Источник бесперебойного питания для устройств с импульсными блоками питания Российский патент 2022 года по МПК H02M5/451 H02J9/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области электроэнергетики и электротехники, но может применяться и в других отраслях, где требуется организация схемы бесперебойного питания для устройств и изделий, которые питаются от импульсных источников питания.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известные в настоящее время источники бесперебойного питания, имеющие схожее техническое назначение основаны на принципе, согласно которому источник бесперебойного питания при наличии напряжения питающей электросети заряжает аккумуляторную батарею и питает нагрузку. При отключении напряжения питающей электросети источник бесперебойного питания переключается (в некоторых решениях с задержкой) на резервное питание нагрузки от аккумуляторной батареи.

Схемотехника существующих решений включает преобразователи переменного напряжения в постоянное (AC/DC), схемы заряда аккумуляторной батареи (АКБ), инверторы постоянного напряжения в переменное напряжение (DC/AC) к выходу которого подключается нагрузка.

Функциональная схема близких по технической сущности (прототипов) из известных технических решений представлена в источниках бесперебойного питания фирмы «Бастион», моделей Teplocom -50+(1), Teplocom -100+(2))

(Https://bast.ru/ups/teplocom-50, официальный сайт фирмы-производителя «Бастион», источник бесперебойного питания, модель «Teplocom -50+»;

Https://bast.ru/ups/teplocom-100, официальный сайт фирмы-производителя «Бастион», источник бесперебойного питания, модель «Teplocom -100+»).

Схема прототипов работает следующим образом (Фигура 1):

источник бесперебойного питания, состоящий из преобразователя AC/DC (1), инвертора DC/AC (2) и аккумуляторной батареи (АКБ) (3), подключается к питающей сети переменного напряжения 220В частотой 50 Гц. Переменное напряжение посредством преобразователя AC/DC (1) преобразуется в постоянное напряжение. Из постоянного напряжения через дополнительную схему реализуется заряд аккумуляторной батареи (АКБ) (3). Постоянное напряжение с выхода преобразователя AC/DC (1) или аккумуляторной батареи (АКБ) (3) преобразуется инвертором DC/AC (2) в переменное напряжение с действующим значением 220В и частотой 50 Гц и подается на выход источника бесперебойного питания к которому подключается нагрузка (4). При отключении питающей сети напряжение на входе нагрузки обеспечивается за счет инвертора DC/AC (2), преобразующего постоянное напряжение аккумуляторной батареи (АКБ) (3) в переменное.

Недостатками существующей схемы источников бесперебойного питания -прототипов (технической проблемой) являются:

- недостаточная надежность источника бесперебойного питания вследствие того, что питание на нагрузку подается всегда с выхода инвертора DC/AC и соответственно при отказе преобразователя AC/DC или инвертора DC/AC напряжение на нагрузке будет отсутствовать даже при наличии напряжения в питающей сети;

- снижение ресурса работы и срока службы источника бесперебойного питания из-за постоянной работы всех его элементов под нагрузкой при наличии питающей сети переменного напряжения 220В частотой 50 Гц;

- при подаче напряжения питающей сети на нагрузке напряжение включается с задержкой, определяемой временем включения схемы преобразователя AC/DC, а затем инвертора DC/AC.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ И ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сущность источника бесперебойного питания для устройств с импульсными блоками питания заключается в обеспечении мгновенного перехода на питание от аккумуляторной батареи при отключении питающей сети и мгновенного включения напряжения на нагрузке при появлении питающей сети даже при отказе преобразователя AC/DC, аккумуляторной батареи (АКБ) или инвертора DC/AC, что повышает надежность источника бесперебойного питания, увеличивая при этом ресурс работы и срок службы источника бесперебойного питания.

Технической результат заявляемого технического решения состоит в повышении надежности источника бесперебойного питания, увеличении ресурса его работы и срока службы.

Указанный технический результат достигается следующим: (Фигура 2):

1) Введением диодного моста (5) с параллельно подключенным конденсатором С1 (6) с выхода которого осуществляется питание нагрузки (4) при наличии напряжения питающей сети.

2) Применением в схеме бесперебойного питания инвертора DC/AC (2) с выходным напряжением НОВ, 50 Гц.

3) Осуществлением питания нагрузки (4) с выхода инвертора DC/AC (2) через диодный мост (7) с параллельно подключенным конденсатором С2 (8) и последовательно включенным диодом VD12 (9) при отключении питающей сети.

