Система электропитания нагрузок

(53) 621.316.722,1(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР У 752289, кл. С 05 Р 1/56, 1978.Патент Великобритании У 1092273, кл. Н 2 Р, 1969.Авторское свидетельство СССР У 647666, кл. С 05 Р 1/50, 1975.Мкртчян Ж.А, Электропитание вычислительных машин, - М.: Энергия, 1980, с. 130, рис. 3.6. СТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Н НАГРУЗОК(57) Изобретение позволяет улучшить массогабаритные характеристики системы электропитания (СЭ) И нагрузок и повысить надежность ее работы путем уменьшения электромагнитных помех. СЭ содержит первичный преобразователь постоянного напряжения, выходом соединенный с входами Н вторичных источников питания (ВИП). Каждый ВИП последующего включения состоит из регулирующего элементауправляющий вход которого соедис узлом 12 управления, и выходфильтрующего узла. Каждый ВИП198503 тент", г.ужгород, ул.Проектн вниипи фили каз 7720/47 Тираж фиг. дписяоепредварительного включения включает в себя еще и датчик тока 15 в силовой шине. Указанный эффект достигается введением (И - 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 уменьшить пусковые токи в системе, атон снижает уровень электромагнитных помех. 7.э.п, ф-лы 7 ил.Изобретение, относится к электротехнике и может быть использованов 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 Н 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 Д - варианты системы с согласующими узлами в виде программного логического узлаф на фиг. 5- - 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 Н 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 Д(ВИП;-ВИН 1) последующего включения содержит во входной силовой шине регулирующий элемент 11 (РЭ(- РЭ), управляющий вход которогосоединен с выходом управляющего узла 12 (УУ; -УУ), выполненного покрайней мере с одним входом, выходной фильтрующий узел 13 (ВФУ;-ВФУ 1),включенный между входной силовой шиной и выходом (П,-13), а каж- .д 1дый ВИП (ВИП-ВИП ,) предварительного включения содержит выход 14(ВК 1-ВК.) датчика тока 15 (ДТ 1 -ДТд.1) в силовой шине. Новые системные связи образованы с помощьювведенных согласующих узлов 16 -18 (УС 1 -УС), соединяющих ВИП- ВИП последовательно, причем выходУС подключен к входу УУ в ВИП последующего включения, а вход УС соединен с ВК датчика тока в ВИП предварительного включения.На фиг. 2 приведена частичнораскрытая блок-схема системы питанияс ВИП различного типа - линейныйстабилизатор 3 напряжения (ВИП),нестабилизированный преобразователь,Д напряжения (ВИП,), импульсный стабилизатор 5 напряжения (ВИП,), Одновременно на фиг. 2 даны различныетипы датчиков тока - резисторно, транзисторный датчик тока в ВИПМИ,выходная клемма нестабилизированногопреобразователя, используемая одновременно как датчик тока в ВИПиндуктивно-транзисторный датчик тока в ВИППредлагаемая система электропитания (фиг, 1 и 2) работает следующимобразом. При включении первичной сети 40 переменного тока появляется напряжение на входе ППЧН, выходное напряжение которого (+Н) подается одновременно на входы ВИПМИ-ВИЛА. Однако после подключенйя +Пвключение ВИП 1ВИП происходит последовательно вовремени,Пока некоторый ВИП предварительного включения выключен, ВИП;последующего включения также выключенблагодаря тому, что на узел управления 12 ВИП; подан с выхода согласующего узла УС управляющий сигналот ВК 14 ДТ 15 ВИП;. приводящий регулирующий элемент 11 в ВИП;, взакрытое состояние, при этом отПППН потребляется ток только ВИП;и ВИП предварительного к нему включения.Включение ВИП происходит либонепосредственно напряжением +Пи(фиг. 1), либо с помощью внешнегоуправляющего сигнала (фнг. 2), послечего начинается переходной процессв ВИП 1, при этом уровни тока как вовходной, так и выходной силовой шинахфункционально взаимосвязаны и значительно превышают свое установившееся значение, что регистрируетсяДТ 15 при включении его в любую из. силовых шин. Сигнал на ВК 14 ВИПпродолжает при этом воздействоватьна УС 1 так, что последний поддерживает ВИП в выключенном состояниии, следовательно, выключены и всеВИП последующего включения. Послеустановления тока в силовой шине донекоторого, наперед заданного с по-,мощью ДТ 15 значения сигнал на ВК 14через УС 1 воздействует на УУ 12ВИП , открывая в нем РЭ 11 и включаятем самым ВИП,. Аналогично указанно"му выше далее происходит взаимодействие по цепи ДТ - ВК -УС -УУмРЭ для каждой пары источников.ВИП,-ВИП, и производится включение.всей системы.Если ПППН стабилизирован по выкодному напряжению и снабжен устройством токовой защиты, имеющей порогсрабатывания 1 , превышающий егономинальный ток 1 то его установочная мощность Р , определяющая габариты, связана с его номинальной мощностью Р ,и параметрамиВИП системы следующими соотношениями;йР - Р ; ннного (1)Б1"с й номс,где к - коэффициент запаса мощности ф. йер 1 о ном198503 4выходное напряжение и номиЧ ном,нальный ток нагрузки -гоисточника,КПД -го источника.Из выражения (1) очевидно, чтопостроение системы электропитаниядолжно приближать 06 к единице,что и решается поочередным включением ВИН.1 О При этом максимальный входнойток для 1-го ВИП последующего вклю-.