СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ МОДУЛЬНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ И МОДУЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
METHOD OF THE INCREASED RELIABILITY MODULAR POWER SUPPLY SOURCE CONSTRUCTION AND MODULAR POWER SUPPLY SOURCE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для создания средств электропитания применительно к бортовой авиационной технике для потребителей ГОСТ Р 54073-2010 с целью обеспечения необходимым напряжением питания потребителей авиационных систем ЛА повышенной надежности в сложных условиях эксплуатации. В соответствии с ГОСТ Р 54073-2010 существует ряд первичных бортовых источников тока для потребителей электроэнергии на борту ЛА: = 27 В; В 400 Гц и = 270 В. Каждая бортовая система, входящая в состав ЛА, самостоятельно обеспечивает себя необходимыми вторичными источниками питания в зависимости от категории потребителя, при этом качество первичного питания для потребителей не всегда удовлетворяет требованию бортовых систем по величине пульсаций, наличию выбросов и провалов в питании.
Известные классические способы построения структуры источников питания имеют следующие недостатки:
- наличие последовательно включенных компонентов в цепях питания нагрузки, где отказ любого электронного компонента из общего состава модулей приводит к отказу всей системы питания;
- отклонение параметров входного напряжения от номинального приводит к изменению выходных параметров источника и возможному отказу всей системы в целом.
В качестве прототипа выбрано техническое решение - патент RU №2604662, МПК G05F/573 «Резервированный источник питания постоянного напряжения».
Данный источник, содержащий в своем составе основной и резервный каналы питания, в котором повышение надежности резервированного источника питания достигается за счет резервирования схемы стабилизатора с применением гальванической развязки и обеспечением параллельной работы нескольких каналов, при этом надежность источника повышается за счет резервного канала.
Недостатком прототипа является:
- отсутствие резервирования по входу первичного напряжения;
- одноконтурная система контроля уровней, в которой перераспределение выходной мощности осуществляется за счет входных уровней на входах узла управления;
- величина выходного напряжения с уровнем, определяемым как «перемноженное» и измеренное изолированным гальванометром, контролируется программно-аппаратным способом и не всегда может удовлетворять требованиям потребителя.
Технической задачей изобретения является создание унифицированного подхода к принципу построения модульных источников питания на базе самозащищенных DC/DC преобразователей, у которых:
- в структуре питания все силовые цепи резервируемые, что обеспечивает повышения надежности бортовых систем ЛА;
- питание устройств осуществляется от нескольких первичных бортовых источников тока различного напряжения также с целью обеспечения резервирования;
- постоянно осуществляется контроль величины выходного напряжения на выходе вторичных модулей и программно принимаются меры по восстановлению;
- используется дополнительное устройство для централизованного управления за состоянием требуемого питания, как от первичного источника тока, так и управлением вторичных источников напряжения по поддержанию на выходных шинах необходимого напряжения;
- используются дублирующие и резервирующие выходные модули со встроенной защитой от перегрузки, контролем наличия питающих напряжений;
- результатом постоянного самоконтроля является формирование интегрального сигнала Исправности о состоянии, как модульного источника питания, так и наличия всех входных питающих напряжений.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение живучести, надежности и КПД вторичных источников питания, построенных на DC/DC преобразователях для потребителей 2 и 3 категории бортовых систем ЛА, первичное питание которых осуществляется по ГОСТ Р 54073-2010 посредством:
- использования для первичного питания нескольких источников тока ЛА, включаемых программно при отказе основного источника;
- организации дублирования и резервирования модульных вторичных источников питания с DC/DC преобразователями, входное питание которых осуществляется с промежуточных шин организованных по уровню питающих напряжений первичных источников тока посредством программного управления DC/DC модулей питания. Выравнивание уровня выходных напряжений модулей (при необходимости) осуществляется по отдельному регулировочному выводу;
- применение в источнике питания встроенного контроллера для обеспечения централизованного управления включением/отключением модулей питания и контроля о состоянии всех питающих напряжений;
- организации многоконтурной защиты модулей питания от перенапряжения, провалов напряжения и перегрузки,
- постоянного самоконтроля работоспособности источника с формированием внешнего интегрального сигнала «Исправность».