Предлагаемое техническое решение работает следующим образом (Фигура 2):

При включении входного переменного напряжения сети 220В, 50 Гц. оно преобразуется в постоянное пульсирующее напряжение диодным мостом (5) с параллельно подключенным конденсатором С1 (6). Постоянное пульсирующее напряжение через выходной разъем подается на вход импульсного блока питания нагрузки (4). Соответственно, при подаче сетевого напряжения питания 220В, 50 Гц, напряжение на нагрузке (4) будет появляться мгновенно.

Одновременно при подаче сетевого напряжения 220В, 50 Гц включается преобразователь AC/DC (1), который через схему контроля заряда аккумулятора А1 (11) и диод VD2 (12) осуществляет заряд аккумуляторной батареи (АКБ) (3) и одновременно подает питание на инвертор DC/AC (2) через диод VD1 (13). Выходное напряжение преобразователя AC/DC (1) должно быть выше напряжения полностью заряженной аккумуляторной батареи (АКБ) (3). Это условие достигается подбором и регулировкой выходного напряжения преобразователя AC/DC (1) и схемы контроля заряда аккумулятора А1 (11). За счет того, что напряжение на аккумуляторной батарее (АКБ) (3) ниже выходного напряжения преобразователя AC/DC (1) с учетом падения напряжения на диоде VD1 (13), диод VD3 (10) будет закрыт и питание инвертора DC/AC (2) при наличии сетевого напряжения 220В, 50 Гц будет осуществляться от преобразователя AC/DC (1). При этом обеспечивается стабильное включение инвертора DC/АС (2) вне зависимости от уровня напряжения на аккумуляторной батарее (АКБ) (3).

Инвертор DC/АС (2) выдает на выходе переменное напряжение 110В, 50 Гц, которое преобразуется в постоянное напряжение посредством диодного моста (7) и конденсатора С2 (8). Учитывая то, что выходное напряжение инвертора DC/AC (2) составляет НОВ, уровень постоянного напряжения на конденсаторе С2 (8) будет фактически в два раза ниже уровня напряжения на конденсаторе С1 (6). Диод VD12 (9) при этом будет закрыт, и питание нагрузки (4) будет осуществляться непосредственно от сети через диодный мост (5). Соответственно при наличии входного сетевого напряжения 220В, 50 Гц инвертор DC/AC (2) будет отключен от нагрузки и работает в режиме холостого хода.

При отключении сетевого напряжения преобразователь AC/DC (1) выключается, заряд аккумуляторной батареи (АКБ) (3) прекращается, питание инвертора DC/AC (2) осуществляется от аккумуляторной батареи (АКБ) (3) через диод VD3 (10). Выходное напряжение инвертора DC/AC (2), выпрямленное диодным мостом (7) и сглаженное конденсатором С2 (8) через диод VD12 (9) мгновенно без задержки подается на вход нагрузки (4). В итоге инвертор DC/AC (2) при наличии сетевого напряжения работает в режиме холостого хода и мгновенно включается в режим работы под нагрузкой только при пропадании сетевого напряжения, что способствует повышению ресурса его работы.

Импульсные блоки питания обеспечивают работу в широком диапазоне входного переменного напряжения (обычно 100-264VAC). В импульсных блоках питания переменное входное напряжение сети сначала выпрямляется, т.е. подается на диодный мост и конденсатор, аналогично диодному мосту (5) и конденсатору С1 (6). Соответственно импульсные блоки питания обеспечивают работу и при подаче на их вход постоянного напряжения. Минимально допустимое значение постоянного напряжения на входе импульсного блока питания может быть не ниже 80В. Выходное переменное напряжение инвертора DC/AC (2) соответствует значению НОВ, уровень постоянного напряжения после диодного моста (7) и конденсатора С2(8) будет составлять не менее 140В, что с запасом перекрывает требуемый уровень не ниже 80В. Соответственно переключение питания нагрузки (4) с входной сети на инвертор DC/AC (2) происходит мгновенно.

При отключении сетевого напряжения работа инвертора DC/AC (2) будет продолжаться до разряда аккумуляторной батареи АКБ (3) ниже определенного уровня. Время работы будет определяться емкостью аккумуляторной батареи АКБ (3) и током потребления нагрузки (4).

