СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЫХОДНЫМИ СИГНАЛАМИ ИСТОЧНИКА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ
METHOD FOR OUTPUT SIGNALS CONTROL OF UNINTERRUPTED POWER SUPPLY SYSTEM

1. Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к источникам бесперебойного питания (ИБП), в частности к источникам бесперебойного питания, выполненным с возможностью выборочного вывода энергии, характеризуемой сигналами различной формы, а также к способу управления выходными сигналами источника бесперебойного питания.
2. Описание уровня техники
Обычные источники бесперебойного питания могут быть использованы при отклонениях в основном электропитании, например при прекращении электроснабжения, перенапряжениях/понижении напряжения или бросках тока, для подачи резервного питания на энергопотребляющее оборудование с целью обеспечения бесперебойного снабжения этого оборудования электроэнергией.
Таким образом, промышленное оборудование непрерывного действия, например компьютеры, телекоммуникационные сети, телефонные системы для частного пользования (РВХ) и т.п., может быть защищено от потери данных или потери управляемости вследствие нарушений электроснабжения.
Стандартные источники бесперебойного питания могут быть поделены на постоянно действующие ИБП, резервные ИБП и линейно-интерактивные ИБП, краткое описание характеристик которых приведено ниже.
Постоянно действующие ИБП предназначены для отсоединения нагрузки от электросети. При наличии источников такого типа питание нагрузки выполняется не напрямую от сети, а через ИБП, где имеет место преобразование переменного тока в постоянный для заряда аккумулятора. Затем постоянный ток вновь преобразуется в переменный ток, который подается для питания нагрузки. При отключении или перебоях электроэнергии постоянно действующие ИБП могут быть переключены в режим питания от аккумулятора с возможностью преобразования постоянного тока в переменный и непрерывной подачи питания на нагрузку. При этом выходные сигналы ИБП имеют синусоидальную форму и идентичны выходным сигналам электросети. За счет синусоидальной формы выходных сигналов постоянно действующие ИБП применимы исключительно к индуктивным нагрузкам, емкостным нагрузкам и смешанным нагрузкам указанных обоих типов, и таким образом, имеют лучшие выходные характеристики и низкий уровень шума.
Резервный ИБП служит источником резервной мощности. В нормальном режиме питание нагрузки может быть осуществлено непосредственно от сети при одновременной зарядке аккумулятора. При отключении электроэнергии питающий контур ИБП, подключенный к электросети, автоматически отключается, и ИБП переходит в режим питания от аккумулятора, с возможностью преобразования постоянного тока аккумулятора в переменный для питания нагрузки. Поскольку сигнал мощности переменного тока, преобразованный из сигнала мощности постоянного тока аккумулятора, имеет прямоугольную форму, то энергетический КПД достаточно высок, и требования защиты окружающей среды могут быть удовлетворены. Использование в резервном ИБП идентичных аккумуляторов обеспечивает более длительное время разряда. Однако резервные ИБП могут питать исключительно емкостные нагрузки.
Линейно-интерактивные ИБП содержат повышающую и вольтовычитающую схему компенсации, могут быть использованы, в основном, так же как и резервные ИБП, и не являются посредником в энергоснабжении в течение всего процесса работы, но выполнены с возможностью мгновенного контроля процесса подачи электроэнергии от сети. При отклонениях в электропитании от сети линейно-интерактивные ИБП выполнены с возможностью мгновенной калибровки (повышения или понижения напряжения) или переключения в режим питания от аккумулятора для замены электросети в процессе непрерывного питания нагрузки.
