Многоканальный контроллер нагрузки

Заявляемый в качестве полезной модели многоканальный контроллер нагрузки (МКН) относится к электронной коммутационной технике и может быть использован для коммутации силовых энергетических цепей постоянного и переменного тока защиты нагрузок от перегрузок и коротких замыканий для использования в летательных аппаратах, автомобилях, железнодорожном транспорте, морском транспорте, электротранспорте и прочих системах, где требуется коммутация нагрузки.
Наиболее близким к заявляемому устройству является твердотельный коммутатор и контроллер нагрузки (патент РФ 2596620), который содержит модуль преобразователя напряжения, вход которого соединен с внешней питающей сетью, а выход соединен с силовыми входами n модулей управления и силовым входом модуля связи и резервного управления, n модулей управления, силовой выход каждого из которых соединен с силовым входом трансформаторной развязки, управляющий выход соединен через модуль связи и резервного управления с трансформаторной развязкой модуля драйвера твердотельного коммутатора, первый информационный вход/выход соединен с внешней информационной сетью и вторым информационным входом/выходом модуля связи и резервного управления, второй информационный вход/выход соединен с третьим информационным входом/выходом модуля связи и резервного управления, а информационный вход модуля управления соединен с информационным выходом твердотельного коммутатора с бесконтактным датчиком тока, модуль драйвера твердотельного коммутатора, имеющий трансформаторную гальваническую развязку, управляющий выход которой соединен с управляющим входом схемы ускорения выключения твердотельного коммутатора, и схему ускорения выключения твердотельного коммутатора, управляющий выход которой соединен с управляющим входом модуля твердотельного коммутатора с бесконтактным датчиком тока, n твердотельных коммутаторов с бесконтактным датчиком тока, первый и второй силовые входы/выходы каждого из которых выполнены с возможностью подключения к управляемой нагрузке и управляющему нагрузкой напряжению, модуль связи и резервного управления, первый информационный вход/выход которого подключен к внешней информационной сети.
Недостатком прототипа является низкая надежность.
Объясняется это тем, что в каналах коммутации имеется только один датчик тока и по информации, поступающей от него, невозможно определить работоспособность канала электронного силового ключа и подключенной к нему нагрузки, так как при включении электронного силового ключа и отсутствия информации от датчика тока, возможно несколько причин отказа:
- отказ датчика тока;
- отсутствие силового напряжения на входе электронного силового ключа;
- обрыв связи между выходом датчика тока и нагрузкой;
- перегрев электронного силового ключа;
- отказ схемы управления.
Поэтому, для осуществления диагностики и определения типа и места неисправности, необходимо введение в каждый канал коммутации дополнительных датчиков и схем, которые позволят надежно определить тип отказа, а также защитить электронный силовой ключ от перегрева и перенапряжения его выхода со стороны нагрузки, быстро определить причину перегрузки по току при коммутации электронного силового ключа (короткое замыкание или большая емкостная нагрузка).
Задачей полезной модели является увеличение надежности работы многоканального контроллера нагрузки.
Техническим результатом является увеличение быстродействия срабатывания защиты силовых ключей при возникновении перегрузок и короткого замыкания.
Достигается это за счет того, что многоканальный контроллер нагрузки содержит модуль преобразователя напряжения, модуль управления, твердотельный коммутатор с датчиком тока, модуль связи и резервного управления, схему выключения коммутатора.
Также содержит датчик напряжения на входе ключа, подключенный ко входу электронного силового ключа, выход которого подключен ко входу датчика тока, выход которого подключен ко входу датчика напряжения на выходе ключа, и к выходу схемы контроля подключения нагрузки к ключу, и ко входу схемы аппаратной защиты от перенапряжения. Второй выход датчика тока подключен ко входу схемы управления и аппаратной защиты и ко входам микропроцессоров основного и дублирующего, а выходы датчиков напряжения на входе и выходе ключа, а также вход/ выход схемы контроля подключения нагрузки к ключу подключены к входам микропроцессоров основного и дублирующего.
На фиг. 1 приведена блок-схема модуля многоканального контроллера нагрузки.
