Устройство для электропитания

Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлеис 07.01,77 (21) 2446723/24-07с присоединением заявки Нов(23) ПриоритетОпубликовано 250480, Бюллетень Мо 15Дата опубликования описания 250480 Л 05 Р 1/10 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытий(71) Заявитель Ордена Ленина институт кибернетики АН Украинской ССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропитания цифровых вычислительных машин.Известно устройство для электро питания, 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 (с низким КПД) при плавной регулировке или с невысокой 15 Фочностью при использовании тиристоров (ограниченное число отводов), Автоматически не устрайяются также и ошибки, возникающие в тракте стабилизации в процессе эксплуатации. 20Наиболее 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 подключенияпи- ЗО 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 устройствадля 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 входномуим входом цифроаналогового умножителя,цифроаналоговым преобразователем,один вход которого соединен с выходом информационного диспетчера, другой вход - с третьим входом информационного диспетчера, а выход - спятым входом аналого-цифрового пре 30 образователя, блоком уставок и констант, первый вход которого соединен с третьим входным выводом, 35 служащим для подключения к шине источника программ, второй вход - со вторым из указанных входов цифроаналогового преобразователя, третий вход - с третьим входом цифроаналогового преобразователя, а выход - с40 пятым входом информационного диспетчера, шестой вход которого соединен с выходом блока сигнализации и индикации, входом соединенного с третьим входом цифроаналогового умножителя идругим входом пульта, причем выходбатареи аккумуляторов соединен стретьим входом блока переключателей,а другой вход - с третьим входом блока уставок и констант, причем цифроаналоговый умножитель выполнен из последовательно соединенных узлов почислу 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 шинойнулевого потенциала, первичная обмотка трансформатора подключена одним 60 выводом к первому входу цифроаналогового умножителя, другим выводом через цепь переключения - ко второму выводувторичной обмотки трансформатора и к65 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 ра, второй вход - с третьим входом нформационного диспетчера, четверый вход которого соединен с выходом пульта, а третий вход анализатора приращений соединен с треть шине нулевого потенциала, а два управляющих входа цепи переключения соединены со вторым и третьим входамицифроаналогового умножителя, выходкоторого гальванически и индуктивноподключен к трансформатору группыстаршего разряда.На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для электропитания; на фиг. 2 - схема цифроана логового умножителя,Устройство для электропитаниясодержит блок 1 вентилей, блок 2фильтров, 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 уставоки констант, цифроаналоговый поеобразователь 16, шину 17 источника переменного напряжения, шину 18 источника программы и шину 19 оператора,Цифроаналоговый умножитель 11,соединенный с источником переменногонапряжения по шине 17, например ссетью, 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 нагрузках блока4 постоянными пои изменении величиныпеременного напряжения на шине 17,при изменении величины нагрузок вблоке 4, и при изменении внешнихусловий (температуры, влажности, давления),Синхронизатор 5 формирует импульсные управляющие сигналы в моменты перехода переменного напряжения на шине17 через нуль,Изменение внутреннего состоянияцифроаналогового умножителя 11 осуществляется в моменты времени, определяемые указанными импульсными сигналами, благодаря чему на элементахумножителя 11 отсутствуют перенапряжения и исключаются помехи переключения для нагрузок блока 4.