ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
UNINTERRUPTED POWER SUPPLY SOURCE FOR AC LOADS

Предшествующие технические решения
Представленное изобретение относится к области электротехники и более конкретно к области систем бесперебойного питания (СБП) переменного тока, в которых источник бесперебойного питания (ИБП) при выходе из строя основного источника питания сети переменного тока (обычно - генератора) производит питание ответственных потребителей переменного тока путем преобразования электроэнергии постоянного тока, сохраненную в накопителе (например, в аккумуляторной батарее - АБ) в энергию переменного тока. При нормальной работе основной сети переменного тока ИБП производит заряд и затем подзаряд АБ путем выпрямления напряжения, подаваемого от основной сети.
Известен ИБП по патенту США №5563778 от 08.10.96, в котором при нормальной работе сети питание ответственных потребителей производится от основной сети альтернативно либо через последовательно включенные выпрямитель и инвертор, либо через обходную линию (байпас).
В случае выхода из строя источника основной сети питание ответственных потребителей производится только от АБ через инвертор. В этом ИБП может применяться принцип работы по типу "on-line", когда при любом состоянии основной сети питание ответственных потребителей осуществляется через инвертор 30 (фиг.1), и в случае даже внезапного отключения источника основной сети переход на питание от АБ происходит без перерыва питания. В этом ИБП (патент №5563778) предусмотрена также возможность работы по типу "off-line", при котором в условиях нормальной работы основной сети питание ответственных потребителей производится по обходной линии, а при отключении основного источника - через инвертор 30 от АБ. Для уменьшения времени перерыва питания ответственных потребителей в интервале переключения питания в цепь на выходе инвертора и в цепь обходной линии включены тиристорные выключатели. Блок-схема этого ИБП показана на фиг.1. От своих предшественников ИБП по фиг.1 отличается тем, что для гальванических развязок и использования разных уровней напряжения на выходе включен один 3-обмоточный трансформатор 150 вместо двух 2-обмоточных трансформаторов. Недостатки этого ИБП: увеличенная мощность выпрямителя, предназначенного для питания инвертора и одновременно для заряда АБ, и повышенные потери мощности в нормальных режимах (в выпрямителе и инверторе), что необходимо для осуществления работы по типу "on-line", а также включение в схему дополнительных тиристорных выключателей для ускорения процесса перевода нагрузки на инвертор и обратно. В одной из модификаций этого ИБП, кроме того, применен трансформатор на 50 (60) Гц, значительно более громоздкий и дорогой, чем трансформаторы высокой частоты, использованные в предложенном здесь ИБП.
Известен также ИБП, защищенный патентом США №6479970 от 12.11.2002, в котором применено звено высокой частоты, содержащее трехобмоточный трансформатор высокой частоты Т5 (фиг.2). К одной обмотке N3a и N3b трансформатора Т5 через адаптивный реверсивный преобразователь 40 и высокочастотный фильтр 54 присоединена аккумуляторная батарея (АБ)56. Ко второй обмотке подключена основная сеть через выпрямитель 18 и входной инвертор 26. К третьей обмотке, работающей на выходе, N2a и N2b, присоединен выпрямитель с фильтром 36 последовательно с которым включены низкочастотный фильтр 46 и затем к нему подключены ответственные потребители 48, требующие бесперебойного питания. В этом ИБП реализуется принцип действия, близкий к типу "on-line" - при нормальном режиме основной сети и в случае ее выхода из строя питание ответственных потребителей переменного тока производится через звено высокой частоты и низкочастотный инвертор. Отличие от классической системы "on-line", где развязка между выпрямителем в цепи питания от основной сети и АБ выполняется на постоянном токе и переход на питание от АБ происходит без перерыва, в этом ИБП развязка между АБ и основной сетью производится на переменном токе на трансформаторе Т5, и для перехода из одного режима в другой требуется небольшая пауза. Недостатком ИБП по фиг.2, как и в ИБП по фиг.1, остается необходимость в увеличенной мощности выпрямителя и увеличенные потери в нормальном режиме работы от основной сети.
Известна также система с ИБП, не имеющая некоторых недостатков первого и второго аналогов, защищенная патентом США №6160722 от 12.12.2000, наиболее близкая по технической сущности к заявленному изобретению и являющаяся его прототипом.
1
1
2
1
2
На фиг.3 показана схема ИБП - прототипа, в котором имеются 3 порта «входа-выхода» силовых цепей: порт источника 10 основной сети переменного тока (АС)401, предназначенный для подключения к основной сети АС; порт источника постоянного тока (DC) 431, предназначенный для подключения к нему АБ 460, и порт нагрузки 403, предназначенный для подключения к нему ответственных потребителей нагрузки переменного тока 20. При нормальной работе основной сети от источника 10 энергия передается через реактор L и выпрямитель 410 на шины 402а, 402b. Затем производится преобразование выпрямленного напряжения инвертором 430 в напряжение высокой частоты, подаваемое на двухобмоточный трансформатор высокой частоты T, и далее после выпрямления в реверсивном преобразователе энергия поступает на заряд (подзаряд) АБ 460. Одновременно в этом режиме производится питание ответственных потребителей переменного тока 20 от шин постоянного тока 402а, 402b через инвертор 420 со вторым последовательно включенным реактором L, т.е. в нормальном режиме работы основной сети питание ответственных потребителей осуществляется через выпрямитель 410, инвертор высокой частоты 430, выпрямитель, и затем инвертор промышленной частоты 420, из-за чего возрастают потери: увеличена установленная мощность выпрямителя и ИБП. В аварийном режиме, когда нарушается работа основной сети, питание ответственных потребителей переменного тока 20 производится от АБ 460 через инвертор высокой частоты 436, высокочастотный трансформатор T, реверсивный преобразователь, работающий в этом случае как выпрямитель (на элементах Q5, Q6, Д1, Д2 узла 430), и через инвертор 420 с последовательно включенным реактором L (на фиг.3 все устройства и цепи соединений представлены для однофазной схемы, что объясняется, вероятно тем, что этот ИБП рассматривается авторами как маломощное устройство). По этой причине и по тому, что, вероятнее всего, из-за малого напряжения на АБ авторы изобретения, защищенного патентом США №6160722, не столкнулись с необходимостью преодоления некоторых трудностей, связанных с вводом в схему звена высокой частоты, которые неизбежно возникают при относительно больших мощностях преобразователей, что будет рассмотрено ниже.
