СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ИПБ Российский патент 2013 года по МПК H02J9/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Варианты осуществления изобретения относятся в общем к источникам бесперебойного питания («ИБП»). Более конкретно, по меньшей мере, один вариант осуществления относится к системе и способу для управления напряжением шины постоянного тока ИБП.

Уровень техники

Поскольку электрические системы по сути динамические, системы управления, применяемые схемой преобразования электроэнергии, обычно чувствительны к изменениям в электрических системах. Разные методы могут быть применены для решения различных типов изменений, например переходных или установившихся изменений, изменений в напряжении и/или токе, изменений в подключенной нагрузке, сочетаний предшествующих примеров и т.д.

Сегодня коррекция коэффициента мощности схемы преобразования электроэнергии (т.е. фазовое соотношение между током и напряжением, использованное схемой преобразования электроэнергии) является существенной частью разработок. На практике коэффициент мощности может быть улучшен посредством уменьшения гармоник, сгенерированных схемой преобразования электроэнергии в течение работы. Обычно схема преобразования электроэнергии, разработанная для уменьшенных гармоник, тем не менее, должна применять контур управления напряжением, который имеет относительно медленное время отклика. Медленное время отклика приводит к плохой переходной характеристике, включающей в себя более широкие отклонения от номинальных напряжений, например большее перерегулирование и недорегулирование напряжения шины постоянного тока. Таким образом, разработчики схем пытаются обеспечить систему с приемлемым управлением коэффициентом мощности и приемлемой динамической характеристикой при удовлетворении требований применимых стандартов гармоник.

В случае однофазного ИБП разработчики обычно предусматривают схему управления (например, управление контуром постоянного тока) с относительно медленной частотной характеристикой (значительно ниже частоты напряжения сети питания входа переменного тока) для того, чтобы соответствовать стандартам гармоник. То есть применяют систему управления с обратной связью, в которой напряжение шины постоянного тока сравнивают с предопределенным значением и регулировками, выполненными на основании ошибки между измеренным напряжением шины постоянного тока и предопределенным значением. Результатом компромиссного решения разработки в этом методе является то, что напряжение шины постоянного тока имеет относительно плохую переходную характеристику. Плохой переходный метод может привести к большим перенапряжениям и пониженным напряжениям на шине постоянного тока, когда напряжение шины постоянного тока меняется, например, в ответ на изменения в нагрузке выхода ИБП.

Другие применения преобразования электроэнергии, которые используют линию или шину постоянного тока, также сталкиваются с необходимостью управлять переходной характеристикой шины постоянного тока в динамической системе, например источники питания с переключаемыми режимами, регуляторы напряжения, электроприводы и некоторые другие. Несколькими более новыми методами для вышеописанной проблемы при однофазном управлении коэффициентом мощности являются «способ узкополосного режекторного фильтра» и «способ цифрового управления мертвой зоной». Ни один из этих методов не является удовлетворительным в применении ИБП. Например, способ узкополосного режекторного фильтра наиболее подходящий там, где, по существу, обнаруживают фиксированную частоту напряжения сети питания. По этой причине способ узкополосного режекторного фильтра непрактичен, потому что многие применения ИБП не работают в условиях, которые отвечают предшествующим требованиям. Метод «мертвой зоны» не является подходящим для многих применений ИБП, потому что он не подходит для системы, в которой шина постоянного тока питает электроэнергией инвертор, который подключен к нелинейной нагрузке, такой как компьютерная нагрузка.

Некоторые предшествующие системы управления электродвигателем применяют схему прямой связи, в которой среднюю мощность на выходе схемы преобразования электроэнергии применяют в регулировании напряжения шины постоянного тока. Эти методы, тем не менее, применяют в трехфазном управлении электродвигателем, в котором мгновенная мощность нагрузки дает в сумме ноль, потому что электродвигатель предоставляет многофазную, симметричную и линейную нагрузку.

Раскрытие изобретения

По меньшей мере, один вариант изобретения обеспечивает эффективный метод для динамического управления напряжением на шине постоянного тока, использованной в схеме преобразования электроэнергии. Согласно одному варианту осуществления данные об изменениях в нагрузке, запитанной от схемы преобразования электроэнергии, используются для управления переходной характеристикой напряжения шины постоянного тока. В дополнительном варианте осуществления накапливают разницу между мгновенной мощностью нагрузки, измеренной в течение первого цикла, и мгновенной мощностью, измеренной в течение второго цикла, и управляют напряжением шины постоянного тока на основании накопленной разницы. Согласно одному варианту осуществления предшествующий метод применяется в однофазной системе. В дополнительном варианте осуществления предшествующий метод применяют в управлении переходной характеристикой напряжения шины постоянного тока ИБП, имеющего однофазный вход переменного тока. В соответствии с одним вариантом осуществления метод предусматривает, что переходное время отклика напряжения шины постоянного тока значительно меньше, чем один цикл. В другом варианте осуществления переходное время отклика напряжения шины постоянного тока, по существу, равно одной половине цикла. В дополнительном варианте осуществления переходное время отклика напряжения шины постоянного тока значительно меньше, чем одна половина цикла. Согласно этому, по меньшей мере, один вариант изобретения может уменьшать «отклонение» напряжения (т.е. перерегулирования и недорегулирования). В одном варианте осуществления расчетная электрическая характеристика силовых электронных устройств, включенных в схему преобразования электроэнергии, может быть уменьшена, потому что уменьшаются пиковые напряжения, например может быть уменьшено номинальное напряжение устройств, подключенных к шине постоянного тока.