чения (1 щ) должен удовлетворятьследующему неравенству: 1Пнк 1 н ромкк м ф где з. = 2, 3, , МфК = 1, 2, , з. -Б - входное напряжение ВИП (выходное напряжение ПППН).В случае использования импульсных стабилизаторов напряжения (ВИП,) в момент отрывания регулирующего 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 П,зь.п агссоз ( 1(3)Т - коэффици(1мсвкс ) 1гдеП 45 (1 ).: П, э ; (2; -1)(4) Время нарастания напряжения до номинального значения и тока до максимального определяется из выра- жения свк, = ЬС агсзз.п;(2); --1- 1 Р. (5) 55 Оценки показывают, что для реальныхсхем величина (1,); в 3-4 разапревышает 1 , а величины с,.составляют доли миллисекунд. ент передачи, волновое сопротивление, индуктивность и емкость выходного фильтра -го ВИП.После преобразования тригонометрической функции в (3) получим198503 6 5Постоянная времени в цепи регулирования в случае стабилизированных источников как правило существенно меньше 8, , поэтому в таких источниках переходной процесс выходного напряжения устанавливается быстрее, чем переходной процесс тока, так как время спада тока от максимального значения одного порядка с 1 е,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 превышения 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 14, 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 КБР-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 - 1,10. ПрУ выдает на выходе "0", включающий УУ и соответственно РЭ только после появления, а затем ис" чезновения в силовой цепи ВИП 1 всплеска уровня тока, т.е, только после установления переходного процесса. 35 40 45 50 55 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 х 601, уЕ 01 . 5 10 15 20 25 30 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 слу 4 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 ууу, где хб 01 у еО 1, при этом первый вход 1 ПрУ подключен к ВК 14 ДТ 15, а второй вход 11 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 16) или коньюнктора 22 (ПрУ 17), выход которых образует выход ПрУ, а другой вход образует второй вход Пру.Таким образом, работой ПрУ управляют сигналы, пропорциональные току и напряжению ВИП предварительного включения. В зависимости от состояния ВИПМИ работа ПрУ и ВИП, происходитпо логической схеме, представленной в таблице. В соответствии с таблицеи работа системы на фиг, 4 происходит следующим образом.Когда ВИП 1 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 ВИПМИ "0", при этом на выходе ПрУ 16 имеем сигнал "1", закрывающий РЭ ВИПКогда ВИП 1 начнет включаться и ток в силовой цепи его станет выше заданного значения, транзистор ДТ 15 откроется, откроются оба диода инвертора 19 и на входы элемента Шеффера 2 1 поступит сигнал "0" с выхода 19 и по-прежнему с входа П ПрУ, при этом на выходе ПрУ имеем по-прежнему сигнал "1", продолжающий поддерживать РЭ ВИП, в закрытом состоянии.Когда напряжение на выходе ВИП достигнет номинального значения Пц на вход 11 Пру поступит сиг45 5055 нал "1", однако пока переходнойпроцесс тока не установился, на выходе 19 сохраняется сигнал "0", навыходе ПрУ - "1" и РЭ ВИП, остается в закрытом состоянии, Толькопосле установления тока в силовойцепи ВИП транзистор ДТ 15 вновьзакроется, инвертор 19 возвратитсяв исходное состояние, выдав на вход2 1 сигнал " 1", и на выходе Пру 1 бсформируется "0, открывая РЭ 11 ивключая тем самым ВИП,.Аналогичным образом взаимодействуют между собой и другие пары ВИПпредварительного и последующеговключения. При этом в качестве выходного элемента ПрУ может использоваться конъюнктор (ПрУ 17), выдаваяна выходе прямую последовательностькодов 0,0,1, управляющую соответствующим РЭ.Таким образом, указанная система(фиг. 4) может быть реализована сминимальным, как и система на фиг.3,временем включения, но с существенно более простой схемой ПрУ,В ряде случаев, особенно приподключении большого количества относительно маломощных ВИП, целесообразно упростить согласующий узел,используя для сигнала окончанияпереходного процесса только выходноенапряжение ВИП, подаваемое на одиниз входов УУ ВИП последующего включения. При этом ВИП предварительного включения должны быть стабилизированными.Варианты таких систем даны нафиг. 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 (УЩ 1), 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 напря 5 О 15 20 25 30 35 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 ВИПМИ и ВИП последующего включения имеем 0" и происходит включение только ВИП 4. В момент установления номинального значения 0 в ВИД на УУ ВИП по-прежнему подан 0 в результате функционирования БЗ и только через ьср 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 КС-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 23 в ВИП последующего включения, а У 1 Я 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 предварительного9 11включения (или часть его) как опорное напряжение для ВИП последующего включения,Данный случай представлен нафиг, 7 у где Уды, ВИП выполняетфункции ИОН для ВИП , при этом ВИПподключен к входу БЗ 25, а выходпоследнего используется как выходИОН для ВИПТаким образом, в рассмотренных выше различных вариантах систем электропитания обеспечивается включениеПППН на нагрузку, значительно меньшую номинальной, что исключает егоперегрузку и перенапряжение на выходе в процессе включения, Далееобеспечивается поочередное подключение ВИП. Такой подход позволяетвыпоЛнить ПППН.