Многоканальная система электропитания

 

Использование: питание постоянным током комплексов потребителей с различными значениями напряжения, мощности или требующих гальванической развязки. Сущность изобретения: система содержит источник постоянного тока, тактовый генератор, блок коммутации с K информационными входами по числу нагрузок, K каналов питания, включающих секцию из M аккумуляторов, схему ИЛИ на K входов и (K+1) ключевых элемента. Система обеспечивает подключение аппаратуры управления только при появлении запроса на заряд секций аккумуляторов каналов питания и их обслуживания. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам электропитания постоянным током комплексов потребителей (нагрузок) с различными значениями номинального напряжения, мощности или требующих гальванической развязки.

Известно устройство для питания нагрузки постоянным током, содержащее ряд секций аккумуляторов, заряжаемых от источника электрической энергии (источник постоянного тока) через имеющие два силовых разнополярных входа и выхода управляемые ключевые ячейки. В состав устройства также входят: блок контроля состояния аккумуляторов, блок коммутации (выполненный в виде регистра), тактовый генератор и каналы питания (зарядно-разрядные блоки) по числу групп потребителей электроэнергии. В каждый из каналов питания введены управляемые ключевые ячейки. Причем каждый канал питания имеет три управляющих вывода. Первый управляющий вывод связан с общим тактовым генератором, а второй и третий управляющие выводы соединены с соответствующим счетным выходом блока коммутации (регистра) и его тактовым входом [1].

Известное устройство имеет следующие недостатки. В процессе функционирования устройства постоянно находится во включенном состоянии вся аппаратура блока коммутации, каналов питания, а также тактовый генератор. Графики энергопотребления объектов, на которых устанавливается известное устройство, определяются циклограммами работы систем-потребителей электроэнергии, и как правило, имеют неравномерный характер изменения по каждому из каналов электропитания. Неравномерность во времени графиков энергопотребления существенно увеличивается при многовариантности режимов работы объектов. Следовательно, постоянное включение всей аппаратуры блока коммутации, каналов питания и тактового генератора приводит к неоправданно завышенному энергопотреблению по цепям питания данных элементов и снижению эксплуатационного ресурса устройства.

Известна также многоканальная система электропитания (МСЭП), содержащая источник постоянного тока, тактовый генератор, блок коммутации с тактовым входом, К входами и К выходами по числу нагрузок К каналов питания с двумя входными силовыми, двумя выходными силовыми и тремя управляющими выводами в каждом, включающих секцию из М аккумуляторов, связанных с источником постоянного тока через М управляемых ключевых ячеек, каждая из которых имеет два входных силовых разнополярных, два выходных силовых разнополярных и один управляющий выводы, устройство контроля состояния аккумуляторов с двумя входными и одним выходным управляющими выводами, два формирователя импульсов, распределитель импульсов, схему И на два входа и схему НЕ, при этом входные силовые выводы каждого канала питания подключены к источнику постоянного тока, а выходные силовые выводы - к нагрузке, первые управляющие выводы каналов питания подключены к выходу тактового генератора, вторые управляющие выводы - к соответствующим выходам, а третьи управляющие выводы - к соответствующим информационным входам блока коммутации, причем в каждом канале питания первый управляющий вывод подключен к первому входу схемы И, второй управляющий вывод - к ее второму входу, а выход этой схемы соединен с тактовым входом распределителя импульсов, m-й выход которого подключен к управляющему входу соответствующей управляемой ключевой ячейки и последний выход распределителя импульсов подключен к входу первого формирователя импульсов, выход тактового генератора подключен к тактовому входу блока коммутации, который выполнен в виде совокупности К информационных трактов, каждый из которых содержит схему ИЛИ на два входа, первую схему И на два входа, триггер запроса на заряд и вторую схему И с числом входов, равным номеру тракта, в каждом тракте, первый вход первой схемы И соединен с единичным выходом триггера запроса на заряд, ее выход соединен с первым входом схемы ИЛИ, второй вход которой подключен к тактовому входу блока коммутации, а выход - к тактовому входу триггера запроса на заряд [2].

Недостатком этой системы также является повышенное энергопотребление по цепям питания составных элементов МСЭП и понижение эксплуатационного ресурса при непрерывном, длительном порядке 5-9 лет функционирования МСЭП.

