МНОГОКАНАЛЬНЫЙ АГРЕГАТ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ МОДУЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ
MULTI-CHANNEL UNINTERRUPTED POWER SUPPLY OF MODULAR CONSTRUCTION

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к системам резервного энергоснабжения. Изобретение может быть использовано для бесперебойного электропитания высокостабильными напряжениями постоянного тока 28,5 В и однофазного переменного тока с частотой 50 Гц 230 В потребителей различных объектов (подвижных и стационарных, промышленного и военного назначения), имеющих первичное электроснабжение от сетей 3-50 Гц, 380 В.
Известен преобразователь напряжения (патент РФ № 2343615 «Реверсивный преобразователь напряжения для передачи электроэнергии между сетями переменного и постоянного тока», МПК 2006.1 H02J 9/06, патентообладатель: Закрытое акционерное общество "ИРИС" (RU)), состоящий из соединенных последовательно сети напряжения переменного тока с группой потребителей напряжения переменного тока, первого датчика тока, первого фильтра, первого инвертора-выпрямителя, второго фильтра, второго инвертора-выпрямителя, трансформатора, третьего инвертора-выпрямителя, третьего фильтра, сети напряжения постоянного тока с аккумуляторной батареей; второго датчика тока, первого и второго датчиков напряжения, аналого-цифрового преобразователя, первого, второго и третьего блоков драйверов силовых ключей, микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством, модуля дискретного ввода-вывода, панели индикации и управления, часов реального времени, энергонезависимого запоминающего устройства, адаптера информационной шины, шины информационного обмена, внешней системы управления; к первому входу аналого-цифрового преобразователя подключен информационный выход первого датчика тока, ко второму входу через первый датчик напряжения подключен вход-выход сети напряжения переменного тока с группой потребителей напряжения переменного тока, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к первому входу микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством, ко второму входу микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством подключены часы реального времени, к третьему входу - энергонезависимое запоминающее устройство, к первому входу-выходу микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством через модуль дискретного ввода-вывода подключена панель индикации и управления, ко второму входу-выходу - через адаптер информационной шины и шину информационного обмена внешняя система управления, первый выход микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством через первый блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу первого инвертора-выпрямителя первой и второй группы потребителей напряжения постоянного тока, блока защиты и источника бесперебойного питания с аккумуляторной батареей, первая группа потребителей напряжения постоянного тока подключена к выходу второго фильтра, вторая группа потребителей напряжения постоянного тока подключена к выходу сети напряжения постоянного тока с аккумуляторной батареей, блок защиты включен в разрыв между третьим инвертором-выпрямителем и третьим фильтром, второй датчик тока включен в разрыв между третьим фильтром и сетью напряжения постоянного тока с аккумуляторной батареей, к третьему входу аналого-цифрового преобразователя подключен информационный выход второго датчика тока, к четвертому входу через второй датчик напряжения подключен вход-выход сети напряжения постоянного тока с аккумуляторной батареей, второй выход микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством через второй блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу второго инвертора-выпрямителя, третий выход через третий блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу третьего инвертора-выпрямителя, выход сети напряжения переменного тока с группой потребителей напряжения переменного тока подключен к входу источника бесперебойного питания с аккумуляторной батареей, выход источника бесперебойного питания с аккумуляторной батареей подключен к соответствующим входам электропитания микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством аналого-цифрового преобразователя, первого, второго и третьего блока драйверов силовых ключей, модуля дискретного ввода-вывода, панели индикации и управления и адаптера информационной шины.
Основные недостатки данного преобразователя напряжения (аналога):
- использование тройного преобразования (с помощью первого, второго и третьего инвертора-выпрямителя) напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока и обратно;
- вследствие того, что для электропитания преобразователя используется только одна сеть переменного тока, бесперебойность электропитания потребителей (группа потребителей напряжения переменного тока, первая и вторая группа потребителей постоянного тока) после потери напряжения в этой сети обеспечивается путем использования энергии, запасенной в аккумуляторной батареи (входящей в состав сети напряжения постоянного тока). Это предопределяет применение аккумуляторной батареи достаточно большой емкости (соответствующих габаритов и стоимости), требующей регулярного технического облуживания;
- в составе источника бесперебойного питания слаботочных составных частей преобразователя (микроконтроллер с оперативным запоминающим устройством, первый, второй и третий блок драйверов силовых ключей и т.д.) также имеется еще одна аккумуляторная батарея.
Наиболее близким по исполнению аналогом, принятым в качестве прототипа предлагаемой изобретения, является многоканальное устройство бесперебойного электропитания (патент РФ № 2221320 «Устройство бесперебойного электропитания многоканальное стабилизирующее», МПК 8 H02J 7/34, имя патентообладателя: Никитин И.Е., Бушуев В.М.). Многоканальное стабилизирующее устройство бесперебойного электропитания, содержащее сетевой выпрямитель, выводами переменного тока подключенный к промышленной сети электроснабжения переменного тока, а выводами постоянного тока - к входным выводам зарядно-буферного преобразователя (ЗБП), выходные выводы постоянного тока которого подключены к выводам резервной аккумуляторной батареи и к входным выводам преобразователей постоянного напряжения (ПН) по числу каналов выходного напряжения, при этом ЗБП- и ПН-преобразователи выполнены по схеме высокочастотного преобразования энергии и состоят из первого инвертора, узла управления с ШИМ-регулятором и трансформаторно-выпрямительного узла (ТВУ), первичная обмотка трансформатора которого подключена к выводам переменного тока первого инвертора, выводы управления первых инверторов ЗБП- и ПН-преобразователи связаны с выходными выводами соответствующего узла управления, а выходы постоянного тока ТВУ образуют выходные выводы соответствующих ЗБП и ПН-преобразователей, причем, в каждый преобразователь ПН введены второй инвертор и коммутатор импульсов управления (КИУ), а выходной трансформатор ТВУ каждого преобразователя ПН снабжен второй первичной обмоткой, которая подключена к выводам переменного тока второго инвертора, соответствующего преобразователю ПН, входные выводы указанного второго инвертора подключены к выводам постоянного тока сетевого выпрямителя, причем выходные выводы узла управления каждого преобразователя ПН подключены к входным выводам соответствующего КИУ, первые выходные выводы которого подключены к выводам управления первого инвертора, а вторые выходные выводы - к выводам управления второго инвертора, а вывод контроля напряжения - к выводам постоянного тока сетевого выпрямителя.
