МНОГОКАНАЛЬНЫЙ АГРЕГАТ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЕМ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА
MULTICHANNEL NO-BREAK AC AND DC POWER UNIT

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к системам резервного энергоснабжения, и может быть использовано для бесперебойного электропитания высокостабильными напряжениями постоянного тока 28,5 В и однофазного переменного тока с частотой 50 Гц, 230 В, потребителей различных объектов (подвижных и стационарных, промышленного и военного назначения).
Известен преобразователь напряжения (Патент РФ №2343615 «Реверсивный преобразователь напряжения для передачи электроэнергии между сетями переменного и постоянного тока», МПК H02J 9/06, патентообладатель: Закрытое акционерное общество "ИРИС", Россия), состоящий из соединенных последовательно сети напряжения переменного тока с группой потребителей напряжения переменного тока, первого датчика тока, первого фильтра, первого инвертора-выпрямителя, второго фильтра, второго инвертора-выпрямителя, трансформатора, третьего инвертора-выпрямителя, третьего фильтра, сети напряжения постоянного тока с аккумуляторной батареей; второго датчика тока, первого и второго датчика напряжения, аналого-цифрового преобразователя, первого, второго и третьего блока драйверов силовых ключей, микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством, модуля дискретного ввода-вывода, панели индикации и управления, часов реального времени, энергонезависимого запоминающего устройства, адаптера информационной шины, шины информационного обмена, внешней системы управления; к первому входу аналого-цифрового преобразователя подключен информационный выход первого датчика тока, ко второму входу через первый датчик напряжения подключен вход-выход сети напряжения переменного тока с группой потребителей напряжения переменного тока, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к первому входу микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством, ко второму входу микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством подключены часы реального времени, к третьему входу - энергонезависимое запоминающее устройство, к первому входу-выходу микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством через модуль дискретного ввода-вывода подключена панель индикации и управления, ко второму входу-выходу - через адаптер информационной шины и шину информационного обмена - внешняя система управления, первый выход микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством через первый блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу первого инвертора-выпрямителя; первой и второй группы потребителей напряжения постоянного тока, блока защиты и источника бесперебойного питания с аккумуляторной батареей, первая группа потребителей напряжения постоянного тока подключена к выходу второго фильтра, вторая группа потребителей напряжения постоянного тока подключена к выходу сети напряжения постоянного тока с аккумуляторной батареей, блок защиты включен в разрыв между третьим инвертором-выпрямителем и третьим фильтром, второй датчик тока включен в разрыв между третьим фильтром и сетью напряжения постоянного тока с аккумуляторной батареей, к третьему входу аналого-цифрового преобразователя подключен информационный выход второго датчика тока, к четвертому входу через второй датчик напряжения подключен вход-выход сети напряжения постоянного тока с аккумуляторной батареей, второй выход микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством через второй блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу второго инвертора-выпрямителя, третий выход через третий блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу третьего инвертора-выпрямителя, выход сети напряжения переменного тока с группой потребителей напряжения переменного тока подключен к входу источника бесперебойного питания с аккумуляторной батареей, выход источника бесперебойного питания с аккумуляторной батареей подключен к соответствующим входам электропитания микроконтроллера с оперативным запоминающим устройством аналого-цифрового преобразователя, первого, второго и третьего блока драйверов силовых ключей, модуля дискретного ввода-вывода, панели индикации и управления и адаптера информационной шины.
Основные недостатки известного преобразователя напряжения:
- использование тройного преобразования (с помощью первого, второго и третьего инвертора-выпрямителя) напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока и обратно;
- вследствие того, что для электропитания преобразователя используется только одна сеть переменного тока, бесперебойность электропитания потребителей (группа потребителей напряжения переменного тока, первая и вторая группа потребителей постоянного тока) после потери напряжения в этой сети обеспечивается путем использования энергии, запасенной в аккумуляторной батарее (входящей в состав сети напряжения постоянного тока). Это предопределяет применение аккумуляторной батареи достаточно большой емкости (соответствующих габаритов и стоимости), требующей регулярного технического облуживания;
- в составе источника бесперебойного питания слаботочных составных частей преобразователя (микроконтроллер с оперативным запоминающим устройством, первый, второй и третий блок драйверов силовых ключей и т.д.) имеется еще одна аккумуляторная батарея.
