Устройство для электропитания

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

oi>729564

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (б1) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлеис 070177 (21) 2446723/24-07 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет

Опубликовано 25р480 Бюллетень ¹ 15

Дата опубликования описания 2504.80

4 05 F 1/10

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (5Ç) УДК 62 1, 316, . 722. 1 (088. 8) (72) Авторы изобретен и я

В.Я.Голубчик, Г.Я.Голубчик и В.Н.Коробейников (71) Заявитель

Ордена Ленина институт кибернетики AH Украинской CCP (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропитания цифровых вычислительных машин.

Известно устройство для электропитания, содержащее трансформаторы с управляемым под нагрузкой коэффициентом трансформации, измерительный элемент, узел управления исполнительным органом и исполнительный орган (1).

В известном устройстве стабилизация осуществляется при больших затратах энергии (c низким КПД) при плавной регулировке или с невысокой 15 точностью при использовании тиристоров (ограниченное число отводов), Автоматически не устрайяются также и ошибки, возникающие в тракте стабилизации в процессе эксплуатации. 20

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для электропитания, содержащее последовательно соединенные блок вентилей, блок фильтров и блок переключателей, выход которого служит для подключения блока нагрузок, синхронизатор, вход которого подключен к первому входному выводу для подключения пи- ÇÎ тающей сети, ко входу опорного источ" ника и к первому входу батареи аккумуляторов, блок индикации и сигнализации, пульт, один из входов которого служит для подключения ко второму входному выводу для включения или отключения устройства, и переключатель (2), Целью изобретения является повышение показателя качества устройства для электропитания.

Это достигается тем, что устройство для электропитания, содержащее последовательно соединенные, блок вентилей, блок фильтров и блок переключателей, выход которого служит для подключения блока нагрузок, синхронизатор, вход которого подключен к первому входному выводу для подключения питающей сети, ко входу опорного источника и к первому входу батареи аккумуляторов, блок индикации и сигнализации, пульт, один из входов которого служит для подключения ко второму входному выводу для включения или отключения устройства и переклю-. чатель, снабжено цифроаналоговым умножителем, выход которого подключен ко входу блока вентилей, первый вход — к указанному первому входному

729564 выводу,. второй — к выходу синхронизатора, информационным диспетчером, к выходу которого, соединенному со вторым входом блока переключателей, подключен третий вход цифроаналогового умножителя, аналого-цифровым преобразователем, первый вход которого соединен с выходом блока переключателей, второй — с выходом блока фильтров, третий — с третьим входом цифроаналогового умножителя, четвертый — с выходом переключателя, первый вход которого соединен с выходом батареи аккумуляторов, второй вход— с выходом опорного источника, а третий вход — с выходом информационного диспетчера, анализатором приращений, 5 выход которого соединен с первым входом информационного диспетчера, первый вход соединен с выходом аналого-цифрового поеобраэователя и вторым входом информационного диспетче- 20 ра, второй вход — c третьим входом

1 нформационного диспетчера, четверый вход которого соединен с выходом пульта, а третий вход анализатора приращений соединен с треть- 25 им входом цифроаналогового умножителя, цифроаналоговым преобразователем, один вход которого соединен с выходом информационного диспетчера, другой вход — с третьим входом информационного диспетчера, а выход — с пятым входом аналого-цифрового преобразователя, блоком уставок и констант, первый вход которого соединен с третьим входным выводом, 35 служащим для подключения к шине источника программ, второй вход — co вторым из указанных входов цифроаналогового преобразователя, третий вход — с третьим входом цифроаналогового преобразователя, а выход — с

40 пятым входом информационного диспетчера, шестой вход которого соединен с выходом блока сигнализации и индикации, входом соединенного с третьим входом цифроаналогового умножителя и другим входом пульта, причем выход батареи аккумуляторов соединен с третьим входом блока переключателей, а другой вход — с третьим входом блока уставок и констант, причем цифро- 50 аналоговый умножитель выполнен из последовательно соединенных узлов по числу разрядов входного кода, каждый из которых выполнен в виде дросселя, один и второй выводы которого соединены с первыми выводами вторичных обмоток трансформаторов .соседних узлов эа исключением младшего разряда, один вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, первичная обмотка трансформатора подключена одним 60 выводом .к первому входу цифроаналогового умножителя, другим выводом через цепь переключения — ко второму выводу вторичной обмотки трансформатора и к

