Интеллектуальная система преобразования напряжения постоянного тока для динамически изменяющейся нагрузки
INTELLIGENT DC VOLTAGE CONVERSION SYSTEM FOR DYNAMICALLY VARYING LOAD

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям, размещаемым в закрытых бункерах подвижных агрегатов, состоящим из нескольких модулей преобразования напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока (модулей DC/DC), с гальванической развязкой входных и выходных цепей преобразователя, и может быть использовано для питания стабилизированным напряжением потребителей с динамически изменяющейся нагрузкой.
Известны статические системы преобразования напряжения, содержащие, для увеличения выходной мощности, параллельно включенные по выходу через разделительные диоды несколько преобразователей постоянного тока, каждый с контуром стабилизации выходного тока, который включает в себя датчик выходного тока преобразователя, выходом подключенный к первому входу узла сравнения, а также датчик общего тока нагрузки, который через делители тока подключен ко второму входу каждого из узлов сравнения [1, стр. 142-143]. Недостатком такого решения является невысокая точность распределения тока нагрузки между преобразователями, например ±10% при 50% их загрузке. Это приводит к нерациональному использованию преобразователей, состоящему в неоправданном завышении их установленной мощности, а также создает условия для локальных перегревов оборудования.
Известно также устройство для параллельной работы преобразователей, содержащее преобразователи-стабилизаторы постоянного тока, силовая часть каждого из которых своим выходом через разделительные диоды подключена к выходным шинам, причем каждый преобразователь-стабилизатор содержит собственный контур стабилизации выходного напряжения и контур стабилизации выходного тока преобразователя-стабилизатора, содержащий датчик выходного тока, одним выводом подключенный ко входу дифференциального усилителя выходного тока, а вторым выходом к силовой части преобразователя, при этом выход дифференциального усилителя выходного тока подключен к первому входу устройства сравнения, второй вход которого соединен с уставкой напряжения, а его выход - к второму входу дифференциального усилителя выходного напряжения, при этом датчики выходного тока преобразователей-стабилизаторов входами соединены между собой и подключены к выходным шинам, между входами дифференциального усилителя стабилизации выходного тока включены ограничительные диоды, при этом катоды диодов объединены, что позволяет равномерно распределить нагрузку, обеспечить одинаковые тепловые режимы работы, а также одинаковый срок службы преобразователей [2].
Недостатком такого устройства, обеспечивающего параллельную работу преобразователей, являются ограниченные возможности температурной компенсации динамически изменяющейся нагрузки при размещении группы преобразователей в закрытом бункере подвижного агрегата.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, содержащее (N+1) одинаковых преобразователя напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока (модули DC/DC), нагрузочная способность каждого из которых равна значению номинальной нагрузки, поделенной на N и распределенную систему управления, позволяющую равномерно распределять нагрузку между работающими преобразователями, а также автоматически переводить в горячий резерв и обратно преобразователи при изменении нагрузки или отказе работающих преобразователей [3].
Недостатком этого устройства, принятого нами за прототип, является то, что, с одной стороны, не все преобразователи находятся в работе, что снижает коэффициент возможной перегрузки при динамическом изменении нагрузки и вызывает неравномерный тепловой режим преобразователей, а с другой, отсутствует контроль температурных условий в месте размещения группы преобразователей, что снижает отказоустойчивость и не обеспечивает пожарную безопасность постоянно работающего электрооборудования. Кроме того, ограничена возможность замены неисправного преобразователя при электропитании потребителей, не допускающих перерыва.
Целью изобретения является повышение нагрузочной способности при динамически изменяющейся нагрузке и отказоустойчивости системы преобразования в целом.
Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее (N+1) одинаковых преобразователей напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока (модули DC/DC), нагрузочная способность каждого из которых равна значению номинальной нагрузки, поделенной на N и распределенную систему управления, вводятся в верхней части бункера N датчики температуры, размещаемые равномерно, подключенные к блоку управления системы термостатирования, которые по правилу «ИЛИ» максимальных температур воздуха в бункере формируют сигналы «включение (отключение) принудительной вентиляции бункера», предупреждающий сигнал «перегрев» и исполнительный сигнал «пожар», при этом все (N+1) модули преобразователей работают параллельно. Кроме того, модули преобразователей напряжения оснащаются разъемными соединениями всех кабельных линий, а также коммутационными аппаратами на входе и выходе, отключаемыми системой управления по сигналам защит от токов перегрузки, короткого замыкания и перегрева. Кроме того, силовая часть модулей преобразователей напряжения оснащается двухступенчатой защитой от перегрева, которая формирует сигналы: предупреждающий «перегрев модуля» и исполнительный «пожар».