Способ построения модульного источника питания повышенной надежности заключающийся в создании его структуры с последовательным подключением модулей питания посредством использования промежуточных шин, организованных по уровню питающих напряжений соответствующих первичным источникам тока ЛА, при этом при перебоях в цепи питания основного источника первичного тока, наличии провалов напряжения в условиях аварийной работы и отключения первичной питающей сети, выполняют подключение резервных источников тока другого уровня с напряжением промежуточной шины для питания основных самозащищенных DC/DC модулей питания, кроме этого, с целью повышения надежности основных модулей, осуществляют дублирование основных выходных модулей по уровню выходного напряжения при отказе или перегрузке по току одного или нескольких выходных модулей, при этом контроль наличия питающих напряжений осуществляет встроенный контроллер.
При этом состав модулей выбирается применительно к определенной по величине нагрузке, где каждый входящий модуль - конструктивно самозащищенный DC/DC преобразователь с встроенным ШИМ (ЧИМ) регулированием, собственными параметрами по входу и выходу, гальванической развязкой, защитой по току перегрузки, имеющий вход внешнего управления включением.
Данный способ построения позволяет существенно повысить надежность бортовых систем ЛА, повысить КПД устройств энергопотребления, несмотря на кажущееся увеличение числа модулей в источнике питания за счет выделения промежуточных шин, снизить уровень влияния радиопомех.
Техническим результатом предложенного способа построения питания повышенной надежности и КПД является устройство, работа которого предназначена для жестких условиях эксплуатации ответственных систем ЛА:
- при перебоях в цепи питания основного источника первичного тока, наличие провалов напряжения в условиях аварийной работы и отключения первичной питающей сети за счет использования для входного питания нескольких первичных источников тока ЛА обеспечивающих дублирование, подключаемых на время отключения основного источника; а также - организация структуры построения питания с последовательным подключением модулей питания посредством использования промежуточных шин питания модулей, организованных по уровню питающих напряжений первичных источников тока ЛА;
- при отказе или перегрузке по току источника вторичного питания одного или нескольких модулей в последовательной цепи преобразования источника питания используется дублирование и резервирование основных модулей вторичного питания;
- введение дополнительного устройства - контроллера, предназначенного для централизованного программного управления модулями, входящими в состав источника питания и контроля наличия всех питающих напряжений, организация многоконтурной защиты выходных модулей от перенапряжения, пропадания напряжения и перегрузки. Применения в модульном источнике питания встроенного контроллера с централизованным включением модулей и контролем наличия питающих напряжений позволяет повысить КПД источника и снизить потребляемую мощность от первичных источников тока, сигнализировать о наличии неисправности в системе питания. Посредством постоянного самоконтроля состояния входных и выходных напряжений модульный источник питания формирует внешний интегральный сигнал контроля - Исправность.
При отказе контроллера работоспособность источника питания не нарушается, но общей КПД источника снижается за счет одновременного подключения и потребления тока ненагруженных преобразователей от основного источника тока сети.
Таким образом, использование модульного источника питания на базе DC/DC модулей со встроенной функцией внутренней защиты по току, напряжению, дистанционным управлением, применение последовательно - параллельных подключенных модулей в режиме дублирования в выходных цепях, способность программного подключения к различным первичным источникам тока с использованием постоянного самоконтроля дает возможность использовать их в ответственных системах повышенной надежности. Постоянный самоконтроль, малое количество резервных элементов, незначительные габариты, высокая степень защищенности и живучести определяет назначение модульных источника питания.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена функциональная схема модульного источника питания с контролем наличия входных питающих напряжений 115 В / 400 Гц левый борт, 115 В / 400 Гц правый борт, 27 В и выходных 5 В и 12 В, на фиг. 2 приведена функциональная схема модульного источника питания с контролем наличия входных питающих напряжений 115 В / 400 Гц, 27 В левый борт и 27 В правый борт и выходных 5 В и 12 В; на фиг 3 приведена функциональная схема модульного источника питания с контролем наличия питающих входных напряжений 270 В, 115 В / 400 Гц и 27 В и выходных 5 В и 12 В; на фиг. 4 структурная схема узла А8 - контроллера.
Примером реализации данного способа построения модульного источника питания являются устройства, функциональные схемы которых приведены на фиг. 1-3.
