УСТРОЙСТВО БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники, а более конкретно - к системам гарантированного электропитания ответственных потребителей переменного тока при наличии нескольких автономных сетей.
Известно устройство бесперебойного электропитания потребителей переменного тока по авторскому свидетельству СССР на изобретение №1072179, МПК H02J 9/00. Это известное устройство содержит основной коммутатор, силовой трансформатор, подключенный к резервной сети, одни концы вторичных обмоток которого соединены между собой через ключевые обмотки коммутатора, три фазных зажима, соединенные через ключевые элементы коммутатора с клеммами потребителя переменного тока, блок контроля фазы напряжения, блок контроля полярности напряжения, управляемый выпрямитель, подключенный к резервной сети, инвертор с двумя трансформаторами и обратный инвертор. Первичные обмотки трансформаторов инвертора соединены в звезду и треугольник, а соответствующие вторичные обмотки через дополнительные ключевые элементы соединены параллельно между собой и последовательно с вторичными обмотками силового трансформатора. Цепи управления обратного инвертора связаны со своей схемой управления, подключенной к резервной сети, а вход и выход - соответственно с выходом выпрямителя и резервной сетью. Входы блока контроля фазы напряжения и блока контроля полярности напряжения подключены через стабилизаторы переменного напряжения к резервной сети и клеммам потребителей переменного тока. Кроме этого, устройство содержит схему управления, состоящую из пяти блоков. Первый блок схемы управления включает в себя согласующий трансформатор, подключенный к резервной сети, переключатель, подключенный силовыми электродами к вторичным обмоткам согласующего трансформатора, а цепями управления - к блоку контроля фазы напряжения и к блоку контроля полярности напряжения. Второй блок схемы управления включает в себя фазочастотный детектор, входы которого подключены к выходным зажимам переключателя и через согласующий трансформатор к клеммам потребителей переменного тока, а выходы через схемы И, вторые входы которых соединены с датчиком напряжения, - к раздельным входам дополнительного триггера, связанного через усилители мощности с цепями управления дополнительных ключевых элементов. Третий блок схемы управления включает в себя формирователь синхронизирующих
импульсов, вход которого подключен к последовательно соединенным вторичным обмоткам согласующих трансформаторов, подключенных через стабилизатор к клеммам потребителей переменного тока и выходным зажимам переключателя, последовательно соединенные схему И, подключенную к формирователю синхронизирующих импульсов и датчику напряжения, задающий генератор, регистр сдвига и усилитель мощности, выходы которого соединены с цепями управления инвертора. Четвертый блок схемы управления включает в себя модулятор, вспомогательный коммутатор, входы которого через выпрямитель и согласующий трансформатор соединены с фазными зажимами и датчиком напряжения, а выход - с амплитудным компаратором модулятора. Пятый блок включает в себя два согласующих трансформатора, один из которых через стабилизатор переменного напряжения подключен к основной сети, а другой - к резервной, последовательно соединенные выпрямитель, подключенный к последовательно соединенным вторичным обмоткам указанных трансформаторов, амплитудный компаратор, расширитель импульсов, выход которого подключен к схеме управления основным коммутатором, и инвертор, выход которого соединен с вспомогательными схемами И блока контроля фазы напряжения.
Устройство по авт. св. №1072179 обеспечивает повышение качества электрической энергии при переключении потребителей переменного тока с одной автономной сети переменного тока на другую за счет постоянства формы напряжения на нагрузке. Отсутствие в схеме силовых инверторов, рассчитанных на полную мощность нагрузки, позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) и решить проблему гарантированного электроснабжения ответственных потребителей переменного тока при наличии нескольких автономных сетей переменного тока. К недостаткам устройства по авт.св. №1072179 следует отнести наличие двух дополнительных систем напряжения и требование возврата мощности с выхода выпрямителя в резервную сеть, что приводит в конечном итоге к снижению надежности электроснабжения потребителей переменного тока.
