СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H02J9/06 H02J9/00 

Заявляемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электроснабжения ответственных потребителей переменным током.

Известно устройство гарантированного электропитания, содержащее выпрямитель, вход которого подключен к шинам первичной сети, резервный источник питания, в качестве котоpого используется гальваническая батарея, схему подзарядки резервного источника питания, разрядный диод, инвертор, стабилизатор постоянного тока и буферный диод /1/. Известен также агрегат бесперебойного электроснабжения /2/, в котором в качестве резервного источника электроэнергии используется синхронный двигатель, работающий в генераторном режиме.

Существенным недостатком устройств в первом и втором случаях является невысокая их надежность из-за наличия коммутационных элементов, обеспечивающих переключение потребителя с основной системы электропитания на резервную и обратно, так как момент коммутации сопровождается импульсными помехами, отрицательно влияющими на работу потребителя.

Известная система бесперебойного электропитания, выбранная в качестве прототипа, содержит синхронные источники переменного тока, каждый из которых содеpжит последовательно соединенные с источником ЭДС уравнительный трансформатор с шунтирующим ключом и линейный контактор с датчиком включения, выполняющий функцию однонаправленного элемента, а также многовходовый элемент ИЛИ и двухвходовый элемент И. Выход элемента И подключен к управляющему входу шунтирующего ключа уравнительного трансформатора. Один вход элемента И подключен к датчику включения линейного контактора, а другой к выходу элемента ИЛИ. На входы элемента ИЛИ подаются сигналы с датчиков включения линейных контакторов других синхронных источников переменного тока /3/.

Недостаток известной системы бесперебойного электропитания заключается в невысокой надежности электроснабжения, так как в качестве однонаправленного элемента, блокирующего обратную передачу энергии от нагрузки к любому из источников в случае его отключения, используется линейный контактор, имеющий конечное время отпускания при снятии с него напряжения. Это обстоятельство позволяет источнику питания после отключения своим низким внутренним сопротивлением шунтировать нагрузку до момента размыкания контактов линейного контактора, то есть нарушать условия однонаправленности. Более того, при исчезновении напряжения на любом из источников питания за счет параллельного включения источников контактор отключенного источника будет поддерживаться напряжением других источников во включенном состоянии, и вышедший из строя источник питания зашунтирует нагрузку своим низким внутренним сопротивлением на длительное время, что для нагрузки равносильно исчезновению напряжения.

Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности системы бесперебойного электропитания за счет параллельного подключения n однофазных синхронных источников переменного тока, снабженных однонаправленными элементами переменного тока, позволяющими исключить обратную передачу энергии от нагрузки к источнику в случае отключения соответствующего источника переменного тока или его выхода из строя к общей нагрузке.

Это достигается тем, что в системе бесперебойного электропитания, содержащей n однофазных синхронных источников переменного тока, каждый из которых содержит последовательно соединенные источник ЭДС и однонаправленный элемент переменного тока, а одноименные выходы однофазных синхронных источников переменного тока объединены и подключены к общей нагрузке, каждый однонаправленный элемент переменного тока выполнен в виде четырех однонаправленных электрических ключей двух типов, при этом каждые два разнотипных ключа соединены параллельно и включены между одним полюсом источника ЭДС и нагрузкой, а их управляющие входы соединены с другим полюсом этого же источника ЭДС. Каждый из ключей первого типа содержит транзистор n-p-n типа, база которого подсоединена к первому выводу резистора и катоду диода, анод которого соединен с одной из клемм источника ЭДС и эмиттером транзистора, а коллектор транзистора подключен к нагрузке, при этом второй вывод резистора подключен к другой клемме источника ЭДС. Каждый из ключей второго типа содержит транзистор p-n-p типа, база которого подсоединена к первому выводу резистора и аноду диода, катод которого соединен с одной из клемм источника ЭДС и эмиттером транзистора, а коллектор транзистора подключен к нагрузке, при этом второй вывод резистора подключен к другой клемме источника ЭДС.