На фиг. 2 приведена блок- схема контроля подключения нагрузки к ключу (без его включения) и контроля отсутствия КЗ цепи нагрузок.
На фиг. 3 приведена блок-схема аппаратной защиты от перенапряжения.
На фиг. 4 приведена блок-схема управления и аппаратной защиты.
Где:
1- электронный силовой ключ;
2 - датчик тока;
3 - схема переключения напряжений 5В1 и 5В2;
4 - датчик напряжения на входе ключа;
5 - датчика температуры электронного силового ключа;
6 - схема управления и аппаратной защиты от КЗ и перегрева электронного силового ключа;
7 - датчик напряжения на выходе ключа;
8 - схема контроля подключения нагрузки к ключу (без его включения);
9 - схема аппаратной защиты от перенапряжения;
10 - микропроцессор основной МП-1;
11 - микропроцессор дублирующий МП-2;
12 - элементы 1,2,3,4,5,6,7,8,9 для n-каналов;
13 - гальванически развязанный источник питания +5В;
14 - датчик тока;
15 - ключ для коммутации тестирующего напряжения;
16 - резистор;
17 - диод;
18 - варистор;
19 - газоразрядник;
20 - схема логического ИЛИ включения электронного силового ключа;
21 - схема логического ИЛИ выключения электронного силового ключа;
22 - триггер управления электронного силового ключа;
23 - преобразователь напряжения 5В в 15В;
24 - драйвер электронного силового ключа;
25 - компаратор защиты по току;
26 - уставка уровня защиты по току;
27 - компаратор защиты по температуре электронного силового ключа.
Многоканальный контроллер нагрузки работает следующим образом.
Управление и контроль над работой каналов в модуле многоканального контроллера нагрузки осуществляют микропроцессоры основной МП-1 (10) и дублирующий МП-2 (11) по соответствующим программам.
При подаче питающего напряжения на модуль, микропроцессоры основной МП-1(10) и дублирующий МП-2(11) начинают выполнять тестовую программу контроля аппаратуры всех каналов модуля. По окончанию работы программы контроля микропроцессоры основной МП-1 (10) и дублирующий МП-2(11) передают на управляющее устройство его результаты через интерфейсы CAN-1 и CAN-2.
При возникновении ошибок при выполнении тестовой программы дальнейшая работа модуля блокируется.
При поступлении по интерфейсам CAN-1 и/или CAN-2 команд управления электронными ключами всех каналов, микропроцессоры основной МП-1(10) и дублирующий МП-2(11) реализуют алгоритм включения/выключения каждого канала и контроля параметров по току и температуре, в зависимости от типа нагрузок (резистивной, индуктивной или емкостной), подключенных к выходам электронных силовых ключей (1).
При возникновении аварийных перегрузок по току или температуре электронных силовых ключей (1), в каждом канале выполнение защитных функций троируется: программно - микропроцессором основным МП-1(10), микропроцессором дублирующим МП-2(11) и схемой управления и аппаратной защиты от короткого замыкания и перегрева электронного силового ключа (6).
Схема управления и аппаратной защиты от короткого замыкания и перегрева электронного силового ключа (6) функционирует следующим образом.
При поступлении команды от микропроцессора основного МП1 (10) или микропроцессора дублирующего МП2 (11) на включение электронного силового ключа (1), схема логического ИЛИ включения электронного силового ключа (20) формирует сигнал на установку триггера управления электронного силового ключа (22) в единичное состояние.
С выхода триггера управления электронного силового ключа (22) сигнал управления поступает на микропроцессор основной МП1 (10) и микропроцессор дублирующий МП2(11) (для контроля его состояния), а также на вход драйвера электронного силового ключа (24) с выхода которого сигнал уровнем +15 В поступает на управление электронного силового ключа (1).
Получение напряжения 15 В осуществляется в преобразователе напряжения 5 В в 15 В (23).
При поступлении команды на выключение электронного силового ключа (1) от микропроцессора основного МП1 (10) или микропроцессора дублирующего МП2(11), а также сигнала от компаратора защиты по току (25) или компаратора защиты по температуре электронного силового ключа (27), схема логического ИЛИ выключения электронного силового ключа (21) формирует команду на установку триггера управления электронного силового ключа (22) в нулевое состояние, что приводит к выключению электронного силового ключа (1).
