СТАТИЧЕСКИЙ ОБРАТИМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2023 года по МПК H02M7/68 

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к статическим обратимым преобразователям, выполняющим функцию источников бесперебойного питания, в которых при выходе из работы основного источника питания в виде источника переменного напряжения промышленной частоты, производится питание потребителей постоянного тока от аккумуляторной батареи, а также потребителей переменного тока путем преобразования электроэнергии постоянного тока, сохраненной в аккумуляторной батарее, в энергию трехфазного переменного тока. При нормальной работе основного источника питания переменного тока производится заряд аккумуляторной батареи, а также питание потребителей постоянного и переменного тока.

Уровень техники

В источниках бесперебойного питания в качестве первичных источников энергии используются (см., например, патент, РФ, №2426215) источник переменного напряжения и источник постоянного тока, в виде аккумуляторной батареи, которая является наиболее критичным звеном в эксплуатации.

На сегодня наиболее широкое применение получили аккумуляторные батареи: никель-водородные, никель-кадмиевые, никель-металлогидридные, литий-ионные или литий-полимерные, отличающиеся друг от друга типом используемого электролита (см, например, патент, РФ, №2689887), а также кислотные и щелочные (см, например, патент, РФ, №2729913).

Для увеличения срока службы аккумуляторных батарей важнейшим условием является обеспечение требуемых зарядных и разрядных характеристик (см. Д.А. Хрусталев. Аккумуляторы. Москва, 2003 г.) в диапазоне допустимых значений тока и напряжения.

В устройствах бесперебойного питания трехфазные источники переменного напряжения промышленной частоты используют в основном для питания потребителей большой мощности (см., например, патент, РФ, №2426215), при этом, в целях уменьшения массы и габаритов используют аккумуляторную батарею с более низким напряжением по отношению к напряжению источника переменного напряжения промышленной частоты. Следует отметить, что наиболее широко для этих целей в энергетике используют так называемые малообслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, которые обладают высокой надежностью и неприхотливы в эксплуатации, а также обеспечивают длительные сроки эксплуатации в буферном режиме - 20 лет и более (см. например, "Сравнение различных типов аккумуляторных батарей". На сайте: http://ess-asimut.ru/upload/iblock/4a9/4a9febfa61b389513f277fc7b0d6b32f.pdf).

На сегодня в импульсных преобразователях используются основные компоненты в виде дросселей, конденсаторов, ключей с малым сопротивлением в замкнутом состоянии и трансформаторов, имеющие малые потери. Коэффициент полезного действия η данных устройств составляет не менее 0,8 и может достигать 0,9 и более (см. Импульсные регуляторы напряжения. На сайте: https://studfile.net/preview/6445693/). В современных импульсных преобразователях широкое применение нашли полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET), а также высоковольтные быстродействующие силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), работающие в ключевом режиме, позволяющем обеспечить большие мощности и высокий КПД преобразователя, которые управляются широтно-импульсным сигналом (ШИМ) через драйвер от микроконтроллера (см., например, "Транзисторы IGBT" на сайте: https://drives.ru/stati/modul-igbt/; патенты, РФ: №2513547, №2481691). Следует отметить, что полностью отечественные IGBT модули, которые можно использовать для реализации импульсных преобразователей приведены на сайте: https://www.angstrem.ru/company/articles/silovaya_ekb_lineykajpolnostyu_otechestvermykh_igbt_moduley/).

Известно устройство бесперебойного электропитания многоканальное стабилизирующее (патент, РФ, №2221320), содержащее сетевой выпрямитель с входными выводами переменного тока и выходными выводами постоянного тока, которые подключены к входным силовым выводам зарядно-буферного преобразователя, выходные выводы которого подключены к резервной аккумуляторной батарее и первым входным выводам преобразователей постоянного напряжения по числу каналов выходного напряжения.

Недостатком данного устройства является то, что в нем не обеспечена возможность рекуперации энергии аккумуляторной батареи в питающую сеть переменного тока.

Известен статический обратимый преобразователь для питания потребителей переменного и постоянного тока (см. патент, РФ, №2513547), который является наиболее близким к предлагаемому изобретению и взятый авторами за прототип. Данный прототип статического обратимого преобразователя для питания потребителей переменного и постоянного тока, включает в себя первый порт «входа выхода» на стороне постоянного тока с подключенной к нему аккумуляторной батареей и второй порт «входа-выхода» на стороне переменного тока, для электрической связи портов между ними включены звено высокой частоты и звено автономного инвертора промышленной частоты, последовательно соединенные между собой, причем оба звена используются в инверторном и выпрямительном режимах, при этом в инверторном режиме работы обратимого преобразователя входное питание постоянного тока подается на первый порт, а выход переменного тока снимается со второго порта, а в выпрямительном режиме обратимого преобразователя входное питание переменного тока подается на второй порт, а выход постоянного тока снимается с первого порта, причем звено высокой частоты выполнено на основе однофазных мостовых схем инверторов, соединенных с системой управления, а выходное напряжение переменного тока формируется с помощью трехфазных мостовых схем с выходными LC-фильтрами, при этом, звено высокой частоты выполнено для инверторного режима работы преобразователя в виде комбинированной схемы из параллельно соединенных по входу и последовательно по выходу резонансных нерегулируемых инверторов и инверторов напряжения с выпрямителями, а для выпрямительного режима работы преобразователя оно выполнено в виде комбинированной схемы последовательно соединенных инверторов напряжения по входу и параллельно выпрямителей по выходу.

Недостатком прототипа является то, что в выпрямительном режиме три звена высокой частоты представляющие источники постоянного напряжения, и имеющие разброс по значениям выходных напряжений, соединены между собой выходами, в результате чего, происходит их выравнивание за счет токов короткого замыкания, ограничиваемых внутренним сопротивлением данных источников напряжений, снижая, тем самым, эффективность и надежность их работы, а также коэффициент полезного действия η (η - отношение мощности, отдаваемой на выходе системы, к потребляемой на входе) статического обратимого преобразователя для бесперебойного питания потребителей переменного и постоянного тока (далее в тексте - статический обратимый преобразователь).