Наиболее близким к заявляемому является устройство бесперебойного электропитания потребителей переменного тока по авторскому свидетельству СССР на изобретение №1198648, МПК H02J 9/00 (прототип). Устройство по авт. св. №1198648 содержит основной коммутатор, подключенный к основной сети, резервный согласующий трансформатор, подключенный через стабилизатор напряжения к резервной сети, последовательно соединенные управляемый выпрямитель, подключенный к резервной сети, и инвертор (преобразователь постоянного напряжения
в переменное) с согласующим трансформатором, первичные обмотки которого соединены в звезду, а соответствующие вторичные обмотки через вспомогательные ключевые элементы соединены последовательно с вторичными обмотками резервного согласующего трансформатора, три фазных зажима, соединенных через ключевые элементы основного коммутатора с клеммами потребителя. Инвертор с согласующим трансформатором по сути является инвертором с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) длительности импульсов по синусоидальному закону, а фазные зажимы - фазными выходами инвертора с ШИМ. Кроме этого устройство по прототипу содержит блок контроля фазы напряжения и блок контроля полярности напряжения. Выходы блока контроля фазы напряжения и блока контроля полярности напряжения подключены к цепям управления вспомогательных ключевых элементов и ключевых элементов коммутатора. Параллельно цепям из последовательно соединенных вторичных обмоток резервного согласующего трансформатора и вспомогательных ключевых элементов включены дополнительные ключевые элементы, которые связаны цепями управления с блоком контроля полярности напряжения. Помимо этого устройство содержит два выпрямителя, зажимы переменного тока которых соединены с соответствующими концами вторичных обмоток резервного согласующего трансформатора, а зажимы постоянного тока соединены между собой через основные ключевые элементы, цепи управления которых подключены к блоку контроля полярности напряжения, и содержит схему управления, состоящую из трех блоков. Первый блок схемы управления включает в себя объединенные разноименными концами и подключенные к общей точке вторичные обмотки трансформатора, подключенного через стабилизатор напряжения к резервной сети, первые ключевые элементы, одни силовые электроды которых объединены, другие силовые электроды подключены к свободным концам указанных обмоток, а цепи управления связаны с блоком контроля полярности напряжения, логические схемы И, одни входы которых связаны с блоком контроля фазы напряжения, а вторые входы через логическую схему НЕ - с датчиком напряжения, вторые ключевые элементы, одни силовые электроды которых соединены между собой и подключены к объединенным электродам первых ключевых элементов, другие силовые электроды подключены к одноименным концам вспомогательных вторичных обмоток трансформатора, подключенного через стабилизатор напряжения к основной сети, а цепи управления связаны с логическими схемами И, третий ключевой элемент, силовые электроды которого соединены с объединенными концами вспомогательных вторичных обмоток трансформатора и объединенными силовыми электродами первых и вторых ключевых элементов, а цепи
управления связаны с вспомогательной логической схемой И, один вход которой подключен к датчику напряжения, цепь из последовательно соединенных субблока фазовой автоподстройки частоты, фазорасщипителя и усилителя мощности, вход которой подключен к общей точке вспомогательных вторичных обмоток трансформатора, а выход - к цепям управления ключевых элементов инвертора. Второй блок схемы управления включает в себя последовательно соединенные вторичные обмотки трансформаторов, подключенных через стабилизатор напряжения к резервной сети и выходу инвертора, выпрямитель и датчик рассогласования, последовательно соединенные генератор прямоугольного напряжения, связанный с резервной сетью, формирователь пилообразного напряжения, амплитудный компаратор, подсоединенный дополнительно к датчику рассогласования, и усилитель, выход которого соединен с цепями управления ключевых элементов выпрямителя. Третий блок схемы управления включает в себя последовательно соединенные вторичные обмотки трансформаторов, подключенных через стабилизаторы напряжения к основной и резервной сетям, выпрямитель, амплитудный компаратор, подключенный вторым входом к источнику управляющего напряжения, расширитель импульсов, соединенный с основным коммутатором, логическую схему НЕ и логическую схему И, подключенную вторым входом к датчику напряжения, а выходы логических схем НЕ и И соединены соответственно с блоком контроля полярности напряжения, вторыми входами вспомогательной логической схемы И первого блока схемы управления и блоком контроля фазы напряжения.
Устройство по прототипу в сравнении с предыдущим аналогом обеспечивает повышение надежности и КПД за счет уменьшения количества формируемых дополнительных систем напряжений, исключения циркуляции мощности в контуре: резервная сеть - обратные диоды инвертора - обратный инвертор - резервная сеть, уменьшения количества силовых ключевых элементов и упрощения схемы управления. Однако устройство по прототипу не обеспечивает стабилизацию напряжения на нагрузке при ее изменении, а также при изменении напряжения на входе при изменении напряжений основной и резервной сетей. Это в свою очередь снижает надежность гарантированного электроснабжения потребителей и КПД устройства.
Задача полезной модели состоит в том, чтобы при сохранении всех тех преимуществ, которыми обладает прототип, повысить надежность гарантированного электропитания потребителей и тем самым КПД устройства.
Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в регулировании, уравнивании, стабилизации напряжения на выходе устройства.
Технический результат достигается следующим образом.
