ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
INTELLIGENT VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к силовой электронике, в частности, к системам вторичного электропитания. Изобретение может быть использовано для повышения надежности электропитания высокостабильным напряжением постоянного тока ответственных потребителей различных объектов (подвижных и стационарных, промышленного и военного назначения), имеющих первичное электроснабжение от сетей 3-50 Гц, 380 В.
Известен двухтактный преобразователь напряжения (Патент РФ на изобретение №2314627 ДВУХТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, Дата начала отсчета срока действия патента: 12.07.2006, МПК: Н02М 3/337 (2006.01), Н02М 7/519 (2006.01), Н02М 7/538 (2007.01), Н02М 7/122 (2006.01), Патентообладатель: ФЕДЕРАЛЬНОЕ КОСМИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВО ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ГОЛОВНОЕ ОСОБОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО "ПРОЖЕКТОР" (RU)), содержащий трансформатор с двумя первичными обмотками, два управляемых ключевых элемента, зашунтированные диодами обратного тока, два защитных диода, два защитных конденсатора, две разрядные обмотки трансформатора, два разрядных диода.
В данном двухтактном преобразователе используется сложная аналоговая схема управления, что снижает надежность и быстродействие преобразования напряжения, а также отсутствует входной фильтр.
Известен интеллектуальный источник питания (Патент РФ на полезную модель №86330 ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, Дата начала отсчета срока действия патента: 05.05.2009, МПК: G06F 1/00 (2006.01), Патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А.Семихатова" (RU)), содержащий преобразователь напряжения, состоящий из четырех полевых транзисторов, четырех драйверов затвора полевого транзистора, двух диодов, автотрансформатора, входной фильтр, состоящий из двух LR-контуров, конденсатора, симметрирующего трансформатора, двух варисторов, RC-цепочки, разрядника, выходной фильтр, состоящий из RC-цепочки, диода, двух сглаживающих дросселей, сглаживающего конденсатора, датчика тока, датчика напряжения, двух проходных конденсаторов, резистора, микроконтроллер, приемо-передатчик интерфейса, входную положительную шину, выходную положительную шину, общую отрицательную шину.
Данный интеллектуальный источник питания имеет значительные потери мощности на диодах преобразователя напряжения, за счет чего происходит тепловой нагрев источника и, соответственно, уменьшается его КПД. Кроме этого, качество выходного электропитания этого интеллектуального источника питания за счет применения в выходном фильтре полярного сглаживающего конденсатора со временем ухудшается, и, соответственно, уменьшается срок службы интеллектуального источника питания.
Также известен интеллектуальный источник питания (Патент РФ на полезную модель №92210 ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, Дата начала отсчета срока действия патента: 02.11.2009, МПК: G06F 1/00 (2006.01), Патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А.Семихатова" (RU)), содержащий преобразователь напряжения, состоящий из шести полевых транзисторов, четырех драйверов затвора полевого транзистора и автотрансформатора, выходной фильтр, состоящий из двух LR-контуров, конденсатора, симметрирующего трансформатора, двух варисторов, RC-цепочки и разрядника, выходной фильтр, состоящий из RC-цепочки, диода, трех сглаживающих дросселей, двух сглаживающих конденсаторов, датчика тока, датчика напряжения, двух проходных конденсаторов и резистора, микроконтроллер, приемо-передатчик последовательного интерфейса, входную положительную шину, выходную положительную шину, общую отрицательную шину.
Основным недостатком данного интеллектуального источника питания является отсутствие электрической изоляции между входными и выходными цепями.
Известен еще один интеллектуальный источник питания (Патент РФ на полезную модель №112540 ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, Дата начала отсчета срока действия патента: 23.06.2011, МПК: Н02М7/00 (2006.01), Патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А.Семихатова" (RU)), содержащий входной фильтр, выпрямитель, преобразователь напряжения, выпрямитель и выходной фильтр, микроконтроллер, вторичный источник питания микроконтроллера, приемо-передатчик последовательного интерфейса, положительные и отрицательные входные и выходные шины.
Данный интеллектуальный источник питания обладает рядом существенных недостатков:
- имеет возможность получения электропитания только от одной сети напряжения переменного тока;
- отсутствует защита от токов перегрузки и токов коротких замыканий входного фильтра, выпрямителя и ключей преобразователя напряжения источника питания;
- отсутствует защита от перегрева компонентов источника питания;
- отсутствует местный пульт контроля и управления источником питания;
- дистанционное управление микроконтроллера источника питания от внешней системы управления осуществляется по интерфейсу RS-485, имеющим существенные ограничения по дальности передачи и скорости информационного обмена.
