СИСТЕМА И СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM AND METHOD OF ITS SUPPLY CONTROL

Область техники
По меньшей мере один вариант осуществления изобретения относится в целом к контролю входной схемы системы бесперебойной подачи электроэнергии.
Уровень техники
Выпрямители и другие нелинейные нагрузки искажают ток, получаемый от источника, что снижает коэффициент мощности различных систем распределения электроэнергии и снижает их эффективность. Реактивные элементы в этих системах могут, кроме того, создавать гармонический шум при переключении между включенным и выключенным состояниями и на некоторых рабочих частотах. Выпрямители, которые работают неэффективно, потребляют большое количество электроэнергии от источника, увеличивают издержки на электроснабжение и могут становиться слышимыми в условиях больших нагрузок, что снижает их рентабельность.
Раскрытие изобретения
По меньшей мере один аспект направлен на систему бесперебойной подачи электроэнергии, которая включает входную схему, имеющую первый транзистор, второй транзистор и индуктор. Система бесперебойной подачи электроэнергии также включает контроллер, имеющий процессор цифровых сигналов и программируемую пользователем вентильную матрицу. Контроллер присоединен к входной схеме для обнаружения тока в индукторе и предоставления величины обнаруженного тока в индукторе процессору цифровых сигналов. Контроллер может прикладывать управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции к одному из первого транзистора и второго транзистора для регулировки частоты переключений одного из первого транзистора и второго транзистора.
По меньшей мере один аспект направлен на способ управления системой бесперебойной подачи электроэнергии, включающей входную схему и контроллер, при этом входная схема имеет первый транзистор, второй транзистор и индуктор, а контроллер имеет процессор цифровых сигналов и программируемую пользователем вентильную матрицу. Обнаруживают ток в индукторе входной схемы и предоставляют его величину процессору цифровых сигналов, который может генерировать величину отклонения тока на основании, в частности, величины обнаруженного тока в индукторе. Согласно способу, величина отклонения тока может предоставляться программируемой пользователем вентильной матрице, которая может генерировать управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции на основании, в частности, величины отклонения тока. Согласно способу, управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции может прикладываться к одному из первого транзистора и второго транзистора для управления частотой переключений одного из первого транзистора и второго транзистора.
По меньшей мере один аспект направлен на систему бесперебойной подачи электроэнергии, имеющей входную схему. Входная схема включает первый транзистор, второй транзистор и индуктор. Контроллер, имеющий процессор цифровых сигналов и программируемую пользователем вентильную матрицу, присоединен к входной схеме для обнаружения тока в индукторе и предоставления величины обнаруженного тока в индукторе процессору цифровых сигналов. Система бесперебойной подачи электроэнергии также включает средства для приложения управляющего сигнала широтно-импульсной модуляции к одному из первого транзистора и второго транзистора для регулировки частоты переключений одного из первого транзистора и второго транзистора.
По меньшей мере один аспект направлен на систему для распределения электроэнергии на нагрузку. Эта система включает входную схему с первым транзистором, вторым транзистором и индуктором. Система также включает контроллер, имеющий процессор цифровых сигналов и программируемую пользователем вентильную матрицу, присоединенный к входной схеме для обнаружения тока в индукторе и предоставления величины обнаруженного тока в индукторе процессору цифровых сигналов. Контроллер может прикладывать управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции к одному из первого транзистора и второго транзистора для регулировки частоты переключений одного из первого транзистора и второго транзистора, и контроллер может прикладывать выходное напряжение к нагрузке.
В некоторых вариантах осуществления процессор цифровых сигналов может генерировать величину отклонения тока на основании, в частности, величины обнаруженного тока в индукторе и может предоставлять величину отклонения тока программируемой пользователем вентильной матрице. Программируемая пользователем вентильная матрица может генерировать управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции на основании, в частности, величины отклонения тока.
В по меньшей мере одном варианте осуществления первый транзистор может формировать часть схемы первого вольтодобавочного преобразователя, а второй транзистор формирует часть схемы второго вольтодобавочного преобразователя. Входная схема может включать трехфазный выпрямитель, а контроллер может прикладывать управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции к первому транзистору для переключения режима работы схемы первого вольтодобавочного преобразователя между условно прерывистым режимом работы с переменной частотой и непрерывным режимом работы с постоянной частотой. Контроллер может прикладывать второй управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции ко второму транзистору для переключения режима работы схемы второго вольтодобавочного преобразователя между условно прерывистым режимом работы с переменной частотой и непрерывным режимом работы с постоянной частотой.
В некоторых вариантах осуществления схема первого вольтодобавочного преобразователя может работать в условно прерывистом режиме работы с переменной частотой, а схема второго вольтодобавочного преобразователя в это же самое время работает в непрерывном режиме работы с постоянной частотой. В различных вариантах осуществления контроллер может прикладывать управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции к одному из первого транзистора и второго транзистора для переключения рабочего режима одной из схемы первого вольтодобавочного преобразователя и схемы второго вольтодобавочного преобразователя между условно прерывистым режимом работы с переменной частотой и непрерывным режимом работы с постоянной частотой. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один из первого транзистора и второго транзистора может переключаться во включенное состояние, когда величина обнаруженного тока в индукторе падает, по существу, до нуля.
В некоторых вариантах осуществления трехфазный выпрямитель может быть сконфигурирован для работы во время цикла линии, имеющей напряжение первой фазы, напряжение второй фазы и напряжение третьей фазы, а контроллер может переключать рабочий режим одной из схемы первого вольтодобавочного преобразователя и схемы второго вольтодобавочного преобразователя во время той части цикла линии, при которой напряжение первой фазы, напряжение второй фазы и напряжение третьей фазы дают в сумме ноль. Процессор цифровых сигналов может генерировать величину отклонения напряжения и предоставлять величину отклонения напряжения программируемой пользователем вентильной матрице, а программируемая пользователем вентильная матрица может генерировать управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции на основании, в частности, величины отклонения напряжения. По меньшей мере в одном варианте осуществления входная схема может включать трехфазный выпрямитель, имеющий первый индуктор, второй индуктор и третий индуктор, а обнаруживаемый ток в индукторе может включать ток от по меньшей мере двух из первого, второго и третьего индуктора.
Другие аспекты, варианты осуществления и преимущества будут раскрыты в нижеследующем подробном описании, которое приводится со ссылками на прилагаемые чертежи, где с помощью примеров иллюстрируются принципы изобретения. Необходимо понимать, что вышеизложенная информация и нижеследующее подробное описание включают пояснительные примеры различных аспектов и вариантов осуществления и имеют целью предоставить обзор или основу для уяснения сущности и объема заявляемых аспектов и вариантов осуществления. Чертежи вместе с нижеследующей частью настоящего документа служат для объяснения конструкции и работы описываемых и заявляемых аспектов и вариантов осуществления.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи могут быть выполнены без соблюдения масштаба. На разных фигурах одни и те же или подобные компоненты обозначены одинаковыми позициями. Некоторые компоненты обозначены лишь на некоторых, а не на всех чертежах с тем, чтобы не затемнять чертежи. Среди чертежей
Фигура 1 - схема, показывающая систему бесперебойной подачи электроэнергии согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 2 - схема, показывающая входную схему согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 3 - схема, показывающая систему бесперебойной подачи электроэнергии согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 3А - схема, показывающая систему бесперебойной подачи электроэнергии согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 4 - схема, показывающая систему бесперебойной подачи электроэнергии, которая включает трехфазный выпрямитель, согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 4А - схема, показывающая систему бесперебойной подачи электроэнергии, которая включает трехфазный выпрямитель, согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 4В - схема, показывающая систему бесперебойной подачи электроэнергии, которая включает трехфазный выпрямитель, согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 4С - схема, показывающая систему бесперебойной подачи электроэнергии, которая включает трехфазный выпрямитель, согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 4D - схема, показывающая систему бесперебойной подачи электроэнергии, которая включает трехфазный выпрямитель согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 5 - график, показывающий цикл трехфазной линии согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 6 - схема, показывающая контроллер согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 7 - график, показывающий ток в индукторе во входной схеме, работающей в условно прерывистом режиме во время цикла линии, согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 8 - график, показывающий ток в индукторе во входной схеме, работающей в условно прерывистом режиме во время цикла линии, согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 9 - график, показывающий работу входной схемы в условно прерывистом режиме согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 10 - график, показывающий частоту переключений входной схемы во время цикла линии согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 11 - график, показывающий частоту переключений входной схемы во время цикла линии согласно варианту осуществления изобретения,
Фигура 12 - график, показывающий частоту переключений входной схемы во время цикла линии согласно варианту осуществления изобретения, и
Фигура 13 - блок-схема, показывающая способ управления системой бесперебойной подачи электроэнергии согласно варианту осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
Системы и способы, описываемые в настоящем документе, не ограничены конкретными конструкциями и расположением компонентов, раскрываемыми в описании и изображенными на чертежах. Возможны другие варианты осуществления и различные способы практического воплощения изобретения. Далее, выражения и термины, используемые в настоящем документе, имеют лишь описательное, но не ограничительное назначение. Выражения «включающий», «содержащий», «имеющий» и их синонимы означают наличие перечисляемых компонентов и возможность наличия других компонентов.
