ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ - СТАТИЧЕСКИЙ ОБРАТИМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА И ЗАРЯДА (ПОДЗАРЯДА) АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2020 года по МПК H02M7/66 H02J3/04 

Область техники

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к статическим обратимым преобразователям (ОП), выполняющим функцию источников бесперебойного питания (ИБП), в которых при выходе из работы основного источника питания (трехфазного генератора переменного тока) производится питание потребителей переменного и постоянного тока путем преобразования электроэнергии постоянного тока, сохраненной в аккумуляторной батарее (АБ), в энергию трехфазного переменного тока (инверторный режим ОП). При нормальной работе основной сети переменного тока ОП производит заряд и подзаряд АБ (зарядный режим ОП), а также питание потребителей постоянного тока путем выпрямления напряжения основной сети (выпрямительный режим ОП).

Известно устройство бесперебойного питания (патент РФ №2221320), содержащее сетевой выпрямитель, выводами переменного тока подключенный к промышленной сети электроснабжения переменного тока, а выводами постоянного тока - к входным выводам зарядно-буферного преобразователя, выходные выводы постоянного тока которого подключены к резервной аккумуляторной батарее и входам преобразователей напряжения постоянного тока в постоянный. Недостатком данного устройства бесперебойного питания является то, что в нем не обеспечена возможность рекуперации энергии аккумуляторной батареи в питающую промышленную сеть переменного тока. Кроме того, состав данного устройства электропитания избыточен, поскольку заряд аккумуляторной батареи обеспечивается отдельным преобразователем, а в составе выходных преобразователей напряжения постоянного тока в постоянный используются два канала инвертирования (основной и дополнительный инвертор), один из которых работает через сетевой выпрямитель только от промышленной сети, а второй только от аккумуляторов.

Более близким аналогом является техническое решение, защищенное патентом США №6160722. У заявленного реверсивного преобразователя имеются три порта входа-выхода силовых цепей: основной сети переменного тока, источника постоянного тока для подключения аккумуляторной батареи и порта для подключения ответственных потребителей переменного тока. При нормальной работе от основной сети переменный ток выпрямляется, а затем инвертором преобразуется в переменное напряжение высокой частоты, которое далее поступает на двухобмоточный трансформатор высокой частоты и далее после выпрямления в реверсивном преобразователе поступает на заряд аккумуляторов. Одновременно в этом режиме производится питание ответственных потребителей переменного тока от шин постоянного тока через второй инвертор. В аварийном режиме, когда нарушается работа основной сети, питание ответственных потребителей переменного тока производится от аккумуляторной батареи через еще один инвертор высокой частоты, вышеупомянутый двухобмоточный трансформатор, реверсивный преобразователь, работающий в этом случае как выпрямитель и через вышеупомянутый первый инвертор. Недостатком преобразователя являются большая установленная мощность ОП и большие массогабаритные показатели, а также низкая эффективность преобразования энергии и большие потери.

Уменьшение установленной мощности и массогабаритных параметров ОП по сравнению с упомянутыми аналогами реализовано в патенте РФ 2426215, выбираемому в качестве прототипа. Предложенный в прототипе ОП (как одна из модификаций) показан на фиг. 1, где обозначения приняты в соответствии с описанием прототипа.

ОП прототипа работает в трех основных режимах - инверторном, выпрямительном и зарядном:

- в инверторном режиме, когда основной источник питания (синхронный генератор) отключен, ответственные потребители переменного тока получают питание от аккумуляторной батареи через обратимый преобразователь;

- в выпрямительном и зарядном режимах потребители переменного тока получают питание от основной сети переменного тока, например, от синхронного генератора, а питание потребителей постоянного тока и заряд (подзаряд) аккумуляторной батареи производится через обратимый преобразователь, т.е. обратимый преобразователь пропускает электроэнергию в обратном направлении.

Обратимый преобразователь имеет два порта входа-выхода силовых цепей, один из которых 10 выполнен в виде зажимов постоянного тока с подключенными к нему на входе аккумуляторной батареей 11 и потребителями постоянного тока 16 и который является входным портом при работе в инверторном режиме и выходным - в зарядном и выпрямительном режимах работы, а другой порт 20 выполнен в виде зажимов переменного тока с подключенными к нему синхронным генератором и потребителями переменного тока и является выходным портом в инверторном и входным в зарядном и выпрямительном режимах работы. Для электрической связи между зажимами постоянного и переменного тока указанных портов через автоматические выключатели Q1 и Q2 включены два звена, последовательно соединенные между собой, одно из которых 6 является звеном высокой частоты, а другое 7 - звеном автономного инвертора основной частоты, при этом звенья снабжены драйверами 19, 23 и 24 для управления силовыми модулями 14, 21 и 22. Оба звена используются в инверторном и зарядном режимах. При этом в зарядном режиме при нормальном функционировании основной сети переменного тока (синхронного генератора 35) ответственные потребители переменного тока подключены непосредственно к основной сети переменного тока через автоматические выключатели Q3 и Q4.

