СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в электропитании ответственных потребителей средней и большой мощности.
Известны системы бесперебойного электропитания, выполняемые по принципу On-Line и известные как системы с двойным преобразованием, выпускаемые такими известными производителями, как АРС, Best Power, Emerson Electric, Powerware и др. (1. Excide Electronics: Источники бесперебойного электропитания корпорации Excide Electronics. Проспект фирмы, 1998 г., PC Magazine/RE, спецвыпуск, январь 1997, с.68-79. 2. Мир ИБП, Мир ПК, март 1997. С.33-57. 3. Кучеров Д.П. Источники питания ПК и периферии - Наука и техника, Санкт-Петербург, 2002 г.) Все эти системы содержат выпрямитель, аккумулятор и инвертор. Сетевое напряжение переменного тока преобразуется в напряжение постоянного тока. Одновременно часть энергии аккумулируется, причем аккумулятор постоянно подзаряжается этим напряжением постоянного тока. Затем происходит обратное преобразование постоянного напряжения в переменное, которым и питают компьютеры и компьютерные системы. При отклонениях сетевого напряжения от нормального режима электропитание компьютеров осуществляется от аккумулятора, но предварительно преобразуя его напряжение в напряжение переменного тока. Таким образом, эти системы, используют технологию двойного преобразования электрической энергии, как в нормальном режиме, так и при сбоях в электросети. Однако двойное преобразование ведет к высоким энергопотерям (8-12%). Эти известные системы характеризуются невысоким коэффициентом входной мощности из-за значительной реактивной составляющей входного импеданса (0,7÷0,8), являются источником гармонических помех (до 20-30%), вносимых во внешнюю электросеть и снижающих ее качество. Все это в конечном итоге приводит к снижению КПД.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является система бесперебойного электропитания с технологией дельта-преобразования. Основная идея дельта-преобразования состоит в том, что преобразованию подвергается не вся входная мощность, а разница (дельта) между входным и выходным сигналами, при этом обеспечивается чисто синусоидальная форма выходного напряжения. За прототип принята система бесперебойного электропитания с технологией дельта-преобразования АРС Silcon. Блок-схема системы бесперебойного электропитания с дельта-преобразованием АРС Silcon и ее описание
приведены на с.2 в статье «Технология преобразования АРС Silcon», электронная версия издания помещена на сайте www.mt-810.narod.ru/telecom.html. Система бесперебойного электропитания по прототипу содержит: основной инвертор, дельта-инвертор, дельта-трансформатор, входной и выходной фильтры, LC-фильтр, аккумуляторную батарею, два электронных ключа (основной и шунтирующий), входной и выходной контакторы переменного тока и конденсатор в цепи постоянного тока, включенный между дельта-инвертором и основным инвертором параллельно аккумуляторной батарее. Один конец первичной обмотки дельта-трансформатора подключен к фазному выходу электросети через главный электронный ключ, выполненный на включенных параллельно и встречно тиристорах, входной контактор переменного тока и входной фильтр. Второй конец первичной обмотки дельта-трансформатора подключен через выходной контактор переменного тока к выходу шунтирующего электронного ключа, который через LC-фильтр подключен к фазному выходу основного инвертора. Постоянный вход основного инвертора и постоянный выход дельта-инвертора соединены с положительным выводом аккумуляторной батареи. Входы главного и шунтирующего электронных ключей объединены и соединены с одним из выводов входного контактора переменного тока. Выходной фильтр соединен с одной из клемм нагрузки. Нулевые выводы электросети объединены с выходом LC-фильтра основного инвертора и отрицательным выводом нагрузки. Основной инвертор представляет собой 4-х квадрантный инвертор на транзисторах с изолированным затвором (IGBT), использующий широтно-импульсную модуляцию. Он обеспечивает стабильность напряжения, заряд аккумуляторной батареи и питает нагрузку при работе от аккумуляторной батареи. Дельта-инвертор представляет собой 4-х квадрантный инвертор на IGВТ-транзисторах и контролирует амплитуду и синусоидальную форму входного тока, управляет зарядкой аккумуляторной батареи, сглаживает разницу входного и выходного напряжения, корректирует коэффициент мощности на входе. Входные и выходные фильтры подавляют гармонические составляющие напряжения и тока, вызываемые нагрузкой и импульсной модуляцией. Конденсатор в цепи постоянного тока обеспечивает энергетический запас для сглаживания высокочастотных колебаний и защищает аккумуляторную батарею от их влияния. Электронные ключи обеспечивают мгновенное переключение на питание от электросети в случае перегрузки или отказа инвертора (шунтирующий электронный ключ) и гарантируют, что ток не будет направлен в первичный источник во время работы от батареи при сбое питания в электросети (главный электронный ключ).