с учетом практическиноминальной нагрузки и номинальноговыходного напряжения. При этомпоочередность включения достигаетсявесьма простыми средствами: рольустройств задерживаемьк во време.ни включения, выполняют сами ВИП,а исполнительными управляющими устройствами являются узлы управленияи простые согласующие цепи ВИП, т.е,система управления включением практически "растворена" в системе электропитания, В результате достигается повышенная функциональная способ,ность системы питания, что приводитк ухудшению массогабаритных характеристик, как за счет исключенияспециальных блоков управления, таки за счет существенного уменьшениярасчетной мощности ПППН и максимального расчетного выходного напряжения. Путем уменьшения пусковых токов в системе электропитания снижается также уровень электромагнитныхпомех и повышается электромагнитная совместимость нагрузок (комплекса Р;3 А) в целом,Формула изобретения 1. Система электропитания М. нагрузок, содержащая первичный преобразователь постоянного напряжения, вход которого соединен с выводами для подключения первичной сети переменного тока, а выход - с входами И вторичных источников питания, вькоды которых соединены с выводами для подключения соответствующей нагрузки, причем каждый вторичный источник питания последующего включения 985 ОЗсостоит из регулирующего элемента,включенного во входную силовую шинуисточника и управляющим входом соединенного с выходом управляющего узла по крайней мере с одним входом,и вькодного фильтрующего узла, включенного между выходом регулирующегоэлемента и выводом для подключениясоответствующей нагрузки, а каждыйО вторичный источник питания предварительного включения включает в себядатчик тока в силовой шине, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с цельюулучшения массогабаритных характерис 15 тик и повышения надежности путемуменьшения электромагнитных помех,в нее введено (М - 1) согласующихузлов, при этом вход каждого согласующего узла соединен с выходом датчика тока во вторичном источникепитания предварительного включения,а выход каждого согласующего узлаподключен к входу управляющего узлавторичного источника питания после 25 дующего включения,2, Система по п. 1, о т л и ч а ю -щ а я с я тем, что датчик тока выполнен с пропорциональной в двоичномкоде зависимостью выходного сигналаЗО от уровня превышения тока в силовойшине, а согласующий узел выполненв виде программного логическогоузла, преобразующего последовательность логической информации вида35 х,х,х в последовательность видау,у,у, где хЯг 011, у е 0,11.3. Система по пп. 1 и 2 у о т -л и ч а ю щ а я с я тем, что датчик тока выполнен в виде резистора,40 включенного во входную силовую шину и шунтированного переходом эмиттер-база транзистора, коллекторкоторого соединен с выходом датчикатока, вход программного логического454 узла подключен к точке соединениявходов введенных инвертора и КБВтриггера, выходы которых соединеныс входами введенного элемента Шеффера, выходом соединенного с выходомпрограммного логического узла.504. Система по п. 1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что датчик токавыполнен с пропорциональной в двоичном коде зависимостью входного55 сигнала от уровня превышения токав силовой шине, а согласующий узел -в виде двухвходового программногологического узла, преобразующего1,198503 Состояние ВИП . Сигнал навходе 1 ПРУ,пропорциональный СостояниеВИП последующего включения (ВИП, ) Сигнал Сигнал на выходе оп Сигнал на входе 11 ПрУ, про- порциональный напряжению. на выходе ПрУ предварительного включения тоэлектронного инвер тора(ВИП) току Выключен Выключен Переходнойпроцессвключения 0 0,1 Переходнойпроцессвключения 0 0 Включен Включен О 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 б 011, Уб О,11, при этом первый вход программного логического узла подключен к выходу датчика тока, а второй - к выходу вторичного источника питания предварительного 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 п. 1, о т л и ч а - ю щ .а я с я тем, что вторичные источники питания выполнены стабилизированными, управляющий узел в каждом из них состоит из источникаопорного напряжения и усилительномодулирующего узла, подключенногоодним из входов к выходу, а другим 5 входом к источнику опорного напряжения, согласующий узел подключенвходом к выходу вторичного источника питания предварительного включения и выполнен в виде блока задержл л 10 ки с временем задержки ,ъ о сгде С - время установления переход-ного процесса тока в фильтрующемузле.7, Система по пп. 1 и 5, о т л и -ч а ю щ а я с я тем, что вторичныеисточники питания имеют одну полярность и выход блока задержки подключен к входу источника опорного напряжения вторичного источника питанияпоследующего включения.8. Система по пп. 1, 6 и 7, о т -л и ч а ю щ а я с я тем, что, сцелью упрощения, в качестве источника опорного напряжения вторичного 25 источника питания последующеговключения использован выход согласующего узла вторичного источникапитания предварительного включения.