Кроме рассмотренных выше 3 аналогов не удалось найти более близких аналогов. Как будет видно из дальнейшего описания данного изобретения, в результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующих предложенный источник бесперебойного питания потребителей переменного тока, не была обнаружена, и таким образом, предлагаемое изобретение соответствует, на наш взгляд, условию патентоспособности - «новизна».
На основании сравнительного анализа предложенных технических решений с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков (в том числе и отличительных) и выполняемых ими функций, и достигаемых целей имеется неочевидная причинно-следственная связь. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что совокупность предложенных технических решений в предложенном устройстве не следуют явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует условию патентоспособности - «изобретательский уровень».
Предложенная совокупность технических решений может найти применение в источниках бесперебойного питания, в том числе в автономных электроэнергетических системах, и следовательно, данная совокупность технических решений соответствует условию патентоспособности - «промышленно применимо».
Описание
Предложенный в данном изобретении улучшенный мощный источник бесперебойного питания (ИБП) показан (как одна из модификаций) на фиг.4. В отличие от прототипа он имеет 2 порта силовых цепей входа-выхода: порт постоянного тока 10, к которому извне подключен узел накопителя электроэнергии, например аккумуляторной батареи (АБ) 11, и порт промышленной частоты 20, к которому извне подключены ответственные потребители переменного тока 32 и через автоматический выключатель 33 - остальная сеть переменного тока.
В состав ИБП 40 входят два основных звена: звено высокой частоты (ВЧ) 6, обеспечивающее необходимую гальваническую развязку между портами 10 и 20 с помощью входящего в это звено 6 трансформатора 5 (Т1) и звено автономного инвертора промышленной частоты 7, в основе которого лежит известная 3-фазная мостовая схема автономного инвертора 22 и LC-фильтр. Эти два звена 6 и 7 соединены последовательно и образуют обратимый преобразователь 40 (ОП).
ОП работает в двух основных установившихся режимах:
- в режиме питания потребителей переменного тока, когда ответственные потребители переменного тока 32 получают питание от АБ 11 через ОП 40;
- в режиме нормальной работы основной сети переменного тока 30, когда обычные потребители переменного тока 34 и ответственные потребители 32 получают питание от источника (например, синхронного генератора 35 (Г1) основной сети переменного тока 30, и через ОП 40 производится заряд или подзаряд АБ 11 и питание потребителей постоянного тока 16 (если таковые имеются).
С некоторой долей условности первый режим назван инверторным режимом ОП 40, а второй - выпрямительным режимом ОП 40.
Некоторая условность определяется тем, что, хотя ОП 40 в целом работает, например, в инверторном режиме, но входящий в его состав узел 21 звена высокой частоты 6 работает в выпрямительном режиме. Подобная ситуация возникает и в выпрямительном режиме ОП 40, когда входящий в его состав узел 21 звена высокой частоты 6 работает в инверторном режиме.
Основной технической задачей предложенного изобретения является минимизация габаритов и массы ИБП. Она была выполнена путем принятия ряда схемотехнических решений, позволивших в совокупности получить положительный результат.
Ниже рассматриваются эти технические решения.
1) ИБП выполнен по принципу обратимого преобразователя (ОП), у которого все узлы силовой части работают в обоих основных режимах - выпрямительном и инверторном, вместо использования в каждом из двух режимов отдельного комплекта узлов и элементов, при этом в нормальных режимах работы основной сети переменного тока 30 питание ответственных потребителей переменного тока 32 производится непосредственно от основной сети 30, а не через инвертор, как это происходит в ОП, выполненном по принципу «on-line»; к числу таких узлов относятся трансформатор 5, необходимый для гальванической развязки сетей постоянного и переменного тока, и подключенные к нему со стороны первичной (в инверторном режиме ОП) и вторичной (в том же режиме) обмоток стандартные транзисторно-диодные модули 14 и 21, каждый из которых работает либо в инверторном режиме модуля, когда используются все элементы модуля 141…148, 211…218, либо в выпрямительном режиме модуля, когда используются только обратные диоды 145…148, 215…218, а транзисторы не открываются; в инверторном режиме ОП 40 модуль 14, подключенный к первичной обмотке трансформатора 5 со стороны источника постоянного тока 11, работает в инверторном режиме модуля, а модуль 21, включенный с противоположной стороны трансформатора 5, работает в выпрямительном режиме модуля; в выпрямительном режиме ОП 40 функции модулей изменяются на противоположные, а именно: первый модуль 14 переходит в выпрямительный режим модуля, а другой модуль - в инверторный режим.