Кроме того, в прототипе не выполняются условия по обеспечению требуемых оптимальных условий заряда аккумуляторной батареи, что снижает ресурс ее работы и в целом эффективность и надежность работы статического обратимого преобразователя.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности и надежности работы статического обратимого преобразователя.

Раскрытие изобретения

Сущность предлагаемого статического обратимого преобразователя заключается в обеспечении в инверторном режиме стабильного напряжения на порту «входа-выхода» на стороне переменного тока с помощью зарядного преобразовательного устройства, включенного между аккумуляторной батареей и «входом-выходом» первого из двух звеньев высокой частоты, последовательно соединенных через трансформатор, а при заряде аккумуляторной батареи в выпрямительном режиме обеспечиваются требуемые алгоритмы ее заряда оптимальными постоянным зарядным током и постоянным напряжением. Кроме того, устройством преобразователя постоянного напряжения, включенным между «выходом-входом» второго звена высокой частоты и «входом-выходом» инвертора промышленной частоты, достигаются на «выходе-входе» второго звена высокой частоты требуемые постоянные напряжения в выпрямительном режиме работы, при этом, создаются оптимальные условия по режиму работы звеньев высокой частоты и выбору коэффициента трансформации трансформатора, включенным между ними.

Примечание - условное обозначение «вход-выход» в устройстве означает, что в инвертируемом режиме он является входом, в выпрямительном режиме - выходом, а условное обозначение «выход-вход» в устройстве означает, что в инвертируемом режиме он является выходом, в выпрямительном режиме - входом.

Статический обратимый преобразователь включает в себя порт «входа выхода» на стороне постоянного тока, аккумуляторную батарею, потребители постоянного тока, порт «входа-выхода» на стороне переменного тока, источник переменного напряжения промышленной частоты, потребители переменного тока, два последовательно соединенных через трансформатор звена высокой частоты, инвертор промышленной частоты с конденсатором на «входе-выходе» и LC-фильтрами на «выходе-входе».

Введение в статический обратимый преобразователь зарядно-преобразовательного устройства, включенного между аккумуляторной батареей и «входом-выходом» первого звена высокой частоты, а также устройства преобразователя постоянного напряжения, включенного между «выходом-входом» второго звена высокой частоты и «входом-выходом» инвертора промышленной частоты позволяет повысить эффективность и надежность работы статического обратимого преобразователя.

Включением зарядно-преобразовательного устройства между аккумуляторной батареей и «входом-выходом» первого звена высокой частоты обеспечивается в инверторном режиме работы статического обратимого преобразователя стабилизация изменяемых напряжений аккумуляторной батареи на «входе-выходе» первого звена высокой частоты в инверторном режиме, при этом, в выпрямительном режиме работы статического обратимого преобразователя по сигналам с датчиков напряжения аккумуляторной батареи и зарядного тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла, зарядно-преобразовательное устройство обеспечивает, по управляющим ШИМ сигналам, формирование требуемых алгоритмов заряда аккумуляторной батареи постоянным оптимальным зарядным током и постоянным напряжением. В результате повышается ресурс и надежность работы аккумуляторной батареи.

Включением между «выходом-входом» второго звена высокой частоты и «входом-выходом» инвертора промышленной частоты устройства преобразователя постоянного напряжения, обеспечивающего в выпрямительном режиме статического обратимого преобразователя повышение напряжения по бустерной схеме, а в инверторном режиме работающего в ключевом режиме через открытый транзистор, обеспечивается управление диагоналями моста инвертора звеньев высокой частоты импульсной последовательностью ШИМ с оптимальным коэффициентом заполнения D, в результате чего обеспечивается высокая стабильность формируемых напряжений на их выходах.

Выбором коэффициентов повышения и преобразования зарядно-преобразовательного устройства, а также коэффициента повышения в преобразователе постоянного напряжения, обеспечиваются оптимальные условия по выбору коэффициентов преобразования звеньев высокой частоты и коэффициента трансформации трансформатора.

Графические иллюстрации

На фиг. 1 приведена общая структурная схема статического обратимого преобразователя для бесперебойного питания потребителей переменного и постоянного тока, содержащая составляющие с обозначенными цифрами позициями:

1 - АБ (аккумуляторная батарея);

1-1 - порт «входа выхода» на стороне постоянного тока;

2 - потребители постоянного тока;

3 - первое звено высокой частоты;

3-1, 3-2, 3-3, 3-4 - транзисторные ключи звена высокой частоты;

3-5, 3-6, 3-7, 3-8 - диоды звена высокой частоты;

4 - второе звено высокой частоты;

5 - трансформатор;

6 - УППН (устройство преобразователя постоянного напряжения);

6-1, 6-2 - соответственно первый и второй транзисторы УППН;

6-3 - диод УППН;

6-4 - дроссель УППН;

7, 8 - соответственно первый и второй конденсатор;

9 - инвертор промышленной частоты;

10 - LC-фильтр;

11 - источник переменного напряжения промышленной частоты;

11-1 - порт «входа выхода» на стороне переменного тока;

12 - потребители переменного тока;

13 - система управления;

14 - ЗПУ (зарядно-преобразовательное устройстве);

14-1, 14-9 - соответственно первый и второй диод ЗПУ;

14-2, 14-3 - соответственно первый и второй транзистор ЗПУ;

14-4 - дроссель ЗПУ;

14-5, 14-6 - соответственно первый и второй конденсатор ЗПУ;

14-7 - ДТХ (датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла);

14-8 - ДН (датчик напряжения);

15₁ - высокочастотный преобразователь напряжения.