Звено высокой частоты 6 обеспечивает с помощью входящего в него трансформатора 5 гальваническую развязку между портами 10 и 20. Звено высокой частоты содержит два стандартных транзисторно-диодных модуля 14 и 21, подключенных со стороны первичной и вторичной обмоток высокочастотного трансформатора 5. Каждый из них работает либо в инверторном режиме, когда используются все их элементы, либо в выпрямительном, когда используются только обратные диоды, а транзисторы не открываются. В инверторном режиме ОП модуль 14, подключенный к первичной обмотке трансформатора 5 со стороны источника постоянного тока, работает в инверторном режиме, а модуль 21, включенный с противоположной стороны трансформатора 5, работает в выпрямительном режиме. В зарядном и выпрямительном режимах работы обратимого преобразователя функции модулей меняются на противоположные.

В инверторном режиме ОП высокочастотной модуль 14, подключенный со стороны источника постоянного тока, работает в режиме инвертора напряжения, а в зарядном и выпрямительном режимах работы ОП высокочастотной модуль 21, подключенный со стороны источника переменного тока, - в режиме инвертора тока. Это техническое решение позволяет в инверторном режиме ОП модулю 14 по типу инвертора напряжения с параллельно включенным конденсатором 13 на входе модуля со стороны АБ регулировать напряжение вниз, а в зарядном и выпрямительном режимах работы ОП модулю 21 по типу инвертора тока с последовательно включенным реактором 25 на входе модуля со стороны источника переменного тока регулировать напряжение вверх. Данное решение обусловлено тем, что в зарядном и выпрямительном режимах ОП необходимо иметь более высокое напряжение для заряда АБ, чем в инверторном, где напряжение на входе порта 10 равно напряжению АБ.

Звено автономного инвертора основной частоты 7, подключенное своими зажимами постоянного тока к зажимам постоянного тока звена высокой частоты 6 и зажимами переменного тока к зажимам порта переменного тока, выполнено на базе стандартных транзисторно-диодных модулей 22, соединенных по схеме трехфазного моста, и LC-фильтра 27, 28 нижних частот. Это звено выполнено также реверсивным. В инверторном режиме ОП оно с помощью транзисторов работает в режиме автономного инвертора, а в зарядном режиме ОП с помощью обратных диодов - выполняет функцию выпрямителя. В зарядном и выпрямительном режимах работы ОП с помощью управления транзисторами инвертора 7 по методу векторной или синусоидальной ШИМ можно регулировать переток активной и реактивной мощности в основную сеть и обратно.

Одно из технических решений силовой части прототипа, как одна из модификаций, базирующееся на параллельно соединенных однофазных высокочастотных инверторах напряжения, подключенных к АБ, и последовательно соединенных однофазных высокочастотных инверторах тока, подключенных к выпрямителю основной сети (обратным диодам автономных инверторов основной сети), изображено на фиг. 2, где A1, А2, A3, А4 - высокочастотные инверторы напряжения, каждый из которых содержит автоматический выключатель Q1, конденсатор С1 и высокочастотный модуль VT1; T1-Т4 - высокочастотные трансформаторы; А5, А6, А7, А8 - высокочастотные инверторы тока, каждый из которых содержит реактор L1, конденсатор С2 и высокочастотный модуль VT2; Б1-Б4 - высокочастотные блоки в составе А1, Т1, А5; А2, Т2, А6; A3, Т3, А7; А4, Т4, А8 соответственно; Б5 - трехфазный автономный инвертор основной сети (например, 380 В, 50 Гц) с LC - фильтром (L1-L3 - реакторы, С4-С6 - конденсаторы).

Для обеспечения в зарядном режиме ОП максимального уровня тока заряда АБ, а в выпрямительном режиме - максимального уровня тока нагрузки потребителей постоянного тока необходимо параллельное соединение четырех высокочастотных модулей А1-А4 со стороны АБ. Соответственно для обеспечения максимального уровня линейного напряжения основной сети в инверторном режиме ОП четыре звена А5-А8 со стороны основной сети должны быть соединены последовательно.

