ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ КОММУТАТОР И КОНТРОЛЛЕР НАГРУЗКИ
SOLID-STATE SWITCH AND LOAD CONTROLLER

Изобретение относится к электронной коммутационной технике и может быть использовано для коммутации силовых энергетических цепей постоянного и переменного тока и 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.
Известен коммутатор напряжения с защитой от перегрузки по току (патент РФ 2523024, МПК H02H 9/02, H03K 17/00, H03K 17/08), имеющий ограниченную область применения, обусловленную невозможностью динамически изменять параметры защиты от перегрузки по току, невозможностью управлять коммутацией нескольких независимых силовых энергетических цепей, а объединение нескольких коммутаторов в один многоканальный приводит к пропорциональному увеличению стоимости, габаритов и энергопотребления такого устройства.
Наиболее близким к заявляемому устройству является многоканальный твердотельный контроллер нагрузки (патент РФ 2537041, МПК H02H 3/087), содержащий буфер, первые вход и выход которого подключены к внешним линиям связи, узел интерфейса, первый вход которого вместе с третьим входом буфера подключен к внешнему источнику питания, N узлов гальванической развязки и управления, первые входы и вторые выходы которых подключены к вторым выходам и вторым входам узла интерфейса соответственно, а первые выходы и вторые входы подключены ко вторым входам и вторым выходам коммутатора, при этом в состав коммутатора введен двунаправленный коммутационный элемент, обеспечивающий возможность коммутации силовых энергетических цепей постоянного и переменного тока, введен бесконтактный датчик тока, исключающий необходимость во вторичном питании и выдающий напряжение, пропорциональное току нагрузки, через узел гальванической развязки и управления в узел интерфейса, принимающий решение о включении/выключении канала.
Недостатком устройства, является то, что контроллер имеет низкую надежность, обусловленную тем, что в конструкции не предусмотрены возможности отказов отдельных компонентов и линии управления. Также данный контроллер требует подключения внешнего устройства считывания информации с датчика тока и преобразования ее в цифровой вид, вследствие чего растет количество связей с внешней информационной сетью, а также ухудшается точность измерений и увеличивается время реакции на изменения в цепи коммутации. Прочие недостатки известного контроллера включают в себя низкую скорость работы канала коммутации, что ведет к повышенному тепловыделению при разрыве коммутатора во время протекания через него высоких токов, и отсутствие возможности работать по заданному заранее алгоритму для правильного восприятия кривых тока запуска электродвигателей и управления ими широтно-импульсной модуляцией.
Технической задачей изобретения является увеличение надежности и безотказности устройства за счет организации дополнительных каналов связи и схем резервного управления каналами коммутации, улучшения точности работы защиты от перегрузок за счет использования твердотельного коммутатора с бесконтактным датчиком тока и модуля управления, увеличение скорости включения и выключения канала коммутации за счет введения схемы ускорения выключения твердотельного коммутатора и организации возможности работы по заранее заданному алгоритму за счет введения модуля связи и резервного управления.
Технический результат достигается тем, что твердотельный коммутатор и контроллер нагрузки содержит модуль преобразователя напряжения, n модулей управления, n модулей драйверов твердотельного коммутатора, состоящих из трансформаторной развязки и схемы ускорения выключения твердотельного коммутатора, n твердотельных коммутаторов с бесконтактным датчиком тока и модуль связи и резервного управления. При этом модуль преобразователя напряжений связан силовыми цепями с внешней питающей сетью, n модулями управления и модулем связи и резервного управления; n модулей управления связаны силовыми цепями с модулем преобразования напряжения и n трансформаторными развязками модулей драйверов твердотельных коммутаторов, причем модуль управления выполнен с возможностью подачи управляющих сигналов на трансформаторную развязку модуля драйвера твердотельного коммутатора через модуль связи и резервного управления, с возможностью приема информационных сигналов обратной связи от модуля твердотельного коммутатора с бесконтактным датчиком тока, а также с возможностью подключения ко внешней информационной сети и модулю связи и резервного управления с помощью информационных входов/выходов; n модулей драйвера твердотельных коммутаторов, состоящих из трансформаторной развязки, связанной силовыми цепями с n модулями управления, причем n трансформаторных развязок выполнены с возможностью приема управляющих сигналов от n модулей управления через модуль связи и резервного управления и выдачи управляющего сигнала на n схем ускорения выключения твердотельного коммутатора драйвера твердотельного коммутатора и n схем ускорения выключения твердотельных коммутаторов драйверов твердотельных коммутаторов, выполненных с возможностью приема управляющих сигналов от n трансформаторных развязок и выдачи управляющих сигналов на n твердотельных коммутаторов с бесконтактным датчиком тока; n модулей твердотельного коммутатора с бесконтактным датчиком тока связаны первыми и вторыми входами/выходами с источниками коммутируемого напряжения и с коммутируемыми нагрузками соответственно, причем n модулей твердотельного коммутатора с бесконтактным датчиком тока выполнены с возможностью подачи сигналов обратной связи с помощью информационных выходов на n модулей управления и имеют возможность приема управляющих сигналов от n схем ускорения выключения твердотельного коммутатора; модуль связи и резервного управления связан силовыми цепями с модулем преобразователя напряжения, причем модуль связи и резервного управления выполнен с возможностью приема и передачи n сигналов с n модулей управления к n трансформаторным развязкам, а также с возможностью подключения ко внешней информационной сети и n модулям управления с помощью первого, второго и третьих информационных входов/выходов.