Система бесперебойного питания Советский патент 1985 года по МПК H02J9/00 

ющегося напряжения, вход которого подключен к выходу синхронизатора, а к другому входу второго компаратора подсоединен выход генератора пилообразного напряжения, вход которого подключен к второму дополнительному выходу формирователя импульсов, при этом выход первого компаратора соединен с одним входом первого элемента И и через элемент НЕ - с одним входом второго

136254

элемента И, к другим входам элементов И подсоединены вторые объединенные выходы датчиков наличия и . понижения напряжения сети, выход первого элемента И подключен к управляющим входам управляемых ключей, выход второго элемента И - к управляющим входам дополнительных управляемых ключей,а выход второго компаратора подключен к ворому управляющему входу распределителя импульсов.

СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ, содержащая первьш сетевой трансформатор, к основной первичной обмотке которого через первый управляемый ключ подсоединены синхронизатор, фазовый детектор, выход которого соединен с входом Запрет синхронизатора, датчик уменьшения напряжения сети и датчик наличия напряжения сети, задающий генератор, выход которого подключен к входу формирователя импульсов, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора, выход - с входом распределителя импульсов, а первьй дополнительный вькод - с объединенными входами датчиков наличия и уменьшения напряжения сети, первые выходы которых объединены и подключены к первому управляющему входу распределителя импульсов, первьй выход которого связан с первым инвертором, а вспомогательный выход соединен с входом фазового детектора, вспомогательная обмотка первого сетевого трансформатора подключена через первый инвертор и выходной фильтр к резервному источнику, отличающаяся тем, что, с целью стабилизации выходного напряжения при одновременном уменьшении массогабаритных показателей, в нее введены второй и третий сетевые трансформаторы, второй и третий инверторы, второй и третий управляемые ключи, три дополнительных управляемых ключа, измерительный трансформатор, два фильтра, два выпрямителя, два усилителя сравнения, два компаратора, генератор линейно изменяющегося напряжения, генератор, пилообразного напряжения, два элемента И, злемент НЕ, причем основные первичные обмотки Btoporo и третьего сетевых трансформаторов соответственно через второй и третий управляемые ключи включены параллельно выводам для подключения сети, а параллельно части витков каждой из основных первичных обмоток и связанному с ней управляемому ключу подсоединен один из дополнительных управляемых ключей, вспомогательные первичные обмотки второго и третьего сетевых трансформаторов соответственно через второй и третий инверторы, связанные соответственно с вторым и третьим выходами распределителя импульсов, подключены параллельно цепи питания первого инвертора, выходные обмотки сетевых трансформаторов соединены последовательно и подключены к первичной обмотке измерительного трансформатора, к каждой из двух вторичных обмоток которого подсоединена цепь, состоящая из фильтра, выпрямителя и усилителя сравнения, подключенного своим выходом к одному из входов каждого компаратора, к другому входу первого компаратора подсоединен выход генератора линейно изменя

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах питания и электропривода для обеспечения нагрузки бесперерывным стабилизированным переменным напряжением.

Известен источник бесперебойного питания с высоким КПД, работающий в трех основньк режимах; при номинальном напряжении сети, при пониженном напряжении сети, при отсутствии напряжения сети. Источник может питать нагрузку стабилизированным переменным напряжением, при этом стабилизация осуществляется с помощью феррорезонансного стабилизатора ij .

Недостатком этой системы являетс низкая надежность обеспечения электропитанием нагрузки, особенно при Питании цифровых устройств, получающаяся из-за скачкообразного изменения фазы вьЕсодного напряжения, которое может вызвать прерывание и резкое изменение тока нагрузки при переходе от одного режима к другому К недостаткам этой системы можно также отнести большие массогабаритные показатели феррорезонансного стабилизатора.

Наиболее близким к изобретению является источник бесперебойного питания переменным током с высоким КПД, работающий в трех режимах, указанных выше, и отличающийся высокой надежностью, достигнутой за счет исключения прерывания и резкого изменения тока нагрузки при переходе с одного режима работы на другой.

