ES2246067T3 - Dispositivo de alimentacion de bajo costo con una pluralidad de modulos electronicos instalados en un bastidor. - Google Patents
Dispositivo de alimentacion de bajo costo con una pluralidad de modulos electronicos instalados en un bastidor.Info
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Abstract
Con el fin de suministrar corriente continua a una pluralidad de módulos electrónicos consumidores (2 a 4), a partir de una tensión continua perturbada con un amplio intervalo de variación de tensión, el dispositivo de suministro de energía eléctrica consta de un módulo de distribución primario (5) que incluye medios para preajustar la tensión, para elevar o reducir la tensión continua, para distribuir a los módulos (2 a 4) una tensión preajustada con un pequeño intervalo de variación de tensión, y en cada módulo, medios de conversión (6) que suministran tensiones adaptadas a las necesidades del módulo.
Description
Dispositivo de alimentación de bajo costo con una
pluralidad de módulos electrónicos instalados en un bastidor.
La presente invención concierne a un dispositivo
de alimentación de corriente eléctrica con una pluralidad de módulos
concentrados en un bastidor electrónico.
Se aplica específicamente, pero no
exclusivamente, en los equipos electrónicos embarcados a bordo de
aerodinos que son alimentados por una red de distribución de
corriente eléctrica continua. Se ha comprobado que la tensión
continua suministrada por esa red es fuertemente perturbada, lo que
es perjudicial para los equipos electrónicos que sean alimentados
con una tensión tal.
Esas perturbaciones provienen ante todo del hecho
que las fuentes de energía que alimentan esa red no son únicas. En
efecto, al detenerse los motores del aerodino, la red es alimentada
por baterías, pero cuando los mismos giran, la red es alimentada por
generadores eléctricos acoplados sobre los motores. Además, un
aerodino en vuelo puede estar sometido a fuertes perturbaciones
electromagnéticas, y en particular al rayo, lo que puede ocasionar
importantes sobre-tensiones en la red eléctrica o a
la inversa micro-interrupciones.
Igualmente, las variaciones de la carga de esa
red y del consumo de los equipos alimentados por la misma, así como
las transitorias de regulación de los generadores ocasionan
variaciones de tensión momentáneas importantes.
Así, para una tensión nominal de 28 Voltios, se
han constatado variaciones de tensiones que pueden alcanzar de 12 a
48 Voltios. Además, las sobre-tensiones provocadas
por el rayo pueden ser mucho más importantes.
Es por lo tanto necesario prever un dispositivo
de regulación de tensión al nivel de cada equipo embarcado, capaz de
soportar y tratar tales variaciones de tensión.
Además, la evolución de los equipos embarcados a
bordo de los aerodinos tiende hacia una arquitectura cada vez más
modular y cada vez más integrada que comprende bastidores o armarios
en los cuales están concentrados una multiplicidad de módulos que
tienen necesidades en materia de tensión de alimentación que varían
de un módulo a otro.
Por lo tanto se ha provisto cada módulo con un
dispositivo de alimentación que comprende todos los medios de
regulación y de conversión de tensión continua necesarios. Ahora
bien, los componentes que permiten la regulación de tales
variaciones de tensión son relativamente voluminosos y de costo
elevado. Lo que da como resultado que, aplicada a una multiplicidad
de módulos, esta solución presenta un costo elevado y conduce a
aumentar de manera importante el volumen de cada módulo, y a
disminuir su fiabilidad ya que el mismo debe entones absorber
fuertes variaciones de tensión.
Desde otro punto de vista que es aquel de los
sistemas de distribución de energía eléctrica de alta calidad para
los sistemas informáticos o de telecomunicación que operan a partir
de una red de alimentación eléctrica de corriente alterna, es
conocido, específicamente por la patente americana US 5,477,091 o
por el artículo de Y.S.LEE y otros, titulado "Optimizing the
design of switch-mode power suply with battery
back-up and power factor correction" y publicado
en las IEEE, 30 de abril 1995, páginas 2051-2054,
XP000059099, pasar por un pre-regulador central que
convierte la corriente alterna de la red de alimentación en una
corriente continua pre-regulada transmitida por un
bus de distribución de corriente continua hasta los
convertidores-reguladores de tensión localizados en
o en la proximidad inmediata de los módulos utilizadores.