Различные аспекты и варианты осуществления направлены на контроль рабочей частоты, коррекцию коэффициента мощности и уменьшение суммарного гармонического искажения систем, на системы бесперебойной подачи электроэнергии и на способы распределения электроэнергии на нагрузку. Как будет более подробно сказано ниже, например, система может включать входную схему, которая имеет транзистор и индуктор. Система может также включать контроллер. Датчик тока может быть сконфигурирован для обнаружения тока в индукторе и предоставления величины обнаруженного тока в индукторе контроллеру для генерации величины отклонения тока на основании, в частности, обнаруженного тока в индукторе и для генерации управляющего сигнала широтно-импульсной модуляции на основании, в частности, величины отклонения тока. Контроллер может прикладывать управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции к транзистору для регулировки частоты переключений транзистора с целью обеспечения желаемых рабочих частот схемы, коррекции коэффициента мощности и уменьшения суммарного гармонического искажения.
Фигура 1 - схема системы 100 бесперебойной подачи электроэнергии (СБПЭ) согласно варианту осуществления. В одном варианте осуществления СБПЭ 100 подает электроэнергию по меньшей мере на одну нагрузку 105. Далее, СБПЭ 100 может включать по меньшей мере одну входную схему 110, такую как выпрямитель (например, со схемой промежуточного вольтодобавочного преобразователя, которая в настоящем документе может также быть названа схемой положительного преобразователя и отрицательного преобразователя, схемой вольтодобавочного преобразователя или просто вольтодобавочным преобразователем), по меньшей мере один инвертор 115, по меньшей мере одну батарею 120 и по меньшей мере один контроллер 125. В одном варианте осуществления СБПЭ 100 включает входные линии 130 и 135, присоединенные к токопроводящему и нейтральному проводам входного источника переменного тока. СБПЭ 100 может также включать выходные линии 140 и 145, служащие токопроводящим и нейтральным проводами для нагрузки 105.
В режиме питания СБПЭ 100 от электрической линии в одном варианте осуществления под контролем контроллера 125 входная схема 110 принимает входное напряжение переменного тока от входных линий 130 и 135 и выдает на выходные линии 150 и 155 положительное и отрицательное (относительно общей линии 160) напряжения постоянного тока. В режиме питания СБПЭ 100 от батареи, например, при прекращении подачи переменного тока из электрической линии, входная схема 110 может генерировать напряжение постоянного тока, питаясь от батареи 120. В этом примере общая линия 160 может быть присоединена к входной нейтральной линии 135 и выходной нейтральной линии 145 для обеспечения непрерывной нейтральной линии, проходящей через СБПЭ 100. Инвертор 115 принимает напряжения постоянного тока от входной схемы 110 и подает выходное напряжение переменного тока на линии 140 и 145.
Фигура 2 - схема, показывающая входную схему 110 согласно варианту осуществления изобретения. В этом варианте осуществления входная схема 110 включает входные диоды 205 и 210, входные конденсаторы 215 и 220, реле 225 и 230, индукторы 235 и 240, вольтодобавочные транзисторы 245 и 250, диод 255, выходные диоды 260 и 265, выходные конденсаторы 270, 275.
Как изображено на фигуре 2, входная схема 110 находится в режиме питания от электрической линии, при этом реле 225, 230 находятся в положении для соединения входных линий 130 и 135 переменного тока с индукторами 235, 240, так что положительное и отрицательное выпрямленные напряжения обеспечиваются на индукторах 235 и 240 соответственно. В одном варианте осуществления индуктор 235 работает совместно с транзистором 245 и выходным диодом 260 в качестве положительного вольтодобавочного преобразователя под контролем контроллера, такого как контроллер 125 (не изображен на фигуре 2), использующего широтно-импульсную модуляцию, для создания положительного напряжения постоянного тока на выходном конденсаторе 270. В этом примере транзистор 245 работает в качестве положительного вольтодобавочного транзистора. Аналогично, в одном варианте осуществления индуктор 240 работает совместно с транзистором 250 и выходным диодом 265 в качестве отрицательного вольтодобавочного преобразователя под контролем контроллера, такого как контроллер 125, использующего широтно-импульсную модуляцию, для создания отрицательного напряжения постоянного тока на выходном конденсаторе 275. В этом примере транзистор 250 работает в качестве отрицательного вольтодобавочного транзистора.
В одном варианте осуществления входная схема 110 может также включать транзистор 280, который образует часть промежуточного вольтодобавочного преобразователя при режиме питания от батареи. Например, в режиме питания от батареи контроллер 125 может приказать реле 225 и 230 переключиться с положений, изображенных на фигуре 2, в положения, при которых батарея 120 соединена с индукторами 235 и 240. Продолжая рассмотрение этого примера, положительная вольтодобавочная схема, которая включает индуктор 235, транзистор 245 и выходной диод 260, может генерировать положительное напряжение постоянного тока на конденсаторе 270, как описано выше применительно к режиму питания от электрической линии. В одном варианте осуществления для генерации отрицательного напряжения на выходном конденсаторе 275 в режиме питания от батареи транзисторы 245 и 250 работают в качестве промежуточной вольтодобавочной схемы с транзистором 280, циклично включаясь и выключаясь. Например, во время каждого цикла транзистор 250 может включаться на некоторый период времени (например, на 0,5 микросекунды) раньше транзистора 280, а транзистор 280 может оставаться включенным в течение некоторого периода времени (например, 0,5 микросекунды) после выключения транзистора 250, благодаря чему снижаются потери на переключение транзистора 280.
Как изображено на фигуре 2, транзистор 280 подключен между диодом 255 и вольтодобавочным транзистором 250. В этом изображенном варианте осуществления транзистор 280 может включать биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) или МОП-транзистор малой мощности, предназначенный для его использования в режиме питания от батареи для создания отрицательного напряжения на конденсаторе 275, причем в этом примере напряжение на транзисторе 280 во время нормальной работы входной схемы 110 в режиме питания от батареи не превышает значение, по существу равное напряжению батареи. Необходимо понимать, что возможны и другие конфигурации. Например, транзистор 280 может быть подключен между индуктором 240 и выходным диодом 265.
В различных вариантах осуществления конфигурация входной схемы 110 отличается от той, что показана на фигуре 2. Например, как изображено на фигуре 2, входная схема 110 включает входные диоды 205 и 210 и входные конденсаторы 215 и 220. В одном варианте осуществления использование входных конденсаторов 215 и 220 не требуется. В некоторых вариантах осуществления, например, предназначенных для входного напряжения постоянного тока, использование входных диодов 205 и 210 не требуется. Далее, в различных вариантах осуществления реле 225 и 230 могут включать транзисторы и диоды, а СБПЭ 100 может получать электроэнергию как от электрической линии, так и от батареи, по существу, в одно и то же время. В некоторых вариантах осуществления источники электроэнергии могут представлять собой однофазные или многофазные источники различных напряжений.
В некоторых вариантах осуществления, как описано ниже, контроллер, такой как контроллер 125, контролирует работу входной схемы 110 для обеспечения коррекции коэффициента мощности на входе СБПЭ 100 таким образом, что входной ток и входное напряжение СБПЭ 100 находятся, по существу, в фазе. Контроллер 125 может также контролировать режим работы входной схемы 110, например, путем выборочного переключения между непрерывным и прерывистым режимами работы, для контроля рабочей частоты входной схемы 110.
Фигура 3 - схема, показывающая систему 100 бесперебойной подачи электроэнергии (СБПЭ 100) согласно изобретению. В одном варианте осуществления СБПЭ 100 включает по меньшей мере один контроллер 125. Например, контроллер 125 может включать по меньшей мере один процессор или другое логическое устройство. В некоторых вариантах осуществления контроллер 125 включает процессор 303 цифровых сигналов (ПЦС) и программируемую пользователем вентильную матрицу 305 (ППВМ). Контроллер 125 может также включать по меньшей мере одну специализированную интегральную схему (СИС) или другое аппаратное обеспечение, программное обеспечение, аппаратно реализованное программное обеспечение или их сочетания. В различных вариантах осуществления один или более контроллер 125 может быть частью СБПЭ 100 или быть внешним по отношению к СБПЭ 100, но оперативно соединенным с нею.