65 шине нулевого потенциала, а два управляющих входа цепи переключения соединены со вторым и третьим входами цифроаналогового умножителя, выход которого гальванически и индуктивно подключен к трансформатору группы старшего разряда.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для электропитания; на фиг. 2 — схема цифроана-логового умножителя, Устройство для электропитания содержит блок 1 вентилей, блок 2 фильтров, блок 3 переключателей, блок 4 нагрузок, синхронизатор 5, блок 6 индикации и сигнализации, пульт 7, опорный источник 8, переключатель 9, батарею 10 аккумуляторов, цифроаналоговый умножитель 11, аналого-цифровой преобразователь 12, анализатор 13 приращений, информационный диспетчер 14, блок 15 уставок и констант, цифроаналоговый поеобразователь 16, шину 17 источника переменного напряжения, шину 18 источника программы и шину 19 оператора °

Цифроаналоговый умножитель 11, соединенный с источником переменного напряжения по шине 17, например с сетью, управляет значением переменного напряжения на входе блока 1 так, чтобы выпрямленные им и отфильтрованные блоком 2 постоянные напряжения, поступающие через .блок 3 на блок 4, поддерживались на нагруэках блока

4 постоянными пои изменении величины переменного напряжения на шине 17, при изменении величины нагрузок в блоке 4, и при изменении внешних условий (температуры, влажности, давления) .

Синхронизатор 5 формирует импульсные управляющие сигналы в моменты перехода переменного напряжения на шине

17 через нуль.

Изменение внутреннего состояния цифроаналогового умножителя 11 осуществляется в моменты времени, определяемые указанными импульсными сигналами, благодаря чему на элементах умножителя 11 отсутствуют перенапряжения и исключаются помехи переключения для нагрузок блока 4.

Напряжения с выхода блока 2 поступают на аналого-цифровой преобразователь 12, преобразующий указанные напряжения в пропорциональные им коды, поступающие на вход диспетчера 14, На вход диспетчера 14 с блока 15 поступают эталонные коды значений напряжений на нагрузках блока 4, коды верхней и нижней границ отклонения напряжений на нагрузках от номинала, коды максимальных и минимальных значений токов в нагрузках блоха 4, коды фиксированных интервалов времени, коды верхней и нижней границ ЭДС и внутреннего сопротивления источников

?29564 питания, эталонные контрольные коды и любые другие эталонные коды уставок констант. Хранение эталонов в цифровом, а не в аналоговом виде сушественно повышает точность эталонов при заданном числе разрядов в коде ° Блок15 представляет собой пассивное запоминаюшее устройство, выполненное, например, на диодах, ферритах, униполярных транзисторах в интегральном исполнении и т.п. Информацию в блоке

15 легко видоизменить источником внешней программы на шине 18, Диспетчер 14 вычисляет разницу между текущим значением кода соответствующего напряжения и его эталонным значением. Код разницы с выхода (5 диспетчера 14 поступает на вход умножителя 11, изменяя его состояние так, чтобы при изменении переменного напряжения на его выходе значение кода разницы кодов эталонного и теку- 2О шего стремилось к нулю.

Анализатор приращений 13 выделяет разницу текуших значений кодов ЭДС (Е) на выходе блока 2 и напряжений на нагрузках блока 4 (И) (получение значения ЭДС и внутреннего сопротивления устройства до блока 4 будет описано ниже), По этой разнице и известному значению внутреннего сопротивления r диспетчер 14 вычисляет текущее значение кода тока J в нагрузке блока 4 по формуле .e-u гв 35 которое сравнивается с эталонными а, значениями кодов верхней и нижней границ тока, записанными в блоке 15, Увеличение тока выше эталонного предела в течение заданного интервала QQ времени интерпретируется как короткое замыкание, ниже эталонного предела как неисправность устройства до блока 4, В каждом из этих случаев диспетчером 14 включается блок 6, указываюший место и причину неисправности, С пульта 7, осуществляется включение и выключение устройства для электропитания оператором по шине 19 или выключение в аварийных ситуациях диспетчером 14.

Диспетчер 14 определяет также порядок включения и выключения через блок 3 питаоших напряжений блока 4, представляюшего собой цифровую вычислительную машину, Алгоритмы включения и выключения питаюших напряжений >для современны>с вычислительных машин — достаточно сложная последовательность управляю- 60 ших действий, имеюших различную длительность.

