ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
THREE-PHASE HIGH-POWER UNINTERRUPTED POWER SUPPLY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к трехфазному источнику бесперебойного питания большой мощности.
Уровень техники
Источники бесперебойного питания (ИБП), включающие преобразователи напряжения, являются фундаментальными частями многих электрических систем, таких как системы электроснабжения для ЭВМ и серверов в дата-центрах. ИБП могут использоваться со многими типовыми системами электроснабжения, включающими одно- и трехфазные соединения, и могут использоваться с маломощными системами (например, бытовой компьютер) и высокомощными системами (например, дата-центры или процессинговое оборудование). Высокомощные системы обычно используют трехфазное электрическое соединение (например, с Х-, Y- и Z-фазами). Преобразователь напряжения трехфазного ИБП обычно используется для подачи трехфазной электроэнергии переменного тока на трехфазную нагрузку, для преобразования трехфазного напряжения переменного тока с одного уровня на другой и для подачи трехфазной электроэнергии на нагрузку в случае перебоя в питании. Входное и выходное соединения преобразователя напряжения трехфазного ИБП обычно представляют собой трех- или четырехтерминальные соединения - по одному соединению для каждой фазы трехфазного электрического соединения и необязательную нейтраль. Кроме того, обычно батарея присоединена к преобразователю напряжения ИБП и используется для накопления энергии для использования в случае перебоя в питании.
Типовые ИБП высокой мощности (например, выше 100 кВт) работают с использованием номинальных входных напряжений переменного тока 3×400 В (в Европе) или 3×480 В (в США). Бестрансформаторные ИБП могут работать с напряжением ±450 В внутренней шины постоянного тока. В такой конфигурации компоненты, содержащиеся в ИБП, предпочтительно рассчитаны на максимально допустимое напряжение по меньшей мере 1200 В ввиду больших выбросов напряжения, обусловленных паразитными индуктивностями физически крупных биполярных транзисторов с изолированным затвором. Использование компонентов, рассчитанных на максимально допустимое напряжение 1200 В, однако, обычно приводит к увеличению потерь на электропроводность и на переключение, тем самым снижая КПД.
Раскрытие изобретения
Согласно одному аспекту изобретения предлагается схема преобразователя электроэнергии, содержащая вход, включающий множество входных линий, каждая из которых предназначена для соединения с фазой многофазного источника электроэнергии переменного тока, имеющей синусоидальный сигнал, множество шин постоянного тока, включающее первую положительную шину постоянного тока, имеющую первое номинальное напряжение постоянного тока; вторую положительную шину постоянного тока, имеющую второе номинальное напряжение постоянного тока; первую отрицательную шину постоянного тока, имеющую третье номинальное напряжение постоянного тока; и вторую отрицательную шину постоянного тока, имеющую четвертое номинальное напряжение постоянного тока; первый преобразователь электроэнергии, соединенный с входом и сконфигурированный для подачи электроэнергии из многофазного источника электроэнергии переменного тока на множество шин постоянного тока во время первого положительного участка синусоидального сигнала и первого отрицательного участка синусоидального сигнала; и второй преобразователь электроэнергии, соединенный с входом и сконфигурированный для подачи электроэнергии из многофазного источника электроэнергии переменного тока в по меньшей мере некоторые из множества шин постоянного тока во время второго положительного участка синусоидального сигнала и второго отрицательного участка синусоидального сигнала.
Согласно одному варианту осуществления первый положительный участок включает фазовые углы синусоидального сигнала вблизи фазового угла пиковой положительной амплитуды синусоидального сигнала; первый отрицательный участок включает фазовые углы синусоидального сигнала вблизи фазового угла пиковой отрицательной амплитуды синусоидального сигнала; а второй положительный участок и второй отрицательный участок включают фазовые углы синусоидального сигнала вблизи прохождения через ноль синусоидального сигнала.
Согласно еще одному аспекту предлагается способ подачи выходной электроэнергии переменного тока из ИБП, причем ИБП включает многофазный вход переменного тока; множество шин постоянного тока, включающее первую положительную шину постоянного тока, вторую положительную шину постоянного тока, первую отрицательную шину постоянного тока и вторую отрицательную шину постоянного тока; схему преобразователя электроэнергии, включающую первый преобразователь электроэнергии и второй преобразователь электроэнергии, каждый из которых соединен с входом переменного тока и по меньшей мере одной из множества шин постоянного тока. Согласно некоторым вариантам осуществления способ включает следующие действия: подачу электроэнергии с многофазного входа переменного тока на вход первого преобразователя электроэнергии и подачу электроэнергии на множество шин постоянного тока с выхода первого преобразователя электроэнергии во время первого положительного участка синусоидального сигнала, подаваемого с многофазного входа переменного тока, и во время первого отрицательного участка синусоидального сигнала; подачу электроэнергии с многофазного входа переменного тока на вход второго преобразователя электроэнергии и подачу электроэнергии в по меньшей мере некоторые из множества шин постоянного тока с выхода второго преобразователя электроэнергии во время второго положительного участка синусоидального сигнала и во время второго отрицательного участка синусоидального сигнала; и преобразование электроэнергии, подаваемой из множества шин постоянного тока, в выходную электроэнергию переменного тока, подаваемую на выход переменного тока ИБП.