Наиболее близкой к предлагаемой является многоканальная система электропитания, содержащая источник постоянного тока, тактовый генератор, блок коммутации с К информационными входами по числу нагрузок, К каналов питания с двумя входными, двумя выходными силовыми и тремя управляющими выводами в каждом, включающих секцию из М аккумуляторов, подключаемых к источнику постоянного тока через блок управления канала питания, имеющий два входных, два выходных силовых разнополярных и два управляющих вывода, образующих управляющие выводы канала питания, устройство контроля состояния аккумуляторов с двумя входными и одним выходным управляющим выводом, подключенным к третьему выводу канала питания, выходные силовые выводы канала питания подключены к входным управляющим выводам устройства контроля состояния аккумуляторов и нагрузки, первые управляющие выводы каналов питания подключены к выходу тактового генератора, вторые управляющие выводы - к соответствующим информационным выходам блока коммутации, а третьи управляющие выводы - к соответствующим информационным входам блока коммутации, цепи питания элементов блока коммутации, тактового генератора, элементов блока управления, каналов питания одной шиной подключены к соответствующим выводам источника постоянного тока, а цепи питания каждого устройства контроля состояния аккумуляторов двумя шинами непосредственно подключены к соответствующим выводам источника постоянного тока [3].

Недостатками этой системы являются повышенное энергопотребление цепей управления и пониженный эксплуатационный ресурс элементов МСЭП.

Цель изобретения - повышение эксплуатационного ресурса и снижение энергопотребления аппаратуры цепей управления многоканальной системы электропитания.

Достигается это тем, что в многоканальной системе электропитания, содержащей источник постоянного тока, тактовый генератор, блок коммутации с К информационными входами по числу нагрузок, К каналов питания с двумя входными, двумя выходными силовыми и тремя управляющими выводами в каждом, включающих секцию из М аккумуляторов, подключаемых к источнику постоянного тока через блок управления канала питания, имеющий два входных, два выходных силовых разнополярных и два управляющих вывода, образующих управляющие выводы канала питания, устройство контроля состояния аккумуляторов с двумя входными и одним выходным управляющим выводом, подключенным к третьему выводу канала питания, выходные силовые выводы канала питания подключены к входным управляющим выводам устройства контроля состояния аккумуляторов и нагрузке, первые управляющие выводы каналов питания подключены к выходу тактового генератора, вторые управляющие выводы - к соответствующим информационным выходам, а третьи управляющие выводы - к соответствующим информационным входам блока коммутации, цепи питания элементов блока коммутации, тактового генератора, элементов блока управления каналов питания одной шиной подключены к соответствующим выводам источника постоянного тока, а цепи питания каждого устройства контроля состояния аккумуляторов двумя шинами непосредственно подключены к соответствующим выводам источника постоянного тока, введены новые связи и элементы.

В частности, в МСЭП дополнительно введена схема ИЛИ на К входов и (К + 1) ключевых элемента, имеющих один управляющий и два силовых вывода, третьи управляющие выводы каналов питания подключены к соответствующим номеру каналов входам схем ИЛИ, выходом подключенной к управляющему выводу (К + 1) ключевого элемента, первый силовой вывод которого соединен с источником постоянного тока, а второй с другой шиной цепей питания элементов блока коммутации и тактового генератора, кроме того третьи управляющие выводы каждого канала питания подключены к управляющим входам соответствующих ключевых ячеек, первые силовые выводы которых соединены с источником постоянного тока, вторые - с другой шиной цепей питания элементов блока управления канала питания.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая система принципиально отличается наличием схемы ИЛИ на К входов и (К + 1) ключевой ячейки, а также их подключением.

Данная совокупность связей и элементов обеспечивает выполнение алгоритма функционирования МСЭП с включением в работу элементов блока коммутации, тактового генератора, а также соответствующего канала питания только при наличии сигнала запроса на заряд данного канала и их включении при его отсутствии, что позволяет сократить энергопотребление по цепям питания и сохранить эксплуатационный ресурс.

Введение совокупности отличительных признаков позволяет сократить время нахождения во включенном состоянии элементов в МСЭП, что обеспечивает повышение эксплуатационного ресурса.

На чертеже представлена функциональная схема многоканальной системы электропитания на три канала (К = 3). В общем случае при К нагрузках должно быть К каналов и в зависимости от параметров нагрузок в секции аккумуляторов каждого канала питания должно быть М аккумуляторов и М управляемых ключевых ячеек.