Данное устройство благодаря воэможности перепрограммирования диспетчера 14 и изменения констант в блоке Я

15 позволяет сравнительно легко реализовать указанные алгоритмы и просто переориентировываться на самые разнообразные вы ислительные машины.

Особое значение для современных вычислительных машин, особенно больших, решающих сложные многочасовые задачи, и управляюших (аэрокосмических, энергетических, технологических) имеет продолжение вычислительного процесса при перерывах в поступлении переменного напряжения на шине 17, вызывающих стирание информации в оперативной памяти цифровой вычислительной машины. Сигналом об этом служит уменьшение напряжений на блоке 4 ниже заданного предела, например на 10-15%.

В этом случае диспетчер 14 отключает по заданной программе блок 4 от блока 2 с помощью блока 3 и подключает также по задачкой программе к блоку 4 батарею 10 аккумуляторов, которая до этого момента времени постоянно подзаряжалась с помошью внутреннего зарядного устройства от источника переменного напряжения по шине 17.

Блоки 12-16 питаются через переклю чатель 9 от опорного источника 8 или в аварийных ситуациях от батареи 10.

ЭДС (Е) и внутреннее сопротивление активного двухполюсника rg, состоящего из умножителя 11, блоков 1 и 2, вычисляется диспетчером 14 на основании теоремы об эквивалентном генераторе. Для этого диспетчер 14 регулярно через определенные промежутки времени, задаваемые блоком 15 по заданной программе, отключает блок 4 с помощью блока 3 от активного двухполюсника с одновременным подключением к блоку 4 батареи 10. Напряжение на выходе активного двухполюсника, которое в режиме холостого хода является искомой ЭДС (Е), измеряется аналого-цифровым преобразователем 12, Затем выход активного двухполюсника замыкается с помощью блока переключателей 3 через эталонное сопротивление, обеспечивающее режим, близкий к режиму короткого замыкания двухполюсника, на шину нулевого потенциала. По известному значению падения напряжения на эталонном сопротивлении, измеренном аналого-цифровым преобразователем 12, диспетчер 14 вычисляет ток короткого замыкания.

По известному значению ЭДС (Е) и тока короткого замыкания диспетчер 14 вычисляет внутреннее сопротивление двухполюсника.

Внутреннее сопротивление активного двухполюсника кроме вычисления тока в нагрузке блока 4 используется для контроля внутреннего состояния двухполюсника. Для этого вычисленное значение внутреннего сопротивления

729564 сравнивается с эталонными значениями верхней и нижней границ кодон внут реннего сопротивления, записанными в блоке 15. увеличение ннутреннего сопротивления может сницетельствонать, на5 пример, о высыхании конденсаторов, фильтров в блоке 2, об увеличении сопротивления вентилей блока 1, а уменьшение — о паразитных шунтируюших утечках, возникших в результате старения компонентов. Полученная информация высвечивается на блоке б.

После выполнения изложенного алгоритма, занимаюшего по времени единицы — десятки микросекунд и не влияюшего поэтому на выполнение основной 15 функции диспетчера 14 — стабилизации напряжений на блоке 4, блок 4 опять подключается к активному днухполюснику, Для самонастройки устройства дис- 20 петчер 14 считывает иэ блока 15 эталонный код настройки, поступаюший на вход прецизионного цифроаналогового преобразователя 16. Напряжение на выходе преобразователя 16 преоб- д разуется преобразователем 12 в код, который опять поступает на вход диспетчера 14, Входы преобразователей 12 и 16 также поочередно соединяются с шиной нулевого потенциала, и полученное значение преобразованного кода, которое в идеале должно было бы равняться нулю, поступает на вход диспетчера 14.

По полученным и эталонным кодам диспетчер 14 вычисляет как аддитивную, так и мультипликатинную погрешности преобразователя 12, связанные с изменениями внешних условий, напряжениями и токами дрейфа операционных усилителей преобразователей 12 и 16, 40 старением компонентов.

Значение кодов ошибок используются для коррекции значений стабилиэиронанных напряженчй на выходе активного двухполюсника. 45

По командам с диспетчера 14 измеряется преобразователем 12 напряжение на.выходе батареи 10 и по результатам этих измерений осуществляется управление подэарядным устройством бата-5О .реи 10.

Диспетчер 14 контролирует состояние блока 6 (например, входных регистров, элементов воспроизведения изображения) и пульта 7 (например, положение ручек регулировки) .

