Интеллектуальный источник вторичного электропитания
INTELLIGENT SECONDARY POWER SOURCE

Изобретение относится к устройствам в области электротехники, в частности к источникам вторичного электропитания - преобразователям напряжения постоянного тока и/или пульсирующего тока в напряжение постоянного тока, получающих входное питание по двум независимым каналам (основному и резервному фидерам) в широком диапазоне напряжений, при наличии во входных и выходных цепях импульсно-коммутационных перенапряжений и кондуктивных радиопомех, с гальванической развязкой входных и выходных цепей, и может быть использовано для обеспечения гарантируемым кондиционным электропитанием локомотивной электронной аппаратуры на различных типах тягового подвижного состава: электровоза, электропоезда постоянного и переменного тока, тепловоза, дизель-поезда и дрезины.
Известен преобразователь (агрегат бесперебойного питания) напряжения постоянного тока питающей сети в напряжение постоянного тока, необходимое для бесперебойного электропитания ответственных потребителей, состоящий из основного канала преобразования напряжения, содержащего инвертор, трансформатор и выпрямитель, подключаемый к нагрузке, и резервного канала, содержащего аккумуляторную батарею или аналогичный канал преобразования напряжения, включаемые в работу при выходе из строя основного канала посредством переключателей (Электропитание. Научно-технический сборник. М.: «Ассоциация разработчиков, изготовителей и потребителей средств электропитания», Выпуск 4, 2002. - стр. 29-35).
Недостатком данного агрегата бесперебойного питания является то, что время необходимое на переключение с основного на резервное питание значительно больше, чем допустимый перерыв в электропитании для ответственных потребителей.
Известен преобразователь МК200 фирмы «Enlerpoint», состоящий из двух идентичных каналов преобразования напряжения постоянного тока, на базе транзистора, управляемого широтно-импульсным модулятором, трансформатора, датчика тока первичной обмотки трансформатора, выпрямителя, выходного фильтра и датчика напряжения на нагрузке (Вторичные источники электропитания фирмы «Enlerpoint», В. Жданкин. - «Современные технологии автоматизации», 1997, №4. - стр. 6-15).
Недостатком данного источника является то, что входные цепи источника не защищены от импульсно-коммутационных перенапряжений, поступающих по сети питания и нагрузки.
Известна автономная система электропитания, состоящая из трех источников питания, каждый из которых через регулятор подключен к нагрузке. Каждый регулятор содержит регулирующий орган, включенный через датчик тока между соответствующим источником питания и нагрузкой, блок управления, блок суммирования, датчик выходного напряжения (Патент РФ на изобретение №2211478 «Автономная система электропитания», МПК 7 G05F l/59, H02J 1/10, H02J 7/34, H02J 9/00).
Недостатком системы является то, что в ней не обеспечена защита регулирующих органов от импульсных перенапряжений, отсутствует гальваническая развязка между входными и выходными цепями, отсутствует защита от токов перегрузки и коротких замыканий в нагрузке или кабелях, подключающих нагрузку.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является преобразователь постоянного напряжения, патент РФ на полезную модель №44894, 2004 г., МПК H02J 7/34, патентообладатели ФГУП «ЦКБМТ «Рубин» и ФГУП «ПКП «Ирис», состоящий по меньшей мере из одного блока питания преобразования напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока, содержащий инвертор напряжения, подключенный к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через выпрямитель. Устройство содержит основной (первый) и резервный (второй) каналы преобразования, при этом первый канал преобразования содержит инвертор первого канала преобразования, питающийся от основной сети и подключенный к первичной обмотке трансформатора первого канала преобразования, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через выпрямитель первого канала преобразования, а второй канал преобразования содержит инвертор второго канала преобразования, питающийся от резервной сети и подключенный к первичной обмотке трансформатора второго канала преобразования, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через выпрямитель второго канала преобразования, первый контрольный выход нагрузки подключен к входу системы управления инвертором основного канала преобразования, второй контрольный выход нагрузки подключен к входу системы управления инвертором резервного канала преобразования.
