ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к системам бесперебойного питания однофазного переменного напряжения, в которых источник бесперебойного питания при пропадании напряжения питающей сети переменного напряжения или при ее отсутствии, или при питании от альтернативных источников энергии производит питание подключенных потребителей переменного тока путем преобразования электроэнергии постоянного напряжения, запасенной в накопителе (например, в аккумуляторной батарее (АКБ)), в энергию переменного напряжения. При нормальной работе входной сети переменного тока источник бесперебойного питания производит заряд АКБ, а затем поддерживает необходимые электрические параметры на ней путем преобразования однофазного переменного напряжения основной сети с помощью реверсивного автономного инвертора напряжения в режиме активного выпрямителя.
Известен источник бесперебойного питания с двойным преобразованием (Лопухин А.А. Источники бесперебойного питания без секретов; Воробьев А. Классификация ИБП // Журнал сетевых решений / LAN, №10, 2003), содержащий выпрямитель, АКБ и инвертор. Сетевое переменное напряжение преобразуется выпрямителем в постоянное, которое питает инвертор и АКБ. Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное для питания потребителей. При пропадании входного напряжения питающей сети, инвертор отбирает энергию от батарей.
Недостатками такого источника бесперебойного питания являются: высокая сложность, сравнительно большие массогабаритные показатели и стоимость устройства; необходимость использования входного фильтра THD в преобразователе для увеличения коэффициента мощности; высокие энергетические потери в нормальном режиме работы из-за двойного преобразования напряжения; невысокий КПД (у лучших образцов большой мощности КПД не превышает 93%). ИБП этого типа экономически целесообразно использовать в случаях с нестабильной частотой и напряжением сети, например, при питании от дизель-генератора.
Известен способ управления выходными сигналами источника бесперебойного питания (ИБП) (патент на изобретение RU 2517207 С2; МПК H02J 9/04), содержащего блок управления и мостовой преобразователь, имеющий четыре сетевых переключателя, причем блок управления имеет четыре выхода управляющего сигнала, которые соответственно соединены с четырьмя сетевыми переключателями мостового преобразователя, а также встроенную функцию переключения выходных сигналов, содержащую этапы обеспечения нескольких режимов вывода сигналов, каждый из которых соответствует одному виду управляющего сигнала, для вывода сигнала соответствующей формы, приема команды выбора формы выходного сигнала для выбора одного из режимов вывода сигналов, определения, имеется ли переход в режим питания от аккумулятора, в случае перехода в режим питания от аккумулятора, в зависимости от выбранного режима вывода сигнала, выполнения подачи соответствующего управляющего сигнала на каждый из четырех сетевых переключателей мостового преобразователя для управления рабочим циклом каждого переключателя и получения на выходе ИБП сигнала соответствующей формы.
Недостатками такого ИБП является отсутствие защиты потребителей при питании от сети, большая реактивная мощность, проходящая через трансформатор, отсутствие защиты от аварийных режимов, наличие дополнительного зарядного устройства, отсутствие контроля, потребляемого и нагрузочного токов, значительная несинусоидальность выходного напряжение, наличие высокочастотной составляющей напряжения на выходе при работе от АКБ.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является ИБП с одиночным преобразованием («Типы источников бесперебойного питания и их структура», электронная версия издания помещена на сайте http://electromaster.ru/article.php?storyid=365). В цепь между питающей сетью и нагрузкой включен дроссель, к выходу которого подключен инвертор. Инвертор в данной схеме является реверсивным и способен преобразовывать постоянное напряжение в переменное и наоборот.
Недостатками такого ИБП с одиночным преобразованием являются: низкое значение входного коэффициента мощности (cos ϕ ≈ 0,6), при этом он меняется при изменении как напряжения сети, так и характера нагрузки; большое потребление реактивных токов ИБП при малых нагрузках, соизмеримых с номинальным током установки, отсутствие защиты нагрузки от помех и перенапряжений при работе от входной сети, отсутствие защиты от аварийных режимов, отсутствие контроля, потребляемого и нагрузочного токов.
Технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в обеспечении защиты от аварийных режимов ИБП.
Технический результат достигается тем, что источник бесперебойного питания (ИБП) содержит входное коммутирующее устройство для подключения реверсивного автономного инвертора напряжения (РАИН) и нагрузки к входной сети переменного напряжения через блок входного фильтра, и аккумуляторную батарею (АКБ), подключенную к входу РАИН. ИБП дополнительно содержит включенный между блоком входного фильтра и нагрузкой блок датчиков тока и напряжения, а также блок быстродействующих полупроводниковых ключей, через который выход РАИН подключен к блоку датчиков тока и напряжения и к нагрузке. Управление работой РАИН и блока быстродействующих ключей осуществляется управляющими сигналами блока управления, формируемыми им по сигналам, поступающим из блока датчиков тока и напряжения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.
На фиг. 1 представлено наиболее близкое техническое решение к предлагаемой полезной модели, а именно ИБП с одиночным преобразованием («Типы источников бесперебойного питания и их структура», электронная версия издания помещена на сайте http://electromaster.ru/article.php?storyid=365), где 1 - входное коммутирующее устройство; 2 - входной сетевой дроссель; 3 - реверсивный автономный инвертор напряжения (РАИН); 4 - аккумуляторная батарея (АКБ).