Согласно еще одному аспекту предлагается способ подачи выходной электроэнергии переменного тока из ИБП, причем ИБП включает вход переменного тока; первый преобразователь электроэнергии, соединенный с входом переменного тока; второй преобразователь электроэнергии, соединенный с входом переменного тока; источник электроэнергии постоянного тока и шину постоянного тока. Согласно некоторым вариантам осуществления способ содержит следующие действия: подачу электроэнергии с входа переменного тока на вход первого преобразователя электроэнергии и подачу электроэнергии в шину постоянного тока с выхода первого преобразователя электроэнергии в первом рабочем состоянии ИБП; подачу электроэнергии с входа переменного тока на вход второго преобразователя электроэнергии и подачу электроэнергии в шину постоянного тока с выхода второго преобразователя электроэнергии в каждом из первого рабочего состояния ИБП и второго рабочего состояния ИБП; подачу электроэнергии из источника электроэнергии постоянного тока на вход первого преобразователя электроэнергии и подачу электроэнергии в шину постоянного тока с выхода первого преобразователя электроэнергии во втором рабочем состоянии ИБП; и преобразование электроэнергии, подаваемой с шины постоянного тока, в выходную электроэнергию переменного тока, подаваемую на выход переменного тока ИБП, в каждом из первого рабочего состояния и второго рабочего состояния.
Различные аспекты изобретения могут предоставлять одну или более из следующих возможностей. Надежная трехфазная электроэнергия может подаваться на нагрузку. Физический размер трехфазного ИБП может быть уменьшен по сравнению с уровнем техники. КПД может быть увеличен по сравнению с уровнем техники. Бестрансформаторная схема может быть использована для преобразования электроэнергии переменного тока в электроэнергию постоянного тока, электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока и электроэнергии постоянного тока с первого напряжения на второе напряжение. Потери на переключение биполярного транзистора с изолированным затвором могут быть уменьшены по сравнению с уровнем техники. Могут использоваться компоненты, имеющие более низкое максимально допустимое напряжение по сравнению с уровнем техники. Тепловые потери могут быть уменьшены по сравнению с уровнем техники. Необходимость в навесных конденсаторах и/или ограничительных диодах может быть уменьшена по сравнению с уровнем техники. Напряжение батареи, используемой с ИБП, может быть уменьшено по сравнению с уровнем техники. Несбалансированная работа, вызванная несоответствием напряжения, подаваемого на вход трехфазного ИБП, и электроэнергией (напряжением), потребляемой с выхода трехфазного ИБП, может быть компенсирована без использования трансформатора.
Эти и другие возможности изобретения, а также само изобретение будут более полно уяснены после изучения приведенных ниже фигур, подробного описания и формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи выполнены без соблюдения масштаба. На фигурах чертежей один и тот же компонент либо родственные компоненты обозначены одной и той же позицией. Для того чтобы не затемнять чертеж, на нем не все компоненты могут быть обозначены позициями.
Фигура 1 - схема трехфазного ИБП,
фигура 2 - схема преобразователя переменного тока в постоянный ток,
фигура 3 - график, показывающий пример сигнала электроэнергии, подаваемого в преобразователь переменного тока в постоянный ток из фигуры 2,
фигуры 4А-4С - графики, показывающие состояния переключателей в преобразователе переменного тока в постоянный ток из фигуры 2,
фигура 5 - схема управляющей схемы на основе широтно-импульсной модуляции,
фигура 6 - пример управляющих сигналов для использования с управляющей схемой на основе широтно-импульсной модуляции из фигуры 5,
фигура 7 - схема преобразователя постоянного тока в переменный ток,
фигура 8 - график, показывающий пример сигналов электроэнергии переменного тока и постоянного тока,
фигуры 9А-9С - графики, показывающие состояния переключателей в преобразователе постоянного тока в переменный ток из фигуры 8,
фигура 10 - схема преобразователя переменного тока в переменный ток,
фигура 11 - схема преобразователя постоянного тока в постоянный ток,
фигура 12 - схема балансировщика шин постоянного тока,
фигура 13 - график, представляющий примеры сигналов для управления переключателями, включенными в балансировщик шин постоянного тока из фигуры 12,
фигура 14 - блок-схема процесса для подачи электроэнергии из трехфазного ИБП, показанного на фигуре 1,
фигура 15 - схема ИБП согласно другому варианту осуществления, и
фигура 16 иллюстрирует графики эталонных сигналов для разделения нагрузки для варианта осуществления ИБП, изображенного на фигуре 15.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение не ограничено его применением, подробностями конструкции и размещением компонентов, которые раскрыты в нижеследующем описании или изображены на чертежах. Изобретение имеет и другие варианты осуществления и может быть воплощено или осуществлено различными способами. Кроме того, формулировки и терминология, используемые в настоящем документе, имеют описательное назначение и не должны истолковываться как ограничивающие. Выражения «включающий», «содержащий» или «имеющий», «включающий в себя» и их варианты означают наличие перечисленных далее составляющих, а также возможность наличия дополнительных составляющих.