На фиг. 2 приведены типичные характеристики зарядного процесса свинцово-кислотного аккумулятора с номинальным напряжением 2В.

На фиг. 3 приведена структурная схема статического обратимого преобразователя для бесперебойного питания потребителей переменного и постоянного тока, содержащая составляющие с обозначенными цифрами позициями, представленными на фиг. 1, а также:

15₂…15_n - группа ВПН (высокочастотных преобразователей напряжения).

В группе 15₁…l5_n число n≥2.

Осуществление изобретения

Статический обратимый преобразователь для бесперебойного питания потребителей переменного и постоянного тока включает в себя порт «входа выхода» на стороне постоянного тока 1-1 к которому подсоединены аккумуляторная батарея 1 и потребители постоянного тока 2; порт «входа-выхода» на стороне переменного тока 11-1, к которому подсоединены источник переменного напряжения промышленной частоты 11 и потребители переменного тока 12; два последовательно соединенных через трансформатор 5 звена высокой частоты 3, 4 с идентичными схемами построения, инвертор промышленной частоты 9 с параллельно подключенным к «входу-выходу» конденсатором 8 и с соединенными с его «выходами-входами» одними выводами LC-фильтрами 10, вторые выводы которых подсоединены к порту «входа-выхода» на стороне переменного тока 11-1, кроме того, система управления 13 соединена с звеньями высокой частоты 3, 4 и инвертором промышленной частоты 9.

1. В устройство (фиг. 1) дополнительно введены зарядно-преобразовательное устройство 14, включенное между аккумуляторной батареей 1 и «входом-выходом» звена высокой частоты 3, а также устройство преобразователя постоянного напряжения 6 с параллельно подключенным конденсатором 7 к его «входу-выходу», параллельно соединенного с «выходом-входом» второго звена высокой частоты 4, при этом «выход-вход» устройства преобразователя постоянного напряжения 6 параллельно соединен с «входом-выходом» инвертора промышленной частоты 9 и содержит дроссель 6-4, ключи, соответственно, на первом 6-1 и втором 6-2 транзисторах, диод 6-3, причем один вывод дросселя 6-4 является положительной шиной «выхода-входа» устройства преобразователя постоянного напряжения 6, а второй соединен с первыми выводами ключей соответственно на первом 6-1 и втором 6-2 транзисторах и анодом диода 6-3, катод которого соединен с вторым выводом ключа на втором транзисторе 6-2 и является положительной шиной «входа-выхода» устройства преобразователя постоянного напряжения 6, а второй вывод ключа на первом транзисторе 6-1 соединен с отрицательной шиной питания устройства преобразователя постоянного напряжения 6; зарядно-преобразовательное устройство 14, содержит датчик напряжения 14-8, датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла 14-7, соответственно, первый 14-1 и второй диод 14-9, соответственно, первый 14-2 и второй 14-3 транзистор, дроссель 14-4, соответственно, первый 14-5 и второй 14-6 конденсатор, причем первый конденсатор 14-5 и датчик напряжения 14-8 двумя выводами подсоединены параллельно «входу-выходу» зарядно-преобразовательного устройства 14, а третий вывод датчика напряжения 14-8 соединен с системой управления 13, датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла 14-7 гальванически развязанным способом соединен с проводом, идущим к положительной клемме аккумуляторной батареи 1, а выходом соединен с системой управления 13, дроссель 14-4 одним выводом соединен с положительной шиной «входа-выхода» зарядно-преобразовательного устройства 14, а вторым выводом - с первыми выводами ключей, соответственно, на первом 14-2 и втором 14-3 транзисторах, анодом первого диода 14-1 и катодом второго диода 14-9, анод которого, а также второй вывод ключа на втором транзисторе 14-3 и первый вывод второго конденсатора 14-6 соединены с отрицательной шиной питания зарядно-преобразовательного устройства 14, катод первого диода 14-1, второй вывод ключа на первом транзисторе 14-2 и второй вывод второго конденсатора 14-6 соединены с положительной шиной зарядно-преобразовательного устройства 14; высокочастотный преобразователь напряжения 15₁, содержащий идентичные по схеме звенья высокой частоты 3, 4, которые содержат транзисторный мост на транзисторах 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 с параллельно подключенными к ним в обратном направлении диодами 3-5, 3-6, 3-7, 3-8, причем вывод последовательно соединенных транзисторов 3-1 и 3-2 соединен с одним выводом первичной обмотки трансформатора 5, а вывод последовательно соединенных транзисторов 3-3 и 3-4 соединен со вторым выводом первичной обмотки трансформатора 5, вторые выводы транзисторов 3-1 и 3-3 соединены с положительной шиной, вторые вывода транзисторов 3-2 и 3-4 с отрицательной шиной питания звена высокой частоты 3, при этом «входом-выходом» высокочастотного преобразователя напряжения 15₁ является «вход-выход» звена высокой частоты 3, а «выходом-входом» преобразователя напряжения 15₁ является «выход-вход» звена высокой частоты 4; система управления 13 соединена с зарядно-преобразовательным устройством 14 и устройством преобразователя постоянного напряжения 6.

2. На фиг. 3 приведена структурная схема статический обратимого преобразователя для бесперебойного питания потребителей переменного и постоянного тока по фигуре 1 с параллельно подключенной к высокочастотному преобразователю напряжения ВПН 15₁ группы высокочастотных преобразователей напряжения ВПН 15₂…15_n. Число n в группе высокочастотных преобразователей напряжения ВПН 15₁…l5_n: n≥2.

Описание работы статического обратимого преобразователя

1. Описание структурной схема статического обратимого преобразователя по фигуре 1.

В качестве источника переменного напряжения промышленной частоты 11 может быть промышленная сеть или генератор.