2) Звено автономного инвертора промышленной частоты 7, подключенное своими зажимами 421, 422 постоянного тока к зажимам постоянного тока 321, 322 звена высокой частоты 6 и зажимами переменного тока 423, 424, 425 через датчик тока 29 и автоматический выключатель 31, подключенный к зажимам порта переменного тока 20, выполнено на базе одного или нескольких, включенных параллельно, стандартных транзисторно-диодных модулей на транзисторах MOSFET или IGBT и 3-фазного LC-фильтра нижних частот 27 и 28, индуктивность которого в случае параллельного включения модулей также делится на то же число параллельно включенных 3-фазных групп индуктивностей при последовательном соединении одного модуля и одной 3-фазной группы индуктивностей, для более надежного равномерного деления тока между параллельно соединенными модулями. Это звено, хотя и названное звеном автономного инвертора, выполнено реверсивным, так же, как звено высокой частоты, работает в обоих установившихся режимах ОП 40 - инверторном и выпрямительном. В инверторном режиме ОП 40 звено 7 работает в режиме автономного инвертора, в выпрямительном режиме ОП 40 то же звено 7 выполняет функцию выпрямителя на том же стандартном модуле 22, транзисторы и обратные диоды которого соединены по схеме 3-фазного моста, и его обратные диоды позволяют выполнять эту функцию, а с помощью транзисторов, управляемых по методу синусоидальной ШИМ, формируют кривую противо-ЭДС для 3 фаз моста, регулируемую по амплитуде и фазе (по отношению к амплитуде и фазе напряжения в основной сети переменного тока), причем, изменяя величину (амплитуду) этой кривой, регулируют переток реактивной мощности, а изменяя фазовый сдвиг между гладкой составляющей (первой гармоникой) этой кривой и напряжением сети можно регулировать переток активной составляющей мощности в сеть или из основной сети переменного тока. Для обеспечения этого с помощью микропроцессорного контроллера производят переключение слаботочных цепей синхронизации импульсов отпирания всех силовых транзисторов от единого автономного генератора частоты к синхронизации от напряжения основной сети через узел фазовой автоподстройки частоты 46 (УПЧ) с дополнительным узлом подгонки фазы 47 (УПФ).
Вполне очевидно, что стандартный модуль 3-фазного моста может быть заменен на 3 модуля 1-фазных полумостов или отдельные модули 3-фазного инвертора и 3-фазного моста обратных диодов или на 6 одноключевых модулей, что, конечно, хуже, чем 3-фазный мост. Возможно также использование этого звена ОП для случаев однофазной сети переменного тока с применением модуля однофазного моста.
3) Для того чтобы в нормальном режиме работы основной сети 30 обеспечить питание ответственных потребителей 32 непосредственно от нее, но при улучшенном качестве электроэнергии в сети переменного тока в статических и динамических режимах предложено введение регулируемой генерации реактивной мощности от ОП 40 в сеть переменного тока 30.
Регулируемая генерация реактивной мощности в основную сеть переменного тока от ОП 40 в выпрямительном режиме работы производится не только в статике, но и в динамике, а именно после момента возникновения нарушения в работе основной сети переменного тока. В этом случае по сигналам от датчиков напряжения 38 (ДН3) и частоты 44 (ДЧ), которые отреагируют на неисправность, и/или от датчиков аварии в электроэнергетической системе (ЭЭС), не входящих в ИБП и не показанных на фиг.4, контроллер 8 формирует команду на отключение автоматического выключателя 33 (Q3), отделяющего ОП 40 с подключенными к нему ответственными потребителями от остальной сети переменного тока. Собственное время отключения мощного автоматического выключателя переменного тока составляет обычно 1-2 периода частоты сети, т.е. меньше 40 мс, после чего ОП 40 по команде контроллера 8 производится автоматическое включение ОП в работу в режиме автономного инвертора, питающего ответственных потребителей. В большинстве случаев столь короткий перерыв питания ответственных потребителей допустим, однако, этот перерыв питания может быть уменьшен (вплоть до 0) в тех случаях, когда в состав нагрузки переменного тока входят асинхронные или/и синхронные двигатели, подключенные статором непосредственно к сети переменного тока. Тогда путем регулируемой генерации реактивной мощности обратимым преобразователем 40 напряжение в сети переменного тока 30 поддерживается на уровне, близком к номинальной величине, для чего ОП 40 снабжен регулятором напряжения 43 (РН3) и датчиком напряжения 38 (ДН3), которые функционируют в установившемся выпрямительном режиме ОП 40 и продолжают работать в переходном режиме от момента возникновения неисправности в сети переменного тока до момента включения ОП 40 в режиме автономного инвертора. Таким путем ИБП, выполненный в виде ОП, за счет регулируемой генерации реактивной мощности по качеству электропитания ответственных потребителей становится практически равноценным с ИБП, выполненным по типу «on-line», сохраняя преимущества перед ним по установленной мощности выпрямителя, а значит по массе и габаритам.
Для ограничения тока, вытекающего от ОП 40 к основной сети переменного тока 30 при работе регулятора напряжения в выпрямительном режиме и в случае возникновения короткого замыкания в основной сети переменного тока 30, а также в питаемой сети в инверторном режиме ОП 40, в цепь переменного тока, подключенную к зажимам порта переменного тока 20 ОП 40, включены датчик тока 29 и соединенный с ним регулятор ограничения переменного тока 41 (РТ); для выполнения функций регулятора напряжения в выпрямительном режиме и регулятора ограничения тока может быть использован микропроцессорный контролер 8, входящий в состав ОП 40, с аналого-цифровым преобразователем.