Модульный источник питания, представленный на фиг. 1, подключен по входу к следующим источникам тока с питанием: Вход 1 с напряжением 115 В / 400 Гц - левый борт, Вход 2 с напряжением 115 В / 400 Гц - правый борт и Вход 3 = 27 В. Модульный источник питания содержит в своем составе выпрямительный мост - узел А1, вход которого (верх) подключен к источнику питания Вход 1 и выпрямительный мост узел А2, подключенный по входу - к источнику Вход 2, Выходы узлов А1 и А2 (низ) являются промежуточной шиной питания с уровнем около 150 В, которая в свою очередь подключена к входу узла A3, и к входу 4 узла А8 - контроллера.
Вход 3 источника Вход 3 = 27 В подключен к эмиттеру транзисторного ключа VT1. База транзисторного ключа VT1 подключена ко выходу Упр 1 узла А8. Выход узла A3 и коллектор VT1 формируют шину 27 В промежуточного питания, которая подключена к входу 5 узла А8, а также являются источником питания узлов А4…А7. Выводы дистанционного управления Вкл узлов A3. А4…А7 подключены к входам 12…16 узла А8. Выходы узлов А4, А5 подключены к выходной шине 12 В и к входу 6 узла А8. Выходы узлов А6, А7 подключены к выходной шине 5 В, а также к входу 7 узла А8. Выход 100 является выходом сигнала «Исправность».
Работа модульного источника питания, приведенного на фиг. 1, осуществляется следующим образом:
при наличии входных напряжений 115 В 400 Гц - левый борт и (или) 115 В 400 Гц - правый борт на клеммах Вход 1, Вход 2 на выходе узлов AT и А2-мостовых выпрямителей будет присутствовать выпрямленное напряжение, соответствующее уровню промежуточной шины 150 В, которое обеспечивает питание узла A3 и контролируется входом 4 узла А8 - контроллера. В соответствии с программой прошивки контроллера при наличии напряжения 150 В по включению формируются управляющие сигналы 12, 14 и 16. В результате по входам 1, 4, 6, 7 узла А8 проводится контроль наличия необходимых выходных напряжений. При наличии всех входных и выходных напряжений формируется интегральный выходной сигнал «Исправность». Если в процессе работы модульного источника питания на шинах 12 В или 5 В контролируется по входам 6 и (или) 7 узла А8 снижение (провал) напряжения, включаются по выход 13, 15 узла А8 резервные источники питания А5 и (или) А7, компенсирующие снижение выходного напряжения. Кроме организации контроля за уровнем выходного напряжения на шинах 12 В и 5 В, узлом А8 обеспечивается контроль и тока потребления нагрузки путем управления включением /отключением резервных модулей питания с целью регулирования выходной мощности источников и повышения КПД модульного источника питания в целом. При отказе модулей A1, А2 или A3 при пропадания входного напряжения на шине 150 В и шине 27 В, контролируемое по входам 4 и 5 узла А8, снижается напряжение на шине 27 В, в результате формируется команда Упр1, открывающая транзисторный ключ VT1, запирается узел A3 выходной командой 12 узла A3, при этом входное напряжение с клеммы 3 = 27 В по выходному управляющему сигналу Упр 1 открывает транзисторный ключ VT1, который питает шину 27 В напряжением 27 В, восстанавливая необходимую работоспособность выходных модулей и напряжение на шинах. При отсутствии любого входного или выходного напряжения на входах узла А8 интегральный выходной сигнал Исправность не формируется (отсутствует). При восстановлении напряжения 150 В на входе 4 узла А8 транзистор VT1 запирается, восстанавливая первоначальную работу модульного источника питания. Примененный режим работы транзисторного ключа VT1 в статическом и динамическом режимах снижает токи потребления от первичного бортового источника и обеспечивает бесперебойную работу модульного источника.
Модульный источник питания, представленный на фиг. 2, подключен по входу к следующим источникам тока с питанием: Вход 1 с напряжением 115 В/400 Гц, Вход 2 с напряжением БС 27 В - левый борт и Вход 3 БС 27 В - правый борт. Модульный источник питания содержит в своем составе выпрямительный мост - узел А1, вход которого подключен к источнику питания Вход 1. Выход узла А1 (нижний) является входом узла А2, а Выход узла А2 с коллектором VT1 и коллектором VT2 формируют шину 27 В промежуточного питания, которая подключена к входу 5 узла А8, а также является входом узлов A3…А6. Вход 2 источника БС 27 В-левый борт подключен к эмиттеру транзисторного ключа VT1. Вход 3 источника БС 27 В - правый борт подключен к эмиттеру транзисторного ключа VT2. База транзисторного ключа VT1 подключена к выходу Упр 1 узла А8, база транзисторного ключа VT2 подключена к выходу Упр 2 узла А8. Выводы дистанционного управления Вкл узлов А2…А6 подключены к входам 11, 13…16 узла А8. Выходы узлов A3, А4 подключены к выходной шине 12 В и к входу 6 узла А8. Выходы узлов А5, А6 подключены к выходной шине 5 В, а также к входу 7 узла А8. Выход 100 является выходом сигнала исправность.