Недостатками многоканального устройства бесперебойного электропитания по прототипу является следующее:
- в устройстве обеспечивается возможность бесперебойного электропитания только для двух потребителей напряжением постоянного тока и не предусмотрено бесперебойное электропитание потребителей напряжением переменного тока;
- вследствие того, что для электропитания устройства используется только одна сеть переменного тока, бесперебойность электропитания потребителей (подключаемых к выходам постоянного тока ТВУ) после потери напряжения в этой сети обеспечивается путем использования энергии, запасенной в аккумуляторной батарее. Для достаточно длительной бесперебойной работы ответственных потребителей (как и в случае с аналогом) также требуется применение аккумуляторной батареи достаточно большой емкости.
Кроме этого, состав силового оборудования данного устройства избыточен, так как в составе выходных преобразователей напряжения для питания потребителей используются по два инвертора, один из которых работает только от аккумуляторной батареи, а второй - только от питающей промышленной сети (через сетевой выпрямитель). В данном устройстве используются «узлы управления с ШИМ-регулятором», которые в современной силовой электронике, как правило, реализуются на базе универсальных интегральных микросхем - микроконтроллеров. Поэтому в описании изобретения мы будем использовать термин: «микроконтроллер» вместо «узел управления с ШИМ-регулятором», как в прототипе.
Целью изобретения является обеспечение бесперебойности гарантированного электроснабжения потребителей напряжением постоянного и переменного тока, связанное с решением следующего комплекса задач:
- возможность использования для электропитания многоканального агрегата бесперебойного питания одновременно двух сетей (основной и резервной) переменного тока;
- обеспечение возможности разделения в многоканальном агрегате бесперебойного питания потребителей на две основные группы: группа неответственных потребителей, допускающая кратковременный перерыв электропитания, и группа ответственных потребителей, требующая полную бесперебойность гарантированного электропитания;
- обеспечение эффективного нормального, ускоренного и других зарядов аккумуляторной батареи;
- снижение номинальной емкости аккумуляторной батареи (соответственно габаритов и стоимости) до значения, достаточного только для обеспечения процессов переключения с основной на резервную сеть переменного тока и обратно, а также для продолжения работы только ответственных потребителей в течение небольшого (несколько минут) промежутка времени, необходимого для безаварийного завершения их работы (например, корректное завершение работы системного программного обеспечения средств вычислительной техники) после отключения основной и резервной сети переменного тока;
- при отключении основной или резервной сети переменного тока обеспечение кратковременного перерыва электропитания нескольких групп неответственных потребителей напряжением переменного синусоидального однофазного тока ~ 50 Гц, 230 В;
- бесперебойное гарантированное электропитание группы ответственных потребителей напряжением переменного стабилизированного синусоидального однофазного тока ~ 50 Гц, 230 В;
- при отключении основной или резервной сети переменного тока обеспечение кратковременного перерыва электропитания группы неответственных потребителей высокостабильным напряжением постоянного тока=28,5 В;
- бесперебойное гарантированное электропитание ответственных потребителей высокостабильным напряжением постоянного тока=28,5 В;
- повышение отказоустойчивости агрегата за счет параллельной работы нескольких однотипных модулей преобразования на единую нагрузку и, как следствие этого, повышение надежности (бесперебойности) электропитания для ответственных потребителей.
Поставленная цель достигается тем, что в многоканальный агрегат бесперебойного питания модульной конструкции, состоящий из основной сети переменного тока 3-50 Гц, 380 В, первого и второго выпрямителей, первого инвертора, аккумуляторной батареи, второго и третьего микроконтроллера, группы потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока=28,5 В, группы потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока=28,5 В, микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, второго инвертора, выход которого через второй трансформатор подключен к входу второго выпрямителя, инвертора первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, выход которого через третий трансформатор первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение подключен к входу выпрямителя первого модуля преобразования постоянного напряжения, в постоянное напряжение введены внешняя система дистанционного контроля и управления, резервная сеть переменного тока 3-50 Гц, 380 В, первый, второй и третий фильтры радиопомех, первый, второй и третий коммутаторы, блок вентиляторов, схема управления вентиляторами, первый и второй датчики температуры воздуха, первая, вторая и третья группы потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В, первый, второй, третий и четвертый блоки питания, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой датчики напряжения, первый, второй и третий пульты управления и индикации, трансформатор, блок развязывающих диодов, первый микроконтроллер, первый, второй и третий блоки драйверов силовых ключей, фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений, силовой транзисторный IGВТ-ключ, схема логического «И», компаратор, первый и второй фильтры, первый и второй датчики тока, развязывающий диод; фильтр, датчик тока, блок питания, первый и второй датчики напряжения, блок драйверов силовых ключей и пульт управления и индикации первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, первая и вторая шины информационного обмена, второй, третий и четвертый модули преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, имеющий состав, внутреннее соединение элементов и внешние входы-выходы, идентичные первому модулю преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение; инвертор, фильтр, датчик тока, блок питания, первый и второй датчики напряжения, блок драйверов силовых ключей, микроконтроллер и пульт управления и индикации первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, группа потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В, второй модуль преобразования постоянного в переменное напряжение, имеющий состав, внутреннее соединение элементов и внешние входы-выходы идентичные первому модулю преобразования постоянного в переменное напряжение; первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый вход-выходы внешней системы дистанционного контроля и управления соединены, соответственно, со вторым входом-выходом первого микроконтроллера, с первым входом-выходом второго микроконтроллера, с первым входом-выходом третьего микроконтроллера, со вторым входом-выходом микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, одновременно являющимся вторым входом-выходом первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, со вторым входом-выходом второго, третьего и четвертого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, со вторым входом-выходом микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, одновременно являющимся вторым входом-выходом первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, со вторым входом-выходом второго модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, выход основной сети переменного тока 3~50 Гц, 380 В через последовательно соединенные первый фильтр радиопомех, первый коммутатор, первый выпрямитель, фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений, силовой транзисторный IGBT-ключ и третий фильтр радиопомех подключены к входу первого инвертора, выход первого коммутатора подключен к входу первого трансформатора, первый, второй и третий выход которого подключен соответственно к входу первой, второй и третьей группе потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В, первый вход схемы управления вентиляторами подключен к первому выходу первого трансформатора, выход первого датчика температуры воздуха через схему управления вентиляторами соединен с блоком вентиляторов, резервная сеть переменного тока 3~50 Гц, 380 В через последовательно соединенные второй фильтр радиопомех и второй коммутатор, подключена к входу первого выпрямителя, выход первого фильтра радиопомех подключен к входу первого блока питания и входу первого датчика напряжения, выход второго фильтра радиопомех подключен к входу второго блока питания и входу