4) Для обеспечения длительной работы ОП 40 в выпрямительном режиме, плавного (без бросков тока) перевода на основной источник и для регулирования перетока активной мощности через ИБП 40 он снабжен системой синхронизации на базе узла фазовой автоподстройки частоты 46 (УПЧ) (фиг.4) с дополнительным узлом подгонки фазы 47 (УПФ) и с возможностью использования жесткой импульсной синхронизации.
5) Введено реверсивное звено высокой частоты 6, выполненное на базе стандартных узлов 14 и 21 транзисторно-диодных ключевых элементов с одним или несколькими трансформаторами 5 (Т1) (на фиг.4 показана модификация с одним трансформатором), обеспечивающими гальваническую развязку между цепями постоянного тока и цепями переменного тока. Предложено звено высокой частоты, которое может быть выполнено в различных модификациях, различающихся по количеству трансформаторов и по схеме соединения их со стандартными транзисторно-диодными модулями в зависимости от мощности ИБП, уровней напряжения в схеме, необходимых для работы ИБП со стороны постоянного тока и переменного тока, от диапазона изменения напряжения в процессе разряда АБ 11, от параметров выбранных стандартных модулей, максимально допустимой единичной мощности трансформатора высокой частоты.
В настоящее время серийно выпускаются в разных странах и разными фирмами устройства со звеном высокой частоты - вторичные источники питания с относительно небольшой единичной мощностью - максимально - это единицы килоВатт. Предлагаемый ИБП рассчитан на номинальные мощности в десятки и сотни килоВатт, и, несмотря на большую мощность, частота коммутации в звене высокой частоты должна быть достаточно высокой - по предварительной оценке 40-100 кГц, чтобы получить эффект от введения такого звена. При таких частотах коммутации наиболее подходящими ключевыми элементами являются стандартные модули на транзисторах MOSFET и IGBT, управляемых драйверами 19, 23, 24 (фиг.4), и, возможно, на запираемых тиристорах IGCT. Наилучшими динамическими характеристиками обладают модули на MOSFET, и затем идут модули IGBT. С помощью этих модулей без параллельного и в некоторых случаях без последовательного соединения невозможно выполнить ИБП требуемой большой мощности. Известно, что транзисторы IGBT и особенно MOSFET могут включаться в параллель и обеспечивать равномерное распределение тока между ними без каких-либо дополнительных средств за счет влияния положительного температурного коэффициента сопротивления MOSFET в проводящем состоянии или напряжения анод-катод IGBT в проводящем состоянии, что позволяет включать транзисторы параллельно для наращивания мощности. Однако значительно более проблематично равномерное распределение напряжения между последовательно соединенными модулями. В предложенном многовариантном звене высокой частоты 6 путем использования стандартных модулей и трансформаторов с последовательным включением двух и более транзисторно-модульных ячеек на выходе этого звена при параллельном включении модулей на входе того же звена обеспечивается равномерное принудительное деление в статике напряжения между последовательно соединенными трансформаторно-модульными ячейками. Одновременно так же принудительно равномерно делится ток между параллельно включенными модулями, подключенными к другой обмотке трансформатора.
В предложенном многовариантном звене ВЧ, входящем в ОП 40, минимально возможное число последовательно включенных модулей или транзисторных ячеек однозначно определяется уровнем напряжения на входе звена автономного инвертора промышленной частоты 7, к которому подключается промежуточное звено ВЧ 6 с учетом диапазона изменения напряжения на АБ 11, а этот уровень напряжения, в свою очередь, однозначно определяется уровнем напряжения на зажимах порта переменного тока 20 ИБП 40. Минимальное число последовательных ячеек может быть определено следующим соотношением (по инверторному режиму ИБП):
вых.ном.хх.эф.
где U - номинальное эффективное напряжение на выходе ИБП в инверторном режиме при холостом ходе, эффективное значение;
мод.ном.
U - номинальное напряжение модуля;
- коэффициент преобразования по напряжению для 3-фазной мостовой схемы;
макс.
γ=0,9 - максимальный коэффициент заполнения ШИМ-регулирования;
- кратность изменения напряжения на аккумуляторной батарее;
ΔU
К=1,03 - коэффициент, учитывающий падение напряжения в транзисторах моста и в реакторах фильтра на выходе;
Uзап
К=2 - коэффициент запаса по напряжению для модуля.
мин.посл.
По расчету за N принимается ближайшее большее целое число. С помощью приведенного выражения может быть определено минимально необходимое число последовательно включенных трансформаторно-модульных ячеек для различных сочетаний номинальных параметров сетей переменного и постоянного тока, выбираемых транзисторных модулей, что будет подробнее описано ниже.
6) Еще одна особенность предложенного звена ВЧ 6 состоит в том, что модули 21, подключенные ко второй обмотке трансформатора, отнесенные ко второй группе модулей, хотя и имеют такую же, как модули 14 первой группы схему соединения элементов - 1-фазный мост, но имеют резко отличающуюся характеристику. Если модуль первой группы работает в режиме инвертора напряжения с конденсатором 13 (С 1) на входе и с широтным регулированием напряжения понижающего типа, то модуль второй группы работает в режиме инвертора тока с последовательно включенным реактором в звене постоянного тока модуля и с широтно-импульсным регулированием напряжения повышающего типа. Такое техническое решение позволяет использовать один и тот же трансформатор (без переключений в силовых цепях) в инверторном и выпрямительном режимах ОП; без такого решения пришлось бы делать либо отпайку в обмотке, либо лишнюю обмотку и производить переключения в силовой цепи, поскольку в выпрямительном режиме ОП 40 для заряда АБ 11, когда модуль второй группы работает в инверторном режиме, требуется более высокое напряжение в сети постоянного тока, чем при разряде АБ 11.
