Тракт вторичного электропитания с резервированием
SECONDARY ELECTRICAL POWER SUPPLY PATH WITH REDUNDANCY

Изобретение относится к области силовой электроники, в частности к устройствам и трактам вторичного электропитания с резервированием, и может быть использовано для бесперебойного электропитания группы ответственных потребителей вторичными напряжениями заданной номенклатуры от основной и резервной сети объекта постоянного тока (175-320 В).
Известна система электроснабжения [Патент РФ №2421863. Автономная система энергоснабжения передвижных объектов. Опубл. 20.06.2011 г.], содержащая основной и резервный источники электроснабжения переменного тока, выходы которых соединены параллельно через тиристорно-диодные блоки, обеспечивающие гарантированное вторичное электропитание преобразователей напряжения группы ответственных потребителей. Переключение основной и резервной сети электропитания в такой системе осуществляется достаточно быстро, без значительных провалов вторичного напряжения. Однако область применения такого технического решения весьма ограничена, так как его реализация не обеспечивает гальванической развязки основной и резервной сети объекта.
Указанный недостаток устранен в известном устройстве бесперебойного электропитания [Патент РФ №2503114 Устройство бесперебойного автоматического резерва Опубл. 27.12.2013 г.], где в условиях электропитания от основной и резервной сетей переменного тока применены два трансформаторно-выпрямительных устройства (ТВУ), выходы которых включены параллельно к входам электропитания вторичных преобразователей напряжения. При этом ТВУ, подключенное к основной сети, имеет более высокое выходное напряжение и, соответственно, в номинальном режиме обеспечивает основное потребление по вторичному напряжению электропитания. Второе ТВУ находится в «горячем резерве» и подключается в случае просадки основного напряжения электропитания. Здесь гальваническая развязка достигается использованием громоздких силовых трансформаторов, наличие которых существенно ухудшает массогабаритные показатели тракта вторичного электропитания такого типа. При этом применение известного технического решения не представляется возможным для сетей объекта постоянного тока.
Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа предлагаемого изобретения, является устройство, описанное в патенте [Патент РФ №2583002. Устройство вторичного электропитания с резервированием. Опубл.27.04.2016.].
Структурная схема устройства-прототипа, представленная на фиг. 1, содержит автоматические отключатели 1, 2 (АО) и контакторы 3, 4 (К), являющиеся обязательными звеньями подключения к основной и резервной сети объекта, а также источник сервисного электропитания 5 (ИСЭП), схему контроля 6 (СК), диодный сумматор 7 (ДСМ), фильтр 8 (Ф) и два преобразователя 9.1 и 9.2 напряжения (ПН), выполненные как AC/DC, и шину управления, подведенную к входам управления контакторов 3, 4.
Принципиальным отличием устройства-прототипа от известных аналогов является преобразование напряжения основной и резервной сети объекта высокочастотными ключевыми стабилизаторами напряжения (КСН) с гальванической развязкой, выполненными в составе преобразователей 9.1 и 9.2. Использование КСН такого типа позволяет значительно уменьшить габариты по сравнению с громоздкими трансформаторно-выпрямительными устройствами [Патент РФ №2503114. Устройство бесперебойного автоматического включения резерва. Опубл. 27.12.2013 г.] при обеспечении параллельного включения выходов AC/DC преобразователей 9.1 и 9.2 через диодный сумматор 7. Причем при некотором смещении выходных напряжений преобразователей 9.1 и 9.2 в пользу повышенного уровня выходного напряжения AC/DC преобразователя 9.1, подключенного к основной сети объекта в устройстве-прототипе реализуется «горячий резерв» подключения резервной сети через AC/DC преобразователь 9.2.
Следует также отметить, что подход к реализации гарантированного электропитания, предложенный в устройстве-прототипе, может быть применен по известным правилам для устройства вторичного электропитания с резервированием от сети объекта постоянного тока. К недостаткам известного технического решения относится необходимость дублирования преобразователей, что приводит к практически двукратному увеличению габаритов аппаратуры электропитания. Особенно заметным выделенный недостаток становится при реализации трактов электропитания большой мощности, обеспечивающих гарантированное электропитание разветвленной группы потребителей с большим числом и широкой номенклатурой децентрализованных вторичных напряжений электропитания.