Варианты осуществления изобретения включают способы для подачи бесперебойного трехфазного электропитания на нагрузку. Например, бестрансформаторный трехфазный источник бесперебойного питания включает преобразователи переменного тока в постоянный ток (например, модули коррекции коэффициента мощности), преобразователи постоянного тока в переменный ток (например, инверторы), модуль преобразования постоянного тока в постоянный ток, несколько шин постоянного тока и балансировщик шин постоянного тока. Преобразователи переменного тока в постоянный ток принимают трехфазную электроэнергию переменного тока (например, 3×400 В или 3×480 В) от трехфазного источника электроэнергии и преобразуют трехфазную электроэнергию в электроэнергию постоянного тока (например, с несколькими уровнями напряжения). Каждый из преобразователей переменного тока в постоянный ток принимает одну фазу трехфазного электрического соединения. При нормальной работе (например, когда подходящая трехфазная электроэнергия принимается от трехфазного источника электроэнергии) электроэнергия постоянного тока, присутствующая в шинах постоянного тока, поступает в преобразователи постоянного тока в переменный ток. Кроме того, во время нормальной работы преобразователь постоянного тока в постоянный ток преобразует электроэнергию постоянного тока, присутствующую в шинах постоянного тока, в напряжение, используемое для зарядки батареи. В другое время (например, когда трехфазная электроэнергия является неудовлетворительной или недоступной) электроэнергия постоянного тока подается в преобразователи постоянного тока в переменный ток из батареи. Преобразователи постоянного тока в переменный ток преобразуют электроэнергию постоянного тока в трехфазную электроэнергию переменного тока (например, каждый из преобразователей постоянного тока в переменный ток обеспечивает одну фазу трехфазного сигнала). Напряжения, принимаемые преобразователями переменного тока в постоянный ток, и напряжения, обеспечиваемые преобразователями постоянного тока в переменный ток, могут быть одинаковыми или разными. Во время нормальной работы или в других случаях балансировщик шин постоянного тока балансирует напряжения, присутствующие в шинах постоянного тока, путем перемещения энергии между шинами постоянного тока. В объем изобретения входят и другие варианты осуществления.
Рассмотрим фигуру 1. ИБП 5 включает модули 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток, модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток, батарею 50 и шины 60, 61, 62, 63 и 64. Модуль 10 преобразования переменного тока в переменный ток включает преобразователь 11 переменного тока в постоянный ток, соединенный с преобразователем 12 постоянного тока в переменный ток посредством шин 60, 61, 62, 63 и 64. Модуль 20 преобразования переменного тока в переменный ток включает преобразователь 21 переменного тока в постоянный ток, соединенный с преобразователем 22 постоянного тока в переменный ток посредством шин 60, 61, 62, 63 и 64. Модуль 30 преобразования переменного тока в переменный ток включает преобразователь 31 переменного тока в постоянный ток, соединенный с преобразователем 32 постоянного тока в переменный ток посредством шин 60, 61, 62, 63 и 64. Модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток включает преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток и балансировщик 42 шин постоянного тока. Преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток соединен с балансировщиком 42 шин постоянного тока посредством шин 60, 61, 62, 63 и 64. Модули 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток и модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток соединены друг с другом посредством шин 60, 61, 62, 63 и 64. ИБП 5 сконфигурирован для подачи электроэнергии на нагрузку (не показана) от источника трехфазной электроэнергии, соединенного с ИБП 5, и/или из батареи 50, которая накапливает энергию.
Каждый из модулей 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток сконфигурирован для приема электроэнергии, имеющей первое напряжение переменного тока, из одной фазы (например, Х-, Y- или 2-фазы) трехфазного источника электроэнергии и для подачи электроэнергии, имеющей второе напряжения переменного тока, через выход. Преобразователь 11 переменного тока в постоянный ток включает входы 13 и 14; преобразователь 21 переменного тока в постоянный ток включает входы 23 и 24; преобразователь 31 переменного тока в постоянный ток включает входы 33 и 34. Преобразователь 12 постоянного тока в переменный ток включает выходы 15 и 16; преобразователь 22 постоянного тока в переменный ток включает выходы 25 и 26; преобразователь 32 постоянного тока в переменный ток включает выходы 35 и 36. Каждый из модулей 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток сконфигурирован для соединения с одной фазой трехфазного источника электроэнергии и с нейтралью. Например, вход 13 преобразователя 11 переменного тока в постоянный ток может быть соединен с Х-фазой, вход 23 преобразователя 21 переменного тока в постоянный ток может быть соединен с Y-фазой, а вход 33 преобразователя 31 переменного тока в постоянный ток может быть соединен с Z-фазой. Входы 14, 24 и 34 сконфигурированы для соединения с нейтралью трехфазного источника электроэнергии (или с заземлением). Каждый из модулей 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток сконфигурирован для подачи выходного сигнала, включающего одну фазу трехфазного выходного сигнала, хотя возможны другие конфигурации. Например, выход 15 может быть сконфигурирован для подачи выходного сигнала Х-фазы, выход 25 может быть сконфигурирован для подачи выходного сигнала Y-фазы, а выход 35 может быть сконфигурирован для подачи выходного сигнала Z-фазы. Каждый из выходов 16, 26 и 36 сконфигурирован для соединения с нейтралью нагрузки. Каждый из модулей 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток сконфигурирован для распределения электроэнергии посредством шин 60, 61, 62, 63 и 64.
Модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток может принимать электроэнергию от модулей 10, 20 и/или 30 преобразования переменного тока в переменный ток (в состоянии зарядки) и подавать электроэнергию в модули 10, 20 и/или 30 преобразования переменного тока в переменный ток (в состоянии разрядки). Преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован для соединения с батарей 50 посредством соединений 43, 44 и 45. Соединение 44, однако, является необязательным. Батарея 50, предпочтительно, представляет собой свинцово-кислотную батарею, хотя могут использоваться и другие типы батарей. Модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован для подачи электроэнергии постоянного тока в батарею 50 (и тем самым зарядки батареи 50), когда желаемая трехфазная электроэнергия присутствует на входах 13, 23 и 33 (состояние зарядки). Аналогичным образом, модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован для подачи одного или более напряжения постоянного тока, используя энергию из батареи 50, на модули 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток при отсутствии желаемой трехфазной электроэнергии на входах 13, 23 и 33 (состояние разрядки). Состояние, в котором модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток работает, может контролироваться контроллером (не показан), который сконфигурирован для мониторинга, например, трехфазного входного сигнала переменного тока. Преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован для (в состоянии зарядки) приема набора напряжений постоянного тока от модулей 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток и для преобразования набора напряжений постоянного тока в напряжение зарядки батареи, требуемое батареей 50. Преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток, кроме того, сконфигурирован для (во время состояния разрядки) приема электроэнергии постоянного тока из батареи 50 при напряжении зарядки батареи и ее преобразования в набор напряжений постоянного тока. Преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован для подачи набора напряжений постоянного тока на модули 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток во время состояния разрядки. Преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток соединен с балансировщиком 42 шин постоянного тока посредством шин 60, 61, 62, 63 и 64. Балансировщик 42 шин постоянного тока сконфигурирован для балансировки напряжений, присутствующих на шинах 60, 61, 62, 63 и 64, как более подробно будет описано ниже.
ИБП 5 сконфигурирован для определения того, подходящая ли входная электроэнергия присутствует на входах модулей 10, 20 и/или 30 преобразования переменного тока в переменный ток. ИБП 5 может определять присутствие подходящей электроэнергии на входах модулей преобразования переменного тока в переменный ток, используя один или более способ и/или одну или более схему. Например, ИБП 5 может включать схему, сконфигурированную для определения того, находится ли напряжение переменного тока на входах 13, 23 и/или 33 (если таковое имеется) на требуемом уровне. ИБП 5 может также включать схему, сконфигурированную для мониторинга того, в каком состоянии работает преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток (например, состоянии зарядки или разрядки), и того, присутствует ли напряжение постоянного тока на шинах 60, 61, 63 и/или 64. Например, если преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток работает в состоянии зарядки и соответствующее напряжение постоянного тока на шинах 60, 61, 63 и/или 64 падает ниже соответствующего желаемого уровня, схема может выдавать сигнал, показывающий, что напряжение переменного тока, подаваемое на преобразователи 11, 21 и 31, упало ниже желаемого уровня. Другие способы и/или схемы могут быть использованы для детекции того, находится ли напряжение переменного тока ниже желаемого уровня. ИБП 5, кроме того, сконфигурирован для отделения самого себя от трехфазного источника питания (например, путем перевода переключателей (как описано ниже) в выключенные положения).
Контроллеры на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) сконфигурированы для управления работой по меньшей мере некоторых компонентов в ИБП 5. Например, отдельные контроллеры на основе ШИМ могут использоваться для преобразователей 11, 21 и 31 переменного тока в постоянный ток, преобразователей 12, 22 и 32 постоянного тока в переменный ток, преобразователя 41 постоянного тока в постоянный ток и балансировщика 42 шин постоянного тока, хотя возможны и другие конфигурации. Например, могут использоваться отдельные контроллеры на основе ШИМ, имеющие одинаковую физическую конфигурацию, но использующие разные управляющие сигналы, или, альтернативно, могут использоваться контроллеры на основе ШИМ, имеющие разные физические конфигурации. Контроллер на основе ШИМ может быть сконфигурирован для управления переключением части переключателей в зависимости от частоты и фазы входного сигнала переменного тока (например, используя контур обратной связи) или может быть настроен в соответствии с желаемым выходным сигналом (например, для подачи электроэнергии желаемой частоты и фазы на нагрузку, соединенную с преобразователями 12, 22 и 32 постоянного тока в переменный ток).
