Интеллектуальный преобразователь напряжения постоянного тока для динамически изменяющейся нагрузки

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям, состоящим из нескольких модулей двухканального преобразования напряжения постоянного тока (Direct Current) в напряжение постоянного тока (из модулей DC/DC), получающих питание от основной и резервной сети напряжения постоянного тока, с гальванической развязкой входных и выходных цепей преобразователя, и может быть использовано для бесперебойного электропитания ответственных потребителей различных объектов (подвижных и стационарных) промышленного и военного назначения с динамически изменяющейся нагрузкой. Предлагаемый преобразователь напряжения постоянного тока имеет резервированную параллельную архитектуру и обладает широкими функциональными возможностями: защита каналов силового оборудования преобразователя фильтры - инверторы - трансформаторы - выпрямители от воздействия импульсно-коммутационных перенапряжений, проникающих из питающей сети; защита каждого модуля DC/DC преобразователя от перегрузок, токов коротких замыканий и перегрева; динамическое включение в работу (вывод в горячий резерв) необходимого числа модулей DC/DC преобразователя при набросе (сбросе) суммарного тока нагрузки. Технический результат - повышенная нагрузочная способность и отказоустойчивость преобразователя в целом. Преобразователь состоит из (N+1)-го числа одинаковых модулей DC/DC, нагрузочная способность каждого из которых равна значению номинальной нагрузки, поделенной на N. В каждом из модулей DC/DC имеется собственная микроконтроллерная система управления. Системы управления модулей DC/DC имеют возможность обмениваться информацией по шине (типа CAN-bus) и являются равноправными (то есть не разделены по признаку «Ведущая система управления» и «Ведомые системы управления»). Оригинальные идентичные алгоритмы, реализованные во всех микроконтроллерах равноправных систем управления модулей DC/DC преобразователя, обеспечивают: автоматический контроль работоспособности систем управления модулей DC/DC после подачи питания на преобразователь и определение степени готовности преобразователя к приему нагрузки, автоматический переход при аварии основной сети на питание от резервной сети и возврат к питанию от основной сети при восстановлении основной сети и отключении резервной сети, формирование управляющих воздействий на инверторы первого и второго канала преобразования с целью стабилизации напряжения на нагрузке при нахождении уровня напряжения основной или резервной сети в допустимом интервале значений напряжения, включение в работу такого числа модулей DC/DC преобразователя, которое соответствует значению суммарного тока нагрузки преобразователя, вывод в горячий резерв и, соответственно, сохранение ресурса силового оборудования не работающих под нагрузкой оставшихся модулей DC/DC, равномерное распределение нагрузки между параллельно работающими модулями DC/DC, перевод (при номинальной нагрузке) в горячий резерв только одного из модулей DC/DC, автоматический ввод в работу резервного модуля DC/DC при увеличении нагрузки сверх номинальной или при однократном отказе (при отказе одного из модулей DC/DC), информирование внешней системы управления о факте отказа в преобразователе (и, следовательно, о его работе без резерва по мощности). Полученное внешней системой управления сообщение об отказе позволяет выполнить обслуживающему персоналу объекта необходимые и своевременные действия по восстановлению работы преобразователя в исходном (отказоустойчивом) режиме с избыточной мощностью «N+1» (замена отказавшего модуля DC/DC на исправный из состава ЗИП). 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Текст описания приведен в факсимильном виде.