В одном варианте осуществления контроллер 125 включает по меньшей мере один генератор 307 управляющего сигнала. Генератор 307 управляющего сигнала может быть частью контроллера 125 или отдельным устройством, которая или которое выдает управляющий сигнал в ответ, по меньшей мере, в частности, на инструкции от контроллера 125. В одном варианте осуществления генератор 307 управляющего сигнала включает ПЦС 303 и ППВМ 305. Генератор 307 управляющего сигнала может генерировать, формировать или иным образом выдавать управляющий сигнал, такой как управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции (управляющий сигнал ШИМ). В одном варианте осуществления генератор 307 управляющего сигнала, например, в сочетании с контроллером 125, может регулировать продолжительность включения управляющего сигнала ШИМ для переключения режимов работы входной схемы 110 между непрерывным, прерывистым и условно прерывистым режимами работы.
Как изображено на фигуре 3, датчик 310 тока может замерять или иным способом определять ток в индукторе 235, а датчик 315 тока может замерять или иным способом определять ток в индукторе 240. В одном варианте осуществления величины тока в индукторах, определенные датчиками 310 и 315 тока, предоставляются контроллеру 125. На основании, по меньшей мере, в частности, одной или более измеренной величины тока в индукторе контроллер 125 может переключать рабочий режим одного или обоих из транзисторов 245 и 250. В одном варианте осуществления, если датчик 310 тока показывает, что ток в индукторе 235 равен нулю, вентиль 325 может включить первый переключатель 320, который содержит транзистор 245. Например, транзистор 245 может включаться, когда определено, что ток в индукторе 235 равен нулю, и когда транзистор 245 был выключен в течение периода времени, который больше, чем предварительно определенный период времени, в результате чего ограничивается максимальная рабочая частота входной схемы 110.
Аналогично, в одном варианте осуществления, если датчик 315 тока показывает, что ток в индукторе 240 равен нулю, вентиль 335 может включить второй переключатель 330, который содержит транзистор 250. Например, транзистор 250 может включаться, когда определено, что ток в индукторе 240 равен нулю, и когда транзистор 250 был выключен в течение периода времени, который больше, чем предварительно определенный период времени, что тоже ограничивает максимальную рабочую частоту входной схемы 110. В различных вариантах осуществления вентили 325 и 335 могут включать и выключать соответствующие транзисторы 245 и 250 независимо друг от друга.
Фигура 3А - схема, показывающая систему 100 бесперебойной подачи электроэнергии (СБПЭ 100) согласно изобретению. Фигура 3А иллюстрирует вариант осуществления, содержащий однофазный выпрямитель с источником 340 входного напряжения переменного тока, выполненный с возможностью аварийного питания от батареи, для чего имеются линия, присоединенная к положительному полюсу 345 батареи, и линия, присоединенная к отрицательному полюсу 350 батареи. Как изображено на фигуре 3А, переключатель, такой как полупроводниковый управляемый вентиль 355, может электрически соединять положительный полюс 345 батареи с индуктором 235, а переключатель, такой как полупроводниковый управляемый вентиль 360, может электрически соединять отрицательный полюс 350 батареи с индуктором 240. Как изображено на фигуре 3А, генератор 307 управляющего сигнала контроллера 125 может генерировать управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции для управления переключением первого переключателя 320 и второго переключателя 330, как описано со ссылкой на фигуру 3.
Фигура 4 - схема, показывающая трехфазный выпрямитель 400 согласно варианту осуществления изобретения. В одном варианте осуществления трехфазный выпрямитель 400 используется с системой бесперебойной подачи электроэнергии, такой как СБПЭ 100, или является частью этой системы. В одном варианте осуществления трехфазный выпрямитель 400 представляет собой входную схему, которая включает линии входа напряжения - Фаза А, Фаза В и Фаза С - соответственно, соединенные с первым индуктором 405, вторым индуктором 410 и третьим индуктором 415. Каждая фазовая линия может включать по меньшей мере один выпрямляющий диод 420 для работы положительного вольтодобавочного преобразователя и по меньшей мере один выпрямляющий диод 425 для работы отрицательного вольтодобавочного преобразователя. Трехфазный выпрямитель 400 может также включать выходные диоды 430 и 435 и выходные конденсаторы 440 и 445. В отношении фигуры 4 необходимо отметить, что первый переключатель 320, выходной диод 430 и любой из первого индуктора 405, второго индуктора 410 и третьего индуктора 415 могут образовывать часть положительного вольтодобавочного преобразователя, и что второй переключатель 330, выходной диод 435 и любой из первого индуктора 405, второго индуктора 410 и третьего индуктора 415 могут образовывать часть отрицательного вольтодобавочного преобразователя.
ON
ON
Продолжая рассмотрение фигуры 4, выпрямитель 400, когда он сконфигурирован как трехфазный выпрямитель с заземленной нейтралью, в одном варианте осуществления работает в условно прерывистом режиме работы. Например, время включенного состояния (T) первого переключателя 320 и второго переключателя 330 может представлять собой фиксированный период времени для данных нагрузки и напряжения во входной линии. В этом примере контроллер 125 посредством широтно-импульсной модуляции может контролировать продолжительность выключенного состояния первого переключателя 320 и второго переключателя 330 на основании, например, суммарного исходного тока, т.е. тока в индукторах, определяемого по меньшей мере одним из датчика 310 тока и датчика 315 тока. В одном варианте осуществления первый переключатель 320 и второй переключатель 330 остаются выключенными до тех пор, пока исходный ток не станет равен нулю. Продолжительность выключенного состояния может изменяться во время цикла линии, в результате чего изменяется частота переключений, с которыми первый переключатель 320 и второй переключатель 330 включаются и выключаются во время всего цикла линии. Например, время включенного состояния (T) первого переключателя 320 и второго переключателя 330 может быть одинаковым или по существу одинаковым, при этом частоты работы тоже могут быть одинаковыми или по существу одинаковыми в данный момент времени. Продолжая рассмотрение этого примера, токи в индукторах, определяемые датчиком 310 тока и датчиком 315 тока, могут падать до нуля в разные моменты времени. В этом случае первый переключатель 320 и второй переключатель 330 могут включаться в разные моменты времени (например, когда ток в индукторе становится нулевым), в то время как частоты их работы могут быть одинаковыми или по существу одинаковыми в данный момент времени.
В одном варианте осуществления, использующем условно прерывистый режим, описанный выше, элементы выпрямителя 400 (например, те, что работают в качестве положительного или отрицательного вольтодобавочного преобразователя) могут работать на низкой частоте, когда напряжение во входной линии на Фазе А, Фазе В и Фазе С выше определенного значения, например 240 В (переменный ток). Например, положительные или отрицательные вольтодобавочные преобразователи, которые являются частью входной схемы (например, выпрямителя 400), могут работать на частотах менее 20 кГц при высоком входном напряжении или высоких нагрузках, в результате становясь слышимыми, поскольку в этом примере пиковое напряжение во входной линии может приближаться к выходному напряжению вольтодобавочных преобразователей. Далее, при низких нагрузках рабочая частота входной схемы может возрастать до высокого уровня, который может быть неэффективным или неподдерживаемым.
В одном варианте осуществления для контроля рабочей частоты выпрямителя выпрямитель 400 включает по меньшей мере один положительный вольтодобавочный преобразователь (например, включающий первый переключатель 320, выходной диод 430 и по меньшей мере один из первого индуктора 405, второго индуктора 410 и третьего индуктора 415) и по меньшей мере один отрицательный вольтодобавочный преобразователь (например, включающий второй переключатель 330, выходной диод 435 и по меньшей мере один из первого индуктора 405, второго индуктора 410 и третьего индуктора 415), которые могут работать в режиме постоянной частоты в период от 60-го градуса до 120-го градуса цикла переменного тока, что ограничивает пиковый рабочий ток. В этом примере контроллер 125 может приказывать выпрямителю 400 работать в непрерывном или условно прерывистом режимах работы путем управления первым переключателем 320 и вторым переключателем 330, тем самым управляя минимальной и максимальной рабочей частотой выпрямителя 400.
В одном варианте осуществления выпрямитель 400 работает в режиме питания от батареи. Например, выпрямитель 400 может иметь двойную шину соединения с батарей, имеющую положительный полюс 450 батареи и отрицательный полюс 455 батареи. Продолжая рассмотрение этого примера, в режиме питания от батареи переключатель может электрически соединять положительный полюс 450 батареи с любым из первого индуктора 405 (как изображено на фигуре 4), второго индуктора 410 и третьего индуктора 415. Переключатель может также электрически соединять отрицательный полюс 455 батареи с любым из первого индуктора (405), второго индуктора 410 (как изображено на фигуре 4) и третьего индуктора 415.