Рассмотрим фигуру 2. Преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток (например, пример осуществления преобразователей 11, 21 и 31 переменного тока в постоянный ток) включает диоды 205, 215, 225, 235, 245 и 255, переключатели 210, 220, 230, 240, 250 и 260, конденсатор 280 и индуктор 285. Переключатели 210, 220, 230, 240, 250 и 260 представляют собой биполярные транзисторы с изолированным затвором, хотя могут использоваться и другие переключатели. Предпочтительно, переключатели 210, 220, 250 и 260 имеют максимально допустимое напряжение 600 В, а переключатели 230 и 240 имеют максимально допустимое напряжение 1200 В, хотя возможны и другие максимально допустимые напряжения. Вход 202 сконфигурирован для соединения, например, с одной фазой трехфазного источника электроэнергии (например, Х-фазой). Между входом 202 и заземлением установлен конденсатор 280. С областью 287 индуктора 285 соединен анод 227 диода 225, эмиттер 232 переключателя 230, катод 236 диода 235 и коллектор 241 переключателя 240. Катод 226 диода 225 соединен с коллектором 231 переключателя 230. Анод 237 диода 235 соединен с эмиттером 242 переключателя 240. Катод 226, коллектор 231, анод 207 диода 205, эмиттер 212 переключателя 210, катод 216 диода 215 и коллектор 221 переключателя 220 соединены друг с другом. Анод 237, эмиттер 242, анод 247 диода 245, эмиттер 252 переключателя 250, катод 256 диода 255 и коллектор 261 переключателя 260 соединены друг с другом. Катод 206 диода 205 и коллектор 211 переключателя 210 соединены с выходом 265. Анод 217 диода 215 и эмиттер 222 переключателя 220 соединены с выходом 266. Катод 246 диода 245 и коллектор 251 переключателя 250 соединены с выходом 267. Анод 257 диода 255 и эмиттер 262 переключателя 260 соединены с выходом 268. Каждый из затворов 213, 223, 233, 243, 253 и 263 переключателей 210, 220, 230, 240, 250 и 260, соответственно, соединен с контроллером 275, как будет описано более подробно ниже. Выходы 265, 266, 267 и 268 сконфигурированы для соединения с шинами 64, 63, 61 и 60, соответственно. Индуктор 285, предпочтительно, имеет индуктивность 100 мкГн, хотя могут быть использованы и другие индуктивности (например, в зависимости от максимально допустимой мощности ИБП 5). Конденсатор, предпочтительно, имеет емкость 200 мкФ, хотя могут быть использованы и другие емкости (например, в зависимости от максимально допустимой мощности ИБП 5).
Преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток сконфигурирован для приема электроэнергии переменного тока от, например, одной фазы трехфазного источника электроэнергии и для подачи многоуровневого выходного сигнала постоянного тока через выходы 265, 266, 267 и 268. Например, когда преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток работает, а вход 202 соединен с источником электроэнергии переменного тока напряжением 480 В, преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток может производить напряжение (относительно нейтрали источника электроэнергии) постоянного тока приблизительно +450 В между выходом 265 и нейтралью, напряжение постоянного тока приблизительно +150 В между выходом 266 и нейтралью, напряжение постоянного тока приблизительно -150 В между выходом 267 и нейтралью и напряжение постоянного тока приблизительно -450 В между выходом 268 и нейтралью. Иными словами, преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток сконфигурирован для индуцирования напряжения постоянного тока приблизительно в 300 В между выходами 265 и 266 (V1), выходами 266 и 267 (V2) и выходами 267 и 268 (V3).
<mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt></mrow>
Предпочтительно, напряжение, индуцируемое на выходах 265 и 268, является функцией входного напряжения. Напряжение, индуцируемое на выходах 265 и 268, предпочтительно, равно или больше, чем напряжение на конденсаторе 280, умноженное на
. Напряжение на конденсаторе 280 (т.е. напряжение между фазой и нейтралью), предпочтительно, по существу равно следующему:
<mrow><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>Н</mi><mi>а</mi><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>я</mi><mi>ж</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>е</mi><mo>_</mo><mi>н</mi><mi>а</mi><mo>_</mo><mi>в</mi><mi>х</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mo>_</mo><mn>202</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>Н</mi><mi>а</mi><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>я</mi><mi>ж</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>е</mi><mo>_</mo><mi>м</mi><mi>е</mi><mi>ж</mi><mi>д</mi><mi>у</mi><mo>_</mo><mi>ф</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>о</mi><mi>й</mi><mo>_</mo><mi>и</mi><mo>_</mo><mi>н</mi><mi>е</mi><mi>й</mi><mi>т</mi><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mi>ю</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt></mrow>
(если имеется соединение с нейтралью), а мгновенное пиковое напряжение на конденсаторе 280 изменяется между ±((напряжение между фазой и нейтралью)(
)). Предпочтительно, преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток сконфигурирован таким образом, что напряжение, обеспечиваемое на выходе 265, больше, чем положительное пиковое мгновенное напряжение на конденсаторе 280, а напряжение, обеспечиваемое на выходе 268, меньше, чем отрицательное пиковое мгновенное напряжение на конденсаторе 280. Например, если на входе 202 напряжение составляет 480 В, то среднеквадратичное напряжение между фазой и нейралью составляет приблизительно 277 В, а мгновенное пиковое напряжение на конденсаторе 280 составляет приблизительно 392 В. Таким образом, в этом примере преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток сконфигурирован так, что выход 265 выдает напряжение приблизительно 392 В или больше (например, 450 В), а выход 268 выдает напряжение приблизительно -392 В или меньше (например, -450 В). Увеличение разности между абсолютной величиной напряжений на выходах 265 и 268 и абсолютной величиной мгновенных пиковых напряжений на конденсаторе 280 может увеличивать эксплуатационный допуск ИБП 5.
Сочетание конденсатора 280, индуктора 285 и переключателей 210, 220, 230, 240, 250 и 260 сконфигурировано для действия в качестве вольтодобавочного преобразователя и для преобразования сигнала переменного тока, подаваемого на вход 202, в четырехуровневый квазипрямоугольный сигнал (например, такой, что показан в качестве сигнала 305 на фигуре 8) в области 287 индуктора 285. Напряжение в области 287 может варьироваться в зависимости от состояния переключателей 210, 220, 230, 250, 260 (как описано более подробно ниже). Например, когда мгновенная величина напряжения переменного тока, присутствующая на входе 202, находится между первым уровнем напряжения, равным напряжению постоянного тока на выходе 265 (например, 450 В, как определено конфигурацией преобразователя 200 переменного тока в постоянный ток), и вторым уровнем напряжения, равным напряжению постоянного тока на выходе 266 (например, 150 В), прямоугольный сигнал в области 287 индуктора 285 переключается между этими величинами (в данном случае 450 В и 150 В); когда мгновенная величина напряжения переменного тока, присутствующего на входе 202, находится между вторым уровнем напряжения, равным напряжению постоянного тока на выходе 266, и третьим уровнем напряжения, равным напряжению постоянного тока на выходе 267 (например, -150 В), прямоугольный сигнал в области 287 индуктора 285 переключается между этими величинами (например, 150 В и -150 В); и когда мгновенная величина напряжения переменного тока, присутствующего на входе 202, находится между третьим уровнем напряжения, равным напряжению постоянного тока на выходе 267, и четвертым уровнем напряжения, равным напряжению постоянного тока на выходе 268 (например, -450 В), прямоугольный сигнал в области 287 индуктора 285 переключается между этими величинами (например, -150 В и -450 В). Кроме того, сочетание конденсатора 280 и индуктора 285 сконфигурировано для действия в качестве фильтра, пропускающего нижние частоты.
Преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток сконфигурирован для индуцирования напряжений на выходах 265, 266, 267 и 268 путем переключения переключателей 210, 220, 230, 240, 250 и 260. Переключатели сконфигурированы для их приведения в действие контроллером 275 на основе ШИМ. Контроллер 275 на основе ШИМ сконфигурирован для управления переключателями 210, 220, 230, 240, 250 и 260 в зависимости от того, в каком из трех состояний работает преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток.
Рассмотрим фигуру 3. Преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток сконфигурирован для работы в трех состояниях. Первое состояние соответствует тому, когда входное напряжение, принимаемое входом 202, больше 1/3 напряжения, обеспечиваемого выходом 265 (например, если пиковое входное напряжение переменного тока составляет ±450 В, то первое состояние соответствует тому, когда входное напряжение больше 150 В). Второе состояние соответствует тому, когда входное напряжение, принимаемое входом 202, находится между 1/3 напряжения, обеспечиваемого выходом 265, и 1/3 напряжения, обеспечиваемого выходом 268 (например, 150 В и -150 В). Третье состояние соответствует тому, когда входное напряжение, принимаемое входом 202, меньше 1/3 напряжения, обеспечиваемого выходом 268 (например, меньше -150 В).