второго датчика напряжения, выход первого блока питания подключен к первому входу блока развязывающих диодов, выход второго блока питания подключен ко второму входу блока развязывающих диодов, выход блока развязывающих диодов подключен к входу питания первого микроконтроллера и ко второму входу компаратора, первый, второй и третий выходы первого микроконтроллера соединены соответственно с управляющим входом первого коммутатора, с управляющим входом второго коммутатора, с входом первого блока драйверов силовых ключей, четвертый выход первого микроконтроллера соединен с четвертым входом второго микроконтроллера, с четвертым входом третьего микроконтроллера, с четвертым входом микроконтроллера, одновременно являющимся управляемым входом первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, с управляемым входом второго, третьего и четвертого модулей преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, с четвертым входом микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, одновременно являющимся управляемым входом первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, с управляемым входом второго модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, первый, второй и третий входы первого микроконтроллера соединены соответственно с первым, вторым и третьим датчиками напряжения, первый вход-выход первого микроконтроллера соединен с первым пультом управления и индикации, выход третьего фильтра радиопомех соединен с входом третьего датчика напряжения и первым входом компаратора, первый и второй входы схемы логического «И» соединены соответственно с выходом первого блока драйверов силовых ключей и с выходом компаратора, выход схемы логического «И» подключен к управляющему входу силового транзисторного IGВТ-ключа, выход первого инвертора через последовательно соединенные первый фильтр и первый датчик тока подключен к входу аккумуляторной батареи, выход аккумуляторной батареи через пятый датчик напряжения соединен с третьим входом второго микроконтроллера и через последовательно соединенные третий коммутатор и развязывающий диод подключен к выходу третьего фильтра радиопомех, выход третьего фильтра радиопомех соединен с входом третьего блока питания и входом четвертого датчика напряжения, с входом четвертого блока питания и входом шестого датчика напряжения, с входом блока питания и входом первого датчика напряжения первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, которые одновременно являются силовым входом первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, с силовым входом второго, третьего и четвертого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, с входом инвертора, входом блока питания и входом первого датчика напряжения первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, которые одновременно являются силовым входом первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, с силовым входом второго модуля преобразования постоянного в переменное напряжение, выход третьего блока питания подключен к входу питания второго микроконтроллера, первый выход второго микроконтроллера через второй блок драйверов силовых ключей соединен с управляющим входом первого инвертора, второй выход второго микроконтроллера соединен с управляющим входом третьего коммутатора, второй вход-выход второго микроконтроллера соединен со вторым пультом контроля и управления, первый, второй и пятый входы второго микроконтроллера соединены соответственно с выходом четвертого датчика напряжения, с информационным выходом первого датчика тока и с выходом второго датчика температуры воздуха, выход второго выпрямителя через последовательно соединенные второй фильтр и второй датчик тока подключен к группе потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока=28,5 В, выход четвертого блока питания подключен к входу питания третьего микроконтроллера, выход третьего микроконтроллера через третий блок драйверов силовых ключей соединен с управляющим входом второго инвертора, второй вход-выход третьего микроконтроллера соединен с третьим пультом контроля и управления, первый и второй входы третьего микроконтроллера соединены соответственно с выходом шестого датчика напряжения и с информационным выходом второго датчика тока, выход второго датчика тока через седьмой датчик напряжения соединен с третьим входом третьего микроконтроллера, выход выпрямителя первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение через последовательно соединенный третий фильтр первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение подключен к группе потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока=28,5 В, причем выход третьего датчика тока одновременно является силовым выходом первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, силовые выходы первого, второго, третьего и четвертого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение объединены между собой, выход блока питания первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение подключен к входу питания микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, выход микроконтроллера модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение через блок драйверов силовых ключей первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение соединен с управляющим входом инвертора первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, третий вход-выход микроконтроллера модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение соединен с пультом контроля и управления первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, первый и второй входы микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение соединены соответственно с выходом первого датчика напряжения первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение и с информационным выходом третьего датчика тока первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, выход третьего датчика тока первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное через второй датчик напряжения первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное соединен с третьим входом микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, первый вход-выход микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, одновременно являющийся первым входом-выходом первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, первый вход-выход второго, третьего и четвертого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение соединены, соответственное, с первой шиной информационного обмена, выход инвертора первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение через последовательно соединенные фильтр и датчик тока подключен к группа потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В, причем выход датчика тока первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение одновременно является силовым выходом первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, силовые выходы первого и второго модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение объединены между собой, выход датчика тока первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение соединен с входом второго датчика напряжения первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, выход блока питания первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение подключен к входу питания микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, выход микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение через блок драйверов силовых ключей первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение соединен с управляющим входом инвертора первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, третий вход-выход микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение соединен с пультом контроля и управления первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, первый, второй и третий входы микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение соединены, соответственно, с выходом первого датчика напряжения первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, с информационным выходом датчика тока первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, со вторым датчиком напряжения первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, первый вход-выход микроконтроллера первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, одновременно являющийся первым входом-выходом первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение, первый вход-выход второго модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение соединены, соответственно, со второй шиной информационного обмена.