Работа модульного источника питания, приведенного на фиг. 2, осуществляется следующим образом:
при наличии входного напряжения 115 В, 400 Гц на клемме Вход 1 на выходе узла А1-моста выпрямительного будет присутствовать выпрямленное напряжение, соответствующее уровню промежуточной шины 150 В, которое обеспечивает питание узла А2 и контролируется входом 1 узла А8-контроллера. В соответствии с программой прошивки узла А8 - контроллера при наличии напряжения 150 В по включению формирует управляющие сигналы 11, 14 и 16. В результате по входам 1, 5, 6, 7 узла А8 проводится контроль наличия необходимых входных напряжений. При наличии всех входных напряжений (на контактах 1, …3, 5…7) и выходных (на контактах 11, 14, 16) напряжений формируется интегральный выходной сигнал «Исправность». Если в процессе работы модульного источника питания на шинах 12 В или 5 В контролируется по входам 6 и (или) 7 узла А8 снижение (провал) напряжения, включаются по выходам 13, 15 узла А8 резервные источники питания А5 и (или) А7, компенсирующие снижение выходного напряжения. Кроме организации контроля за уровнем выходного напряжения на шинах 12 В и 5 В узлом А8 обеспечивается контроль тока потребления нагрузки путем включения /отключения резервных модулей питания с целью регулирования выходной мощности источников и повышения КПД модульного источника питания в целом. При отказе модулей A1, А2 при пропадания входного напряжения на Входе узла А2 и шине 27 В, контролируемое по входам 1 и 5 узла А8, снижается напряжение на шине 27 В, в результате формируется команда Упр1, открывающая транзисторный ключ VT1, запирается узел А2 выходной командой 11 узла А2. При этом входное напряжение с клеммы 3 = 27 В - левый борт по выходной управляющей команде Упр 1 открывает транзисторный ключ VT1 и запитывает шину 27 В напряжением БС 27 В - левый борт, восстанавливая необходимую работоспособность выходных модулей А3…А6 и напряжение на шинах нагрузки. При отсутствии любого входного или выходного напряжения на входах узла А8 интегральный выходной сигнал «Исправность» не формируется (отсутствует). При отказе или пропадании напряжения = 27 В - левый борт по снижению напряжения на входе 5 узла А8 формируется управляющая команда Упр 2 подающая напряжение БС 27 В - правый борт на шину 27 В посредством транзисторного ключа VT2, и снимая команду Упр1. При восстановлении напряжения 150 В на входе 5 узла А8 снимается команда Упр2 и запирается транзистор VT2, восстанавливая первоначальную работу модульного источника питания. Примененный режим работы транзисторных ключей в статическом и динамическом режимах снижает токи потребления от первичного бортового источника.
Модульный источник питания DC/DC модулей питания, представленный на фиг. 3, содержит с своем составе модуль А1, вход которого подключен к источнику питания Вход 1 с напряжением = 270 В и входу 1 узла А8 - контроллера, Вход 2 с напряжением 115 В 400 Гц, подключен к выпрямительному мосту - узлу А2, Вход 3 = 27 В подключен к эмиттеру транзисторного ключа VT2. Выход с выпрямительного моста подключен к входу 2 узла А8. Выход модуля А1 подключен к промежуточной шине 150 В. Кроме этого, к шине 150 В подключен коллектор транзисторного ключа VT1, а его база к выводу Упр 2 узла А8. Шина 150 В подключена к входу 4 узла А8. Вход модуля A3 подключен к шине 150 В и входу 4 узла А8. Выход модуля A3 подключен к шине 27 В. К этой же шине 27 В подключен коллектор транзисторного ключа VT2, база которого подключен к выходу Упр 2 узла А8. Шина 27 В подключена к к входу 5 узла А8 и к входам модулей А4…А7. Выходы модулей А4, А5 подключены к шине 12 В, а выходы модулей А6, А7 подключены к шине 5 В. Шина 12 В подключена к входу 6 узла А8, а шина 5 В подключена ко входу 7 узла А8. Дистанционный вход управления модуля А1 - Вкл подключен к выходу 11 узла А8, вход модуля A3 Вкл подключен к выходу 12 узла А8, вход модуля А4 Вкл подключен к выходу 14 узла А8, вход модуля А5 Вкл подключен к выходу 13 узла А8, вход модуля А6 Вкл подключен к выходу 16 узла А8, вход модуля А7 Вкл подключен к выходу 15 узла А8. С выхода 100 узла А8 формируется интегральный сигнал «Исправность».