Внутреннее сопротивление ключей блока 3 и переключателя 9 рассчитывается диспетчером 14 по известным значениям напряжения до и после ключей, измеренных преобразователем 12, бО и по известным значениям тока в нагрузках блока 4 и сравнивается с эталонными значениями, хранимыми в блоке 15. Отклонение контролируемого параметра от номинала интерпретиру- 65 ется соответствуюшим образом (обрын, утечка, увеличение прямого солротиндтения ключа, например из-за износа контактов) и поступает для индикации и сигнализации на блок 6.

Цифроаналоговый умножитель 11 (см, фиг. 2) содержит трансформатор

20 с первичной обмоткой 21, нторичной обмоткой 22, индуктивность которой равна 2Ь, и с ключом 23, дроссели 24, индуктивность которых равна ь эа исключением дросселя младшего разряда, индуктивность которого ранна 2L), выходные обмотки 25, Каждая из первичных обмоток 21 трансформаторов 20 подключается к источнику переменного напряжения на шине 17 одним концом непосредственно, а вторый концом — через ключ 23.

Ключ 23 замыкается при одновременном выполнении днух условий: наличии 1 н соответствуюшем разряде кода с выхода диспетчера l4 на соотнетствуюшей шине и моменте времени, соотнетствуюшем переходу через нуль синусоидального переменного напряжения на шине l7 В этот момент времени синхронизатор 5 формирует разрешаюший импульс на шине 19.

Ключ 23 работает в релейном режиме — замкнут, разомкнут, поэтому потери энергии на ключах 23 незначительны.

На фиг. 2 срабатывание ключа 23 одновременно от двух сигналов показано условно.

Результируюшее напряжение на выходе умножителя 11 определится суммой напряжений с активиронанных трансформаторов 20 н соответствии с весами этих напряжений:

n-l

u =u 2+О.2+...+u 2 =u Å 2 о л n-.t г " г г о где U — напряжение на шине 17. г

Следовательно, U равняется произведению аналогового напряжения U на цифровой код.

Выходные цепи 25 непосредственно или индуктивно связаны с трансформатором 20, находящимся в старшем разряде.

С цепей 25 снимаются переменные напряжения, амплитуда которых соответствует требуемому спектру значений постоянных питающих напряжений на нагрузках блока 4 °

Использование новых элементов— цифроаналогового умножителя, аналогоцифрового преобразователя, анализатора приращений, информационного диспетчера, блока уставок и констант, цифроаналогового преобразователя ныгодно отличает данное устройство для электропитания от прототипа, так как используются гибридные цифроаналоговые методы переработки информации, позволяюшие гибко реагировать на

729564 самые раз нообраз йые ситуации, св я з анные с функционированием устройства, а именно: стабилизировать напряжение на нагрузке при изменении питающе" го напряжения, величины нагрузки, внешних условий (температуры, влажности, давления, старения) с одновременной коррекцией аддитивных и мультийликативных ошибок, возникающих в тракте стабилизации с контуром цифроаналоговой отрицательной обратной связи, что эквивалентно самонастройке, самокалибровке и самоорганизации; реализовывать сложные алгоритмы включения, выключения, переключения устройства, вычисления и контроля параметров, характеризующих функциональнук)5 надежность устройства (ЭДС,ток корот кого замыкания, внутреннее сопротивление); определять критические и аварийные режимы (перегрузки, короткие замыкания, перенапряжения, уменьше- Щ ния напряжений, перегрев и т.п.) при простом видоизменении указанных алгоритмов, что позволяет устройству ,легко переориентировываться на любые другие нагрузки с учетом их спе- 2д цифики; испольэовать цифровые эталоны, сохраняющие заданную точность, определяемую числом разрядов в используемом коде, в течение длительного времени, и при этом число эталонов может бить достаточно большим (в пределах всей емкости пассивного запоминающего устройства); переключать регулирующие элементы цифроаналогового умножителя, работающие в релейном режиме и соединенные с шиной нулевого потенциала лищь в те моменты времени, когда ток через них близок к нулю, и лишь тогда, когда необходимо осуществить коррекцию выходного напряжения (в импульсных 40 стабилизаторах, например, регулирующий элемент переключается все время, а в компенсационных — работает в линейном режиме, рассеивая большую мощность). Благодаря этому энергетические потери на стабилизацию сведены к минимуму сохранить информацию в оперативном запоминающем устройстве и работоспособность цифровой вычислительной машины при перерывах в поступлении напряжения питания: контролировать и управлять вспомогательными блоками.