В инверторном режиме работы преобразователя постоянный ток подается на порт «входа выхода» на стороне постоянного тока 1-1, а выход переменного тока снимается с порта «входа выхода» на стороне переменного тока 11-1. В выпрямительном режиме входное питание переменного тока подается на порт «входа выхода» на стороне переменного тока 11-1, а выход постоянного тока снимается с порта «входа выхода» на стороне постоянного тока 1-1 для заряда аккумуляторной батареи 1. К аккумуляторной батарее 1 через порт «входа-выхода» на стороне постоянного тока 1-1 подключены потребители постоянного тока, а к источнику переменного напряжения промышленной частоты 11 через порт «входа-выхода» на стороне переменного тока 11-1 подключены потребители переменного тока 12. Как было представлено выше, на сегодня, в основном используют промышленные кислотные аккумуляторные батареи, поэтому при описании предлагаемой заявки, в качестве примера, будем использовать свинцово-кислотную аккумуляторную батарею (аккумуляторная батарея 1) и источник трехфазного напряжения (источник переменного напряжения промышленной частоты 11) с характеристиками, приведенными в прототипе, а именно:

изменение напряжения аккумуляторной батареи 1 от разряженного до заряженного состояния находится в пределах от 175 до 320 В;

источник переменного напряжения промышленной частоты 11 - трехфазный с переменным напряжением 380 В.

Из типичных характеристик зарядного процесса свинцово-кислотного аккумулятора (см., Алгоритмы заряда свинцово-кислотных батарей. На сайте: https://www.drive2.ru/1/490695822753661142/), представленного на фиг. 2, очевидно, что для обеспечения требуемых условий для заряда аккумуляторной батареи 1 необходимы, как минимум, два датчика, - это датчик выходного напряжения и датчик выходного тока. При этом, алгоритм процесса заряда аккумуляторной батареи 1 должен быть следующим:

в начале при разряженной аккумуляторной батареи 1 необходимый заряд до заданного (максимального) напряжения должен обеспечиваться постоянным током (поддержание оптимального постоянного тока);

затем при достижении заданного (максимального) напряжения на аккумуляторной батарее 1 должен обеспечиваться ее заряд постоянным напряжением (поддержанием заданного постоянного стабилизированного напряжения).

Оптимальная величина тока заряда (I_{зар.опт.}) практически всех типов аккумуляторных батарей должна быть (см., например, патент, РФ, №2702758) приблизительно 0,1 номинальной емкости аккумуляторной батареи (Н.Е.) и не превышать 0,3 номинальной емкости аккумуляторной батареи (Н.Е.). Токи менее 0,1 номинальной емкости аккумуляторной батареи (Н.Е.) также обеспечивают ее заряд, при этом, следует учитывать, что заряд током менее нижнего порога (приблизительно 0,03 номинальной емкости) практически не приводит к повышению емкости аккумуляторной батареи.

Поэтому в выпрямительном режиме должны обеспечиваться следующие условия:

где

U_вх.зпу - постоянное напряжение на «выходе-входе» зарядно-преобразовательного устройства 14;

U_{аккум.макс} - максимальное напряжение заряженной аккумуляторной батареи;

Для реализации инверторного режима работы статического обратимого преобразователя система управления СУ 13 устанавливает транзисторно-диодным модулям первого звена высокой частоты 3 инверторный режим работы, а транзисторно-диодным модулям второго звена высокой частоты 4 выпрямительный режим работы (через диодный выпрямительный мост, при этом, транзисторы закрыты), а также устанавливает инверторный режим работы инвертора промышленной частоты 9. Кроме того, система управления СУ 13 устанавливает зарядно-преобразовательное устройство ЗПУ 14 в режим повышающего напряжения, а устройство преобразователя постоянного напряжения УППН 6 - в ключевой режим через постоянно открытый второй транзистор УППН 6-2.

Для реализации выпрямительного режима работы статического обратимого преобразователя система управления СУ 13 устанавливает транзисторно-диодным модулям первого звена высокой частоты 3 выпрямительный режим работы (через диодный выпрямительный мост, при этом, транзисторы закрыты), а транзисторно-диодным модулям второго звена высокой частоты 4 инверторный режим работы, а также устанавливает выпрямительный режим работы инвертора промышленной частоты 9 (через диоды, при этом, транзисторы закрыты). Кроме того, система СУ 13 устанавливает зарядно-преобразовательное устройство ЗПУ 14 в режим зарядного тока и зарядного напряжения для аккумуляторной батареи 1, обеспечивая заряд аккумуляторной батареи 1 оптимальным стабилизированным током и стабилизированным напряжением, а устройство преобразователя постоянного напряжения УППН 6 устанавливает в режим повышающего постоянного напряжения.

Рассмотрим инверторный режим статического обратимого преобразователя. В данном режиме мостовая схема первого звена высокой частоты 3 (типовые высокие частоты выше 20 кГц, фактически в пределах от 40 до 100 кГц), выполненная на основе однофазного инвертора, работает в инверторном режиме (выходное переменное напряжение не превышает напряжения питания), при этом, второе звено высокой частоты 4 работает в выпрямительном режиме.

Схемы построения первого звена высокой частоты 3 и второго звена высокой частоты 4 идентичны.

Описание работы первого звена высокой частоты 3 в инверторном режиме представлено, например: 1. "Мостовой преобразователь с ШИМ". На сайте: https://power-electronics.info/full-bridge.html. 2. Патент, РФ, №2689401).

Управлением ШИМ сигналом, формируемым системой управления СУ 13, происходит синхронная коммутация диагонали верхнего транзистора 3-1 и нижнего транзистора 3-4 моста, далее через определенную паузу (для предотвращения сквозных токов), наоборот одновременно включаются нижний транзистор 3-2 и верхний транзистор 3-3 моста, далее опять пауза и процесс повторяется снова. При этом, длительность синхронного включения ключей, определяющей выходное напряжение, меняется в соответствии с коэффициентом заполнения D в импульсной последовательности с ШИМ. Коэффициент заполнения D описывается следующим выражением:

где

τ_имп - длительность импульсов в импульсной последовательности с ШИМ;

Т - период следования импульсов в импульсной последовательности с ШИМ.