Следует также отметить, что использование в устройстве-прототипе диодного суммирования по низковольтовым выходам вторичных КСН связано, во-первых с дополнительными потерями энергии, а во-вторых - с понижением стабильности напряжения электропитания ответственных потребителей, особенно при обеспечении «горячего резерва» за счет понижения номинального напряжения КСН от резервной сети объекта. Например, для вторичных напряжений электропитания 15…30 В влияние отмеченных факторов приводит к понижению КПД и стабильности напряжения тракта вторичного электропитания более чем на 2-4%.
Выделенные недостатки препятствуют использованию известного технического решения [Патент РФ №2583002. Устройство вторичного электропитания с резервированием. Опубл. 27.04.2016.] в трактах вторичного электропитания повышенной мощности с жесткими требованиями к энергетическим и массогабаритным показателям для функциональной аппаратуры ответственных потребителей, особенно в составе автономных аппаратов с электроснабжением от основной и резервной объектовых сетей постоянного тока.
Задачей изобретения является улучшение массогабаритных показателей при повышении энергетической эффективности и стабильности вторичных напряжений.
Решение этой задачи в известном тракте вторичного электропитания, содержащем шину управления, вводы основной и резервной сети, соединенные через первый и второй автоматические отключатели с входами первого и второго контакторов, а также диодный сумматор, выход которого соединен через фильтр с шиной вторичного электропитания, и источник сервисного электропитания, первый и второй входы которого соединены с вводами основной и резервной сети, выход - соединен с шиной сервисного электропитания, а контрольный выход подключен к входу схемы контроля, обеспечивается посредством того, что в его состав введены первый и второй датчик напряжения, зарядное устройство, емкостной накопитель, ключевое устройство, схема управления и N-канальный преобразователь напряжения, каждый канал которого содержит DC/DC преобразователь напряжения, вход которого соединен с шиной вторичного электропитания, а выходы, являющиеся выходами DC/DC преобразователей напряжения, соединены с децентрализованными шинами электропитания N отдельных потребителей, причем вход схемы управления подключен к шине управления, первый и второй контрольный входы соединены с выходами первого и второго датчиков напряжения, первый и второй выходы - с входами управления первого и второго контакторов, третий выход - с входом управления ключевого устройства, а третий контрольный вход - с выходом схемы контроля, дополнительный вход которой соединен с выходом контроля зарядного устройства, первый и второй вход которого соединены с вводами основной и резервной сети и соответственно с входами первого и второго датчиков напряжения, причем один выход зарядного устройства подключен к входу емкостного накопителя, а выход контроля зарядного устройства подсоединен к дополнительному входу схемы контроля, при этом выход емкостного накопителя через ключевое устройство соединен с дополнительным входом диодного сумматора, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго коммутатора.
Техническим результатом изобретения является улучшение массогабаритных показателей тракта вторичного электропитания с резервированием, связанное с исключением необходимости удвоения числа каналов вторичных преобразователей напряжений с диодным суммированием для каждого децентрализованного потребителя, а также уменьшение потерь энергии и повышение стабильности, особенно для пониженных выходных напряжений шин электропитания отдельных потребителей.
Достижение этого технического результата обеспечивается за счет формирования централизованного вторичного напряжения гарантированного электропитания с исключением резких провалов при кратковременном спаде напряжения и при переключении основной и резервной сети.
Для получения максимального результата в условиях электропитания от основной и резервной сети постоянного тока источник сервисного электропитания целесообразно выполнить содержащим первый и второй ключевой стабилизаторы напряжения с гальванической развязкой, входы которых подключены соответственно к первому и второму входу источника сервисного электропитания, а выходы через сервисный диодный сумматор к выходу источника сервисного электропитания и входу датчика сервисного напряжения, выход которого соединен с контрольным выходом источника сервисного питания. В свою очередь зарядное устройство должно содержать первый и второй ключевые стабилизаторы тока с гальванической развязкой, выходы которых через зарядный диодный сумматор соединены с выходом зарядного устройства и входом датчика зарядного напряжения, соединенного выходом с выходом контроля зарядного устройства, первый и второй вход которого соединены с входами соответственно первого и второго ключевых стабилизаторов тока с гальванической развязкой.