Наиболее близким по исполнению аналогом, принятым в качестве прототипа предлагаемой изобретения, является агрегат бесперебойного питания (Патент РФ на изобретение №2414788 МНОГОКАНАЛЬНЫЙ АГРЕГАТ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ МОДУЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ, Дата начала отсчета срока действия патента: 24.12.2009, МПК H02J 3/04 (2006.01), H02J 9/06 (2006.01), Патентообладатель: Закрытое акционерное общество "ИРИС" (RU)), состоящий из основной сети переменного тока 3-50 Гц, 380 В, первого и второго выпрямителя, первого инвертора, аккумуляторной батареи, второго и третьего микроконтроллера, группы потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока=28,5 В, группы потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока=28,5 В, микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, второго инвертора, выход которого через второй подключен к входу второго выпрямителя, инвертора первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, выход которого через третий трансформатор первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение подключен к входу выпрямителя первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное, отличающийся тем, что в него введены внешняя система дистанционного контроля и управления, резервная сеть переменного тока 3~50 Гц, 380 В, первый, второй и третий фильтр радиопомех, первый, второй и третий коммутатор, блок вентиляторов, схема управления вентиляторами, первый и второй датчик температуры воздуха, первая, вторая и третья группа потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В, первый, второй, третий и четвертый блок питания, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой датчики напряжения, первый, второй и третий пульт управления и индикации, первый трансформатор, блок развязывающих диодов, первый микроконтроллер, первый, второй и третий блок драйверов силовых ключей, фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений, силовой транзисторный IGBT-ключ, схема логического «И», компаратор, первый и второй фильтр, первый и второй датчики тока, развязывающий диод; фильтр, датчик тока, блок питания, первый и второй датчики напряжения, блок драйверов силовых ключей и пульт управления и индикации первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, первая и вторая шина информационного обмена, второй, третий и четвертый модуль преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, имеющий состав, внутреннее соединение элементов и внешние входы-выходы, идентичные первому модулю преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, инвертор, фильтр, датчик тока, блок питания, первый и второй датчики напряжения, блок драйверов силовых ключей, микроконтроллер и пульт управления и индикации первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, группа потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В, второй модуль преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, имеющий состав, внутреннее соединение элементов и внешние входы-выходы, идентичные первому модулю преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение; первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый входы-выходы внешней системы дистанционного контроля и управления соединены соответственно со вторым входом-выходом первого микроконтроллера, с первым входом-выходом второго микроконтроллера, с первым входом-выходом третьего микроконтроллера, со вторым входом-выходом микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, одновременно являющимся вторым входом-выходом первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, со вторым входом-выходом второго, третьего и четвертого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, со вторым входом-выходом микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, одновременно являющимся вторым входом-выходом первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, со вторым входом-выходом второго модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение; выход основной сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В через последовательно соединенные первый фильтр радиопомех, первый коммутатор, первый выпрямитель, фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений, силовой транзисторный IGBT-ключ и третий фильтр радиопомех подключен к входу первого инвертора, выход первого коммутатора подключен к входу первого трансформатора первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к выходам первой, второй и третьей группе потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В, первый вход схемы управления вентиляторами подключен к первому выходу первого трансформатора, выход первого датчика температуры воздуха через схему управления вентиляторами соединен с блоком вентиляторов; резервная сеть переменного тока 3~50 Гц, 380 В через последовательно соединенные второй фильтр радиопомех и второй коммутатор подключена к входу первого выпрямителя, выход первого фильтра радиопомех подключен к входу первого блока питания и входу первого датчика напряжения, выход второго фильтра радиопомех подключен к входу второго блока питания и входу второго датчика напряжения, выход первого блока питания подключен к первому входу блока развязывающих диодов, выход второго блока питания подключен ко второму входу блока развязывающих диодов, выход блока развязывающих диодов подключен к входу питания первого микроконтроллера и ко второму входу компаратора, первый, второй и третий выходы первого микроконтроллера соединены соответственно с управляющим входом первого коммутатора, с управляющим входом второго коммутатора, с входом первого блока драйверов силовых ключей, четвертый выход первого микроконтроллера соединен с четвертым входом второго микроконтроллера, с четвертым входом третьего микроконтроллера, с четвертым входом микроконтроллера, одновременно являющимся управляемым входом первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, с управляемым входом второго, третьего и четвертого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, с четвертым входом микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, одновременно являющимся управляемым входом первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, с управляемым входом второго модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, первый, второй и третий входы первого микроконтроллера соединены соответственно с первым, вторым и третьим датчиком напряжения, первый вход-выход первого микроконтроллера соединен с первым пультом управления и индикации, выход третьего фильтра радиопомех соединен с входом третьего датчика напряжения и первым входом компаратора, первый и второй входы схемы логического «И» соединены соответственно с выходом первого блока драйверов силовых ключей и с выходом компаратора, выход схемы логического «И» подключен к управляющему входу силового транзисторного IGBT-ключа, выход первого инвертора через последовательно соединенные первый фильтр и первый датчик тока подключен к входу аккумуляторной батареи, выход аккумуляторной батареи через пятый датчик напряжения соединен с третьим