К недостаткам ОП прототипа следует отнести следующие:

- ухудшение массогабаритных показателей ОП в связи с необходимостью установки дополнительных дросселей L1 в инверторах тока А5-А8, соответствующих полному току нагрузки в выпрямительном и зарядном режимах ОП;

- отсутствие унификации однофазных высокочастотных инверторов, подключенных к первичной и вторичной обмоткам высокочастотных трансформаторов Т1-Т4 (А1-А4 - инверторы напряжения, а А5-А8 - инверторы тока);

- значительные потери на коммутацию высокочастотных модулей ОП.

Техническим результатом изобретения является устранение перечисленных недостатков, а именно:

- улучшение массогабаритных показателей ОП путем отказа от установки дросселей L1;

- унификация однофазных высокочастотных инверторов ОП, подключенных к первичной и вторичной обмоткам высокочастотных трансформаторов Т1-Т4, на базе однотипных однофазных высокочастотных инверторов напряжения;

- уменьшение потерь на коммутацию части высокочастотных модулей ОП.

Раскрытие сущности изобретения

Силовая схема предлагаемого ОП представлена на фиг. 3. Данный ОП состоит из 4-х высокочастотных блоков Б1-Б4, каждый из которых содержит со стороны порта постоянного тока автоматические выключатели Q1, высокочастотные модули VT1, четыре транзистора которых управляются драйверами Д1, с входными конденсаторами С1 (образуя инверторы напряжения А1-А4), высокочастотные трансформаторы Т1-Т4 и со стороны порта переменного тока высокочастотные модули VT1 с входными конденсаторами С2 (образуя инверторы напряжения А5-А8), и одного блока низкой частоты (50 Гц) Б5, который содержит автоматические выключатели Q2 и Q3, трехфазный модуль VT2, шесть транзисторов которого управляются драйвером Д2, входной конденсатор С3 (образуя трехфазный инвертор напряжения А9), и трехфазный фильтр низких частот L1-L3, С4-С6.

Как и в прототипе, в зарядном и выпрямительном режимах ОП обратные диоды модуля VT2 образуют трехфазный мост, выходное постоянное напряжение которого через автоматический выключатель Q2 подается на вход последовательно соединенных инверторов А5-А8. В этих режимах управление ключами модуля инвертора А9 от драйвера Д2 блокируется, либо в режиме векторной или синусоидальной ШИМ обеспечивается работа инвертора А9 в режиме активного выпрямителя.

Одно из отличий предлагаемой силовой схемы от прототипа заключается в том, что звенья А5-А8 со стороны основной сети в зарядном и выпрямительном режимах ОП являются инверторами напряжения и аналогичны звеньям А1-А4 со стороны АБ, в то время как в прототипе соответствующие звенья со стороны основной сети являются инверторами тока и отличаются от инверторов напряжения со стороны АБ наличием дополнительных индуктивностей на их входе.

Другим отличием от прототипа предлагаемой силовой схемы ОП является способ формирования необходимого значения выходного напряжения в зарядном и выпрямительном режимах ОП и его реализация.

В прототипе повышение напряжения заряда АБ в зарядном и выпрямительном режимах ОП производится с помощью инверторов тока (на рис. 2 - А13-А16), работающих как повышающие чопперы, в то время как в предлагаемом техническом решении необходимое напряжение порта постоянного тока производится путем закорачивания части последовательно соединенных звеньев А5-А8, следствием чего является повышение напряжения питания остающихся со стороны основной сети в работе звеньев, и, соответственно, увеличение напряжения заряда АБ и напряжение потребителей постоянного тока. Требуемый уровень напряжения порта постоянного тока в сторону его уменьшения устанавливается регулированием напряжения вниз оставшихся в работе инверторов напряжения, входящих в незакороченные звенья из числа А5-А8.

При выводе из работы (закорачивании) части звеньев из А5-А8 со стороны основной сети такое же количество части звеньев из А1-А4 со стороны АБ также выводится из работы (отключаются).

Реализация закорачивания части звеньев А5-А8 производится сигналами от драйверов Д1, входящих в состав этих звеньев и открывающих все четыре транзистора модулей VT1 закорачиваемых звеньев, а отключение части звеньев А1-А4 производится блокированием сигналов от драйверов Д1, входящих в состав этих звеньев и управляющих транзисторами модулей VT1 отключаемых звеньев.