Диоды 3-5, 3-6, 3-7, 3-8, проводящие ток в обратном направлении, включены параллельно транзисторам 3-1, 3-2, 3-3, 3-4. Благодаря обратным диодам напряжение на закрытых ключах не может превысить напряжение источника питания и, кроме того, через обратные диоды ключей на стадии паузы протекает ток, «запасаемый» в паразитной индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора 5.

Сформированное переменное напряжение первым звеном высокой частоты 3 с его «выхода-входа» через трансформатор 5 с заданным коэффициентом трансформации К_тр, определяемым отношением количества витков на вторичной обмотке к количеству витков на первичной обмотке, через выпрямитель второго звена высокой частоты 4 поступает на «вход-выход» устройства преобразователя постоянного напряжения 6 с параллельно подключенным к нему фильтрующего первого конденсатора 7. В выпрямительном режиме второго звена высокой частоты 4 его транзисторы закрыты и работает только диодный выпрямительный мост (см., например, "Трансформаторы, выпрямители, фильтры". На сайте: https://www.radioradar.net/hand_book/documentation/tran.html).

Коэффициенты преобразования первого 3 (К_пр.1) и второго 4 (К_пр.2) звеньев высокой частоты в инверторном режиме представляют собой отношение выходного выпрямленного постоянного напряжения инвертора к напряжению его питания (U_пит) и соответствуют, без учета коэффициента трансформации трансформатора 5 К_тр, приблизительно равным 0,9•U_пит (с учетом падений напряжений на открытых диагональных ключах инвертора и диодах выпрямительного диодного моста, а также с учетом сдвигов импульсов в ШИМ сигнале для исключения сквозных токов и работы на трансформаторную нагрузку). Поэтому с учетом обратимости в работе звеньев высокой частоты 3, 4 коэффициенты преобразования первого 3 (К_пр.1) и второго 4 (К_пр.2) звеньев высокой частоты, работающих в инверторном режиме, следует выбирать приблизительно равными и близкими к значению 0,9U_пит с запасом на стабилизирующее изменение коэффициента заполнения D ШИМ сигнала, при этом коэффициент трансформации трансформатора 5 К_тр, следует выбирать близким к 1 (для выравнивания звеньев высокой частоты 3, 4 по мощности), что является оптимальными условиями для работы звеньев высокой частоты 3, 4.

Т.е. при выборе оптимальных значений К_пр.1, К_пр.2, К_тр, должны выполняться условия:

При подаче постоянного напряжения, изменяемого в широком диапазоне, с выхода аккумуляторной батареи 1 непосредственно на «вход-выход» первого звена высокой частоты 3, работающего в инверторном режиме, коэффициент заполнения D ШИМ сигналов, управляющих открытием и закрытием диагональных мостов должен изменяться в широком диапазоне, что отрицательно сказывается на стабилизации формируемого выходного стабилизированного напряжения.

Для стабилизации напряжения на «входе-выходе» первого звена высокой частоты 3, связанным с изменением напряжения на аккумуляторе 1, в предлагаемом устройстве между аккумуляторной батареей 1 и первым звеном высокой частоты 3 включается зарядно-преобразовательное устройство ЗПУ 14, работающее в инверторном режиме статического обратимого преобразователя в режиме повышающего напряжения по бустерной схеме, обладающей высоким коэффициентом полезного действия η, который достигает более 90% (см., например, "Как работают импульсные преобразователи напряжения". На сайте: https://www.qrz.ru/schemes/contribute/power/kak-rabotajt-impul-snye-preobrazovateli-naprazenia-27-shem.html). В результате обеспечивается высокая стабильность напряжения на «выходе-входе» первого звена высокой частоты 3 и, соответственно, на порту «входа-выхода» на стороне переменного тока 11-1.

Рассмотрим работу зарядно-преобразовательного устройства ЗПУ 14 в инверторном и выпрямительном режимах статического обратимого преобразователя.

В инверторном режиме ключ на первом транзисторе ЗПУ 14-2 закрыт, а ключ на втором транзисторе ЗПУ 14-3 управляется ШИМ сигналом, формируемым системой управления СУ 13. При открытом ключе на втором транзисторе ЗПУ 14-3 ток от аккумуляторной батареи 1 протекает через дроссель ЗПУ 14-4, запасая в нем энергию. Первый диод ЗПУ 14-1 при этом отсекает (блокирует) второй конденсатор 14-6 и не позволяет ему разряжаться через замкнутый ключ на втором транзисторе ЗПУ 14-3. Ток в нагрузку (на «вход-выход» первого звена высокой частоты 3) в этот промежуток времени поступает только от второго конденсатора ЗПУ 14-6. Далее, когда ключ на втором транзисторе ЗПУ 14-3 закрывается, электродвижущая сила самоиндукции дросселя ЗПУ 14-4 суммируется с выходным напряжением на втором конденсаторе 14-6 и энергия тока дросселя ЗПУ 14-4 отдается в нагрузку. При этом выходное напряжение ЗПУ 14 оказывается больше его входного на величину, определяемую индуктивностью дросселя ЗПУ 14-4 и коэффициентом заполнения ШИМ сигнала, управляемого ключом второго транзистора ЗПУ 14-3.

На «выходе-входе» зарядно-преобразовательного устройства ЗПУ 14 формируется стабилизированное напряжение U_ст.1:

где К_п.н.1 - коэффициент повышения напряжения ЗПУ 14 в инверторном режиме (отношение напряжения на «выходе-входе» ЗПУ 14 к напряжению на «входе-выходе» ЗПУ 14).