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства.
Оно содержит:
1 - источник постоянного тока;
2, 3, 4 - модули преобразователей напряжения постоянного тока в постоянный с гальванической развязкой (DC/DC);
5 - коммутационный аппарат на входе модуля преобразователя;
6 - силовая часть модуля преобразователя;
7 - датчик выходного тока модуля преобразователя;
8 - коммутационный аппарат на выходе модуля преобразователя;
9 - разделительный диод модуля преобразователя и шин потребителей;
10 - систему управления модуля преобразователя;
11 - пульт управления модуля преобразователя;
12 - дифференциальный усилитель контура стабилизации тока;
13 - ограничительный диод;
14 - датчик температуры силовой части модуля преобразователя;
15 - блок управления системы преобразования напряжения;
16 - пульт местного управления системы преобразования напряжения;
17 - пульт дистанционного управления (внешняя система) системы преобразования напряжения;
18, 19, 20 - датчик температуры воздуха в бункере;
21 - вентилятор обдува модулей преобразователей системы принудительной вентиляции;
22 - потребители стабилизированного напряжения;
23 - бункер системы преобразования напряжения;
24 - шина выравнивания токов преобразователей.
Устройство работает следующим образом.
Напряжение от источника питания постоянного тока 1 поступает на входы модулей преобразователей напряжения постоянного тока в постоянный с гальванической развязкой 2, 3 и 4.
В каждом, параллельно работающем модуле преобразователей, напряжение постоянного тока через включенный входной коммутационный аппарат 5 поступает на силовую часть модуля преобразователя 6, в которой происходит последовательное инвертирование напряжения в переменный ток, преобразование в трансформаторе, выпрямление и фильтрация напряжения.
Далее напряжение из модуля преобразователя 6 через датчик тока, включенный выходной коммутационный аппарат 8 и разделительный диод 9 поступает на объединенные шины потребителей стабилизированного напряжения 22.
Управление и регулирование работой модуля преобразователя выполняет система управления 10, включающая контур стабилизации выходного напряжения и контур стабилизации выходного тока модулей преобразователя-стабилизатора, содержащий датчик выходного тока, одним выводом подключенный ко входу дифференциального усилителя выходного тока, а вторым выходом к силовой части преобразователя. Выход дифференциального усилителя выходного тока подключен к схеме управления модуля преобразователя. При этом датчики выходного тока преобразователей-стабилизаторов входами соединены между собой и подключены к выходным шинам, между входами дифференциального усилителя стабилизации выходного тока включены ограничительные диоды, а катоды диодов объединены шиной выравнивания токов 24, что позволяет равномерно распределить нагрузку, обеспечить одинаковые тепловые режимы работы.
Если при параллельной работе модулей преобразователей, например, более загружен модуль 2, то сигнал с датчика тока 7, через ограничительный диод 13 поступает на шину выравнивания токов 24 и запирает соответствующие ограничительные диоды в других модулях 3 и 4, так как он более высокого уровня, чем сигналы с датчиков тока соответствующих модулей. На шине выравнивания токов 24 сигнал равен сигналу датчика тока 13, поэтому на входе усилителя 12 одинаковые сигналы, а на выходе усилителя 10 - ноль. Следовательно, в схему управления 10 с усилителя 12 сигнал коррекции не поступает. В модулях преобразователей 3 и 4, у которых нагрузка меньше, и соответственно, меньше сигнал с датчиков тока, на выходе усилителей присутствует разность сигналов с шины выравнивания токов 24. Усилители модулей 3 и 4 усиливают эту разность и выдают в соответствующую схему управления сигнал коррекции, после отработки корректирующих воздействий силовой частью модуля токи модулей преобразователей становятся близкими к току модуля 2.
Силовая часть модулей преобразователей 6 выполняется с промежуточным звеном на высокой частоте, обеспечивая тем самым улучшение их массогабаритных характеристик, а разделительные трансформаторы, входящие в модуль и регуляторы напряжения, обеспечивают требуемую электромагнитную совместимость источников питания с потребителями.
Пульт управления 11 модуля преобразования 2, подключенный к системе управления 10, позволяет осуществлять локальный контроль работы и управлять режимами работы модуля преобразователя.
Пульт местного управления 16 системы преобразования напряжения, подключенный к блоку управления 15, позволяет осуществлять контроль работы и управление режимами работы системы преобразования, размещенной в бункере 23, в том числе и системы принудительной вентиляцией бункера.
Пульт дистанционного управления 17 системы преобразования напряжения, подключенный к блоку управления 15, позволяет осуществлять взаимодействие с вышестоящими системами по контролю работы и управлению режимами работы системы преобразования.