Источник содержит подключенные -к сетевым клеммам стабилизатор, фазовый детектор, датчики наличия и понижения напряжения сети, последовательно соединенные управляемьш ключ и основную первичную обмотку выходного трансформатора. Резервный источник через входной фильтр связан с инвертором, подключенным к вспомогательной обмотке выходного трансформатора. Кроме того, устройство содержит задающий генератор, соединенньй с формирователем импульсов, которьй подключен к распределителю

импульсов, управляющему работой инвертора.

При номинальном напряжении сети нагрузка получает энергию от сети через управляемый ключ и трансформатор, при этом задающий генератор вырабатывает прямоугольные импульсы, которые в формирователе преобразуются в импульсы необходимой для управления инвертором формы и длительности. Эти импульсы, с помощью синхронизатора и фазового детектора засинхронизированные с напряжением сети, поступают на вход распределителя, однако, пока есть сеть, на

его выход не проходят.

При пропадании напряжения сети или понижения его ниже минимального уровня на управляющий вход распределителя подается сигнал, разрешающий прохождение сформированных в формирователе импульсов на инвертор, последНий включается, нагрузка начинает получать энергию от резервного источника. Поскольку сформированные

3

импульсы на входе инвертора до аварии сети были сфазированы с напряжением сети, переход на питание от резервного ситочника происходит без изменения фазы. Обратный переход при восстановлении сети осуществляется только после синхронизации импульсов на входе инвертора с напряжением сети в нулевом значении синусоиды напряжения сети 2 .

Однако для обеспечения нагрузки стабилизированным бесперерьгеным выходным напряжением в известном устройстве используют феррорезонансньй стабилизатор, подключаемый к выходу источника питания, что приводит к значительному увеличению массогабаритных показателей и уменьшению КПД всей системы питания в целом, т.е. к ухудшению качественных показателей источника питания.

Целью изобретения является обеспечение стабилизации выходного напряжения при одновременном уменьшении массогабаритных показателей.

Поставленная цель достигается тем, что в систему бесперебойного питания, содержащую первый сетевой трансформатор, к основной первичной обмотке которого через первьш управляемый ключ подсоединены синхронизатор, фазовый детектор, выход которого соединен с входом Запрет синхронизатора, датчик уменьшения напряжения сети и датчик наличия напряжения сети, задающий генератор, выход которого подключен к входу формирователя импульсов, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора, выход - с. входом распределителя импульсов, а первый дополнительный выход - с объединенньв4и входами датчиков наличия и уменьшения напряжения сети, первые выходы которых объединены и подключены к первому входу распределителя импульсов, первый выход которого связан с первым инвертором, а вспомогательный выход соединен с входом фазового детектора, вспомогательная обмотка первого сетевого трансформа;тора подключена через первый инвертор и выходной фильтр к резервному источнику, введены дторой и третий сетевые трансформаторы, второй и третий инверторы, второй и третий управляемые ключи, три дополнительных управляемых ключа, измерительньй

3625А4

трансформатор, два фильтра, два выпрямителя, два усилителя сравнения, два компаратора, генератор линейно изменяющегося напряжения, генератор 5 пилообразного напряжения, два элемента .И, элемент НЕ, причем основные первичные обмотки второго и третьего сетевых трансформаторов соответственно через второй и третий управляемые ключи включены параллельно выводам для подключения сети, параллельно части витков каждой из основных первичных обмоток и связанному с ней управляемому ключу подсоединен

15 один из дополнительных управляемых ключей, вспомогательные первичные обмотки второго и третьего сетевых трансформаторов соответственно через второй и третий инверторы, связанные

20 соответственно с вторым и третьим выходами распределителя импульсов, подключены параллельно цепи питания первого инвертора, выходные обмотки сетевых трансформаторов соединены

25 последовательно и подключены к первичной обмотке измерительного трансформатора, к каждый из двух вторичных обмоток которого подсоединена цепь, состоящая из фильтра, выпрямителя и усилителя сравнения, подключенного своим выходом к одному из входов каждого компаратора, к другому входу первого компаратора подсоединен выход генератора линейно изменякнцегося напряжения, вход которого подключен к выходу синхронизатора, а к другому входу второго компаратора подсоединен выход генератора пилообразного напряжения, вход которого