Благодаря укаэанным возможностям данное устройство для электропитания можно отнести к умным, обладающим собственным интеллектом устройствам, которые могут эксплуатироваться в условиях, где периодическая профилактика исключена из-эа специфики работы (аэрокосмические реакторы 60 и т .и.) . Управление устройством может orуществляться по каналу связи, позволяющему перепрограммировать его на расстоянии. аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, используемые в устройстве, серийно выпускаются промышленностью в гибридном и интегральном исполнении. Гакже серийно в интегральном исполнении выпускаются пассивные запоминающие устройства, на основе которых строится блок уставок и констант, Информационный диспетчер строится также с применением серийно выпускаемых элементов с подходящей степенью интеграции.

Формула изобретения устройство для электропитания содержащее последовательно соединенные блок вентилей, блок фильтров и блок переключателей, выход которого служит для подключения блока нагрузок, синхронизатор, вход которого подключен к первому входному выводу для подключения питающей сети, ко входу опорного источника и к первому входу батареи аккумуляторов, блок индикации и сигнализации, пульт, один из входов которого служит для подключения ко второму входному выводу для включения или отключения устройства, и переключатель, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повьииения показателя качества устройства, оно снабжено цифроаналоговым умножителем, выход которого подключен ко входу блока вентилей, первый вход — к Указанному первому входному выводу, второй — к выходу синхронизатора, информационным диспетчером„ к выходу которого, соединенному со вторым входом блока переключателей, подключен третий вход цифроаналогового умножителя,аналого-цифровым преобразователем, первый вход которого соединен с выходом блока переключателей, второйс выходом блока фильтров, третийс третьим входом цифроаналогового умножителя, четвертый — с выходом переключателя, первый вход которого соединен с выходом батареи аккумуляторов, второй вход - с.выходом опорного источника, а третий вход — с выходом информационного диспетчера, анализатором приращений, выход которого соединен с первым входом информационного диспетчера, первый вход соединен с выходом аналрго-цифрового преобразователя и вторым входом информационного диспетчера, второй вход — с третьим входом информационного диспетчера, четвертый вход которого соединен с выходом пульта, а третий вход анализатора приращений соединен с третьим входом цифроаналогового умножителя, цифро аналоговым преобразователем, один

sxoä которого соединен с выходом ин729564

12 формационного диспетчера, другой входс третьим входом информационного диспетчера, а выход — с пятым входом аналого-цифрового преобразователя, блоком уставок и констант, первый вход которого соединен с третьим входным выводом, служашим для подключения к шине источника программ, второй вход — co вторым иэ укаэанных входов цифроаналогового преобразователя, третий вход — с третьим входом цифроаналогового преобразователя, а выход — с пятым входом информационного диспетчера, шестой вход которого соединен с выходом блока сигнализации и индикации, входом соединенного с третьим входом цифроаналоговоro 15 умножителя и другим входом пульта, причем выход батареи аккумуляторов . соединен с третьим входом блока переключателей, а другой вход — с третьим входом блока уставок и констант. 2О

2. Устройство по п,1, о т л и ч а ю ш е е с я тем, что цифроаналоговый умножитель выполнен из последовательно соединенных узлов по чисJIj разрядов входного кода, каждый из 5 которых выполнен в виде дросселя, один и второй .выводы которого соединены с первыми выводами вторичных обмоток трансформаторов соседних узлов эа исключением младшего разряда, один вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, первичная обмотка трансФорматора подключена одним выводом к первому входу цифроаналогового умножителя, другим выводом через цепь переключения — ко второму выводу вторичной обмотки трансформатора и к шине нулевого потенциала, а два управляюших входа цепи переключения соединены со вторым и третьим входами цифроаналогового умножителя, выход которого гальванически и индуктивно подключен к трансформатору группы старшего разряда °

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 310239, кл. G 05 F 1/10, 1969.

2. Электротехнический справочник.

Под ред ° Грудинского П.Г и др . т.1, кн,2, Y., Энергия„ 1971, с.793 (прототип) .

7?9564

Составитель Л.мордвинкина

Редактор В,Фельдман Техред О.Андрейко . Корректор И.Демчик

Заказ 1260/41 Тираж 956 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раущская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, 1.ужгород, ул.Проектная, 4