Наиболее близким по исполнению аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является многоканальное устройство бесперебойного электропитания (Патент РФ №2221320 «Устройство бесперебойного электропитания многоканальное стабилизирующее», МПК 8 H02J 7/34, патентообладатели: Никитин И.Е., Бушуев В.М.). Многоканальное стабилизирующее устройство бесперебойного электропитания, содержащее сетевой выпрямитель, выводами переменного тока подключенный к промышленной сети электроснабжения переменного тока, а выводами постоянного тока - к входным выводам зарядно-буферного преобразователя (ЗБП), выходные выводы постоянного тока которого подключены к выводам резервной аккумуляторной батареи и к входным выводам преобразователей постоянного напряжения (ППН) по числу каналов выходного напряжения, при этом ЗБП и ППН выполнены по схеме высокочастотного преобразования энергии и состоят из первого инвертора, узла управления с ШИМ-регулятором и трансформаторно-выпрямительного узла (ТВУ), первичная обмотка трансформатора которого подключена к выводам переменного тока первого инвертора, выводы управления первых инверторов ЗБП и ППН связаны с выходными выводами соответствующего узла управления, а выходы постоянного тока ТВУ образуют выходные выводы соответствующих ЗБП и ППН, причем в каждый ППН введены второй инвертор и коммутатор импульсов управления (КИУ), а выходной трансформатор ТВУ каждого ППН снабжен второй первичной обмоткой, которая подключена к выводам переменного тока второго инвертора, соответствующего ППН, входные выводы указанного второго инвертора подключены к выводам постоянного тока сетевого выпрямителя, причем выходные выводы узла управления каждого ППН подключены к входным выводам соответствующего КИУ, первые выходные выводы которого подключены к выводам управления первого инвертора, а вторые выходные выводы - к выводам управления второго инвертора, а вывод контроля напряжения - к выводам постоянного тока сетевого выпрямителя.
Недостатками многоканального устройства бесперебойного электропитания является следующее:
- в устройстве обеспечивается возможность бесперебойного электропитания только двух потребителей напряжением постоянного тока и вовсе не предусмотрено бесперебойное электропитание потребителей напряжением переменного тока;
- вследствие того, что для электропитания устройства используется только одна сеть переменного тока, бесперебойность электропитания потребителей, подключаемых к выходам постоянного тока ТВУ, после потери напряжения в этой сети обеспечивается путем использования энергии, запасенной в аккумуляторной батарее. Для достаточно длительной бесперебойной работы ответственных потребителей (как и в случае с аналогом) также требуется применение аккумуляторной батареи достаточно большой емкости.
Кроме этого, состав силового оборудования данного устройства несколько избыточен, так как в составе выходных преобразователей напряжения для питания потребителей используются по два инвертора, один из которых работает только от аккумуляторной батареи, а второй - только от питающей промышленной сети (через сетевой выпрямитель).
В данном устройстве используются «узлы управления с ШИМ-регулятором», которые в современной силовой электронике, как правило, реализуются на базе универсальных интегральных микросхем - микроконтроллеров. Поэтому авторы используют термин: «микроконтроллер» вместо «узла управления с ШИМ-регулятором», как в прототипе.
Целью изобретения является обеспечение бесперебойности гарантированного электроснабжения потребителей напряжением постоянного и переменного тока, связанное с решением следующего комплекса задач:
- возможность использования для электропитания многоканального агрегата бесперебойного питания одновременно двух сетей (основной и резервной) переменного тока;
- обеспечение возможности разделения потребителей в многоканальном агрегате бесперебойного питания на две основные группы: группа потребителей, допускающая кратковременный перерыв электропитания, и группа ответственных потребителей, требующая полную бесперебойность гарантированного электропитания;
- обеспечение эффективного нормального, ускоренного и т.д. заряда аккумуляторной батареи;
- снижение номинальной емкости аккумуляторной батареи (соответственно габаритов и стоимости) до значения, достаточного только для обеспечения процессов переключения с основной на резервную сеть переменного тока и обратно, а также для продолжения работы только ответственных потребителей в течение небольшого (несколько минут) промежутка времени, необходимого для безаварийного завершения их работы (например, корректное завершение работы системного программного обеспечения средств вычислительной техники) после отключения основной и резервной сети переменного тока;
- бесперебойное гарантированное электропитание потребителей напряжением переменного стабилизированного синусоидального однофазного тока 230 В, 50 Гц;
- бесперебойное гарантированное электропитание потребителей высокостабильным напряжением постоянного тока 28,5 В.