При выборе U_ст.1 и, соответственно, К_п.н.1 следует учитывать обеспечение "нормального" режима работы бустерной схемы в ЗПУ 14, который заключается в том, что в режиме повышающего напряжения по бустерной схеме, коэффициент заполнения D выбирается не более 0,8…0,9, а коэффициент повышения напряжения К_п.н. для самых высоковольтных вариантов - не более 5 (см., например, "Расчет дросселя бустерной схемы DC DC преобразователя". На сайте: https://skachatvs.com/2000125250/raschet-drosselya-bustemoy-skhemy-dc-dc-reobrazovatelya).

В выпрямительном режиме зарядно-преобразовательного устройства ЗПУ 14 ключ второго транзистора ЗПУ 14-3 закрыт, а ключ первого транзистора ЗПУ 14-2 работает в режиме управления ШИМ сигналом, который формируется по сигналам датчика тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла ДТХ 14-7, а также датчика напряжения ДН 14-8, поступающими в систему управления СУ 13, обеспечивая требуемые условия заряда аккумуляторной батареи 1 в режиме зарядного тока и в режиме зарядного напряжения. При поступлении импульса с системы управления СУ 13 ключ на первом транзисторе ЗПУ 14-2 открывается, ток через него поступает через сглаживающий дроссель ЗПУ 14-4 в первый конденсатор ЗПУ 14-5, при этом в дросселе ЗПУ 14-4 происходит накопление энергии. При снятии управляющего импульса с ключа на первом транзисторе ЗПУ 14-2, он закрывается, и в контуре: второй диод ЗПУ 14-9 - дроссель ЗПУ 14-4 - первый конденсатор ЗПУ 14-5 начинает протекать ток, вызванный высвобождением накопленной в дросселе ЗПУ 14-4 энергии в первый конденсатор ЗПУ 14-5. Далее цикл повторяется (реализована чопперная схема понижающего напряжения). Дроссель ЗПУ 14-4 и первый конденсатор ЗПУ 14-5 представляют собой Г-образную схему LC-фильтра.

При реализации цифрового варианта метода управления по напряжению ключом на первом транзисторе ЗПУ 14-2 с использованием лишь только датчика напряжения ДН 14-8 в реальных условиях эксплуатации аккумуляторной батареи 1 недостаточно, т.к. при включении и выключении заряда в зависимости от напряжения на аккумуляторной батарее 1, может происходить хронический ее недозаряд и преждевременный выход из строя. Для исключения этого в соответствии с типичными характеристиками зарядного процесса (см., Алгоритмы заряда свинцово-кислотных батарей. На сайте: https://www.drive2.ru/1/490695822753661142/) свинцово-кислотного аккумулятора, представленными на фиг. 2, очевидно, что на выходе ЗПУ 14 необходимы датчик тока и датчик напряжения (см., например, "Датчики измерения тока и напряжения для систем автоматизации". На сайте: https://isup.ru/articles/16/1195/). В качестве датчика тока целесообразно использовать датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла ДТХ 14-7 (например, разработанный и выпускаемый заявителем данного изобретения АО «НИИЭМ»: ДТХ-100 ПИГН.411521.007ТУ), который через отверстие в нем "надевается" на провод, идущий к плюсовой клемме аккумуляторной батареи 1. При этом обеспечивается полная гальваническая развязка, не снижающая коэффициент полезного действия η статического обратимого преобразователя. Выходной сигнал датчика тока ДТХ 14-7 подается к входу управления выходным током, а датчика напряжения ДН 14-8 - к входу управления выходным напряжением микроконтроллера в системе управления СУ 13, формирующим ШИМ сигнал для стабилизации зарядного тока и напряжения при заряде аккумуляторной батареи 1.

В результате обеспечивается следующий требуемый алгоритм процесса заряда аккумуляторной батареи 1 (в соответствии с представленным на фиг. 2):

вначале при разряженной аккумуляторной батарее 1 обеспечивается ее заряд до максимального напряжения постоянным током (этап 1, фиг. 2), т.е. обеспечивается поддержание оптимального постоянного тока (см. выражение 2);

затем при достижении максимального напряжения на аккумуляторной батарее 1 ее заряд обеспечивается постоянным напряжением (этап 2, фиг. 2). С этого момента ток заряда начинает падать и достигает величины, компенсирующей саморазряд аккумулятора, т.е. заряд аккумулятора переходит в буферный режим (этап 3, фиг. 2), при котором напряжение ограничивается на уровне "плавающего" заряда. При этом, для обеспечения данных условий заряда аккумуляторной батареи 1 на «выходе-входе» зарядно-преобразовательного устройства ЗПУ 14 должно формироваться напряжение U_ст.2:

где К_п.н.2 - коэффициент преобразования ЗПУ 14 в выпрямительном режиме работы обратимого статического преобразователя (отношение напряжения «входа-выхода ЗПУ 14 к напряжению «выхода-входа» ЗПУ 1).

С учетом обратимости в работе статического обратимого преобразователя рациональным выбором в инверторном и выпрямительном режимах работы зарядно-преобразовательного устройства ЗПУ 14 (см., например, "DC/DC-преобразователи: принципы работы и уникальные решения Maxim Integrated". На сайте: https://www.compel.ru/lib/134297) является обеспечение приблизительного равенства напряжений U_ст.1 и U_cт.2, т.е.:

Инвертор промышленной частоты 9, как и в прототипе, выполнен по трехфазной мостовой схеме на базе транзисторно-диодных модулей типа IGBT (вариант исполнения см., например, "Силовая схема трехфазного инвертора напряжения". На сайте: https://helpiks.org/9-64571.html).

Он выполнен реверсивным, т.е. работает в инверторном и выпрямительном режимах по командам от системы управления СУ 13. Как и в прототипе инвертор промышленной частоты 9 работает совместно с вторым конденсатором 8 и LC-фильтрами 10.