Как видно из вышеизложенного, ИБП каждого типа основан на собственных характерных принципах работы и применим к конкретным нагрузкам. Однако в режиме питания от аккумулятора на выходе каждого ИБП имеет место лишь один сигнал, например прямоугольный или синусоидальный. Энергетический кпд прямоугольного сигнала выше кпд синусоидального сигнала, и аккумуляторы, на выходе которых генерирован сигнал мощности прямоугольной формы, имеют более длительное время разряда, фактически не имеют потерь напряжения и обеспечивают лучшую защиту от воздействия окружающей среды. ИБП, на выходе которых генерирован сигнал мощности синусоидальной формы, имеют более высокие коммутационные потери и более низкий энергетический кпд вследствие широтно-импульсной модуляции на высоких частотах, но более низкий уровень шума и лучшие выходные характеристики при питании исключительно индуктивных, емкостных нагрузок или смешанных нагрузок обоих типов. Следовательно, независимо от формы сигнала, сформированного на выходе ИБП, прямоугольной или синусоидальной, ИБП каждого типа обладает собственными преимуществами и недостатками в процессе эксплуатации. Таким образом, если на выходе каждого ИБП может быть сформирован сигнал мощности одного вида, то для удовлетворения различных нужд пользователей изготовителями ИБП должны быть предусмотрены ИБП двух типов, и, следовательно, при любом изменении нагрузки пользователям необходимо приобретать новый ИБП с учетом характеристик нагрузки. Следовательно, изготовители и пользователи ИБП могут неизбежно столкнуться с проблемами увеличения стоимости и лишних расходов.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Первая задача настоящего изобретения состоит в создании способа управления выходными сигналами ИБП, имеющими различную форму, обеспечивающего для пользователей возможность выборочного изменения формы сигнала мощности на выходе ИБП. При выборе выходных сигналов синусоидальной формы ИБП применимы исключительно к индуктивным нагрузкам, емкостным нагрузкам и смешанным индуктивно-емкостным нагрузкам, и таким образом имеют лучшие выходные характеристики и низкий уровень шума. При выборе выходных сигналов прямоугольной формы ИБП применимы исключительно к емкостным нагрузкам и обладают высоким кпд, удовлетворяют требованиям защиты окружающей среды и имеют более длительное время разряда.
Для решения поставленной задачи предложен способ управления выходными сигналами ИБП, содержащего мостовой преобразователь с четырьмя сетевыми переключателями, с которыми соответственно соединены четыре выхода управляющего сигнала блока управления со встроенной функцией переключения выходного сигнала, работа с которой состоит из следующих этапов: обеспечение нескольких режимов вывода сигналов, каждый из которых соответствует одному виду управляющего сигнала, с возможностью формирования на выходе сигналов соответствующей формы;
- прием команды выбора формы выходного сигнала для выбора одного из режимов формирования сигналов на выходе;
- определение, выполнен ли переход в режим питания от аккумулятора;
- в случае перехода в режим питания от аккумулятора, в зависимости от выбранной формы сигнала на выходе, выполнение подачи соответствующего управляющего сигнала на каждый из четырех сетевых переключателей мостового преобразователя с возможностью управления рабочим циклом каждого переключателя и формирования на выходе ИБП сигнала соответствующей формы.
Форма выходного сигнала может быть прямоугольной и синусоидальной. При выборе выходного сигнала прямоугольной формы блоком управления может быть сформирован управляющий сигнал прямоугольной формы и подан на каждый из четырех сетевых переключателей мостового преобразователя с возможностью управления его рабочим циклом таким образом, что на выходе ИБП сформирован сигнал мощности переменного тока прямоугольной формы, прикладываемый к нагрузке. При выборе выходного сигнала синусоидальной формы блоком управления может быть сформирован управляющий сигнал синусоидальной формы и подан на каждый из четырех сетевых переключателей мостового преобразователя с возможностью управления его рабочим циклом таким образом, что на выходе ИБП сформирован сигнал мощности переменного тока синусоидальной формы, прикладываемый к нагрузке. Преимущество использования изложенного выше способа состоит в том, что одним ИБП может быть сформирован сигнал переменной мощности прямоугольной или синусоидальной формы, прикладываемый к нагрузке, а пользователями может быть выбрана форма выходного сигнала ИБП в зависимости от характеристик нагрузки с тем, чтобы эффективно понизить стоимость оборудования и обеспечить большую эксплуатационную гибкость.
