Make your own free website on Tripod.com
CHAT
ГОСТЕВАЯ
ПОИСК
СТАТИСТИКА
 НПП СОЛОМОН Subjects - темы сайта
E-mail: kersolom@yahoo.com yahoo   E-mail: solomon@ukrpack.net ukrpack
Tel./Fax Kiev, Ukraine (38044) 4563080
Load-обновление страницы с сайта Исследование и разработка модульных многофункциональных систем электропитания
Левинзон С.В., Керцман С.А.
Аннотация: Рассматриваются способы построения модульных многофункциональных систем электропитания (СЭП). Представлены технические характеристики таких систем.
 Описываются принципы построения на уровне структурных схем устройств комплексной защиты (от перегрузок по току, изменения уровня выходного напряжения более заданного, превышение температуры силовых элементов, “провалов” сетевого напряжения ) и связи унифицированных сигналов с узлами источника и потребителем энергии. Приводятся технические характеристики СЭП серии E (EURO).

 Усложнение функций, реализуемых в современных устройствах связи, измерения, автоматики, определяет разнообразие требований к электропитанию их узлов. Такое разнообразие характерно не только для электрических параметров источников электропитания (напряжение, мощность, нестабильность, переменная составляющая и др.), но и для функций, которые должны обеспечивать средства электропитания в целом (заданная очередность включения, дистанционное управление, формирование служебных сигналов, защита, диагностика). Кроме того, должны быть учтены и особенности условий эксплуатации (“провалы” сетевого напряжения, индустриальные радиопомехи и др.). Такое разнообразие требований затрудняет создание универсальных средств электропитания (СЭП) из-за большой элементной и функциональной избыточности в каждом конкретном применении.

 Для уменьшения номенклатуры используемых СЭП целесообразно построение их из конструктивных и функционально законченных модулей с унифицированными сечениями, предусматривающими информационный обмен и распределение энергии между модулями через интерфейс.

 Такой путь перспективен при построении системы электропитания с развитием функциональных возможностей. Важным является выбор унифицированных сечений, при которых должна сохраняться работоспособность СЭП при исключении любого модуля (естественно, при исключении функции, которую выполняет соответствующий модуль). Поскольку спецификой СЭП является концентрация значительных энергии в ограниченном объеме, целесообразно предотвратить необратимые отказы при эксплуатации, настройке и отладке СЭП, включая ситуации нарушения условий эксплуатации.

 Для этого унифицированное сечение должно быть таким, чтобы при попадании любого информационного сигнала или напряжения внутреннего электропитания СЭП соответствующий канал мог отключаться без необратимых отказов или изменения его функциональных признаков.

 Повышению потребительских свойств СЭП способствует введение внутренней диагностики с запоминанием причины или места отказа. Такая функция значительно облегчает комплексную отладку сложных систем связи, средств автоматизации и др., сокращает сроки настройки и пуска в эксплуатацию систем и средств, особенно при большом количестве выходных напряжений СЭП. Вместе с тем такая функция должна быть комплексной, т.е. должна осуществляться одновременно с контролем напряжения питающей сети, так как при ее пропадании (или “провалах”) выходные напряжения также могут уменьшаться ниже допустимых значений.

 Таким образом, в модуле целесообразно, с одной стороны, объединить функции контроля сети с защитой от изменения уровня выходных напряжений (включая диагностику), с другой - предусмотреть защиту от превышения мощностных характеристик.

Разработаны источники E (“EURO”) следующих серий:

  • E-200 (E-201,E-202) - 2 типа;
  • E-210 (E-210,E-211,E-212,E-214..E-219) - 9 типов;
  • E-220 (E-220..E-226) - 7 типов;
  • E-400 (E-401..E-405) - 5 типов.
Для всех серий:
  • диапазон входных напряжений 176...264 В (т.е. ± 20% от номинального значения );
  • частота питающей сети 50 Гц, 60 Гц, 400 Гц в зависимости от варианта исполнения сети, кроме того, сеть может быть как однофазной, так и трехфазной;
  • температура окружающей среды 0..55° C,
  • относительная влажность до 80% при температуре 25°C;
  • атмосферное давление от 86,6 до 106,7 кПа;
  • время поддержания выходных напряжений при исчезновении (“провалах”) напряжения питающей сети - не менее 20 мс;
  • время поддержания выходных напряжений после сигнала предупреждения - не менее 8 мс.
Использование СЭП серии E позволяет обеспечить:
  • стабилизацию всех выходных напряжений;
  • нормированные динамические характеристики и пульсации выходных напряжений в широком спектре частот;
  • гальваническую развязку выходных каналов, т.е. возможность использования выходных каналов как источников электропитания любой полярности;
  • повышенную надежность при использовании отечественной электрической сети;
  • контроль сети и выходных каналов, формирование служебных сигналов по МЭК 821;
  • последовательность включения каналов;
  • предупредительный контроль состояния сети, СЭП, нагрузок;
  • включение на сверхъемкостную нагрузку (что существенно, если сетевой выпрямитель работает на емкостную нагрузку это позволяет в 2 - 3 раза уменьшить амплитуду - или пик - потребляемого от сети тока), т.е. ограничение пусковых токов;
  • помехоустойчивую защиту СЭП и потребителей от: уменьшения(увеличения) уровня выходного напряжения, токовых перегрузок и КЗ, перегрева, неправильного сочетания выходных напряжений;
  • диагностику с запоминанием;
  • дистанционное управление (вкл./откл.);
  • плавное включение каналов;
  • малый уровень переменной составляющей в полосе частот не уже 1 Гц...100 МГц;
  • возможность параллельного соединения каналов без ухудшения динамических характеристик.

 Принцип построения силовой части модулей не отличается от изложенного в [1]. Основные технические характеристики модульных многофункциональных СЭП представлены в таблице.

Характеристики Величина Модуль Серия
Выходное напряжение, В 5; 12; 12 E-201
3 канала
E-200
Ток нагрузки, А 16; 2; 2
Нестабильность выходных напряжений при изменении: (в %):
- входного напряжения на ±20% 0,2
- тока нагрузки до 10% номинального 0,1
- тока нагрузки до 0% 0,3
- температуры,°C 0,02
Пульсации выходных напряжений (от пика до пика), мВ
в диапазоне частот:
- от 1 Гц до 10 Мгц
- от 1 Гц до 250 МГц
40
50
Амплитуда изменения выходных напряжений при ступенчатом изменении тока нагрузки:
- от 25% до 100%, длительность 1..2 мс, % 5
- от 10% до 100% ,мВ 250..500
Габариты: конструктив “EURO” 6U, плата E2, мм 120 x (220 x 233,4)
Удельная мощность, Вт/дм3 121 x E2
Объем, мм3 40..75
Выходное напряжение, В 5; 12; 12 E-202
3 канала
Ток нагрузки, А 20; 5; 5
Остальные технические и габаритные характеристики как у E-201
Выходное напряжение, В 5; 5 E-210
2 канала
E-210
Ток нагрузки, А 60; 60
Суммарная нестабильность выходных напряжений при изменении входного напряжения на ± 20% и тока нагрузки от 0 до 100%, % ±0,5
Пульсация выходных напряжений (от пика до пика) в диапазоне частот от 1 Гц до 100 МГц, мВ <100
Габаритные размеры. Конструктив “EURO” 6U, плата E2, мм 120 x E2
Удельная мощность, Вт/дм3 65
Выходное напряжение, В 15(12); 15(12) E-211
2 канала
Ток нагрузки, А 20; 20
Выходное напряжение, В 27; 27 E-212
2 канала
Ток нагрузки, А 11; 11
Выходное напряжение, В 40; 40 E-214
2 канала
Ток нагрузки, А 7,5; 7,5
Выходное напряжение, В 48; 48 E-215
2 канала
Ток нагрузки, А 6,2; 6,2
Выходное напряжение, В 60; 60 E-216
2 канала
Ток нагрузки, А 5; 5
Выходное напряжение, В 5; 15; 15 E-217
3 канала
Ток нагрузки, А 60; 10; 10
Выходное напряжение, В 5;15;15;24 E-218
4 канала
Ток нагрузки, А 30;10;10;6
Выходное напряжение, В 15;15;24;24 E-219
4 канала
Ток нагрузки, А 10; 10; 6; 6
Примечание: для модулей серии E-210
суммарная нестабильность
3 канала, %
4 канала, %
пульсация выходных напряжений
свыше 15 В (от пика до пика), %
+5/-2,5
+5/-2,5
 