Многоканальная система питания содержит источник постоянного тока 1, блок коммутации 2 с К информационными входами 3к (К + 1(1) 3) и К выходами 4к по числу нагрузок, К каналов питания 5к с двумя входными 6к, 7к, двумя выходными 8к, 9к силовыми и тремя управляющими выводами 10к, 11к, 12к в каждом, включающих секцию из М аккумуляторов 13к, аккумуляторы подключены к источнику постоянного тока 1 через блок управления 14к канала питания 5к, имеющий два входных силовых разнополярных 15к, 16к, два выходных силовых разнополярных 17к, 18к и два управляющих 19к, 20к вывода, образующих управляющие выводы канала питания. Устройство контроля состояния аккумуляторов 21к имеет два входных 22к, 23к и один выходной управляющий вывод, который подключен к выводу 12к канала питания 5к. Нагрузка 24к подключена к выходным силовым выводам 8к и 9к канала питания. Первые управляющие выводы 10к каналов питания 5к подключены к выходу тактового генератора 25, вторые управляющие выводы 11к - к соответствующим информационным выходам 4к блока коммутации 2, а третьи управляющие выводы 12к - к соответствующим информационным входам 3к блока коммутации 2, и управляющим входам, соответствующих номеру канала питания ключевых ячеек 27к, а также входам схемы ИЛИ 26, выходом подключенной к управляющему выводу ключевой ячейки 27_к+1, первый силовой вывод которой соединен с источником постоянного тока 1, а второй вывод с второй шиной питания 28 элементов блока коммутации 2 и тактового генератора 25, первые силовые выводы всех ключевых ячеек 27к подключены к источнику постоянного тока 1, а вторые - к вторым шинам питания 29к элементов канала питания 5к, первые шины 30к которых, а также первая и вторая шина питания устройств контроля состояния аккумуляторов 21к подключена непосредственно к источнику 1.

Система работает следующим образом. Нагрузка 24 является наиболее важной (имеет высший приоритет), нагрузка 24з наименее важной (наименьший приоритет). Приоритетность нагрузки, ее изменение в процессе работы определяет сигнал, подаваемый на входные кодовые шины задания приоритета 31 блока коммутации 2. В исходном состоянии все секции аккумуляторов 13_км заряжены, на шины питания всех устройств контроля состояния аккумуляторов 21к подано напряжение источника постоянного тока 1, приоритет нагрузки задан. В этом случае на управляющих выводах всех устройств контроля состояния аккумуляторов 21₁-21₃ сигнал низкого уровня (логический "0"). Данный сигнал поступает с управляющих выводов 12₁-12₃ каналов питания 5₁-5₃ соответственно на информационные 3₁-3₃ блока коммутации 2, управляющие выводы ключевых элементов 27к и три входа схемы ИЛИ 26. Вторые шины питания элементов блока коммутации 2, тактового генератора 25, блоков управления 14₁-14₃ каналов питания 5₁-5₃ отключены от источника постоянного тока 1. Таким образом, источник постоянного тока 1 не подключен к аккумуляторам 13км.

Когда секция аккумуляторов в каком-либо канале питания, например 5₂, разрядится до определенной степени, об этом сигнализирует устройство контроля состояния аккумуляторов 21₂ путем выдачи потенциального сигнала в виде логической "1" (потенциал высокого уровня).

Сигнал единичного уровня через выход 12₂ канала питания 5₂ поступает во второй вход схемы ИЛИ 26, вход 3₂ блока коммутации 2, и на управляющий вывод ключевой ячейки 27₂, которая подключает своими силовыми выводами вторые шины питания элементов блока управления 14₂ канала питания 5₂ к источнику постоянного тока 1. Кроме того, единичный сигнал с выхода схемы ИЛИ 26 подается на управляющий вывод ключевой ячейки 27₄, последняя подключает своими силовыми выводами вторые шины питания элементов блока коммутации 2 и тактового генератора 25, обеспечивая тем самым его запуск и выдачу тактовых импульсов на управляющие 10₁-10₃ входы каналов питания 5к и соответственно на управляющие входы 20₁-20₃ их блоков управления 14₁-14₃.