Как и прототип заявляемое в качестве полезной модели устройство бесперебойного электропитания потребителей переменного тока содержит основной коммутатор, подключенный к основной сети, резервный согласующий трансформатор, подключенный через стабилизатор напряжения к резервной сети, последовательно соединенные выпрямитель, подключенный к резервной сети, и инвертор с широтно-импульсной модуляцией длительности импульсов по синусоидальному закону, включающий преобразователь постоянного напряжения в переменное с согласующим трансформатором, первичные обмотки которого соединены в звезду, концы соответствующих вторичных обмоток являются фазными выходами инвертора с широтно-импульсной модуляцией и соединены с ключевыми элементами основного коммутатора, а начала вторичных обмоток через вспомогательные ключевые элементы соединены последовательно с вторичными обмотками резервного согласующего трансформатора. Устройство содержит блок контроля фазы напряжения и блок контроля полярности напряжения, выходы которых подключены к цепям управления вспомогательных ключевых элементов и ключевых элементов коммутатора, дополнительные ключевые элементы, связанные цепями управления с блоком контроля полярности напряжения и включенные параллельно цепям из последовательно соединенных вторичных обмоток резервного согласующего трансформатора и вспомогательных ключевых элементов, основные ключевые элементы, цепи управления которых подключены к блоку контроля полярности напряжения, два выпрямителя, зажимы переменного тока которых соединены с соответствующими концами вторичных обмоток резервного согласующего трансформатора, а зажимы постоянного тока соединены между собой через основные ключевые элементы. Общим с прототипом является также то, что заявляемое устройство бесперебойного электропитания потребителей переменного тока содержит схему управления, состоящую из трех блоков. Первый блок включает в себя объединенные разноименными концами и подключенные к общей точке вторичные обмотки трансформатора, подключенного через стабилизатор напряжения к резервной сети, первые ключевые элементы, одни силовые электроды которых объединены, другие силовые электроды подключены к свободным концам указанных обмоток, а цепи управления связаны с блоком контроля полярности напряжения. Кроме того, первый
блок включает логические схемы И, одни входы которых связаны с блоком контроля фазы напряжения, а вторые входы через логическую схему НЕ - с датчиком напряжения, вторые ключевые элементы, одни силовые электроды которых соединены между собой и подключены к объединенным электродам первых ключевых элементов, другие силовые электроды подключены к одноименным концам вспомогательных вторичных обмоток трансформатора, подключенного через стабилизатор напряжения к основной сети, а цепи управления связаны с логическими схемами И, третий ключевой элемент, силовые электроды которого соединены с объединенными концами вспомогательных вторичных обмоток трансформатора и объединенными силовыми электродами первых и вторых ключевых элементов, а цепи управления связаны с вспомогательной логической схемой И, один вход которой подключен к датчику напряжения, цепь из последовательно соединенных субблока фазовой автоподстройки частоты, фазорасщипителя и усилителя мощности, вход которой подключен к общей точке вспомогательных вторичных обмоток трансформатора, а выход - к цепям управления ключевых элементов инвертора. Второй блок схемы управления включает в себя последовательно соединенные вторичные обмотки трансформаторов, подключенных через стабилизатор напряжения к резервной сети и выходу инвертора, выпрямитель и датчик рассогласования, последовательно соединенные генератор прямоугольного напряжения, связанный с резервной сетью, формирователь пилообразного напряжения, амплитудный компаратор, подсоединенный дополнительно к датчику рассогласования, и усилитель, выход которого соединен с выпрямителем. Третий блок схемы управления включает в себя последовательно соединенные вторичные обмотки трансформаторов, подключенных через стабилизаторы напряжения к основной и резервной сетям, выпрямитель, амплитудный компаратор, подключенный вторым входом к источнику управляющего напряжения, расширитель импульсов, соединенный с основным коммутатором, логическую схему НЕ и логическую схему И, подключенную вторым входом к датчику напряжения. Выходы логических схем НЕ и И соединены соответственно с блоком контроля полярности напряжения, вторыми входами вспомогательной логической схемы И первого блока схемы управления и блоком контроля фазы напряжения.
В отличие от прототипа заявляемое устройство бесперебойного электропитания потребителей переменного тока дополнительно содержит в каждой фазе основной сети по два уравнительных трансформатора, начала первичных обмоток одних из которых включены в соответствующие фазные выводы основной сети, а начала первичных обмоток вторых уравнительных трансформаторов последовательно
соединены через ключевые элементы коммутатора с фазными выходами инвертора с широтно-импульсной модуляцией, при этом концы первичных обмоток уравнительных трансформаторов объединены и подключены к соответствующим клеммам потребителя, а вторичные обмотки уравнительных трансформаторов соединены встречно параллельно, кроме этого, выпрямитель, подключенный к резервной сети, выполнен неуправляемым.