<1
Остальные характеристики - как у E-210
Выходное напряжение, В 5 E-220
1 канал
E-220
Ток нагрузки, А 40
Выходное напряжение, В 15(12) E-221
1 канал
Ток нагрузки, А 15
Выходное напряжение, В 27(24) E-222
1 канал
Ток нагрузки, А 8
Выходное напряжение, В 40 E-223
1 канал
Ток нагрузки, А 5
Выходное напряжение, В 48 E-224
1 канал
Ток нагрузки, А 4
Выходное напряжение, В 60 E-225
1 канал
Ток нагрузки, А 3,5
Выходное напряжение, В 5; 15(12); 15(12) E-226
3 канала
Ток нагрузки, А 30; 2; 2
Примечание: для модулей серии E-220 технические параметры и характеристики аналогичны характеристикам серии E-210
Габариты: конструктив “EURO”:
6U, плата E2, мм
3U, плата E4, мм
60 x (220 x 233.4)
120 x (100 x 220)
Выходное напряжение, В 5; 5 E-401
2 канала
E-400
Ток нагрузки, А 20; 1
Выходное напряжение, В 5; 12 E-402
2 канала
Ток нагрузки, А 20; 0,5
Выходное напряжение, В 5; 12; 12 E-403
3 канала
Ток нагрузки, А 15; 1,2; 1,2
Выходное напряжение, В 5; 12; 12; 5 E-404
4 канала
Ток нагрузки, А 15; 1,2; 1,2 0,2
Выходное напряжение, В 5 E-405
1 канал
Ток нагрузки, А 20
Примечание: для модулей серии E-400 технические характеристики и параметры аналогичны характеристикам и параметрам серии E-220
Габариты: конструктив “EURO”:
3U, плата E4, мм
6U, плата E2, мм
100 x (100 x 220)
60 x (220 x 233.4)

Рис. 1

 Целесообразно подробнее остановиться на структурных схемах устройств защиты и управления. Структурная схема устройств защиты, представленная на рис. 1, содержит следующие узлы: параллельные стабилизаторы напряжения ПС1-ПС5, от 1 до 5 в зависимости от серии, обеспечивающие наряду с основными функциями, подавление кратковременных “всплесков” выходных напряжений; схему контроля температуры (КТ), вырабатывающую сигнал превышения температуры контролируемых элементов; схему контроля режимов (КР), контролирующую продолжительность нахождения силовых элементов и элементов управления во включенном состоянии и вырабатывающую сигнал превышения длительности включения, т.е. выхода на режим нормальной работы; схему управления отключением (УО), формирующую необходимые сигналы отключения в зависимости от состояния КТ и КР; схему контроля управления (КУ), анализирующую состояние линии управления и управляющую режимами работы ПС1-ПС4. Каждый параллельный стабилизатор (ПС) подключен к выходу соответствующего канала СЭП и отрегулирован на необходимый уровень напряжения. В нормальном режиме работы выходное напряжение ниже установленного порога защиты, регулирующий элемент параллельного стабилизатора находится в закрытом состоянии и не влияет на работу соответствующего канала СЭП. Достижение выходным напряжением установленного порога приводит к переводу регулирующего элемента в линейный режим. При этом соответствующий канал переходит в режим токоограничения, следствием чего является поддержание выходного напряжения на уровне, определяемом ПС. Так подавляются кратковременные “всплески” выходного напряжения без отключения нагрузки, следовательно, без потери обрабатываемой потребителем информации.

 Для обеспечения показателей надежности контролируется температура регулирующих элементов ПС и продолжительность нахождения в открытом состоянии соответствующего регулирующего элемента. Если температура радиатора, на котором расположены регулирующие элементы ПС, достигает порогового значения, КТ вырабатывает сигнал, поступающий на один из входов УО. Когда один из регулирующих элементов ПС переходит в линейный режим (или режим насыщения) более заданного времени, схема КР формирует сигнал, поступающий на второй вход схемы управления отключением. Отмена этого сигнала может быть произведена только после отключения и повторного включения СЭП.

 Схема УО при поступлении сигнала от КТ или КР формирует уровень лог. “0” на линии “отключение”. Схема КУ анализирует состояние линии “управление” и при отсутствии на ней импульсов управления в течение времени, большего 3 мкс, переводит в режим насыщения регулирующие элементы ПС (за исключением ПС5) независимо от уровней выходных напряжений.

 Например, схема контроля температуры включает в себя датчик температуры, в качестве которого используется переход эмиттер-база силового регулирующего элемента, узел преобразования тока датчика, зависящего от температуры, в напряжение, величина которого контролируется компаратором на таймере; для выдерживания временных соотношений используется селектор длительности на упомянутом выше таймере. При превышении заданного времени включения какого-либо регулирующего элемента (2 мс) срабатывает соответствующий селектор длительности и появляется уровень лог. “0” на линии “отключение”.