1. Интеллектуальный преобразователь напряжения постоянного тока для динамически изменяющейся нагрузки, состоящий из модуля двухканального преобразования напряжения постоянного тока (Direct Current) в напряжение постоянного тока (модуля DC/DC), первый канал которого содержит инвертор первого канала преобразования, вход которого является первым силовым входом модуля DC/DC, питающийся от основной сети и подключенный к первичной обмотке трансформатора первого канала преобразования, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через выпрямитель первого канала преобразования, а второй канал преобразования модуля DC/DC содержит инвертор второго канала преобразования, вход которого является вторым силовым входом модуля DC/DC, питающийся от резервной сети и подключенный к первичной обмотке трансформатора второго канала преобразования, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через выпрямитель второго канала преобразования, контрольное напряжение на нагрузке через датчик напряжения подключено к первому входу аналого-цифрового преобразователя системы управления модулем DC/DC, аналого-цифровой преобразователь системы управления модулем DC/DC подключен к первому входу микроконтроллера системы управления модулем DC/DC, первый выход микроконтроллера системы управления модулем DC/DC через блок драйверов силовых ключей первого канала преобразования системы управления модулем DC/DC подключен к входу инвертора первого канала преобразования, второй выход микроконтроллера системы управления модулем DC/DC через блок драйверов силовых ключей второго канала преобразования системы управления модулем DC/DC подключен к входу инвертора второго канала преобразования, отличающийся тем, что в него введены второй, ..., N-й и (N+1)-й модуль DC/DC (одинаковые с первым модулем DC/DC), фильтры импульсно-коммутационных перенапряжений первого и второго канала преобразования, датчики тока инвертора первого и второго канала преобразования, датчик температуры первого модуля DC/DC, выходные фильтры первого и второго канала преобразования, датчики тока нагрузки первого и второго канала преобразования, блоки питания от основной и резервной сети, схема развязки цепей питания, часы реального времени системы управления первым модулем DC/DC, память энергонезависимая системы управления первым модулем DC/DC, адаптер шины информационного обмена системы управления первым модулем DC/DC; первый, второй и третий датчики тока нагрузки преобразователя, шина информационного обмена, внешняя система управления, причем фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений первого канала преобразования включен между основной сетью и инвертором первого канала преобразования, фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений второго канала преобразования включен между резервной сетью и инвертором второго канала преобразования, датчик тока инвертора первого канала преобразования включен между инвертором первого канала преобразования и первичной обмоткой трансформатора первого канала преобразования, датчик тока инвертора второго канала преобразования включен между инвертором второго канала преобразования и первичной обмоткой трансформатора второго канала преобразования, выход инвертора первого канала преобразования подключен ко второму входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC, выход инвертора второго канала преобразования подключен к третьему входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC, выход датчика тока инвертора первого канала преобразования подключен к четвертому входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC, выход датчика тока инвертора второго канала преобразования подключен к пятому входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC, выход датчика тока нагрузки первого канала преобразования подключен к шестому входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC, выход датчика тока нагрузки второго канала преобразования подключен к седьмому входу аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC, выход выпрямителя первого канала преобразования и последовательно включенные выходной фильтр первого канала преобразования и датчик тока нагрузки первого канала преобразования, а также выход выпрямителя второго канала преобразования и последовательно включенные выходной фильтр второго канала преобразования и датчик токов нагрузки второго канала преобразования образуют общий силовой выход первого модуля DC/DC, ко второму входу-выходу микроконтроллера системы управления первым модулем DC/DC подключен адаптер шины информационного обмена системы управления первым модулем DC/DC, к третьему входу микроконтроллера системы управления первым модулем DC/DC подключена память энергонезависимая системы управления первым модулем DC/DC, к четвертому - часы реального времени системы управления первым модулем DC/DC, к пятому - датчик температуры первого модуля DC/DC, вход блока питания от основной сети подключен к выходу фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений первого канала преобразования, первый выход блока питания от основной сети подключен к входу питания фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений первого канала преобразования, второй выход блока питания от основной сети подключен к первому входу схемы развязки цепей питания, вход блока питания от резервной сети подключен к выходу фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений второго канала преобразования, первый выход блока питания от резервной сети подключен к входу питания фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений второго канала преобразования, второй выход блока питания от резервной сети подключен ко второму входу схемы развязки цепей питания, выход схемы развязки цепей питания подключен к входам питания микроконтроллера системы управления первым модулем DC/DC, блока драйверов силовых ключей первого канала преобразования системы управления первым модулем DC/DC, блока драйверов силовых ключей второго канала преобразования системы управления первым модулем DC/DC, аналого-цифрового преобразователя системы управления первым модулем DC/DC и адаптера шины информационного обмена системы управления первым модулем DC/DC, второй вход-выход адаптера шины информационного обмена системы управления первым модулем DC/DC, являющийся информационным входом-выходом первого модуля DC/DC, подключен к шине информационного обмена, первые силовые входы второго, ..., N-го и (N+1)-го модулей DC/DC подключены к основной сети, вторые силовые входы второго, ..., N-го и (N+1)-го модулей DC/DC подключены к резервной сети, общие силовые выходы первого, второго, ..., N-го и (N+1)-го модулей DC/DC через последовательно соединенные первый, второй и третий датчики тока нагрузки преобразователя подключены к нагрузке, выходы первого, второго и третьего датчик тока нагрузки подключены соответственно к восьмому, девятому и десятому входам аналого-цифрового преобразователя системы управления первым, вторым, ..., N-м и (N+1)-м модулем DC/DC, информационные входы-выходы второго, ..., N-го и (N+1)-го модулей DC/DC подключены к шине информационного обмена, к которой также подключен вход-выход внешней системы управления.

2. Интеллектуальный преобразователь напряжения постоянного тока для динамически изменяющейся нагрузки по п.1, отличающийся тем, что фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений первого и второго канала преобразования содержит последовательно соединенные индуктивность, выходной электролитический конденсатор и узел активного подавления импульсно-коммутационных перенапряжений, состоящий из параллельно включенных биполярного транзистора с изолированным затвором и резистора, а также датчик входного напряжения и схему управления биполярным транзистором с изолированным затвором, состоящую из последовательно соединенных компаратора и блока драйверов биполярного транзистора с изолированным затвором, причем к первому входу компаратора подключено напряжение от датчика входного напряжения, а ко второму входу - опорное напряжение от делителя напряжения из двух резисторов, подключенных соответственно к блокам питания от основной и резервной сети.

3. Интеллектуальный преобразователь напряжения постоянного тока для динамически изменяющейся нагрузки по п.1 или 2, отличающийся тем, что микроконтроллер системы управления первым, вторым, ..., N-м и (N+1)-м модулем DC/DC выполнен с возможностью автоматического контроля работоспособности систем управления модулей DC/DC после подачи питания на преобразователь и определения степени готовности преобразователя к приему нагрузки, автоматического перехода при аварии основной сети на питание от резервной сети и возврат к питанию от основной сети при восстановлении основной сети и отключении резервной сети, формирования управляющих воздействий на инверторы первого и второго канала преобразования с целью стабилизации напряжения на нагрузке при нахождении уровня напряжения основной или резервной сети в допустимом интервале значений напряжения, включения в работу такого числа модулей DC/DC преобразователя, которое соответствует значению суммарного тока нагрузки преобразователя, вывода в горячий резерв и, соответственно, сохранения ресурса силового оборудования не работающих под нагрузкой оставшихся модулей DC/DC, равномерного распределения нагрузки между параллельно работающими модулями DC/DC, перевода (при номинальной нагрузке) в горячий резерв только одного из модулей DC/DC, автоматического ввода в работу резервного модуля DC/DC при увеличении нагрузки сверх номинальной или при однократном отказе (при отказе одного из модулей DC/DC), информирования внешней системы управления о факте отказа в преобразователе (и, следовательно, о его работе без резерва по мощности).