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена блок-схема твердотельного коммутатора и контроллера нагрузки, со следующими обозначениями:
1. Модуль преобразователя напряжения
1.1. вход
1.2. выход
2. Модуль управления
2.1. силовой вход
2.2. первый информационный вход/выход
2.3. второй информационный вход/выход
2.4. управляющий выход
2.5. информационный вход
2.6. силовой выход
3. Модуль драйвера твердотельного коммутатора
4. Твердотельный коммутатор с бесконтактным датчиком тока
4.1. управляющий вход
4.2. информационный выход
4.3. первый и второй силовые входы/выходы
5. Модуль связи и резервного управления
5.1. силовой вход
5.2. первый информационный вход/выход
5.3. второй информационный вход/выход
5.4. третий информационный вход/выход
5.5. управляющий вход и управляющий выход
6. Трансформаторная развязка
6.1. силовой вход
6.2. управляющий вход
6.3. управляющий выход
7. Схема ускорения выключения твердотельного коммутатора
7.1. управляющий вход
7.2. управляющий выход
Устройство содержит n двунаправленных твердотельных коммутаторов с бесконтактным датчиком тока (4), служащих для коммутации постоянного или переменного тока к нагрузкам, соединенных с n модулей управления (2) для передачи им сигналов обратной связи и n схем ускорения выключения твердотельных коммутаторов (7), от которых приходит управляющий сигнал с n модулей управления (2) через модуль связи и резервного управления (5) и n трансформаторных развязок (6). Модуль связи и резервного управления (5), а также n модулей управления (2) получают питающее напряжение от модуля преобразования напряжения (1), который в свою очередь подключен к внешней питающей сети. Также в n модулях управления (2) и в модуле связи и резервного управления (5) предусмотрена возможность подключение к внешней информационной сети для получения команд управления и сообщения статуса своей работы.
Модуль преобразования напряжений (1) включает в себя повышающий или понижающий преобразователь напряжения, преобразующий напряжение внешний питающей сети до необходимого для работы модулей блока защиты и коммутации уровня.
Модуль преобразования напряжения (1) содержит: один силовой вход (1.1) для обеспечения силовой коммутации с шиной внешнего питания; один силовой выход (1.2) для обеспечения коммутации к содержащимся в блоке защиты и коммутации n модулям управления (2) и модулю связи и резервного управления (5) и обеспечению их необходимым для нормальной работы уровнем питающего напряжения.
Модуль управления (2) необходим для осуществления управления модулем твердотельного коммутатора с бесконтактным датчиком тока (4), обеспечения мониторинга состояния коммутации, обнаружения случаев неисправности, принятия решения об экстренном разрыве цепи, а также сообщении своего статуса управляющему устройству во внешней информационной сети.
Модуль управления (2) содержит: один силовой вход (2.1) для подачи питающего напряжения с модуля преобразования напряжений (1) и один силовой выход (2.6) для обеспечения питанием трансформаторной развязки (6); один сигнальный выход (2.4) для подачи сигнала управления через модуль связи и резервного управления (5) к трансформаторной развязке (6); два информационных входа/выхода (2.2 и 2.3) для подключения ко внешней информационной сети и модулю связи и резервного управления (5); один информационный вход (2.5) для приема сигнала обратной связи от твердотельного коммутатора с бесконтактным датчиком тока (4).
Модуль драйвера твердотельного коммутатора (3), содержащий в себе трансформаторную развязку (6) и схему ускорения выключения коммутатора (7), необходим для обеспечения гальванической развязки коммутируемых цепей от внутренних цепей устройства, увеличения скорости коммутации твердотельного коммутатора с бесконтактным датчиком тока (4), а также увеличения скорости размыкания твердотельного коммутатора с бесконтактным датчиком тока (4) после подачи команды о прекращении коммутации.
Модуль драйвера твердотельного коммутатора (3) состоит из трансформаторной развязки (6) и схемы ускорения выключения твердотельного коммутатора (7). Трансформаторная развязка (6) имеет один силовой вход (6.1) для питания, один информационный вход (6.2) для приема команды управления от модуля управления (2) через модуль связи и резервного управления (5) и один информационный выход (6.3) для передачи сигнала управления схеме ускорения выключения твердотельного коммутатора (7). Схема ускорения выключения твердотельного коммутатора имеет один информационный вход (7.1) для приема команды управления от трансформаторной развязки (6) и один информационный выход (7.2) для передачи управляющего сигнала твердотельному коммутатору с бесконтактным датчиком тока (4).
