Система электропитания @ нагрузок

 

Изобретение позволяет улучшить массогабаритные характеристики системы электропитания (СЭ) N нагрузок и повысить надежность ее работы путем уменьшения электромагнитных помех . СЭ содержит первичный преобразователь постоянного напряжения, выходом соединенньй с входами N вторичных источников питания (ВИП). Каждый ВИП последующего включения состоит из регулирующего элемента 11, управляющий вход которого соединен с узлом 12 управления, и выходного фильтрующего узла. Каждьй ВИП

СООЗ СОНЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН ()9) (!1) 03 А (5в 4 С 05 Р 1/577 (2 1) 3734883/24-07 (22) 04.05.84 (46) 15. 12.85. Бюл. ¹ 46 (72) Т. Б. Гальперин, Г. Н. Громов, P.Â.Дроздов, А.М.Пушкин и Ю.С.Филаретов (53) 621.316.722.1(088.8) (56) Авторское свидетельство- СССР № 752289, кл. G 05 F 1/56, 1978.

Патент Великобритании № 1092273, кл. Н 2 F, 1969.

Авторское свидетельство СССР

¹ 647666, кл.. G 05 F 1/50, 1975.

Мкртчян Ж.А. Электропитание вычислительных машин. — M.: Энергия, 1980, с. 130, рис. 3.6. (54) СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Н НАГРУ30К (57) Изобретение позволяет улучшить массогабаритные характеристики системы электропитания (СЭ) N нагрузок и повысить надежность ее работы путем уменьшения электромагнитных помех. СЭ содержит первичный преобразователь постоянного напряжения, выходом соединенный с входами N вторичных источников питания (ВИП).

Каждый ВИП последующего включения состоит из регулирующего элемента

11, управляющий вход которого соединен с узлом 12 управления, и выходного фильтрующего узла. Каждый ВИП предварительного включения включает в себя еще и датчик тока 15 в силовой шине. Указанный эффект достигается введением (N — 1) согласующих узлов (СУ), причем вход каждого СУ соединен с выходом датчика тока 15

1198503 в ВИП предварительного включения, а выход подключен к входу управляющего узла ВИП последующего включения. Это . позволяет уменьш.ать пусковые токи в системе, чтои снижает уровень электромагнитных помех.7.э.п. ф-лы7ил.

Изобретение,относится к электротехнике и может быть использовано в качестве системы электропитания комплекса радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) .

Цель изобретения — улучшение массогабаритных характеристик, повышение надежности путем уменьшения электромагнитных помех, а также упрощение системы.

На фиг. 1 представлена общая блок-схема системы электропитания

N нагрузок, на фиг. 2 — частично раскрытая блок-схема системы с вторичными источниками питания различного типа, а также различные типы. датчиков тока," на фиг. 3 и 4 — варианты системы с согласующими узлами в виде программного логического узла, на фиг. 5-7 — варианты системы электропитания, в которых упрощается согласующий узел путем использования для сигнала окончания переходного процесса только выходного. напряжения вторичного источника питания, подаваемого на один из входов управляющего узла вторичного источника питания последующего включения (при этом вторичные источники питания предварительного включения должны быть стабилизированными) °

Система электропитания N нагрузок (фиг. 1) содержит первичную сеть переменного тока 1 (ПС), подключенный к ней первичный преобразователь 2 постоянного напряжения (ПППН), выход которого подключен к входам вторичных источников питания 3-6 (ВИП -ВИП ), соединенных выходами с функциональными нагрузками

7-10 (ФН -ФНн), причем каждый ВИП

4-6 (ВИП;-ВИН 1) последующего включения содержит во входной силовой шине регулирующий элемент 11 (РЭ(РЭ ), управляющий вход которого соединен с выходом управляющего узла 12 (УУ; -УУ ), выполненного по крайней мере с одним входом, выходной фильтрующий узел 13 (ВФУ;-ВФУ,1), включенный между входной силовой шиной и выходом (U,„.-U,,„), а каж-.

Sbf) дый ВИП (ВИП -ВИП,) предварительного включения содержит выход 14 (BKt ВК.„,,) датчика тока 15 (ДТ1—

ДТд 1) в силовой шине. Новые системные связи образованы с помощью введенных согласующих узлов 16—

18 (УС„ 1.-УС ), соединяющих ВИП ВИП последовательно, причем выход

УС подключен к входу УУ в ВИП последующего включения, а вход УС соединен с ВК датчика тока в ВИП предварительного включения.