Поставленная цель достигается тем, что в многоканальный агрегат бесперебойного питания потребителей напряжением переменного и постоянного тока, состоящий из первого, второго и третьего инвертора, подключенных через первый выпрямитель к основной сети переменного тока 3~50 Гц, 230 В, выход первого инвертора подключен к входу аккумуляторной батареи, вход аккумуляторной батареи соединен с четвертым входом второго микроконтроллера, первый выход которого, в свою очередь, соединен с управляющим входом первого инвертора, выход второго инвертора, через последовательно соединенные первый трансформатор и второй выпрямитель, подключен к группе потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока 28,5 В, выход третьего микроконтроллера соединен с управляющим входом второго инвертора, выход третьего инвертора через последовательно соединенные второй трансформатор и третий выпрямитель подключен к группе потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока 28,5 В, выход четвертого микроконтроллера соединен с управляющим входом третьего инвертора, введены резервная сеть переменного тока 3~50 Гц, 230 В, первый, второй и третий коммутатор; блок вентиляторов, блок управления вентиляторами, первый и второй датчик температуры воздуха; первая, вторая и третья группа потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В; первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой блок питания; первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой датчик напряжения; фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений, фильтр радиопомех, схема распределения трехфазного напряжения переменного тока 3~50 Гц, 230 В, в однофазное напряжение переменного тока 1~50 Гц, 230 В, блок развязывающих диодов, первый и пятый микроконтроллер; четвертый инвертор, первый, второй, третий и четвертый фильтр; первый, второй, третий и четвертый датчик тока; первый, второй, третий и четвертый блок драйверов силовых ключей; группа потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В, и развязывающий диод; в разрыв между основной сетью переменного тока 3~50 Гц, 230 В, и первым выпрямителем включены последовательно соединенные первый коммутатор и фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений, последовательно соединенные резервная сеть переменного тока 3~50 Гц, 230 В, и второй коммутатор подключены к входу фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений; выход основной сети переменного тока 3~50 Гц, 230 В, подключен к входу первого блока питания и через первый датчик напряжения к первому входу первого микроконтроллера; выход резервной сети переменного тока 3~50 Гц, 230 В, подключен к входу второго блока питания и через второй датчик напряжения ко второму входу первого микроконтроллера, первый выход первого микроконтроллера соединен с управляющим входом первого коммутатора, второй выход - с управляющим входом второго коммутатора, третий выход - с третьим входом второго, третьего, четвертого и пятого микроконтроллера; к первому входу блока развязывающих диодов подключен выход первого блока питания, ко второму входу - выход второго блока питания; выход блока развязывающих диодов подключен к входу питания первого микроконтроллера; в разрыв между первым выпрямителем и первым, вторым и третьим инвертором включен фильтр радиопомех, выход фильтра радиопомех подключен к входу четвертого инвертора, к входу третьего, четвертого, пятого и шестого блока питания, к выходу развязывающего диода, к входу третьего, пятого, шестого и седьмого датчика напряжения; в разрыв между первым инвертором и аккумуляторной батарей включены последовательно соединенные первый фильтр и первый датчик тока, выход которого, в свою очередь, соединен с четвертым датчиком напряжения, выход аккумуляторной батареи через третий коммутатор подключен к входу развязывающего диода; в разрыв между первым выходом второго микроконтроллера и управляющим входом первого инвертора включен первый блок драйверов силовых ключей, второй выход второго микроконтроллера соединен с управляющим входом третьего коммутатора, первый вход второго микроконтроллера соединен с третьим датчиком напряжения, второй вход - со вторым датчиком температуры воздуха, четвертый вход - с четвертым датчиком напряжения, пятый вход - с информационным выходом первого датчика тока, выход третьего блока питания подключен к входу питания второго микроконтроллера; выход фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений подключен к входу схемы распределения трехфазного напряжения переменного тока 3~50 Гц, 230 В, в однофазное напряжение переменного тока 1~50 Гц, 230 В, первый выход которой подключен к первому входу блока управления вентиляторами и к первой группе потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В, второй выход - ко второй группе потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В, третий выход - к третьей группе потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В; первый датчик температуры воздуха подключен к второму входу блока управления вентиляторами, выход которого подключен к блоку вентиляторов; в разрыв между вторым выпрямителем и группой потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока 28,5 В включены последовательно соединенные второй фильтр и второй датчик тока, информационный выход которого соединен со вторым входом третьего микроконтроллера, в разрыв между выходом третьего микроконтроллера и управляющим входом второго инвертора включен второй блок драйверов силовых ключей, первый вход третьего микроконтроллера соединен с выходом пятого датчика напряжения, четвертый блок питания подключен к входу питания третьего микроконтроллера; в разрыв между третьим выпрямителем и группой потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока 28,5 В включены последовательно соединенные третий фильтр и третий датчик тока, информационный выход которого соединен со вторым входом четвертого микроконтроллера, в разрыв между выходом четвертого микроконтроллера и управляющим входом третьего инвертора включен третий блок драйверов силовых ключей, первый вход четвертого микроконтроллера соединен с выходом шестого датчика напряжения, пятый блок питания подключен к входу питания четвертого микроконтроллера; выход четвертого инвертора через последовательно соединенные четвертый фильтр и четвертый датчик тока подключен к группе потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В, информационный выход четвертого датчика тока соединен со вторым входом пятого микроконтроллера, выход пятого микроконтроллера через четвертый блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу четвертого инвертора, первый вход пятого микроконтроллера соединен с выходом седьмого датчика напряжения, шестой блок питания подключен к входу питания пятого микроконтроллера.