Напряжения с выхода блока 2 поступают на аналого-цифровой преобразователь 12, преобразующий указанныенапряжения в пропорциональные им коды, поступающие на вход диспетчера 14,На вход диспетчера 14 с блока 15поступают эталонные коды значений напряжений на нагрузках блока 4, кодыверхней и нижней границ отклонениянапряжений на нагрузках от номинала,коды максимальных и минимальных значений токов в нагрузках блоха 4, кодыфиксированных интервалов времени,коды верхней и нижней границ ЭДС ивнутреннего сопротивления источниковОсобое значение для современныхвычислительых машин, особенно больших, решающих сложные многочасовыезадачи, и управляющих (аэрокосмических, энергетических, технологических) имеет продолжение вычислительного процесса при перерывах впоступлении переменного напряженияна шине 17, вызывающих стирание информации н 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 4от блока 2 с помощью блока 3 и подключает также по задачкой программек блоку 4 батарею 10 аккумуляторов,которая до этого момента временипостоянно подзаряжалась с помощьювнутреннего зарядного устройства отисточника переменного напряжения пошине 17,Блоки 12-16 питаются через переключатель 9 от опорного источника 8 илив аварийных ситуациях от батареи 10.ЭДС (Е) и внутреннее сопротивление активного двухполюсника г, состоящего из умножителя 11, блоков 1и 2, вычисляется диспетчером 14 наосновании теоремы об эквивалентномгенераторе, Для этого диспетчер 14регулярно через определенные промежутки времени, задаваемые блоком 15по заданной программе, отключаетблок 4 с помощью блока 3 от активногодвухполюсника с одновременным подключением к блоку 4 батареи 10, Напряжение на выходе активного двухполюсника, которое н режиме холостогохода является искомой ЭДС (Е), измеряется аналого-цифровым преобразовате"лем 12, Затем выход активного двухполюсника замыкается с помощью блокапереключателей 3 через эталонноесопротинление, обеспечивающее. режим,близкий к режиму короткого замыканияднухполюсника, на шину нулевого потенциала, По известному значениюпадения напряжения на эталонном сопротивлении, измеренном аналого-цифроным преобразователем 12, диспетчер 14вычисляет ток короткого замыкания.По известному значению ЭДС (Е) и токакороткого замыкания диспетчер 14 вычисляет внутреннее сопротивлениеднухполюсника,Внутреннее сопротивление активногодвухполюсника кроме вычисления токав нагрузке блока 4 используется дляконтроля внутреннего состояния двухполюсника. Для этого вычисленноезначение внутреннего сопротивления 1 ц 35которое сраннивается с эталоннымиьзначениями кодов верхней и нижнейграниц тока, записанными в блоке 15,Увеличение тока выше эталонногопредела н течение заданного интервала 4 Овремени интерпретируется как короткоезамыкание, ниже эталонного пределакак неисправность устройства до блока 4, В каждом из этих случаев диспетчером 14 включается блок 6, указывающий место и причину неисправности,С пульта 7, осуществляется включение и выключение устройства для электропитания оператором по шине 19 иливыключение в аварийных ситуацияхдиспетчером 14.Диспетчер 14 определяет такжепорядок включения и выключения черезблок 3 питаоших напряжений блока 4,представляющего собой цифровую вычислительную машину,Алгоритмы включения и выключенияпитающих напряжений для современнысвычислительных машин - достаточносложная последовательность управляющих действий, имеющих различную длительность.Данное устройство благодаря воэможности перепрограммирования диспетчера 14 и изменения констант н блоке Я питания, эталонные контрольные кодыи любые другие эталонные коды устаноки констант. Хранение эталонов в цифровом, а не в аналоговом виде существенно повышает точность эталонов призаданном числе разрядов в кодеБлок.15 представляет собой пассивное запоминающее устройстно, выполненное,например, на диодах, ферритах, униполярных транзисторах в интегральномисполнении и т.п. Информацию н блоке15 легко видоизменить источникомвнешней программы на шине 18,Диспетчер 14 вычисляет разницумежду текущим значением кода соответствующего напряжения и его эталонным значением, Код разницы с выхода 15диспетчера 14 поступает на входумножителя 11, изменяя его состояниетак, чтобы при изменении переменногонапряжения на его выходе значениекода разницы кодов эталонного и теку Ощего стремилось к нулю.