Для подавления импульсных перенапряжений в напряжении электропитания основной и резервной сети в заявляемый тракт может быть дополнительно введена диодно-резистивная цепь, вход которой соединен с выходом диодно-резистивного сумматора, а выход - с дополнительным входом емкостного накопителя.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-5, где на фиг. 1 представлена структурная схема тракта - прототипа, на фиг. 2 - структурная схема заявляемого технического решения, на фиг. 3 представлено возможное исполнение источника сервисного электропитания, схемы контроля и зарядного устройства, на фиг. 4 приведены временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип действия предлагаемого тракта вторичного электропитания с резервированием для режимов импульсных провалов напряжения электропитания и переключения основной и резервной электросети (фиг. 4а), а также в режиме дополнительного ограничения импульсных перенапряжений (фиг. 4б).
На фиг. 4 обозначено:
Упр - команда управления включения централизованного напряжения вторичного электропитания;
ocн
рез
осн
E и Е (пунктир) - напряжения основной и резервной сети объекта с иллюстрацией импульсного провала и спада напряжения Е;
min
E - минимально допустимый уровень централизованного вторичного напряжения;
н
Е - напряжение емкостного накопителя с иллюстрацией начального процесса заряда и спада в циклах энергетической поддержки централизованного вторичного напряжения;
1
2
н
Е и Е - уровни напряжения Е, соответствующие порогам срабатывания релейных элементов 10.2, 10.3 схемы управления 10 по результатам сравнения выходных сигналов датчиков напряжения 13 и 14;
Готов - команда, формируемая на выходе схемы 6 управления при номинальных сигналах на выходах контроля источника 5 сервисного электропитания и зарядного устройства 12;
Вкл.осн. и вкл.рез. - команды включения контакторов 3 и 4 основной и резервной сети;
в
Е - напряжение централизованного вторичного электропитания;
Вкл КУ - команда включения ключевого устройства.
н
н0
На фиг. 4б показано изменение напряжения централизованного вторичного электропитания при воздействии ИКП от основной сети (пунктир) и при замыкании ИКП через RD-цепь 16 (сплошные линии) в накопитель 13, изменение напряжения которого при этом иллюстрируется уровнем Е и Е.
На фиг. 5 приведен вариант реализации схемы 10 управления (фиг. 5а) и временные диаграммы сигналов (фиг. 5б) в контрольных точках I…XVI, поясняющие алгоритм формирования команд управления коммутаторами 3, 4 и ключевым устройством 11
Структурная схема заявляемого технического решения (фиг. 2) содержит автоматические отключатели (АО) 1 и 2, контакторы (К) 3 и 4, источник 5 сервисного электропитания (ИСЭП), схема 6 контроля (СК), диодный сумматор (ДСМ) 7, фильтр (Ф) 8, N-канальный преобразователь (КП) 9 напряжения (включающий ряд (i=1…N) DC/DC преобразователей 9.1…9.N напряжения (ПН), схему 10 управления (СУ), ключевое устройство (КУ) 11, емкостной накопитель (ЕН) 13, зарядное устройство (ЗУ) 12, датчики 14,15 напряжения (ДН) и дополнительную диодно-резистивную цепь (ДРЦ) 16.
Автоматические отключатели 1 и 2 предназначены для защиты основной и резервной сети от перегрузки и аварийных режимов короткого замыкания. Выбор типа автоматических отключателей определяется напряжением электропитания сети объекта и максимальным током потребления тракта с необходимым запасом на пусковые режимы работы.
Контакторы 3 и 4 должны обеспечивать выключение и отключение основной и резервной сети с необходимой паузой на переключение, устанавливаемой взаимной блокировкой включенного состояния либо соответствующим алгоритмом формирования команд включения/отключения основной и резервной сети в схеме 10 управления.