В соответствии с одним вариантом изобретение обеспечивает способ управления напряжением шины постоянного тока, включенной в источник бесперебойного питания. ИБП включает в себя схему управления коэффициентом мощности, соединенную с шиной постоянного тока, и выход переменного тока. Способ включает в себя этапы, на которых определяют разницу между мгновенной мощностью, поданной на выход переменного тока в первый момент времени, и мгновенной мощностью, поданной на выход переменного тока во второй момент времени, и регулируют работу схемы управления коэффициентом мощности, чтобы регулировать напряжение шины постоянного тока на основании, по меньшей мере частично, разницы. В одном варианте осуществления способ включает в себя этап, на котором управляют коэффициентом мощности однофазного входа переменного тока ИБП. В другом варианте осуществления способ включает в себя этап, на котором определяют суммарную разницу в мгновенной мощности, поданной с выхода переменного тока. В дополнительном варианте осуществления способ включает в себя этап, на котором обеспечивают суммарную разницу схеме управления коэффициентом мощности. В еще дополнительном варианте осуществления способ включает в себя этап, на котором сравнивают суммарную разницу с предопределенным порогом. В другом варианте осуществления способ включает в себя этап, на котором регулируют работу схемы управления коэффициентом мощности, чтобы регулировать напряжение шины постоянного тока, когда суммарная разница превышает предопределенный порог.

В соответствии с другим вариантом ИБП включает в себя выход переменного тока, схему управления коэффициентом мощности и шину постоянного тока, соединенную со схемой управления коэффициентом мощности, где схема управления коэффициентом мощности выполнена с возможностью определения разницы в мгновенной мощности, поданной на выход переменного тока, и регулировки напряжения шины постоянного тока на основании, по меньшей мере частично, разницы. В одном варианте осуществления ИБП включает в себя однофазный вход переменного тока. В другом варианте осуществления схема управления коэффициентом мощности выполнена с возможностью определения суммарной разницы в мгновенной мощности, поданной на выход переменного тока. В дополнительном варианте осуществления суммарная разница определятся на основании сравнения мгновенной мощности, определенной во множестве точек в первом цикле формы волны переменного тока, и мгновенной мощности, определенной во множестве точек во втором цикле формы волны переменного тока.

В соответствии с другим вариантом ИБП включает в себя шину постоянного тока, выход переменного тока и средство, соединенное с шиной постоянного тока, для управления напряжением шины постоянного тока на основании разницы в мгновенной мощности, поданной на выход переменного тока. В одном варианте осуществления средство для управления включает в себя средство для определения суммарной разницы в мгновенной мощности, поданной на выход переменного тока. В другом варианте осуществления суммарную разницу определяют на основании сравнения мгновенной мощности, определенной во множестве точек в первом цикле формы волны переменного тока, и мгновенной мощности, определенной во множестве точек во втором цикле формы волны переменного тока.

Краткое описание чертежей

Не предполагается, что сопроводительные чертежи выполнены в масштабе. На чертежах каждый идентичный или почти идентичный компонент, который иллюстрирован на различных фигурах, представлен одинаковой цифрой. В целях ясности не каждый компонент может быть помечен в каждом чертеже. На чертежах:

фиг.1 является блок-схемой ИБП в соответствии с одним вариантом осуществления;

фиг.2 является блок-схемой ИБП по фиг.1, включающей в себя дополнительные подробности системы управления ИБП, иллюстрированного на фиг.1, в соответствии с одним вариантом осуществления;

фиг.3A-3C являются диаграммами формы волны в соответствии с одним вариантом осуществления; и

фиг.4A и 4B являются схемами последовательности операций способа в соответствии с одним вариантом осуществления.

Осуществление изобретения

Это изобретение не ограничено в своем применении подробностями конструкции и расположением компонентов, изложенных в нижеследующем описании или иллюстрированных на чертежах. Изобретение допускает другие варианты осуществления и реализацию на практике или выполнение различными способами. Также фразеология и терминология, использованные здесь, применены с целью описания и не должны рассматриваться как ограничение. Использование «включающий в себя», «содержащий» или «имеющий», «состоящий из», «заключающий в себе» и их разновидностей здесь означает заключение элементов, перечисленных впоследствии, и их эквивалентов, а также дополнительных элементов.

Фиг.1 иллюстрирует блок-схему варианта осуществления, в которой система управления применяется, чтобы регулировать напряжение на шине постоянного тока оборудования преобразования электроэнергии при помощи различных изменений в нагрузке оборудования, например при помощи переходных режимов при изменении нагрузки, которые происходят на выходе. В соответствии с одним вариантом осуществления ИБП 10 включает в себя каскад 12 коррекции коэффициента мощности, шину 14 постоянного тока, инверторный силовой каскад 16, систему 18 управления, вход 20 переменного тока, выход 22 переменного тока, источник 24 питания постоянного тока и зарядное устройство 26. Кроме этого ИБП может включать в себя пару переключателей 28, обходной переключатель 30 и изолирующий переключатель 32. Дополнительно ИБП 10 может включать в себя выпрямитель 34, первый входной конденсатор 36, второй входной конденсатор 37, первый конденсатор 38 шины постоянного тока и второй конденсатор 40 шины постоянного тока. Выпрямитель 34 может включать в себя первый диод 42 и второй диод 44.

В соответствии с одним вариантом осуществления силовой каскад 12 коррекции коэффициента мощности включает в себя вход 45 и выход 47, инверторный силовой каскад 16 включает в себя вход 46, источник 24 питания постоянного тока включает в себя вход 51 и выход 50, и зарядное устройство 26 включает в себя вход 52 и выход 54.

В качестве использованного здесь термин «шина постоянного тока» обычно используют, чтобы описать электрическую цепь постоянного тока, которая питает электроэнергией постоянного тока добавочную схему. Согласно одному варианту осуществления шина постоянного тока может включать в себя двойную шину постоянного тока, например, где каждая из положительной шины постоянного тока и отрицательной шины постоянного тока относится к нейтрали. Согласно другому варианту осуществления шина постоянного тока может включать в себя одинарную шину постоянного тока, например шину постоянного тока, в которой положительная шина постоянного тока и отрицательная шина постоянного тока не относятся к нейтрали. Термин «шина постоянного тока» не применяется для описания конкретного типа проводника, а может включать в себя любой тип проводника, включающий в себя провод, паяную дорожку, кабель, электрическую шину и т.д.