В нормальном режиме ампервитки уравнительных трансформаторов компенсируются за счет встречного включения вторичных обмоток. При изменении напряжения возникает разбаланс и формируется сигнал рассогласования, который воздействует на инвертор, изменяя напряжение на его выходе до тех пор, пока напряжение на выходе устройства не станет номинальным для потребителя. Таким образом осуществляется регулирование и стабилизация напряжения на нагрузке и отпадает необходимость в использовании управляемого выпрямителя, который подключен к резервной сети. Использование неуправляемого выпрямителя исключает в свою очередь схему управления выпрямителем. Все это повышает надежность электропитания и КПД устройства.
Совокупность существенных признаков, характеризующих заявляемую полезную модель, из уровня техники не обнаружена, что подтверждает ее новизну.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 и фиг.2 представлены схемы фазных напряжений при различных фазовых углах α и β. На фиг.3 - схема устройства для бесперебойного электропитания потребителей переменного тока. На фиг.4 - блок контроля фазы напряжения. На фиг.5 - блок контроля полярности напряжения. На фиг.6 - схема управления.
На фиг.1 и фиг.2 позициями 1-3 представлена трехфазная система напряжений основной сети, позициями 4-6 - система напряжений резервной сети, 7-9 - система напряжений, сдвинутая по фазе относительно системы напряжений 4-6 на 180 эл. град., 10-12 (13-15) - дополнительная система напряжений, сформированная инвертором с ШИМ.
Устройство бесперебойного электропитания потребителей переменного тока (фиг.3) содержит основной коммутатор 16, подключенный к основной сети, стабилизатор напряжения 17, силовой трансформатор, первичные обмотки 18, 19, 20 которого через стабилизатор 17 подключены к резервной сети, неуправляемый выпрямитель 21, инвертор с ШИМ, состоящий из преобразователя постоянного тока в переменный 22 и согласующего трансформатора 23. С фазными выходами инвертора с ШИМ через ключевые элементы коммутатора 24-32 соединены первичные обмотки
уравнительных трансформаторов 33, 34, 35. Первичные обмотки уравнительных трансформаторов 36, 37 и 38 включены в соответствующие фазные выводы основной сети. Концы первичных обмоток уравнительных трансформаторов 33 и 36; трансформаторов 34 и 37; а также концы первичных обмоток уравнительных трансформаторов 35 и 38 объединены и подключены к соответствующим клеммам потребителя. Вторичные обмотки уравнительных трансформаторов 33-36, 34-37, 35-38 соединены встречно параллельно. Первичные обмотки 39, 40, 41 согласующего трансформатора 23 соединены в звезду, а соответствующие его вторичные обмотки 42, 43, 44 через вспомогательные ключевые элементы 45, 46, 47 соединены последовательно с вторичными обмотками 48, 49, 50 силового трансформатора, подключенного к резервной сети. Устройство содержит (фиг.3) блок контроля фазы напряжения 51, блок контроля полярности напряжения 52, выходы которых подключены к цепям управления вспомогательных ключевых элементов 45-47 и ключевых элементов коммутатора 24-32 схему управления 53, дополнительные ключевые элементы 54-56, включенные параллельно цепям из последовательно соединенных вторичных обмоток 48-50 силового трансформатора, подключенного к резервной сети, и вспомогательных ключевых элементов 45-47. В состав заявляемого устройства (фиг.3) входят также два выпрямителя 57, 58, зажимы переменного тока которых соединены с соответствующими концами вторичных обмоток 48-50 силового трансформатора, а зажимы постоянного тока соединены между собой через основные ключевые элементы 59 и 60.
Блок контроля фазы напряжения (51 на фиг.3) содержит три субблока. Каждый субблок (фиг.4) имеет два согласующих трансформатора 61, 62.1 (второй субблок: 61, 62.2; третий: 61, 62.3), у которых последовательно соединенные вторичные обмотки 63.1, 64.1, 65.1, 66.1 (соответственно у второго и третьего субблоков: 63.2, 64.2, 65.2, 66.2; 63.3, 64.3, 65.3, 66.3) подключены к выпрямителям 67.1, 68.1 (67.2, 68.2; 67.3, 68.3), цепь, содержащую последовательно соединенные амплитудный компаратор 69.1 (69.2,69.3) и расширитель импульсов 70.1 (70.1, 70.3). Блок контроля фазы напряжения содержит также логические схемы И 71.1, 71.2, логические схемы НЕ 73.1, 73.2 и в каждом субблоке усилитель мощности 72.1 (72.2, 72.3) и вспомогательный усилитель 74.1 (74.2, 74.3). Выходы усилителей соединены со схемой управления 53.
