УСТРОЙСТВО БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ ПЕРЕМЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ НА ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЕ Российский патент 1997 года по МПК H02J9/06 H02M5/44 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропитания радиоэлектронной аппаратуры и ЭВМ, в частности в условиях пропадания сетевого напряжения.

Известны устройства преобразования переменного напряжения в переменное с промежуточным преобразованием в постоянный ток, которые могут быть использованы в качестве устройств питания радиоэлектронной аппаратуры (см. например, 1. Патент США N 5018068, кл. H 02 M 5/40, опубл. 1991 г.).

Устройство содержит последовательно соединенные первый и второй преобразователи напряжения, генератор опорного напряжения, подключенный к входным клеммам устройства, включенный между генератором опорного напряжения и выходными клеммами датчик погрешности, с которым соединена цепь управления, соединенная также со вторым преобразователем.

На входные клеммы устройства поступает синусоидальное напряжение, подверженное различным искажениям, первый преобразователь формирует усиленное напряжение, имеющее синусоидальную огибающую, соответствующую входному напряжению. Второй преобразователь формирует стабилизированное напряжение, поступающее на выходные клеммы устройства. При этом генератор опорного напряжения формирует напряжение с идеальной формой синусоиды, синхронизированное по фазе и частоте с входным напряжением, датчик сигнал разницы по амплитуде, частоте и фазе между опорным напряжением и напряжением на выходных клеммах устройства, а цепь управления обеспечивает стабилизацию выходного напряжения и его соответствие по форме идеальной синусоиде.

Данное устройство обеспечивает восстановление формы кривой выходного напряжения. Однако в нем не предусмотрена возможность резервирования питания в случаях его пропадания.

Известны устройства преобразования переменного тока в переменный с промежуточным преобразованием в постоянный, в которых предусмотрено резервирование в случаях пропадания питания с помощью заряжаемой и разряжаемой батареи (см. например, 2. Доморадский О.А. Жерненко А.С. Кратиров А.Д. Электропитание устройства связи. Учебник для вузов. М. Радио и связь, 1981 г. с. 245-246; 3. Патент США N 4905017, кл. H 02 M 5/44 опубл. 1992 г.), поэтому данные устройства могут быть использованы в качестве устройств бесперебойного питания переменным напряжением.

Устройство, описанное в [2] содержит зарядный выпрямитель, на выходе которого включена резервная аккумуляторная батарея и низкочастотный тиристорный инвертор с блоком управления. На данное устройство может подаваться сетевое напряжение как от основного источник электроснабжения, так и от дизель-генератора в случае пропадания напряжения основного источника электроснабжения. А в течение интервала времени, необходимого для запуска дизель-генератора (переходного режима) осуществляется подключение ко входу низкочастотного тиристорного инвертора резервной аккумуляторной батареи, в течение работы которой происходит преобразование ее постоянного напряжения в переменное напряжение с помощью низкочастотного инвертора.

В данном устройстве, хотя и предусмотрено резервирование с помощью аккумуляторной батареи, требуется определенное время (около 0,3 с) переходного режима для переключения контактов контакторов, что приводит к отсутствию подачи напряжения питания в этом интервале.

Кроме того, наличие в устройстве низкочастотных реактивных элементов приводит к увеличению его габаритов и массы, а наличие низкочастотных цепей коммутации не позволяет осуществлять стабилизацию выходного напряжения в широком диапазоне.

Устройство по патенту США N 4985819 [3] выбранное за прототип, содержит зарядный выпрямитель, преобразующий напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, и выполненный в виде тиристорного моста низкочастотный инвертор, и преобразующий напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, подаваемое к нагрузке. Параллельно выходу напряжение постоянного тока зарядного выпрямителя включена батарея, последовательно с которой соединена катушка индуктивности, являющаяся низкочастотным фильтром, подавляющим пульсации зарядного тока, когда батарея заряжается выходным постоянным током зарядного выпрямителя, катушка индуктивности переходит в насыщение при протекании тока, величина которого больше определенной величины, когда батарея разряжена. На выходе высокочастотного выпрямителя и низкочастотного инвертора включены низкочастотные фильтры.

В устройстве имеется также блок управления, осуществляющий управление работой низкочастотного инвертора путем поочередной подачи в диагонали моста низкочастотного инвертора импульсов модулирующего напряжения в пределах от одной, то другой полуволн выходного напряжения.