Ссылаясь на фигуры 1-4, в одном варианте осуществления система 100 бесперебойной подачи электроэнергии включает выпрямитель 400, транзистор 245, транзистор 250, первый индуктор 405, второй индуктор 410 и третий индуктор 415. Во время работы выпрямитель 400 может быть оперативно соединен с контроллером 125, который может включать ПЦС 303 и ППВМ 305. Продолжая рассмотрение этого варианта осуществления, по меньшей мере один из датчиков 310 и 315 тока может обнаруживать ток по меньшей мере от одного из индукторов 405, 410 и 415 и может предоставлять величину обнаруженного тока в индукторах, например, ПЦС 303. В этом примере ПЦС 303 может генерировать величину отклонения тока на основании, в частности, величины обнаруженного тока в индукторах. Величина отклонения тока может предоставляться ППВМ 305. ППВМ 305 может генерировать управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции на основании, в частности, величины отклонения тока, и контроллер 125 может прикладывать управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции по меньшей мере к одному из транзисторов 245 и 250 для его обратимого и выборочного переключения между включенным и выключенным рабочими состояниями. При этом контроллер 125 может контролировать продолжительность включенного состояния и продолжительность выключенного состояния транзисторов 245 и 250 и их режим работы. Например, контроллер 125 может прикладывать управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции для перевода по меньшей мере одного из транзисторов 245 и 250 в два режима работы, например, непрерывный и условно прерывистый, во время цикла линии.
Фигура 4А - схема, показывающая еще одну конфигурацию трехфазного выпрямителя 400 согласно варианту осуществления. Как изображено на фигуре 4А, три фазы - А, В и С - присоединены к выпрямителю 400, содержащему вольтодобавочный преобразователь, в состав которого входят, например, индуктор 460 и первый переключатель 320, и вольтодобавочный преобразователь, в состав которого входят, например, индуктор 465 и второй переключатель 330. Как изображено на фигуре 4А, контроллер 125 управляет работой первого переключателя 320 и второго переключателя 330 для регулировки формы выходного тока в период от 60-го до 120-го градусов цикла переменного тока, когда фазы А, В и С являются независимыми. В одном варианте осуществления выпрямитель 400, схема которого изображена на фигуре 4А, работает с усредненными уровнями суммарного гармонического искажения, составляющими 30% или меньше. Далее, применительно к фигуре 4А, во время режима питания от батареи переключатель, такой как полупроводниковый управляемый переключатель 470, может электрически соединять положительный полюс 450 батареи с индуктором 460, а переключатель, такой как полупроводниковый управляемый переключатель 475, может электрически соединять отрицательный полюс 455 батареи с индуктором 465.
Фигура 4В - схема, показывающая трехфазный частично разделенный выпрямитель 400, выполненный с возможностью перехода в режим питания от батареи, согласно варианту осуществления. Как видно на фигуре 4В, в режиме питания от батареи переключатель, такой как полупроводниковый управляемый вентиль, кремниевый управляемый вентиль или другой переключатель, может электрически соединять положительный полюс 450 батареи с первым индуктором 405 (как показано), вторым индуктором 410 или третьим индуктором 415 (в других конфигурациях). Переключатель может также электрически соединять отрицательный полюс 455 батареи со вторым индуктором 410 (как показано), первым индуктором 405 или третьим индуктором 415 (в других конфигурациях). В режиме питания от батареи комплект 480 батарей, который включает одну или более батарею, может подавать электроэнергию на выпрямитель 400.
Продолжая рассмотрение фигур 1 и 4В, в одном варианте осуществления, когда выпрямитель работает в режиме питания от батареи, порядок переключений первого переключателя 320 и второго переключателя 330 синхронизирован с нагрузкой (например, нагрузкой 105, показанной на фигуре 1, т.е. нагрузкой инвертора). Например, когда инвертор 105 производит положительную половину синусоиды, переключатель, работающий в качестве отрицательного вольтодобавочного переключателя (например, второй переключатель 330), может удерживаться во включенном положении, а переключатель, работающий в качестве положительного вольтодобавочного переключателя (например, первый переключатель 320), подвергается широтно-импульсной модуляции контроллером 125. Когда инвертор 105 производит отрицательную половину синусоиды, переключатель, работающий в качестве положительного вольтодобавочного переключателя (например, первый переключатель 320), может удерживаться во включенном положении, а переключатель, работающий в качестве отрицательного вольтодобавочного переключателя (например, второй переключатель 330), подвергается широтно-импульсной модуляции контроллером 125. В одном варианте осуществления выпрямитель 400 с конфигурацией, показанной на фигуре 4 В, работает с одним комплектом 480 батарей. В другом варианте осуществления выпрямитель с такой же конфигурацией работает с несколькими устройствами подачи электроэнергии, которые содержат комплекты батарей.
Фигура 4С - схема, показывающая еще один вариант осуществления трехфазного частично разделенного выпрямителя 400, который в режиме питания от батареи питается через шину батареи, содержащую промежуточный вольтодобавочный переключатель 485. Как показано на фигуре 4С, промежуточный вольтодобавочный переключатель 485 соединяет напряжение комплекта 480 батарей с диодом 435. В одном варианте осуществления промежуточный вольтодобавочный переключатель 485 включает переключатель с номинальным напряжением по меньшей мере 900 В. Как изображено на фигуре 4С, диод 435 работает в качестве отрицательного вольтодобавочного диода и в одном варианте осуществления, имеющем конфигурацию, изображенную на фигуре 4С, диод 435 имеет номинальное напряжение по меньшей мере 900 В. Конфигурация выпрямителя 400, изображенная на фигуре 4С, в одном варианте осуществления имеет рабочую частоту 30 кГц или меньше. В различных вариантах осуществления промежуточный вольтодобавочный переключатель 485 и диод 435 могут иметь и другие номинальные напряжения, больше или меньше 900 В, например 800 В или 1000 В, а рабочая частота выпрямителя 400 может быть более 30 кГц в некоторых вариантах осуществления.
В режиме питания от батареи комплект 480 батарей соединен с промежуточным вольтодобавочным переключателем 485, который, в свою очередь, соединен с заземлением 487, которое также принимает линию 491 шины батареи (ЛШБ) и линию 493 возврата шины батареи в нейтраль (ЛВШБН), и с диодом 489. В одном варианте осуществления выпрямитель 400, имеющий конфигурацию, изображенную на фигуре 4С, включает диод 495, соединяющий первый переключатель 320 и второй переключатель 330.
Фигура 4D - схема еще одного варианта осуществления трехфазного частично разделенного выпрямителя 400, который в режиме питания от батареи питается через шину батареи, содержащую промежуточный вольтодобавочный переключатель 485. Как показано на фигуре 4D, промежуточный вольтодобавочный переключатель 485 соединяет напряжение комплекта 480 батарей со вторым переключателем 330 (например, работающим в качестве отрицательного вольтодобавочного переключателя). Продолжая рассмотрение фигуры 4D, в одном варианте осуществления промежуточный вольтодобавочный переключатель 485 включает мощный полевой транзистор (ПТ), имеющий низкое сопротивление во включенном состоянии для снижения потерь на электропроводность или потерь на переключение в промежуточном вольтодобавочном переключателе 485. Как показано на фигуре 4D, второй переключатель 330 работает в качестве отрицательного вольтодобавочного переключателя, а диод 435 работает в качестве отрицательного вольтодобавочного диода с номинальным напряжением, в некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере 1200 В. В одном варианте осуществления выпрямитель 400, имеющий конфигурацию, показанную на фигуре 4D, имеет частоту переключений 80 кГц или меньше. В различных вариантах осуществления номинальное напряжение диода 435 и максимальная частота переключений могут быть иными. Например, диод 435 может иметь номинальное напряжение менее 1200 В (например, 1100 В), а выпрямитель 400, изображенный на фигуре 4D, может иметь частоту переключений более 80 кГц (например, 90 кГц).
В режиме питания от батареи комплект 480 батарей соединен с промежуточным вольтодобавочным переключателем 485, который, в свою очередь, соединен с заземлением 487, которое также принимает линию 491 шины батареи (ЛШБ) и линию 493 возврата шины батареи в нейтраль (ЛВШБН), и с диодом 489. В одном варианте осуществления выпрямитель 400, имеющий конфигурацию, изображенную на фигуре 4D, включает диод 495, соединяющий первый переключатель 320 и второй переключатель 330. Как изображено на фигурах 4A-4D, контроллер 125 может генерировать управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции для управления переключением первого переключателя 320 и второго переключателя 330, как описано со ссылкой на фигуру 4.
В некоторых вариантах осуществления и применительно к фигурам 4-4D и 5 в любой момент времени может иметься либо две положительные фазы и одна отрицательная фаза, либо две отрицательные фазы и одна положительная фаза. Например, фигура 5 показывает цикл трехфазной линии с напряжением +/-400 В согласно варианту осуществления изобретения. Как изображено на фигуре 5, фаза А и фаза В могут быть положительными относительно нейтрали, а фаза С может быть отрицательной относительно нейтрали. В этом примере ток нарастает в первом индукторе 405 и втором индукторе 410, когда первый переключатель 320 включен, а пиковый ток в первом индукторе 405 и втором индукторе 410 зависит от напряжения фазы на соответствующем индукторе. Продолжая рассмотрение этого примера, когда первый переключатель 320 выключается, напряжение на первом индукторе и втором индукторе может быть разным, но ток от каждого из этих индукторов течет через соответствующий выпрямляющий диод 420 и выходной диод 430 на нагрузку (не изображенную на фигуре 4) и выходной конденсатор 440. В этом примере датчик 310 тока измеряет суммарный ток от первого индуктора 405 и второго индуктора 410, когда первый переключатель 320 выключен. Контроллер 125 может поддерживать первый переключатель 320 в выключенном состоянии до тех пор, пока суммарный ток от первого индуктора 405 и второго индуктора 410, измеряемый датчиком 310 тока, не достигнет нуля, или пока не будет определено, что он, по существу, равен нулю. Иными словами, в этом примере условно непрерывной работы контроллер 125 включает первый переключатель 320, когда ток от индукторов, относящийся к этому переключателю, достигает нуля. Контроллер 125 может приказывать первому переключателю 320 вернуться во включенное положение не только при достижении суммарным током нулевой величины, но и в том случае, если первый переключатель выключен в течение некоторого минимального периода времени.