Структурная схема устройств связи унифицированных сигналов представлена на рис. 2.

Рис. 2

 Устройство связи (УС) контролирует выходное напряжение СЭП, сетевое напряжение, управление работой СЭП, генерирует управляющие сигналы “poff” и “pon”, характеризующие состояние напряжения питающей сети и выходных напряжений. Напряжения основных каналов поступают на вход схемы контроля выходных напряжений (СКВН), где осуществляется анализ их величин и вырабатываются логические сигналы, определяемые величиной напряжений в каждом из каналов. Далее сигналы поступают на схему совпадения СС1 и устройство индикации (УИ). Если выходные напряжения достигли не менее 0,95 своего номинального значения, СС1 генерирует сигнал готовности выходных каналов, который через схему задержки (СЗ) поступает на схему совпадения СС2. Схема задержки задерживает появление сигнала готовности напряжений на 30-40 мс, т.е. до полного окончания переходных процессов в силовой части СЭП. Если в течение этого времени напряжение какого-либо канала станет менее 0,9 номинального значения, то отсчет времени прекращается и начинается снова только после того, как напряжения всех каналов возрастут до 0,95 номинального значения.

 Схема контроля сетевого напряжения (СКСН) контролирует действующее значение сетевого напряжения. СКСН генерирует логический сигнал всякий раз, когда амплитуда входного сигнала превышает установленное значение. Логический выходной сигнал поступает на вход СС2.

 Если действующее значение сетевого напряжения превышает 176 В, то на выходе СКСН присутствуют импульсы переменной скважности с периодом следования 10 мс. Изменение скважности импульсов, генерируемых СКСН, вызвано колебаниями сетевого напряжения. Описанный принцип контроля позволяет фиксировать “провалы” сетевого напряжения как отсутствие очередного импульса из СКСН через 10 мс.

 Управление включением СЭП осуществляется путем подачи на УС сигнала управления включением RON , генерируемого аппаратурой пользователя. Сигнал RON, воздействуя на схему управления включением СУВ, разрешает запуск преобразователей основных каналов СЭП. В то же время этот сигнал, поступая на вход СС2, подготавливает УС к генерированию управляющих импульсов “poff” и “pon”. Для обеспечения нормального функционирования УС и СЭП необходимо, чтобы устройство, вырабатывающее сигнал RON (или его оконченный каскад), получало напряжение от ПС5. Если на вход СС2 поступает сигнал о готовности выходных напряжений СЭП и сигнал RON разрешает функционирование, то при поступлении первого импульса из СКСН вырабатывается сигнал запуска для одновибратора ОД1, который, в свою очередь, вызывает запуск ОД2. Одновибраторы ОД1 и ОД2 представляют собой цифровые одновибраторы с перезапуском, тактируемые генератором (Г). Цикл отсчета временного интервала одновибраторами начинается после окончания соответствующего импульса запуска на входе каждого из них. Новый цикл отсчета каждого одновибратора начинается, если за время действия выходного импульса на его вход поступает новый сигнал запуска. Величина временного интервала, считываемая ОД1, составляет не менее 12 мс, а ОД2 - 9 мс.

 После того как импульс, поступающий из СКСН, заканчивается, СС2 снимает запускающий сигнал с ОД1, и последний начинает отсчет временного интервала “на отпускание”. При нормальном сетевом напряжении через 10 мс следующим импульсом СКСН производится перезапуск ОД1, который, таким образом, постоянно находясь в состоянии запуска, удерживает в этом состоянии и ОД2. Если в каком-либо из полупериодов амплитуда сетевого напряжения не достигает установленного значения, то СКСН не вырабатывает очередной перезапускающий импульс для ОД1, что вызывает “отпускание” последнего и тем самым перевод управляющего сигнала “poff” в состояние лог. “1”. Сигнал “poff” используется для информирования пользователя о том, что СЭП через 9 мс может быть принудительно отключена из-за недопустимо низкого напряжения сети. В этом случае необходимо принять соответствующие меры, например, для сохранения информации в памяти. Изменение состояния управляющего сигнала “poff”, который одновременно является запускающим сигналом для ОД2, вызывает начало цикла отсчета временного интервала этим одновибратором .