На фиг. 2 приведена частично раскрытая блок-схема системы питания с ВИП различного типа — линейный стабилизатор 3 напряжения (ВИП ), нестабилизированный преобразователь

4 напряжения (ВИП,), импульсный стабилизатор 5 напряжения (ВИП,). Одновременно на фиг. 2 даны различные типы датчиков тока — резисторно30, транзисторный датчик тока в ВИПМИ, выходная клемма нестабилизированного преобразователя, используемая одновременно как датчик тока в ВИП,, индуктивно-транзисторный датчик тока в ВИП

Предлагаемая система электропитания (фиг. 1 и 2) работает следующим образом.

При включении первичной сети

40 переменного тока появляется напряжение на входе ППЧН, выходное напряжение которого (+U ) подается одновременно на входы ВИПМИ-ВИП1,. Однако после подключенйя +U включение ВИП1ВИП происходит последовательно во времени.

Пока некоторый ВИП предваритель1 ного включения выключен, ВИП;« последующего включения также выключен благодаря тому, что на узел управления 12 ВИП;« подан с выхода согласующего узла УС„ управляющий сигнал от ВК 14 ДТ 15 ВИ";. приводящий регулирующий элемент 11 в ВИП;,1 в закрытое состояние, при этом от

ПППН потребляется ток только ВИП; и ВИП предварительного к нему включения.

Включение ВИП происходит либо непосредственно напряжением +UN (фиг. 1), либо с помощью внешнего управляющего сигнала (фнг. 2), после чего начинается переходной процесс в ВИП, при этом уровни тока как во входной, так и выходной силовой шинах функционально взаимосвязаны и значительно превышают свое установившееся значение, что регистрируется

ДТ 15 при включении его в любую из . силовых шин. Сигнал на ВК 14 ВИП продолжает при этом воздействовать на УС1 так, что последний поддерживает ВИП в выключенном состоянии и, следовательно, выключены и все

ВИП последующего включения. После установления тока в силовой шине до некоторого, наперед заданного с по-. мощью ДТ 15 значения сигнал на ВК 14 через УС1 воздействует на УУ 12

ВИП, открывая в нем РЭ 11 и включая тем самым ВИП,. Аналогично указанно" му выше далее происходит взаимодействие по цепи ДТ вЂ” ВК -УС -УУ

1 1 с 1,1

РЭ„ « для каждой пары источников .ВИП,-ВИП„, и производится включение.всей системы.

Если ПППН стабилизирован по выкодному напряжению и снабжен устройством токовой защиты, имеющей порог срабатывания Т„, превышающий его номинальный rom I„„ м, то его установочная мощность Р, определяющая габариты, связана с его номинальной мощностью Р„ „,„и параметрами

ВИП системы следующими соотношениями: и р — р — > st ннОм1 (1)

U ° I

nqqq rl ном С1 где . — коэффициент запаса мощности

I„åt I„ном

198503 4

1 . — выходное напряжение и номиЧ Ном1 нальный ток нагрузки i-го источника, КПД i-ro источника.

Из выражения (1) очевидно, что построение системы электропитания должно приближать p(к единице, что и решается поочередным включением BHII.

10 При этом максимальный входной ток для 1-го ВИП последующего вклю-. чения (?вх„ „ ) должен удовлетворять следующему неравенству:

1-1

1 UHx IH нoмх вхмакс l P где i = 2, 3, ..., М, К = 1, 2, ..., 1

U — входное напряжение ВИП (выходное напряжение ПППН).

В случае использования импульсных стабилизаторов напряжения (ВИП,) в момент отрывания регулирую щего элемента возникает колебательный процесс в выходном фильтре, что приводит к значительному возрастанию входного тока. Последний можно выразить исходя из теории колебаний (считая, что входной фильтр в стабилизаторе отсутствует) в виде

U> p sin farccos (1(3)

1- Ф

Т вЂ”, — коэ ффициpi (Тьх с ) м где (4

45 (I ). = U„P; g; (2g; -1) (4) Время нарастания напряжения до номинального значения и тока до максимального определяется из выражения вх = Ь ° С р arcsin3 g ° (2)

-I

1) ) (5) 55 Оценки показывают, что для реальных схем величина (1 „ „,); в 3-4 раза превышает Тнном а величины свх х, составляют доли миллисекунд. ент передачи, волновое сопротивление, индуктивность и ем40 кость выходного фильтра i-го

ВИП.