При включении сетевого напряжения алгоритм работы повторяется, и даже при отказе преобразователя AC/DC (1), схемы контроля заряда аккумулятора А1 (11), диода VD1 (13). диода VD2 (12), диода VD3 (10), аккумуляторной батареи (АКБ) (3), инвертора DC/AC (2), напряжение на нагрузку (4) будет подаваться мгновенно с выхода диодного моста (5) с параллельно подключенным конденсатором С1 (6), что значительно повышает надежность работы источника бесперебойного питания.

Учитывая то, что на импульсный блок питания нагрузки (4) подается постоянное напряжение, инвертор DC/AC (2) может иметь выходной сигнал не только синусоидальной формы, но и прямоугольной, а частота сигнала может отличаться от 50 Гц. В связи с этим, в данном решении можно использовать более простое исполнение инвертора DC/AC (2).

Одним из практических примеров осуществления заявляемого изобретения является его применение для питания счетчиков электрической энергии (Фигура 3).

Предлагаемое изобретение может применяться для осуществления питания счетчиков электрической энергии, которые при отключении напряжения питающей сети должны продолжать работать минимум в течение 30 минут для обеспечения передачи данных о потребленной энергии и других параметров оператору интеллектуальных систем учета.

Счетчики электрической энергии имеют в своем составе импульсный блок питания и обеспечивают работу от переменного и постоянного напряжения.

Сетевое напряжение 220В, 50 Гц подается на входной разъем ХР1(12) источника бесперебойного питания. Переменное напряжение сети преобразуется в постоянное пульсирующее напряжение диодным мостом, реализованном на диоде VD4(17), диоде VD5(18), диоде VD6(19) и диоде VD7(20) и сглаживается конденсатором С1 (6). Светодиод VD14 (27), подключенный через ограничивающий резистор R3 (5) и стабилитрон VD13 (26), включается и сигнализирует о наличии сетевого напряжения. Выпрямленное сетевое напряжение через выходные разъемы ХР2 (13) и ХР3 (11) подается на входы импульсных блоков питания, встроенных в счетчики электрической энергии. Резистор R5 (7) ограничивает импульсный ток, вызванный зарядом входного конденсатора импульсного блока питания нагрузки.

Одновременно при подаче сетевого напряжения включается блок питания (БП 15В, 7А) (1). Выходное напряжение блока питания (БП 15В, 7А) (1) устанавливается 14,7В. Схема контроля заряда аккумуляторной батареи (АКБ 12B; 3,2Ah) (3) выполнена на резисторе R1 (9) и диоде VD2 (15). По мере достижения напряжения верхней границы заряда аккумуляторной батареи, зарядный ток уменьшается до величины компенсирующей ток саморазряда аккумуляторной батареи (АКБ 12B; 3,2Ah) (3).

Напряжение на аккумуляторной батарее (АКБ 12B; 3,2Ah) (3) даже при полном заряде, ниже выходного напряжения блока питания (14,7В) с учетом падения напряжения на диодной сборке VD1 (14). При этом диоды диодной сборки VD3 (16) будут закрыты. Соответственно, при наличии сетевого напряжения 220В, 50 Гц на вход инвертора DC12VAC110V (2) будет подаваться напряжение от блока питания (БП 15В, 7А) (1) через диодную сборку VD1 (14). При этом обеспечивается стабильное включение инвертора DC12VAC110V (2) вне зависимости от уровня напряжения на аккумуляторной батарее (АКБ 12B; 3,2Ah) (3).

Выходное переменное напряжение 110В инвертора DC12VAC110V (2) выпрямляется диодным мостом реализованном на диоде VD8(21), диоде VD9(22), диоде VD10(23) и диоде VD11(24) и сглаживается конденсатором С2(8). При этом включается светодиод VD15 (28), подключенный через ограничивающий резистор R4 (10), сигнализируя наличие напряжения на выходе инвертора DC12VAC110V (2).

Учитывая то, что выходное напряжение инвертора DC12VAC110V (2) составляет 110В, уровень постоянного напряжения на конденсаторе С2 (8) будет ниже уровня напряжения на конденсаторе С1 (6). Диод VD12 (25) при этом будет закрыт, и питание нагрузки будет осуществляться непосредственно от сети. Инвертор DC12VAC110V (2) будет отключен от нагрузки и работает в режиме холостого хода.