Источник 5 сервисного электропитания обеспечивает гарантированное формирование вторичного напряжения для обеспечения функционирования элементов управления и контроля в составе структурных блоков тракта вторичного электропитания. Для основной и резервной сети постоянного тока источник 5 сервисного электропитания (фиг. 3) может быть выполнен на ключевых преобразователях 5.1, 5.2 напряжения (КПН) с гальванической развязкой, сервисном диодном сумматоре 5.3 (СДС) и датчике 5.4 сервисного напряжения (ДСН). Как правило, мощность потребления по напряжению сервисного электропитания не превышает 50 Вт (24 В; 2 А) даже для тракта вторичного электропитания с выходной мощностью десятки кВт. Источник 5 такой мощности может быть реализован по известным правилам [Патент РФ №2583761. Трансформатор постоянного напряжения. Опубл.10.05.2016 г.], а его энергетические и габаритные характеристики практически не сказываются на результирующих показателях тракта.
з
Аналогичным образом может быть реализовано зарядное устройство 12, где импульсные высокочастотные преобразователи напряжения основной и резервной сети должны быть реализованы по схеме ключевых преобразователей тока (КПТ), обеспечивающих стабилизацию тока и ограничение напряжения заряда емкостного накопителя 13. При этом в составе зарядного устройства 12 (фиг. 3) входят КПТ 12.1 и 12.2, зарядный диодный сумматор 12.3 (ЗДС) и датчик зарядного напряжения 5.4 (ДЗН). Для электропитания от объектовой сети постоянного тока максимальное выходное напряжение зарядного устройства может достигать 300-350 В и требуемом токе заряда I=0,2-0,5 А, что ограничивает габаритную мощность на уровне около 100-150 Вт.
min
u
max
н
Напряжение сети объекта постоянного тока допускает спад до нуля на время 80 мс. Примерно такое же время требуется для переключения электропитания основной и резервной сети. При этом емкостной накопитель 13 должен сохранять напряжение не ниже минимального значения E=175B на время τ переходных процессов с необходимым 20% запасом. В этих условиях для номинального напряжения накопителя E=350 В емкость накопителя С определяется соотношением:
0max
где P - максимальная мощность потребления N-канального КП 9.
0max
u
з
В результате, для P=10 кВт и τ=0,08 с, необходимым диапазон К=1,2 получим требуемую емкость накопителя с максимальным допустимым напряжением до 400 В:
3
3
Конденсатор такой емкости может быть выполнен как на высоковольтных электролитических конденсаторах в объеме около 15 дм либо на многослойных конденсаторах (ионисторах) в объеме около 5 дм. При достаточной емкости накопитель 13 поддерживает гарантированное электропитание централизованной шины вторичного напряжения.
н
1
Устройство 6 контроля обеспечивает прием и обработку контрольной информации о функционировании и режимах работы тракта вторичного электропитания, а также поддержку работы схемы 10 управления в части формирования сигнала «ГОТОВ» при условии номинального выходного напряжения источника 5 и достаточного уровня заряда емкостного накопителя в условиях достижения выходного напряжения зарядного устройства 12 номинального уровня E>E (фиг. 4). Для этого в состав устройства контроля (фиг. 3) включены релейные элементы 6.1 и 6.2 для порогового контроля выходных сигналов датчиков сервисного и зарядного напряжения 12.4 и 5.4 соответственно, пропорциональных выходным напряжениям зарядного устройства 12 и источника 5 сервисного электропитания. В номинальных режимах сигналы высокого уровня с выходов релейных элементов 6.1 и 6.2 через схему совпадения 6.3 формируют команду «ГОТОВ» на выходе схемы 6. Схемотехническая реализация такой схемы 6 контроля выполняется по известным правилам, с установкой границ релейных элементов 6.1 и 6.2 с учетом режимов работы зарядного устройства 12 и источника 5 сервисного напряжения.
в
Диодный сумматор 7 предназначен для передачи в шину вторичного электропитания напряжения основной или резервной сети постоянного тока в зависимости от положений коммутаторов 3 и 4, а также напряжение емкостного накопителя 13 через ключевое устройство 11. При резком уменьшении напряжения либо переключении основной и резервной сети емкостной накопитель 13 через ключевое устройство 11 и диодный сумматор 7 поддерживает шину вторичного электропитания напряжения Е. Для установленных параметров напряжения сети постоянного тока в качестве диодов диодного сумматора 7 должны быть использованы элементы с допустимым напряжением 1 кВ и прямым током десятки ампер из условия достижения требуемой мощности потребления (более 10 кВт) и возможных перенапряжений на вводах сети электропитания.