входом второго микроконтроллера и через последовательно соединенные третий коммутатор и развязывающий диод подключен к выходу третьего фильтра радиопомех, выход третьего фильтра радиопомех соединен с входом третьего блока питания и входом четвертого датчика напряжения, с входом четвертого блока питания и входом шестого датчика напряжения, с входом блока питания и входом первого датчика напряжения первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, которые одновременно являются силовым входом первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, с силовым входом второго, третьего и четвертого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, с входом инвертора, входом блока питания и входом первого датчика напряжения первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, которые одновременно являются силовым входом первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, с силовым входом второго модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, выход третьего блока питания подключен к входу питания второго микроконтроллера, первый выход второго микроконтроллера через второй блок драйверов силовых ключей соединен с управляющим входом первого инвертора, второй выход второго микроконтроллера соединен с управляющим входом третьего коммутатора, второй вход-выход второго микроконтроллера соединен со вторым пультом контроля и управления, первый, второй и пятый входы второго микроконтроллера соединены соответственно с выходом четвертого датчика напряжения, с информационным выходом первого датчика тока и с выходом второго датчика температуры воздуха, выход второго выпрямителем через последовательно соединенные второй фильтр и второй датчик тока подключен к группе потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока=28,5 В, выход четвертого блока питания подключен к входу питания третьего микроконтроллера, выход третьего микроконтроллера через третий блок драйверов силовых ключей соединен с управляющим входом второго инвертора, второй вход-выход третьего микроконтроллера соединен с третьим пультом контроля и управления, первый и второй входы третьего микроконтроллера соединены соответственно с выходом шестого датчика напряжения и с информационным выходом второго датчика тока, выход второго датчика тока через седьмой датчик напряжения соединен с третьим входом микроконтроллера, выход выпрямителя первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение через последовательно соединенные третий фильтр первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение и третий датчик тока первого модуля постоянного напряжения в постоянное напряжение подключен к группе потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока =28,5 В, выход третьего датчика тока одновременно является силовым выходом первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное, силовые выходы первого, второго, третьего и четвертого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение объединены между собой, выход блока питания первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение подключен к входу питания микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, выход микроконтроллера модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение через блок драйверов силовых ключей первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение соединен с управляющим входом инвертора первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, третий вход-выход микроконтроллера модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение соединен с пультом контроля и управления первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, первый и второй входы микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение соединены соответственно с выходом первого датчика напряжения первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение и с информационным выходом третьего датчика тока первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, выход третьего датчика тока первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение через второй датчик напряжения первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение с третьим входом микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, первый вход-выход микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, одновременно являющийся первым входом-выходом первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, первый вход-выход второго, третьего и четвертого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение соединены соответственно с первой шиной информационного обмена, выход инвертора первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение через последовательно соединенные фильтр и датчик тока подключен к группе потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В, причем выход датчика тока первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение одновременно является силовым выходом первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, силовые выходы первого и второго модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение объединены между собой, выход датчика тока первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение соединен с входом второго датчика напряжения первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, выход блока питания первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение подключен к входу питания микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, выход микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение через блок драйверов силовых ключей первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение соединен с управляющим входом инвертора первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, третий вход-выход микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение соединен с пультом контроля и управления первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, первый, второй и третий входы микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение соединены соответственно с выходом первого датчика напряжения первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, с информационным выходом датчика тока первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, со вторым датчиком напряжения первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, первый вход-выход микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, одновременно являющийся первым входом-выходом первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, первый вход-выход второго модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение соединены соответственно со второй шиной информационного обмена.
Многоканальный агрегат бесперебойного питания модульной конструкции по прототипу обладает рядом недостатков и, в частности, в нем не предусмотрены:
- защита от токов перегрузки и токов коротких замыканий выпрямителя и фильтра первого каскада преобразования;
- управление инвертором второго каскада преобразования с ограничением его входного тока по максимально допустимому значению;
- быстродействующая аппаратная защита от превышения допустимого значения тока в открытых транзисторах инвертора.