 Окончание цикла отсчета ОД2 вызывает перевод управляющего сигнала “pon” в состояние лог. “1”. Этот сигнал может быть использован пользователем для установки питаемых от СЭП устройств в исходное состояние или блокирования их работы перед снятием напряжения, т.е. для исключения неверного функционирования этих устройств в момент отключения СЭП и снижения питающих напряжений. Однако “провал” сетевого напряжения в одном полупериоде вызывает перевод в активное состояние только управляющего сигнала “poff”, который последующим импульсом из СКСН будет вновь установлен в состояние лог. “0”, что, в свою очередь, вызывает перезапуск ОД2, который уже начнет цикл отсчета “на отпускание”.

 При отключении СЭП с помощью сигнала дистанционного управления RON в УС происходит та же последовательность событий, что и при длительных (в течение двух и более полупериодов) “провалах” сетевого напряжения. Сигнал RON, воздействуя на СС2, запрещает перезапуск ОД1 и вызывает последовательную установку сигналов “poff” и “pon” в состояние лог. “1”, которое является необходимым условием для отключения СЭП.

 Устройство связи фиксирует аварийную ситуацию в СЭП как исчезновение сигнала готовности выходных каналов при состоянии лог.”0” управляющего сигнала “poff”, так как именно этот сигнал одновременно определяет состояние СЭП как в момент аварии, так и в предшествующий ей момент времени. Имеющийся в УС триггер защиты (ТЗ) вызывает отключение СЭП и фиксирование устройством индикации (УИ) состояния выходных каналов в момент возникновения аварии. В этом случае повторный запуск возможен только после ее полного отключения от сети (в момент переключения триггера ТЗ). Имеющаяся в УС схема начальной установки (СНУ) (на рис. 2 не показана) устанавливает все устройства в исходное состояние в момент подачи на него питающего напряжения ПС5. Схема начальной установки косвенно осуществляет защиту от перегрузок канала ПС5. Частота следования импульсов тактового генератора 10 кГц.

 В СЭП предусмотрена последовательность включения и отключения каналов [2]. При появлении выходного напряжения (см. таблицу) в канале 4 (-5В) разрешается работа канала 1 (+5В), который разрешает работу канала 3 (-15В), а он, в свою очередь, разрешает работу канала 2 (+15В). Это приводит к тому, что снижение напряжения в каком-либо канале может вызвать отключение зависимого канала (зависимых каналов) с соответствующей индикацией. Например, при возникновении в процессе работы аварийного уменьшения напряжения на выходе канала 1 (в том числе при перегрузке по току этого канала) будут отключены каналы 2 и 3, зависимые от канала 1. При этом на передней панели УС погаснет не только светодиод, индицирующий состояние канала 1, но и индикаторы каналов 2 и 3, несмотря на то, что первопричиной послужило превышение тока нагрузки в канале 1. Светодиод канала 4 при этом продолжает светиться. Устройство обеспечивает длительность активного состояния сигнала “pon” не менее 0,4 мс. Выходы сигналов “pon” и “poff” выполнены в виде элементов с повышенной нагрузочной способностью и открытым коллектором. Параметры СЭП серий 010..014 приведены в [3].

 Таким образом, предложенный способ построения модульных многофункциональных СЭП предусматривает, кроме основных функций, такие, как последовательность включения каналов, предупредительный контроль состояния сети СЭП, нагрузок, формирование служебных сигналов, защиту СЭП и потребителей от токовых перегрузок и КЗ в нагрузке, уровней выходных напряжений, перегрева, обеспечивает дистанционное управление, питание схемы ДУ потребителя, поддержание выходных напряжений при кратковременных “провалах” сетевого напряжения, простейшую диагностику состояния СЭП, автоматический перезапуск при восстановлении сети, что в целом будет способствовать их широкому использованию в устройствах связи, автоматики, вычислительной техники.

    СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
  1. Левинзон С.В., Керцман С.А., Гусев А.В., Дыдырко Г.В. Особенности построения источников электропитания с промежуточным преобразованием частоты для устройств связи // Техника средств связи. Сер. Техника проводной связи (ТПС).- 1987.- Вып.7.- С. 85-90.
  2. Левинзон С.В. Некоторые способы построения устройств первоначальной установки узлов телеграфных аппаратов // Электросвязь.- 1979.- №7.- С. 16-19.
  3. Левинзон С.В., Керцман С.А., Гусев А.В. Способы построения модульных многофункциональных систем электропитания // Техника средств связи. Сер.ТПС.- 1990.- Вып.8.- С. 70-83.
дизайн Г.В.Дыдырко  mail: aink@ukrpack.net