Фильтр 8 предназначен для устранения быстрых фронтов и дополнительной фильтрации вторичного напряжения, а также замыкания переменной составляющей тока потребления DC/DC преобразователей 9.1…9.N в составе N-канального КП 9. Фильтр 8 может содержать конденсаторы емкостью сотни мкФ с допустимым напряжением не менее 500 В, а также дополнительные дроссели для формирования LC-ФНЧ второго порядка.
N-канальный ключевой преобразователь 9 переназначен для формирования ряда вторичных напряжений заданной номенклатуры и энергоемкости. Каждый канал преобразователя 9 выполняется на отдельном канале DC/DC преобразователя, обеспечивающего преобразования энергии нестабилизированного напряжения 175-400 В в гальванически развязанное стабилизированное напряжение электропитания отдельного потребителя. Как правило, мощность потребления одного канала не превышает 500-1000 Вт, при суммарной энергоемкости каналов тракта вторичного электропитания с резервированием до 10 кВт. При этом в номенклатуре децентрализованных вторичных напряжений на выходе многоканального преобразователя 9 присутствуют и низковольтовые сильноточные напряжения 5; 15; 24 В, где дополнительное падение напряжения на элементах диодной развязки приводит к недопустимым потерям энергии.
Схема 10 управления предназначено для приема команды включения по шине управления, сбора и обработки контрольной информации об уровне напряжения питания основной и резервной сети с выходов датчиков ДН 14 и ДН 15, а также сигнала «ГОТОВ» с выхода схемы 6 контроля при условии заряда емкостного накопителя 13 и наличия сервисного напряжения электропитания. Возможный вариант реализации схемы 10 на дискретных аналоговых и логических элементах и временные диаграммы сигналов, поясняющие ее работу, приведены на фиг. 5 (фиг. 5а и фиг. 5б соответственно).
вкл
Схема 10 управления формирует команды управления коммутаторами 3 и 4 с учетом приоритета электропитания от основной сети. В случае понижения напряжения основной сети ниже допустимого уровня либо импульсном провале напряжения обеспечивается подключение напряжения емкостного накопителя через диодный сумматор 7 к шине вторичного напряжения для поддержания гарантированного электропитания N-канального ключевого преобразователя 9. При этом реализуется временная циклограмма для переключения основной и резервной сети и временные задержки τ, исключающие одновременное включение коммутаторов 3 и 4 (фиг. 5а).
откл
вкл
выкл
Схема 10 управления содержит источник 10.1 опорного напряжения, релейные элементы 10.2, 10.3, логические элементы совпадения 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8, 10.9, 10.10, логический сумматор 10.11, элементы 10.12, 10.13 задержки отключения (τ), элементы 10.15, 10.16 задержки включения (τ) и элемент 10.14 задержки выключения (τ). Временные диаграммы сигналов (фиг. 5б) в контрольных точках I…XVI иллюстрируют алгоритм работы схемы 10 управления в режимах кратковременного и длительного спада напряжения основной сети объекта и переключение на резервную сеть для поддержания гарантированного напряжения на централизованной шине вторичного электропитания.
Источник 10.1 опорного напряжения может быть выполнен на микросхеме опорного напряжения, например, типа 142ЕР1ТИМ, либо на термостабильном стабилитроне, включенном в цепь сервисного напряжения через токоограничительный резистор.
1
0
2
0
1
2
1
2
Релейные элементы 10.2, 10.3 выполняются на операционных усилителях с петлей положительной обратной связи, обеспечивающей ширину петли гистерезиса А для формирования порогов срабатывания u=u+Δ и u=u-Δ относительно опорного напряжения (показано на фиг. 5б: I - пунктирные линии). Уровни порогов u и uсоответствуют порогам Е и Е (фиг. 3а) с учетом коэффициента передачи датчиков напряжения 13 и 14.
Односторонние схемы задержки 10.12, 10.13, 10.14, 10.15, 10.16 могут быть реализованы, например, на RCD-цепях и элементах триггера Шмидта с заданным порогом срабатывания. При этом заданный фронт входного импульсного напряжения передается практически без задержки за счет перезаряда конденсатора через диод, а необходимая задержка обеспечивается временем заряда конденсатора через резистор до порога срабатывания триггера Шмидта.