Работа модульного источника питания (фиг. 3) происходит следующим образом:
при наличии всех входных напряжений = 270 В, 115 В 400 Гц и = 27 В (на входах) модульного источника питания, поступающих на входы контроллера - узла А8, в соответствии с программой зашивки контроллера, по включению в котором формируются управляющие сигналы 11. 12, 14 и 16 и подключается один из входных источников тока (например (=270 В). В результате по входам 4, 3, 5, 6 узла А8 проводится контроль наличия необходимых выходных напряжений. При наличии всех входных и выходных напряжений формируется интегральный выходной сигнал Исправности. Если в процессе работы модульного источника питания на шинах 12 В или 5 В контролируется по входам 5 и (или) 6 узла А8 снижение (провал) напряжения, включаются по выходам 13, 15 узла А8 резервные источники питания А5 и (или) А7, компенсирующие снижение выходного напряжения. Кроме организации контроля уровней выходного напряжения на шинах 12 В и 5 В, узлом А8 обеспечивается контроль и за током потребления нагрузки путем управления включением /отключением резервных модулей питания с целью повышения выходной мощности источников. При отказе модуля А1 или пропадания входного напряжения = 270 В снижается напряжение на шине 150 В, что контролируется входом 4 узла А8, в результате формируется команда Упр1, открывающая транзистор VT1 и снимая команду Вкл узла А1-выход 11 узла А8, подается напряжение около 150 В на шину 150 В, восстанавливая необходимую работоспособность выходных модулей и напряжение на выходных шинах нагрузки. При отсутствии любого входного или выходного напряжения на входах узла А8 интегральный выходной сигнал «Исправность» не формируется (отсутствует). При пропадании напряжения = 270 В и напряжения 115 В 400 Гц одновременно, снижается напряжение на шинах 150 В и 27 В и соответственно на входах 3, 4 узла А8, которое на это время формирует команду Упр 2, включая транзистор VT2 и отключая транзистор VT1, который в свою очередь подключает входное напряжение =27 В на шину 27 В, восстанавливая напряжение шины 27 В и обеспечивая работоспособность выходных модулей А4…А7 с напряжениями на шинах 12 В и 5 В до необходимого уровня. После восстановления входных питающих напряжений 270 В и 115 В 400 Гц транзисторы VT1 и VT2 запираются. Примененный режим управления транзисторов VT1, VT2 позволяет работать в статическом или динамическом режиме с целью снижения тока потребления от первичного бортового источника.
В состав всех модульных источников питания входит узел А8 - контроллер ИП, структурная схема которого представлена на фиг. 4.
В состав контроллера ИП входят оптопары входных сигналов А1…А7, управляющая микросхема D1, организованная по принципу работы дешифратора или ПЗУ и выходные оптотранзисторные ключи Т1…Т9. Входы А1…А7 являются одноименными входами узла А8 и подключены к одноименным входам D1. Выходы D1 (8…16) являются входами оптотранзисторных ключей Т1…Т9, а выходы которых являются одноименными выходами узла А8. Прошивка БМК для каждого варианта модульного источника питания индивидуальна.
Состав входных - выходных команд контроллера ИП:
- входные аналоговые сигналы предназначены для контроля уровня входных напряжений: - напряжение =270 В; - напряжение уровнем = 150 В (выпрямленное напряжение 115 В 400 Гц); напряжения =27 В;. +12 В и =5 В;
- выходные команды управления предназначены для включения/отключения DC/DC модулей по цепям дистанционного управления, управлением транзисторных ключей VT1 и VT2, управляемых сигналами Упр 1 и Упр 2; формирование интегрального сигнала контроля «Исправность».
Работа контроллера ИП определяется программой прошивки микросхемы D1, которая для каждой системы ЛА индивидуальна.