Вторая задача настоящего изобретения состоит в создании ИБП, обладающего способностью формирования выходных сигналов различной формы.
Для решения поставленной задачи ИБП содержит мостовой преобразователь, аккумуляторную батарею, зарядное устройство и блок управления.
Мостовой преобразователь имеет вход и выход и состоит из четырех сетевых переключателей.
Аккумуляторная батарея соединена со входом мостового преобразователя.
Зарядное устройство имеет вход и выход. Вход соединен с сетью переменного тока через выпрямительное устройство. Выход соединен с аккумуляторной батареей. Блок управления имеет вход для команды на переключение, выходы управляющего сигнала и управляющий зарядом вывод. Каждый выход управляющего сигнала соединен с одним из четырех сетевых переключателей мостового преобразователя с возможностью управления его рабочим циклом. Управляющий зарядом вывод соединен с зарядным устройством.
Блок управления имеет встроенную функцию переключения выходного сигнала, обеспечивающую выбор формы управляющего сигнала, в зависимости от команды переключателя, поданной через вход для подачи команды переключателя с возможностью управления рабочим циклом каждого сетевого переключателя.
Использование указанного ИБП позволяет осуществить выбор одной из многих форм сигнала на выходе ИБП, обеспечивая пользователям возможность удобного выбора выходного сигнала соответствующей формы в зависимости от характеристик нагрузки. В режиме питания от аккумулятора на выходе ИБП может быть сформирован сигнал мощности переменного тока выбранной формы, прикладываемый к нагрузке.
Другие задачи, преимущества и новые свойства изобретения могут быть рассмотрены более подробно в приведенном ниже подробном описании со ссылкой на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показана принципиальная схема первого варианта реализации ИБП согласно настоящему изобретению.
На фиг.2А показана принципиальная схема, частично иллюстрирующая второй вариант реализации ИБП согласно настоящему изобретению.
На фиг.2В показана принципиальная схема, частично иллюстрирующая третий вариант реализации ИБП согласно настоящему изобретению.
На фиг.3 показана блок-схема способа управления выходными сигналами ИБП согласно настоящему изобретению.
На фиг.4 показана диаграмма управляющих сигналов при формировании выходного сигнала прямоугольной формы способом, проиллюстрированным на фиг.3.
На фиг.5А показана диаграмма управляющих сигналов при формировании выходного сигнала синусоидальной формы способом, проиллюстрированным на фиг.3.
На фиг.5В показана еще одна диаграмма управляющих сигналов при формировании выходного сигнала синусоидальной формы способом, проиллюстрированным на фиг.3.
На фиг.6А показана диаграмма управляющих сигналов при формировании выходного сигнала ступенчатой формы способом, проиллюстрированным на фиг.3.
На фиг.6В показана еще одна диаграмма управляющих сигналов при формировании выходного сигнала ступенчатой формы способом, проиллюстрированным на фиг.3.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Первый вариант реализации конструкции ИБП (фиг.1) по настоящему изобретению содержит мостовой преобразователь 11, аккумуляторную батарею 12, зарядное устройство 13, блок 16 управления и трансформатор 15.
Мостовой преобразователь 11 имеет вход и выход и состоит из четырех сетевых переключателей S1~S4. В настоящем примере реализации изобретения, каждым сетевым переключателем S1~S4 служит полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET).
Батарея 12 соединена с входом мостового преобразователя 11.
Зарядное устройство имеет вход и выход. Вход зарядного устройства 13 соединен с сетью переменного тока (AC IN) через выпрямительное устройство 14, а выход зарядного устройства 13 соединен с батареей 12.