При работе источника ЭДС в один полупериод переменного напряжения этого источника в каждой электрической цепи, соединяющей его полюса с нагрузкой, открывается по одному однонаправленному ключу, которые обеспечивают протекание тока через нагрузку в направлении, соответствующем полярности напряжения источника. В другой полупериод открываются два других однонаправленных ключа, которые обеспечивают протекание тока через нагрузку в противоположном направлении. При работе n однофазных синхронных источников использование в их составе однонаправленных ключей позволяет исключить протекание выравнивающих токов, возникающих из-за разности амплитуд напряжений источников ЭДС. Более того, при отключении одного из источников ЭДС или его выходе из строя все ключи соответствующего однонаправленного элемента переходят в закрытое состояние, так как управление ключами однонаправленного элемента осуществляется только тем источником ЭДС, к полюсам которого он подключен. Эта особенность управления ключами однонаправленного элемента позволяет повысить надежность системы бесперебойного электропитания, а особенно в ситуациях включения/отключения источников ЭДС и их выходов из строя. Сопоставительный анализ заявляемой системы с прототипом показывает, что заявляемая система бесперебойного электропитания отличается тем, что каждый однонаправленный элемент переменного тока выполнен в виде четырех однонаправленных электрических ключей двух типов, при этом каждые два разнотипных ключа соединены параллельно и включены между одним полюсом источника ЭДС и нагрузкой, а их управляющие входы соединены с другим полюсом этого же источника ЭДС. Каждый из ключей первого типа содержит транзистор n-p-n типа, база которого подсоединена к первому выводу резистора и катоду диода, анод которого соединен с одной из клемм источника ЭДС и эмиттером транзистора, а коллектор транзистора подключен к нагрузке, при этом второй вывод резистора подключен к другой клемме источника ЭДС. Каждый из ключей второго типа содержит транзистор p-n-p типа, база которого подсоединена к первому выводу резистора и аноду диода, катод которого соединен с одной из клемм источника ЭДС и эмиттером транзистора, а коллектор транзистора подключен к нагрузке, при этом второй вывод резистора подключен к другой клемме источника ЭДС.

На фиг. 1 представлена функциональная схема системы бесперебойного электропитания, а на фиг. 2 принципиальная схема однонаправленного элемента переменного тока.

Система бесперебойного электропитания (фиг. 1) содержит 1, n-ый однофазные синхронные источники переменного тока, одноименные выходы которых объединены и подключены к общей нагрузке 2. Каждый из n однофазных синхронных источников содержит источник ЭДС 3 и однонаправленный элемент переменного тока, выполненный на ключах 4, 5, 6, 7. Однонаправленный элемент переменного тока состоит из четырех разнотипных ключей, соединенных параллельно и включенных между каждым полюсом источника ЭДС 3 и нагрузкой 2 (ключи 4, 5 и 6, 7). Ключи первого типа 5 и 6 (фиг. 2) содержат транзисторы (13, 16) n-p-n типа, базы которых подсоединены соответственно к первым выводам резисторов 15, 17 и катодам диодов 14, 18, аноды которых соединены с разноименными клеммами источника ЭДС 3 и соответственно эмиттерами транзисторов 13, 16, а коллекторы этих транзисторов подключены к нагрузке 2, при этом вторые выводы резисторов 15, 17 подключенные также к разноименным клеммам источника ЭДС 3. Ключи второго типа 4 и 7 содержат транзисторы (10, 19) p-n-p типа, базы которых подсоединены соответственно к первым выводам резисторов 12, 20 и анодам диодов 11, 21, катоды которых соединены с разноименными клеммами источника ЭДС 3 и эмиттерами транзисторов 10, 19 соответственно, а коллекторы этих транзисторов подключены к нагрузке 2, при этом вторые выводы резисторов подключены также к разноименным клеммам источника ЭДС 3.

Принцип работы устройства следующий. Если электрический потенциал полюса 8 источника ЭДС 3 выше, чем потенциал полюса 9, что соответствует одной полуволне переменного напряжения источника ЭДС 3, то открываются ключи 4 и 6, которые обеспечивают протекание тока по цепи: полюс 8 источника ЭДС 3 ключ 4 нагрузка 2 ключ 6 полюс 9 источника ЭДС 3. В другом случае, когда электрический потенциал полюса 8 ниже, чем потенциал полюса 9, что соответствует другой полуволне переменного напряжения источника ЭДС 3, открываются ключи 5 и 7 и ток через нагрузку протекает в противоположном направлении: полюс 9 источника ЭДС 3 ключ 7 нагрузка 2 ключ 5 полюс 8 источника ЭДС 3. В случае отсутствия разности потенциалов на полюсах одного из источников ЭДС 3 в результате его отключения или выхода из строя ключи соответствующего однонаправленного элемента будут находиться в закрытом состоянии.