Блок контроля полярности напряжения (позиция 52 на фиг.3) содержит два субблока (фиг.5). Каждый субблок (фиг.5) имеет согласующие трансформаторы 75-78, которые подключены через стабилизаторы напряжения к нагрузке и резервной сети, выпрямители 79.1, 80.1, 81.1 (79.2, 80.2, 81.2). Выходы выпрямителей объединены и
подключены объединены и подключены к цепи, состоящей из последовательно соединенных амплитудного коммутатора 82.1 (82.2), расширителя импульсов 83.1 (83.2), логической схемы И 84.1 (84.2), соединенной с расширителем импульсов 83.1 (83.2), основной усилитель мощности 85.1 (82.2), вход которого соединен с логической схемой И 84.1 (84.2), вспомогательный усилитель 86.1 (86.2), вход которого соединен с расширителем импульсов 83.1 (83.2), логическую схему НЕ 87, подключенную к расширителю импульсов 83.1, логическую схему И 88, связанную с логической схемой НЕ 87, расширителем импульсов 83.2 и логической схемой и 84.2. Вторичные обмотки 89.1, 90.1, 91.1, 92.1 93.1, 94.1 (89.2, 90.2, 91.2, 92.2 93.2, 94.2) согласующих трансформаторов 75-78 соединены с выпрямителями 79.1, 80.1, 81.1 (79.2, 80.2, 81.2). Блок контроля полярности напряжения (фиг.5) включает также датчик напряжения 95, подключенный к основной сети, с которым соединены логические схемы И 84.1 (84.2), и стабилизаторы напряжения 96 и 97.
Схема управления, отмеченная на фиг.3 позицией 53 и представленная на фиг.6, содержит три блока. Первый блок 98 схемы управления (фиг.6) включает в себя объединенные разноименными концами и подключенные к общей точке вторичные обмотки 99 и 100 согласующего трансформатора 62.1, подключенного через стабилизатор напряжения к резервной сети 97, первые ключевые элементы 101 и 102, одни силовые электроды которых объединены, другие - подключены к свободным концам указанных обмоток 99 и 100, а цепи управления связаны с блоком контроля полярности напряжения 52. Первый блок 98 содержит дополнительные логические схемы И 103-105, одни входы которых связаны с блоком контроля фазы напряжения 51, а вторые входы через логическую схему НЕ 106 - с датчиком напряжения 95. Кроме того, содержит вторые ключевые элементы 107-109, одни силовые электроды которых объединены и подключены к объединенным электродам 110 первых ключевых элементов 101 и 102, другие силовые электроды подключены к одноименным концам вспомогательных вторичных обмоток 111-113 вспомогательного трансформатора 114, подключенного через стабилизатор напряжения 115 к основной сети, а цепи управления связаны с дополнительными логическими схемами И 103-105, третий ключевой элемент 116, один силовой электрод которого соединен с объединенными концами 117 вспомогательных вторичных обмоток 111-113 вспомогательного трансформатора 114, другой силовой электрод - с объединенными электродами 110 первых 101, 102 и вторых 107-109 ключевых элементов, а цепи управления связаны с вспомогательной логической схемой И 118, один вход которой подключен к датчику напряжения 95, цепь из последовательно соединенных субблока фазовой
автоподстройки частоты 119, фазорасщипителя 120 и усилителя мощности 121, вход которого подключен к общей точке 117 вспомогательных вторичных обмоток 111-113 вспомогательного трансформатора 114, а выход - к цепям управления ключевых элементов преобразователя постоянного тока в переменный 22.
Второй блок 122 схемы управления (фиг.6) включает в себя последовательно соединенные вторичные обмотки 123-125, 126-128 соответственно трансформаторов 129-131, 132-134, подключенных через стабилизатор напряжения 17 к резервной сети и выходу преобразователя постоянного тока в переменный 22, выпрямитель 135 и датчик рассогласования 136, последовательно соединенные генератор 137 прямоугольного напряжения, связанный с резервной сетью, формирователь пилообразного напряжения 138, амплитудный компаратор 139, подключенный дополнительно к датчику рассогласования 136, и усилитель мощности 140, выход которого соединен с выпрямителем 21.
Третий блок 141 схемы управления (фиг.6) включает в себя последовательно соединенные вторичные обмотки 142 и 143 соответственно вспомогательного трансформатора 114 и согласующего трансформатора 76, подключенных через стабилизаторы напряжения 115 и 97 к основной и резервной сетям, выпрямитель 144, амплитудный компаратор 145, подключенный дополнительно к источнику управляющего напряжения 146, расширитель импульсов 147, логическую схему НЕ 148 и логическую схему И 149, подключенную вторым входом к датчику напряжения 95, при этом выход расширителя импульсов 147 соединен с основным коммутатором 16, а выходы логических схем НЕ 148 и И 149 соединены соответственно с блоком контроля полярности напряжения 52, вторым входом логической схемы И 118 и блоком контроля фазы напряжения 51.
Устройство бесперебойного электропитания потребителей переменного тока может быть многократно реализовано с достижением указанного технического результата. Его изготовление не вызывает трудностей у специалистов в области электротехники.