Технология систем бесперебойного электропитания с дельта-преобразованием АРС Silcon имеет следующие достоинства:
- полностью регулирует выходное напряжение;
- обеспечивает выходное напряжение чистой синусоидальной формы;
- гарантирует максимальную защиту против всплесков, скачков, перепадов и отклонений напряжения;
- имеет единичный входной коэффициент мощности;
- обеспечивает менее 5% гармонических искажений входного тока;
- обладает отличной совместимостью с генераторами;
- имеет высокий КПД, поскольку преобразованию подвергается лишь небольшая часть энергии и ее потери малы;
- сохраняет работоспособность при 200% перегрузке.
Однако система бесперебойного электропитания по прототипу имеет и существенные недостатки. Высокий КПД достигается при вполне определенных условиях: параметры напряжения сети соответствуют номинальным значениям, входной импеданс нагрузки имеет только активную составляющую, а сама система бесперебойного электропитания (СБП) нагружена на полную мощность. При невыполнении этих условий повышается нагрузка на основной инвертор и дельта-инвертор или снижается эффективность использования входного дельта-трансформатора, что, так или иначе, снижает КПД. К тому же эффекту приводит расширение диапазона входных напряжений для нормального режима работы. В итоге, имея преимущество по КПД (2-3%) в идеальных условиях, СБП с дельта-преобразованием проигрывают системам типа On-Line с двойным преобразованием в условиях реальных.
По той же самой причине не всегда удается получить выигрыш при выборе генераторной установки. Рекомендуемый коэффициент запаса мощности генераторной установки 1,4...1,5 можно взять за основу лишь в том случае, если нагрузка является чисто линейной. На практике это бывает крайне редко и поэтому правильнее закладывать в расчеты коэффициент 1,5...1,8 - точно такой же, как при использовании СБП с двойным преобразованием, снабженных относительно экономичным корректирующим THD-фильтром.
Следует также отметить, что СБП с дельта-преобразованием отличаются более высокой сложностью по сравнению с системами типа On-Line с двойным преобразованием, так как для обеспечения двунаправленной работы основного инвертора в них применяются устройства черырехквадрантного типа. Это сказывается
на стоимости и надежности агрегата. Кроме того, в нормальном режиме основной и дельта-инвертор должны работать синхронно с сетью. Поэтому переход СБП из автономного режима в нормальный происходит лишь после восстановления синхронизации двух инверторов с сетевьм напряжением. Сбой любого элемента системы в этом случае может стать причиной повреждения целой группы блоков. Процесс синхронизации особенно усложняется при параллельной работе нескольких СБП.
Задача полезной модели упростить функциональную схему системы бесперебойного электропитания и одновременно увеличить надежность ее функционирования и КПД.
Решение задачи направлено на то, чтобы сохранить функцию дельта-преобразования, но при этом исключить из схемы один инвертор (дельта-инвертор), для чего ввести в систему два уравнительных трансформатора, которые вместе с оставшимся инвертором будут выполнять функцию дельта-инвертора. Технический результат в этом случае заключается в осуществлении электромагнитной связи между электросетью и инвертором, в регулировании, стабилизации напряжения на выходе системы бесперебойного электропитания и в упрощении процесса синхронизации элементов системы.
Технический результат достигается следующим образом. Заявляемая система бесперебойного электропитания, как и прототип, содержит входной фильтр, подключенный к фазному выходу электросети, выходной фильтр, с которым соединен один из выводов нагрузки, главный и шунтирующий электронные ключи, входы которых объединены и через входной контактор переменного тока соединены с выходом входного фильтра, содержит аккумуляторную батарею, четырехквадрантный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения по синусоидальному закону, постоянный вход которого соединен с положительным выводом аккумуляторной батареи, и LC-фильтр, подключенный к фазному выходу четырехквадрантного инвертора с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения по синусоидальному закону. Выход LC-фильтра и вывод нагрузки объединены и соединены со вторым выходом электросети.
В отличие от прототипа заявленное устройство дополнительно содержит третий электронный ключ и два уравнительных трансформатора, первичные обмотки которых зашунтированы дополнительно введенными шунтирующими контакторами, начала первичных обмоток объединены и соединены с выходом шунтирующего электронного ключа и входом выходного фильтра, а вторичные обмотки включены встречно-параллельно.