Известно (см., например, " Трехфазные инверторы напряжения". На сайте: https://ozlib.com/849786/tehnika/trehfaznye_invertory_napryazheniya), что соотношение входного постоянного напряжения U_п1 (на «входе-выходе» инвертора промышленной частоты 9) и переменного выходного линейного напряжения U_л в трехфазном инверторе в инверторном режиме описывается выражением:

При этом, соотношение переменного линейного напряжения U_л и выходного постоянного напряжения U_п2 (на «входе-выходе» инвертора промышленной частоты 9) в трехфазном инверторе в выпрямительном режиме описывается выражением (см., например, "Трехфазный мостовой выпрямитель".

• На сайте: https://studref.com/601497/tehnika/trehfaznyy_mostovoy_vypryamitel):

Из выражений (8, 9) видно, что значения напряжений в инверторном U_п1 и выпрямительном U_п2 режимах на «входе-выходе» инвертора промышленной частоты 9 различаются. Однако превышение U_п2 над U_п1 недостаточное для выравнивания напряжений на «входе-выходе» звена высокой частоты 3 в инверторном и выпрямительном режимах и, соответственно, обеспечения требуемого процесса заряда аккумуляторной батареи 1.

Для обеспечения выравнивания напряжений на «входе-выходе» первого высокочастотного звена 3 и, соответственно, рационального режима работы зарядно-преобразовательного устройства ЗПУ 14, а также обеспечения выбранных оптимальных режимов работы высокочастотных звеньев 3, 4 в инверторном и выпрямительном режимах, между «выходом-входом» второго звена высокой частоты 4 и «входом-выходом» инвертора промышленной частоты 9 включается устройство преобразователя постоянного напряжения УППН 6, обеспечивающее в выпрямительном режиме статического обратимого преобразователя повышение напряжения по бустерной схеме, а в инверторном режиме, работающее в ключевом режиме через постоянно открытый второй транзистор УППН 6-2.

Рассмотрим работу устройство преобразователя постоянного напряжения УППН 6.

В инверторном режиме первый транзистор УППН 6-1 постоянно закрыт, а второй транзистор УППН 6-2 постоянно открыт для протекания тока с «выхода-входа» второго звена высокой частоты 4 на «вход-выход» инвертора промышленной частоты 9.

В выпрямительном режиме второй транзистор УППН 6-2 постоянно закрыт, а первый транзистор УППН 6-1 работает в режиме управления ШИМ сигналом, формируемым в системе управления СУ 13.

Когда ключ на первом транзисторе УППН 6-1 открыт, ток с «входа-выхода» инвертора промышленной частоты 9 протекает через дроссель УППН 6-4, запасая в нем энергию. Диод УППН 6-3, при этом, отсекает первый конденсатор 7 и не позволяет ему разряжаться через замкнутый ключ на первом транзисторе УППН 6-1. Ток в нагрузку (на «выход-вход» второго звена высокой частоты 4) в этот промежуток времени поступает только от первого конденсатор 7. Далее, когда ключ на первом транзисторе УППН 6-1 закрывается, электродвижущая сила самоиндукции дросселя УППН 6-4 суммируется с выходным напряжением на первом конденсаторе 7 и энергия тока дросселя УППН 6-4 отдается в нагрузку. При этом выходное напряжение УППН 6 оказывается больше его входного на величину, определяемую индуктивностью дросселя УППН 6-4 и коэффициентом заполнения D ШИМ сигнала, управляющего ключом первого транзистора УППН 6-1. На «входе-выходе» УППН 6 формируется стабилизированное напряжение U_ст.3:

где К_п.н.3 - коэффициент повышения УППН 6, равный отношению значения напряжения на «входе-выходе» УППН 6 к отношению значения напряжения на «выходе-входе» УППН 6.

В соответствии с выражениями (4, 8, 9, 10) и с учетом обратимости в работе звеньев высокой частоты 3, 4 коэффициенты преобразования первого 3 (К_пр.1) и второго 4 (К_пр.2) звеньев высокой частоты, работающиех в инверторном режиме, выбираются приблизительно равными, тогда (малым напряжением открытого ключа второго транзистора УППН 6-2 пренебрегаем):

Из выражения (11) находим коэффициент трансформации К_тр трансформатора 5 и коэффициент К_п.н.3:

В качестве примера работы статического обратимого преобразователя рассмотрим выбор двух оптимальных режимов работы звеньев высокой частоты 3, 4 с учетом условий в выражении (4).

Первый режим: К_пр=0,8; К_тр=1.

Тогда, в соответствии с выражениями (11):

U_ст=1,53U_л.

При U_л=380 В получаем. U_ст=581,4 В.

В соответствии с выражениями (5, 7) К_п.н.=3,3…1,8.

В соответствии с выражением (13) К_п.н.3=1,353.

Второй режим: К_пр=0,7; К_тр=1,2.

Тогда, в соответствии с выражениями (11): U_ст=1,458U_л.

При U_л=380 В получаем. U_ст=554 В.

В соответствии с выражениями (5, 7) К_п.н.=3,2…1,5.

В соответствии с выражением (13) К_п.н.3=1,77.

Анализ приведенных двух режимов показывает, что в первом и втором режимах работы звеньев высокой частоты 3, 4 коэффициенты К_п.н. и К_п.н.3 соответствуют "нормальному" режиму работы. Кроме того, для приведенных в качестве примера данных аккумуляторной батареи 1 и источника переменного напряжения промышленной частоты 11, К_п.н. в ЗПУ 14 и К_п.н.3 в УППН 6 позволяют обеспечить выбранные оптимальные условия работы звеньев высокой частоты 3 и 4, обеспечивающими формирование высокой стабильности напряжений на выходах звеньев высокой частоты 3 и 4.

Изменением К_к.н. в ЗПУ 14 и К_п.н.3 в УППН 6 создаются условия для выбора К_пр и К_тр в оптимальном диапазоне.