На фиг. 2 представлен заявляемый источник бесперебойного питания (ИБП), где 1 - входное коммутирующее устройство; 2 - блок входного фильтра; 3 - реверсивный автономный инвертор напряжения (РАИН); 4 - аккумуляторная батарея (АКБ); 5 - блок датчиков тока и напряжения; 6 - блок быстродействующих полупроводниковых ключей; 7 - блок управления.
На фиг. 3 представлен вариант заявляемого источника бесперебойного питания (ИБП), содержащий блок выходного фильтра 8, включенный между выходом РАИН и блоком быстродействующих полупроводниковых ключей.
Источник бесперебойного питания, как показано на фиг. 2, состоит из реверсивного автономного инвертора напряжения 3, вход которого подключен к АКБ 4, а выход к блоку быстродействующих полупроводниковых ключей 6. Выход блока быстродействующих ключей подключен к блоку датчиков тока и напряжения 5. Блок датчиков тока и напряжения подключен также через блок входного фильтра 2 к входному коммутирующему устройству питающей сети 1 и к нагрузке (к потребителям). Сигналы управления работой ИБП, поступающие в РАИН и блок быстродействующих полупроводниковых ключей, формируются блоком управления устройством 7 по сигналам, поступающим в него с блока датчиков тока и напряжения.
Устройство работает следующим образом.
При питании устройства от сети входное коммутирующее устройство 1 замкнуто, нагрузка (потребители), блок быстродействующих ключей 6 и, через него, реверсивный автономный инвертор напряжения (РАИН) 3 подключены к питающей сети через блок входного фильтра 2. В этом режиме входной фильтр 2 подавляет высокочастотные помехи. Блок быстродействующих ключей 6 проводит ток в обоих направлениях - режим открытого ключа, а РАИН 3 работает в режиме активного выпрямителя и преобразует (выпрямляет и поддерживает на требуемом уровне) напряжение, для поддержания необходимого режима заряда АКБ 4, стабилизируя ток и напряжение согласно программе блока управления устройством 7. При этом при заряде АКБ 4 с низким напряжением (при глубоким разряде АКБ) блок быстродействующих ключей 6 обеспечивает, под управлением блока управления 7, безопасный режим зарядки АКБ 4.
При пропадании сети входное коммутирующее устройство 1 отсекает питающую сеть, а ИБП переходит в режим работы от АКБ 4, при этом напряжение батареи попадает на РАИН 3 на полупроводниковых ключах, который в этом режиме под управлением блока управления устройством 7 работает по алгоритму автономного инвертора напряжения. Однофазное переменное напряжение с выхода РАИН через блок быстродействующих ключей 6, защищающий инвертор от аварийных режимов, и блок датчиков тока и напряжения 5 поступает на нагрузку (к потребителям). Сигналы из блока датчиков тока и напряжения поступают в блок управления 7, который при возникновении аварийной ситуации формирует и подает управляющие сигналы в блок быстродействующих ключей, переводя их в закрытое состояние.
Использование в ИБП блока датчиков тока и напряжения позволяет контролировать ток нагрузки и питающей сети, выходной ток РАИН и, тем самым, предотвращать аварийные режимы, поддерживая выходные параметры ИБП на необходимом уровне и компенсируя недостатки питающей сети, в том числе, влияющие на качество потребляемой нагрузкой электрической энергии.
Использование в ИБП блока быстродействующих полупроводниковых ключей, обеспечивает защиту РАИН от аварийных режимов и безопасный режим зарядки АКБ при глубоком ее разряде.
Наличие в ИБП блока управления обеспечивает обработку поступающих из блока датчиков тока и напряжения сигналов и выработку управляющих сигналов, обеспечивающих согласованную работу РАИН, блока быстродействующих ключей и ИБП в целом.
Таким образом, совокупность существенных признаков, реализованная в заявленной полезной модели, позволяет обеспечить достижение технического результата, а именно, защиту ИБП от аварийных режимов работы.
Известно, что качество электрической энергии - это степень соответствия параметров электрической энергии установленным значениям. В свою очередь, параметр электрической энергии - это величина, количественно характеризующая какое-либо свойство электрической энергии. В соответствии с ГОСТ 23875-88 «Качество электрической энергии. Термины и определения», а также ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», к параметром электрической энергии, характеризующим ее качество, относятся, в частности: отклонение напряжения, колебания напряжения, провалы напряжения и т.п. Исходя из этого, сопутствующим эффектом от использования данной полезной модели будет также повышение качества электроэнергии, выдаваемой от ИБП потребителю, поскольку снижение вероятности возникновения аварийных режимов работы ИБП самым прямым образом будет способствовать гарантированному снабжению потребителя электроэнергией с нормированными характеристиками ее качества.
К параметром электрической энергии, характеризующим ее качество, относятся также: искажение формы кривой переменного напряжения (тока) (отличие формы кривой переменного напряжения (тока) в системе электроснабжения от требуемой) и коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (тока). С целью улучшения параметров качества электроэнергии такого типа, в заявленном устройстве возможно, во-первых, использование в качестве входного фильтра синфазного LC-фильтра, что позволит значительно уменьшить входную индуктивность ИБП и существенно снизить влияние высокочастотных сетевых помех на работу ИБП, улучшая, тем самым, параметры качества потребляемой нагрузкой электроэнергии. Во-вторых, использование в ИБП блока выходного фильтра, включенного, как показано на фиг. 3, между выходом РАИН и блоком быстродействующих ключей, обеспечит подавление помех, идущих в сеть от РАИН (при питании ИБП от сети и заряде АКБ), а также от РАИН к потребителю (при работе РАИН в режиме инвертора).