Esta arquitectura de distribución de energía
eléctrica a partir de una red de alimentación eléctrica de corriente
alterna permite reducir el costo y el volumen de los
convertidores-reguladores de tensión localizados en,
o en la proximidad inmediata de los módulos utilizadores, estando
dado porque tratan una tensión eléctrica ya
pre-regulada sujeta por tanto a menores variaciones
que aquellas de la red de alimentación eléctrica de corriente
alterna. Tiene además el inconveniente de ser sensible a la
propagación de fallos entre los módulos utilizadores en la medida en
que uno de ellos, a continuación de un funcionamiento defectuoso,
pueda poner en corto circuito el bus de distribución de corriente
continua y privar de alimentación a todos los otros módulos
utilizadores.
La presente invención tiene por objeto mantener
las ventajas del bajo costo y del escaso volumen de una arquitectura
de distribución de energía eléctrica a base de un
pre-regulador central y de
convertidores-reguladores distribuidos al nivel de
los módulos utilizadores protegiéndose completamente contra la
propagación de fallos entre módulos utilizadores.
La invención tiene por objeto un dispositivo de
alimentación para la alimentación de corriente eléctrica continua de
una pluralidad de módulos electrónicos consumidores, a partir de una
tensión eléctrica continua perturbada, que presenta un amplio rango
de variación de tensión. Este dispositivo comprende, por una parte,
un módulo primario de alimentación que está equipado con medios de
mutilación para eliminar los impulsos de tensión elevados, con
medios de filtración para eliminar las altas frecuencias y con
medios de pre-regulación, y que proporciona a los
módulos electrónicos consumidores una tensión eléctrica
pre-regulada, y por otra parte, al nivel de cada
módulo electrónico consumidor, medios de conversión de tensión
eléctrica que proporcionan, a partir de la tensión eléctrica
pre-regulada por dicho módulo primario de
alimentación, las tensiones eléctricas adaptadas a las necesidades
del módulo. Es de destacar que dicho módulo primario de alimentación
comprende medios elevadores de tensión y está unido, a cada módulo
electrónico consumidor, por una línea individual de distribución
equipada a su salida con medios de protección contra los corto
circuitos.
El cableado necesario para alimentar cada módulo
electrónico consumidor a partir del módulo de alimentación comprende
dos cables eléctricos, cada módulo se mantiene autónomo en cuanto a
la producción de tensiones de las que tiene necesidad. Se evita así
tener que prever un cableado específico para conducir cada tensión
necesaria entre un módulo de alimentación común y los módulos
consumidores.
Esta solución permite por lo tanto simplificar el
cableado, y de esta forma reducir los costos de una manera
importante.
Ventajosamente, los medios de protección contra
los corto circuitos colocados a la cabeza de las líneas individuales
de distribución son disyuntores electrónicos que están concebidos
para abrirse automáticamente en caso de un corto circuito río abajo,
y para cerrarse automáticamente cuando son puestos fuera de
tensión.
Ventajosamente, el módulo primario de
alimentación comprende una reserva de energía de tipo condensador
colocado a la salida de los medios elevadores de tensión y que
mitigan las bajas de tensión de corta duración.
Ventajosamente, los medios de conversión de
tensión al nivel de cada módulo electrónico consumidor comprenden
medios de aislamiento galvánico que permiten liberar perturbaciones
que podrían intervenir sobre la línea de distribución de corriente
pre-regulada entre el módulo de alimentación
primario y los módulos consumidores.
Un modo de realización del dispositivo según la
invención será descrito a continuación, a título de ejemplo no
limitativo, con referencia a los dibujos anexos en los que:
La figura 1 representa de manera esquemática un
equipo electrónico embarcado a bordo de un aerodino, que concentra
varios módulos consumidores y un módulo de alimentación primario
según la invención;
La figura 2 muestra el módulo de alimentación
primario según la invención;
La figura 3 muestra un módulo de alimentación
secundario según la invención, equipando cada módulo consumidor.
El equipo electrónico 1 representado en la figura
1 se presenta bajo la forma de un bastidor o de un estante en el
cual están insertados e interconectados por medio de uniones 8
llamadas "fondo de canasta", una pluralidad de módulos 2 a 5,
cuyo módulo de alimentación primario 5 según la invención, reagrupa
las funciones de pre-regulación de tensiones
primarias a 28 Voltios suministradas por la alimentación general del
aerodino.
Generalmente, un aerodino comprende al menos dos
redes de distribución de corriente continua, a saber una red
principal y una red de seguridad. El módulo de alimentación primario
es entonces conectado a esas dos redes como lo muestra la
figura.