7) В звене ВЧ установлены планарные трансформаторы, например, производства фирмы Payton (см. журнал «Силовая электроника» №3, 2005 г.). Планарные трансформаторы и реакторы обеспечивают получение наименьших габаритов и массы. Другое преимущество этих элементов - маленькие величины реактанса рассеяния, малая величина потерь в трансформаторах и реакторах, и кроме того, вследствие выполнения обмоток печатным способом обеспечивается хорошая повторяемость параметров от одного к другому образцу, что существенно для мощных ИБП, содержащих большое число параллельно и последовательно включенных элементов.
Многовариантность исполнения звена ВЧ 6 обусловлена тем, что это звено наряду с выполнением своей основной задачи - гальванической развязкой сетей постоянного и переменного тока с помощью трансформаторов ВЧ 5, имеющих наименьшую возможную установленную мощность и соответственно массу и габариты, но и позволяет в некоторых вариантах получить дополнительные возможности по использованию элементной базы и возможности выбора наиболее рациональных параметров.
8) В ряде случаев (например в системах с АБ, имеющей большой диапазон изменения напряжения от разряженного до заряженного состояния - 175-320В) оказывается целесообразным включение между АБ и зажимами постоянного тока звена высокой частоты, обращенными к АБ, реверсивного импульсного преобразователя постоянного тока в постоянный ток (чоппера), стабилизирующего напряжение на зажимах постоянного тока ОП, т.е на входе в инверторном режиме. В выпрямительном режиме ОП этот же преобразователь должен обеспечивать регулирование напряжения на выходе в этом режиме в диапазоне заряда АБ.
В этом случае возможны 2 варианта выполнения преобразователя постоянного тока в постоянный ток:
- стабилизация напряжения на его выходе в инверторном режиме на нижнем уровне естественного диапазона изменения напряжения на АБ при разряде (например, 175В);
- стабилизация напряжения на выходе преобразователя постоянного тока на уровне или несколько выше верхнего предела диапазона изменения напряжения при заряде АБ. Такое решение позволит оптимизировать выбор транзисторных модулей. Низкое стабильное напряжение на входе инвертора звена высокой частоты, входящего в ОП, позволяет применить модули с низковольтными транзисторами, имеющими более высокое быстродействие и большие номинальные токи. В другом варианте более высокое стабильное напряжение позволяет уменьшить ток через транзисторы инвертора и позволит уменьшить число параллельно включаемых модулей на входе ОП в инверторном режиме. В каждом конкретном случае может применяться тот или другой вариант преобразователя постоянного тока в постоянный ток.
Для большей ясности рассмотрим более подробно 5 вариантов исполнения звена ВЧ 6 ОП 40, различающихся характерным исполнением звена ВЧ 6 и приведенные на фиг.4-8.
Наиболее простая модификация ОП 40 показана на фиг.4. Она пригодна для случаев, когда имеются в наличии транзисторы с номинальным напряжением 1200В, а в 3-фазной сети переменного тока 30, в которую входит ОП 40, номинальное линейное напряжение составляет 220В, или когда имеются транзисторы с номинальным напряжением 2200-2400В, а номинальное линейное напряжение в сети переменного тока составляет 380 В. В таких случаях может использоваться модификация без последовательного соединения ячеек или модулей. Для обеспечения повышенной мощности потребуется параллельное включение одноячейковых звеньев ВЧ 6, т.к. ограничена максимальная единичная мощность трансформатора.
Обратимый преобразователь 40 в силовой части состоит из подключенного к зажимам порта силовых цепей постоянного тока 10 через датчик тока 15 (ДТ1) конденсатор 13 (С1), подключенный параллельно к зажимам постоянного тока транзисторно-диодного стандартного модуля 14, в котором транзисторы 141…144 и обратные диоды 145…148 соединены по известной схеме однофазного моста, и параллельно конденсатору и к зажимам постоянного тока этого модуля включен датчик напряжения постоянного тока 18 (ДН1), а зажимы переменного тока модуля 14 подключены к выводам (1Н…1К) обмотки трансформатора 5, которая является первичной в инверторном режиме ОП, именуемая в дальнейшем первой, другая обмотка (2Н…2К) трансформатора 5 именуются второй, а модуль 14, подключенный к первой обмотке трансформатора 5, относится к первой группе модулей, модуль 21, подключенный ко второй обмотке трансформатора (2Н…2К), относится ко второй группе модулей звена высокой частоты 6. Модуль 21 второй группы так же как и модуль 14 первой группы имеет 4 транзистора 211…214 и 4 обратных диода 215…218, соединенных по 1-фазной мостовой схеме, подключен зажимами переменного тока ко второй обмотке трансформатора, а к его зажимам постоянного тока подключена цепь постоянного тока, в которую последовательно включен реактор 25 (L1), от которого цепи положительного и отрицательного полюсов подключаются к двум полюсам постоянного тока следующего звена ОП - звена автономного инвертора промышленной частоты 7. К этим зажимам постоянного тока модуля 22 подключен параллельно конденсатор большой емкости 26. Транзисторы и диоды стандартного модуля 22 соединены по схеме 3-фазного мостового инвертора напряжения. К зажимам переменного тока модуля 22 подключен 3-фазный LC-фильтр нижних частот, состоящий из 3-фазной группы индуктивностей 27, и 3-фазной группы конденсаторов 28, включенных параллельно к 3-фазной силовой цепи переменного тока ОП 40. Эта цепь проходит через последовательно включенный датчик тока 29 к силовым зажимам порта переменного тока 20 ОП 40. К этим зажимам силовой цепи переменного тока подключены датчик напряжения 37 (ДН2) и датчик частоты 44 (ДЧ) для регулирования напряжения на выходе ОП в инверторном режиме, а датчик ДН3 для регулирования напряжения на входе ОП в выпрямительном режиме. Еще один датчик напряжения (ДН4)контролирует напряжение на удаленной части ЭЭС для обеспечения возможности синхронизации с этим напряжением. Переключение цепей, идущих к датчикам ДН2, ДН3, ДН4 производят переключателем 45.