В связи с тем, что транзисторы закороченных модулей VT1 закороченных звеньев из числа А5-А8 не коммутируются, а транзисторы отключенных модулей VT1 в отключенных звеньях из числа А1-А4 обесточены, потери предлагаемого ОП в зарядном и выпрямительном режимах существенно снижаются по сравнению с прототипом.

В инверторном режиме ОП для обеспечения максимального значения выходного напряжения трехфазного инвертора (1,05⋅U_H, где U_H=380 В) при минимальном напряжении АБ, равном 175 В и выше до 235 В, необходимо реализовать последовательное соединение звеньев А5-А8 и, соответственно, параллельное соединение звеньев А1-А4, при этом все звенья А1-А8 остаются в работе: управление однофазными модулями VT1 каждого звена А1-А8 осуществляется драйверами Д1, управляющими коммутацией четырех транзисторов каждого модуля VT1. Транзисторный модуль VT2 выходного трехфазного инвертора А9 управляется драйвером Д2, обеспечивая ШИМ выходного трехфазного напряжения с выходной частотой 50 Гц.

При напряжениях АБ в диапазоне от 235 до 330 В максимальное значение напряжения выходного напряжения (1,05⋅U_H) можно обеспечить последовательным соединением любых трех звеньев из звеньев А5-А8 (например, А5-А7), при этом в работе остаются три из числа параллельно соединенных звеньев А1-А4 (например, А1-А3). Данный режим осуществляется закорачиванием одного из звеньев А5-А8 (например, А8) с помощью драйвера Д1, открывающего все четыре транзистора закорачиваемого модуля звена А8, при этом сигналы драйвера Д1, управляющего открытием четырех транзисторов модуля VT1 звена А4 блокируются. В этом случае, аналогично предыдущему режиму, транзисторный модуль VT2 выходного трехфазного инвертора А9 управляется драйвером Д2, обеспечивая ШИМ выходного трехфазного напряжения с выходной частотой 50 Гц.

В связи с тем, что транзисторы закороченного модуля VT1 в закороченном звене из числа А5-А8 не коммутируются, а транзисторы отключенного модуля VT1 в отключенном звене из числа А1-А4 обесточены, потери предлагаемого ОП в инверторном режиме снижаются по сравнению с прототипом.

Предложенное техническое решение рассмотрим на примере ОП со следующими параметрами:

- мощность ОП - 250 кВт;

- напряжение АБ, как и напряжение питания потребителей постоянного тока - в диапазоне от 175 до 320 В;

- номинальное линейное напряжение основной трехфазной сети и потребителей переменного тока 380 В частотой 50 Гц;

На фиг. 4 изображена характеристика ОП в зарядном и выпрямительном режимах (постоянство мощности 250 кВт), а также примеры режимов стабилизации тока и напряжения, которые могут быть необходимы при заряде (подзаряде) АБ:

- при напряжении 330 В и ниже ток ограничивается на уровне 750 А;

- при напряжении 250 В и ниже ток ограничивается на уровне 1000 А;

- при напряжении 210 В и ниже ток ограничивается на уровне 1190 А;

- при напряжении 175 В ток ограничивается на уровне 1430 А.

Здесь же изображены примеры стабилизации напряжения в режиме заряда (подзаряда) АБ.

Ниже будет показано, какие режимы стабилизации тока при заряде (подзаряде) АБ наиболее целесообразны с точки зрения наименьшей загрузки транзисторных модулей.

В выпрямительном режиме ОП его внешняя характеристика аналогична зарядному - постоянство мощности 250 кВт.

Проведем поверочные расчеты предлагаемого ОП при следующих условиях и допущениях:

- линейное напряжение основной сети трехфазного переменного тока 50 Гц может отличаться от номинального в пределах ±5%, т.е. изменяется в пределах от 361 В до 399 В;

- коэффициент, учитывающий уменьшение выходного напряжения модуля из-за падения напряжения на транзисторах и диодах модуля, равен 1,03;

- коэффициент, учитывающий уменьшение выходного напряжения модуля из-за «мертвого» времени при коммутации транзисторов инвертора модуля, равен 0,9;

- в зарядном режиме ОП необходимо обеспечить максимальное напряжение заряда АБ, равное 330 В при минимальном линейном напряжении основной сети, равном 361 В;

- в инверторном режиме ОП необходимо обеспечить максимальное линейное напряжение трехфазной сети переменного тока, равное 399 В при минимальном напряжении АБ, равном 175 В;

- для наилучшего использования входного напряжения постоянного тока U_d трехфазного инвертора основной сети переменного тока применяется векторная ШИМ, при которой первая гармоника линейного выходного напряжения трехфазного инвертора U₁ равна

- коэффициент трансформации высокочастотного трансформатора К_тр равен 1;

- коэффициент мощности трехфазной нагрузки основной сети cosϕ=0,8;

- КПД ОП η_ОП=0,9.

