Многоканальная система питания

 

Использование: в системах питания постоянным током комплексов потребителей с различными значениями напряжения или требующих гальванической развязки. Сущность изобретения: система обеспечивает подключение аппаратуры управления только при появлении запроса на заряд секций аккумуляторов каналов питания и их обслуживании. 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. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам питания 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 многоканальная система питания (МСП), 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 управляющим 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].

Недостатками этой системы также являются повышенное энергопотребление по цепям питания составных элементов МСП и понижение эксплуатационного ресурса при непрерывном длительном, порядка 5-9 лет функционировании МСП.

Наиболее близкой к предлагаемой является многоканальная система электропитания, содержащая источник постоянного тока, тактовый генератор, блок коммутации с К информационными входами и К выходами по числу нагрузок, К каналов питания с двумя входными, двумя выходными силовыми и тремя управляющими выводами в каждом, включающих секции из М аккумуляторов, подключаемых к источнику постоянного тока через блок управления канала питания, имеющий два входных силовых разнополярных и два управляющих вывода, 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 выходам, а третьи управляющие выводы - к соответствующим информационным входам блока коммутации, цепи питания элементов блока коммутации, тактового генератора, каналов питания одной шиной подключены к соответствующим выводам источника постоянного тока, а цепи питания 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 МСП.

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 и К выходами 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, 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 выходам, а третьи управляющие выводы - к соответствующим информационным входам блока коммутации, а цепи питания каналов питания подключены к выводам источника постоянного тока, а цепи питания элементов блока коммутации, тактового генератора, 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 МСП 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 схемы ИЛИ, выходом подключенной к управляющему выводу (К + 1)-го 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, информационные выводы блока коммутации подключены к управляющим входам соответствующих ключевых элементов, первые силовые выводы которых соединены с источником постоянного тока, вторые с цепями 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)-й ключевой ячейки, а также их подключением.

Данная совокупность связей и элементов обеспечивает выполнение алгоритма функционирования МСП 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 выключении 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 МСП, что обеспечивает повышение эксплуатационного ресурса.

На чертеже представлена функциональная схема многоканальной системы питания 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 элементов.

Многоканальная система питания содержит источник постоянного тока 1, блок коммутации 2 с К информационными входами 3_к (К = 1 (1) 3) и К выходами 4_к по числу нагрузок, К каналов питания 5_к с двумя входными 6_к, 7_к, двумя выходными 8_к, 9_к силовыми и тремя управляющими выводами 10_к, 11_к, 12_к в каждом, включающих секцию из М аккумуляторов 13_км, подключаемых к источнику постоянного тока 1 через блок управления 14_к канала питания, имеющим два входных 15_к, 16_к, два выходных 17_к, 18_к силовых разнополярных и два управляющих 19_к, 20_к вывода. Устройство контроля состояния аккумуляторов 21_к с двумя входными 22_к, 23_к и одним выходным управляющим выводом, подключено к третьему выводу 12_к канала питания 5_к. Выходные силовые выводы 8_к, 9_к канала питания 5_к подключены к входным управляющим выводам 22_к, 23_к устройства контроля 21к состояния аккумуляторов и нагрузке 24_к. Первые управляющие выводы каналов питания 5_к подключены к выходу тактового генератора 25, вторые управляющие выводы 11_к - к соответствующим выходам 4_к, а третьи управляющие выводы 12_к - к соответствующим информационным входам 3_к блока коммутации 2, цепи питания 6_к, 7_к каналов питания 5_к подключены к выводам источника постоянного тока 1, а цепи питания элементов блока коммутации 2, тактового генератора 25, одной шиной подключены к соответствующим выводам источника постоянного тока. Цепи питания каждого устройства контроля 21_к состояния аккумуляторов 13_км двумя шинами непосредственно подключены к соответствующим выводам источника постоянного тока 1. Третьи управляющие выводы 12к каналов питания 5_к подключены к соответствующим номеру каналов входам схем ИЛИ 27, выходом подключенной к управляющему выводу (К + 1)-го ключевого элемента 26_К+1, первый силовой вывод которого соединен с источником постоянного тока 1, а второй - с другой шиной цепей питания элементов блока коммутации 2 и тактового генератора 25. Информационные выводы 4к блока коммутации 2 подключены к управляющим входам соответствующих ключевых элементов 26_к, первые силовые выводы которых соединены с источником постоянного тока 1, вторые с цепями питания элементов блока управления 14к канала питания 5_к.

Система работает следующим образом. Нагрузка 24₁ является наиболее важной (имеет высший приоритет), нагрузка 24₃ - 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 23_км заряжены, на шины питания всех устройств контроля состояния аккумуляторов 21_к подано напряжение источника постоянного тока 1, приоритет нагрузки задан. В этом случае на управляющих выводах всех устройств контроля состояния аккумуляторов 21₁-21₃ сигнал низкого (логический "0"). Данный сигнал поступает с управляющих выводов 12₁-12_к каналов питания 5₁-5₃, соответственно, на информационные входы 3₁-3₃ блока коммутации 2 и входы схем ИЛИ 27. Вторые шины питания блока управления 14_к каналов питания 5_к, вторые шины питания тактового генератора 25 и элементов блока коммутации 2 отключены от источника постоянного тока 1. Таким образом, источник постоянного тока 1 не подключен к аккумуляторам 13_км.