Порог срабатывания защиты по току определяется схемой установки уровня защиты по току (26), а порог срабатывания компаратора защиты по температуре электронного силового ключа (27) задается аппаратно.
При аварийном срабатывании схемы управления и аппаратной защиты от короткого замыкания и перегрева (6) электронного силового ключа (1), дальнейшая работа канала блокируется и информация об этом из модуля распределения электропитания передается через интерфейсы CAN-1 CAN-2 на управляющее устройство.
Электропитание схемы управления и аппаратной защиты от короткого замыкания и перегрева электронного силового ключа (6) осуществляется от двух источников напряжения через схему переключения напряжений 5В1 и 5В2 (3).
В модуле многоканального контроллера нагрузки информация о срабатывании защиты и блокировки работы каналов записывается в энергонезависимую память, входящую в состав микропроцессора основного МП-1 (10) и микропроцессора дублирующего МП-2 (11). Разблокировка заблокированных каналов осуществляется только программно через интерфейсы CAN-1 или CAN-2.
В случае включения/выключения электронного силового ключа (1) при коммутации напряжения переменного тока осуществляется микропроцессором основным МП-1(10) и/или микропроцессором дублирующим МП-2 (11) по данным, поступающим от датчика напряжения на выходе ключа(7) в момент перехода фазы через ноль.
Еще одну функцию выполняет схема контроля подключения нагрузки к ключу (без его включения) (8) - контроль целостности цепи подключения нагрузки к выходу электронного силового ключа(1) и датчика тока (2).
Схема контроля подключения нагрузки к ключу (без его включения) (8) работает следующим образом:
До включения электронного силового ключа (1) микропроцессор основной МП-1 и/или микропроцессор дублирующий МП-2 включают ключ для коммутации тестирующего напряжения (15) и напряжение с гальванически развязанного источника питания +5 В (13) через датчик тока(14), резистор (16) и диод (17) подается на нагрузку.
Датчик тока (14) фиксирует протекание тока (3-:-5 мА) через цепь и, тем самым, определяется ее целостность. После контроля ключ для коммутации тестирующего напряжения (15) должен быть выключен.
Работа элементов
1,2,3,4,5,6,7,8,9,11,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27 в первом канале аналогична их работе в n-каналах (12).
Датчик напряжения на входе ключа (4) и датчик напряжения на выходе ключа (7) позволяют микропроцессорам основному МП-1 (10) и дублирующему МП-2(11) диагностировать состояние канала коммутации и защищать его от ложного отключения или включения.
Датчик температуры электронного силового ключа (5) позволяет схеме управления и аппаратной защиты от короткого замыкания и перегрева электронного силового ключа (6) отключить электронный силовой ключ (1) в случае его перегрева.
Схема аппаратной защиты от перенапряжения (9) предназначена для защиты от скачков напряжения в цепи нагрузки при коммутации силового напряжения постоянного и переменного тока электронным силовым ключом (1) и от удара молнии, состоящей из газоразрядника (19) и варистора (18).
Применение многоканального контроллера нагрузки для коммутации напряжения постоянного или переменного тока будут отличаться только номиналами электрорадиоизделий (ЭРИ), примененных в схемах 1,4,7 (см. фиг. 1).
Заявляемый в качестве полезной модели многоканальный контроллер нагрузки позволяет на 30 - 50% повысить надежность работы.
Распределение защитных функций между программной и аппаратной частью модуля распределения электропитания позволяет повысить на 20-35% быстродействие и надежность работы элементов защиты, а также оптимизировать количество электрорадиоизделий, снизить на 15-25% потребляемую мощность.
Заявляемый многоканальный контроллер нагрузки позволяет определить целостность цепи нагрузки до включения электронного силового ключа.
Также обеспечивает коммутацию силового напряжения на все типы нагрузок при этом: обеспечивается защита электронного силового ключа от перегрузок по току, напряжению, тепловому режиму и защита от ложных срабатываний при коммутации разных типов нагрузок.