Дополнительно для зарядного и выпрямительного режимов ОП необходимо учесть следующее.

Как заряд АБ, так и питание потребителей постоянного тока производится в режиме постоянства мощности (гиперболическая зависимость тока нагрузки от напряжения), который обеспечивает уменьшение токовой нагрузки модулей при больших напряжениях на зажимах порта постоянного тока, что позволяет в этих режимах, не приводя к перегрузке по току модулей, выводить из работы необходимое количество из числа параллельно соединенных, подключенных к порту постоянного тока звеньев А1-А4.

Расчет для зарядного и выпрямительного режимов ОП

С учетом сформулированных выше допущений необходимо обеспечить максимальное напряжение порта постоянного тока U=330 В при минимальном линейном напряжении основной сети переменного тока, равном 361 В.

Расчеты показывают, что в этом случае необходимо оставить в работе одно звено А5 (звенья А6-А8 закорочены). В этом случае U_d составит 1,35×361=487 В, что достаточно для обеспечения напряжения 330 В. Для получения U≤330 В следует уменьшить напряжение на выходе инвертора А5 и соответственно на выходе выпрямителя А1 (звенья А2-А4 отключены).

Расчеты показывают, что в диапазоне напряжений 330÷210 В должно быть задействовано одно звено А1 и соответственно одно звено А5, а в диапазоне напряжений 175÷210 В - два звена А1 и А2 и соответственно два звена А5 и А6.

Выходной ток звена А1 для режима с одним звеном при напряжении заряда АБ равном 330 В равен:

Максимальный ток звена А1 для режима с одним звеном для наихудшего случая (напряжение равно 210 В) равен:

Если в режиме заряда АБ в диапазоне напряжений 330÷210 В поддерживать ток заряда АБ равным 758 А, а при напряжении, равном 210 В и ниже перейти на работу с двумя звеньями А1 и А2, то нагрузка на модули может быть уменьшена в 1190/758 раз (примерно в 1,57 раз).

Ток звена для режима с двумя звеньями А1-А2 при напряжении заряда АБ, равном 210 В, равен:

При обеспечении постоянства мощности и напряжении 175 В ток звена для режима с двумя звеньями равен:

Если в режиме заряда АБ в диапазоне напряжений 210÷175 В поддерживать ток заряда АБ равным 1190 А, то нагрузка на модули может быть уменьшена в 715/595 раз (примерно в 1,2 раза).

Из расчетов следует, что наилучшим с точки зрения минимизации нагрузки на транзисторные модули в зарядном режиме ОП является следующий режим заряда (подзаряда) АБ: в диапазоне напряжений заряда 330÷210 В - поддержание тока (токоограничение) на уровне 758 А (обеспечивается работой одного звена А1), в диапазоне 210÷175 В - 1190 А (обеспечивается работой двух звеньев А1 и А2).

В выпрямительном режиме при работе одного звена следует поддерживать максимальный уровень напряжения 330 В (выходной ток звена А1 равен 758 А), а при работе двух звеньев - уровень напряжения 210 В (выходной ток каждого из двух звеньев равен 595 А).

Максимальный ток нагрузки I_1max трехфазного инвертора основной сети для зарядного и выпрямительного режима для наихудшего случая, т.е. при минимальном линейном напряжении сети U_1min=0,95÷380=361 В, равен:

Расчет для инверторного режима ОП

С учетом сформулированных выше условий и допущений для обеспечения максимального линейного выходного трехфазного напряжения сети (1,05⋅380=399 В) при минимальном напряжении АБ 175 В необходимо использовать четыре последовательно соединенных звена А5-А8.

Максимальное значение U_d в этом случае составит примерно 700 В, а максимальное значение U₁=496 В. Для получения U₁≤399 В выходное напряжение трехфазного инвертора может быть обеспечено регулированием открытия транзисторов модуля VT2 трехфазного инвертора А9 с помощью драйвера Д2.

Расчеты показывают, что в диапазоне напряжения АБ в диапазоне 175÷235 В необходимо использовать все четыре последовательно соединенных звена А5-А8, а в диапазоне примерно от 235 В до 330 В - любые три последовательно соединенных звена (например, А5-А7).