На выходы 4₂ блока коммутации 2 (логика работы блока коммутации 2 может быть аналогична работе в (3)) появляется высокий потенциал, что соответствует разрешению на подключение секций аккумулятора 13₂₁-13_2м канала питания 5₂ к источнику постоянного тока 1. При этом каналы питания 5₁ и 5₃ заблокированы нулевыми логическими сигналами с выходов 4₁ и 4₃ блока коммутации 2, прикладываемыми к выводам 11₁ и 11₃ и соответственно 19₁ и 19₃ и тактовые импульсы генератора 25 не вызывают их срабатывания. Высокий потенциал с выхода 4₂ блока коммутации 2 поступает на второй управляющий вход 11₂ канала питания 5₂ и соответственно на второй управляющий вход 19₂ его блока управления 14₂. Блок управления 14₂ при наличии сигнала управления на 11₂ входе и тактовых импульсов на 20₂ входе обеспечивает последовательное подключение секций аккумуляторов 13₂₁-13_2м к источнику постоянного тока 1 по круговому циклу до тех пор, пока на выходе устройства контроля состояния аккумуляторов 21₂ не появится низкий потенциал, сигнализирующий о конце заряда аккумуляторов секции 13₂ (логический "0"). Сигнал логический "0" поступает через вывод 12₂ на информационный вход 3₂ блока коммутации 2 (и через выход 4₂ на второй управляющий вход 11₂ канала питания и соответственно на 19₂ вход его блока управления 14₂, что соответствует отсутствию разрешения на заряд секции аккумуляторов 13₂₁-13_2м канала питания 5₂) и через второй вход схемы ИЛИ 26 - на управляющий вывод ключевой ячейки 27₄, которая обеспечивает отключение второй шины питания элементов блока коммутации 2, тактового генератора 25, а ключевая ячейка 27₂ - блока управления 14₂ канала питания 5₂ от источника постоянного тока 1, что соответствует отсутствию разрешения на заряд секции аккумуляторов 13₂₁-13_2м.

При разряде секции аккумуляторов более важной (более приоритетной) нагрузки во время заряда аккумуляторов менее важной (менее приоритетной) нагрузки, например 24₁ и 24₂, сигнал об этом поступит на информационный вход 3₁ блока коммутации 2, первый вход схемы ИЛИ 26 и на управляющий вход ключевого элемента 27₁, который своими силовыми выводами подключает вторую шину питания 28₁ канала питания 5₁ к источнику постоянного тока 1, обеспечивая тем самым подготовку и включение элементов канала питания 5₁ в работу. Кроме того, блок коммутации 2 по данному сигналу отключает от источника постоянного тока 1 аккумуляторы 13₂ менее важной нагрузки 24₂ посредством выдачи нулевого потенциала на выходе 4₂ блока коммутации 2. Заряд аккумуляторов 13₂ менее важного канала питания 5₂ возобновится только после заряда аккумуляторов секции более важного канала питания 5₁.

Таким образом, использование изобретения позволит повысить эксплуатационный ресурс и снизить энергопотребление аппаратуры цепей управления, что обеспечивается технической реализацией отключения аппаратуры цепей управления при отсутствии запросов на заряд аккумуляторов.

Формула изобретения

МНОГОКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ, содержащая источник постоянного тока, тактовый генератор, блок коммутации с K информационными входами по числу нагрузок, K каналов питания с двумя входными, двумя выходными силовыми и тремя управляющими выводами в каждом, включающих секцию из M аккумуляторов, подключаемых к источнику постоянного тока через блок управления канала питания, имеющий два входных, два выходных силовых разнополярных и два управляющих вывода, образующих управляющие выводы канала питания, устройство контроля состояния аккумуляторов с двумя входными и одним выходным управляющим выводом, подключенным к третьему выводу канала питания, выходные силовые выводы канала питания подключены к входным управляющим выводам устройства контроля состояния аккумуляторов и нагрузки, первые управляющие выводы каналов питания подключены к выходу тактового генератора, вторые управляющие выводы - к соответствующим информационным выходам блока коммутации, а третьи управляющие выводы - к соответствующим информационным входам блока коммутации, цепи питания элементов блока коммутации, тактового генератора, элементов блока управления каналов питания одной шиной подключены к соответствующим выводам источника постоянного тока, а цепи питания каждого устройства контроля состояния аккумуляторов двумя шинами непосредственно подключены к соответствующим выводам источника постоянного тока, отличающаяся тем, что, с целью повышения эксплуатационного ресурса и снижения энергопотребления аппаратуры цепей управления, в систему электропитания дополнительно введена схема ИЛИ на K входов и K+1 ключевых элементов, имеющих один управляющий и два силовых ввода, третьи управляющие выводы каналов питания подключены к соответствующим номеру каналов входам схемы ИЛИ, выходом подключенной к управляющему выводу K+1 ключевого элемента, первый силовой вывод которого соединен с источником постоянного тока, а второй - с другой шиной цепей питания элементов блока коммутации и тактового генератора, кроме того, третьи управляющие выводы каждого канала питания подключены к управляющим входам соответствующих ключевых ячеек, первые силовые выводы которых соединены с источником постоянного тока, вторые - с другой шиной цепей питания элементов блока управления канала питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1