Следует отметить, что приведенная простейшая схема 10 управления, реализованная на дискретных аналоговых и логических элементах, может быть выполнена на микроконтроллере общего применения, например, типа 1986ВЕ1Т, где возможна реализация дополнительных функций, необходимых для адаптации предлагаемого тракта вторичного электропитания с резервированием для конкретных условий применения.
осн
рез
осн
осн
u
рез
рез
u
u
0
2
u
1
2
1
2
вкл
При выходных сигналах датчиков 13, 14 u основной и u резервной сети (где u=Е/K, u=E/K и K - коэффициент деления датчиков напряжения) выше минимального значения u-Δ=Е/K, приоритет включения основной сети определяется блокировкой элемента совпадения 10.6 и разницей задержек τ<τ (где τ и τ временные интервалы задержек отключения, формируемые схемами 10.12 и 10.13). В этих условиях схема задержки 10.2 срабатывает с упреждением и блокирует прохождение сигнала включения резервной сети через схему совпадения 10.6. Соответственно, при поступлении команды управления обеспечивается включение коммутатора 3 основной сети через дополнительную задержку τ элемента 10.15.
осн
0
1
вкл
1
вкл
В случае уменьшения напряжения основной сети u<u-Δ через время τ отключается контактор 3 и через задержку τ элемента 10.16 разрешается включение контактора 4, чем обеспечивается переход на резервную сеть. При восстановлении напряжения основной сети через время τ обеспечивается обратное переключение контакторов. Здесь наличие задержки τ превышает максимальную задержку выключения контакторов 10.15 и 10.16, что исключает замыкание основной и резервной сети. При этом элементы 10.9 и 10.10 исключают возможность одновременного прохождения сигналов включения коммутаторов 3 и 4.
осн
1
выкл
в
н
При импульсном спаде напряжения u на время менее τ элемент совпадения 10.7 по входным сигналам V и VII формирует сигнал IX, который передается через сумматор 10.11 в виде импульса XIII на вход схемы 10.14 выключения. В результате на третьем выходе схемы управления 10, подключенным к выходу схемы задержки выключения, формируется импульс XIV с задержкой спада на время τ, поступающий на управление ключевым устройство 11. Таким образом, обеспечивается энергетическая поддержка централизованного вторичного напряжения Е от емкостного накопителя напряжением Е (фиг. 4а).
Аналогично достигается поддержка централизованного вторичного напряжения при электропитании от резервной сети за счет формирования сигналов VI и VIII и импульсов X, поступающих через логический сумматор 10.11 на вход схемы 10.14 задержки выключения.
1
выкл
2
выкл
Такой же механизм подключения емкостного накопителя 13 через ключевое устройство 11 и диодный сумматор 7 срабатывает при переключении основной и резервной сети электропитания. При этом также формируется импульсы XIV включения ключевого устройства 11 на время τ+τ при переходе от основной сети к резервной и на время τ+τ при обратном переключении на основную сеть электропитания.
осн
осн
0
2
2
выкл.
выкл
вкл
Обратный переход от резервной сети реализуется при достижении напряжения Е уровня, соответствующего условию срабатывания релейного элемента 10.2 при u>u+Δ. При этом выходной сигнал V элемента 10.5 блокирует прохождение команды включения резервной сети через элемент 10.6. одновременно формируется сигнал X, длительностью τ, включающий через элементы 10.11 и 10.14 ключевое устройство 11 на время τ+τ тем самым реализуется энергетическая поддержка централизованного вторичного напряжения на время отключения резервной сети и подключения основного напряжения электропитания, что гарантированно достигается при τ>τ.
Приведенный пример реализации схемы 10 управления подтверждает реализуемость на простейших логических и аналоговых элементах. На практике представленный алгоритм управления, как ранее отмечалось, может быть реализован на контроллере общего применения с необходимой периферией.