При работе ИБП 10 принимает вход переменного тока (например, однофазный вход переменного тока) на входе 20. Вход переменного тока выпрямляется выпрямителем 34 и подается на силовой каскад 12 коррекции коэффициента мощности. Согласно одному варианту осуществления силовой каскад 12 коррекции коэффициента мощности включает в себя полупроводниковые переключатели, которые выборочно работают, чтобы прикладывать электроэнергию к шине 14 постоянного тока. Дополнительно, циклы переключения полупроводниковых переключателей могут меняться в зависимости от величины нагрузки, которую подают на выходе 22 переменного тока ИБП. Как хорошо известно обычным специалистам в данной области техники, силовой каскад 12 коррекции коэффициента мощности поочередно подает электроэнергию на положительную шину постоянного тока и отрицательную шину постоянного тока. В течение различных стадий цикла переключения заряжают конденсатор 38, связанный с положительной шиной постоянного тока. На других стадиях цикла переключения заряжают конденсатор 40, связанный с отрицательной шиной постоянного тока. Энергию из шины постоянного тока подают на вход 46 инверторного силового каскада 16. Инверторный силовой каскад 16 преобразовывает постоянный ток в выход переменного тока на выходе 48 инверторного силового каскада. В иллюстрированном варианте осуществления инверторный силовой каскад предоставляет однофазный выход переменного тока, однако в различных вариантах осуществления инверторный силовой каскад может питать многофазный выход, например трехфазный выход, который может включать в себя или не включать в себя нейтраль.

Источник 24 питания постоянного тока применен в одном варианте осуществления в качестве запасного источника питания, чтобы подавать электроэнергию на силовой каскад коррекции коэффициента мощности, когда источник питания переменного тока недоступен. Пара переключателей 28 может работать, чтобы переключать между первым положением и вторым положением. В первом положении выход 50 выпрямителя 34 подключен к входу 45 силового каскада 12 коррекции коэффициента мощности. Во втором положении выход 50 выпрямителя 34 отключен и выход 50 источника питания постоянного тока подключен к входу 45 силового каскада 12 коррекции коэффициента мощности.

В соответствии с одним вариантом осуществления вход 52 зарядного устройства подключен к шине 14 постоянного тока и выход 54 зарядного устройства подключен к входу 51 источника питания постоянного тока. В соответствии с одним вариантом осуществления источник питания постоянного тока является аккумуляторным источником питания, и зарядное устройство 26 является аккумуляторным зарядным устройством. Однако в другом варианте осуществления могут быть использованы другие источники питания, например суперконденсаторы, топливные элементы и тому подобное.

Система 18 управления может в различных вариантах осуществления включать в себя одно или более устройств управления. В одном варианте осуществления устройство управления включает в себя электронную схему. В одном варианте осуществления вся система 18 управления включена в цифровой процессор сигналов. В дополнительном варианте осуществления некоторые элементы системы 18 управления включены в цифровой процессор сигналов, тогда как другие элементы системы 18 управления включены в другое место. В одном варианте осуществления система 18 управления включена в цифровой процессор сигналов TMS320F2810, произведенный Texas Instrument.

Ссылаясь теперь на фиг.2, иллюстрирована высокоуровневая блок-схема ИБП 10, включающая в себя дополнительные подробности системы 18 управления. ИБП 10 включает в себя силовой каскад 12 коррекции коэффициента мощности, инверторный силовой каскад 16 и силовой каскад 26 зарядного устройства. В соответствии с одним вариантом осуществления ИБП 10 также включает в себя вход 61 переменного тока, выход 63 переменного тока и вторую шину 66 постоянного тока. В одном варианте осуществления вторая шина 66 постоянного тока подключает зарядное устройство 26 к источнику питания постоянного тока, например аккумуляторному источнику питания. Система 18 управления включает в себя устройство 56 контроля мощности нагрузки, контроллер 58 контура напряжения, делитель 60 и контроллер 62 контура тока. Система управления также включает в себя узел 64. В одном варианте осуществления узел 64 является суммирующим узлом системы управления. В соответствии с одним вариантом осуществления вход 45 силового каскада 12 коррекции коэффициента мощности подключен к источнику мощности переменного тока, выход 43 силового каскада коррекции коэффициента мощности подключен к шине 14 постоянного тока. Кроме этого, в одном варианте осуществления вход 46 инверторного силового каскада подключен к шине 14 постоянного тока и выход 48 инверторного силового каскада 16 подключен к выходу 63 переменного тока ИБП 10. Дополнительно вход 26 силового каскада зарядного устройства подключен к шине 14 постоянного тока и выход 54 силового каскада зарядного устройства подключен ко второй шине 66 постоянного тока.

В одном варианте осуществления выход 63 переменного тока и выход 48 инверторного силового каскада электрически являются одной и той же точкой, то есть выход 48 является выходом переменного тока ИБП 10. В другом варианте осуществления вход 61 переменного тока и вход 45 силового каскада 12 коррекции коэффициента мощности электрически являются одной и той же точкой.

В одном варианте осуществления устройство 56 контроля мощности нагрузки включает в себя первый вход 68, второй вход 70 и выход 72. В дополнительном варианте осуществления первый вход 68 подключен ко второй шине 66 постоянного тока и второй вход 70 подключен к выходу 63 переменного тока ИБП 10. Контроллер 58 контура напряжения может включать в себя вход 74 и выход 76. Делитель 60 включает в себя первый вход 78, второй вход 79 и выход 80. Согласно одному варианту осуществления второй вход 79 подключен к входу 61 переменного тока ИБП 10. Контроллер 62 контура тока включает в себя вход 82 и выход 84. В соответствии с одним вариантом осуществления силовой каскад 12 коррекции коэффициента мощности включает в себя вход 86, который подключен к выходу 84 контроллера 62 контура тока.