Выпрямитель 400 может работать с двумя отрицательными фазами и одной положительной (относительно нейтрали). Например, в различные моменты цикла линии фаза А может быть положительной, а фаза В и фаза С могут быть отрицательными относительно нейтрали. В этом примере ток может нарастать во втором индукторе 410 и третьем индукторе 415, когда второй переключатель 330 включен. Когда второй переключатель 330 выключается, датчик 315 тока измеряет суммарный ток от второго индуктора 410 и третьего индуктора 415. Когда этот суммарный ток от индукторов достигает нуля, контроллер 125 включает второй переключатель 330. Контроллер 125 может приказывать второму переключателю 330 вернуться во включенное положение не только при определении датчиком 315 тока того, что суммарный ток равен нулю, но и в том случае, если первый переключатель выключен в течение некоторого минимального периода времени. Необходимо отметить, что эти примеры являются пояснительными, и пиковый ток, измеряемый первым датчиком 310 тока и вторым датчиком 315 тока, может варьироваться в зависимости от того, сколько фаз создают ток в выпрямителе 400.
Фигура 6 - схема, показывающая вариант осуществления контроллера 125. В одном варианте осуществления контроллер 125 включает по меньшей мере один детектор 605 нулевого тока. Например, по меньшей мере один из датчиков 310 и 315 тока может показывать величину обнаруженного тока в индукторе выпрямителя 400. Детектор 605 нулевого тока может прикладывать сигнал включения (например, сигнал широтно-импульсной модуляции), например, к по меньшей мере одному из первого переключателя 320 и второго переключателя 330 для изменения рабочего состояния по меньшей мере одного из транзисторов 245 и 250. В одном варианте осуществления детектор 605 нулевого тока работает с генератором 610 сигнала включения для генерации сигнала включения. Например, аналогово-цифровой преобразователь 615 может подавать сигнал в блок 620 разностных уравнений, выход которого может показывать, что по меньшей мере один из транзисторов 245 и 250 следует включить, тем самым увеличив ток в индукторе. В некоторых вариантах осуществления генератор 610 сигнала включения может показывать, что продолжительность включенного состояния одного из транзисторов 245, 250 вызывает снижение тока в индукторе. В одном варианте осуществления генератор 610 сигнала включения может также включать выход 625 для подачи разрешающего сигнала.
Таким образом, в различных вариантах осуществления контроллер 125 переключает рабочее состояние транзисторов 245 и 250, когда определено, что суммарный ток равен нулю. Пример условно прерывистой работы выпрямителя 400 изображен на фигуре 7, которая показывает ток в индукторе в выпрямителе 400, работающем в условно прерывистом режиме, во время цикла линии. Как изображено на фигуре 7, пиковый ток изменяется в зависимости от того, сколько фаз создают ток на выходе, и ток изменяется между, по существу, нулем и 40 А. Фигура 8 показывает фрагмент графика, изображенного на фигуре 7, взятый из области вблизи приблизительно 25 мс и растянутый вдоль оси времени, где можно видеть, что в одном варианте осуществления условно прерывистого режима работы ток в индукторе выпрямителя 400 может падать до нуля, а затем снова увеличиваться без нахождения на нулевом уровне в течение сколь-либо значительного периода времени. Результаты из фигур 7 и 8 являются пояснительными. В одном варианте осуществления выпрямитель 400 может производить ток, показанный на фигурах 7 и 8, когда фаза А, фаза В и фаза С работают при напряжении 160 В (переменный ток), выпрямитель 400 имеет выходную мощность 5890 Вт, а каждый из первого индуктора 405, второго индуктора 410 и третьего индуктора 415 имеет индуктивность 100 мкГн, которая не изменяется при изменении тока в нагрузке.
ON
Применительно к фигурам 1, 3 и 4, контроллер 125 может контролировать входную схему 110 или выпрямитель 400 для обеспечения коррекции коэффициента мощности в условно прерывистом режиме, используя аналого-цифровые схемы, включающие процессоры 303 цифровых сигналов и программируемые пользователем вентильные матрицы 305. Например, аналоговая часть контроллера 125 может обнаруживать состояние нулевого тока, относящееся по меньшей мере к одному индуктору. В одном варианте осуществления это показывает, что может начаться новый цикл переключений, и контроллер 125 может перейти к отправке сигнала для включения переключателя (например, первого переключателя 320 или второго переключателя 330) на время Т, которое может быть определено выходным сигналом блока разностных уравнений. В одном варианте осуществления контроллер 125 также включает выход для подачи разрешающего сигнала, который, например, должен быть в некотором определенном состоянии (например, логическая единица или состоянии с высоким уровнем напряжения) для того, чтобы контроллер 125 имел возможность управлять переключателями входного выпрямителя 400.
ON
ON
ON
В одном варианте осуществления время T (продолжительность включенного состояния) для переключателей схемы (например, переключателей транзисторов 245 или 250) может быть разным для разных циклов линии с целью регулировки выходного напряжения. Например, блок разностных уравнений может задавать время Т для цикла линии выпрямителя 400, а контроллер 125 может иметь таймер для определения того, длится ли включенное состояние выпрямителя 400 (или входящих в его состав преобразователей) по меньшей мере минимально необходимый период времени, после которого, например, переключатель может быть выключен. Например, если необходимо, чтобы ток в индукторе был больше нуля в течение 12,5 мкс (что соответствует частоте переключения приблизительно 80 кГц), время T может составлять 6,25 мкс в примере, имеющем линейный рост тока в индукторе, когда транзистор включен, и линейное падение тока в индукторе, когда транзистор выключен.
Контроллер 125 может также ограничивать максимальную рабочую частоту входных схем, таких как выпрямитель 400. В одном варианте осуществления при малых нагрузках, если отсутствует какой-либо контроль, частота переключений входной схемы может увеличиваться до уровня, который превышает возможности переключателей, регулирующих работу схемы. В этом примере контроллер 125 может ограничивать максимальную частоту переключений выпрямителя 400. В то время как максимальная рабочая частота выпрямителя 400 может варьироваться, в одном варианте осуществления контроллер 125 ограничивает максимальную частоту переключений выпрямителя 400 уровнем 130 кГц, а в другом варианте осуществления контроллер 125 ограничивает максимальную частоту переключений выпрямителя 400 уровнем 80 кГц.
ON
ON
P
ON
P
P
ON
ON
P
Фигура 9 показывает график, показывающий работу выпрямителя 400 в условно прерывистом режиме работы. Как изображено на фигуре 9, период времени T начинается, когда ток в индукторе равен нулю. Необходимо отметить, что ток в индукторе может измеряться датчиками 310 или 315 тока в различных точках выпрямителя 400, отличных от первого индуктора 405, второго индуктора 410 и третьего индуктора 415, и что этот ток может также называться, например, током переключения, током в выпрямителе или суммарным током в индукторах. Как изображено на фигуре 9, ток в индукторах возрастает в период времени T и в течение периода времени Т имеет максимальную величину в конце периода времени T, после чего ток в индукторе начинает уменьшаться и падает до нуля. Период времени Т может быть разным. В одном варианте осуществления период времени Т равен приблизительно 12,5 мкс. В одном варианте осуществления, когда достигнут максимальный ток в индукторе, период времени T может заканчиваться, позволяя току в индукторе упасть до нуля. В этом пояснительном примере условно прерывистой работы период времени T начинается тогда, когда ток в индукторе достигает нуля, и в одном варианте осуществления ток в индукторе не остается нулевым более некоторой доли миллисекунды. Хотя это не изображено на фигуре 9, необходимо отметить, что в одном варианте осуществления при непрерывном режиме работы ток в индукторах никогда не достигает нуля в период времени Т.
Фигура 10 показывает график, иллюстрирующий вариант осуществления, в котором частота переключений выпрямителя 400 ограничена уровнем 80 кГц на всем цикле линии. В примере, изображенном на фигуре 10, выпрямитель 400 имеет мощность заряжания 500 Вт и обеспечивает выходную мощность 1000 Вт. Как показано сплошной линией на фигуре 10, контроллер 125 может ограничивать частоту переключений выпрямителя 400 уровнем 80 кГц во время всего цикла линии. При отсутствии контроллера 125 при малых нагрузках частота переключений в одном варианте осуществления была бы такой, как показано пунктирной линией на фигуре 10, т.е. она изменялась бы между приблизительно 100 кГц и 160 кГц, что может превышать возможности выпрямителя 400.