На фиг. 2 представлен однонаправленный элемент переменного тока. Каждый однонаправленный элемент состоит из четырех управляемых однонаправленных электрических ключей постоянного тока 4, 5, 6, 7, два из которых 5 и 6 выполнены на основе транзисторов 13, 16 n-p-n типа, а два других 4 и 7 на основе транзисторов 10, 19 p-n-p типа. Пары ключей 4, 5 и 6, 7 соединены параллельно и включены между полюсами 8, 9 источника ЭДС 3 и нагрузкой 2.

Принцип работы однонаправленного элемента следующий. Если потенциал полюса 8 источника ЭДС 3 выше, чем потенциал полюса 9, что соответствует одной полуволне переменного напряжения источника ЭДС 3, то открываются ключи 4 и 6, выполненные на транзисторах 10 p-n-p и 16 n-p-n типа соответственно. Для уменьшения потерь мощности в однонаправленном элементе оба транзистора работают в режиме насыщения. Этот режим обеспечивается заданием соответствующего базового тока транзисторов 10, 16 с помощью резисторов 12, 18. Величина резисторов выбирается из соотношения:

где U величина действующего входного напряжения, [B]
β статический коэффициент передачи тока транзистора в схеме с ОЭ;
I величина номинального потребляемого тока, [A]
Если же потенциал полюса 8 источника ЭДС 3 ниже, чем потенциал полюса 9, открываются ключи 5 и 7, выполненные на транзисторах 13 p-n-p и 19 p-n-p типа соответственно. Режим работы этих транзисторов аналогичен режиму работы транзисторов 10, 16 ключей 4, 6. Диоды 11, 14, 18, 21 обеспечивают соответственно защиту транзисторов 10, 13, 16, 19 от пробоя обратным напряжением в закрытом состоянии.

В качестве элементов для построения ключей могут быть использованы кремниевые универсальные низкочастотные мощные транзисторы n-p-n и p-n-p типов, а также кремниевые диоды малой и средней мощности. Резисторы 12, 15, 17, 20 рассчитываются по формуле (1) в зависимости от величины напряжения источника и потребляемого тока. Для увеличения этих резисторов, то есть уменьшения базовых токов, а следовательно, и уменьшения потребляемой однонаправленным элементом мощности могут быть использованы составные транзисторы.

Предлагаемая система бесперебойного электропитания может найти широкое применение для электропитания ответственных потребителей, таких как персональные компьютеры и микропроцессорные системы управления на промышленных предприятиях, где в качестве однофазных синхронных источников ЭДС могут использоваться основная и резервная системы электропитания этих предприятий.

Использование: в электротехнике, в электроснабжении ответственных потребителей переменным током. Сущность: система содержит n-однофазных синхронных источников переменного тока, которые через однонаправленный элемент переменного тока подключены к нагрузке. Каждый однонаправленный элемент выполнен в виде четырех однонаправленных электрических ключей двух типов. Каждые два разнотипных ключа соединены параллельно и включены между одним из полюсов источника и нагрузкой, их управляющие входы подключены к другому полюсу источника. При этом исключается обратная передача энергии от нагрузки к источнику при отключении одного из источников и его выходе из строя. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Система бесперебойного электропитания, содержащая n однофазных синхронных источников переменного тока, каждый из которых содержит последовательно соединенные источник ЭДС и однонаправленный элемент переменного тока, а одноименные выходы однофазных синхронных источников переменного тока объединены и подключены к общей нагрузке, отличающаяся тем, что каждый однонаправленный элемент переменного тока выполнен в виде четырех однонаправленных электрических ключей двух типов, при этом каждые два разнотипных ключа соединены параллельно и включены между одним полюсом источника ЭДС и нагрузкой, а их управляющие входы соединены с другим полюсом этого же источника ЭДС. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что каждый из ключей первого типа содержит транзистор n-p-n-типа, база которого подсоединена к первому выводу резистора и катоду диода, анод которого соединен с одной из клемм источника ЭДС и эмиттером транзистора, а коллектор транзистора подключен к нагрузке, при этом второй вывод резистора подключен к другой клемме источника ЭДС. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что каждый из ключей второго типа содержит транзистор p-n-p-типа, база которого подсоединена к первому выводу резистора и аноду диода, катод которого соединен с одной из клемм источника ЭДС и эмиттером транзистора, а коллектор транзистора подключен к нагрузке, при этом второй вывод резистора подключен к другой клемме источника ЭДС.