В различных вариантах осуществления каждый из первого входа 68 и второго входа 70 подают информацию о напряжении и токе с каждой из соответственных цепей, к которой они подключены, т.е. второй шины 66 постоянного тока и выхода 63 переменного тока соответственно. Согласно одному варианту осуществления первый вход 68 и второй вход 70 подают одно или более линейное напряжение(я) и линейный ток(и), из которых определяют мгновенную мощность. В других вариантах осуществления одно или оба линейное напряжение(я) и линейный ток(и) подают в устройство 56 контроля мощности нагрузки после того, как они преобразованы преобразователями, например датчиками тока, преобразователями напряжения и т.д.

В соответствии с одним вариантом осуществления на вход 74 контроллера контура напряжения подают сигнал, использованный системой 18 управления в качестве опорного напряжения постоянного тока. Узел 64 в соответствии с одним вариантом осуществления суммирует сигнал, поданный с выхода 72 устройства 56 контроля мощности нагрузки, с сигналом, поданным с выхода 76 контроллера 58 контура напряжения. То есть в соответствии с одним вариантом осуществления система управления применяет как управление контуром напряжения с обратной связью, используя контроллер 58 контура напряжения, так и управление контролем мощности нагрузки с прямой связью, используя устройство 56 контроля мощности нагрузки. Согласно этому в версии этого варианта осуществления система 18 управления может использовать каждое из ошибки в напряжении шины постоянного тока (т.е. по отношению к предопределенному значению) и изменений мгновенной мощности нагрузки, чтобы управлять напряжением шины постоянного тока.

Согласно одному варианту осуществления делитель 60 принимает сигнал, соответствующий результату суммирования, на входе 78 и сигнал, соответствующий напряжению входа переменного тока, на входе 79. В версии этого варианта осуществления делитель делит сигнал, принятый на входе 78, на сигнал, принятый на входе 79, чтобы генерировать опорный сигнал на выходе 80.

В одном варианте осуществления вход 82 принимает сигнал, обеспеченный на выходе 80 делителя 60. В версии этого варианта осуществления сигнал соответствует опорному току, который подают на контроллер 62 контура тока. В соответствии с одним вариантом осуществления контроллер контура тока генерирует сигнал на своем выходе 84, который подают на вход 86 силового каскада 12 коррекции коэффициента мощности. Таким образом, в одном варианте осуществления опорный сигнал, который основан, по меньшей мере, частично на мгновенной мощности нагрузки, подают на силовой каскад 12 коррекции коэффициента мощности. В одном варианте осуществления опорный сигнал применяют, чтобы управлять работой силового каскада коррекции коэффициента мощности, например, чтобы управлять частотой переключения электронных переключателей, использованных для подключения шины 14 постоянного тока к источнику питания.

Модуль 18 управления может быть реализован в аппаратном обеспечении, программном обеспечении, программно-аппаратном средстве или их сочетании. В одном варианте осуществления модуль 18 управления может быть реализован в микропроцессоре или микроконтроллере, выполняющем команды встроенного программного обеспечения и/или программно-аппаратного средства. Согласно одному варианту осуществления один или более элементов системы 18 управления могут быть предусмотрены в электронной схеме, включающей в себя схему, осуществленную на полупроводниковом кристалле или пластине. В различных вариантах осуществления один или более элементов 56, 58, 64, 60 и 62 управления объединены в ту же схему или, наоборот, один или более из них могут быть включены в отдельную схему по одному или в сочетании с одним или более элементами управления.

Дополнительно, несмотря на то что система управления иллюстрирована как имеющая единственный выход, подключенный к силовому каскаду 12 коррекции коэффициента мощности, система 18 управления может включать в себя входы и выходы, которые подключены к силовому каскаду 12 коррекции коэффициента мощности или к другим участкам ИБП 10, включающим в себя инверторный силовой каскад 16 и силовой каскад 26 зарядного устройства. Для ясности эти дополнительные подключения здесь не иллюстрированы.

Ссылаясь теперь на фиг.3A, 3B и 3C, иллюстрирован ряд графиков формы волны, которые демонстрируют, как варианты осуществления изобретения реагируют на переходные колебания нагрузки. Переходные колебания могут включать в себя любое быстрое увеличение или уменьшение в мощности, поданной ИБП, например увеличение в электрической нагрузке, вызванное пуском двигателя вентилятора или компрессора.

Фиг.3A иллюстрирует график 300 формы волны тока и напряжения на выходе ИБП. Фиг.3B иллюстрирует график 308 формы волны мгновенной мощности нагрузки на выходе ИБП. Фиг.3C иллюстрирует график 320 формы волны суммарной разницы в мгновенной мощности нагрузки, как объяснено более подробно ниже.

Ссылаясь на фиг.3A, график 300 формы волны включает в себя форму волны 302 тока и форму волны 304 напряжения. Кроме этого график 300 формы волны иллюстрирует переходные колебания нагрузки в момент T1 времени, который отражен в форме волны 302 тока. В этом примере переходным колебанием нагрузки является увеличение в нагрузке. Однако варианты осуществления изобретения могут также действовать в ответ на быстрое уменьшение в электрической нагрузке. Для того чтобы выделить работу ИБП 10, исходная форма волны 306 тока иллюстрирована воображаемым контуром для периода, следующего за моментом T1 времени. Согласно этому форма волны 306 иллюстрирует установившийся ток, тогда как форма волны 302 иллюстрирует ток, который изменяется по величине в момент T1 времени. В иллюстрированном примере переходное колебание нагрузки происходит, по существу, мгновенно, например, переходное колебание нагрузки является ступенчатым увеличением в нагрузке. Дополнительно, как иллюстрировано, переходное колебание нагрузки вызывает увеличение в токе, поданном на нагрузку, который отражен изменением в форме волны тока, т.е. ступенчатым изменением, которое появляется в графике 300 формы волны.

В этом примере переходное колебание нагрузки происходит в течение первого положительного полуцикла 305. Последующий положительный полуцикл 307 (например, непосредственно следующий за положительным полуциклом) и последующий отрицательный полуцикл 309 также указаны в графике 300 формы волны.