Кроме этого, для достижения поставленной цели в многоканальном агрегате бесперебойного питания потребителей напряжением переменного и постоянного тока:
- первый микроконтроллер выполнен с возможностью автоматического опроса первого и второго датчиков напряжения, автоматического управления первым и вторым коммутатором, автоматического формирования команды «Начать работу» для второго микроконтроллера, команд «Начать работу» и «Прекратить работу» для третьего микроконтроллера, команд «Начать работу» и «Продолжить работу от аккумуляторной батареи» для четвертого и пятого микроконтроллера;
- второй микроконтроллер выполнен с возможностью автоматического приема и отработки команды «Начать работу» от первого микроконтроллера; автоматического опроса третьего и четвертого датчиков напряжения, первого датчика тока и второго датчика температуры воздуха; автоматического управления первым инвертором и третьим коммутатором;
- третий микроконтроллер выполнен с возможностью автоматического приема и отработки команд «Начать работу» и «Прекратить работу» от первого микроконтроллера; автоматического опроса пятого датчика напряжения и второго датчика тока; автоматического управления вторым инвертором;
- четвертый микроконтроллер выполнен с возможностью автоматического приема и отработки команд «Начать работу» и «Продолжить работу от аккумуляторной батареи» от первого микроконтроллера; автоматического опроса шестого датчика напряжения и третьего датчика тока; автоматического управления третьим инвертором;
- пятый микроконтроллер выполнен с возможностью автоматического приема и отработки команд «Начать работу» и «Продолжить работу от аккумуляторной батареи» от первого микроконтроллера; автоматического опроса седьмого датчика напряжения и четвертого датчика тока; автоматического управления четвертым инвертором.
Сущность изобретения поясняется структурной схемой многоканального агрегата бесперебойного питания потребителей напряжением переменного и постоянного тока. Согласно схеме агрегат бесперебойного питания включает основную 1 и резервную 25 сеть переменного тока 3~50 Гц, 230 В; первый 2, второй 26 и третий 49 коммутатор; блок вентиляторов 3; блок управления вентиляторами 4; первый 5 и второй 54 датчик температуры воздуха; первую 6, вторую 13 и третью 16 группу потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В; первый 7, второй 17, третий 55, четвертый 27, пятый 43 и шестой 57 блок питания; первый 8, второй 18, третий 47, четвертый 41, пятый 28, шестой 44 и седьмой 58 датчик напряжения; фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений 9; первый 10, второй 21 и третий 36 выпрямитель, фильтр радиопомех 11, схему распределения трехфазного напряжения переменного тока 3~50 Гц, 230 В, в однофазное напряжение переменного тока 1~50 Гц, 230 В 12; блок развязывающих диодов 14; первый 15, второй 48, третий 30, четвертый 46 и пятый 60 микроконтроллер; первый 31, второй 19, третий 34 и четвертый 50 инвертор; первый 20 и второй 35 трансформатор; первый 32, второй 22, третий 37 и четвертый 51 фильтр; первый 33, второй 23, третий 38 и четвертый 52 датчик тока; группу потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока 28,5 В 24; первый 40, второй 29, третий 45 и четвертый 59 блок драйверов силовых ключей; группу потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока 28,5 В 39; аккумуляторную батарею 42; группу потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В 53 и развязывающий диод 56. Первый 31, второй 19 и третий 34 инвертор подключены через первый выпрямитель 10 к основной сети переменного тока 3~50 Гц, 230 В 1, выход первого инвертора 31 подключен к входу аккумуляторной батареи 42, вход аккумуляторной батареи 42 соединен с четвертым входом второго микроконтроллера 48, первый выход которого, в свою очередь, соединен с управляющим входом первого инвертора 31; выход второго инвертора 19, через последовательно соединенные первый трансформатор 20 и второй выпрямитель 21, подключен к группе потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока 28,5 В 24, выход третьего микроконтроллера 30 соединен с управляющим входом второго инвертора 19; выход третьего инвертора 34, через последовательно соединенные второй трансформатор 35 и третий выпрямитель 36, подключен к группе потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока 28,5 В 39, выход четвертого микроконтроллера 46 соединен с управляющим входом третьего инвертора 34. В разрыв между основной сетью переменного тока 3~50 Гц, 230 В 1 и первым выпрямителем 10 включены последовательно соединенные первый коммутатор 2 и фильтр импульсно-коммутационных перенапряжений 9, последовательно соединенные резервная сеть переменного тока 3~50 Гц, 230 В 25 и второй коммутатор 