Максимальное значение входного тока каждого из параллельно соединенных звеньев А1-А4 при использовании 4 звеньев А1-А4 в наихудшем случае, т.е. при U_AБ=175 В равна:

При использовании трех параллельно соединенных звеньев А1-А3 в наихудшем случае, т.е. при U_AБ=235 В, максимальное значение входного тока каждого звена равна:

Из фиг. 3 видно, что в предлагаемом техническом решении звенья А5-А8 в зарядном и выпрямительном режимах ОП работают как инверторы напряжения, в связи с чем на их входе отсутствуют дроссели L1, которые были необходимы в техническом решении прототипа (см. фиг. 2), где эти звенья работали в режиме инверторов тока.

В инверторном режиме ОП, где упомянутые звенья работают в режиме выпрямителя, скачкообразное изменение напряжения на конденсаторах С2 звеньев А5-А8 в отсутствие дросселей L1 может привести к большим токам через конденсаторы, трансформаторы и силовые модули, что недопустимо. Для того, чтобы избежать подобный режим, необходимо в инверторном режиме ОП плавно увеличивать напряжение на конденсаторах С2 звеньев А5-А8 путем плавного увеличения выходного напряжения звеньев А1-А4 с помощью соответствующего управления драйверами Д1 инверторов этих звеньев. Дополнительно следует отметить, что токи через конденсаторы С2 звеньев А5-А8 ограничиваются сопротивлениями рассеяния трансформаторов Т1 этих звеньев.

Функциональные схемы предлагаемого ОП с двумя вариантами системы управления ОП изображены на фиг. 5 и 6.

На фиг. 5 и фиг. 6 приняты следующие обозначения:

Обозначения элементов силовой части ОП соответствуют таковым на фиг. 3; далее приняты следующие обозначения:

1 - датчик тока порта постоянного тока;

2 - датчик напряжения порта постоянного тока;

3-6 - двухпороговые компараторы;

7 - микропроцессорный контроллер;

8 - датчик трехфазного напряжения основной сети;

9 - датчик частоты основной сети;

10 - сигнал задания режима ОП (зарядный «0», выпрямительный «1», инверторный «2»);

11 - сигнал задания режима работы ОП в зарядном и выпрямительном режимах (постоянство мощности «0», стабилизация тока «1», стабилизация напряжения «2»);

12 - сигнал задания значения мощности в режиме постоянства мощности;

13 - сигнал задания значения тока в режиме стабилизации тока;

14-17 - уставки, соответствующие максимальным значениям пороговых напряжений;

18-21 - уставки, соответствующие минимальным значениям пороговых напряжений;

22 - сигнал задания значения напряжения в режиме стабилизации напряжения;

3.1, 4.1, 5.1, 6.1 - выходы компараторов 3-6 соответственно;

7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, 7.6, 7.7, 7.8, 7.9 - выходы контроллера 7.

Для рассматриваемого примера ОП:

- уставка 14 соответствует напряжению 235 В;

- уставка 15 соответствует напряжению 320 В;

- уставка 16 соответствует напряжению 210 В;

- уставка 17 соответствует напряжению 330 В;

- уставка 18 соответствует напряжению 175 В;

- уставка 19 соответствует напряжению 235 В;

- уставка 20 соответствует напряжению 175 В;

- уставка 21 соответствует напряжению 210 В.

На фиг. 5 реализация управления закорачиванием последовательно соединенных звеньев второй группы и размыканием параллельно соединенных звеньев первой группы осуществляется системой управления ОП с помощью четырех двухпороговых компараторов 3-6, на входы которых подаются сигналы с выхода датчика напряжения 2 и уставки, соответствующие максимальным 14-17 и минимальным 18-21 значениям пороговых напряжений (для примера инверторного режима два компаратора 3 и 4: один с уставками 175 В (уставка 18) и 235 В (уставка 14), другой с уставками 235 В (уставка 19) и 330 В (уставка 15); для примера зарядного и выпрямительного режима два компаратора 5 и 6: один с уставками 175 В (уставка 20) и 210 В (уставка 16), другой с уставками 210 В (уставка 20) и 330 В (уставка 17)).

Сигнал задания режима ОП 10 поступает на вход контроллера 7.