Рассмотрим фигуру 4. Контроллер 275 на основе ШИМ сконфигурирован таким образом, что во время первого состояния переключатели 230 и 250 находятся в их включенных (проводящих) состояниях, переключатели 240 и 260 находятся в их выключенных (непроводящих) состояниях, а переключатели 210 и 220 переключаются между выключенным и включенным состояниями (фигура 4А). Контроллер 275 на основе ШИМ сконфигурирован таким образом, что во время второго состояния переключатели 220 и 250 включены, переключатели 210 и 260 выключены, а переключатели 230 и 240 переключаются (фигура 4В). Контроллер 275 на основе ШИМ сконфигурирован таким образом, что во время третьего состояния переключатели 220 и 240 включены, переключатели 210 и 230 выключены, а переключатели 250 и 260 переключаются (фигура 4С).
Рассмотрим фигуры 5-6. Контроллер 275 на основе ШИМ сконфигурирован для управления переключателями 210, 220, 230, 240, 250 и 260 с использованием управляющих сигналов. Контроллер 275 на основе ШИМ включает компараторы 505, 515 и 525 и логические элементы 510, 520 и 530 НЕ. Контроллер 275 на основе ШИМ сконфигурирован для того, чтобы вынуждать преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток работать в состояниях, описанных в настоящем документе, для преобразования входного сигнала переменного тока в сигналы постоянного тока, описанные в настоящем документе. Положительный вход 506 компаратора 505 соединен с источником синусоидального модулирующего сигнала (для приема сигнала 605), а отрицательный вход 507 компаратора 505 соединен с источником первого сигнала 610 ШИМ несущей частоты. Положительный вход 516 компаратора 515 соединен с источником синусоидального модулирующего сигнала, а отрицательный вход 517 компаратора 515 соединен с источником второго сигнала 615 ШИМ несущей частоты. Положительный вход 526 компаратора 525 соединен с источником синусоидального модулирующего сигнала, а отрицательный вход 527 компаратора 525 соединен с источником третьего сигнала 620 ШИМ несущей частоты. Выход 508 компаратора 505 соединен с переключателем 210 и соединен с переключателем 220 через логический элемент 510 НЕ. Выход 518 компаратора 515 соединен с переключателем 230 и соединен с переключателем 240 через логический элемент 520 НЕ. Выход 528 компаратора 525 соединен с переключателем 250 и соединен с переключателем 260 через логический элемент 530 НЕ.
Управляющие сигналы, используемые контроллером 275 на основе ШИМ, выбираются таким образом, чтобы обеспечить желаемый порядок переключения переключателей 210, 220, 230, 240, 250 и 260. Сигналы 605, 610, 615 и 620, предпочтительно, представляют собой сигналы низкого напряжения, генерируемые, например, генератором сигналов. Синусоидальный сигнал 605 представляет собой синусоидальный сигнал, имеющий частоту и фазу, приблизительно равные частоте и фазе электроэнергии, подаваемой на вход 202. Синусоидальный сигнал 605 имеет пиковую амплитуду, приблизительно равную пороговой величине 625, которая может иметь разные значения, например, 1В. Первый, второй и третий сигналы 610, 615 и 620 ШИМ несущей частоты представляют собой сигналы с треугольной формой волны, имеющие частоту, по существу равную желаемой частоте переключения ШИМ преобразователя 200 переменного тока в постоянный ток, хотя возможны и другие частоты. Частота переключения ШИМ преобразователя 200 переменного тока в постоянный ток, предпочтительно, выбирается таким образом, чтобы обеспечить наиболее выгодное сочетание потерь на переключение биполярного транзистора с изолированным затвором и физического размера и стоимости входных и выходных индукторов и конденсаторов (например, конденсатора 280 и индуктора 285). Максимальная величина первого сигнала 610 ШИМ несущей частоты приблизительно равна пороговой величине 625, а минимальная величина первого сигнала 610 ШИМ несущей частоты приблизительно равна 1/3 пороговой величины 625. Максимальная величина второго сигнала 615 ШИМ несущей частоты приблизительно равна 1/3 пороговой величины 625, а минимальная величина второго сигнала 615 ШИМ несущей частоты приблизительно равна -1/3 пороговой величины 625. Максимальная величина третьего сигнала 620 ШИМ несущей частоты приблизительно равна -1/3 пороговой величины 625, а минимальная величина третьего сигнала 620 ШИМ несущей частоты приблизительно равна пороговой величине 625, умноженной на -1.
Контроллер 275 на основе ШИМ сконфигурирован для переключения переключателей 210, 220, 230, 240, 250 и 260 с использованием синусоидального модулирующего сигнала 605 и сигналов 610, 615 и 620 ШИМ несущей частоты. Поскольку синусоидальный модулирующий сигнал 605 варьируется, компаратор 505 выдает либо логическую единицу, либо логический ноль, в зависимости от того, на каком из входов напряжение больше: на положительном входе 506 или на отрицательном входе 507. Компаратор 505 сконфигурирован для выдачи логической единицы, если напряжение на положительном входе 506 больше, чем на отрицательном входе 507 (например, напряжение синусоидального модулирующего сигнала 605 больше, чем напряжение сигнала 610 ШИМ несущей частоты). Аналогичным образом, компаратор 505 сконфигурирован для выдачи логического нуля, если напряжение на положительном входе 506 меньше, чем на отрицательном входе 507 (например, напряжение синусоидального модулирующего сигнала 605 меньше, чем напряжение сигнала 610 ШИМ несущей частоты). Хотя приведенное выше описание относится к работе компаратора 505, работа компараторов 515 и 525, предпочтительно, является такой же. Предпочтительно, контроллер 275 на основе ШИМ сконфигурирован для введения небольших «периодов молчания», так что имеется небольшая задержка между выключением любого одного переключателя и включением некоторого другого переключателя (например, для защиты от нежелательной ситуации, когда два переключателя одновременно включены). Переключатели 210, 220, 230, 240, 250 и 260 сконфигурированы таким образом, что логическая единица включает переключатель, а логический ноль выключает переключатель, хотя возможно и обратное.