Твердотельный коммутатор с бесконтактным датчиком тока (4) необходим для силовой коммутации коммутируемого постоянного или переменного тока к нагрузке и отправке сигнала обратной связи с бесконтактного датчика тока к модулю управления (2).
Твердотельный коммутатор с бесконтактным датчиком тока (4) состоит из двунаправленного коммутатора, основанного на полевых транзисторах, и бесконтактного датчика тока. Также твердотельный коммутатор с бесконтактным датчиком тока (4) имеет 2 входа/выхода (4.3) для коммутации постоянного или переменного тока к нагрузке, один информационный вход (4.1) для получения сигнала управления от схемы ускорения выключения твердотельного коммутатора (7) и один информационный выход (4.2) для отправки сигнала обратной связи к модулю управления (2).
Модуль связи и резервного управления (5) необходим для обеспечения резервного управления при возникновении ошибки в каком-либо из n модулей управления (2), обеспечения работы резервных каналов связи с внешней информационной сетью, а также организации вычислений сложных алгоритмов коммутации и их реализации.
Модуль связи и резервного управления (5) содержит один силовой вход (5.1) для получения питающего напряжения от модуля преобразователя напряжения (1), n информационных входов и n информационных выходов (5.3) для передачи через себя сигнала коммутации от n модулей управления (2) к n трансформаторным развязкам (6), n+1 информационных входов/выходов (5.4 и 5.3) для связи с n модулями управления (2) и внешней информационной сетью, а также информационный вход/выход (5.2) для связи с дополнительным каналом внешней информационной сети.
Устройство работает следующим образом.
При подаче питающего напряжения на вход (1.1) преобразователя напряжения (1) он запускается и обеспечивает питанием все необходимые блоки устройства. Происходит загрузка программного обеспечения в оперативную память микроконтроллеров модуля управления (2) и модуля связи и резервного управления (5) и запуск блока с заданным состоянием. После запуска и проведения самотестирования блок отправляет свой статус во внешнюю информационную сеть и ждет команд для выполнения. После получения команды из внешней информационной сети блок защиты и коммутации приступает к ее выполнению. В случае если команда содержит информацию для изменения параметров работы коммутаторов, происходит перезапись соответствующих параметров модулей управления (2), проверка текущего статуса и отправка статуса во внешнюю информационную сеть. В случае если команда содержит информацию о коммутации канала, то модуль управления (2) соответствующего канала коммутации воспринимает эту команду и выдает сигнал коммутации на управляющий выход (2.4). Сигнал, пройдя через схему организации резервного управления на модуле связи и резервного управления (5), попадает в модуль драйвера твердотельного коммутатора (3), в котором, пройдя через трансформаторную развязку (6) и схему ускорения выключения твердотельного коммутатора (7), попадает в твердотельный коммутатор с бесконтактным датчиком тока (4), первый и второй силовые входы/выходы которого замыкаются между собой и пропускают коммутируемое постоянное или переменное напряжение от источника напряжения к коммутируемой нагрузке. При этом модуль управления (2) посредством обратной связи проводит мониторинг протекаемого через канал коммутации тока и по запросу может отправлять статус коммутации во внешнюю информационную сеть. В случае возникновения нештатной ситуации (превышения установленного ограничения тока или некорректная его форма, в том числе вследствие короткого замыкания, перегрузки и т.п.) модуль управления (2) незамедлительно принимает решение о размыкании канала коммутации, отправляет статус ошибки во внешнюю информационную сеть и далее действует по заложенному заранее алгоритму работы на случай нештатных ситуаций.
В случае обрыва связи с одним или несколькими модулями управления (2) модуль связи и резервного управления (5) организует размыкание управляющего провода от модуля управления (2) к соответствующему твердотельному коммутатору с бесконтактным датчиком тока (4) и организует резервное управления данным твердотельным коммутатором с бесконтактным датчиком тока с выдачей во внешнюю информационную сеть информации об ошибке в соответствующем модуле управления.
В случае отсутствия связи с внешней информационной сетью модуль связи и резервного управления (5) принимает попытки связи по дополнительному каналу связи с внешней информационной сетью. При ответе по дополнительному каналу связи с внешней информационной сетью модуль связи и резервного управления сообщает об ошибке в основном канале связи и, до поступления инструкций, использует дополнительный канал связи в качестве основного.
В случае обрыва связи по основному и дополнительному каналу связи модуль связи и резервного управления организует работу блока защиты и коммутации по заранее заданному, на случай потери связи, алгоритму, учитывая установленные параметры коммутации и обеспечивая защиту в случае возникновения нештатных ситуаций.