Блок 16 управления имеет вход SW для команды на переключение, выходы G1~G4 управляющего сигнала и управляющий зарядом вывод СН. Каждый выход G1~G4 управляющего сигнала соединен с затвором одного из MOSFET в ИБП для управления рабочим циклом MOSFET. Управляющий зарядом вывод СН соединен с зарядным устройством 13. Блок 16 управления имеет встроенную функцию переключения выходного сигнала, обеспечивающую выбор формы управляющего сигнала, в зависимости от команды переключателя, поданной через вход SW для подачи команды переключателя с возможностью управления рабочим циклом каждого MOSFET.
Трансформатор 15 содержит первичную и вторичную обмотки. Первичная обмотка соединена с выходом мостового преобразователя 11, а вторичная обмотка соединена с выводом O/Р выходной мощности с возможностью фильтрования.
Способ управления выходными сигналами ИБП согласно настоящему изобретению применим к любым ИБП: постоянно действующим, резервным или линейно-интерактивным. В настоящем варианте реализации изобретения способ использован применительно к линейно-интерактивным ИБП. Следовательно, указанный вывод O/Р выходной мощности соединен с сетью переменного тока (AC IN) посредством двух переключателей К1 и К2. При нормальной мощности, потребляемой от сети (AC IN), и замкнутом положении переключателей К1 и К2, указанная мощность может быть использована не только для питания нагрузки через вывод O/Р выходной мощности, но и для зарядки батареи 12 посредством зарядного устройства 13. При аномальной мощности (AC IN) и разомкнутом положении переключателей К1 и К2, зарядное устройство 13 больше не может быть использовано для зарядки батареи 12, а может быть переведено в режим питания от аккумулятора, при котором мощность постоянного тока батарей 12 приложена к мостовому преобразователю 11, управляемому блоком 16 управления с возможностью преобразования мощности постоянного тока в мощность переменного тока и подачи ее на нагрузку.
На фиг.2А показан второй вариант реализации ИБП согласно настоящему изобретению. Трансформатор 15, соединенный с выходом мостового преобразователя 11, дополнительно содержит выходной конденсатор Со, параллельно соединенный со вторичной обмоткой. На фиг.2В показан третий вариант реализации ИБП согласно настоящему изобретению. В качестве фильтрующего контура может служить не только выход мостового преобразователя 11, соединенный с трансформатором 15, но фильтрующий контур может быть составлен из катушки индуктивности L и конденсатора С, соединенными последовательно.
Способ управления выходными сигналами ИБП (фиг.3) согласно настоящему изобретению может быть реализован ИБП с мостовым преобразователем, соответствует встроенной в ИБП функции переключения выходных сигналов и состоит из следующих этапов.
Этап 301: обеспечение режимов вывода сигналов, каждый из которых соответствует одному виду управляющего сигнала, с возможностью формирования на выходе сигналов соответствующей формы. В настоящем варианте реализации изобретения могут быть режимы с прямоугольной и синусоидальной формой выходного сигнала. Режим вывода прямоугольного сигнала соответствует управляющему сигналу для формирования на выходе прямоугольного сигнала, а режим вывода синусоидального сигнала соответствует управляющему сигналу для формирования на выходе синусоидального сигнала.
Этап 302: Прием команды выбора формы выходного сигнала для выбора одного из режимов формирования сигналов на выходе.
Этап 303: Определение выполнения перехода в режим питания от аккумулятора.
Этап 304: При переходе в режим питания от аккумулятора, в зависимости от выбранной формы сигнала на выходе, соответствующий управляющий сигнал может быть подан на каждый из четырех сетевых переключателей S1~S4 мостового преобразователя 11 с возможностью управления рабочим циклом каждого переключателя S1~S4 и получения на выходе ИБП сигнала соответствующей формы.