Кроме этого, данный агрегат характеризуется весьма высокой сложностью исполнения, и, в частности, наличием в его составе нескольких взаимодействующих в реальном масштабе времени микроконтроллеров и аккумуляторной батареи, предъявляющих повышенные требования, как к квалификации обслуживающего персонала, так и к условиям эксплуатации.
Основным же недостатком агрегата по прототипу является то, что в нем не предусмотрены какие-либо меры по обеспечению возможности его функционирования в широком диапазоне температур окружающей среды. Так как при низких температурах, характеристики большинства электронных компонентов значительно изменяются, в момент запуска в работу агрегата вполне вероятно возникновение недопустимых режимов как непосредственно для компонентов агрегата, так и для потребителей, получающих от него электропитание. То есть, в рассматриваем агрегате не реализована весьма актуальная задача функционирования в широком диапазоне температур окружающей среды, включая минусовые, для обеспечения бесперебойного высокостабильного электропитания аппаратуры специального назначения (аэрокосмического, морского, военного назначения и т.д.).
Авторы предлагаемого изобретения предполагают возможным, содержащиеся в прототипе «фильтры радиопомех» и «фильтры импульсно-коммутационных перенапряжений» считать и называть просто «фильтрами», а «датчик температуры воздуха» называть просто «датчиком температуры».
Целью изобретения является повышение стабильности выходного напряжения постоянного тока и надежности функционирования предлагаемого интеллектуального преобразователя напряжения при эксплуатации в широком диапазоне температур окружающей среды, включая минусовые.
Поставленная цель достигается тем, что в интеллектуальный преобразователь напряжения, содержащий основную и резервную сеть переменного тока 3~50 Гц, 380 В, первый, второй и третий коммутатор, первый, второй и третий фильтр, первый и второй выпрямитель, первый и второй датчик тока, инвертор, трансформатор, группу потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока, блок питания, блок драйверов силовых ключей, датчик температуры, датчик напряжения, микроконтроллер, пульт управления и индикации, блок вентиляторов и внешнюю систему дистанционного контроля и управления; выход инвертора через последовательно соединенные трансформатор, второй выпрямитель, третий фильтр и второй датчик тока подключен к входу группы потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока и к входу датчика напряжения; первый выход блока драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу инвертора; первый выход микроконтроллера подключен к управляющему входу третьего коммутатора, четвертый выход - к управляющему входу первого коммутатора, первый вход-выход - к входу-выходу пульта управления и индикации, второй вход-выход - к входу-выходу внешней системы дистанционного контроля и управления, введен ограничитель пускового тока; выход основной сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В через последовательно соединенные первый коммутатор, первый фильтр, ограничитель пускового тока, первый выпрямитель и первый датчик тока подключен к входу инвертора; к первому входу блока питания подключен выход основной сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В; второй коммутатор своим входом и своим выходом подключен параллельно соответственно к входу и выходу ограничителя пускового тока; информационный выход инвертора подключен к первому входу блока драйверов силовых ключей; выход резервной сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В через третий коммутатор подключен ко второму входу первого фильтра; ко второму входу блока питания подключен выход резервной сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В; к первому входу микроконтроллера подключен третий выход блока питания, ко второму входу - второй выход блока питания, к третьему входу - информационный выход первого датчика тока, к четвертому входу - второй выход блока драйверов силовых ключей, к пятому входу - выход датчика температуры, к шестому входу - информационный выход второго датчика тока, к седьмому - выход датчика напряжения; второй выход микроконтроллера подключен к управляющему входу второго коммутатора, третий выход - ко второму входу блока драйверов силовых ключей, пятый выход - к входу блока вентиляторов; первый выход блока питания подключен к входам «Питание» первого, второго и третьего коммутатора, микроконтроллера, пульта управления и индикации, блока вентиляторов, первого и второго датчика тока и датчика напряжения; при этом, микроконтроллер выполнен с возможностью контроля значения напряжения первой и второй сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В, контроля значения тока на входе инвертора, контроля срабатывания защиты в блоке драйверов силовых ключей по превышению тока в открытых транзисторах инвертора, контроля значения напряжения и тока потребления группой потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока, а также с возможностью управления первым, вторым и третьим коммутатором, управления блоком драйверов силовых ключей.
Кроме этого, связь между микроконтроллером и внешней системой дистанционного контроля и управления выполнена по интерфейсу RS-422.