Как иллюстрировано на фиг.3A-3C, переходное колебание нагрузки происходит в момент T1 времени, первое пересечение нуля происходит в момент T2 времени и конец первого положительного полуцикла указан вторым пересечением нуля в момент T3 времени. Завершение отрицательного полуцикла 309 и начало последующего положительного полуцикла 307 указаны пересечением нуля, происходящим в момент T4 времени, и завершение последующего положительного полуцикла 307 указано пересечением нуля, происходящим в момент T5 времени. Момент T6 времени представляет момент времени последующего положительного полуцикла 307, который следует за положительным полуциклом 305, где переходное колебание нагрузки впервые происходит.

Дополнительно, форма 316 волны, иллюстрированная на фиг.3B, соответствует форме волны мощности до переходного колебания нагрузки и показана воображаемым контуром для ссылки на положительный полуцикл 307. Согласно этому момент T6 времени представляет точку положительного цикла 307, которая соответствует моменту T1 времени первого положительного полуцикла 305. То есть количество времени между пересечением нуля, которое происходит в момент T2 времени, и возникновением переходного колебания нагрузки, как указано моментом T1 времени, равняется количеству времени между пересечением нуля, происходящим в момент T4 времени и момент T6 времени.

В соответствии с одним вариантом осуществления система 18 управления ИБП 10 отвечает на быстрые изменения в нагрузке выхода 63 переменного тока, потому что система 18 управления применяет контроль мощности нагрузки через устройство 56 контроля мощности нагрузки. Как будет объяснено здесь более подробно в соответствии с одним вариантом осуществления, сигнал может появиться на выходе 72 устройства 56 контроля мощности нагрузки только для переходных колебаний мощности нагрузки (либо увеличений, либо уменьшений) достаточной величины, как определено системой 18 управления. Таким образом, сигнал, поданный на узел 64 от выхода 72 устройства 56 контроля мощности нагрузки, может быть нулем в течение многих стадий работы, например устойчивой нагрузки или малых отклонений в нагрузке и т.д.

Ссылаясь на фиг.3B, график 308 формы волны иллюстрирует график мощности 310, предоставленной на выходе 63 ИБП 10. Кроме этого, форма 312 волны, соответствующая исходной мощности, какая бы она была без переходного колебания нагрузки, также иллюстрирована воображаемым контуром. Дополнительно для ясности другой участок формы 314 волны показан воображаемым контуром от пересечения нуля, происходящего в момент T2 времени, до момента T1 времени, где происходит переходное колебание нагрузки.

Различные варианты осуществления могут применять контроль мощности нагрузки в системе управления, чтобы предоставлять быстрый отклик на переходные колебания нагрузки. В иллюстрированном варианте осуществления ИБП 10 обеспечивает быструю регулировку для напряжения шины 14 постоянного тока посредством определения разницы в мгновенной мощности нагрузки по всему множеству выборок формы волны для последовательных полуциклов, которые имеют ту же полярность. То есть, в общем, варианты осуществления изобретения сравнивают точку на положительном полуцикле формы волны переменного тока с мгновенной мощностью нагрузки той же точки на непосредственно последующем полуцикле, который имеет ту же полярность, например сравнение мгновенной мощности нагрузки выполняют между первым положительным полуциклом и последующим положительным полуциклом и/или мгновенную мощность нагрузки сравнивают между первым отрицательным полуциклом и последующим отрицательным полуциклом. В различных вариантах осуществления ИБП реагирует на изменения в нагрузке выхода 63 переменного тока существенно быстрее, чем одна половина линейного цикла, используя предшествующий метод. В одном варианте осуществления время отклика меньше чем или равно 250 микросекунд. В другом варианте осуществления время отклика меньше чем или равно 500 микросекунд.

В дополнительных вариантах осуществления разницу в мгновенной мощности нагрузки в различных точках во время двух последовательных полуциклов, имеющих ту же полярность, накапливают и сравнивают с предопдределенным порогом. В одном варианте осуществления сигнал подают с выхода 72 устройства контроля мощности нагрузки, когда суммарная разница в мгновенной мощности нагрузки между последовательными периодами превышает предопределенный порог. В дополнительном варианте осуществления сигнал не подают с выхода 72, пока суммарная разница в мгновенной мощности нагрузки между последовательными периодами не превышает предопределенный порог.

В соответствии с другим вариантом осуществления устройство контроля мощности нагрузки добавляет мгновенную мощность, поданную с выхода 54 зарядного устройства 26, к мгновенной мощности нагрузки на выходе 63, чтобы определить полную мгновенную мощность, поданную ИБП 10. Согласно этому варианту осуществления определяют разницу в полной мгновенной мощности в течение последовательных полуциклов выхода переменного тока (имеющих ту же полярность), накапливают и сравнивают с предопределенным порогом. В версии этого варианта осуществления сигнал подают с выхода 72 устройства контроля мощности нагрузки, когда суммарная разница в полной мгновенной мощности нагрузки превышает предопределенный порог. Хотя нижеследующее описание относится к мгновенной мощности нагрузки (т.е. определена на основании входа 70 устройства 56 контроля мощности нагрузки), определение полной мгновенной мощности может также быть применено (т.е. определено на основании как входа 68, так и входа 70 устройства 56 контроля мощности нагрузки).

Фиг.4A иллюстрирует процедуру 400, которая применяет разницу в мгновенной мощности нагрузки в соответствии с одним вариантом осуществления. В одном варианте осуществления устройство 56 контроля мощности нагрузки отбирает напряжение и ток каждого линейного цикла предопределенное количество раз. В одном варианте осуществления каждый линейный цикл отбирают в 64 точках в момент времени. Согласно этому момент t_m времени и момент t_n времени являются представителем точки выборки из первого полуцикла 305 и точкой выборки из последующего положительного полуцикла 307 соответственно. Более конкретно, момент t_m времени представляет точку выборки между моментами T2 и T1 времени, то есть до возникновения переходного режима при изменении нагрузки. Дополнительно момент t_m времени происходит через известное количество времени после пересечения нуля, которое начинает первый положительный полуцикл 305 формы 310 волны, т.е. в известное время после момента T2 времени. То есть количество времени X проходит между моментом T2 времени и моментом t_m времени, т.е. t_m-T2=X. Согласно этому момент t_n времени выбирается как момент времени, который происходит через то же количество времени (т.е. количество X) после пересечения нуля, которое начинает последующий положительный полуцикл 307 формы 310 волны, т.е. t_n-T4=X.