Для оговоренных выше исходных данных проверим, что можно ограничиться одной ячейкой без последовательного соединения модулей второй группы.
Рассмотрим принцип действия первой модификации ОП 40 (фиг.4), начиная с режима нормальной работы основной сети переменного тока. В этом режиме система управления транзисторами обоих силовых звеньев ОП 40 синхронизируется по частоте сети от напряжения, подаваемого к ОП от основной сети переменного тока. Частота в звене высокой частоты и несущая частота ШИМ звена автономного инвертора сформированы как кратные частоты основной сети переменного тока. Синхронизация произведена с помощью известной системы фазовой автоподстройки частоты, реализуемой с помощью стандартной микросхемы (ФАПЧ), в дополнение к которой введен контур регулирования подгонки фазы (УПФ) 47, обеспечивающий регулирование тока заряда АБ 11 по сигналу обратной связи от датчика постоянного тока 17 (ДТ2) на ступенях заряда или подзаряда АБ 11 со стабилизацией тока или по сигналу от датчика напряжения постоянного тока 18 (ДН1) на ступенях заряда или подзаряда АБ 11 со стабилизацией напряжения, подаваемого от ОП 40 к АБ 11. Транзисторами модуля 22 управляют по методу синусоидальной ШИМ так, что под действием регулятора тока 41 (РТ) и/или напряжения заряда 48 (РЗ) постоянного тока, изменяющих фазовый сдвиг опорных синусоидальных сигналов трех фаз относительно синхронизирующих напряжений, и в результате соответственно изменяется фаза гладкой составляющей противо-ЭДС, и тем самым регулируют ток и/или напряжение заряда АБ 11. Одновременно производят регулирование напряжения в сети переменного тока 30 с помощью датчика напряжения 38 (ДН3) и регулятора напряжения 43 (РН3), который воздействует на изменение амплитуды опорных синусоид и соответственно на изменение реактивной составляющей тока (мощности), и следовательно, напряжения в сети переменного тока. При таком способе регулирования напряжения в сети переменного тока не исключена возможность возникновения перегрузки по току, и поэтому ОП 40 дополнительно снабжен регулятором ограничения тока или токовой отсечкой 41 (РТ). Функции всех регуляторов и ШИМ-контроллеров могут быть возложены на микропроцессорный контроллер 8, выполняющий и другие функции управления, защиты, диагностики и входящий в состав ОП 40.
В ОП 40 большой мощности звено автономного инвертора промышленной частоты может выполняться при параллельном включении 2 или нескольких стандартных модулей, и тогда индуктивность 27 LC-фильтра делится на такое же число параллельных 3-фазных цепей, и каждая цепь индуктивностей включается последовательно в цепи переменного тока модуля 22, для лучшего деления тока между параллельно включенными модулями.
Звено 3-фазного инвертора 7 работает в выпрямительном режиме и обеспечивает подачу выпрямленного напряжения на зажимы постоянного тока модуля 21 второй группы звена высокой частоты, имеющего последовательную индуктивность 25 (L1) на входе и работающего в режиме инвертора тока с широтным регулированием повышающего типа, для чего в начале каждого полупериода отпираются оба транзистора одной или обоих стоек 1-фазного моста, и тем самым образуется контур короткого замыкания; ток в этом контуре, в который входит индуктивность 25 (L1), линейно нарастает, после чего остаются открытыми два транзистора, через которые в оставшуюся часть полупериода накопленная в индуктивности энергия передается через трансформатор и модуль первой группы 14, работающий в этом случае в выпрямительном режиме за счет обратных диодов 145…148 при запертых транзисторах 141…144. В случае параллельного включения двух или более групп в звене высокой частоты для равномерного деления тока между параллельно включенными узлами может производиться подрегулировка тока с помощью транзисторных инверторов второй группы, для чего в состав каждой группы входит датчик тока 15.