Кроме этого, для достижения поставленной цели в многоканальном агрегате бесперебойного питания модульной конструкции:
- в качестве первой и второй шины информационного обмена использован CAN-bus интерфейс распределенных систем реального времени;
- первый микроконтроллер выполнен с возможностью автоматического опроса первого, второго и третьего датчиков напряжения, автоматического управления первым и вторым коммутатором, автоматического формирования команды «Начать работу» для второго микроконтроллера, команд «Начать работу» и «Прекратить работу» для третьего микроконтроллера, команд «Начать работу» и «Продолжить работу от аккумуляторной батареи» для микроконтроллеров первого, второго, третьего и четвертого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, а также для микроконтроллеров первого и второго модуля преобразования постоянного в переменное напряжение;
- второй микроконтроллер выполнен с возможностью автоматического приема и отработки команды «Начать работу» от первого микроконтроллера, автоматического опроса четвертого и пятого датчиков напряжения, первого датчика тока и второго датчика температуры воздуха, автоматического управления первым инвертором и третьим коммутатором;
- третий микроконтроллер выполнен с возможностью автоматического приема и отработки команд «Начать работу» и «Прекратить работу» от первого микроконтроллера, автоматического опроса шестого и седьмого датчиков напряжения и второго датчика тока, автоматического управления вторым инвертором;
- микроконтроллеры первого, второго, третьего и четвертого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, а также микроконтроллеры первого и второго модуля преобразования постоянного в переменное напряжение выполнены с возможностью автоматического приема и отработки команд «Начать работу» и «Продолжить работу от аккумуляторной батареи» от первого микроконтроллера, автоматического опроса датчиков напряжения и датчика тока, автоматического управления инвертором.
Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом многоканальном агрегате бесперебойного питания за счет автоматического контроля качества питающего напряжения и возможности оперативного выбора в качестве рабочей одной из двух (основной или резервной) трехфазных сетей электропитания переменного тока с частотой 50 Гц, напряжением 380 В и благодаря разбиению конструкции агрегата на отдельные функционально законченные группы элементов (группа элементов, обеспечивающая выпрямление напряжения питающей сети переменного тока для, так называемой «Общей шины напряжения постоянного тока» агрегата и группа элементов, обеспечивающая оптимальное регулирование процесса двухступенчатого заряда аккумуляторной батареи агрегата) и модули (пять однотипных модулей преобразования напряжения на «Общей шине напряжения постоянного тока» в значение напряжения постоянного тока, необходимое для электропитания потребителей и два однотипных модуля преобразования напряжения на «Общей шине напряжения постоянного тока» в напряжение однофазного переменного тока), обеспечивается бесперебойность гарантированного электроснабжения групп ответственных потребителей стабилизированным напряжения постоянного=28,5 В и переменного тока 1-50 Гц, 230 В. Причем, даже при одновременном отключении основной и резервной питающих сетей, агрегатом гарантируется сохранение электропитания потребителей ориентировочно в течение 10…20 минут, за которые, как правило, может быть безаварийно завершена работа большинства управляемых объектов (например, технологических процессов) или успешно выполнен ряд приоритетных боевых задач. Кроме этого, за счет реализованной в предлагаемом многоканальном агрегате возможности параллельной работы нескольких однотипных модулей преобразования напряжения на единую нагрузку достигается повышение отказоустойчивости агрегата в целом и, как следствие этого, обеспечивается повышение надежности (бесперебойности) электропитания групп его ответственных потребителей.
На чертеже (а, б) представлена структурная схема многоканального агрегата бесперебойного питания модульной конструкции.
Согласно чертежу агрегат бесперебойного питания включает внешнюю систему дистанционного контроля и управления 1, основную сеть переменного тока 3~50 Гц, 380 В 2, первый 3, второй 26 и третий 24 фильтр радиопомех, первый 4, второй 27 и третий 44 коммутатор, блок вентиляторов 5, схему управления вентиляторами 6, первый 7 и второй 52 датчик температуры воздуха, первую 8, вторую 13 и третью 17 группу потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В, первый 9, второй 18, третий 46 и четвертый 59 блок питания, первый 10, второй 19, третий 16, четвертый 47, пятый 50, шестой 60 и седьмой 63 датчик напряжения, первый 11, второй 51 и третий 64 пульт управления и индикации, первый 12 и второй 54 трансформатор, блок развязывающих диодов 14, первый 15, второй 49 и третий 62 микроконтроллер, первый 20, второй 48 и третий 61 блок драйверов силовых ключей, первый 21 и второй 55 выпрямитель, фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений 22, силовой транзисторный IGВТ-ключ 23, резервную сеть переменного тока 3~50 Гц, 380 В 25, схему логического «И» 28, компаратор 29, первый 40 и второй 53 инвертор, первый 41 и второй 56 фильтр, первый 42 и второй 57 датчик тока, аккумуляторную батарею 43, развязывающий диод 45, группу потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока=28,5 В 58, первый модуль преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, состоящий из инвертора 65, трансформатора 66, выпрямителя 67, фильтра 68, датчика тока 69, блока питания 72, первого 73 и второго 76 датчика напряжения, блока драйверов силовых ключей 74 и пульта управления и индикации 77, группу потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока=28,5 В 71, первую 78 и вторую 93 шину информационного обмена, второй 79, третий 80 и четвертый 81 модуль преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, имеющий состав, внутреннее соединение элементов и внешние входы-выходы, идентичные первому модулю преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, первый модуль преобразования постоянного в переменное напряжение 85, состоящий из инвертора 82, фильтра 83, датчика тока 84, блока питания 87, первого 88 и второго 91 датчика напряжения, блока драйверов силовых ключей 89, микроконтроллера 90 и пульта управления и индикации 92, группу потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В 86, второй модуль преобразования постоянного в переменное напряжение 94, имеющий состав, внутреннее соединение элементов и внешние входы-выходы, идентичные первому модулю преобразования постоянного в переменное напряжение 85.
Выход основной сети переменного тока 3-50 Гц, 380 В 2 через последовательно соединенные первый фильтр радиопомех 3, первый коммутатор 4, первый выпрямитель 21, фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений 22, силовой транзисторный IGВТ-ключ 23 и третий фильтр радиопомех 24 подключен к входу первого инвертора 40. Выход второго инвертора 53 через второй трансформатор 54 подключен к входу второго выпрямителя 55, выход инвертора 65 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70 через третий трансформатор 66 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70 подключен к входу второго выпрямителя 55 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70.
Первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый входы-выходы внешней системы дистанционного контроля и управления 1 соединены соответственно со вторым входом-выходом первого микроконтроллера 15, с первым входом-выходом второго микроконтроллера 49, с первым входом-выходом третьего микроконтроллера 62, со вторым входом-выходом микроконтроллера 75 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, одновременно являющимся вторым входом-выходом первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, со вторым входом-выходом второго 79, третьего 80 и четвертого 81 модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, со вторым входом-выходом микроконтроллера 90 первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение 85, одновременно являющимся вторым входом-выходом первого модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение 85, со вторым входом-выходом второго модуля преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение 94.