Если задан инверторный режим (задающий сигнал 10 равен «2»):

- в случае, если напряжение АБ U_AБ находится в пределах 175 В ≤ U_AБ < 235 В, формируется активный сигнал на выходе 3.1 компаратора 3; указанный сигнал поступает на вход контроллера 7, формируя на его выходах 7.1-7.9 комбинацию сигналов, поступающих соответственно на входы драйверов Д1 звеньев А1-А8 и на вход драйвера Д2 звена А9; при этой комбинации формируется следующий режим работы звеньев ОП: все звенья А1-А4 работают в режиме однофазных инверторов напряжения и соединены параллельно; все звенья А5-А8 работают в режиме однофазных выпрямителей и соединены последовательно; звено А9 работает в режиме трехфазного инвертора с синусоидальной или векторной ШИМ;

- в случае, если напряжение АБ U_AБ находится в пределах 235 В ≤ U_AБ ≤ 320 В, формируется активный сигнал на выходе 4.1 компаратора 4; указанный сигнал поступает на вход контроллера 7, формируя на его выходах 7.1-7.9 другую комбинацию сигналов, поступающих соответственно на входы драйверов Д1 звеньев А1-А8 и на вход драйвера Д2 звена А9; при этой комбинации сигналов формируется следующий режим работы звеньев ОП: звенья А1-А3 работают в режиме однофазных инверторов напряжения и соединены параллельно, звено А4 выведено из работы вследствие блокирования управляющих сигналов драйвера Д1 звена А4, управляющего четырьмя транзисторами звена А4; звенья А5-А7 работают в режиме однофазных выпрямителей и соединены последовательно, звено А8 закорочено вследствие открытия всех четырех транзисторов этого звена; звено А9 работает в режиме трехфазного инвертора с синусоидальной или векторной ШИМ.

Если задан зарядный или выпрямительный режим ОП (задающий сигнал 10 равен «0» или «1»):

- в случае, если напряжение порта постоянного тока U находится в пределах 175 В ≤ U < 210 В, формируется активный сигнал на выходе 5.1 компаратора 5; указанный сигнал поступает на вход контроллера 7, формируя на его выходах 7.1-7.9 комбинацию сигналов, поступающих соответственно на входы драйверов Д1 звеньев А1-А8 и на вход драйвера Д2 звена А9; при этой комбинации формируется следующий режим работы звеньев ОП: звено А9 работает в режиме трехфазного выпрямителя; звенья А5 и А6 работают в режиме однофазных инверторов напряжения и соединены последовательно, звенья А7 и А8 закорочены вследствие открытия всех четырех транзисторов каждого звена А7 и А8; звенья А1 и А2 работают в режиме однофазных выпрямителей и соединены параллельно, звенья A3 и А4 выведены из работы вследствие отсутствия питания на первичных, и, следовательно, вторичных обмотках трансформаторов Т3 и Т4 из-за отключения инверторов напряжения звеньев А7 и А8;

- в случае, если напряжение порта постоянного тока U находится в пределах 210 В ≤ U ≤ 330 В, формируется активный сигнал на выходе 6.1 компаратора 6; указанный сигнал поступает на вход контроллера 7, формируя на его выходах 7.1-7.9 другую комбинацию сигналов, поступающих соответственно на входы драйверов Д1 звеньев А1-А8 и на вход драйвера Д2 звена А9; при этой комбинации формируется следующий режим работы звеньев ОП: звено А9 работает в режиме трехфазного выпрямителя; звено А5 работает в режиме однофазного инвертора напряжения, звенья А6, А7 и А8 закорочены вследствие открытия всех четырех транзисторов каждого звена А6, А7 и А8; звено А1 работает в режиме однофазного выпрямителя, звенья А2, A3 и А4 выведены из работы вследствие отсутствия питания на первичных, и, следовательно, вторичных обмотках трансформаторов Т2, Т3 и Т4 из-за отключения инверторов напряжения звеньев А6, А7 и А8.

Задание режима работы ОП в зарядном и выпрямительном режимах осуществляется сигналом 11, поступающим на вход контроллера 7 («0» - режим постоянства мощности, «1» - стабилизация тока, «2» - стабилизация напряжения).

В соответствии с этой командой контроллер задает соответствующий режим работы ОП.

В зарядном и выпрямительном режимах необходимое задание значений мощности, тока и напряжения осуществляется соответственно сигналами 12, 13 и 22.

Другой вариант системы управления предлагаемого ОП без использования двухпопроговых компараторов представлен на функциональной схеме фиг. 6.

В данном варианте сигналы уставок, соответствующих максимальным и минимальным значениям пороговых напряжений в инверторном, зарядном и выпрямительном режимах ОП (сигналы 14-21) подаются непосредственно на входы контроллера 7, который в соответствии с описанным выше для фиг. 5 сравнением фактического напряжения порта постоянного тока (сигнал с выхода датчика 2) с максимальными и минимальными значениями пороговых напряжений в инверторном, зарядном и выпрямительном режимах ОП осуществляет управление драйверами транзисторов звеньев А1-А9.