Соответственно при подаче сетевого напряжения 220В, 50 Гц, постоянное напряжение на входе нагрузки будет включаться мгновенно. И даже при отказе или сбоях включения инвертора DC12VAC110V (2) напряжение на входе нагрузки будет появляться всегда и мгновенно при подаче сетевого напряжения на входной разъем ХР1 (12).

При отключении сетевого напряжения пропадает напряжение на входе диодного моста, реализованного на диоде VD4(17), диоде VD5(18), диоде VD6(19) и диоде VD7(20), блок питания (БП 15В, 7А) (1) выключается, заряд аккумуляторной батареи (АКБ 12B; 3,2Ah) (3) прекращается. Питание инвертора DC12VAC110V (2) осуществляется через диодную сборку VD3 (16) от аккумуляторной батареи (АКБ 12B; 3,2Ah) (3). Выпрямленное выходное напряжение инвертора DC12VAC110V (2) с конденсатора С2 (8) через диод VD12 (25) и резистор R2 (4) подается на выходные разъемы ХР2 (13) и ХР3 (11), к которым подключена нагрузка.

В итоге инвертор DC12VAC110V (2) при наличии сетевого напряжения работает фактически в режиме холостого хода и включается в режим нагрузки только при пропадании сетевого напряжения, что способствует повышению ресурса его работы.

Учитывая то, что выходное напряжение инвертора выпрямляется диодным мостом, реализованном на диоде VT8(21), диоде VD9(22), диоде VT10(23) и диоде VD11(24) и сглаживается конденсатором С2 (8) в этой схеме применяется более простой и надежный инвертор DC12VAC110V (2) с выходным сигналом не синусоидальной, а прямоугольной формы.

Данный источник бесперебойного питания прошел испытания в составе шкафа с 14 счетчиками электрической энергии типа MT880-T1A32R46S43-E12-V52L81B11 М3К03-М фирмы «ISKRA» (Словения). Полностью заряженная аккумуляторная батарея (12В; 3,2Ah) (3) при отключении сетевого напряжения обеспечивает работу счетчиков в течение 59 минут. Включение питания счетчиков электрической энергии при появлении сетевого напряжения происходит мгновенно и стабильно, независимо от состояния аккумуляторной батареи (12B; 3,2Ah) (3) и инвертора DC12V AC110V (2). Переход на питание от инвертора DC12V АС110V (2) при пропадании сетевого напряжение происходит мгновенно и без сбоев в работе счетчиков электрической энергии.

Возможность практической реализации описанного выше примера осуществления заявляемого изобретения для питания счетчиков электрической энергии подтверждается актом лабораторных испытаний №5 от 20.08.2020 г.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к схемам бесперебойного питания для устройств с импульсными блоками. Технический результат заключается в повышении надежности источника бесперебойного питания, увеличении ресурса его работы и срока его службы. Достигается тем, что обеспечивается мгновенный переход на питание от аккумуляторной батареи при отключении питающей сети и мгновенное включение напряжения на нагрузке при появлении питающей сети даже при отказе преобразователя AC/DC, аккумуляторной батареи (АКБ) или инвертора DC/AC. 3 ил.

Источник бесперебойного питания для устройств с импульсными блоками питания, состоящий из аккумуляторной батареи, схемы заряда аккумулятора, блока питания, инвертора DC/AC с выходным напряжением прямоугольной формы и значением напряжения ниже уровня питающей сети, соединенных между собой в соответствии со схемой управления, отличающийся тем, что в схему управления дополнительно введены диоды, резисторы, а также диодный мост с параллельно подключенным конденсатором, с выхода которого осуществляется питание нагрузки при наличии напряжения питающей сети, и дополнительно подключенный к выходу инвертора DC/AC диодный мост с параллельно подключенным конденсатором и последовательно включенным диодом, с которых осуществляется питание нагрузки при отключении питающей сети, обеспечивающие стабильное включение инвертора DC/АС вне зависимости от уровня напряжения на аккумуляторной батарее, мгновенное включение напряжения на нагрузке при подаче напряжения питающей сети даже при отказе блока питания, аккумуляторной батареи или инвертора DC/AC и обеспечивающие работу инвертора в режиме холостого хода при наличии напряжения питающей сети с мгновенным переходом на питание нагрузки от аккумуляторной батареи при отсутствии напряжения питающей сети.