При этом осуществляется изменение длительности импульсов модулирующего напряжения, что обеспечивает стабилизацию выходного напряжения низкочастотного инвертора. Однако из-за наличия на его выходе низкочастотного фильтра, обладающего значительной инерционностью, быстродействие устройства достаточно низкое.

Использование в устройстве низкочастотных реактивных элементов обусловлено принципом, положенным в основу воздействия модулирующим напряжением от блока управления на инвертор, работающий на низкой частоте, что приводит к значительному увеличению его габаритов, и использование дросселя насыщения не позволяет осуществлять регулировку выходного напряжения при больших перепадах напряжения питания.

Задачей изобретения является обеспечение бесперебойного питания в широком диапазоне стабилизации выходного напряжения при одновременном снижении габаритов устройства.

Решение задачи обеспечивается в устройстве бесперебойного питания переменным напряжением радиоэлектронной аппаратуры с промежуточным преобразованием на повышенной частоте, содержащем зарядный выпрямитель, к выходу которого подключен резервный источник питания, высокочастотный выпрямитель с фильтром на его выходе, подключенным ко входу низкочастотного инвертора, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, отличающимся введением высокочастотного инвертора, вход которого с выходом зарядного выпрямителя, управляющий вход соединен с выходом зарядного выпрямителя, управляющий вход соединен со вторым выходом блока управления через коммутатор, а силовой выход подключен ко входу высокочастотного выпрямителя, при этом фильтр на выходе высокого частотного выпрямителя выполнен высокочастотным, управляющий выход низкочастотного инвертора подключен ко входу блока управления, а силовой выход низкочастотного инвертора является выходом устройства. В устройстве для дополнительного уменьшения габаритов зарядный выпрямитель содержит выпрямитель, вход которого является входом зарядного выпрямителя, выход которого подключен ко входу высокочастотного импульсного стабилизатора напряжения и тока, цепь обратной связи которого подключена к выходу зарядного выпрямителя. А высокочастотный импульсный стабилизатор зарядного выпрямителя может быть выполнен в виде понижающего стабилизатора, в базовую цепь регулирующего транзистора которого включена цепь обратной связи, а выход понижающего стабилизатора является выходом для подключения резервного источника питания.

В предлагаемом устройстве модулирующее напряжение, формируемое блоком управления, представляет собой либо синусоидальное, либо квазисинусоидальное напряжение, являющееся аппроксимацией синусоиды напряжением ступенчатой формы. При этом осуществляется преобразование этого напряжения в последовательность импульсов, подаваемую на включенный на выходе зарядного выпрямителя высокочастотный инвертор, в то время как в прототипе модулирующее напряжение подается на низкочастотный инвертор.

В результате в предлагаемом устройстве обеспечивается формирование импульсного напряжения высокой частоты и последующее его выпрямление и фильтрация осуществляются на высокой частоте, что снижает габариты реактивных элементов трансформатора высокочастотного инвертора и сглаживающего высокочастотного фильтра.

При этом при введении в устройство высокочастотного инвертора и выполнении фильтра высокочастотным целесообразно и в зарядный выпрямитель включить высокочастотный импульсный стабилизатор. В этом случае в нем не используются низкочастотные реактивные элементы (дроссели) как в прототипе, что расширяет диапазон стабилизации выходного напряжения при одновременном снижении габаритов устройства.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.1, где показано также выполнение зарядного выпрямителя; на фиг.2 представлены временные диаграммы напряжений на блоках устройства, где показаны:
а синусоидальное напряжение сети частотой 50 Гц на входе устройства;
б напряжение на выходе зарядного выпрямителя;
в модулирующее напряжение на выходе блока управления;
г и д импульсные модулирующие напряжения, подаваемые на транзисторы диагоналей моста высокочастотного инвертора;
е двуполярная последовательность импульсов на вторичной обмотке высокочастотного силового трансформатора, являющегося нагрузкой высокочастотного инвертора;
ж двуполярная последовательность импульсов на выходе высокочастотного выпрямителя;
з напряжение на выходе высокочастотного сглаживающего фильтра;
и синусоидальное напряжение 220 В с частотой 50 Гц на выходе низкочастотного инвертора;
к импульсная последовательность на входе управления низкочастотного инвертора.