Конец первичной обмотки первого уравнительного трансформатора соединен с выходом главного электронного ключа, а конец первичной обмотки второго уравнительного трансформатора соединен с входом третьего электронного ключа, выход которого подключен к LC-фильтру. Постоянный вход четырехквадрантного инвертора с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения по синусоидальному закону соединен с положительным выводом аккумуляторной батареи через контактор постоянного тока. Отрицательный вывод аккумуляторной батареи объединен с выходом LC-фильтра и выводом нагрузки. Все три электронных ключа выполнены на двух параллельных встречно включенных тиристорах.
Уравнительные трансформаторы осуществляют электромагнитную связь между электросетью и четырехквадрантным инвертором с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения по синусоидальному закону и обеспечивают регулирование и стабилизацию напряжения на выходе системы электропитания. Четырехквадрантный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения по синусоидальному закону за счет введения в систему двух уравнительных трансформаторов выполняет функцию дельта-инвертора. В случае аварии в электросети инвертор получает электроэнергию от аккумуляторной батареи и схема работает по тому же принципу, что при классическом двойном преобразовании, т.е. по принципу On-Line (аналог). Кроме того, облегчаются условия синхронизации, т.к. применяется только один инвертор, а не два как в прототипе, и используются элементы устройства, не требующие синхронизации (уравнительные трансформаторы). Следовательно, повышается надежность заявляемого устройства.
Совокупность существенных признаков, которыми характеризуется заявляемая полезная модель, заявителем из известных источников информации не выявлена. Это подтверждают новизну заявляемой полезной модели.
На чертеже изображена схема заявляемой системы бесперебойного электропитания.
Система бесперебойного электропитания содержит подключенный к электросети 1 входной фильтр 2, входной контактор переменного тока 3, соединенный с объединенными входами главного электронного ключа 4 и шунтирующего электронного ключа 5, выполненных на двух параллельных встречно включенных тиристорах и два уравнительных трансформатора 6, 7: первый уравнительный трансформатор 6 с обмотками 8, 9, второй уравнительный трансформатор 7 с обмотками 10, 11. Вторичные обмотки 9, 11 уравнительных трансформаторов 6 и 7 соединены встречно-параллельно. Выход главного электронного ключа 4 соединен с концом первичной обмотки 8 первого
уравнительного трансформатора 6. Конец первичной обмотки 10 второго уравнительного трансформатора 7 соединен с входом третьего электронного ключа 12. Выход электронного ключа 12 соединен через LC-фильтр 13 с четырехквадрантным инвертором 14 с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения по синусоидальному закону, выполненным на базе IGВТ-транзисторов. Постоянный вход инвертора 14 соединен с одной из клемм контактора постоянного тока 15, вторая клемма которого соединена с положительным выводом аккумуляторной батареи 16. Начало первичной обмотки 8 первого уравнительного трансформатора 6 и начало первичной обмотки 10 второго уравнительного трансформатора 7 объединены и соединены с выходом шунтирующего электронного ключа 5 и с входом выходного фильтра 17. Выход выходного фильтра 17 соединен с одной из клемм нагрузки 18, вторая клемма которого объединена со вторым выходом электросети 1, выходом LC-фильтра 13 и отрицательной клеммой аккумуляторной батареи 16. Первичные обмотки 8, 10 уравнительных трансформаторов 6, 7 зашунтированы шунтирующими контакторами 19, 20.
Заявляемая система бесперебойного электропитания промышленно применима. Ее реализация не вызывает трудностей у специалистов в данной области. Она может быть многократно реализована с достижением одного и того же технического результата.
Система бесперебойного электропитания работает следующим образом. В номинальном режиме напряжение на выходе электросети 1 и инвертора 14 равны номинальному. Контакты 3, 15 замкнуты. Питание потребителей (нагрузка 18) обеспечивается от электросети 1 и инвертора 14. От указанных источников потребляется одинаковый ток, поэтому ампервитки уравнительных трансформаторов 6 и 7 равны между собой и компенсируются за счет встречного включения вторичных обмоток 9, 11, осуществляющих электрическую связь между уравнительными трансформаторами 6, 7. Если напряжение в электросети 1 повышается, изменяется соотношение токов, потребляемых от электросети 1 и инвертора 14, суммарные ампервитки уравнительных трансформаторов 6 и 7 отличаются от нуля и на их обмотках появляется напряжение разбаланса (дельта-напряжение), определяемое разностным током вторичных обмоток 9, 11, которое вычитается из напряжения электросети 1 и складывается с напряжением инвертора 14. В этом случае дельта-напряжение формируется за счет напряжения электросети 1 и благодаря электромагнитной связи между уравнительными трансформаторами 6, 7 передается в нагрузку 18. Напряжение переменного тока на нагрузке 18 равно полусумме напряжений электросети 1 и инвертора 14, превышающих номинальное напряжение.