Анализатор приращений 13 выделяетразницу текущих значений кодов ЭДС(Е) на выходе блока 2 и напряженийна нагрузках блока 4 (И) (получениезначения ЭДС и внутреннего сопротивления устройства до блока 4 будетописано ниже),По этой разнице и изнестному значению внутреннего сопротивления гдиспетчер 14 вычисляет текущее значение кода тока Л в нагрузке блока 4по формуле 15 позволяет сравнительно легко реализовать указанные алгоритмы и простопереориентиронываться на самые разнообразные вы ислительные машины,сравнивается с эталонными значениямиверхней и нижней границ кодон внут-,реннего сопротивления, записаннымив блоке 15.Увеличение ннутреннего сопротивления может свидетельствовать, например, о высыхании конденсаторов,фильтров в блоке 2, об увеличениисопротивления вентилей блока 1, ауменьшение - о паразитных шунтируюших утечках, возникших в результатестарения компонентов. Полученная информация высвечивается на блоке б.После выполнения изложенного алгоритма, занимающего по времени единицы - десятки микросекунд и не влияющего поэтому на выполнение основной 15функции диспетЧера 14 - стабилизациинапряжений на блоке 4, блок 4 опятьподключается к активному днухполюснику,Для самонастройки устройства диспетчер 14 считывает иэ блока 15 эталонный код настройки, поступающийна вход прецизионного цифроаналогового преобразователя 16. Напряжениена выходе преобразователя 16 преоб- э 5разуется преобразователем 12 в код,который опять поступает на вход диспетчера 14,Входы преобразователей 12 и 16также поочередно соединяются с шинойнулевого потенциала, и полученноезначение преобразованного кода, которое в идеале должно было бы равнятьсянулю, поступает на вход диспетчера 14,По полученным и эталонным кодамдиспетчер 14 вычисляет как аддитивную, так и мультипликатинную погрешности преобразователя 12, связанныес изменениями внешних условий, напряжениями и токами дрейфаоперационныхусилителей преобразователей 12 и 16, 40старением компонентов.Значение кодов ошибок используются для коррекции значений стабилизированных напряженчй на выходе активного двухполюсника. 45По командам с диспетчера 14 измеряется преобразователем 12 напряжениена выходе батареи 10 и по результатам этих измерений осуществляется управление подэарядным устройством батаО.реи 10,Диспетчер 14 контролирует состояние блока 6 (например, входных регистров, элементов воспроизведенияизображения) и пульта 1 (например,положение ручек регулировки),Внутреннее сопротивление ключейблока 3 и переключателя 9 рассчитывается диспетчером 14 по известнымзначениям напряжения до и после ключей, измеренных преобразователем 12, бОи по известным значениям тока в нагрузках блока 4 и сравнивается с эталонными значениями, хранимыми в блоке 15, Отклонение контролируемогопараметра от номинала интерпретиру ется соответствующим образом (обрыв,утечка, увеличение прямого солротинрения ключа, например из-за износаконтактов) и поступает для индикациии сигнализации на блок 6.ЦиФроаналоговый умножитель 11(см, фиг. 2) содержит трансформатор20 с первичной обмоткой 21, нторичной обмоткой 22, индуктивность которой равна 2 Ь, и с ключом 23, дроссели 24, индуктивность которых равнаЬ эа исключением дросселя младшегоразряда, индуктивность которого ранна 2 Ь), выходные обмотки 25,Каждая из первичных обмоток 21трансформаторов 20 подключается к источнику переменного напряжения нашине 17 одним концом непосредственно,а вторый концом - через ключ 23.Ключ 23 замыкается при одновременном выполнении днух условий: наличии 1 н соответствующем разрядеи кода с выхода диспетчера 14 насоответствующей шине и моменте времени, соотнетствуюшем переходу через нуль синусоидального переменногонапряжения на шине 17, В этот моментвремени синхронизатор 5 формируетразрешающий импульс на шине 19,Ключ 23 работает в релейном режиме - замкнут, разомкнут, поэтомупотери энергии на ключах 23 незначительны.На фиг. 2 срабатывание ключа 23одновременно от двух сигналов показано условно.Результирующее напряжение на выходе умножителя 11 определится суммой напряжений с активиронанныхтрансформаторов 20 н соответствиис весами этих напряжений:о О:О 2+О гО 2 =ц;Е гоп,)г " х гогде У - напряжение на шине 17.