Выход первого коммутатора 4 подключен к входу первого трансформатора 12, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к входу первой 8, второй 13 и третьей 17 группы потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В, первый вход схемы управления вентиляторами 6 подключен к первому выходу первого трансформатора 12, выход первого датчика температуры воздуха 7 через схему управления вентиляторами 6 соединен с блоком вентиляторов 5, резервная сеть переменного тока 3~50 Гц, 380 В 25, через последовательно соединенные второй фильтр радиопомех 26 и второй коммутатор 27 подключена к входу первого выпрямителя 21, выход первого фильтра радиопомех 3 подключен к входу первого блока питания 9 и входу первого датчика напряжения 10, выход второго фильтра радиопомех 26 подключен к входу второго блока питания 18 и входу второго датчика напряжения 19, выход первого блока питания 9 подключен к первому входу блока развязывающих диодов 14, выход второго блока питания 18 подключен ко второму входу блока развязывающих диодов 14, выход блока развязывающих диодов 14 подключен к входу питания первого микроконтроллера 15 и ко второму входу компаратора 29, первый, второй и третий выходы первого микроконтроллера 15 соединены соответственно с управляющим входом первого коммутатора 4, с управляющим входом второго коммутатора 27, с входом первого блока драйверов силовых ключей 20, четвертый выход первого микроконтроллера 15 соединен с четвертым входом второго микроконтроллера 49, с четвертым входом третьего микроконтроллера 62, с четвертым входом микроконтроллера 75, одновременно являющимся управляемым входом первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, с управляемым входом второго 79, третьего 80 и четвертого 81 модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, с четвертым входом микроконтроллера 90 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85, одновременно являющимся управляемым входом первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85, с управляемым входом второго модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 94, первый, второй и третий входы первого микроконтроллера 15 соединены соответственно с первым 10, вторым 19 и третьим 16 датчиками напряжения, первый вход-выход первого микроконтроллера 15 соединен с первым пультом управления и индикации 11, выход третьего фильтра радиопомех 24 соединен с входом третьего датчика напряжения 16 и первым входом компаратора 29, первый и второй вход схемы логического «И» 28 соединен соответственно с выходом первого блока драйверов силовых ключей 20 и с выходом компаратора 29, выход схемы логического «И» 28 подключен к управляющему входу силового транзисторного IGВТ-ключа 23, выход первого инвертора 40 через последовательно соединенные первый фильтр 41 и первый датчик тока 42 подключен к входу аккумуляторной батареи 43, выход аккумуляторной батарей 43 через пятый датчик напряжения 50 соединен с третьим входом второго микроконтроллера 49, а также через последовательно соединенные третий коммутатор 44 и развязывающий диод 45, подключен к выходу третьего фильтра радиопомех 24, выход третьего фильтра радиопомех 24 соединен с входом третьего блока питания 46 и входом четвертого датчика напряжения 47, с входом четвертого блока питания 59 и входом шестого датчика напряжения 60, с входом блока питания 72 и входом первого датчика напряжения 73 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, которые одновременно являются силовым входом первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, с силовым входом второго 79, третьего 80 и четвертого 81 модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, с входом инвертора 82, входом блока питания 87 и входом первого датчика напряжения 88 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85, которые одновременно являются силовым входом первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85, с силовым входом второго модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 94, выход третьего блока питания 46 подключен к входу питания второго микроконтроллера 49, первый выход второго микроконтроллера 49 через второй блок драйверов силовых ключей 48 соединен с управляющим входом первого инвертора 40, второй выход второго микроконтроллера 49 соединен с управляющим входом третьего коммутатора 44, второй вход-выход второго микроконтроллера 49 соединен со вторым пультом контроля и управления 51, первый, второй и пятый входы второго микроконтроллера 49 соединены соответственно с выходом четвертого датчика напряжения 47, с информационным выходом первого датчика тока 42 и с выходом второго датчика температуры воздуха 52, выход второго выпрямителя 55 через последовательно соединенные второй фильтр 56 и второй датчик тока 57 подключен к группе потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока=28,5 В 58, выход четвертого блока питания 59 подключен к входу питания третьего микроконтроллера 62, выход третьего микроконтроллера 62 через третий блок драйверов силовых ключей 61 соединен с управляющим входом второго инвертора 53, второй вход-выход третьего микроконтроллера 62 соединен с третьим пультом контроля и управления 64, первый и второй вход третьего микроконтроллера 62 соединен соответственно с выходом шестого датчика напряжения 60 и с информационным выходом второго датчика тока 57, выход второго датчика тока 57 через седьмой датчик напряжения 63 соединен с третьим входом третьего микроконтроллера 62, выход выпрямителя 67 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70 через последовательно соединенные третий фильтр 68 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70 и третий датчик тока 69 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70 подключены к группе потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока=28,5 В 71, причем выход третьего датчика тока 69 одновременно является силовым выходом первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, силовые выходы первого 70, второго 79, третьего 80 и четвертого 81 модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение объединены между собой, выход блока питания 72 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70 подключен к входу питания микроконтроллера 75 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, выход микроконтроллера 75 модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70 через блок драйверов силовых ключей 74 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70 соединен с управляющим входом инвертора 65 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, третий вход-выход микроконтроллера 75 модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70 соединен с пультом контроля и управления 77 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, первый и второй входы микроконтроллера 75 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70 соединены соответственно с выходом первого датчика напряжения 73 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70 и с информационным выходом датчика тока 69 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, выход датчика тока 69 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70 через второй датчик напряжения 76 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70 соединен с третьим входом микроконтроллера 75 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, первый вход-выход микроконтроллера 75 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, одновременно являющийся первым входом-выходом первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, первый вход-выход второго 79, третьего 80 и четвертого 81 модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение соединены с первой шиной информационного обмена 78, выход инвертора 82 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85 через последовательно соединенные фильтр 83 и датчик тока 84 подключен к группа потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В 86, причем выход датчика тока 84 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85 одновременно является силовым выходом первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85, силовые выходы первого 85 и второго 94 модуля преобразования постоянного в переменное напряжение объединены между собой, выход датчика тока 84 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85 соединен с входом второго датчика напряжения 91 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85, выход блока питания 87 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85 подключен к входу питания микроконтроллера 90 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85, выходы микроконтроллера 90 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85 через блок драйверов силовых ключей 89 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85 соединены с управляющим входом инвертора 82 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85, третий вход-выход микроконтроллера 90 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85 соединен с пультом контроля и управления 92 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85, первый, второй и третий вход микроконтроллера 90 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85 соединен соответственно с выходом первого датчика напряжения 88 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85, с информационным выходом датчика тока 84 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85, со вторым датчиком напряжения 91 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85, первый вход-выход микроконтроллера 90 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85, одновременно являющийся первым входом-выходом первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85, первый вход-выход второго модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 94 соединены со второй шиной информационного обмена 93.