В качестве электронных ключей на транзисторах и диодов в звеньях высокой частоты 3, 4, в зарядно-преобразовательном устройстве ЗПУ 14 и в устройстве преобразователя постоянного напряжения УППН 6 можно использовать, например, мощный высоковольтный полумост на биполярном транзисторе с изолированным затвором (IGBT), например, SEMiX453GB12E4s.

В качестве микроконтроллеров, формирующих ШИМ сигналы в системе управления СУ 13, можно использовать, например, микроконтроллер ST10F276Z5T3.

2. Описание структурной схема статического обратимого преобразователя по фиг. 3.

В параллельно соединенных, идентичных по схемному построению последовательно соединенных через трансформатор 5 двух звеньев высокой частоты 3, 4, с одинаковыми коэффициентами преобразования напряжения К_пр и одинаковыми коэффициентами трансформации К_тр, в точках параллельного соединения данных звеньев создаются выравненные напряжения, практически не вызывающие токи короткого замыкания, которые отрицательно влияют на эффективность и надежность работы высокочастотного преобразователя напряжения ВПН 15₁, содержащего данные звенья высокой частоты 3, 4. В результате чего, обеспечиваются условия для включения вместо одного высокочастотного преобразователя напряжения ВПН 15₁, группы параллельно включенных высокочастотных преобразователей напряжения ВПН 15₁, 15₂…15_n (n≥2).

Данное параллельное включение группы высокочастотных преобразователей напряжения ВПН 15₁, 15₂…15_n позволяет увеличить мощность высокочастотного преобразователя напряжения, а также обеспечить выбор трансформатора 5 с более низкой мощностью.

Таким образом, предлагаемый в заявке статический обратимый преобразователь обладает следующими достоинствами:

обеспечивается высокая стабилизация переменного напряжения на порту «входа-выхода» на стороне переменного тока;

обеспечивается оптимальный режим заряда аккумуляторной батареи, увеличивающий срок ее службы;

обеспечиваются оптимальные режимы работы составляющих устройств статического обратимого преобразователя, позволяющие достигнуть высокую эффективность и надежность его работы;

выбором коэффициентов преобразования зарядно-преобразовательного устройства и преобразователя постоянного напряжения, обеспечиваются условия для оптимального выбора коэффициента трансформации трансформатора и коэффициентов преобразования звеньев высокой частоты;

обеспечивается высокая эффективность и надежность статического обратимого преобразователя, в виду отсутствия токов короткого замыкания для выравнивания напряжений при параллельном соединении высокочастотных преобразователей напряжения;

обеспечивается высокий коэффициент полезного действия.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям напряжения, предназначенным для бесперебойного электропитания потребителей переменного и постоянного тока. Статический обратимый преобразователь для бесперебойного питания потребителей переменного и постоянного тока содержит первый порт «входа-выхода» на стороне постоянного тока с подключенной к нему аккумуляторной батареей и второй порт «входа-выхода» на стороне переменного тока с подключенным к нему источником переменного напряжения промышленной частоты. Статический обратимый преобразователь работает в инверторном и выпрямительном режимах, устанавливаемых системой управления. В инверторном режиме обеспечивается высокая стабилизация переменного напряжения на порту «входа-выхода» на стороне переменного тока, а в выпрямительном режиме - оптимальные условия для заряда аккумуляторной батареи, позволяющие увеличить срок ее службы. В статическом обратимом преобразователе обеспечиваются оптимальные режимы работы составляющих его устройств, позволяющие достигнуть высокую эффективность и надежность работы статического обратимого преобразователя, а также его высокий коэффициент полезного действия. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Статический обратимый преобразователь для бесперебойного питания потребителей переменного и постоянного тока, содержащий первый порт «входа-выхода» на стороне постоянного тока с подключенной к нему аккумуляторной батареей и второй порт «входа-выхода» на стороне переменного тока с подключенным к нему источником переменного напряжения промышленной частоты, а также высокочастотный преобразователь напряжения, содержащий первое и второе звенья высокой частоты в виде двух последовательно соединенных через трансформатор мостовых схем, выполненных на основе идентичных по схеме однофазных инверторов, соединенных с системой управления и инвертором промышленной частоты с фильтром на входе, причем первое и второе звенья высокой частоты, а также инвертор промышленной частоты используются в инверторном и выпрямительном режимах, при этом, в инверторном режиме работы статического обратимого преобразователя входное питание постоянного тока подается на первый порт, а выход переменного тока снимается со второго порта, а в выпрямительном режиме статического обратимого преобразователя входное питание переменного тока подается на второй порт, а выход постоянного тока снимается с первого порта; выходное напряжение переменного тока формируется с помощью инвертора промышленной частоты, выполненного в виде трехфазной мостовой схемы, соединенной с системой управления и через LC-фильтры с источником переменного напряжения промышленной частоты, отличающийся тем, что дополнительно введены зарядно-преобразовательное устройство, включенное между первым портом «входа-выхода» на стороне постоянного тока и первым звеном высокой частоты, соединенное с системой управления и обеспечивающее в инверторном режиме работы статического обратимого преобразователя стабилизацию изменяемых напряжений аккумуляторной батареи на входе первого звена высокой частоты, при этом, в выпрямительном режиме работы статического обратимого преобразователя по сигналам с датчиков напряжения аккумуляторной батареи и зарядного тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла, зарядно-преобразовательное устройство обеспечивает по управляющим ШИМ сигналам формирование требуемых алгоритмов заряда аккумуляторной батареи постоянным оптимальным током и постоянным напряжением, кроме того, между выходом второго звена высокой частоты и инвертором промышленной частоты включено устройство преобразователя постоянного напряжения, обеспечивающее в выпрямительном режиме статического обратимого преобразователя повышение напряжения по бустерной схеме, а в инверторном режиме работающее в ключевом режиме через открытый транзистор.

2. Статический обратимый преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что введено n, где n≥1, дополнительных идентичных высокочастотных преобразователей напряжения, включенных параллельно высокочастотному преобразователю напряжения.