Для понимания работы устройства в целом рассмотрим работу его основных блоков.
Блок контроля фазы напряжения 51 (фиг.3) работает следующим образом. В нормальном режиме потребитель переменного тока получает электропитание от основной сети и на трансформатор 61 (фиг.4) подается напряжение этой сети. На вход выпрямителей 67.1 и 68.1 подается сумма напряжений (1+4) и (1+9) соответственно (фиг.1), которые выпрямляются и подаются на амплитудный компаратор 69.1. Опорное
оп
напряжение U, которое подается на другой вход амплитудного компаратора 69.1, устанавливается таким, чтобы импульсы напряжения на его выходе появлялись при углах α и β, равных 30 эл. град. (фиг.2), что указывает на минимальный фазовый сдвиг напряжений 4 или 9 относительно напряжения 1. Другие субблоки блока контроля фазы напряжения контролируют фазовые сдвиги между напряжениями 1 и 5, 1 и 7,1 и 6, 1 и 8 (фиг.1, 2). Выходные импульсы амплитудных компараторов 69.1, 69.2, 69.3 поступают последовательно на расширители импульсов 70.1, 70.2, 70.3 и вспомогательные усилители 74.1, 74.2, 74.3. Сигналы с выходов последних поступают на логические схемы И 103-105 (фиг.6) схемы управления 53 (фиг.3). На выходе усилителей мощности 72.1, 72.2, 72.3 (фиг.4), которые тоже подключены к расширителям импульсов 70.1, 70.2, 70.3, сигналы появятся только при аварии в основной сети за счет подачи «1» с выхода логической схемы НЕ 148 схемы управления (фиг.6) и выхода датчика напряжения 95, который обеспечивает контроль напряжения в основной сети. Выходы усилителей мощности 72.1, 72.2, 72.3 (фиг.4) соединены с управляющими электродами ключевых элементов соответственно 26 28 30, 29 31 24, 32 25 27, которые включаются только при аварии в основной сети. После переключения нагрузки (потребителя переменного тока) на резервную сеть на трансформатор 61 подключается резервная сеть совместно с дополнительной и сохраняется доаварийная схема включения ключевых элементов 103-105 схемы управления (фиг.6). Логические схемы НЕ 73.1 и 73.2 совместно с логическими схемами И 71.1 и 71.2 (фиг.4) исключают одновременное появление импульсов управления на выходах усилителей мощности 74.1, 72.1; 74.2, 72.2; 74.3 72.3 при углах α=β, примерно равных 30 эл. град. (фиг.2). Блок контроля полярности напряжения 52 (фиг.3) работает следующим образом. Когда нагрузка подключена через основной коммутатор 16 к основной сети, то трансформатор 75 (фиг.5) подключен тоже к основной сети. На входы выпрямителей 79.1-81.1 подаются соответственно напряжения, пропорциональные напряжениям 1+4, 1+5, 1+6 (фиг.1, 2), а на выпрямители 79.2-81.2 - соответственно напряжения, пропорциональные напряжениям 1+9, 1+7, 1+8. Опорное напряжение Uon на амплитудных компараторах 82.1, 82.2 устанавливается таким образом, чтобы импульсы напряжения на их выходах появлялись при углах α и β, меньше или равных 30 эл. град. Для исключения аварийных режимов при α=β=30 эл. град. Введены логические схемы НЕ 87 и И 88, которые исключают одновременную подачу импульсов управления на ключевые элементы 45, 46, 47, 60 и 54, 55, 56, 59 (фиг.3). На выходах вспомогательных усилителей мощности 86.1 и 86.2 независимо от наличия основной
сети всегда существуют сигналы управления, которые обеспечивают нормальное функционирование схемы управления 53. При аварии в основной сети датчик напряжения 95 выдает сигнал на отключение основного коммутатора 16 (фиг.3), который отключает нагрузку от основной сети. Одновременно блоки контроля фазы и полярности напряжения 51 и 52 обеспечивают включение соответствующих ключевых элементов 24-32, 45-47, 54-, 56, 59, 60 (фиг.3) и подключение последовательно соединенных обмоток 42, 48; 43, 49; 44, 50 к нагрузке. При этом на трансформатор 75 (фиг.5) поступает напряжение, находящееся в фазе с основной сетью на момент аварии, и следовательно, сохранение сигналов с выходов усилителей мощности 86.1, 85.1 (86.2, 85.2).