26 подключены к входу фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений 9; выход основной сети переменного тока 3~50 Гц, 230 В 1 подключен к входу первого блока питания 7 и через первый датчик напряжения 8 к первому входу первого микроконтроллера 15; выход резервной сети переменного тока 3~50 Гц, 230 В 25 подключен к входу второго блока питания 17 и через второй датчик напряжения 18 ко второму входу первого микроконтроллера 15, первый выход первого микроконтроллера 15 соединен с управляющим входом первого коммутатора 2, второй выход - с управляющим входом второго коммутатора 26, третий выход - с третьим входом второго 48, третьего 30, четвертого 46 и пятого 60 микроконтроллера; к первому входу блока развязывающих диодов 14 подключен выход первого блока питания 7, ко второму - выход второго блока питания 17; выход блока развязывающих диодов 14 подключен к входу питания первого микроконтроллера 15. В разрыв между первым выпрямителем 10 и первым 31, вторым 19 и третьим 34 инвертором включен фильтр радиопомех 11, выход фильтра радиопомех 11 подключен к входу четвертого инвертора 50, к входу третьего 55, четвертого 27, пятого 43 и шестого 57 блока питания, к выходу развязывающего диода 56, к входу третьего 47, пятого 28, шестого 44 и седьмого 58 датчика напряжения. В разрыв между первым инвертором 31 и аккумуляторной батарей 42 включены последовательно соединенные первый фильтр 32 и первый датчик тока 33, выход которого, в свою очередь, соединен с четвертым датчиком напряжения 41, выход аккумуляторной батареи 42 через третий коммутатор 49 подключен к входу развязывающего диода 56; в разрыв между первым выходом второго микроконтроллера 48 и управляющим входом первого инвертора 31 включен первый блок драйверов силовых ключей 40, второй выход второго микроконтроллера 48 соединен с управляющим входом третьего коммутатора 49, первый вход второго микроконтроллера 48 соединен с третьим датчиком напряжения 47, второй вход - со вторым датчиком температуры воздуха 54, четвертый вход - с четвертым датчиком напряжения 41, пятый вход - с информационным выходом первого датчика тока 33, выход третьего блока питания 55 подключен к входу питания второго микроконтроллера 48. Выход фильтра импульсно-коммутационных перенапряжений 9 подключен к входу схемы распределения трехфазного напряжения переменного тока 3~50 Гц, 230 В, в однофазное напряжение переменного тока 1~50 Гц, 230 В 12, первый выход которой подключен к первому входу блока управления вентиляторами 4 и к первой группе потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В 6, второй выход - ко второй группе потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В 13, третий выход - к третьей группе потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В 16. Первый датчик температуры воздуха 5 подключен ко второму входу блока управления вентиляторами 4, выход которого подключен к блоку вентиляторов 3. В разрыв между вторым выпрямителем 21 и группой потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока 28,5 В 24 включены последовательно соединенные второй фильтр 22 и второй датчик тока 23, информационный выход которого соединен со вторым входом третьего микроконтроллера 30, в разрыв между выходом третьего микроконтроллера 30 и управляющим входом второго инвертора 19 включен второй блок драйверов силовых ключей 29, первый вход третьего микроконтроллера 30 соединен с выходом пятого датчика напряжения 28, четвертый блок питания 27 подключен к входу питания третьего микроконтроллера 30. В разрыв между третьим выпрямителем 36 и группой потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока 28,5 В 39 включены последовательно соединенные третий фильтр 37 и третий датчик тока 38, информационный выход которого соединен со вторым входом четвертого микроконтроллера 46, в разрыв между выходом четвертого микроконтроллера 46 и управляющим входом третьего инвертора 34 включен третий блок драйверов силовых ключей 45, первый вход четвертого микроконтроллера 46 соединен с выходом шестого датчика напряжения 44, пятый блок питания 43 подключен к входу питания четвертого микроконтроллера 46. Выход четвертого инвертора 50, через последовательно соединенные четвертый фильтр 51 и четвертый датчик тока 52, подключен к группе потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В 53, информационный выход четвертого датчика тока 52 соединен со вторым входом пятого микроконтроллера 60, выход пятого микроконтроллера 60 через четвертый блок драйверов силовых ключей 59 подключен к управляющему входу четвертого инвертора 50, первый вход пятого микроконтроллера 60 соединен с выходом седьмого датчика напряжения 58, шестой блок питания 57 подключен к входу питания пятого микроконтроллера 60.