Как указано выше, форма выходного сигнала может быть прямоугольной и синусоидальной. При подаче на вход команды переключения SW блока 16 управления команды выбора сигнала прямоугольной формы, на выходе ИБП может быть сформирован сигнал мощности переменного тока прямоугольной формы. В режиме питания ИБП от аккумулятора блоком 16 управления может быть сформирован соответствующий управляющий сигнал для вывода сигнала прямоугольной формы для каждого из четырех сетевых переключателей S1~S4 мостового преобразователя 11 для управления его рабочим циклом. На фиг.4 показаны управляющие сигналы для вывода сигналов прямоугольной формы на каждом выходе G1~G4 блока 16 управления. Низкочастотный сигнал прямоугольной формы может быть использован для управления каждым сетевым переключателем S1~S4 мостового преобразователя 11 с возможностью формирования на выводе 0/Р выходной мощности ИБП сигнала мощности переменного тока прямоугольной формы.
При подаче на вход команды переключения SW блока 16 управления команды выбора сигнала синусоидальной формы на выходе ИБП может быть сформирован сигнал мощности переменного тока синусоидальной формы. В режиме питания ИБП от аккумулятора блоком 16 управления может быть сформирован соответствующий управляющий сигнал для вывода сигнала синусоидальной формы для каждого из четырех сетевых переключателей S1~S4 мостового преобразователя 11 для управления его рабочим циклом. На фиг.5А и 5В показаны управляющие сигналы для вывода сигналов синусоидальной формы на каждом выходе G1~G4 блока 16 управления. Включающие сигналы прямоугольной формы G1 и G4 могут быть использованы вместе с сигналами синусоидальной широтно-импульсной модуляции G2 и G3 для соответствующего управления четырьмя сетевыми переключателями S1~S4 мостового преобразователя 11 таким образом, что на выводе O/Р выходной мощности ИБП может быть сформирован сигнал мощности переменного тока синусоидальной формы.
Кроме выходных сигналов прямоугольной и синусоидальной формы могут быть сформированы выходные сигналы ступенчатой формы, представляющей собой промежуточную форму сигнала между прямоугольной и синусоидальной, имеющие более высокий КПД на выходе по сравнению с сигналами синусоидальной формы, и лучшие выходные характеристики по сравнению с сигналами прямоугольной формы. Для формирования на выходе ИБП сигнала переменной мощности ступенчатой формы блоком 16 управления может быть обеспечен режим вывода ступенчатого сигнала первого порядка. При подаче на вход команды переключения SW блока 16 управления команды выбора сигнала ступенчатой формы на выходе ИБП может быть сформирован сигнал мощности переменного тока ступенчатой формы. В режиме питания ИБП от аккумулятора блоком 16 управления может быть сформирован соответствующий управляющий сигнал ступенчатой формы для каждого из четырех сетевых переключателей S1~S4 мостового преобразователя 11 для управления его рабочим циклом А таким образом, что на выводе O/Р ИБП может быть сформирован сигнал переменной мощности ступенчатой формы. На фиг.6А и 6В показаны управляющие сигналы ступенчатой формы на каждом выходе G1~G4 блока 16 управления.
К устройствам ввода команды выбора формы выходного сигнала могут быть отнесены, помимо прочего, следующие устройства.
1. Коммуникационный порт, соединенный с входом SW команды переключателя блока 16 управления. Коммуникационным портом может служить коммуникационный порт проводной или беспроводной связи для пользователей, выполненный с возможностью ввода посредством него извне команды выбора формы выходного сигнала снаружи ИБП.
2. Панель управления, установленная на корпусе ИБП. Панель управления имеет по меньшей мере одну клавишу выбора, соединенную с входом SW команды переключателя блока 16 управления через схему обнаружения переключения, которая позволяет подать на блок управления команду выбора формы выходного сигнала.
Несмотря на то, что многочисленные характеристики и преимущества настоящего изобретения указаны в приведенном выше описании в сочетании с деталями конструкциями и функциями изобретения, указанное описание носит исключительно иллюстративный характер. Возможны изменения в деталях, в частности в вопросах формы, размера, и расположения, в пределах принципов изобретения в полном объеме, обозначенном общим значением терминов, в которых выражена приложенная формула изобретения.