Más precisamente, el módulo de alimentación
primario 5 asegura las funciones de limitación de
sobre-tensiones, de mutilación de las tensiones
transitorias unidas al rayo, de compensación de las caídas de
tensión pasajeras, con el objetivo de expedir a los otros módulos 2
a 4 una tensión pre-regulada a 28 Voltios. Se
comprueba en efecto que las tensiones suministradas por las
alimentaciones generales de un aerodino están sometidas a fuertes
variaciones, de 12 a 48 Voltios, esas variaciones pudiendo ser mucho
más importantes de manera transitoria.
El módulo de alimentación primario 5 reagrupa en
una sola carta electrónica un conjunto de componentes relativamente
voluminosos y costosos para suministrar a varios módulos una tensión
pre-regulada que presenta un rango escaso de
variaciones, por ejemplo de 18 a 32 Voltios, que puede seguidamente
ser adaptado por los convertidores de tensión más baratos 6
integrados en cada módulo y capaces de suministrar las tensiones
variadas, utilizadas por estos últimos.
En la figura 2, el módulo de alimentación
primario 5 comprende sucesivamente en serie, para cada línea de
alimentación a 28 Voltios del aerodino aplicado a la entrada:
- un dispositivo de mutilación 11, 12,
constituido por un diodo Zener y/o un dispositivo similar tal como
un varistor, conectado en paralelo entre la línea respectiva de
alimentación y la masa, ese dispositivo permitiendo eliminar los
impulsos superiores a 80 Voltios, por ejemplo debidos al rayo,
- un circuito de filtración de
paso-bajo 13, 14 unido a la salida del dispositivo
de mutilación 11, 12,
- medios de conmutación automáticos 27, 28 para
alimentar o no el resto del circuito en función de la presencia o de
la ausencia de tensión aplicada a la entrada, esos medios estando
configurados de manera de dar la preferencia a una de las dos redes
9, 10 de alimentación del aerodino, cuando las mismas están
disponibles, y
- un circuito de pre-regulación
de tensión 15, 16 que realiza una mutilación de la tensión y una
limitación de la corriente a la salida del circuito de filtración
13, 14.
El módulo de alimentación primario 5 comprende
además un circuito regulador / elevador de tensión 17 conectado a
los dos circuitos de pre-regulación de tensión 15,
16 para aplicar al resto del circuito una tensión de 28 Voltios
durante algunas decenas de segundos, por ejemplo 30 segundos, cuando
la tensión a la entrada descendió a 12 Voltios mínimo, y un circuito
de distribución de corriente 18 conectado a la salida del circuito
elevador de tensión 17. El circuito de distribución 18 comprende una
reserva de energía 20 constituida por ejemplo por una batería de
condensadores, y un conjunto de disyuntores electrónicos 21 a 23 que
suministran respectivamente a los otros módulos 2 a 4 del bastidor 1
una tensión continua a 28 Voltios pre-regulada.
Debe ser notado que la reserva de energía 20 está
dispuesta a la salida del circuito regulador / elevador de tensión
17 que aplica por consiguiente una tensión elevada y más o menos
constante. Como la carga de un condensador es proporcional a la
tensión aplicada entre sus bornes, la energía almacenada en la
reserva de energía 20 se mantiene más o menos constante y elevada
cualquiera que sea el nivel de la tensión suministrada por la
red.
Gracias a estas disposiciones, el módulo de
alimentación primario 5 es capaz de compensar interrupciones de
algunas decenas de milisegundos (20 a 200 ms por ejemplo)
manteniendo las alimentaciones hacia los módulos 2 a 4.
Los disyuntores 21 a 23 están concebidos de
manera de abrirse automáticamente en caso de corto circuito río
abajo, y cerrarse automáticamente cuando son puestos fuera de
tensión. Estos aseguran así una protección separada del módulo de
alimentación primario 5 contra los corto circuitos que pueden
producirse al nivel de los módulos 2 a 4 o de las conexiones entre
estos últimos y los disyuntores, y por consiguiente garantizan la
disponibilidad de la alimentación y la no propagación de fallos, en
caso de corto circuito sobre un módulo.
Los circuitos de pre-regulación
15, 16 comprenden cada uno un diodo de bloqueo que permite evitar la
descarga de los condensadores 20 hacia las redes 9, 10, en caso de
interrupción del circuito.