Используя этот пример, мгновенную мощность нагрузки в момент t_m времени определяют на стадии 402. Согласно одному варианту осуществления определение мгновенной мощности нагрузки для каждой выборки первого положительного полуцикла 305 определяют до стадии 403. На стадии 403 определяют мгновенную мощность нагрузки в момент t_n времени. На стадии 404 определяется разница между мгновенной мощностью нагрузки в момент t_m времени и мгновенной мощностью нагрузки в момент t_n времени. То есть в соответствии с одним вариантом осуществления разница, определенная на стадии 404, является разницей между мгновенной мощностью нагрузки, определенной в точках выборки, которая происходит в той же относительной точке времени в двух полуциклах.

Как упоминалось ранее, суммарную разницу в мгновенной мощности нагрузки между последующими полуциклами, имеющими ту же полярность, применяют в некоторых вариантах осуществления. На стадии 406 разницу, определенную на стадии 404, добавляют к суммарной разнице в мгновенной мощности нагрузки между последующими полуциклами, например между первым положительным полуциклом 305 и последующим положительным полуциклом 307. Кроме того, как упоминалось ранее, суммарную разницу в мгновенной мощности нагрузки сравнивают с предопределенным порогом в некоторых вариантах осуществления.

На стадии 408 суммарную разницу в мгновенной мощности нагрузки сравнивают с предопределенным порогом, чтобы определить, превышает ли суммарная разница в мгновенной мощности нагрузки предопределенный порог. Когда суммарная разница мощности нагрузки превышает предопределенный порог, метод 400 переходит к стадии 410, где суммарную разницу мощности нагрузки подают на выход 72 устройства 56 контроля мощности нагрузки, например, сигнал, соответствующий суммарной разнице мощности нагрузки, генерируется на выходе 72 устройства 56 контроля мощности нагрузки.

На стадии 412 выполняется определение, завершена ли выборка для полуцикла тока, который вычисляется. В соответствии с одним вариантом осуществления если выборка завершена для полуцикла тока, суммарная разница мощности нагрузки сбрасывается на ноль и процедура начинается снова для последующего полуцикла, имеющего ту же полярность, на стадии 414. Как также иллюстрировано на фиг.4A, способ 400 переходит от стадии 408 к стадии 412 в некоторых вариантах осуществления, когда суммарная разница в мгновенной мощности нагрузки не превышает предопределенный порог. Если на стадии 412 определено, что выборка не завершена для полуцикла тока, процедура переходит к стадии 416. На стадии 416 процедуру повторяют для непосредственно последующего момента времени выборки, например для моментов t_m=t_m+1 времени и соответствующего момента t_n=t_n+1 времени. Согласно этому процедура возвращается к стадии 403. Как здесь описано, процедура будет продолжаться, пока выборка и анализ для предопределенного периода формы волны, например полуцикла, не завершатся.

Процедура 400 может включать в себя различные модификации, которые будут очевидны обычным специалистам в данной области техники. Например, процедура 400 может быть осуществлена для как положительных полуциклов, так и отрицательных полуциклов. То есть процедура будет непрерывной для каждого цикла, где мгновенную мощность нагрузки положительных полуциклов сравнивают с мгновенной мощностью нагрузки других положительных полуциклов и мгновенную мощность нагрузки отрицательных полуциклов сравнивают с мгновенной мощностью нагрузки других отрицательных полуциклов в порядке, в общем описанном здесь.

Варианты осуществления изобретения могут быть применены с различными конструкциями и типами схемы преобразования мощности в целом и ИБП в частности. Согласно одному варианту осуществления процедура 400 применяется с ИБП, который включает в себя двойную шину постоянного тока, например, где каждая из положительной шины постоянного тока и отрицательной шины постоянного тока относится к нейтрали. Согласно другому варианту осуществления процедура 400 применяется с ИБП, который включает в себя одинарную шину постоянного тока, например ИБП, в котором положительная шина постоянного тока и отрицательная шина постоянного тока не относятся к нейтрали.

Ссылаясь теперь на фиг.3C, иллюстрирован график 320 формы волны суммарной разницы в мгновенной мощности нагрузки. График формы волны включает в себя предопределенный порог 322, показанный пунктирной линией, первый период 324, в котором обнаруживают переходное колебание нагрузки, и второй период 326, в котором обнаруживают переходное колебание нагрузки.

Мгновенная мощность нагрузки имеет положительное значение, как отражено в графике 308 формы волны. Согласно этому на фиг.3B область формы 310 волны мощности, которая соответствует положительному полуциклу 305 графика 300 формы волны, указана как область 328 и область, которая соответствует положительному полуциклу 307, указана как область 330.

На фиг.3B форма 312 волны отражает мгновенную мощность нагрузки положительного полуцикла, который непосредственно предшествует полуциклу формы волны 310 мощности, указанной как область 328. Так как каждый из полуцикла формы волны 310 мощности, указанной как область 328, и предшествующего полуцикла формы волны 312 имеет ту же величину от момента T2 времени до момента T1 времени, значение суммарной разницы в мгновенной мощности нагрузки является нулем до момента T1 времени. Во время переходного колебания нагрузки (т.е. момент T1 времени) сравнение мгновенной мощности нагрузки полуцикла формы волны 310 мощности, указанной как область 328, с непосредственно предшествующим положительным полуциклом (представленным формой 312 волны) выясняет, что мгновенная мощность нагрузки больше в полуцикле формы волны 310 мощности, указанной как область 328. Таким образом, начиная с момента T1 времени, суммарная разница в мгновенной мощности нагрузки получается из разницы между мгновенной мощностью нагрузки формы волны 310 мощности, указанной как область 328, и формы 312 волны. Так как мгновенная мощность нагрузки полуцикла формы волны 310 мощности, указанной как область 328, остается больше (т.е. увеличенная нагрузка остается), суммарная разница непрерывно увеличивается, пока не достигнуто пересечение нуля в момент T3 времени.