Сущность изобретения состоит в том, что при эксплуатации в широком диапазоне температуры окружающей среды, включая минусовые, в предлагаемом преобразователе использованы ограничитель пускового тока и блок драйверов силовых ключей, содержащий схему быстродействующей аппаратной защиты от превышения допустимого значения тока в открытых транзисторах инвертора, а также высокопроизводительный микроконтроллер с широкими функциональными возможностями, в комплексе обеспечивающие повышение надежности электропитания высокостабильным напряжением постоянного тока ответственных потребителей.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой представлена функционально-структурная схема интеллектуального преобразователя напряжения.
Согласно фиг.1 преобразователь включает основную 1 и резервную 19 сеть переменного тока 3~50 Гц, 380 В, первый 2, второй 15 и третий 20 коммутатор, первый 3, второй 6 и третий 11 фильтр, ограничитель пускового тока 4, первый 5 и второй 10 выпрямитель, первый 7 и второй 12 датчик тока, инвертор 8, трансформатор 9, группу потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока 13, блок питания 14, блок драйверов силовых ключей 16, датчик температуры 17, датчик напряжения 18, микроконтроллер 21, пульт управления и индикации 22, блок вентиляторов 23 и внешнюю систему дистанционного контроля и управления 24.
Выход инвертора 8 через последовательно соединенные трансформатор 9, второй выпрямитель 10, третий фильтр 11 и второй датчик тока 12 подключен к входу группы потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока 13 и к входу датчика напряжения 18.
Первый выход блока драйверов силовых ключей 16 подключен к управляющему входу инвертора 8.
Первый выход микроконтроллера 21 подключен к управляющему входу третьего коммутатора 20, четвертый выход - к управляющему входу первого коммутатора 2, первый вход-выход - к входу-выходу пульта управления и индикации 22, второй вход-выход - к входу-выходу внешней системы дистанционного контроля и управления 24.
Выход основной сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В 1 через последовательно соединенные первый коммутатор 2, первый фильтр 3, ограничитель пускового тока 4, первый выпрямитель 5 и первый датчик тока 7 подключен к входу инвертора 8.
К первому входу блока питания 14 подключен выход основной сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В 1.
Второй коммутатор 15 своим входом и своим выходом подключен параллельно соответственно к входу и выходу ограничителя пускового тока 4.
Информационный выход инвертора 8 подключен к первому входу блока драйверов силовых ключей 16.
Выход резервной сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В 19 через третий коммутатор 20 подключен ко второму входу первого фильтра 3.
Ко второму входу блока питания 14 подключен выход резервной сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В 19.
К первому входу микроконтроллера 21 подключен третий выход блока питания 14, ко второму входу - второй выход блока питания 14, к третьему входу - информационный выход первого датчика тока 7, к четвертому входу - второй выход блока драйверов силовых ключей 16, к пятому входу - выход датчика температуры 17, к шестому входу информационный выход второго датчика тока 12, к седьмому - выход датчика напряжения 18.
Второй выход микроконтроллера 21 подключен к управляющему входу второго коммутатора 15, третий выход - ко второму входу блока драйверов силовых ключей 16, пятый выход - к входу блока вентиляторов 23.
Первый выход блока питания 14 подключен к входам «Питание» первого 2, второго 15 и третьего 20 коммутатора, микроконтроллера 21, пульта управления и индикации 22, блока вентиляторов 23, первого 7 и второго 12 датчика тока и датчика напряжения 18.
При этом, микроконтроллер 21 выполнен с возможностью контроля значения напряжения первой 1 и второй 19 сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В, контроля значения тока на входе инвертора 8, контроля срабатывания защиты в блоке драйверов силовых ключей 16 по превышению тока в открытых транзисторах инвертора 8, контроля значения напряжения и тока потребления группой потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока 13, а также с возможностью управления первым 2, вторым 15 и третьим 20 коммутатором, управления блоком драйверов силовых ключей 16.
Кроме этого, связь между микроконтроллером 21 и внешней системой дистанционного контроля и управления 24 выполнена по интерфейсу RS-422.
Основная 1 и резервная 19 сеть переменного тока 3~50 Гц, 380 В представляют собой сети, для которых характерно изменение в широком диапазоне значений напряжения (от 285 до 430 В) и частоты (от 46,6 до 56,5 Гц) и наличие микросекундных импульсных помех с амплитудой до 600 В.
Первый 2, второй 15 и третий 20 коммутаторы реализованы на контакторах типа «КНЕ».
Первый фильтр 3 предназначен для эффективного подавления кондуктивных несимметричных помех в диапазоне от 1 до 30 МГц, поступающих из основной 1 и резервной 19 сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В, а также препятствует проникновению в эти сети импульсных и ВЧ-помех, возникающих при переключениях силовых полупроводниковых приборов (ключей) инвертора 8.