Предлагаемый агрегат бесперебойного питания работает следующим образом.
Перед началом работы необходимо подать питающее напряжение на агрегат бесперебойного питания от основной 2 или резервной 25 сети напряжения переменного тока 3~50 Гц, 230 В. При включении одной из сетей (основная 2 или резервная 25 сеть) или обеих сетей сразу получают электропитание первый 9 или/и второй 18 блок питания. Через блок развязывающих диодов 14 питающее напряжение от одного из работающих блоков питания (9 или 18) поступает на вход питания первого микроконтроллера 15. Так как конструкцией агрегата бесперебойного питания предусмотрено, что номинальное выходное напряжение первого блока питания 9 немного (доли вольт) больше номинального выходного напряжения второго блока питания 18 при их одновременной работе, блок развязывающих диодов 14 пропускает ток, который питает первый микроконтроллер 15 только от первого блока питания 9, одновременно «изолируя» второй блок питания 18 от первого микроконтроллера 15 (то есть второй блок питания 18 в этом случае работает без нагрузки и находится в «горячем резерве»). В случае исчезновения напряжения в основной сети 2 и наличия его в резервной сети 25 ток, питающий первый микроконтроллер 15, станет поступать уже от второго блока питания 18. Первый микроконтроллер 15 в соответствии с «прошитой» в его памяти программой определяет значение напряжения основной сети 2 и, если оно находится в допустимом интервале значений (например, ±10% от номинального значения), с помощью первого выхода выдает на управляющий вход первого коммутатора 4 сигнал на срабатывание. При этом основная сеть 2 подключается к фильтру радиопомех 3, выполняющему высокочастотную фильтрацию напряжения, которое далее через первый трансформатор 12 поступает на первую 8, вторую 13 и третью 17 группу потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В. Одновременно от первого выхода первого трансформатора 12 получает питание схема управления вентиляторами 6, которая с помощью первого датчика температуры воздуха 7 (установлен в верхней части внутреннего объема агрегата бесперебойного питания) в зависимости от текущей температуры воздуха включает/выключает блок вентиляторов 5, обеспечивающий принудительное охлаждение агрегата. Кроме этого отфильтрованное от высокочастотных помех в основной питающей сети 2 напряжение переменного тока последовательно проходит первый выпрямитель 21, фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений 22, силовой транзисторный IGВТ-ключ 23 и третий фильтр радиопомех 24, преобразуясь в напряжение постоянного тока. Контролируя напряжение постоянного тока на выходе третьего фильтра радиопомех 24, микроконтроллер 15 с помощью третьего датчика напряжения 16 выполняет ШИМ-управление силовым транзисторным IGВТ-ключом 23, используя блок драйверов силовых ключей 20 через вход схемы логического «И» 28. При значении напряжения на выходе третьего фильтра радиопомех 24 ниже заданного компаратор 29 выдает на второй вход схемы логического «И» 28 разрешающий сигнал «I», который пропускает сигналы ШИМ-управления на силовой транзисторный IGВТ-ключ 23 от микроконтроллера 15. При увеличении значения напряжения на выходе третьего фильтра радиопомех 24 выше заданного на первый вход компаратора 29 поступает напряжение, которое больше, чем напряжение, поступающее на его второй вход от блока разделительных диодов 14, вследствие чего компаратор 29 выдает на второй вход схемы логического «И» 28 запрещающий сигнал «0», который мгновенно блокирует прохождение сигналов ШИМ-управления на силовой транзисторный IGВТ-ключ 23. После этого напряжение на выходе третьего фильтра радиопомех 24 снижается и компаратор 29 снова выдает на второй вход схемы логического «И» 28 разрешающий сигнал «1».
В агрегате бесперебойного питания выход третьего фильтра радиопомех 24 образует так называемую «Общую шину напряжения постоянного тока», напряжение с которой поступает на третий 46 и четвертый 59 блок питания, обеспечивающие соответственно работу второго 49 и третьего 62 микроконтроллера, на вход первого 40 и второго 53 инвертора, а также на блок питания 59 и на вход инвертора 53 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, на аналогичные элементы второго 79, третьего 80 и четвертого 81 модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, на блок питания 87 и на вход инвертора 82 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85, на аналогичные элементы второго модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 94.
Кроме этого, напряжение «Общей шины напряжения постоянного тока» поступает и на развязывающий диод 45 (в данном случае - на катод развязывающего диода 45). Далее, первый микроконтроллер 15 с помощью четвертого выхода в соответствии с «прошитой» в его памяти программой выдает на четвертый вход второго 49 и третьего 62 микроконтроллера, а также на четвертый вход микроконтроллера 75 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70 и на аналогичный микроконтроллер второго 79, третьего 80 и четвертого 81 модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, на четвертый вход микроконтроллера 90 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85 и на аналогичный микроконтроллер второго модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 94 команду «Начать работу». При наладке оборудования, управляемого первым микроконтроллером 15, для автоматизированного контроля состояния сетей питания (2 и 25), работоспособности канала преобразования переменного напряжения в постоянное (выпрямитель 21 - фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений 22 - силовой транзисторный IGBT-ключ 23 - третий фильтр радиопомех 24), корректировки параметров процесса преобразования напряжения используется первый пульт управления и индикации 11.