При отсутствии на выходе модуля преобразователя перегрузки или короткого замыкания схема управления 10 производит постоянный контроль силовой части модуля, стабилизацию напряжения, равномерное распределение токов, а также контроль температурного режима.
В режиме перегрузки, т.е. при выходном токе модуля преобразования, больше номинального значения, но меньше тока короткого замыкания, происходит выдача сигнала в блок управления системы 15, далее на пульт дистанционного управления 17, а также запуск таймера задержки на отключение модуля. В случае отсутствия снижения нагрузки в течение заданного интервала времени происходит отключение модуля преобразователя коммутационными аппаратами 5 и 7, соответственно на входе и выходе.
В режиме короткого замыкания, т.е. при выходном токе модуля преобразования больше допустимого значения, происходит отключение модуля преобразователя коммутационными аппаратами 5 и 7, а также выдача сигнала в блок управления системы 15 и далее на пульт дистанционного управления 17.
Система управления 10 модуля преобразователя посредством датчика температуры 14 производит контроль температуры силовой части модуля, при этом используется две уставки защиты: при достижении температуры модуля значения 70°C формируется в блоке управления 15 предупреждающий сигнал «перегрев модуля», а при превышении температуры модуля значения 100°C формируется исполнительный сигнал «перегрев модуля», по которому происходит отключение модуля коммутационными аппаратами 5 и 7.
в
о
пер
пож
В верхней части бункера 23 (фиг. 2) равномерно размещены N датчиков Dt температуры 18-20, подключенные к блоку управления системы 15, которые по правилу «ИЛИ» максимальных температур воздуха в бункере формируют сигнал на вентилятор обдува 21 «включение (отключение) принудительной вентиляции бункера» при достижении соответствующих уставок по температуре Т (Т), а также предупреждающий сигнал «перегрев» - при температуре Т и исполнительный сигнал «пожар» - при температуре Т (фиг. 3). По сигналу «перегрев» происходит формирование донесения на пульт дистанционного управления 17 для возможного перевода системы в другой режим работы, а по исполнительному сигналу «пожар» происходит отключение всех модулей преобразователей 2-4 и вентилятора обдува 21.
Все (N+1) модули DC/DC работают постоянно, равномерно распределяя нагрузку между собой, что с одной стороны позволяет снизить температуру силовой части каждого из модулей и равномерно распределить тепловыделения по объему бункера, а с другой позволяет обеспечить высокое качество переходных процессов (допустимое отклонение напряжение в динамическом режиме) при резком изменении нагрузки. Кроме того, нахождение всех модулей DC/DC в одинаковых тепловых режимах работы позволяет уменьшить отклонения выходных параметров за счет исключения температурного разброса характеристик схемных элементов силовой части модулей.
В случае отказа одного из модулей преобразователей 2-4 по сигналу от системы управления 10 происходит его отключение коммутационными аппаратами 5 и 7 соответственно на входе и выходе, далее формируется донесение в блок управления системы 15 и на пульт дистанционного управления 17. Наличие в системе преобразования избыточного количества преобразователей «N+1», коммутационных аппаратов на входе и выходе каждого модуля преобразователя, отключаемых системой управления по сигналам защит, а также разъемных соединений всех кабельных линий позволяет персоналу объекта выполнить необходимые и своевременные действия по восстановлению работы системы путем замены отказавшего модуля на исправный без отключения потребителей системы.
Таким образом, предлагаемая система преобразования напряжения постоянного тока имеет резервированную параллельную архитектуру и обладает широкими функциональными возможностями: стабилизация напряжения, равномерное распределение нагрузки между параллельно включенными преобразователями, защита от перегрузок и токов коротких замыканий, перегрева и возгорания, локальное и дистанционное управление, позволяет повысить нагрузочную способность при динамически изменяющейся нагрузке и создать условия эксплуатации модулей преобразования напряжения, обеспечивающие бесперебойность электроснабжения ответственных потребителей при отказоустойчивости системы преобразования в целом.
Заявителям не известен путь решения поставленной задачи с приведенной совокупностью существенных признаков, что говорит об "изобретательском уровне" технического решения.
Предлагаемое техническое решение практически реализовано в системе автономного электроснабжения подвижного агрегата, серийно выпускаемого АО «ГОКБ «Прожектор».
Приведенные данные и сведения подтверждают возможность промышленного осуществления предлагаемого изобретения.
Источники информации
1. Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. - М.: Энергоатомиздат, 1987. 184 с.
2. Патент РФ №2376695 С1, кл. H02J 3/46, опубл. 20.12.2009.
3. Патент РФ №2324272 С2, кл. H02J 9/06, опубл. 10.05.2008.