В процессе нормальной работы основной сети переменного тока 30 в ней может произойти неисправность, в результате которой в сети снижается напряжение и/или частота. По сигналам от датчиков частоты и/или напряжения или от какого-либо датчика неисправности в электроэнергетической системе микропроцессорный контроллер 8 формирует команду на отключение автоматического выключателя 33, отделяющего ОП 40, и подключенных к нему ответственных потребителей 32 от остальной сети переменного тока 30. До момента расхождения главных контактов выключателя 33 регулятор напряжения 43 стремится поддержать напряжение на зажимах переменного тока порта 20, воздействуя на увеличение амплитуды опорной синусоиды генератора ШИМ и увеличение генерации реактивной мощности. Одновременно с командой на отключение выпрямителя контроллер 8 формирует команду на запирание транзисторов 211…214 модуля 21, т.е. на прекращение выпрямительного режима ОП 40. В момент размыкания силовой цепи выключателем 31 по сигналу от его блок-контактов контроллер 8 дает команду на включение ОП 40 в инверторном режиме - разрешает прохождение импульсов на отпирание транзисторов 141…144 звена высокой частоты и на отпирание транзисторов 221…226 модуля 22, который включают в режиме 3-фазного автономного инвертора напряжения, контроллер 8, кроме того, формирует команду на отключение регуляторов выпрямительного режима и включение в работу регулятора напряжения инверторного режима 42, воздействующего на ШИМ-регулятор модуля 14 звена высокой частоты 6, обеспечивающего стабильность напряжения на выходе ОП 40 в его инверторном режиме.
В интервале от момента выявления неисправности в основной сети до момента отделения ОП с подключенными к нему ответственными потребителями частота в сети может постепенно снижаться вследствие выбега двигателей нагрузки, к которым не поступает активная мощность, т.к. ОП 40 еще не включен в инверторном режиме, а подается только реактивная мощность, обеспечивающая поддержание величины напряжения в сети. Управление транзисторами в начале аварийного режима производят от задающего генератора, синхронизируемого от напряжения сети, а затем по команде от микропроцессорного контроллера отключается цепь внешней синхронизации задающего генератора ОП 40, и он плавно переходит на собственную частоту, повышая частоту на выходе ОП 40 до номинального значения частоты в инверторном режиме.
AБ
сети ном.
Вторая модификация звена ВЧ соответствует более распространенному сочетанию уровней напряжения постоянного и переменного тока (U=290-180 В, U=380 B) (фиг.4). Для большей определенности примера мощность ОП 40 в инверторном режиме с учетом допустимой перегрузки составляет 100 кВт с cosφ=0,7, а максимальная величина тока заряда АБ 11 400 А. В качестве модулей для включения в состав первой и второй групп звена ВЧ 6 рассматривается применение модуля на транзисторах MOSFET или IGBT с номинальным напряжением 600 В, что позволяет выбрать частоту в звене ВЧ 50 кГц.
Минимальное допустимое число модулей, которое требуется включить последовательно при принятых исходных данных, составляет
Это означает, что следует включить последовательно не менее 4 модулей во второй группе и соответственно в первой группе тоже 4 модуля, соединенных в параллель на стороне постоянного тока. При принятых исходных данных в инверторном режиме ОП ток на входе модуля 14 составляет примерно
Это означает, что при использовании модулей с номинальными параметрами 600 В, 300 А может быть применена модификация звена ВЧ 6 с 4-мя трансформаторно-модульными ячейками, соединенными последовательно на выходе звена ВЧ и параллельно на входе звена ВЧ. Благодаря такой схеме соединения модулей обеспечивают в статике принудительное равномерное деление напряжения между 4-мя модулями 21 второй группы и принудительное равномерное деление тока между 4-мя модулями первой группы без использования других средств деления тока или напряжения.
Преимущества второй модификации ОП состоят в том, что вместо высоковольтных модулей на напряжение 2400В можно применить модуль с номинальным напряжением 600В с существенно более высоким быстродействием, что позволяет принять в звене более высокую частоту, тем самым уменьшить габариты и массу трансформаторов, реакторов и конденсаторов. Второе преимущество состоит в том, что в качестве модулей первой и второй групп, подключенных по разные стороны трансформатора - модули одного типа с одинаковыми параметрами, что оказывается более удобным в практике производства. И еще одно свойство этой модификации ОП тоже может быть полезным в производстве - коэффициент трансформации трансформатора близок к 1 и может быть принят равным 1, что упрощает выполнение трансформатора с обмотками печатного монтажа. Единичная мощность трансформатора составляет ~25 кВА, т.е. соответствует максимально допустимой величине планарных трансформаторов. При потребности в более высоких значениях мощности ОП 40 можно включить параллельно трансформаторы или 4 ячейки по фиг.5.
В остальном по принципу действия и режимам работы модификация по фиг.5 не отличается от модификации по фиг.4.
Для установок большой мощности более целесообразной может оказаться третья модификация ОП (фиг.6). Она отличается тем, что в ней могут использоваться низковольтные модули с транзисторами MOSFET, например, с номинальным напряжением 200 В, имеющие меньшие величины сопротивления в проводящем состоянии, больший номинальный ток, более высокое быстродействие и меньшие потери в статике и динамике.
В этом случае минимально необходимое число последовательно соединенных модулей второй группы составит
С небольшим запасом можно принять, что в звене ВЧ во второй группе последовательно должны быть включены 12 трансформаторно-модульных ячеек, и тогда в первой группе для обеспечения равномерного деления напряжения между ячейками второй группы требуется включить в параллель 12 модулей первой группы. В состав ОП будет входить 12 трансформаторно-модульных ячеек. При использовании в первой группе тех же модулей, что и в предыдущей модификации (фиг.5) на 600 В, 300 А в этой модификации может быть выполнен ОП мощностью 300 кВт, т.к. при мощности 100 кВт будет большая избыточность. Коэффициент трансформации тогда составит 3:1. Некоторый недостаток этой модификации для практики - применение в одном ОП транзисторных модулей разных типов с номинальными напряжениями 200 В и 600 В.