Получив команду «Начать работу», второй микроконтроллер 49 с помощью четвертого датчика напряжения 47 определяет значение напряжения постоянного тока на входе первого инвертора 40 и формирует управляющие воздействия на него через второй блок драйверов силовых ключей 48. Напряжение, сгенерированное первым инвертором 40, после фильтрации первым фильтром 41 поступает на аккумуляторную батарею 43, обеспечивая ее заряд. Для оптимального регулирования процесса двухступенчатого заряда (1-я ступень: при постоянном токе, равном 10-часовому току заряда, 2-я ступень: при постоянном напряжении с уменьшением зарядного тока от значения равного ориентировочно 10-часовому току практически до нулевого) аккумуляторной батареи 43, второй микроконтроллер 49 с помощью первого датчика тока 42, пятого датчика напряжения 50 и второго датчика температуры воздуха 52 (установлен в отсеке аккумуляторной батареи 43) получает соответственно текущие значения зарядного тока, напряжения на клеммах и температуры окружающей среды аккумуляторной батареи 43. После заряда аккумуляторной батареи 43 до минимально необходимой емкости (для обеспечения бесперебойного электропитания ответственных потребителей группы 71 и 86 после отключения питающих сетей 2 и 25) второй микроконтроллер 49 с помощью второго выхода выдает на управляющий вход третьего коммутатора 44 сигнал на срабатывание. При этом аккумуляторная батарея 43 подключается к развязывающему диоду 45 (в данном случае - к аноду развязывающего диода 45). Так как конструкцией агрегата бесперебойного питания предусмотрено, что значение напряжения постоянного тока, поступающего с выхода третьего фильтра радиопомех 24 на катод развязывающего диода 45, всегда несколько превышает значение напряжения постоянного тока, поступающего от аккумуляторной батареи 43 на анод развязывающего диода 45, развязывающий диод 45 «изолирует» аккумуляторную батарею 43 от «Общей шины напряжения постоянного тока» агрегата бесперебойного питания. При наладке оборудования, управляемого вторым микроконтроллером 49, для автоматизированного контроля состояния аккумуляторной батареи 43, корректировки параметров ее заряда используется второй пульт управления и индикации 51.
В свою очередь, получив команду «Начать работу» от первого микроконтроллера 15, третий микроконтроллер 62 с помощью шестого датчика напряжения 60 определяет значение напряжения постоянного тока на входе второго инвертора 53 и формирует управляющие воздействия на него через третий блок драйверов силовых ключей 61. Напряжение переменного тока, сгенерированное вторым инвертором 53, понижается вторым трансформатором 54 (обеспечивающим также гальваническую развязку канала преобразования), преобразуется вторым выпрямителем 55 и вторым фильтром 56 в напряжение постоянного тока и поступает на группу потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока=28,5 В 58. Для оптимального регулирования процесса преобразования напряжения постоянного тока, поступающего на вход второго инвертора 53, в напряжение постоянного тока=28,5 В для группы потребителей 58, третий микроконтроллер 62 с помощью седьмого датчика напряжения 63 и второго датчика тока 57 получает соответственно текущие значения выходного напряжения и выходного тока канала преобразования. При наладке оборудования, управляемого третьим микроконтроллером 62, для автоматизированного контроля работоспособности канала преобразования постоянного напряжения в постоянное (второй инвертор 53 - второй трансформатор 54 - второй выпрямитель 55 - второй фильтр 56), корректировки параметров процесса преобразования напряжения используется третий пульт управления и индикации 64.
Аналогично третьему микроконтроллеру 62 работает микроконтроллер 75 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, а также микроконтроллер второго 79, третьего 80 и четвертого 81 модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, обеспечивая электропитание группы потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока=28,5 В 71. При наладке оборудования, управляемого микроконтроллером 75, для автоматизированного контроля работоспособности и корректировки процесса преобразования первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70 используется пульт управления и индикации 77. Для скоординированного, например, равномерного распределения тока нагрузки, потребляемого группой потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока=28,5 В 71 между первым 70, вторым 79, третьим 80 и четвертым 81 модулем преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение, микроконтроллеры этих модулей осуществляют обмен информацией по первой шине информационного обмена 78. Кроме этого, наличие информационного обмена между микроконтроллерами позволяет, в случае отказа в силовых цепях (инвертор-трансформатор-выпрямитель-фильтр) одного или даже нескольких модулей преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение (70, 79, 80 и 81), оставшимися работоспособными модулями «подхватить» ток нагрузки, восполняя потерю тока от отказавшего модуля. При необходимости вместо электропитания одной сосредоточенной группы потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока=28,5 В 71, от первого 70, второго 79, третьего 80 и четвертого 81 модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение можно подать питание на несколько разделенных групп потребителей (от 2 до 4).
Микроконтроллер 90 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 85 с помощью первого датчика напряжения 88 определяет значение напряжения постоянного тока на входе инвертора 82 и формирует управляющие воздействия на него через блок драйверов силовых ключей 89. Напряжение переменного тока, сгенерированное инвертором 82, поступает через фильтр 83 на группу потребителей стабилизированного напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В 86. Для оптимального регулирования процесса преобразования напряжения постоянного тока, поступающего на вход инвертора 82, в напряжение переменного тока 1-50 Гц, 230 В микроконтроллер 90 с помощью второго датчика напряжения 91 и датчика тока 84 получает соответственно текущие значения выходного напряжения и выходного тока канала преобразования. При наладке оборудования, управляемого микроконтроллером 90, для автоматизированного контроля работоспособности канала преобразования постоянного напряжения в переменное (инвертор 82 - фильтр 83), корректировки параметров процесса преобразования напряжения используется пульт управления и индикации 92. Для скоординированного, например, равномерного распределения тока нагрузки, потребляемого группой потребителей стабилизированного напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В 86 между первым 95 и вторым 94 модулем преобразования постоянного в переменное напряжение, микроконтроллеры этих модулей осуществляют обмен информацией по второй шине информационного обмена 93.
При понижении значения напряжения основной сети 2 ниже допустимого уровня (например, менее 0,8 номинального значения или при исчезновении напряжения совсем) первый микроконтроллер 15, в соответствие с «прошитой» в его памяти программой, с помощью первого выхода отключит первый коммутатор 4, обесточив первую 8, вторую 13 и третью 17 группу потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В. Затем первый микроконтроллер 15 с помощью четвертого выхода на четвертый вход третьего микроконтроллера 62 выдаст команду «Прекратить работу», а на четвертый вход микроконтроллера 62 первого модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 70, на четвертый вход микроконтроллера второго 79, третьего 80, четвертого 81 модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение и, кроме этого, также, на четвертый вход микроконтроллера 90 первого модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 95 и на четвертый вход микроконтроллера второго модуля преобразования постоянного в переменное напряжение 94 - команду «Продолжить работу от аккумуляторной батареи».
