровых кодов, а также анализа значений токов через РД 1.1.3 и 1.1.4, переданных по внутренней информационной шине 4.1 в виде цифровых кодов с выхода АЦП 1.1.6, обеспечивается постоянный контроль равномерности распределения выходных токов между всеми СК ПН, а также контроль работоспособности (определения технического состояния) РД 1.1.3 и 1.1.4. В заявляемой полезной модели реализованы следующие алгоритм контроля и выводы по его результатам:
а) суммирование значений токов, протекающих через оба РД КТК, сравнение суммарного значения тока с аналогичными суммарными значениями токов в остальных КТК, определение сверхпредельных различий значений токов в СК с присвоением последнему статуса отказавшего;
б) отказ любого из пары РД (фиг. 1), сопровождающийся обрывом токовой цепи, определяется по отсутствию тока в цепи этого РД, выявленного соответствующим ДТ;
в) отказ любого из пары РД, сопровождающийся коротким замыканием токовой цепи на участке «анод-катод» (при условии применения в качестве ДТ 1.1.3 и ДТ 1.1.4 бесконтактных датчиков тока) определяется по равенству напряжений, измеренных ДН 1.1.5 (фиг. 1) и ДН-ОЧ 4.5 (фиг. 2).
Результат обоих видов контроля передается с выхода УОИ 4.2 (фиг. 1) через УС 4.3 по внешней информационной шине 7 на внешнее управляющее устройство ПН. Учитывая возможность протекания выходного тока СК ПН только через один из двух работоспособных РД КТК, в зависимости от ситуации с техническим состоянием РД и характером его отказа (обрыв или короткое замыкание), а также в зависимости от значения выходного тока СК, присоединенного к контролируемому КТК, внешнее управляющее устройство ПН может принять два основных варианта решения: продолжить работу СК ПН, присоединенного к КТК (в том числе, с одним отказавшим РД), или провести его автоматическую замену на резервный (невключенный) СК, присоединенный к КТК с двумя или одним (при отсутствии короткого замыкания в отказавшем РД) работоспособными РД.
Кроме того, УОИ, получая информацию от всех КТК о значениях токов, проходящих через РД, вычисляет их суммарное значение, передавая его через УС 4.3 по внешней информационной шине 7 на внешнее управляющее устройство ПН. По сравнению с прототипом это позволяет исключить из структуры ПН датчик, измеряющий его выходной ток и установленный между силовой шиной положительной полярности ВСШ и выводом положительной полярности ПН.
Совокупность усовершенствований, реализованных в заявляемой полезной модели по отношению к прототипу, позволило изменить ее функциональное назначение и статус, превратив ТК из простой конструкционной сборочной единицы в одну из основных составных частей ПН - электронный модуль первого уровня разукрупнения, обладающий определенными «интеллектуальными» способностями и соответствующий ряду системных требований, предъявляемых ПН к другим его основным составным частям.
Заявляемая полезная модель работает аналогично при количестве М СК в ПН (соответственно, КТК в ТК) большем или меньшем (не менее двух) девяти.