Por otra parte, el módulo 5 comprende además dos
dispositivos de detección de interrupción de redes 25, 26
respectivamente conectados en paralelo entre la salida de los
filtros 13, 14 y la salida del circuito elevador de tensión 17.
Cuando la duración de la interrupción de las redes sobrepasa el
tiempo de cobertura de la reserva de energía 20, los dispositivos de
detección de la interrupción de las redes 25, 26 indican a los
módulos 2 a 4, con la ayuda de señales 25a y 26a que habrá pérdida
total de alimentación en un término próximo de algunos milisegundos
(2 a 20 ms). La aparición de señales 25a y 26a activan un proceso de
memorización en memoria asegurada por pila o condensador de ciertos
parámetros críticos de vuelo elaborados específicamente por los
módulos 2 a 4. El tiempo de escritura en la memoria es del orden de
2 a 20 ms, mientras que el tiempo de memorización necesario de esos
parámetros está en general comprendido entre 200 ms y 5 s.
Ciertos disyuntores electrónicos 21 a 23 pueden
también abrirse con la ayuda de una señal 19 emitida por el detector
25 de la red principal 9 durante la pérdida de la misma y cuando no
se desea alimentar uno o varios módulos 2 a 4 con la red de
seguridad, a fin de evitar una carga muy importante de la misma.
El módulo 5 comprende igualmente una memoria de
mantenimiento 24 no volátil, por ejemplo de tipo FPROM que permite
memorizar todos los acontecimientos susceptibles de facilitar el
mantenimiento del módulo, como por ejemplo la abertura de un
disyuntor 21 a 23 y las interrupciones de la red que hayan
ocasionado cambios del estado de los conmutadores 27, 28. El
contenido de esta memoria 24 es actualizado por los módulos
consumidores 2 a 4 que tienen acceso allí a escritura y a lectura
para verificar cada escritura. Esta memoria puede igualmente ser
actualizada por los detectores de interrupción 25, 26, y por los
disyuntores 21 a 23 y los dispositivos de conmutación 27, 28, que
presentan a este efecto, una salida binaria que da el estado,
respectivamente, del disyuntor o del dispositivo de conmutación.
Este módulo de alimentación primario 5 suministra
a los otros módulos 2, 4 del equipo 1 una tensión
pre-regulada que puede ser adaptada por los otros
módulos por medio de bloques de alimentación secundarios integrados
6, que presentan una estructura mucho más simple y menos voluminosa,
y por consiguiente, menos costosa que si hubiera sido necesario
adaptar directamente las tensiones suministradas por cada red del
aerodino a las necesidades de cada módulo.
De esta forma, en la figura 3, cada bloque de
alimentación secundario 6 comprende un filtro de entrada 31 que
recibe la tensión de 28 Voltios pre-regulada, que
permite eliminar las altas frecuencias que pueden aparecer al nivel
de las líneas de conexión entre los disyuntores 21 a 23 y los
bloques de alimentación 6. La salida del filtro de entrada 31 está
conectada a un convertidor de tensión continua 32 que comprende un
bloque primario y un bloque secundario aislados galvánicamente por
un transformador de impulsos. La alimentación de los módulos es así
aislada galvánicamente del módulo de alimentación primaria 5. El
convertidor 32 es por ejemplo de tipo de interrupción "Flyback"
de conmutación a 0 Voltios. El bloque secundario permite suministrar
las diferentes tensiones V1, V2, V3, necesarias al módulo, por
ejemplo 5 V y \pm 15 V, que son previamente filtradas por filtros
de salida 33, 34 que permiten eliminar las altas frecuencias
eventualmente introducidas por el convertidor de interrupción
32.
Por otra parte, el convertidor 32 es dominado en
tensión por un circuito de accionamiento que comprende un circuito
primario 35 que recibe señales de accionamiento, y un circuito
secundario 36 aislados que suministran señales de control, esos dos
circuitos 35, 36 estando aislados galvánicamente mediante un
transformador de impulsos 37. El circuito de accionamiento
secundario 36 efectúa la medida de una de las tensiones a la salida
de los filtros 33, 34, por ejemplo la tensión V1, para generar una
señal de mando que es transmitida al circuito primario 35. El
circuito primario 35 transforma esa señal en función de una potencia
de salida máxima de entrega, en una segunda señal de accionamiento
que es aplicada a los transistores de conmutación del convertidor de
interrupción 32. La regulación de las otras tensiones de salida V2,
V3, es obtenida gracias al acoplamiento magnético realizado por el
transformador del convertidor 32 y gracias a la simetría de los
circuitos del mismo. Un convertidor tal no necesita ninguna carga
mínima al nivel de sus salidas.