б
max
Ключевое устройство 11 предназначено для подключения емкостного накопителя 13 через диодный сумматор 7 к шине вторичного электропитания по команде с дополнительного выхода устройства 10 управления. Для уменьшения тока включения ключевое устройство 11 может быть выполнено на мощном транзисторе, например, типа IGBT, с допустимым напряжением до 1000 В и током сотни ампер и на буферном резисторе сопротивлением R, ограничивающим максимальный ток I на допустимом уровне:
Возможным вариантом реализации ключевого устройства 11 является также его выполнение по известным правилам на основе однотактного ключевого регулятора напряжения с ограничением выходного тока [Патент РФ №46594 «Ограничитель напряжения» опубл. 10.07.2005]. В этом случае достигается подключение энергии емкостного накопителя без скачков тока и резкого увеличения вторичного напряжения при исключении диссипативных потерь в буферном резисторе, что улучшает энергетические характеристики и показатели качества предлагаемого тракта вторичного электропитания с резервированием.
осн
peз
осн
рез
0
0
Датчики 14 и 15 напряжения должны обеспечивать формирование гальванически развязанных u и u контрольных сигналов, пропорциональных напряжению основной Е и резервной Е сети для обеспечения сравнения в схеме 10 управления с минимально допустимым уровнем u и восстановлением до уровня более u+Δ. Датчики напряжения такого типа могут быть реализованы на резистивном делителе и микросхеме гальванической развязки IS0124.
осн
в
н
н0
Диодно-резистивная цепь 16 предназначена для подавления импульсных коммутационных перенапряжений (ИКП) основной и резервной сетей объекта (фиг. 4б показан пример для Е - пунктир), проникающих в шину вторичного напряжения из сети электропитания. При превышении амплитуды ИКП напряжения Е (фиг. 4б) диодно-резистивная цепь 16 обеспечивает шунтирование перенапряжения через весьма малое сопротивление (менее 5 Ом) в емкостной накопитель и тем самым ограничивает возможное повышение напряжения. Причем вследствие большой емкости емкостного накопителя изменение напряжения Е за счет подавления ИКП незначительно превышает начальный уровень Е (фиг. 4б - пунктир).
Приведенное описание блоков входящих в состав заявляемого тракта вторичного электропитания с резервированием подтверждает практическую реализуемость заявляемого технического решения.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Напряжение основной и резервной сети поступает на соответствующие вводы тракта электропитания и, соответственно, на входы источника 5 сервисного напряжения и зарядного устройства 12 (фиг. 3). В результате ключевые стабилизаторы напряжения 5.1 и 5.2, (фиг. 3) входящие в состав источника 5, формируют на выходе сервисного диодного сумматора 5.3 гарантированное вторичное напряжение сервисного электропитания. При этом датчик 5.4 сервисного напряжения передает сигнал через контрольный выход источника 5 на вход релейного элемента 6.2, достаточного уровня для его срабатывания, чем достигается контроль наличия сервисного напряжения в схеме контроля 6 (фиг. 3).
н
1
Аналогичным образом формируется выходное напряжение зарядного устройства 12, где ключевые стабилизаторы тока 12.1, 12.2 через зарядный диодный сумматор 12.3 обеспечивают заряд емкостного накопителя 13 (фиг. 2, фиг. 3). По результату нарастания Е напряжения выше уровня Е (фиг. 4а) датчик 12.4 зарядного напряжения передает сигнал через контрольный выход зарядного устройства 12 на вход релейного элемента 6.1, соответствующий верхнему порогу его срабатывания.
В результате на входах схемы 6.3 совпадения формируются высокие уровни логических сигналов, соответствующие формированию команды «ГОТОВ», поступающей через выход схемы 6 контроля на третий контрольный вход схемы 10 управления. При этом разрешается прохождение команды от шины управления через схему совпадения 10.6 на включение тракта электропитания (фиг. 5а).
осн
min
в
В соответствии с рассмотренным ранее алгоритмом работы схемы 10 управления при номинальном напряжении основной сети объекта Е>E (фиг. 4а) далее обеспечивается приоритетное включение контактора 3 для электропитания каналов DC/DC преобразователей 9.1…9.N. Таким образом реализуется формирование централизованного вторичного напряжения Е при энергоснабжении потребителей требуемой номенклатурой децентрализованных напряжений электропитания при энергопотреблении от основной сети объекта.