ON
Фигура 11 показывает график, иллюстрирующий вариант осуществления, в котором частота переключений выпрямителя 400 ограничена уровнем 80 кГц на части цикла линии. В одном варианте осуществления выпрямитель 400 может работать с частотой переключений, показанной сплошной линией, когда выпрямитель 400 имеет мощность заряжания 500 Вт и обеспечивает выходную мощность 2000 Вт. В этом пояснительном варианте осуществления пунктирная линия показывает частоту переключений выпрямителя 400, когда контроллер 125 не ограничивает максимальную частоту переключений путем, например, регулировки времени T, во время которого переключатель, такой как первый переключатель 320, должен оставаться включенным. Благодаря регулировке максимальной рабочей частоты выпрямителя 400 таким образом, что она не превышает некоторое пороговое значение во время цикла линии, работа выпрямителя 400 остается в рамках рабочих возможностей первого переключателя 320 и второго переключателя 330.
Фигура 12 показывает график, иллюстрирующий вариант осуществления, в котором частота переключений выпрямителя 400 не ограничивается во время цикла линии, например, потому, что частота переключений выпрямителя 400 остается ниже 80 кГц во время всего цикла линии. Когда выпрямитель 400 имеет мощность заряжания 500 Вт и обеспечивает выходную мощность 2000 Вт, как изображено на фигуре 12, частота переключений выпрямителя 400 может оставаться ниже некоторого порогового значения, такого как, например, 80 кГц, когда первый индуктор 405, второй индуктор 410 и третий индуктор 415 включают индукторы переменной индуктивности, которые имеют большую индуктивность при меньшем токе. Большие величины индуктивности индукторов переменной индуктивности при меньших токах могут удерживать максимальную частоту переключений ниже порогового значения, такого как 80 кГц, как изображено на фигуре 12, или другого порогового значения, такого как 130 кГц или 160 кГц. В одном варианте осуществления контроллер 125 включает по меньшей мере одну ППВМ 305 и по меньшей мере один ПЦС 303 для управления максимальной частотой переключений переключателей 320 и 330 и переходом из условно прерывистого режима работы в непрерывный режим работы. ПЦС 303 может генерировать величину отклонения напряжения для упрощения схемы и уменьшения количества входящих в нее компонентов, а также для обеспечения низкого среднего суммарного гармонического искажения.
Помимо контроля максимальной рабочей частоты, или частоты переключений, выпрямителя 400, в одном варианте осуществления контроллер 125 может контролировать минимальную частоту выпрямителя 400 для поддержания ее выше некоторого порогового значения. Например, контроллер 125 может ограничивать минимальную частоту выпрямителя 400 уровнем, который выше воспринимаемого человеческим ухом частотного диапазона, или уровнем приблизительно 20 кГц. Например, при высоких напряжениях в линии в условно прерывистом режиме работы рабочая частота выпрямителя 400 может становиться достаточно низкой для того, чтобы ее можно было услышать. В одном варианте осуществления контроллер 125 ограничивает минимальную рабочую частоту выпрямителя 400 (или входящих в его состав положительных/отрицательных преобразователей) путем перехода с условно прерывистого режима работы на непрерывный режим работы с постоянной частотой. Во время непрерывного режима работы, например, ток в индукторе, замеряемый датчиком 310 тока или датчиком 315 тока, не достигает нуля. В одном варианте осуществления, имеющем трехфазный выпрямитель, такой как выпрямитель 400, этот переход происходит во время той части цикла линии, в которой напряжения трех фаз дают в сумме ноль. Например, этот переход происходит между 60-м и 120-м градусами и между 240-м и 300-м градусами 360-градусного цикла линии.
Например, контроллер 125 может переводить переключатели 320 и 330 в условно прерывистый режим работы во время 0-60 градусов цикла линии. Для ограничения минимальной рабочей частоты выпрямителя 400 в одном варианте осуществления контроллер 125 может приказывать переключателям 320 и 330 переходить на непрерывный режим работы с постоянной частотой во время 60-120 градусов цикла линии. Продолжая рассмотрение этого пояснительного варианта осуществления, контроллер 125 может переводить переключатели 320 и 330 обратно в условно прерывистый режим во время 120-240 градусов, а во время 240-300 градусов он может снова переводить их на непрерывный режим работы. Наконец, в этом примере контроллер 125 может приказывать переключателям 320 и 330 работать в условно прерывистом режиме во время 300-360 градусов цикла линии. В одном варианте осуществления входные схемы, такие как выпрямитель 400 с трехфазным входным напряжением, работают совместно с контроллером 125 для переключения между условно прерывистым и непрерывным режимами работы. Это ограничивает наибольшую и наименьшую частоту работы выпрямителя 400, например, диапазоном 20 кГц - 80 кГц, предотвращая работу на высоких частотах (которая выходит за пределы возможностей переключателей) при малых нагрузках и предотвращая работу на слышимых человеческим ухом частотах при больших нагрузках. В этом пояснительном варианте осуществления выпрямитель 400 или его преобразователи могут работать в условно прерывистом режиме во время 0-60, 120-240 и 300-360 градусов цикла линии и в непрерывном режиме во время 60-120 и 240-300 градусов. Такая работа может поддерживать рабочую частоту выпрямителя 400 выше некоторого порогового значения, такого как 20 кГц.
В одном варианте осуществления для того, чтобы сделать переход между условно прерывистым и непрерывным режимами работы плавным, контроллер 125 включает по меньшей мере один процессор 303 цифровых сигналов (ПЦС) и по меньшей мере одну программируемую пользователем вентильную матрицу (ППВМ) 305. В этом пояснительном примере токовый контур в ПЦС 303 может работать параллельно с суммарным током в индукторах во время условно прерывистого режима работы с переменной частотой. Такая параллельная конфигурация токового контура также уменьшает среднее суммарное гармоническое искажение путем поддержания плавности величины тока в индукторе. В одном варианте осуществления, когда напряжения фаз независимы друг от друга, например, между 60 и 120 градусами ПЦС 303 контроллера 125 может приказывать ППВМ 305 контроллера 125 переводить выпрямитель 400 в непрерывный режим работы с постоянной частотой. Например, ПЦС 303 контроллера 125 может содержать генератор опорного тока. Путем оценки измеренного тока (например, по меньшей мере одним из датчика 310 тока и датчика 315 тока) и опорного тока, генерируемого генератором опорного тока, ПЦС 303 контроллера 125 может генерировать величину отклонения тока, которая в этом варианте осуществления представляет собой разность между генерируемым опорным током и действительным измеренным током. ПЦС 303 может также включать блок вычисления разности напряжений для генерации величины отклонения напряжения. Продолжая рассмотрение этого пояснительного примера, информация, генерируемая ПЦС 303, такая как величина отклонения тока или напряжения, может предоставляться ППВМ 305. В одном варианте осуществления ППВМ 305 обрабатывает по меньшей мере одну из величины отклонения тока и величины отклонения напряжения в блоке разностных уравнений, а выходные данные этих вычислений включают управляющий сигнал широтно-импульсной модуляции, смодулированный таким образом, чтобы обеспечивать коррекцию коэффициента мощности выпрямителя 400. Например, контроллер 125 может регулировать продолжительность включения управляющего сигнала широтно-импульсной модуляции для приближения коэффициента мощности выпрямителя 400 (или любого входящего в его состав преобразователя) к единице. В одном варианте осуществления ППВМ 305 включает по меньшей мере один мультиплексор.
Контроллер 125 может регулировать продолжительность включения управляющего сигнала широтно-импульсной модуляции для выборочного перевода транзисторов входной схемы, таких как транзисторы, относящиеся к первому переключателю 320 и второму переключателю 330, между условно прерывистым режимом работы с переменной частотой и непрерывным режимом работы с постоянной частотой для удержания выпрямителя 400 в пределах некоторого частотного диапазона. В одном варианте осуществления этот частотный диапазон находится между 20 кГц и 80 кГц. В некоторых вариантах осуществления этот частотный диапазон включает минимальную частоту, которая выше воспринимаемого человеческим ухом частотного диапазона. В некоторых вариантах осуществления частотный диапазон находится между 20 кГц и 130 кГц.