Недостатками указанного преобразователя является следующее. Основное силовое оборудование преобразователя: инверторы первого и второго каналов преобразования, подключенные к питающей сети напрямую, подвергаются воздействию импульсных высоковольтных перенапряжений (например, связанных с коммутационными перенапряжениями) и, в связи с этим, могут выходить из строя. Отсутствие защиты от коротких замыканий в нагрузке или кабелях, подключающих нагрузку к преобразователю может привести к выходу из строя первого или второго канала преобразования. В преобразователе также не предусмотрена защита каналов преобразования от перегрузок и перегрева.
Так как система управления инвертором первого канала преобразования получает электропитание от напряжения, поступающего на нагрузку, или от напряжения основной сети (для системы управления инвертором второго канала преобразования - от напряжения, поступающего на нагрузку, или от напряжения резервной сети), то, в случае потери питающего напряжения в основной сети (для системы управления инвертором второго канала преобразования - в резервной сети), может произойти полное или кратковременное обесточивание системы управления инвертором первого канала преобразования (или системы управления инвертором второго канала преобразования). То есть, потеря напряжения только в одной из питающих сетей может привести к потере электропитания потребителя, что при наличии напряжения в другой сети является для отдельных потребителей абсолютно недопустимым.
В преобразователе отсутствует возможность поддержания питания на выходе при пропадании напряжения по основной и резервной сети одновременно.
Таким образом, необходимо отметить недостаточную надежность преобразователя, поскольку отказ силового оборудования или системы управления одного из каналов преобразования при работе от основной или от резервной сети может привести к потере электропитания потребителя.
Технической проблемой заявленного изобретения является повышение надежности работы устройства, за счет повышения устойчивости преобразователя к воздействию импульсно-коммутационных помех.
Техническая проблема решается за счет того, что интеллектуальный источник вторичного электропитания, состоящий по меньшей мере из одного блока питания преобразования напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока, содержащего инвертор напряжения, подключенный к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через выпрямитель, согласно заявленного решения в него введены входной и выходной фильтры, а блок питания выполнен состоящим из модуля управления и коммутации и силового модуля, при этом модуль управления и коммутации содержит датчик напряжения основной сети и коммутатор основной сети, датчик напряжения резервной сети и коммутатор резервной сети, микроконтроллер и блок плавного запуска, а силовой модуль содержит высокочастотный инвертор, по выходу соединенный с датчиком тока, а по входу с блоком управления инвертором, при этом датчик тока соединен с первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к выпрямительному блоку, подключенному к сглаживающему фильтру, на выходе которого установлен датчик выходного тока, подключенный к датчику напряжения, при этом датчики тока и датчик напряжения подключены к блок управления инвертором и к микроконтроллеру. Входной фильтр источника содержит блок варисторов и разрядников, соединенный с двумя дросселями, между которыми расположен блок конденсаторов, а выходной фильтр содержит цепочку из дросселей, с расположенными между ними блоками конденсаторов, которая подключена к блокам варисторов и разрядников, кроме того он может дополнительно содержать блок источника бесперебойного питания.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного устройства, является повышение устойчивости преобразователя к воздействию импульсно-коммутационных помех, что достигается за счет обеспечения возможности выбора питающей сети в соответствии с заданным алгоритмом для каждого блока питания (канала) отдельно, высокое КПД работы, высокое качество выходного постоянного напряжения, интеллектуальная защита от короткого замыкания, от превышения входного и выходного напряжения, защита от пониженного входного напряжения. Возможность запитывать нагрузку от двух независимых выходных каналов. Результаты достигаются за счет применения как минимум одного блока питания объединяющего в себе модуль силовой, модуль управления и коммутации, микроконтроллер, фильтрации и защиты от ИКП (импульсно-коммутационных перенапряжений) входных и выходных цепей, контроля, мониторинга и управления составными частями устройства, в том числе переключения электропитания устройства между входами пульсирующего и постоянного напряжения в зависимости от наличия и качества напряжения на входе на основном и резервном фидерах, а также с возможностью дополнительного резервирования выходного напряжения блоком источника бесперебойного питания.