В соответствии с одним вариантом осуществления система 18 управления сравнивает суммарную разницу в мгновенной мощности 324 нагрузки с предопределенным порогом 322. Согласно одному варианту осуществления устройство контроля мощности нагрузки осуществляет сравнение. В иллюстрированном примере сигнал генерируется на выходе 72 устройства 56 контроля мощности нагрузки в момент T7 времени, потому что это момент времени, в который суммарная разница в мгновенной мощности нагрузки превышает предопределенный порог 322. Дополнительно в иллюстрированном варианте осуществления сигнал генерируется на выходе 72 для оставшейся части периода положительного полуцикла 305.

На фиг.3C эта суммарная разница мощности нагрузки для последующего положительного полуцикла иллюстрирована графиком 326. В момент T4 времени разница в мгновенной мощности нагрузки между формой 330 волны и формой 316 волны начинает накапливаться до момента T6 времени, в котором нет дополнительных добавлений к суммарной мощности нагрузки для этого полуцикла (т.е. при условии, что не происходят дополнительные переходные колебания нагрузки). То есть, начиная с момента T1 времени, полуцикл 328 включает в себя изменение в мгновенной мощности нагрузки, вызванное переходным колебанием. Это изменение также отражено в форме 330 волны. Следовательно, нет разницы в мгновенной мощности нагрузки.

Ссылаясь теперь на фиг.4B, иллюстрирована процедура 420, которая может быть включена в полную процедуру 400. В соответствии с одним вариантом осуществления процедура 420 включена в полную процедуру 400 после стадии 410. На стадии 422 определение выполнено, чтобы подать суммарную разницу мощности нагрузки на выход 72, то есть участок системы 18 управления, который управляет работой силового каскада коррекции коэффициента мощности. Однако на стадии 424 дополнительно вычисляется определение для подачи разницы. В соответствии с одним вариантом осуществления суммарную разницу мощности нагрузки продолжают использовать для управления работой силового каскада коррекции коэффициента мощности, если либо суммарная разница мощности нагрузки определяется для полуцикла, в котором предопределенный порог был превышен, либо для непосредственно последующего полуцикла, имеющего ту же полярность, как у полуцикла, в котором предопределенный порог был превышен. Однако если ни один из этих двух критериев не удовлетворен на стадии 424, процедура 420 переходит к стадии 426, где выполняется определение, превышает ли суммарная разница в мгновенной мощности нагрузки предопределенный порог. Если да, суммарную разницу мощности нагрузки продолжают использовать для управления работой силового каскада коррекции коэффициента мощности. Если нет, суммарная разница в мгновенной мощности нагрузки больше не используется для управления работой силового каскада коррекции коэффициента мощности, как указано на стадии 428. То есть в одном варианте осуществления устройство 56 контроля мощности нагрузки останавливает подачу сигнала с выхода 72 на стадии 428.

В соответствии с одним вариантом осуществления предопределенный порог устанавливают на основании ожидаемых отклонений в нелинейных нагрузках, подаваемых ИБП 10. В различных вариантах осуществления другие факторы, учтенные в выборе предопределенного порога, включают в себя разрешение измерений, т.е. сколько точек выборки выбрано за линейный цикл, помеху сигнала, испытанную в измерениях. В версии этого варианта осуществления предопределенный порог установлен так, чтобы он был больше, чем вклад этих побочных отклонений в мгновенной мощности. В одном варианте осуществления предопределенный порог установлен на 200 Вт. В дополнительном варианте осуществления предопределенный порог установлен как процент от полной мощности нагрузки. В версии этого варианта осуществления предопределенный порог установлен приблизительно 5-6% от полной мощности нагрузки.

Как упоминалось выше, варианты осуществления могут быть применены для предоставления улучшенной переходной характеристики напряжения шины постоянного тока. В различных вариантах осуществления частоту выборки выбирают для управления временем отклика. Например, более быстрая интенсивность выборки (выборки/цикл) может приводить к более быстрому обнаружению переходных колебаний нагрузки, которое дает более быструю переходную характеристику шины постоянного тока и соответствующее снижение в перерегулировании и недорегулировании напряжения шины постоянного тока.

Варианты осуществления системы анализа профиля мгновенной мощности нагрузки и способ, описанные здесь, могут быть применены с однофазными или трехфазными системами. Например, варианты осуществления могут быть использованы, когда нагрузка трехфазной системы не сбалансирована и/или нагрузка является нелинейной, потому что линейный цикл будет также включать в себя компонент переменного тока. Таким образом, варианты осуществления могут быть использованы для многофазных применений, включающих в себя гибридные системы, такие как те, которые включают в себя 3-фазное питание переменного тока на входе ИБП и однофазный выход ИБП.

Имея, таким образом, несколько описанных вариантов, по меньшей мере, одного варианта осуществления этого изобретения, должно быть принято во внимание, что различные возможные варианты, модификации и улучшения будут легко появляться у специалистов в данной области техники. Предполагается, что такие возможные варианты, модификации и улучшения являются частью этого раскрытия, и предполагается, что они находятся в пределах сущности и объема изобретения. Согласно этому вышеизложенное описание и чертежи приведены только в качестве примера.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение эффективности и быстродействия управления. Источник бесперебойного питания (ИБП) (10) включает в себя выход (63) переменного тока, силовой каскад (12) коррекции коэффициента мощности; и шину (14) постоянного тока, соединенную с силовым каскадом (12) коррекции коэффициента мощности, система (18) управления выполнена с возможностью определения разницы в мгновенной мощности, поданной на выход (63) переменного тока, и регулировки напряжения шины (14) постоянного тока на основании, по меньшей мере частично, разницы. В одном варианте осуществления система (18) управления выполнена с возможностью определения суммарной разницы в мгновенной мощности, поданной на выход (63) переменного тока. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ управления напряжением шины постоянного тока, включенной в источник бесперебойного питания («ИБП»), при этом ИБП включает в себя схему коррекции коэффициента мощности, соединенную с шиной постоянного тока, выход переменного тока и систему управления, причем способ содержит этапы, на которых: определяют разницу между мгновенной мощностью, поданной на выход переменного тока в первый момент времени, происходящий в течение первого цикла формы волны переменного тока, предусмотренной на выходе переменного тока, и мгновенной мощностью, поданной на выход переменного тока во второй момент времени, происходящий в течение второго цикла формы волны переменного тока, который является следующим за первым циклом; посредством системы управления генерируют выходной сигнал, основываясь, по меньшей мере, частично на упомянутой разнице; и предоставляют выходной сигнал схеме коррекции коэффициента мощности, чтобы регулировать работу схемы коррекции коэффициента мощности, чтобы регулировать напряжение шины постоянного тока.