гСледовательно, У равняется произведению аналогового напряжения Ц 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 4Использование 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, позволяющие гибко реагировать насамые разнообразйые ситуации, связанные с функционированием устройства,а именно: стабилизировать напряжение на нагрузке при изменении питаюше"го напряжения, величины нагрузки,внешних условий (температуры, влажности, давления, старения) с одновременной коррекцией аддитивных и мультийликативных ошибок, возникающих втракте 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)5надежность устройства (ЭДС,ток короткого замыкания, внутреннее сопротивление); определять критические иаварийные режимы (перегрузки, короткиезамыкания, перенапряжения, уменьше- Яния напряжений, перегрев и т,п,)при простом видоизменении указанныхалгоритмов, что позволяет устройству,легко переориентировываться на любыедругие нагрузки с учетом их спе дцифики; испольэовать цифровые эталоны, сохраняющие заданную точность,определяемую числом разрядов виспользуемом коде, в течение длительного времени, и при этом числоэталонов может бить достаточно большим ( в пределах всей емкости пассивного запоминающего устройства);переключать регулирующие элементыцифроаналогового умножителя, работающие в релейном режиме и соединенныес шиной нулевого потенциала лищь вте моменты времени, когда ток черезних близок к нулю, и лишь тогда, когда необходимо осуществить коррекциювыходного напряжения (в импульсных 40стабилизаторах, например, регулирующийэлемент переключается все время, а вкомпенсационных - работает в линейном режиме, рассеивая большую мощность). Благодаря этому энергетические потери на стабилизацию сведенык минимуму сохранить информацию воперативном запоминающем устройствеи работоспособность цифровой вычислительной машины при перерывах в5 Опоступлении напряжения питания:контролировать и управлять вспомогательными блоками.Благодаря укаэанным возможностямданное устройство для электропитанияможно отнести к умним 1, обладающим собственным интеллектом устройствам, которые могут эксплуатироваться в условиях, где периодическаяпрофилактика исключена из-эа специФики работы (аэрокосмические реакторы 60и т.п.), Управление устройством может осуществляться по каналу связи,позволяющему перепрограммировать егона расстоянии,Аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, используемые в устройстве, серийно выпускаются промышленностью в гибридном и интегральном исполнении, Также 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 изобретения1. 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 поведения 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 умножитйля, 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, служашим для подключения к шине источника программ, второй вход - со вторым иэ укаэанных входов цифроаналогового преобразователя, третий вход - с третьим входом цифроаналогового преобразователя, а выход - с пятым входом информационно. го диспетчера, шестой вход которого соединен с выходом блока сигнализации и индикации, входом соединенного с третьим входом цифроаналогового 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. 2 О2. 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 числу разрядов входного кода, каждый из д которых выполнен в виде дросселя,один и второй .выводы которого соединены с первыми выводами вторичных обмоток трансформаторов соседних узловэа исключением младшего разряда, одинвывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, первичная обмоткатрансФорматора подключена одним выводом к первому входу цифроаналогового умножителя, другим выводом через цепь переключения - ко второмувыводу вторичной обмотки трансформатора и к шине нулевого потенциала, адва управляющих входа цепи переключения соединены со вторым и третьимвходами цифроаналогового умножителя,выход которого гальванически и индуктивно подключен к трансформаторугруппы старшего разрядаИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССРР 310239, кл. С 05 Г 1/10, 1969.2. Электротехнический справочник.Под редГрудинского П.Г и др . т.1,кн,2, М Энергия 1971, с.793 (прототип)./41 Тираж ЦНИИПИ Государс по делам из 13035, Москва, Ж956твенногобрет ений35, Раущ омитета открыт ая наб,