Схема управления 53 (фиг.3) работает следующим образом. На вторичных обмотках 99, 100 согласующего трансформатора формируются напряжения, пропорциональные напряжению резервной сети, а на обмотках 111 113 напряжения, пропорциональные соответственно фазным напряжениям основной сети 1, 2, 3 (фиг.1, 2). Напряжения указанных обмоток застабилизированы на уровне максимальных величин. В нормальном режиме, когда нагрузка подключена к основной сети, за счет ключевых элементов 101, 102, 107-109 осуществляется подключение последовательно соединенных обмоток 99, 100 и 111-113 к субблоку фазовой автоподстройки частоты 119, который определяет фазу дополнительной системы напряжений. Управление ключевых элементов 101 и 102 осуществляется от блока контроля полярности напряжения. Включение ключевого элемента 101 осуществляется в интервалы времени, когда угол между напряжением 1 основной сети (например фаза А) и каким-либо напряжением 4, 5, 6 резервной сети меньше 30 эл. град. Включение ключевого элемента 102 осуществляется в интервалы времени, когда угол между напряжением 1 основной сети и каким-либо напряжением 7, 8, 9 резервной сети меньше 30 эл. град. Управление ключевыми элементами 107-109 осуществляется от логических схем И 103-105. В нормальном режиме от датчика напряжения 95 поступает «0», следовательно на выходе логической схемы НЕ 106 - «1», и состояние ключевых элементов 107-109 определяется только сигналами блока контроля фазы напряжения 51. Ключевой элемент 107 включен в интервалы времени, когда фазовый сдвиг меньше 30 эл. град. между напряжением 1 и 4 или 1 и 9 (фиг.1).. Ключевой элемент 109 включен в интервалы времени, когда фазовый сдвиг меньше 30 эл. град. между напряжением 1 и 5 или 1 и 7. Ключевой элемент 108 включен в интервалы времени, когда фазовый сдвиг меньше 30 эл. град. между напряжениями 1 и 6 или 1 и 8. Таким образом, при изменении фазы напряжения 4 относительно 1 против часовой стрелки от
-30 до 30 эл. град. Приводит к изменению фазы выходного напряжения субблока фазовой автоподстройки частоты 119 на 120 эл. град. По часовой стрелке. Из полученного выходного напряжения фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) при помощи фазорасщипителя 120 получают трехфазную систему прямоугольных напряжений, которая через усилитель мощности 121 поступает на цепи управления ключевых  элементов инвертора с ШИМ., формирующего дополнительную систему трехфазных напряжений 10, 11, 12 (фиг.1., 2). В указанном интервале изменения угла α субблок ФАПЧ подключен к последовательно соединенным обмоткам 99 и 111, т.е. субблок ФАПЧ формирует на выходе напряжение, находящееся в фазе с напряжением 1-4. Соответственно на других выходах фазорасщипителя 120 формируются еще два напряжения, сдвинутые относительно указанного на 120 эл. град. При подходе фазы напряжения 4 к углу α=30 эл. град. (вектор напряжения вращается против часовой стрелки) фаза напряжения 1-4 равна фазе напряжения 4+2 и вход субблока ФАПЧ подключается к последовательно соединенным обмоткам 100 и 112. При изменении фазы напряжения 4 относительно напряжения 1 от 30 до 90 эл. град. Фаза напряжения на выходе субблока ФАПЧ изменяется еще на 120 эл. град. по часовой стрелке. При α=90 эл. град. фаза напряжения 4+2 становится равной фазе напряжения 3-4 и вход субблока ФАПЧ подключается к двум последовательно соединенным обмоткам 99 и 113. При изменении фазы напряжения 4 относительно напряжения 1 от 90 до 150 эл. град. фаза напряжения на выходе субблока ФАПЧ изменяется еще до 120 эл. град. по часовой стрелке. При α=150 эл. град. фаза напряжения 3-4 становится равной фазе напряжения 1-4 и вход субблока ФАПЧ подключается к двум последовательно соединенным обмоткам 110 и 111. При α=210-270 эл. град, α=270-330 эл. град вход субблока ФАПЧ подключается соответственно к последовательно соединенным обмоткам 99 и 112, 100 и 113. Получается, что при изменении фазы напряжения 4 относительно напряжения 1 на 360 эл. град. фаза напряжения на выходе субблока ФАПЧ изменяется на 720 эл. град. в противоположном направлении. Стабилизация напряжений 4-10, 5-11, 6-12 на уровне максимальной величины осуществляется инвертором с ШИМ совместно с замкнутой системой стабилизации по напряжению. Напряжение от резервной сети поступает на генератор прямоугольного напряжения 137 (фиг.6), на выходе которого формируется прямоугольное напряжение, находящееся в фазе с резервной сетью. На выходе формирователя пилообразного напряжения 138 формируется напряжение пилообразной формы, которое поступает на первый вход амплитудного компаратора 139, на второй вход которого поступает напряжение с датчика рассогласования 136. Импульсы напряжения с выхода амплитудного
y
компаратора 139 через усилитель мощности поступают на цепи стабилизации выходного напряжения инвертора с ШИМ. Переключение потребителей переменного тока с резервной сети на основную осуществляется в момент совпадения фаз напряжений указанных сетей. Достигается это путем суммирования напряжений обмоток 142 и 143, их выпрямления выпрямителем 144, сравнения с управляющим U в амплитудном компараторе 145 и формирования непрерывного сигнала расширителя импульсов 147. Сигнал на выходе амплитудного компаратора 145 появляется только при совпадении фаз основной и резервной сетей. Сигнал с выхода расширителя импульсов 147 поступает на основной коммутатор 16 на его включение и одновременно происходит выключение ключевых элементов 45, 46, 47, 60 и 54, 55, 56, 59 за счет снятия «I» с входов конъюкторов 84.1, 84.2. Необходимость стабилизации вторичных обмоток 142 и 143 обусловлена определением более точного момента совпадения фаз основной и резервной сетей.