При еще большей единичной мощности ОП может быть использована модификация звена ВЧ, в которой сочетается параллельное и последовательное соединение модулей с каждой стороны трансформатора (фиг.7). В этой модификации применены одинаковые модули в первой и второй группах звена ВЧ с номинальным напряжением 200 В, для чего 3 группы по 12 ячеек должны быть включены последовательно на той стороне трансформатора, где модули были включены параллельно, и соединены в параллель 3 группы соединенных последовательно модулей второй группы. По такой схеме может быть выполнен ОП мощностью до 900 кВт с использованием низковольтных модулей с номинальным напряжением 200 В. Трансформаторы в этой модификации имеют такую же единичную мощность ~25 кВА, как и в предыдущих модификациях (фиг.4, 5, 6), коэффициент трансформации у них близок к 1.
Еще одна модификация звена ВЧ может оказаться полезной для применения в ОП 40 для распространенного сочетания номинального напряжения в сети переменного тока 380 В и номинального напряжения транзисторного модуля 1200 В, и с приемлемыми частотными свойствами. В этом случае требуется последовательное включение только двух модулей во второй группе модулей и соответственно параллельное соединение также двух модулей в первой группе модулей (фиг.8).
Предложенное для включения в ОП звено высокой частоты имеет, таким образом, следующие отличительные черты:
- возможность применения низковольтных полупроводниковых приборов в ИБП большой мощности с обеспечением в статике равномерного деления напряжения между последовательно соединенными модулями без применения дополнительных средств;
- обеспечивает возможность выполнения трансформатора 5 с коэффициентом трансформации, близким или равным 1;
- трансформаторы в звене ВЧ выполнены с суммарной минимально возможной типовой (установленной) мощностью, равной только активной мощности, передаваемой через трансформатор в одном из двух длительных режимов ОП 40 (как правило, в инверторном режиме, в котором величина активной мощности больше, чем в выпрямительном режиме); типовая (установленная) мощность не увеличивается на величину отношения максимального напряжения на АБ 11 к минимальному напряжению на ней, что обычно бывает, благодаря широтному регулированию напряжения, подаваемого на его первичную обмотку в инверторном режиме ОП 40 и сохранении тем самым вольт-секундной площади под кривой полуволны напряжения на обмотке;
- каждый трансформатор имеет только 2 обмотки;
- возможность варьировать единичную мощность трансформатора для выбора наиболее рациональной величины при сохранении одной и той же суммарной мощности трансформаторов.
Рассмотренное здесь последовательное включение трансформаторно-модульных ячеек, обеспечивающее равномерное деление напряжения в статике, не исключает применение дополнительных мер для устранения импульсных перенапряжений в динамике (например, с помощью варисторов).
На фиг.9 показаны схемы этих двух вариантов выполнения входных (имеется в виду - входные для инверторного режима ОП) цепей ОП. В варианте 1 (фиг.9, а) в инверторном режиме ОП входной преобразователь постоянного тока работает как понижающий чоппер, для чего с помощью транзистора 52 (Tp1) осуществляют широтно-импульсное регулирование напряжения на входе инверторного моста 14 и на конденсаторе 13. В этом режиме используется также обратный диод 56 (Д2) другой пары транзистор-диод. В выпрямительном режиме ОП этот же преобразователь постоянного тока работает в качестве повышающего чоппера, в котором транзистор ТР2 (55) образует в течение части периода коммутации (в замкнутом состоянии) коротко замкнутую цепь для закорачивания реактора 54 (L), и в другую часть того же периода энергия, накопленная в реакторе, передается через диод 53 (Д1) в конденсатор 51 (С2) и далее в АБ 11 (см. фиг.4).
В варианте 2 (фиг.9, б) применяется точно такой же реверсивный преобразователь постоянного тока, но отличающийся тем, что в инверторном режиме ОП он работает как повышающий чоппер, стабилизирующий более высокое, чем на входе напряжение, на входе инверторного моста 14 и конденсаторе 13, путем широтного регулирования с помощью транзистора 55 (ТР2) и диода 53 (Д1), а в выпрямительном режиме ОП - как понижающий чоппер, в котором используются транзистор 52 (ТР1) и обратный диод 56 (Д2) для регулирования напряжения или тока АБ. В обоих вариантах удобно то, что для обеспечения режима реверсивного преобразования может использоваться 1 стандартный модуль полумоста.
Любой из представленных вариантов преобразователя постоянного тока может быть использован в любой модификации ОП 40 (фиг.4÷8).
Выше для построения звена ВЧ 6 ОП 40 использовались стандартные модули инверторных однофазных полных мостов или 1-фазных полумостов, содержащие IGBT или MOSFET с обратными диодами. Однако в некоторых случаях более целесообразно использование модулей с другим составом и схемой соединения элементов, например модулей без обратных диодов (модуль 1-фазного моста на транзисторах MOSFET фирмы Microsemi типа APT160HM45T1G) в сочетании с отдельными модулями диодов, которые могут иметь более высокие номинальные токи, напряжения и лучше динамические свойства.
Источники информации
1) Патент US №5563778 от 08.10.1996 г.
2) Патент US №6479970 В2 от 12.11.2002 г.
3) Патент US №6160722 от 12.12.2000 г.
4) Журнал «Силовая электроника» №3, 2005 г.