После этого канал преобразования для группы потребителей стабилизированного напряжения=28,5 В 58, управляемый третьим микроконтроллером 62, прекратит работать. Одновременно с этим «на мгновение» исчезнет напряжение на «Общей шине напряжения постоянного тока». В этом случае развязывающий (быстродействующий) диод 45 «пропустит» напряжение постоянного тока от аккумуляторной батареи 43 на «Общую шину напряжения постоянного тока», а микроконтроллеры первого 70, второго 79, третьего 80, четвертого 81 модуля преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение и микроконтроллеры первого 85 и второго 94 модуля преобразования постоянного в переменное напряжение продолжат непрерывное управление каналами преобразования для группы потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока=28,5 В 71 и для группы потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В 86. Таким образом, бесперебойность электропитания двух групп потребителей 71 и 86, причем совершенно независимо от состояния основной 2 и резервной 25 сети, не нарушится на вполне определенное время (например, 10…20 минут - в зависимости от запасенной емкости аккумуляторной батареи 43 и текущей интенсивности потребления токов нагрузки группами потребителей 71 и 86).
В случае, если после потери питания основной сети 2 значение напряжения в резервной сети 25 осталось в допустимом интервале значений, первый микроконтроллер 15 в соответствии с «прошитой» в его памяти программой с помощью второго выхода выдаст на управляющий вход второго коммутатора 27 сигнал на срабатывание. При этом резервная сеть 25 подключится к первому трансформатору 12, а первая 8, вторая 13 и третья 17 группа потребителей напряжения переменного тока 1-50 Гц 230 В вновь (после кратковременно перерыва, конкретное значение которого определяется в основном быстродействием первого 4 и второго 27 коммутаторов) получат электропитание. Далее, с помощью канала преобразования напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока (первый выпрямитель 21 - фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений 22 - силовой транзисторный IGВТ-ключ 23 - третий фильтр радиопомех 24) на «Общей шине напряжения постоянного тока» вновь восстановится первоначальное значение напряжения постоянного тока, которое с помощью развязывающего диода 45 снова «изолирует» аккумуляторную батарею 43. После этого первый микроконтроллер 15 с помощью четвертого выхода, в соответствии с «прошитой» в его памяти программой, повторно выдаст на четвертые входы микроконтроллеров модулей преобразования команду «Начать работу». В результате этого продолжится непрерывная работа каналов преобразования, обеспечиваемая первым 70, вторым 79, третьим 80 и четвертым модулем преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение 81, первым 85 и вторым 94 модулем преобразования постоянного в переменное напряжение и вновь (после кратковременно перерыва) восстановится работа канала преобразования, обеспечиваемая третьим микроконтроллером 62.
Абсолютно аналогично агрегат бесперебойного питания работает при выборе первым микроконтроллером 15 первоначально резервной сети 25 в качестве питающей вместо основной сети 2.
В том случае, если произойдет отключение как основной 2, так и резервной 25 питающих сетей, первый микроконтроллер 15 потеряет электропитание от блоков питания 9 и 18, каналы преобразования групп ответственных потребителей 71 и 86 продолжат работу до выработки емкости аккумуляторной батареи 43, а затем агрегат бесперебойного питания полностью прекратит работу. Дальнейшее продолжение работы агрегата бесперебойного питания возможно только после восстановления напряжения, хотя бы в одной из сетей (2 или 25).
Предлагаемый агрегат работает автоматически. Однако для дистанционного контроля и управления его работой предусмотрена внешняя система 1, которая обеспечивает выполнение следующих основных функций:
- состояние питающих сетей 2 и 25;
- контроль работоспособности оборудования агрегата;
- контроль напряжения на «Общей шины напряжения постоянного тока»;
- контроль состояния и процесса заряда аккумуляторной батареи 43;
- контроль напряжения и тока нагрузки группы потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока=28,5 В 58, группы потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока=28,5 В 71 и группы потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения переменного тока 1-50 Гц, 230 В 86;
- корректировка параметров процесса заряда аккумуляторной батареи 43;
- отключение электропитания неответственных потребителей (группа потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока=28,5 В 58).
Таким образом, агрегат бесперебойного питания обеспечивает:
- электропитание напряжением переменного тока 1~50 Гц, 230 В трех групп потребителей 8, 13 и 17 при отключении одной из сетей (основной 2 или резервной 25) с гарантируемым кратковременным перерывом электропитания;
- электропитание стабилизированным напряжением постоянного тока=28,5 В группы потребителей 58 (причем при отключении одной из питающих сетей 2 или 25 гарантируется лишь кратковременный перерыв электропитания);
- бесперебойное электропитание стабилизированным напряжением постоянного тока=28,5 В группы ответственных потребителей 71 (причем даже при одновременном отключении основной 2 и резервной 25 питающих сетей гарантируется сохранение электропитания ориентировочно в течение 10…20 минут);
- бесперебойное электропитание стабилизированным напряжением переменного тока 1~50 Гц, 230 В группы ответственных потребителей 85 (также с гарантируемым периодом сохранения электропитания).
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый агрегат бесперебойного питания может быть изготовлен в соответствии с приведенным описанием и чертежом на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования и использован для бесперебойного электропитания разнообразных потребителей напряжением переменного и постоянного тока на объектах различного назначения.
Предлагаемые технические решения практически реализованы в опытно-поставочных и серийных образцах агрегата бесперебойного питания «АБП М» (технические условия на поставку КИАР.436115.001ТУ2), созданных ЗАО «ИРИС» и позволяющих при подключении к двум трехфазным сетям переменного тока с частотой 50 Гц, напряжением 380 В обеспечить электропитание для разнообразных групп потребителей (напряжением переменного тока 1~50 Гц, 230 В и напряжением постоянного тока=28,5 В).
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый многоканальный агрегат бесперебойного питания модульной конструкции отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и может быть защищен патентом Российской Федерации на изобретение.