В одном варианте осуществления контроллер 125 может регулировать по меньшей мере одну продолжительность включения по меньшей мере одного управляющего сигнала широтно-импульсной модуляции для независимого обеспечения коррекции коэффициента мощности для схемы положительного преобразователя и для схемы отрицательного преобразователя выпрямителя 400 и регулировки выходного напряжения на конденсаторах 440 и 445. Например, контроллер 125 может регулировать продолжительность включения первого управляющего сигнала широтно-импульсной модуляции для обеспечения коррекции коэффициента мощности для положительного преобразователя выпрямителя 400 и может независимо регулировать продолжительность включения второго управляющего сигнала широтно-импульсной модуляции для обеспечения коррекции коэффициента мощности для отрицательного преобразователя выпрямителя 400. В одном варианте осуществления положительный и отрицательный преобразователи могут работать одновременно в разных режимах. Например, широтно-импульсная модуляция одного или более управляющего сигнала может обеспечивать коррекцию положительного коэффициента мощности для положительного преобразователя, работающего в условно прерывистом режиме, и коррекцию отрицательного коэффициента мощности для отрицательного преобразователя, работающего в непрерывном режиме. Необходимо отметить, что положительный преобразователь может также работать в непрерывном режиме в то время, когда отрицательный преобразователь работает в условно прерывистом режиме.
В одном варианте осуществления система 100 бесперебойной подачи электроэнергии, управляемая согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, имеет низкое суммарное гармоническое искажение. В некоторых вариантах осуществления индуктивно-емкостный фильтр нижних частот или другие фильтры с различными сочетаниями резисторов, индукторов и конденсаторов, может или могут отфильтровывать среднее суммарное гармоническое искажение, включающее гармоники напряжения, частота которых соответствует частоте переключений, и которые генерируются первым переключателем 320 и вторым переключателем 330. Далее, как было сказано выше, основанное на ПЦС 303 управление выпрямителем 400 в условно прерывистом режиме работы, при котором контроллер 125 включает ПЦС 303 с параллельной конфигурацией токового контура, может также уменьшать среднее суммарное гармоническое искажение тока. Величина суммарного гармонического искажения на выходе СБПЭ 100 может быть разной. В одном варианте осуществления суммарное гармоническое искажение меньше или равно 3,4% выходного сигнала СБПЭ. В одном варианте осуществления выпрямитель 400 отвечает требованиям стандарта IEC 61000-3-12 для синусоидального тока.
Фигура 13 - блок-схема, показывающая способ 1300 управления системой, такой как система бесперебойной подачи электроэнергии согласно одному из вариантов осуществления. В одном варианте осуществления способ 1300 включает способ управления системой бесперебойной подачи электроэнергии, которая имеет по меньшей мере одну входную схему, множество транзисторов и по меньшей мере один контроллер. Контроллер может включать по меньшей мере один процессор цифровых сигналов и по меньшей мере одну программируемую пользователем вентильную матрицу.
В одном варианте осуществления способ 1300 включает действие по обнаружению тока в индукторе входной схемы (действие 1305). Например, обнаружение тока в индукторе (действие 1305) может включать обнаружение или измерение тока в индукторе в различных точках входной схемы. Например, обнаружение тока в индукторе (действие 1305) может включать обнаружение тока на индукторах однофазных или трехфазных выпрямителей или в других точках входной схемы, таких как часть схемы трехфазного выпрямителя, расположенная между выпрямляющим и выходным диодами, при этом обнаружение тока в индукторе (действие 1305) может включать обнаружение тока от более, чем одного, индуктора. Например, входная схема может включать две схемы вольтодобавочного преобразователя, которые могут быть названы положительным и отрицательным (например, промежуточными) вольтодобавочными преобразователями. В этом примере датчик тока может обнаруживать ток в индукторе (действие 1305) каждой схемы вольтодобавочного преобразователя входной схемы.
В одном варианте осуществления способ 1300 включает действие по предоставлению величины обнаруженного тока в индукторе контроллеру (действие 1310). Предоставление величины обнаруженного тока в индукторе (действие 1310) в одном варианте осуществления включает предоставление величины обнаруженного тока в индукторе процессору цифровых сигналов. Эта величина тока может быть предоставлена (действие 1310) процессору цифровых сигналов, цифровому логическому устройству, контроллеру, процессору, логической схеме или другому устройству, сконфигурированному для электронной коммуникации с датчиком тока или другим устройством, которое определяет величины тока во входной схеме, в том числе величину тока в индукторе.
Способ 1300 включает действие по генерации величины отклонения тока (действие 1315). В одном варианте осуществления генерация величины отклонения тока (действие 1315) включает генерацию величины отклонения тока на основании, по меньшей мере, в частности, величины обнаруженного тока в индукторе. Например, генерация величины отклонения тока (действие 1315) может включать определение разности между величиной обнаруженного или измеренного тока в индукторе (действие 1305) и величиной опорного тока, которая была сгенерирована, например, процессором цифровых сигналов, относящимся к контроллеру.
В одном варианте осуществления способ 1300 включает действие по предоставлению величины отклонения тока контроллеру (действие 1320). Предоставление величины отклонения тока контроллеру (действие 1320) в одном варианте осуществления включает предоставление величины отклонения тока программируемой пользователем вентильной матрице. Величина отклонения тока может быть предоставлена (действие 1320) программируемой пользователем вентильной матрице, цифровому логическому устройству, контроллеру, процессору, логической схеме или другому устройству, сконфигурированному для электронной коммуникации с, например, процессором цифровых сигналов или другим устройством, которое генерирует величины отклонения тока (действие 1315).
Способ 1300 в одном варианте осуществления также включает действие по генерации управляющего сигнала широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (действие 1325). Например, управляющий сигнал ШИМ может генерироваться (действие 1325) на основании, в частности, величины отклонения тока. В одном варианте осуществления генерация управляющего сигнала ШИМ (действие 1325) включает генерацию множества управляющих сигналов ШИМ, таких как первый и второй управляющие сигналы широтно-импульсной модуляции.
В одном варианте осуществления генерация управляющего сигнала широтно-импульсной модуляции (действие 1325) включает генерацию множества управляющих сигналов ШИМ независимо друг от друга. Например, генерация управляющего сигнала широтно-импульсной модуляции (действие 1325) может включать генерацию первого управляющего сигнала ШИМ для первого вольтодобавочного преобразователя входной схемы и генерацию второго управляющего сигнала ШИМ для второго вольтодобавочного преобразователя входной схемы. В этом примере первый и второй управляющие сигналы ШИМ могут генерироваться независимо друг от друга на основании, например, разных токов в индукторах, разных величин отклонения тока или на основании других характеристик, отличающихся между множеством вольтодобавочных преобразователей (включающим промежуточные вольтодобавочные преобразователи), которое является частью по меньшей мере одной входной схемы.
Способ 1300 включает действия по генерации величины отклонения напряжения (действие 1330), например, как разности между действительным и требуемым выходным напряжением, и предоставление этой величины отклонения напряжения (действие 1335) контроллеру или относящемуся к нему компоненту, такому как программируемая пользователем вентильная матрица. Например, генерация величины отклонения напряжения (действие 1330) может включать использование процессора цифровых сигналов, и величина отклонения напряжения может предоставляться (действие 1335) программируемой пользователем вентильной матрице, цифровому логическому устройству, контроллеру, процессору, логической схеме или другому устройству, сконфигурированному для электронной коммуникации с, например, процессором цифровых сигналов или другим устройством, которое генерирует величину отклонения напряжения (действие 1330).
В одном варианте осуществления способ 1300 включает действие по приложению управляющего сигнала широтно-импульсной модуляции (действие 1340). Например, приложение управляющего сигнала ШИМ (действие 1340) может включать приложение управляющего сигнала ШИМ к по меньшей мере одному транзистору, который является частью входной схемы, для управления частотой переключений. Транзистор, к которому может прикладываться управляющий сигнал ШИМ (действие 1340), может представлять собой транзистор, который является частью вольтодобавочного преобразователя входной схемы, и транзистор может быть частью переключателя, приводимого в действие вентилем, находящимся в коммуникации с контроллером или иным устройством, таким как программируемая пользователем вентильная матрица.
В одном варианте осуществления приложение управляющего сигнала ШИМ (действие 1340) включает приложение управляющего сигнала ШИМ к одному из первого транзистора и второго транзистора во входной схеме для управления его частотой переключений. В различных вариантах осуществления управление частотой переключений может выполняться для того, чтобы частота была неслышимой для человека (например, выше 20 кГц), чтобы частота была ниже некоторого максимального порогового значения (например, ниже 130 кГц или ниже 80 кГц), или чтобы частота находилась в некотором заданном диапазоне.