После преобразования тригонометрической функции в (3) получим

198503 6

5 1

Постоянная времени в цепи регулирования в случае стабилизированных источников как правило существенно меньше tù,, поэтому в таких источни 1 ках переходной процесс выходного напряжения устанавливается быстрее, чем переходной процесс тока, так как время спада тока от максимального значения одного порядка с

Минимизация времени включения всей системы достигается, если сигнал, получаемый с ВК датчика тока, полностью с минимальной задержкой отражает переходной процесс тока—

ВК выдает сигнал, пропорциональный уровню превьппения тока. Для этого случая существуют варианты системы (фиг. 3 и 4) с выполнением УС в виде программного логического узла (ПрУ) 16 и 17, обрабатывающего сигнал с ВК l4, и выдающего сигнал на УУ 12. В качестве ВИП 1 и 2 используются импульсные стабилизаторы напряжения с ДТ 15, аналогичными ДТ, приведенными на фиг.2. Вследствие нелинейности характеристики выходного транзистора в ДТ сигнал на ВК близок к пропорциональной в двоичном коде зависимости от уровня превышения тока и в процессе установления тока изменяется в последовательности кодов 0,1,0. Данная последовательность логической информации поступает на вход ПрУ, образованный соединенными между собой входами инвертора 19 и RSD-триггера 20, выходы которых соединены с входами элемента

Шеффера 21, выход которого образует выход ПрУ. В результате на выходах

19 и 20 имеем последовательности кодов

1,0, 1 и О, 1, 1, соответственно, а на выходе 21 и,следовательно, на выходе ПрУ—

1,1„0. ПрУ выдает на выходе "0", включающий УУ и соответственно РЭ только после появления, а затем исчезновения в силовой цепи ВИП 1 всплеска уровня тока, т.е. только после установления переходного процесса.

В зависимости от выполнения УУ требуемая на его выходе информация может иметь вид как прямой (0,0, 1), так и инвертированной (1, 1 0) последовательности кодов. Таким образом, в общем виде ПрУ должно решать задачу преобразования последовательности х,х,х в последовательность у,у,у, . где хЕ fOt), y<(01$.

t5

На фиг. 4 представлен вариант системы с упрощением (по сравнению с системой на фиг. 3) ПрУ. Последнее достигается благодаря введению дополнительных связей с выходами ВИП.

Пру 16 и 17 выполнены в этом слу4 чае с двумя входами и преобразующими последовательности логической информации вида х,х,х по первому входу и х,х,х по второму входу в последовательность на выходе у,у,у, где хб(01,, уЕ101), при этом первый вход I ПрУ подключен к ВК 14

ДТ 15, а второй вход II подключен к выходу ВИП предварительного включения: ПрУ 16 — к ВИП», Пру 17 к ВИП . Типовые варианты ПрУ выпол- нены на оптоэлектронном интерторе

19, вход которого образует первый вход ПрУ, выход соединен с одним из входов элемента Шеффера 2 1 (ПрУ tá) или коньюнктора 22 (Пру 17), выход которых образует выход ПрУ, а другой вход образует второй вход

IIp Y.

Таким образом, работой ПрУ управляют сигналы, пропорциональные току и напряжению ВИП предварительного включения. В зависимости от состояния ВИП работа ПрУ и ВИП, происходит по логической схеме, представленной в таблице.

В соответствии с таблицеи работа системы на фиг. 4 происходит следующим образом.

Когда ВИП1 выключен, ток в его цепи отсутствует, на первый вход поступает "0", диоды оптоэлектронного инвертора 19 закрыты и на вход элемента Шеффера 21 выдается с выхода 19 "1", а на второй вход поступает с выхода ВИП1 "0", при этом на выходе ПрУ 1б имеем сигнал "1", закрывающий РЭ ВИП

Когда ВИП 1 начнет включаться и ток в силовой цепи его станет вьппе заданного значения, транзистор

ДТ t5 откроется, откроются оба диода инвертора 19 и на входы элемента Шеффера 2 1 поступит сигнал "0" с выхода 19 и по-прежнему с входа

II ПрУ, при этом на выходе ПрУ имеем по-прежнему сигнал "l", продолжающий поддерживать РЭ ВИП, в закрытом состоянии.

Когда напряжение на выходе ВИП достигнет номинального значения

U>ö„,, на вход II Пру поступит сиг11985и3

55 нал "1", однако пока переходной процесс тока не установился, на выходе 19 сохраняется сигнал "0", на выходе ПрУ вЂ” "1" и РЭ ВИП, остается в закрытом состоянии. Только после установления тока в силовой цепи ВИП„ транзистор ДТ 15 вновь закроется, инвертор 19 возвратится в исходное состояние, выдав на вход

2 1 сигнал " 1", и на выходе Пру 1б сформируется "0, открывая РЭ 11 и включая тем самым ВИП,.