Предлагаемый агрегат бесперебойного питания работает следующим образом.
Перед началом работы необходимо подать питающее напряжение на агрегат бесперебойного питания от основной 1 или резервной 25 сети напряжения переменного тока 3~50 Гц, 230 В. При включении одной из сетей (основная 1 или резервная 25 сеть) или обеих сетей сразу получают электропитание первый 7 или/и второй 17 блок питания. Через блок развязывающих диодов 14 питающее напряжение от одного из работающих блоков питания (7 или 17) поступает на вход питания первого микроконтроллера 15. Так как конструкцией агрегата бесперебойного питания предусмотрено, что номинальное выходное напряжение первого блока питания 7 немного (доли вольт) больше номинального выходного напряжения второго блока питания 17, при работающих одновременно первом 7 и втором 17 блоках питания блок развязывающих диодов 14 пропускает ток, который питает первый микроконтроллер 15 только от первого блока питания 17, одновременно «изолируя» второй блок питания 17 от первого микроконтроллера 15 (то есть блок питания 17 в этом случае работает без нагрузки и находится в «горячем резерве»). В случае исчезновения напряжения в основной сети 1 и наличия его в резервной сети 25 ток, питающий первый микроконтроллер 15, станет поступать уже от второго блока питания 17.
Первый микроконтроллер 15 в соответствии с «прошитой» в его памяти программой определяет значение напряжения основной сети 1 и, если оно находится в допустимом интервале значений (например, ±10% от номинального значения), с помощью первого выхода выдает на управляющий вход первого коммутатора 2 сигнал на срабатывание. При этом основная сеть 1 подключается к фильтру импульсно-коммутационных перенапряжений 9, выполняющего фильтрацию напряжения, которое далее через схему распределения трехфазного напряжения переменного тока 3~50 Гц, 230 В, в однофазное напряжение переменного тока 1~50 Гц, 230 В 12 поступает на первую 6, вторую 13 и третью 16 группу потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В. Одновременно от первого выхода схемы распределения трехфазного напряжения 12 получает питание блок управления вентиляторами 4, который с помощью датчика температуры воздуха 5 (установленного в верхней части внутреннего объема агрегата бесперебойного питания) и в зависимости от текущей температуры воздуха включает/выключает блок вентиляторов 3, обеспечивающий принудительное охлаждение агрегата. Кроме этого, отфильтрованное от импульсно-коммутационных перенапряжений напряжение переменного тока последовательно проходит первый выпрямитель 10 и фильтр радиопомех 11, преобразуясь в напряжение постоянного тока. В агрегате бесперебойного питания выход фильтра радиопомех 11 образует так называемую «Общую шину напряжения постоянного тока», напряжение с которой поступает на третий 55, четвертый 27, пятый 43 и шестой 57 блок питания, обеспечивающие соответственно работу второго 48, третьего 30, четвертого 46 и пятого 60 микроконтроллера, а также на входы первого 31, второго 19, третьего 34 и четвертого 50 инвертора. Кроме этого, данное напряжение постоянного тока поступает и на развязывающий диод 56 (в данном случае - на катод развязывающего диода). Далее первый микроконтроллер 15 с помощью третьего выхода в соответствии с «прошитой» в его памяти программой выдает на четвертый вход второго 48, третьего 30, четвертого 46 и пятого 60 микроконтроллера команду «Начать работу».