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к статическим обратимым преобразователям, выполняющим функцию источников бесперебойного питания. Технический результат заключается в улучшении массогабаритных показателей обратимого преобразователя, в унификации однофазных высокочастотных инверторов обратимого преобразователя и в уменьшении потерь на коммутацию. Достигается тем, что при выходе из работы основного источника питания (трехфазного генератора переменного тока) производится питание потребителей переменного и постоянного тока путем преобразования электроэнергии постоянного тока, сохраненной в аккумуляторной батарее, в энергию трехфазного переменного тока (инверторный режим обратимого преобразователя). При нормальной работе основной сети переменного тока обратимый преобразователь производит заряд и подзаряд аккумуляторной батареи (зарядный режим обратимого преобразователя), а также питание потребителей постоянного тока путем выпрямления напряжения основной сети (выпрямительный режим обратимого преобразователя). 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Источник бесперебойного питания - статический обратимый преобразователь для питания потребителей переменного и постоянного тока и заряда (подзаряда) аккумуляторной батареи, работающий в инверторном, выпрямительном и зарядном режимах и выполненный с промежуточным звеном высокой частоты и портами для подключения источников постоянного и переменного тока и потребителей постоянного и переменного тока, при этом звено высокой частоты ОП содержит группу из нескольких трансформаторно-модульных ячеек, каждая из которых содержит один двухобмоточный трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к модулю однофазного инвертора с четырьмя транзисторами и драйвером и четырьмя обратными диодами в виде звена первой группы, и с вторичной обмоткой, подключенной к модулю однофазного инвертора с четырьмя транзисторами и драйвером и четырьмя обратными диодами в виде звена второй группы, причем звенья первой группы соединены по выводам постоянного тока модулей параллельно и подключены к порту постоянного тока, соединенному с аккумуляторной батареей (АБ) и потребителями постоянного тока, а звенья второй группы тех же ячеек соединены по выводам постоянного тока между собой последовательно, причем выход последовательно соединенных звеньев второй группы подключен через конденсатор к входу трехфазного инвертора основной сети переменного тока, который через LC-фильтр подключен к порту переменного тока, соединенному с трехфазным источником основной сети переменного тока и потребителями переменного тока, отличающийся тем, что при постоянстве мощности потребителей постоянного тока в выпрямительном режиме ОП и потребителей переменного тока в инверторном режиме ОП и характеристике заряда (подзаряда) АБ в зарядном режиме ОП, соответствующей постоянству мощности (напряжение заряда (подзаряда) АБ обратно пропорционально току заряда (подзаряда) АБ), а также при характеристике заряда (подзаряда) АБ в режимах стабилизации тока и напряжения, звенья второй группы выполнены в виде инверторов напряжения с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения понижающего типа, где функции конденсаторов на входе указанных инверторов выполняет конденсатор на входе трехфазного инвертора основной частоты, причем необходимое увеличение напряжения в выпрямительном режиме ОП и заряда (подзаряда) АБ в зарядном режиме ОП и необходимое уменьшение напряжения на входе трехфазного инвертора в инверторном режиме ОП осуществляется путем закорачивания части последовательно соединенных звеньев второй группы и отключения соответствующей части звеньев первой группы с помощью соответственно драйверов модулей второй группы, открывающих четыре транзистора модуля каждого звена соответствующей части звеньев второй группы, и драйверов модулей первой группы, блокирующих открывание четырех транзисторов модулей каждого звена соответствующей части звеньев первой группы.

2. Источник бесперебойного питания по п. 1, отличающийся тем, что в систему управления ОП дополнительно введены двухпороговые компараторы, на входы которых подаются выход датчика напряжения порта постоянного тока ОП и уставки, соответствующие минимальному и максимальному значению пороговых напряжений в выпрямительном, зарядном и инверторном режимах, а выходы компараторов подаются на входы микропроцессорного контроллера, осуществляющего управление драйверами транзисторов модулей первой и второй групп каждого звена высокой частоты, результатом чего является закорачивание части звеньев второй группы и размыкание соответствующей части звеньев первой группы.

3. Источник бесперебойного питания по п. 1, отличающийся тем, что управление драйверами транзисторов каждого звена первой и второй групп возлагается на микропроцессорный контроллер, на входы которого подаются выход датчика напряжения порта постоянного тока ОП и уставки, соответствующие минимальному и максимальному значению пороговых напряжений в выпрямительном, зарядном и инверторном режимах.