Q подключен к второму дополнительному

. выходу формирователя импульсов, при этом выход первого компаратора соединен с одним входом первого элемента И и через элемент НЕ - с одним

j входом второго элемента И, к другим входам элементов И подсоединены вторые- объединенные выходы датчиков наличия и понижения напряжения сети, выход первого элемента И подключен

Q к управлякмцим входам управляемых ключей, выход второго элемента И к управляющим входам дополнительных управляемых ключей, а выход второго компаратора подключен к второму

г управляющему входу распределителя импульсов.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы при работе от основного источника; на фиг. 3 - то же, при работе от резерв .ного источника. Устройство содержит клеммы 1 и 2 к которым подводится сеть, подключен ные к этим клеммам синхронизатор 3, фазовый детектор 4, выход которого соединен с входом Запрет синхронизатора 3, датчик 5 наличия напряжения сети и датчик 6 понижения напряжения сети, причем вход и выходы датчика 5 соответственно соединены с входом и выходами датчика 6. Кроме того, устройство содержит сетевые трансформаторы 7( -7 , основные первичные обмотки 8 -8 которых соответственно через первый, второй и третий управляемые ключи 9( -9} параллельно подключены к клеммам 1 и 5 при этом параллельно каждому из ключей 9,| -99 и части витков ос новных первичных обмоток 8| - 84 соответственно включены первый, вто рой и третий дополнительные управля емые ключи 10 { -10- . Резервный источник постоянного тока подключается к клеммам 11 и 12 которые через входной фильтр 13 сое динены с параллельно включенными ин верторами 14 -14,связанными с со ответствующими вспомогательными пер вичными обмотками 5 15 трансформаторов , Устройство также содержит задающий генератор 16, выход которого подключен к входу формирователя 17 импульсов. Синхронизирующий вход ф.ормирователя 17 соединен с выходом синхронизатора 3, выход - с входом распределителя 18 импульсов, а первый дополнительный выход подключен к объединенным входам датчиков 5 и 6. Первый, второй и третий выходы распределителя 18 соответственно соединены с входами инверторов 14 14 , вспомогательный выход - с вхо дом фазового детектора 4, а первый управляющий вход подключен к объединенным первым выходам датчиков 5 и 6. Выходные обмотки 19 - 19 сети трансформаторов 7« - 7 включе ны последовательно, а параллельно им подключена первичная обмотка измерительного трансформатора 20, к каждой из двух вторичных обмоток которого подсоединена цепь. Первая цепь состоит из фильтра 21 , выпрямителя 22, усилителя 23 сравнения, подключенного своим выходом к одному из входов компаратора 24i. При этом к другому входу первого компаратора 24 подсоединен выход генератора 25 линейно изменяющегося напряжения, вход которого подключен к выходу синхронизатора 3, а к другому выходу второго компаратора 242 - соединен выход генератора 26 пилообразного напряжения, вход которого подключен к второму дополнительному выходу формирователя 17. Выход первого компаратора 24( соединен с одним из входов первого элемента И 27 и через элемент НЕ 28 - с одним из входов второго элемента И 29, к другим входам.элементов И подсоединены вторые объединенные выходы датчиков 5 и 6 наличия и понижения напряжения сети. Выход первого элемента И 27 подключен к управляющим входам управляемых ключей 9 - выход второго элемента И 29 - к управляющим входам дополнительных управляющих ключей 10 -10. Выход второго компаратора 24 подключен к второму управляющему входу распределителя 18. Нагрузка подключается к выходным последовательно включенным обмоткам 19 - сетевых трансформаторов 7 « I Устройство работает следующим образом. Напряжение сети через клеммы 1 и 2, управляемые ключи подается на первичные обмотки сетевых трансформаторов 7 - 7j. Одновременно с этим задающий генератор 16 начинает вьфабатывать прямоугольные импульсы, которые затем поступают в формирователь 17, в котором они ттреобразуются в импульсы необходимой формы и длительности, служащие для управления, инверторами, а также в импульсы с тактовой частотой 100Гц, необходимые для з равления генератором 26 пилообразного напряжения. Р1мпульсы, сформированные для управления инверторами, поступают на вход распределителя 18, который распределяет их для подачи на инверторы. При наличии сигнала на первом управляющем входе распределителя 18 (1 в цифровом коде при отсутствии напряжения сети или пониженном напряжении сети) импульсы проходят на входы инверторов 14 - 14э и включают их. При отсутствии сигнала на управляющем входе распределителя 18 (О в цифровом коде в случае, когд напряжение сети имеет номинальное значение), импульсы не проходят на входы инверторов 14 - 1Д, которые в выключенном состоянии. На вспомогательный вход рапределителя 18 сформированные импульсы проходят постоянно независимо от сигнала на управляющем входе распре делителя. При этом синхронизахщя в схеме осуществляется следующим образом. Фазовый детектор 4 сравнивае фазу напряжения сети с фазой напряжения на вспомогательном выходе рас пределителя 18. При совпадении фаз фазовый детектор 4 вырабатьгоает сигнал, поступающий на вход Запрет