В качестве ограничителя пускового тока 4 используется набор резисторов типа «С5-35В».
Первый выпрямитель 5 представляет собой мостовую схему, набранную из 6 диодов.
Второй 6 и третий 11 фильтр, предназначенные для сглаживания выпрямленного напряжения с требуемыми параметрами качества, состоят из Г-образных индуктивно-емкостных звеньев.
Первый 7 и второй 12 датчик тока, датчик напряжения 18 представляют собой компенсационные датчики, основанные на эффекте Холла, и обладающие высокой точностью, помехоустойчивостью, перегрузочной способностью и гальванической развязкой.
Инвертор 8 состоит из двух модулей, содержащих по два ключа. Инвертор 8 осуществляет преобразование постоянного напряжения, поступающего с выхода второго фильтра 6 через первый датчик тока 7 в широтно-импульсное напряжение по сигналам управления от микроконтроллера 21.
Трансформатор 9 предназначен для гальванической развязки входных и выходных цепей преобразователя.
В качестве второго выпрямителя 10 использован мощный диод.
Группа потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока 13 представляет собой группу ответственных потребителей напряжения =27 В (например, радиоэлектронная аппаратура), предъявляющих высокие требования к бесперебойности и качеству напряжения электропитания (=27±0,27 В).
Блок питания 14 обеспечивает:
- малое время выхода на режим при подключении преобразователя к питающей
сети;
- стабилизацию и фильтрацию напряжений, необходимых для электропитания составных частей преобразователя, при изменении напряжения питающей сети не только в допустимых пределах, но и с некоторым запасом, что необходимо для нормальной работы как в установившихся режимах, так и в различных переходных и аварийных режимах;
- поддержание этих напряжений в заданных пределах в течение некоторого времени после отключения преобразователя от питающей сети или при пропадании сетевого напряжения, а также нормальное протекание переходных процессов при включении преобразователя;
- формирование сигналов, пропорциональных напряжению в основной 1 и резервной 19 сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В для информирования микроконтроллера 21 о качестве напряжения электропитания преобразователя.
Блок драйверов силовых ключей 16 предназначен для гальванической развязки, усиления и преобразования импульсов управления ключами инвертора 8 от микроконтроллера 21. Кроме этого, блок драйверов силовых ключей 16 обеспечивает быстродействующую аппаратную защиту ключей инвертора 8 от превышения тока в открытом транзисторе ключа с последующей выдачей контрольной информации о срабатывании этой защиты в микроконтроллер 21.
Датчик температуры 17 представляет собой терморезистор, установленный на радиаторе системы охлаждения преобразователя.
Микроконтроллер 21 реализован на базе высокопроизводительного цифрового сигнального процессора типа «TMS320F2810» фирмы «Texas Instruments)), оснащенного энергонезависимой и оперативной памятью, аналого-цифровым преобразователем, каналами ввода-вывода дискретных сигналов. Кроме этого, в составе микроконтроллера 21 имеются комплект схем оптронной развязки и блок формирования сигналов интерфейса RS-422. В энергонезависимой памяти микроконтроллера 21 записана программа, обеспечивающая управление преобразователем.
Пульт управления и индикации 22 представляет собой панель, на которой скомпонованы органы управления (кнопки и тумблеры) и средства отображения информации (знакосинтезирующий индикатор и светодиоды).
Блок вентиляторов 23 предназначен для охлаждения радиатора, на котором скомпонованы силовые элементы преобразователя (диоды первого 5 и второго 10 выпрямителей, ключи инвертора 8).
В качестве внешней системы дистанционного контроля и управления 24 используется компьютер, имеющий адаптер интерфейса RS-422.
Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.
Интеллектуальный преобразователь напряжения состоит из одного канала преобразования, получающего электропитание от основной 1 и резервной 19 сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В, с системой управления на базе микроконтроллера 21.
Для запуска в работу преобразователя необходимо подать электропитание от сети переменного тока 3-50 Гц, 380 В. Блок питания 14, получив электропитание от основной 1 и/или резервной 19 сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В, вырабатывает набор напряжений, необходимых для электропитания составных частей преобразователя (первый 2, второй 15 и третий 20 коммутатор, микроконтроллер 21, пульт управления и индикации 22, блок вентиляторов 23, первый 7 и второй 12 датчик тока и датчик напряжения 18) и формирует, сигналы, пропорциональные напряжению в основной 1 и/или резервной 19 сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В.