H
H
Наличие уравнительных трансформаторов 6, 7 позволяет регулировать, сглаживать выходное напряжение на выходе инвертора 14, оно уменьшается, пока напряжение на нагрузке 18 станет равным номинальному с заданной точностью. При уменьшении выходного напряжения электросети 1 процессы регулирования протекают аналогично, но при этом выходное напряжение инвертора 14 повышается. Во втором случае дельта-напряжение формируется за счет выходного напряжения инвертора 14 и передается в нагрузку за счет электромагнитной связи между уравнительными трансформаторами 6, 7. Если для инвертора 14 границей допустимой зоны (допустимое отклонение напряжения) будет ±ΔU, то для выходного напряжения электросети граница допустимой зоны будет составлять ±3ΔU, так как при изменении выходного напряжения электросети до напряжения U±3ΔU, а инвертора - U±ΔU, напряжение на нагрузке 18 будет определяться по формуле:
гдe
H
U - номинальное напряжение сети,
ΔU - отклонение напряжения от номинального.
Из формулы видно, что при отклонении напряжения электросети в 3 раза больше допустимого отклонения, напряжение на нагрузке 18 не будет превышать заданное номинальное напряжение на величину допустимого отклонения ΔU. Отсюда понятно, что при отклонениях входного напряжения на 15% двойному преобразованию подвергается не 15% электроэнергии, а 5%, что ведет в конечном итоге к повышению КПД. Если учесть, что суммарные потери электроэнергии составляют 10%, то в процентах для прототипа они составляют 0,15×10%=1,5%, а в заявленной системе бесперебойного электропитания - 0,05×10%=0,5, т.е. КПД заявленной полезной модели выше, чем у прототипа.
H
При превышении входного напряжения в электросети 1 напряжения U±3ΔU отключается входной контактор 3 и шунтирующие контакторы 19, 20 шунтируют первичные обмотки 8, 10 уравнительных трансформаторов 6, 7, исключая их взаимное влияние, а система электропитания переходит в режим on-line с двойным преобразованием, питая нагрузку 18 только от инвертора 14 и аккумуляторной батареи 16.
H
Таким образом, система бесперебойного электропитания при номинальных значениях напряжения электросети 1 и инвертора 14, а также при отклонениях напряжения электросети 1 в диапазоне U±3ΔU электропитание потребителей
осуществляется от параллельно работающих источников: электросети 1 и инвертора 14, благодаря чему существенно повышается надежность электропитания.
Использование уравнительных трансформаторов ведет к упрощению устройства, а, учитывая, что используются элементы устройства, не требующие синхронизации (уравнительные трансформаторы), упрощается процесс синхронизации, что повышает надежность устройства. Кроме того, вся входная мощность проходит через уравнительные трансформаторы 6, 7 и четырехквадрантный инвертор 14 с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения по синусоидальному закону, ток которого полностью контролируется этим инвертором 14. Он формирует входной ток от первичного источника, обеспечивая его синусоидальную форму и совмещение по фазе с напряжением электросети 1. В результате, как и в прототипе, гарантируется единичный коэффициент мощности, а также значение коэффициента искажений синусоидальности тока менее 5%. Как и в прототипе, управление генерированием последовательности импульсов ШИМ происходит на основании следующих параметров:
1. Напряжения в цепи постоянного тока, снимаемого с аккумуляторной батареи 16, и эталонного постоянного напряжения. Этим определяется значение мощности, пропускаемой через инвертор 14 и уравнительные трансформаторы 6, 7.
2. Реального входного тока, потребляемого из электросети 1 и сигнала эталонного гармонического генератора, синхронизированного с напряжением первичного источника, что гарантирует синусоидальную форму тока, а также его согласование по фазе с напряжением электросети.
В нормальном рабочем режиме заявляемая СБП, как и прототип, выдерживает 200-процентную перегрузку в течение 60 секунд, что обеспечивается параллельной работой двух источников (электросети 1 и аккумуляторной батареи 16).