2. Способ по п.1, при этом первый момент времени происходит следующим за началом первого цикла через первое количество времени, и в котором второй момент времени происходит следующим за началом второго цикла через второе время, которое, по существу, равно первому количеству времени.

3. Способ по п.1, дополнительно содержащий этапы, на которых выбирают первый момент времени, как момент времени, происходящий в течение первого положительного полуцикла формы волны переменного тока; и выбирают второй момент времени как момент времени, происходящий в течение положительного полуцикла, который является непосредственно следующим за первым положительным полуциклом.

4. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором определяют суммарную разницу в мгновенной мощности, поданной на выход переменного тока, основываясь на сравнении мгновенной мощности, определенной во множестве точек в первом цикле формы волны переменного тока, и мгновенной мощности, определенной на множестве точек во втором цикле формы волны переменного тока.

5. Способ по п.4, дополнительно содержащий этап, на котором предоставляют суммарную разницу схеме коррекции коэффициента мощности.

6. Способ по п.4, дополнительно содержащий этапы, на которых:
сравнивают суммарную разницу с заранее определенным порогом и генерируют опорный сигнал тока, используя суммарную разницу.

7. Способ по п.6, дополнительно содержащий этап, на котором регулируют работу схемы управления коэффициентом мощности, чтобы регулировать напряжение шины постоянного тока, когда суммарная разница превышает заранее определенный порог.

8. Способ по п.6, при этом упомянутый ИБП включает в себя зарядную схему, выполненную с возможностью заряжать устройство аккумулирования энергии, при этом зарядная схема включает в себя выход постоянного тока, и при этом способ дополнительно содержит этапы, на которых: определяют первую сумму как сумму мгновенной мощности, поданной на выход переменного тока, и мгновенной мощности, поданной на выход постоянного тока в первый момент времени; определяют вторую сумму как сумму мгновенной мощности, поданной на выход переменного тока, и мгновенной мощности, поданной на выход постоянного тока во второй момент времени; и определяют суммарную разницу основываясь на разнице между первой суммой и второй суммой.

9. Способ по п.4, дополнительно содержащий этапы, на которых: определяют ошибку в напряжении шины постоянного тока, и управляют напряжением, используя каждое из упомянутой ошибки и суммарной разницы.

10. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором регулируют работу схемы коррекции коэффициента мощности за количество времени, которое существенно меньше, чем одна половина цикла формы волны переменного тока, следующая за, по существу, мгновенным изменением в мощности нагрузки, большей, чем заранее определенный порог.

11. Источник бесперебойного питания («ИБП»), содержащий: выход переменного тока; схему коррекции коэффициента мощности; шину постоянного тока, соединенную со схемой коррекции коэффициента мощности, и систему управления, включающую в себя выход, соединенный со схемой коррекции коэффициента мощности, при этом система управления выполнена с возможностью определения разницы между мгновенной мощностью, поданной на выход переменного тока в первый момент времени, происходящий в течение первого цикла формы волны переменного тока, предусмотренной на выходе переменного тока, и во второй момент времени, происходящий в течение второго цикла формы волны переменного тока, который является следующим за первым циклом; при этом система управления выполнена с возможностью генерирования выходного сигнала на выходе, основываясь, по меньшей мере, частично на упомянутой разнице, и при этом выходной сигнал применяется, чтобы регулировать работу схемы коррекции коэффициента мощности, чтобы регулировать напряжение шины постоянного тока.

12. ИБП по п.11, дополнительно содержащий любой из однофазного входа переменного тока и многофазного входа переменного тока.

13. ИБП по п.11, в котором система управления выполнена с возможностью определения суммарной разницы в мгновенной мощности, подаваемой на выход переменного тока, основываясь на сравнении мгновенной мощности, определенной во множестве точек в первом цикле формы волны переменного тока, и мгновенной мощности, определенной во множестве точек во втором цикле формы волны переменного тока.

14. ИБП по п.13, при этом система управления выполнена с возможностью сравнивания суммарной разницы с заранее определенным порогом и генерирования выходного сигнала, чтобы регулировать работу упомянутого ИБП, когда суммарная разница превышает заранее определенный порог.

15. ИБП по п.13, при этом упомянутый выходной сигнал включает в себя опорный сигнал тока, сгенерированный с использованием суммарной разницы.

16. ИБП по п.15, при этом система управления включает в себя схему управления контуром напряжения, и при этом система управления выполнена с возможностью генерирования опорного сигнала тока, используя сигнал, сгенерированный схемой управления контуром напряжения.

17. ИБП но п.11, дополнительно содержащий зарядную схему, выполненную с возможностью зарядки устройства аккумулирования энергии, при этом зарядная схема включает в себя выход постоянного тока, и при этом система управления выполнена с возможностью определения разницы в полной мгновенной мощности, поданной на выход переменного тока и выход постоянного тока, и генерирования выходного сигнала, чтобы регулировать работу ИБП, основываясь, по меньшей мере, частично на разнице в полной мгновенной мощности.

18. ИБП по п.11, дополнительно содержащий инвертор, имеющий вход, соединенный с шиной постоянного тока, и выход, соединенный с выходом переменного тока.