После поступления электропитания, микроконтроллер 21 загружает из энергонезависимой в оперативную память программу управления преобразователем и далее (в соответствии с алгоритмом функционирования, реализованным в этой программе) с помощью аналого-цифрового преобразователя анализирует сигналы, сформированные для него блоком питания 14. При нахождении параметров основной сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В 1 в допустимых интервалах значений (напряжение от 285 до 430 В и частота от 46,6 до 56,5 Гц) микроконтроллер 21 выдает команду на включение первого коммутатора 2. При этом, энергия, поступающая от сети переменного тока в момент запуска в работу преобразователя, расходуется, в основном, на заряд (по цепи: первый коммутатор 2 - первый фильтр 3 - первый выпрямитель 5) конденсаторов индуктивно-емкостных звеньев второго фильтра 6. В общем случае, при запуске в работу преобразователя в условиях низкой температуры окружающей среды (например, при минус 40°С) конденсаторы индуктивно-емкостных звеньев второго фильтра 6 имеют пониженное значение емкости, что может привести к недопустимому для составных частей преобразователя (первый коммутатор 2 - первый фильтр 3 - первый выпрямитель 5 - второй фильтр 6) значению пускового тока. Для уменьшения пускового тока до допустимого значения во всем диапазоне температуры окружающей среды, в преобразователе использован ограничитель пускового тока 4, установленный в разрыв между первым фильтром 3 и первым выпрямителем 5.
Далее микроконтроллер 21 начинает проверку правильности функционирования инвертора 8 путем формирования и подачи через блок драйверов силовых ключей 16 эталонного пакета импульсов управления. При этом, напряжение постоянного тока с выхода второго фильтра 6 через датчик тока 7 поступает на инвертор 8, который преобразует (модулирует) входное выпрямленное напряжение питания сети переменного тока в серию последовательных импульсов определенной длительности и частоты, проходящих через трансформатор 9 и преобразуемых вторым выпрямителем 2 и третьим фильтром 11 опять в напряжение постоянного тока требуемого уровня. После этого, микроконтроллер 21 с помощью аналого-цифрового преобразователя опрашивает датчик напряжения 18 и выполняет сравнение результатов отработки инвертором 8 эталонного пакета импульсов управления. В случае положительного результата проверки, микроконтроллером 21 формируются импульсы управления с изменением коэффициента модуляции от 0 до значения, соответствующего номинальному значению выходного напряжения преобразователя (=27 В), которое поступает на группу потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока 13.
При работе преобразователя в условиях пониженной температуры из-за уменьшения значения емкости индуктивно-емкостных звеньев второго фильтра 6 (помимо увеличения значения пускового тока преобразователя) происходит повышение уровня пульсаций тока на его выходе. В частности, при экспериментальных исследования опытного образца преобразователя на выходе второго фильтра 6 зафиксировано наличие наибольшего уровня пульсаций тока с частотой 300 Гц (6-ти кратной 50 Гц), которые по последующему каналу преобразования (инвертор 8, трансформатор 9, второй выпрямитель 10, третий фильтр 11 и второй датчик тока 12) «проникают» на выход преобразователя. Для кардинального снижения уровня пульсаций, в преобразователе применены конденсаторы с минимальной рабочей температурой минус 55°С (например, конденсаторы типа «MLP» фирмы «Cornell Dubilier» или конденсаторы типа «KLM» фирмы «Nippon Chemicon»). Кроме этого, для «подавления» остаточных пульсаций тока при работе преобразователя в условиях пониженной температуры (и, как следствие, для улучшения качества выходного напряжения преобразователя), в микроконтроллере 21 реализован специальный алгоритм управления инвертором 8, заключающийся в использовании частот, кратных 50 Гц при опросе аналого-цифровым преобразователем датчиков (первый 7 и второй 12 датчик тока и датчик напряжения 18) и жесткой синхронизации частот аналого-цифрового преобразователя с частотой широтно-импульсной модуляции сигналов управления ключами инвертора 8.
При наборе тока нагрузки группой потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока 13, стабилизация выходного напряжения, а также защита от токов перегрузки и токов коротких замыканий преобразователя осуществляется микроконтроллером 21 с помощью второго датчика тока 12 и датчика напряжения 18 путем соответствующего изменении коэффициента модуляции сигналов управления.
После набора нагрузки и прогрева составных частей преобразователя (в том числе, и второго фильтра 6), контролируемого микроконтроллером 21 с помощью датчика температуры 17, подается команда на включение второго коммутатора 15, выполняющего шунтирование ограничителя пускового тока 4, в результате которого преобразователь получает возможность для дополнительного наращивания нагрузки сверх номинальной.