осн
1
в
в
н
min
В случае импульсных провалов напряжения Е длительностью менее τ команда «Вкл.осн.» (фиг. 4а) сохраняется, и, соответственно, обеспечивается неизменным положение контактора 3 при поддержке централизованного вторичного напряжения Е от емкостного накопителя 13, что соответствует равенству напряжений Е=Е>E.
вкл
1
вкл
При более длительных провалах напряжения основной сети срабатывает механизм переключения на электропитание от резервной сети, что соответствует снятию сигнала управления контактора 3 и включению через τ контактора 4. На время τ+τ централизованное вторичное напряжение поддерживается через диодный сумматор 7 от напряжения емкостного накопителя 13.
в
осн
рез
Далее централизованное вторичное напряжение формируется от резервной сети при включенном контакторе 4. Временные диаграммы команд управления «Вкл.осн.», «Вкл.рез.», «Вкл. КУ» (фиг. 4а) иллюстрируют алгоритм управления контакторами 3, 4 и ключевого устройства 11 для поддержания гарантированного централизованного вторичного напряжения Е от напряжения основной Е и резервной Е сети и напряжения емкостного накопителя 13.
рез
2
Следует отметить, что при кратковременных провалах напряжения Е длительностью менее τ сохраняется включенное положение контактора 4 в условиях энергетической поддержки централизованного вторичного напряжения от емкостного накопителя 13.
выкл
При длительном спаде напряжения резервной сети длительностью более τ в условиях отсутствия напряжения основной сети ключевое устройство 11 отключается, что соответствует нарушению условий гарантированного электропитания. Другой причиной нарушения условий является разряд накопителя до уровня соответствующего понижению выходного напряжения датчика зарядного напряжения 12.4 до порога отключения релейного элемента 6.1, либо при понижении сервисного напряжения источника 5 до уровня отключения релейного элемента 6.2.
в
min
н
1
min
в
н
в
На практике в предлагаемом тракте вторичного электропитания с резервированием формирование централизованного вторичного напряжения Е (фиг. 4а) обеспечивается при наличии хотя бы одной сети (основной либо резервной) с напряжением выше минимально допустимого значения E. При этом реализуется заряд емкостного накопителя до напряжения E>E и обеспечивается гарантированное формирование сервисного напряжения электропитания, что соответствует команде «Готов» на выходе схемы контроля 6. Причем гарантированное централизованное напряжения сохраняется в диапазоне E<Е<Е как при наличии кратковременных провалов напряжения основной либо резервной сети объекта так и при переходе к электропитанию с одной сети на другую. При этом выделенный диапазон изменения напряжения Е соответствует условиям номинальной работы DC/DC преобразователей 9.1…9.N в составе N-канального преобразователя 9 и не приводит к изменению вторичных напряжений ответственных потребителей при переключении сетей электропитания, что выгодно отличает предлагаемое техническое решение от устройства-прототипа.
Дополнительным преимуществом заявляемого устройства является подавление ИКП за счет замыкания импульсных перенапряжений через RD-цепь 16 в емкостной накопитель, что позволяет значительно уменьшить импульсные помехи на выходах N-канального преобразователя 9 и облегчает работу DC/DC преобразователей 9.1…9.N в его составе.
Указанные преимущества заявляемого изобретения достигается без дублирования выходных DC/DC преобразователей отдельных потребителей и не требуют использования низковольтных диодных сумматоров. Соответственно, предлагаемый тракт вторичного электропитания с резервированием позволяет практически вдвое уменьшить габариты и более чем на 10-20% сократить потери энергии по сравнению с устройством-прототипом и аналогами, что особенно значимо при гарантированном электропитании ответственных потребителей с большой суммарной мощностью потребления (5-10) кВт. При этом также повышается стабильность вторичных напряжений электропитания потребителей, особенно для низковольтных напряжениях, где отклонения при переключении сетей объекта уменьшаются в 1,5-2 раза.
На предприятии изготовлен экспериментальный образец узлов тракта вторичного электропитания с резервированием, испытания которого подтвердили заявляемый технический результат от использования настоящего изобретения, что позволило рекомендовать его использование в приборах электропитания группы ответственных потребителей гидроакустического комплекса с мощностью потребления до 10 кВт от основной и резервной сети объекта напряжением постоянного тока (175-320) В.