синхронизатора 3, который начинает осзпцествлять синхронизацию сформированных импульсов, поступающих на вход распределителя 18 и на вход генератора 26 с напряжением сети путем подачи синхроимпульсов на син хронизирующий вход формирователя 17 Одновременно синхроимпульсы начинаю поступать на вход генератора 25 линейно изменяющегося напряжения и таким образом запускают схему стаби лизадаи выходного напряжения при на . личин напряжения сети. Стабилизация осуществляется следующим образом. Выходное напряжение через измери тельный трансформатор 20 и фильтр 21,| (Отфильтрованное до коэффициента нелинейных искажений не более 2%, ;после детектирования в вьшрямителе 22 , в усилителе 23 сравнивается с эталонным напряжением. С выхода усилителя 23 на один из :выходов компаратора 24 поступает сигнал, уровень которого отражает результат сравнения напряжения 1сети с эталонным напряжением. На другой вход компаратора 24 поступает линейно изменяющееся напряжение от генератора 25, засинхронизированное с напряжением сети. На .выходе компаратора 24 появляется импульс, который поступает одновременно на один вход элемента И 27 и на вход элемента НЕ 28. Так как на другом входе элемента И 27 есть сигнал о наличии напряжения сети, то на его выходе появляется импульс, который поступает на зптрав48ляющие входы управляемых ключей 9Э, 7а И поддерживает их в включенном состоянии. На выходе элемента И 29 сигнал отсутствует, так как на один из его входов после элемента НЕ 28 приходит О, на управляющих входах дополнительных управляемых.ключей 10 сигнала нет, они отключены. Когда выходной сигнал компаратора 24 меняет полярность (когда лиресекает- уровень сигнала с выхода усилителя 23) элемент И 27 отключается, включается элемент И 29, с выхода которого на управляюпще входы дополнительных управляемых ключей 10I - 10 поступает управляющий сигнал. Ключи 10 j - 10 включаются, при этом на части витков основных первичных обмоток 8 - 8 находится напряжение, включающее ранее работавшие ключи 9{ - 9. Так формируется первая полуволна выходного напряжения, в нуле фазы напряжения сети процесс стабилизации повторяется и формируется вторая полуволна выходного напряжения. На фиг. 2 приведены временные диаграммы работы ключей и форма выходного напряжения, где 30 - управляемые ключи 9 - 31 - дополнительные управляемые ключи выходное напряжение. Управляемые ключи подключены к максимальному числу витков основных первичных обмоток 8 - 8л, дополнительные управляемые ключи 10 - 10(j - к минимальному числу витков тех же обмоток. При правильном подборе числа витков между обмотками можно получить выходное напряжение с нелинейными искажениями, не превышаннцими 10% при нестабильности выходного напряжения не хуже 2% и при разбросе напряжения питания переменного тока +10% -15%.. Предлагаемая система бесперебойного питания со стабилизацией выходного напряжения работает в трех режиах: при номинальном напряжении сети, при пониженном напряжении сети, при отсутствии напряжения сети. Работа ри номинальном.напряжении сети опиана выше. При снижении напряжения сети меее допустимого уровня датчик 6 в омент прохождения синусоидой напряжения сети нулевого значения снимает сигнал с входов элементов И 27 и 29, на управляющие входы ключей 9 j - 93 10 а перестают поступать управляющие импульсы, ключи отключаются . В то же .время на первый управляющий вход распределителя 18 датчик 6 подает сигнал, разрешающий прохождение сформированных в формирователе 17 импул1 сов на инверторы 1А - 1Дя. Сеть отключается, включаются инверторы, нагрузка получает энергию от резервного источника (например, аккумуляторной батареи) через работающие инвертдры. При аварии сети датчик 5 в момент пропадания напряжения снимает сигнал с входов элементов И 27 и 29, послед ние отключают управляемые ключи 9 9(5, 10 - 10. Одновременно с выхода датчика 5 на первый управляющий вход распределителя 18 подается сигнал, раз- решакщий прохождение сформированных импульсов на входы инверторов 14р 14. Поскольку сформированные импульсы на входе распределителя 18 до аварии сети или до понижения напряжения сети были сфазированы с напряжением сети, переход на работу нагрузки от инверторов происходит без изменения .фазы выходного напряжения. : Стабилизация выходного напряжения ;при работе источника от аккумуляторной батареи происходит следующим образом. Для того, чтобы обеспечить, те же значения коэффициента нелинейных искажений и нестабильности, что при работе от сети, в источник бесперебойного питания введены три инвертора 14 - 14/J, нагрз енные на вспомогательные обмотки 15( - 15 трансформаторов 7 ( - 7, при этом каждьй из инверторов вцдает прямоугольное напряжение определенной длительности и амплитуды. Эти напряжения в трех выходных обмотках трансформаторов 19 - 19, включенных последовательно, складьгааются, и таким образом создается квазисйнусоидальное выходное напряжение ступенчатой формы Работой инверторов управляют импульсы поступающие с распределителя 18, причем два импульса с формирователя 7, постоянные по длительности, и один с компаратора 24, изменяющийся по длительности. Этот импульс подается на второй управляющий вход 11