Получив команду «Начать работу», второй микроконтроллер 48 с помощью третьего датчика напряжения 47 определяет значение напряжения постоянного тока на входе первого инвертора 31 и формирует управляющие воздействия на него через первый блок драйверов силовых ключей 40. Напряжение, сгенерированное первым инвертором 31, после фильтрации первым фильтром 32 поступает на аккумуляторную батарею 42, обеспечивая ее заряд. Для оптимального регулирования процесса двухступенчатого заряда (1-я ступень: при постоянном токе, равном 10-часовому току заряда; 2-я ступень: при постоянном напряжении с уменьшением зарядного тока от значения, равного ориентировочно 10-часовому току, практически до нулевого) аккумуляторной батареи 42 второй микроконтроллер 48 с помощью первого датчика тока 33, четвертого датчика напряжения 41 и второго датчика температуры воздуха 54 (установленного в отсеке аккумуляторной батареи 42) получает соответственно текущие значения: зарядного тока, напряжения на клеммах и температуры окружающей среды аккумуляторной батареи 42. После заряда аккумуляторной батареи 42 до минимально необходимой емкости (для обеспечения бесперебойного электропитания ответственных потребителей: группы потребителей 39 и 53 после отключения питающих сетей 1 и 25), второй микроконтроллер 48 с помощью второго выхода выдает на управляющий вход третьего коммутатора 49 сигнал на срабатывание. При этом аккумуляторная батарея 42 подключается к развязывающему диоду 56 (в данном случае - к аноду развязывающего диода). Так как конструкцией агрегата бесперебойного питания предусмотрено, что значение напряжения постоянного тока, поступающего от выхода фильтра радиопомех 11 на катод развязывающего диода 56, всегда на несколько вольт превышает значение напряжения постоянного тока, поступающего от аккумуляторной батареи 42 на анод развязывающего диода 56, развязывающий диод 56 «изолирует» аккумуляторную батарею 42 от «Общей шины напряжения постоянного тока» агрегата бесперебойного питания.
В свою очередь, получив команду «Начать работу» от первого микроконтроллера 15, третий микроконтроллер 30 с помощью пятого датчика напряжения 28 определяет значение напряжения постоянного тока на входе второго инвертора 19 и формирует управляющие воздействия на него через второй блок драйверов силовых ключей 29. Напряжение переменного тока, сгенерированное вторым инвертором 19, понижается первым трансформатором 20 (обеспечивающим также гальваническую развязку канала преобразования), преобразуется вторым выпрямителем 21 и вторым фильтром 22 в напряжение постоянного тока и поступает на группу потребителей стабилизированного напряжения постоянного тока 28,5 В 24. Для оптимального регулирования процесса преобразования напряжения постоянного тока, поступающего на вход второго инвертора 19, в напряжение постоянного тока 28,5 В для группы потребителей 24 третий микроконтроллер 30 с помощью пятого датчика напряжения 28 и первого датчика тока 33 получает соответственно текущие значения: входного напряжения и выходного тока канала преобразования.
Аналогично работает четвертый микроконтроллер 46, обеспечивая электропитание группы потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока 28,5 В 39.
Пятый микроконтроллер 60 с помощью седьмого датчика напряжения 58 определяет значение напряжения постоянного тока на входе четвертого инвертора 50 и формирует управляющие воздействия на него через четвертый блок драйверов силовых ключей 59. Напряжение переменного тока, сгенерированное четвертым инвертором 50, поступает через четвертый фильтр 51 на группу потребителей стабилизированного напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В 53. Для оптимального регулирования процесса преобразования напряжения постоянного тока, поступающего на вход второго инвертора 19, в напряжение переменного тока 1~50 Гц, 230 В, для группы потребителей 53, пятый микроконтроллер 60 с помощью седьмого датчика напряжения 58 и четвертого датчика тока 52 получает соответственно текущие значения: входного напряжения и выходного тока канала преобразования.
При понижении значения напряжения основной сети 1 ниже допустимого уровня (например, менее 0,8 номинального значения или при исчезновении напряжения совсем) первый микроконтроллер 15, в соответствии с «прошитой» в его памяти программой, с помощью первого выхода отключит первый коммутатор 2, обесточив первую 6, вторую 13 и третью 16 группу потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В. Затем первый микроконтроллер 15 с помощью третьего выхода на четвертый вход третьего микроконтроллера 30 выдает команду «Прекратить работу», а на четвертые входы четвертого 46 и пятого 60 микроконтроллера - команду «Продолжить работу от аккумуляторной батареи». После этого канал преобразования для группы потребителей стабилизированного напряжения 28,5 В 24, управляемый третьим микроконтроллером 30, прекратит работать. Одновременно с этим «на мгновение» исчезнет напряжение на «Общей шине напряжения постоянного тока». В этом случае развязывающий (быстродействующий) диод 56 «пропустит» напряжение постоянного тока от аккумуляторной батареи 42 на «Общую шину напряжения постоянного тока», а четвертый 46 и пятый 60 микроконтроллер продолжат непрерывное управление каналами преобразования для группы потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения постоянного тока 28,5 В 39 и для группы потребителей стабилизированного бесперебойного напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В 53. Таким образом, бесперебойность электропитания этих двух групп потребителей (39 и 53) совершенно независимо от состояния основной 1 и резервной 25 сети не нарушится на вполне определенное время (например, 10…20 минут - в зависимости от запасенной емкости аккумуляторной батареи 42 и текущей интенсивности потребления токов нагрузки группами потребителей 39 и 53).