Изобретение обеспечивает повышение надежности выработки качественного выходного напряжения при широком диапазоне входных напряжений от двух независимых фидеров при наличии во входных и выходных цепях импульсно-коммутационных перенапряжений и кондуктивных радиопомех. Повышение надежности работы устройства, достигается за счет повышения устойчивости преобразователя к воздействию импульсно-коммутационных помех, проникающих из питающей сети и нагрузки, а также защиты силового оборудования преобразователя (фильтр-инвертор-трансформатор-выпрямитель-фильтр) от перегрузок, токов коротких замыканий и перегрева, расширение функциональных возможностей преобразователя (повышение уровня «интеллекта» преобразователя) для увеличения отказоустойчивости преобразователя.
Заявленное решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлена структурная схема источника питания с двумя независимыми выходными каналами.
На схеме показано: входной модуль фильтра радиопомех и импульсно-коммутационных перенапряжений (3), выходной модуль фильтра радиопомех и импульсно-коммутационных перенапряжений (4), два блока питания (два канала) - (1) и (2), основная сеть (7) и резервная сеть (8). Каждый блок питания содержит модуль управления и коммутации (5) и силовой модуль (6). Входной модуль фильтра радиопомех и импульсно-коммутационных перенапряжений (3) содержит блок варисторов и разрядников (10), соединенный с дросселем (11), подключенным к блоку конденсаторов (12), который соединен с дросселем (13). Модуль управления и коммутации (5) содержит датчик напряжения основной сети (14), соединенный с коммутатором основной сети (15) и датчик напряжения резервной сети (16), соединенный с коммутатором резервной сети (17), а также микроконтроллер (18) и блок плавного запуска (19). Силовой модуль (6) содержит высокочастотный инвертор (20), который соединен с датчиком тока (21), который соединяется с первичной обмоткой трансформатора (22), вторичная обмотка которого подключена к выпрямительному блоку (23), который подключен к сглаживающему фильтру (24), на выходе которого установлен датчик выходного тока (25), который подключен к датчику напряжения (26). Датчики тока (21) и (25) и датчик напряжения (26) подключены к блоку управления инвертором (27) и к микроконтроллеру (18). Выходной фильтр (4) содержит цепочку из дросселей (28) и (30), с расположенными между ними блоками конденсаторов (29), которая подключена к блокам варисторов и разрядников (31).
Напряжение основной сети (7) и резервной сети (8) поступает на блок варисторов и разрядников (10), соединенный с дросселем (11), который подключен к блоку конденсаторов (12), который соединен с дросселем (13), с выхода которого основная и резервная сеть поступают на входы двух независимых блоков питания (1) и (2). В каждом блоке питания напряжение основной сети поступает на датчик напряжения основной сети (14), далее оно поступает на коммутатор основной сети (15), напряжение резервной сети поступает на датчик напряжения резервной сети (16) и далее на коммутатор резервной сети (17), микроконтроллер (18) исходя из заданного алгоритма выбирает, какую из сетей коммутировать и коммутирует ее к блоку плавного запуска (19), который соединен с высокочастотным инвертором (20), который соединен с датчиком тока (21), который соединяется с первичной обмоткой трансформатора (22), вторичная обмотка которого подключена к выпрямительному блоку (23), который подключен к сглаживающему фильтру (24), на выходе которого установлен датчик выходного тока (25), который подключен к датчику напряжения (26), после которого выходное напряжение поступает на выходной модуль фильтра радиопомех и импульсно-коммутационных перенапряжений (4). Выходное напряжение с двух независимых блоков питания поступает на дроссели (28), которые подключены к блокам конденсаторов (29), которые соединены с дросселями (30), которые подключены к блокам варисторов и разрядников (31), напряжение с которых поступает на независимые гальванически развязанные выходы (9).
Информация с датчиков тока (21) и (25), с датчика напряжения (26) поступают на блок управления инвертором (27), который управляет работой инвертора (20), также информация поступает на микроконтроллер (18), который управляет работой блока питания в целом.