Claims (11)
1. Dispositivo de alimentación para la
alimentación de corriente eléctrica continua de una pluralidad de
módulos electrónicos consumidores (2 a 4), a partir de una tensión
eléctrica continua perturbada que presenta una amplio rango de
variación de tensión, este dispositivo comprendiendo, por una parte,
un módulo primario de alimentación (5) que está equipado con medios
de mutilación (11, 12) para eliminar los impulsos de tensión
elevada, con medios de filtración (13, 14) para eliminar las altas
frecuencias y medios de pre-regulación (15, 16), y
que suministra a los módulos electrónicos consumidores (2 a 4) una
tensión pre-regulada y, por otra parte, al nivel de
cada módulo electrónico consumidor (2 a 4), medios de conversión de
tensión eléctrica (6) que suministran, a partir de la tensión
eléctrica pre-regulada por dicho módulo primario de
alimentación (5), las tensiones eléctricas adaptadas a las
necesidades del módulo,
caracterizado porque dicho módulo primario
de alimentación (5) comprende medios elevadores de tensión (17) y
está unido, a cada módulo electrónico consumidor (2 a 4), por una
línea individual de distribución equipada a su salida, con medios de
protección contra los corto circuitos (21 a 23).
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque dichos medios de protección contra los
corto circuitos son disyuntores electrónicos (21 a 23).
3. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque el módulo primario de alimentación (5)
comprende una reserva de energía (20) de tipo condensador colocado a
la salida de los medios elevadores de tensión (17) y que mitigan las
caídas de tensión de corta duración.
4. Dispositivo según la reivindicación 2,
caracterizado porque los disyuntores electrónicos (21 a 23)
están concebidos para abrirse automáticamente en caso de corto
circuito río abajo, y para cerrarse automáticamente cuando son
puestos fuera de tensión.
5. Dispositivo según la reivindicación 3,
caracterizado porque la reserva de energía (20) acoplada a
los medios elevadores de tensión (17) permite compensar las
interrupciones de corta duración, mientras que los módulos
consumidores (2 a 4) comprenden una reserva de energía de más baja
potencia, pero de más larga duración.
6. Dispositivo según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque el módulo de alimentación
(5) está conectado a dos redes de alimentación eléctricas (9, 10), y
comprende:
- dos dispositivos de mutilación (11, 12)
conectados respectivamente a las dos redes,
- dos circuitos de filtración (13, 14) conectados
respectivamente a las dos redes,
- dos dispositivos de conmutación automáticos
(27, 28) conectados respectivamente a la salida de dos circuitos de
filtración (13, 14),
- dos circuitos de pre-regulación
(15, 16) conectados respectivamente a los dos dispositivos de
conmutación (27, 28),
- un dispositivo regulador / elevador de tensión
(17) conectado a los dos circuitos de pre-regulación
(15, 16), y
- un circuito de distribución 18 que comprende
una reserva de energía (20) y un conjunto de disyuntores
electrónicos (21 a 23) unidos respectivamente a los convertidores de
tensión continua (6) de los módulos consumidores (2 a 4).
7. Dispositivo según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque los medios de conversión de
tensión (6) de los módulos consumidores (2 a 4) comprenden un
convertidor (32) de tensión continua de interrupción que suministra
una o varias tensiones continuas (V1 a V3).
8. Dispositivo según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque la tensión continua a la
salida de los medios de conversión (6) es dominada por un circuito
dedicado (35, 36, 37) que comprende un bloque primario (35) y un
bloque secundario (36) aislados galvánicamente.
9. Dispositivo según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque los medios de conversión
(6) de los módulos consumidores (2 a 4) comprenden medios de
aislamiento galvánico que permiten aislar cada módulo de su línea de
alimentación.
10. Dispositivo según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque el módulo de alimentación
primario (5) comprende una memoria no volátil (24) en la que son
memorizados todos los acontecimientos susceptibles de facilitar el
mantenimiento del módulo.
11. Dispositivo según la reivindicación 10,
caracterizado porque la memoria (24) es accionada a la
lectura y a la escritura por los módulos consumidores (2 a 4), y a
la escritura sola por los detectores (25, 26), por los disyuntores
(21 a 13) y por los dispositivos de conmutación (27, 28).
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