ходе инвертора 14;| , напряжение 34 на выходе инвертора 14, напряжение 35 на выходе инвертора 14, выходное напряжение 36 источника питания

Использование изобретения в качестве системы бесперебойного питания со стабилизацией выходного напряжения, например, вместо действующих сейчас источников гарантированного питания, в KOTopbix применяются последовательно работакнцие йЬшрямители с аккумулятором и инверторы, а также ст абилизаторы, позволяет значительно уменьшить массогабаритные показатели при высоком КПД источника и достаточно низком коэффициенте нелинейных искажений выходного напряжения. 410 распределителя 18 и формируется следующим образом. При включении задающего генератора 16 одновременно с формирователем 17 начинает работать генератор 26 пилообразного напряжения, напряжение которого подается на один из входов компаратора 24j. На другой его вход поступает сигнал, отражающий результат сравнения уровня выходного напряжения 22 у) с эталонным уровнем в усилителе 23а . В соответствии с этими сигналами на выходе компаратора 24л формируется импульс, изменяющийся по длительности обратно пропорционально изменению выходного напряжения. Этот импульс засинхронизирован с импульсами,- поступающими от формирователя 17 и подается постоянно на второй управляющий вход распределителя 18. При работе от резервного источника эти импульсы распределяются по инверторам, один из которых формирует напряжение с уровнем, пропорциональным длительности импульса, пришедшего с комапаратора 242, таким образом и осуществляется стабилизация выходного напряжения. Длительность импульсов формирователя 17 и параметры усилителей мощности инверторов выбраны таким образом, что коэффициент нелинейных- искажений суммарного выходного напряжения не превьшает 10% при нестабильности не хуже 2% и при разбросе напряжения питания аккумуляторной батареи +20% Временные диаграммы, поясняющие работу инверторов, приведены на фиг.З, где обозначены напряжение 33 на вы