Согласно фиг. 1 устройство содержит зарядный выпрямитель 1, включающий выпрямитель 1.1, вход которого является входом зарядного выпрямителя, а выход подключен к силовому входу импульсного стабилизатора напряжения 1.2, к входу управления которого подключен выход цепи обратной связи 1.3, вход которой подключен к выходу зарядного выпрямителя которым является силовой выход импульсного питания 2, в качестве которого может быть использована, например, аккумуляторная батарея. Выход зарядного выпрямителя 1 подключен ко входу высокочастотного инвертора 3, к управляющему входу которого через коммутатор 4 подключен второй выход блока управления 5. Силовой выход высокочастотного инвертора 3 соединен со входом высокочастотного выпрямителя 6, на выходе которого включен высокочастотный фильтр 7, выход которого соединен со входом низкочастотного инвертора 8, к управляющему входу которого подключен первый выход блока управления 5, вход которого соединен с выходом низкочастотного инвертора 8. в соответствии с фиг.1 и 2 работа устройства осуществляется следующим образом.

На вход устройства (вход зарядного выпрямителя 1) поступает переменное напряжение сети 220 В, с частотой 50 Гц (фиг.2,а). В зарядном выпрямителе 1 осуществляется выпрямление, понижение и стабилизация этого напряжения (или величины тока потребления). На выходе зарядного выпрямителя 1 постоянно подключен резервный источник питания 2. Причем, в случае его выполнения в виде аккумуляторной батареи происходит ее постоянный подзаряд выходным напряжением зарядного выпрямителя 1.

Следует отметить, что габариты устройства существенно уменьшаются в том случае, если зарядный выпрямитель 1 содержит собственно выпрямитель 1.1, соединенный с высокочастотным импульсным стабилизатором 1.2 (т.е. отсутствует низкочастотный сглаживающий фильтр), цепь обратной связи которого 1.3 подключена к выходу зарядного выпрямителя (выход импульсного стабилизатора 1.2). Тогда стабилизации выпрямленного напряжения осуществляется при высокой частоте работы импульсного стабилизатора 1.2, что приводит к снижению габаритов реактивных элементов и к снижению потерь мощности. При этом импульсный высокочастотный стабилизатор 1.2 может быть выполнен в виде понижающего стабилизатора, а разовые цепи регулирующего транзистора которого включена цепь обратной связи 1.3, а на выходе понижающего стабилизатора, являющемся выходом зарядного выпрямителя, включен резервный источник питания 2.

Это обеспечивает более полное использование энергии источника переменного тока и повышение коэффициента мощности. Далее с выхода зарядного выпрямителя 1 постоянное напряжение поступает на вход высокочастотного инвертора 3, на управляющий вход которого поступает модулирующее напряжение от блока управления 5. Блок управления 5 может быть выполнен также, как и в прототипе. В этом случае на его выходе формируется модулирующее напряжение в виде последовательности импульсов, длительности которых определяются мгновенными значениями синусоидального напряжения частотой 50 Гц (фиг.2,в).

Блок управления 5 может содержать также в качестве источника опорного напряжения синтезатор частот, формирующий ступенчатое напряжение, аппроксимирующее синусоидальное напряжение.

Модулирующее напряжение со второго выхода блока управления 5 и в том, и в другом случаях подается на управляющий вход высокочастотного инвертора 3 через коммутатор 4, обеспечивающий подачу импульсов модулирующего напряжения поочередно в пределах одного полупериода выходного напряжения то на одни, то на другие транзисторы в диагоналях моста высокочастотного инвертора 3 (фиг. 2,г, 2,д).

Нагрузкой высокочастотного инвертора 3 является высокочастотный силовой трансформатор, на вторичной обмотке которого формируется двуполярная последовательность импульсов (фиг.2,е), которая выпрямляется высокочастотным выпрямителем высокочастотным выпрямителем 6 (фиг.2,ж) и с помощью сглаживающего высокочастотного фильтра 7 преобразуется в однополярное пульсирующее напряжение (фиг. 2,з), подаваемое на вход низкочастотного инвертора 8, коммутация транзисторов которого производится сигналами с блока управления 5, обеспечивая получение на выходе низкочастотного инвертора 8 слабоискаженного синусоидального напряжения 220 В с частотой 50 Гц (фиг. 2,и). Следует отметить, что блоком управления 5 осуществляется также стабилизация выходного напряжения низкочастотного инвертора 6 с помощью цепи обратной связи с выхода низкочастотного инвертора 8 на вход блока управления 5 за счет изменения длительности импульсов, подаваемых от блока управления 5 на управляющий выход высокочастотного инвертора 3 (фиг. 2, к). В то время как в прототипе осуществляется изменение длительности импульсов, подаваемых от блока управления на низкочастотный инвертор, что ухудшает быстродействие блока управления из-за наличия на выходе низкочастотного инвертора низкочастотного фильтра, обладающего значительной инерционностью.