Устройство бесперебойного электропитания потребителей переменного тока работает следующим образом.
В нормальном режиме электропитание потребителей переменного тока осуществляется от основной сети. При этом импульсы управления от схемы управления 53 поступают на цепи управления ключевых элементов инвертора с ШИМ, на вход которого поступает соответствующее по амплитуде напряжение с выхода неуправляемого выпрямителя 21. На цепи управления ключевых элементов 24-32, 45-47, 54-56, 59, 60 (фиг.3) в этом режиме импульсы управления не поступают. При аварии в основной сети (к.з., отклонение напряжения от номинального, исчезновение одной фазы и т.д.) основной коммутатор 16 отключает потребители переменного тока от основной сети по сигналу от датчика напряжения 95, по сигналу которого импульсы управления поступают на цепи управления соответствующих ключевых элементов 24-32, 45-47, 54-56, 59, 60, что обеспечивает подключение потребителей переменного тока к последовательно соединенным вторичным обмоткам 42, 48 43, 49, 44, 50. При этом в первоначальный момент (на момент аварии) фаза полученной системы напряжений совпадает с напряжениями основной системы. Сигналом от датчика напряжения 95 обеспечивается выключение ключевых элементов 107-109 и включение ключевого элемента 116 схемы управления (фиг.6), через который происходит подключение обмотки 99 непосредственно к субблоку ФАПЧ 119, обеспечивающему плавное изменение фазы (частоты) выходного сигнала до совпадения с фазой резервной сети. После устранения аварии при совпадении фаз напряжений основной сети и резервной с выхода амплитудного компаратора 145 поступает сигнал на расширитель импульсов
147, который обеспечивает включение основного коммутатора 16 и выключение ключевых элементов 24-32, 45-47, 54-56, 59, 60. Таким образом происходит переключение потребителя переменного тока с резервной сети на основную. Стабилизация выходного напряжения происходит следующим образом. В нормальном режиме от основной и резервной сетей потребляется одинаковый ток, поэтому ампервитки уравнительных трансформаторов 33-36, 34-37, 35-38 равны между собой и компенсируются за счет встречного включения вторичных обмоток, осуществляющих электрическую связь между уравнительными трансформаторами. Если напряжение основной сети переменного тока повышается, то изменяется соотношение токов, суммарные ампервитки уравнительных трансформаторов отличаются от нуля и на их обмотках появляется напряжение разбаланса, определяемое разностью токов вторичных обмоток, которое вычитается из напряжения основной сети и складывается с напряжением резервной сети, определяемое в основном напряжением инвертора с ШИМ, включенного последовательно геометрически с напряжением резервной сети. Напряжение потребителя переменного тока равно полусумме напряжений основной и резервной сети. Поэтому оно повышается на величину, равную половине отклонений напряжений основной сети от номинального значения. Напряжение потребителя переменного тока сравнивается с опорным напряжением. Так как напряжение у потребителя переменного тока превышает заданное, оно поступает в схему сравнения, которая обеспечивает изменение величины опорного напряжения. Напряжение на выходе резервной сети уменьшается и возникает сигнал рассогласования, который воздействует на регулятор инвертора с ШИМ, уменьшая его выходное напряжение, пока напряжение на нагрузке не станет равным номинальному с заданной точностью. При снижении напряжения основной сети процесс стабилизации напряжения происходит аналогично, но при этом выходное напряжение резервной сети повышается. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает надежное и качественное гарантированное электроснабжение потребителей переменного тока и высокий КПД. Следует также отметить, что в традиционных системах бесперебойного электропитания (СБП) с дельта-преобразованием, которые, как известно специалистам в данной области, имеют высокий КПД по сравнению с другими СБП, при изменении напряжения основной сети, например на 15%, энергопотери составляют 1,5%. А в предложенном устройстве по расчетам заявителей при изменении напряжения основной сети на 15% они составят 0,5%. Что еще раз подтверждает высокий КПД.