В некоторых вариантах осуществления разные управляющие сигналы ШИМ могут прикладываться к разным транзисторам. Например, приложение управляющего сигнала ШИМ (действие 1340) может включать приложение первого управляющего сигнала ШИМ к первому транзистору, который может быть частью схемы первого вольтодобавочного преобразователя, и приложение второго управляющего сигнала ШИМ ко второму транзистору, который может быть частью схемы второго вольтодобавочного преобразователя (Схемы вольтодобавочных преобразователей и их части в настоящем документе могут также называться просто вольтодобавочными преобразователями). В одном варианте осуществления способ 1300 включает действие по переключению режима работы вольтодобавочного преобразователя (действие 1345). Например, приложение управляющего сигнала ШИМ (действие 1340) включает приложение управляющего сигнала ШИМ к транзистору для переключения режима работы схемы вольтодобавочного преобразователя (действие 1345), частью которого является этот транзистор. Например, вольтодобавочные преобразователи могут работать в непрерывном режиме, при котором ток в индукторе в вольтодобавочном преобразователе остается выше нуля во время цикла линии. Вольтодобавочные преобразователи могут также работать в прерывистом режиме, при котором ток в индукторе падает до нуля и остается нулевым дольше некоторого минимального периода времени. Далее, вольтодобавочные преобразователи могут работать в условно прерывистом режиме, при котором ток в индукторе в вольтодобавочном преобразователе падает до нуля, но не остается нулевым в течение сколь-либо операционно значительного периода времени. Например, при условно прерывистом режиме работы управляющий сигнал ШИМ может приказывать транзистору перейти во включенное состояние, когда определено, что ток в индукторе равен нулю. В данном примере это приводит к нарастанию тока в индукторе, как показано на фигурах 7-9.
Продолжая описание, в одном варианте осуществления приложение управляющего сигнала ШИМ (действие 1340) включает приложение по меньшей мере одного управляющего сигнала ШИМ к по меньшей мере одному транзистору для обратимого переключения режима работы вольтодобавочного преобразователя (действие 1345), который содержит указанный транзистор, между непрерывным и условно прерывистым режимами работы. В этом варианте осуществления (при условно прерывистом режиме работы) ток в индукторе не остается нулевым в течение какого-либо операционно значительного периода времени во время цикла линии.
Вольтодобавочные преобразователи могут переключаться между режимами работы во время разных частей цикла линии. Например, входная схема, которая включает трехфазный выпрямитель, может работать в имеющем протяженность 0-360 градусов цикле линии переменного тока, который в настоящем документе называется просто циклом линии. В одном варианте осуществления переключение рабочего режима вольтодобавочного преобразователя (действие 1345) включает переключение режима работы вольтодобавочного преобразователя с условно прерывистого режима с переменной частотой на непрерывный режим с постоянной частотой в период 0-60 градусов цикла линии. В некоторых вариантах осуществления переключение рабочего режима вольтодобавочного преобразователя (действие 1345) может также включать управление переключениями транзистора для перевода вольтодобавочного преобразователя в условно прерывистый режим работы с переменной частотой в периоды 0-60, 120-240 и 300-360 градусов цикла линии. Переключение рабочего режима вольтодобавочного преобразователя (действие 1345) может также включать управление переключениями транзистора для перевода вольтодобавочного преобразователя в непрерывный режим работы с постоянной частотой (например, 80 кГц, 90 кГц или 130 кГц) в периоды 60-120 и 240-300 градусов 360-градусного цикла линии.
В одном варианте осуществления способ 1300 включает действие по переключению транзистора (действие 1350) во включенное состояние, когда величина обнаруженного тока равна нулю или по существу нулю. Переключение состояния транзистора (действие 1350) может включать регулировку продолжительности включения управляющего сигнала ШИМ для приведения в действие переключения транзистора. Например, переключение состояния транзистора (действие 1350) может включать регулировку управляющего сигнала ШИМ, прикладываемого к транзистору (действие 1340), для обратимого переключения по меньшей мере одного транзистора между включенным и выключенным состояниями. В одном варианте осуществления, когда обнаружен нулевой ток в индукторе (действие 1305), управляющий сигнал ШИМ генерируется (действие 1325) и прикладывается к транзистору (действие 1340) для того, чтобы приказать транзистору перейти во включенное состояние (действие 1350), вызвав нарастание тока от нуля.
В одном варианте осуществления рабочая частота, или частота переключений, входной схемы (или некоторых из ее компонентов, таких как вольтодобавочные преобразователи и транзисторы) (действия 1345 и 1350) может быть переменной во время условно прерывистого режима работы и постоянной во время непрерывного режима работы. В некоторых вариантах осуществления приложение управляющего сигнала ШИМ (действие 1340) к транзистору может обратимо переключать входную схему между одним из следующих режимов работы: непрерывный, прерывистый и условно прерывистый.
Следует отметить, что на фигурах 1-13 элементы, обозначенные позициями, показаны как отдельные элементы. Однако при реальном воплощении систем и способов, описанных в настоящем документе, они могут быть неотделимыми компонентами других электронных устройств, таких как цифровая вычислительная машина. Таким образом, действия, описанные выше, могут осуществляться, по меньшей мере, в частности, в программном обеспечении, которое может быть воплощено в изделии, имеющем запоминающее устройство для хранения программ. Запоминающее устройство для хранения программ включает средства передачи сигналов на одной или более несущей частоте и представляет собой компьютерный диск (магнитный или оптический (например, CD или DVD) или они оба), энергонезависимое запоминающее устройство, ленту-носитель, системную память или жесткий диск компьютера.
Применительно к вышесказанному, необходимо отметить, что системы и способы для управления системами бесперебойной подачи электроэнергии и другими системами предоставляют простой и эффективный способ контроля рабочей частоты входной схемы. Системы и способы согласно различным вариантам осуществления способны изменять состояния транзистора и контролировать работу схемы вольтодобавочного преобразователя. Это предоставляет системе бесперебойной подачи электроэнергии или другой системе возможность коррекции коэффициента мощности и снижения суммарного гармонического искажения.
Выражения «передний» и «задний», «левый» и «правый», «верхний» и «нижний» использовались лишь для удобства описания и не ограничивают предлагаемые системы и способы либо их составляющие каким-либо положением или пространственной ориентацией.
Упоминание в настоящем документе вариантов осуществления, элементов или действий, связанных с предлагаемыми системами и способами, в единственном числе не исключает их наличия во множественном числе, а упоминание в настоящем документе вариантов осуществления, элементов или действий во множественном числе не исключает их наличия в единственном числе. Иными словами, использование единственного или множественного числа не накладывает каких-либо ограничений на раскрываемые системы или способы, их компоненты, действия или элементы.
Любой вариант осуществления, раскрываемый в настоящем документе, может комбинироваться с любым другим вариантом осуществления, и выражения «вариант осуществления», «некоторые варианты осуществления», «альтернативный вариант осуществления», «различные варианты осуществления», «один вариант осуществления» и подобные не обязательно означают взаимоисключаемость вариантов осуществления, а показывают, что конкретный признак, конкретная конструкция или конкретная характеристика, описываемые применительно к данному варианту осуществления, могут быть включены по меньшей мере в один вариант осуществления. Элементы, называемые в настоящем документе, не обязательно имеются все одновременно в одном варианте осуществления. Любой вариант осуществления может комбинироваться с любым другим вариантом осуществления любым способом сообразно задачам, целям и потребностям, раскрытым в настоящем документе.
Союз «или» можно истолковывать включительно, т.е. таким образом, что перечисление объектов через союз «или» может показывать наличие одного, нескольких или всех из этих объектов.
Технические признаки на чертежах, в подробном описании и в формуле изобретения могут быть обозначены позициями, что сделано исключительно в целях повышения понятности чертежей, подробного описания и формулы изобретения. Соответственно, наличие позиции или ее отсутствие не накладывает каких-либо ограничений.
Специалист в данной области должен понимать, что системы и способы, описанные в настоящем документе, могут быть воплощены в других формах без выхода за рамки сущности изобретения. Например, системы и способы, описанные в настоящем документе, не ограничены их использованием в системах бесперебойной подачи электроэнергии и могут быть использованы в других системах подачи электроэнергии и вообще в любых других системах. Далее, входные схемы, описанные в настоящем документе, не ограничены выпрямителем 400. Конфигурации выпрямителей и схем, отличные от выпрямителя 400, входной схемы 110 и вариантов осуществления, описанных применительно к выпрямителю 400 и входной схеме 110, могут быть использованы с другими устройствами подачи электроэнергии и системами. Системы и способы, описанные в настоящем документе, включают как однофазные, так и трехфазные выпрямители. Например, однофазный выпрямитель, выполненный с возможностью коррекции коэффициента мощности, может иметь максимальную частоту переключений приблизительно 80 кГц, или половину частоты осуществления замеров. Трехфазный частично разделенный выпрямитель, выполненный с возможностью коррекции коэффициента мощности, может иметь максимальную частоту переключений 130 кГц, которая в одном варианте осуществления представляет собой максимальную частоту, которая ограничена возможностями переключателей выпрямителя. Трехфазный полностью разделенный выпрямитель, выполненный с возможностью коррекции коэффициента мощности, может иметь максимальную частоту переключений 40 кГц, или четверть частоты осуществления замеров. Описанные выше варианты осуществления, таким образом, следует истолковывать как примеры, а не как ограничения предлагаемых систем и способов. Объем систем и способов, описанных в настоящем документе, таким образом, определен прилагаемой формулой, а не приведенным выше описанием, и все модификации, которые находятся в рамках объема формулы изобретения, входят в объем настоящего изобретения.