Рассмотрим реализацию блоков предлагаемого устройства.

Используемый в зарядном выпрямителе 1 импульсный высокочастотный стабилизатор 1.2 может быть выполнен по схеме стабилизатора с ШИМ, например, (см. Справочник "источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры" под ред. Г.С. Найвельта, М. "Радио и связь", 1905 г. с. 343, рис.6.29).

Блок управления 5 в случае формирования в нем модулирующего напряжения в виде ступенчатого напряжения, аппроксимирующего синусоидальное напряжение, может быть выполнен, например (см. Зельдин.Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. Л. Энергоатомиздат, 1986 г. с.222, рис.11-14). Высокочастотный инвертор 3 также, как и низкочастотный 8, представляют собой мостовые транзисторные инверторы, выполненные по схеме (см. В.С. Моин. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М. Энергоиздат, 1986 г. с.82, рис.3.1а). Коммутатор 4 выполнен по схеме (см. Справочник "Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры", под ред. Г.С. Найвельта, М. Радио и связь, 1985 г. с.500, рис.9.19).

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропитания радиоэлектронной аппаратуры и ЭВМ в условиях пропадания сетевого напряжения. Задачей изобретения является обеспечение бесперебойного питания в широком диапазоне стабилизации выходного напряжения при одновременном снижении габаритов устройства. Решение данной задачи обеспечивается в предлагаемом устройстве, содержащем зарядный выпрямитель, к выходу которого подключен резервный источник питания и высокочастотный инвертор, на управляющий вход которого от блока управления подается модулирующее напряжение, например, в виде импульсной последовательности, через коммутатор, обеспечивающий подачу модулирующего напряжения поочередно в пределах одного полупериода выходного напряжения то на одну, то на другую диагонали места высокочастотного инвертора. Формируемая на его выходе усиленная двуполярная последовательность импульсов выпрямляется высокочастотным выпрямителем и с помощью сглаживающего фильтра преобразуется в однополярное пульсирующее напряжение, подаваемое на вход низкочастотного инвертора, коммутация которого блока управления обеспечивает получение на выходе низкочастотного инвертора с синусоидального напряжения 220 В с частотой 50 Гц. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство бесперебойного питания переменным напряжением радиоэлектронной аппаратуры с промежуточным преобразованием на повышенной частоте, содержащее зарядный выпрямитель, к выходу которого подключен резервный источник питания, высокочастотный выпрямитель с фильтром на его выходе, подключенным к входу низкочастотного инвертора, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, формирующим импульсы управления низкочастотным инвертором, отличающееся тем, что в него введен высокочастотный инвертор, вход которого соединен с выходом зарядного выпрямителя, а блок управления снабжен вторым выходом, формирующим импульсы управления высокочастотным инвертором, выход которого соединен с управляющим входом высокочастотного инвертора через коммутатор, а силовой выход высокочастотного инвертора соединен с входом высокочастотного выпрямителя, при этом фильтр, включенный на выходе высокочастотного выпрямителя, выполнен высокочастотным, управляющий выход низкочастотного инвертора подключен к входу блока управления, а силовой выход низкочастотного инвертора является выходом устройства для подключения нагрузки. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зарядный выпрямитель содержит выпрямитель, вход которого является входом зарядного выпрямителя, а выход подключен к входу высокочастотного импульсного стабилизатора напряжения и тока, цепь обратной связи которого подключена к его выходу, являющемуся выходом зарядного выпрямителя. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что высокочастотный импульсный стабилизатор выполнен в виде понижающего стабилизатора, в базовую цепь регулирующего транзистора которого включена цепь обратной связи, а выход понижающего стабилизатора является выходом для подключения резервного источника питания.