В процессе работы, защита от токов перегрузки и токов коротких замыканий первого выпрямителя 5 и первого фильтра 6 первого каскада преобразования напряжения и одновременно ограничение входного тока инвертора 8 осуществляется микроконтроллером 21 с помощью первого датчика тока 7. Помимо этого, в преобразователе реализована быстродействующая аппаратная защита от превышения допустимого значения тока в открытых транзисторах инвертора 8 с помощью схем, встроенных в блок драйверов силовых ключей 16, причем, информация о срабатывании данной защиты незамедлительно поступает в микроконтроллер 21, что в итоге обеспечивает значительное повышение надежности функционирования инвертора 8 и преобразователя в целом.
В процессе работы, микроконтроллером 21 с помощью датчика температуры 17 осуществляется непрерывный мониторинг теплового режима преобразователя и, при необходимости, выдается команда на включение (выключение) блока вентиляторов 23.
При работе преобразователя, на средства отображения информации пульта управления и индикации 22 поступает разнообразная контрольная информация, например, сигналы «СЕТЬ 1», «ПЕРЕГРУЗКА», «ПЕРЕГРЕВ» и т.д., которые позволяют обслуживающему персоналу с помощью органов управления пульта управления и индикации 22 своевременно предпринять необходимые меры.
Кроме этого, обеспечивается возможность с большого расстояния по интерфейсу RS-422 (схема соединения «точка-точка») осуществлять контроль и управление функционированием преобразователем от внешней системы дистанционного контроля и управления 24.
При выходе из строя основной сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В 1 и при нормальных параметрах резервной сети 19, микроконтроллер 21 выдает команды на отключение первого коммутатора 2 и включение третьего коммутатора 20, при этом, блок питания 14, сохраняя непрерывность электропитания составных частей преобразователя (первый 2, второй 15 и третий 20 коммутатор, микроконтроллер 21, пульт управления и индикации 22, блок вентиляторов 23, первый 7 и второй 12 датчик тока и датчик напряжения 18), обеспечивает бесперебойность электропитания группы потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока 13. После восстановления нормальных параметров в основной сети 1, микроконтроллер 21, отключившись от резервной сети 19, переводит преобразователь на электропитание снова от основной сети 1.
К техническим результатам, полученным в предлагаемом изобретении, относятся следующие функциональные возможности интеллектуального преобразователя напряжения:
- эксплуатация в широком диапазоне температуры окружающей среды, включая минусовые;
- местное управление от пульта управления и индикации преобразователя;
- организация информационного взаимодействия между преобразователем и внешней системой дистанционного контроля и управления на базе интерфейса RS-422;
- первичное электропитание одновременно от двух сетей 3~50 Гц, 380 В;
- контроль параметров сетей электропитания;
- переключение с одной питающей сети на другую и обратно;
- гальваническая развязка входных и выходных цепей преобразователя;
- защита от токов перегрузки и токов коротких замыканий выпрямителя и фильтра первого каскада преобразования напряжения;
- быстродействующая аппаратная защита от превышения допустимого значения тока в открытых ключах инвертора (основной составной части преобразователя);
- защита второго каскада преобразования напряжения от токов перегрузки и токов коротких замыканий на выходе преобразователя;
- обеспечение оптимального теплового режима работы и защита от перегрева компонентов преобразователя;
- высокая стабильность выходного напряжения =27 В постоянного тока на нагрузке преобразователя (у группы ответственных потребителей);
- повышение в итоге надежности электроснабжения от преобразователя потребителей напряжением =27 В постоянного тока.
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый интеллектуальный преобразователь напряжения может быть изготовлен в соответствии с приведенной схемой и описанием на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования.
Предлагаемые технические решения в полном объеме практически реализованы ООО «Источник» в «Статическом преобразователе СПП-4-27-В» (поставляется по ЛРЕИ. 436337.046 ТУ), обеспечивающем повышение надежности электроснабжения ответственных потребителей напряжением =27 В постоянного тока при электропитании от двух сетей 3-50 Гц, 380 В.
Таким образом, при эксплуатации в широком диапазоне температуры окружающей среды (от минус 40 до ±55°С) на базе предлагаемого преобразователя напряжения, получающего первичное электропитание от сетей 3-50 Гц, 380 В с достаточно низким качеством электроснабжения (с изменяющимися в широком диапазоне значениями напряжения от 285 до 430 В и частоты от 46,6 до 56,5 Гц и при наличии микросекундных импульсных помех с амплитудой до 600 В) обеспечивается повышение надежности систем вторичного электропитания ответственных потребителей (подвижных и стационарных, промышленного и военного назначения).
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый интеллектуальный преобразователь напряжения отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и «Промышленная применимость» и может быть защищен патентом Российской Федерации на изобретение.