Аналогичным образом взаимодействуют между собой и другие пары ВИП предварительного и последующего включения. При этом в качестве выходного элемента ПрУ может использоваться конъюнктор (ПрУ 17), выдавая на выходе прямую последовательность кодов 0,0,1, управляющую соответствующим РЭ.

Таким образом, указанная система (фиг. 4) может быть реализована с минимальным, как и система на фиг.3, временем включения, но с существенно более простой схемой ПрУ.

В ряде случаев, особенно при подключении большого количества относительно маломощных ВИП, целесообразно упростить согласующий узел, используя для сигнала окончания переходного процесса только выходное напряжение ВИП, подаваемое на один из входов УУ ВИП последующего включения. При этом ВИП предварительного включения должны быть стабилизированными.

Варианты таких систем даны на фиг. 5-7.

На фиг. 5 система содержит стабилизированные ВИП и ВИП, — 3 и 4 в виде импульсных стабилизаторов напряжения различной полярности, содержащих управляющий узел 12 из источника опорного напряжения 23 (ИОН) и усилительно-модулирующего узла 24 (У1Щ), один вход которого подключен к выходу ВИП, а другой— к ИОН, Согласующий узел 25 выполнен в виде блока задержки (БЗ), вход которого подключен к выходу ВИП предварительного включения, а выход образует выход узла сопряжения.

Выходная клемма ДТ в данном случае образуется выходом ВИП, и сигнал ее только частично отражает уровень превышения тока,. так как установление переходного процесса напря5 !

О

40 жения на выходе стабилизированного

ВИП, как показано выше, происходит быстрее, чем установление полного переходного процесса в выходном фильтрующем узле 13, в том числе и переходного процесса входного тока.

Этим и определяется необходимость блока задержки с временем задержки, не превышающим время установки переходного процесса в ВФУ 13.

Таким образом, при включении системы на выходе BHIII и ВИП последующего включения имеем "0" и происходит включение только ВИП4. В момент установления номинального значения

П „,„„ в BHII» на УУ ВИП по †прежне подан 0 в результате функционирования БЗ и только через ь ср на УУ ВИП, будет выдан сигнал " 1", включающий ВИП,.

Выполнение БЗ может. быть основано на цифровых или аналоговых элементах.

На фиг. б приведен пример выполнения БЗ в виде RC-фильтра и одновременно упрощения УУ за счет ис- ключения дополнительного входа. Выход БЗ 25 подключен к входу ИОН 23 и ВИП последующего включения. При выключенном состоянии ВИП предварительного включения питание ИОН в

ВИП последующего включения отсутствует, напряжение на выходе ИОН 23 также отсутствует и УМД 24 приводит

РЭ 11 в данном ВИП в разомкнутое .состояние.

Появление напряжения на выходе

ВИП приводит с задержкой, определяемой КС-фильтром, к появлению напряжений на входе и выходе ИОН ?3 в ВИП последующего включения, а

Ylß 24 приводит РЭ 11 в данном ВИП в рабочее состояние, производя включение ВИП.

Указанная система реализуется при стабилизированных ВИП одной полярности.

В системе с ВИП одной полярности при построении ее так, что выходное напряжение ВИН предварительного включения выше, чем выходное напряжение ИОН в ВИП последующего включения, а стабильность выходного напряжения ВИП последующего включения не выше, чем аналогичная стабильность

ВИП предварительного включения, возможно упростить УУ, используя выходное напряжение ВИП предварительного

98503

9 11 включения (или часть его) как опорное напряжение для ВИП последующего включения.

Данный случай представлен на фиг. 7, где У ы„, ВИП< выполняет функции ИОН для ВИП, при этом ВИП подключен к входу БЗ 25, а выход последнего используется как выход

ИОН для ВИП

Таким образом, в рассмотренных выше различных вариантах систем электропитания обеспечивается включение

ПППН на нагрузку, значительно меньшую номинальной, что исключает его перегрузку и перенапряжение на выходе в процессе включения. Далее обеспечивается поочередное подключение ВИП. Такой подход позволяет выпоЛнить ПППН.с учетом практически номинальной нагрузки и номинального выходного напряжения. При этом поочередность включения достигается весьма простыми средствами: роль устройств,, задерживаемых во време.ни включения, выполняют сами ВИП, а исполнительными управляющими устройствами являются узлы управления и простые согласующие цепи ВИП, т.е. система управления включением практически "растворена" в системе электропитания. В результате достигается повышенная функциональная способ,ность системы питания, что приводит к ухудшению массогабаритных характеристик, как за счет исключения специальных блоков управления, так и за счет существенного уменьшения расчетной мощности ПППН и максимального расчетного выходного напряжения. Путем уменьшения пусковых токов в системе электропитания снижается также уровень электромагнитных помех и повышается электромагнитная совместимость нагрузок .(комплекса Р;3А) в целом.