В случае если после потери питания основной сети 1, значение напряжения в резервной сети 25 осталось в допустимом интервале значений, первый микроконтроллер 15 в соответствии с «прошитой» в его памяти программой с помощью второго выхода выдаст на управляющий вход второго коммутатора 26 сигнал на срабатывание. При этом резервная сеть 25 уже подключится к фильтру импульсно-коммутационных перенапряжений 9, а первая 6, вторая 13 и третья 16 группа потребителей напряжения переменного тока 1~50 Гц, 230 В, вновь (после кратковременного перерыва, конкретное значение которого определяется, в основном, быстродействием первого 2 и второго 26 коммутаторов) получат электропитание. Далее с помощью первого выпрямителя 10 и фильтра радиопомех 11 на «Общей шине напряжения постоянного тока» вновь восстановится первоначальное значение напряжения постоянного тока, которое с помощью развязывающего диода 56 снова «изолирует» аккумуляторную батарею 42. После этого первый микроконтроллер 15 с помощью третьего выхода в соответствии с «прошитой» в его памяти программой повторно выдаст на четвертый вход третьего 30, четвертого 46 и пятого 60 микроконтроллера команду «Начать работу». В результате этого продолжится непрерывная работа каналов преобразования, обеспечиваемая четвертым 46 и пятым 60 микроконтроллером, и вновь (после кратковременного перерыва) восстановится работа канала преобразования, обеспечиваемая третьим микроконтроллером 30.
Абсолютно аналогично агрегат бесперебойного питания работает при выборе первым микроконтроллером 15 первоначально резервной сети 25 в качестве питающей вместо основной сети 1.
В том случае, если произойдет отключение как основной 1, так и резервной 25 питающих сетей, первый микроконтроллер 15 потеряет электропитание от блоков питания 7 и 17, каналы преобразования групп ответственных потребителей 39 и 53 продолжат работу до выработки емкости аккумуляторной батареи 42, а затем агрегат бесперебойного питания полностью прекратит работу. Дальнейшее продолжение работы агрегата бесперебойного питания возможно только после восстановления напряжения, хотя бы в одной из сетей 1 или 25.
Таким образом, агрегат бесперебойного питания обеспечивает
- бесперебойное электропитание стабилизированным напряжением постоянного тока 28,5 В группы ответственных потребителей 39 (причем даже при одновременном отключении основной 1 и резервной 25 питающих сетей гарантируется сохранение электропитания ориентировочно в течение 10…20 минут);
- бесперебойное электропитание стабилизированным напряжением переменного тока 1~50 Гц, 230 В, группы ответственных потребителей 53 (также с гарантируемым временем сохранением электропитания);
- электропитание стабилизированным напряжением постоянного тока 28,5 В группы потребителей 24 (причем, при отключении одной из питающей, в текущий момент времени, основной 1 или резервной 25 сети гарантируется лишь кратковременный перерыв электропитания);
- электропитание напряжением переменного тока 1~50 Гц, 230 В, трех групп потребителей 6, 13 и 16 (также с гарантируемым кратковременным перерывом электропитания).
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый агрегат бесперебойного питания может быть изготовлен в соответствии с приведенным описанием и схемой на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования и использован для бесперебойного электропитания разнообразных потребителей напряжением переменного и постоянного тока на объектах различного назначения.
Предлагаемые технические решения практически реализованы в опытно-поставочных и серийных образцах агрегата бесперебойного питания «АБП М» (технические условия на поставку КИАР.436115.001 ТУ), созданных ЗАО «ИРИС» и позволяющих при подключении к двум трехфазным сетям переменного тока с частотой 50 Гц, напряжением 220 В обеспечить электропитание (напряжением переменного тока 1~50 Гц, 230 В, и напряжением постоянного тока 28,5 В) для разнообразных групп потребителей экспортных фрегатов проекта 1135.6.
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый многоканальный агрегат бесперебойного питания потребителей напряжением переменного и постоянного тока отвечает критериям «новизна», «изобретательский уровень» и может быть защищен патентом Российской Федерации на изобретение.