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 на второй вход схемы ИЛИ 27 и вход 3₂ блока коммутации 2. Единичный сигнал с выхода схемы ИЛИ 27 подается на управляющий вывод ключевой ячейки 26₄, последняя подключает своими силовыми выводами вторые шины питания элементов блока коммутации 2 и тактового генератора 25, обеспечивая тем самым включение блока коммутации 2 в работу, запуск тактового генератора 25 и выдачу тактовых импульсов на управляющие 10₁-10₃ входы каналов питания и соответственно на управляющие входы 20₁-20₃ их блоков управления 14₁-14₃. На входе 4₂ блока коммутации 2 (логика работы блока коммутации 2 может быть аналогична работе в (3)) появляется высокий потенциал, который поступает на управляющий вывод ключевой ячейки 26₂, последняя подключает своими силовыми выводами вторые шины питания элементов блока управления 14₂ канала питания 5₂ к источнику постоянного тока. Кроме того, сигнал высокого уровня с выхода 4₂ блока коммутации 2 поступает на второй управляющий вход 11₂ канала питания 5₂ и вход 19₂ его блока управления 14₂. Блок управления 14₂ при наличии сигнала управления на 11 входе и тактовых импульсов на 20₂ входе обеспечивает последовательное подключение секций аккумуляторов 13₂₁-13_{2 к} источнику постоянного тока 1 по круговому циклу до тех пор, пока на выходе устройства контроля состояния аккумуляторов 21₂ не появится низкий потенциал, сигнализирующий об окончании заряда аккумуляторов секции 13_2m канала питания 5₂. При этом каналы питания 5₁ и 5₃ заблокированы нулевыми логическими сигналами с выходов 4₁ и 4₃ блока коммутации 2, прикладываемыми к управляющим выводам ключевых ячеек 26₁, 26₃, а также к выводам 11₁, 11₃ каналов питания 5₁, 5₃ и соответственно к выводам 19₁ и 19₃ из блоков управления 14₁, 14₃, последовательно, появление тактовых импульсов на входах 10₁, 10₃ не приведет к срабатыванию каналов. Сигнал логический "0" поступает через вывод 12₂ на информационный вход 32 блока коммутации 2 и на второй вход схемы ИЛИ 27, которая обеспечивает включение ключевой ячейки 26₄ второй шины питания элементов блока коммутации 2, тактового генератора 25 и блока управления 14₂ канала питания 5₂ от источника постоянного тока 1, что соответствует отсутствию разрешения на заряд секции аккумуляторов 13_2m. При разряде секции аккумуляторов более важной (более приоритетной) нагрузки во время заряда аккумуляторов менее важной (менее приоритетной) нагрузки, например, 24₁ и 24₂, на информационный вход 3₁ блока коммутации 2 и на первый вход схемы ИЛИ 26 поступает сигнал высокого потенциала. Блок коммутации 2 при наличии сигнала высокого уровня на входе 3₁ обеспечивает его прохождение на выход 4₁ и сброс сигнала высокого уровня с выхода 4₂. Таким образом, сигнал высокого уровня с выхода 4₁ поступает на управляющий вход ключевой ячейки 26₁, которая обеспечивает подключение второй шины питания блока управления 14₁ канала питания 5₁ и на управляющий вход 11₁ данного канала питания, обеспечив тем самым включение канала 5₁ на заряд аккумуляторов 13_1m. Сброс сигнала высокого уровня с выхода 4₂ обеспечивает отключение от источника постоянного тока 1 аккумуляторов 13_2m и второй шины питания блока управления 14₂ канала питания 5₂. Заряд аккумуляторов 13_2m и включение второй шины питания блока управления 14₂ произойдет 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 ПИТАНИЯ, содержащая источник постоянного тока, тактовый генератор, блок коммутации с K информационными входами и K выходами 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, 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 аккумулятора и 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, цепи питания каналов питания подключены к выводам источника постоянного тока, а цепи питания элементов блока коммутации, тактового генератора 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 питания дополнительно введены схема ИЛИ на K входов и K+1 ключевых элемента, имеющих один управляющий и два силовых вывода, третьи управляющие выводы каналов питания подключены к соответствующим номеру каналов входам схемы ИЛИ, выходом подключенной к управляющему выводу (K+1)-го 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, информационные выходы блока коммутации подключены к управляющим входам соответствующих ключевых элементов, первые силовые выводы которых соединены с источником постоянного тока, вторые - с цепями питания элементов блока управления канала питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1