Формула изобретения

1. Система электропитания N. нагрузок, содержащая первичный преобразователь постоянного напряжения, вход которого соединен с выводами для подключения первичной сети переменного тока, а выход — с входами

N вторичных источников питания, выходы которых соединены с выводами для подключения соответствующей нагрузки, причем каждый вторичный источник питания последующего включения

5 !

О

50 состоит из регулирующего элемента, включенного во входную силовую шину источника и управляющим входом соединенного с выходом управляющего узла по крайней мере с одним входом, и выходного фильтрующего узла, включенного между выходом регулирующего элемента и выводом для подключения соответствующей нагрузки, а каждый вторичный источник питания предварительного включения включает в себя датчик тока в силовой шине, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью улучшения массогабаритных характеристик и повышения надежности путем уменьшения электромагнитных помех, в нее введено (N — 1) согласующих узлов, при этом вход каждого согласующего узла соединен с выходом датчика тока во вторичном источнике питания предварительного включения, а выход каждого согласующего узла подключен к входу управляющего узла вторичного источника питания последующего включения.

2, Система по и. 1, отличаю— щ а я с я тем, что датчик тока выполнен с пропорциональной в двоичном коде зависимостью выходного сигнала от уровня превышения тока в силовой шине, а согласующий узел выполнен в виде программного логического узла, преобразующего последовательность логической информации вида х,х,х в последовательность вида у,у,у, где хЯ(013, уе {0,13.

3. Система по пп. 1 и 2, о т— л и ч а ю щ а я с я тем, что датчик тока выполнен в виде резистора, включенного во входную силовую шину и шунтированного переходом эмиттер-база транзистора, коллектор которого соединен с выходом датчика тока, вход программного логического узла подключен к точке соединения входов введенных инвертора и RSDтриггера, выходы которых соединены с входами введенного элемента Шеффера, выходом соединенного с выходом программного логического узла.

4. Система по п. 1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что датчик тока выполнен с пропорциональной в двоичном коде зависимостью входного сигнала от уровня превышения тока в силовой шине, а согласующий узел— в виде двухвходового программного логического узла, преобразующего

1,198503

Состояние ВИП .

Сигнал на входе 1 Пру, пропорциональный

Состояние

ВИП последующего включения (ВИП, ) Сигнал

Сигнал на выходе опСигнал на входе II

ПрУ, пропорциональный напряжению. на выходе ПрУ предварительного включения тоэлектронного инвертора (ВИП ) току

Выключен

Выключен

Переходной процесс включения

0,1

Переходной процесс включения

Включен

Включен

0 совокупность последовательностей логической информации вида х,х,х по первому входу и х,х,х по второму входу в последовательность на выходе у,у,у, где х E (013, уе (О,13, при этом первый вход программного логического узла подключен к выходу датчика тока, а второй — к выходу вторичного источника питания предварительногб включения.

5. Система по пп. 1 и 4, о т— л и ч а ю щ а я с я тем, что программный логический узел выполнен на оптоэлектронном инверторе и конъюнкторе, при этом выход конъюнктора образует выход согласующего узла, один из входов конъюнктора соединен с выходом оптоэлектронного инвертора, другой вход его соединен с выходом вторичного источника питания предварительного включения, а выход датчика тока упомянутого источника соединен с входом оптоэлектронного инвертора.

6. Система по и. 1, о т л и ч аю щ .а я с я тем, что вторичные источники питания выполнены стабилизированными, управляющий узел в каждом из них состоит из источника опорного напряжения и усилительномодулирующего узла, подключенного одним из входов к выходу, а другим

5 входом к источнику опорного напряжения, согласующий узел подключен входом к выходу вторичного источника питания предварительного включения и выполнен в виде блока задержл л

1р ки с временем задержки с. с,с где C 1I — время установления переход- ного процесса тока в фильтрующем

- узле.

7. Система по пп. 1 и 5, о т л и— ч а ю щ а я с я тем, что вторичные источники питания имеют одну полярность и выход блока задержки подключен к входу источника опорного напряжения вторичного источника питания

yg последующего включения.

8. Система по пп. 1, 6 и 7, о т— л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью упрощения, в качестве источника опорного напряжения вторичного

25 источника питания последующего включения использован выход согласующего узла вторичного источника питания предварительного включения.

1198503

1198503

I 198503

ВНИИПИ Заказ 7720/47 Тираж 862 Подписное филиал БПП "Патент, r. Ужгород, ул.Проектная, 4