Контроллер 275 на основе ШИМ может быть сконфигурирован для варьирования продолжительности включения переключателей, которыми он управляет. Например, с помощью сигналов 605, 610, 615 и 620 продолжительность включения переключателей, которые циклически переключаются (например, в первом состоянии - переключателей 210 и 220), варьируется. Если сравнить интервалы 630 и 635, которые показывают, когда переключатель 210 включен, а переключатель 220 выключен, то интервал 630 больше, чем интервал 635.
Снова рассмотрим фигуру 2. Будут описаны примеры работы преобразователя 200 переменного тока в постоянный ток. Преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток сконфигурирован для подачи соответствующих напряжений постоянного тока на выходы 265, 266, 267 и 268 путем действия в качестве вольтодобавочного преобразователя. Например, в первом состоянии, когда переключатель 220 включен, а переключатель 210 выключен, индуктор 285 накапливает энергию. Когда переключатель 220 выключен, энергия, накопленная в индукторе 285, вынуждает ток свободно течь через диод 205. Во втором состоянии, когда переключатель 230 включен, а переключатель 240 выключен, индуктор 285 накапливает энергию. Когда переключатель 230 выключен, энергия, накопленная в индукторе 285, вынуждает ток свободно течь через диод 235. В третьем состоянии, когда переключатель 250 включен, а переключатель 260 выключен, индуктор накапливает энергию. Когда переключатель 250 выключен, энергия, накопленная в индукторе 285, вынуждает ток свободно течь через диод 255.
Рассмотрим фигуры 2 и 7. Преобразователь 700 постоянного тока в переменный ток (например, пример осуществления преобразователей 12, 22 и 32 постоянного тока в переменный ток) включает диоды 705, 715, 725, 735, 745 и 755, переключатели 710, 720, 730, 740, 750 и 760, входы 765, 766, 767 и 768, фильтр 770 и выход 702. Переключатели 710, 720, 730, 740, 750 и 760 представляют собой биполярные транзисторы с изолированным затвором, хотя могут использоваться и другие транзисторы. Входы 765, 766, 767 и 768 сконфигурированы для приема электроэнергии постоянного тока, например, от преобразователя 200 переменного тока в постоянный ток. С выходом 702 соединен анод 727 диода 725, эмиттер 732 переключателя 730, катод 736 диода 735 и коллектор 741 переключателя 740. Катод 726 диода 725 соединен с коллектором 731 переключателя 730. Анод 737 диода 735 соединен с эмиттером 742 переключателя 740. Катод 726, коллектор 731, анод 707 диода 705, эмиттер 712 переключателя 710, катод 716 диода 715 и коллектор 721 переключателя 720 соединены друг с другом. Анод 737, эмиттер 742, анод 747 диода 745, эмиттер 752 переключателя 750, катод 756 диода 755 и коллектор 761 переключателя 760 соединены друг с другом. Катод 706 диода 705 и коллектор 711 переключателя 710 соединены с входом 765. Анод 717 диода 715 и эмиттер 722 переключателя 720 соединены с входом 766. Катод 746 диода 745 и коллектор 751 переключателя 750 соединены с входом 767. Анод 757 диода 755 и эмиттер 762 переключателя 760 соединены с входом 768. Каждая из баз 713, 723, 733, 743, 753 и 763 переключателей 710, 720, 730, 740, 750 и 760, соответственно, соединена с контроллером на основе ШИМ, как будет описано более подробно ниже. Эмиттер 732 переключателя 730, анод 727 диода 725, коллектор 741 переключателя 740 и катод 736 диода 735 (т.е. элементы, определяющие область 772) соединены с фильтром 770. Фильтр 770 включает индуктор 785 и конденсатор 790. Индуктор 785 находится между областью 772 и выходом 702. Конденсатор 790 находится между выходом 702 и землей. Индуктор 785, предпочтительно, имеет индуктивность 100 мкГн, хотя могут быть использованы и другие индуктивности (например, в зависимости от максимально допустимой мощности ИБП 5). Конденсатор 790, предпочтительно, имеет емкость 200 мкФ, хотя могут быть использованы и другие емкости (например, в зависимости от максимально допустимой мощности ИБП 5).
Преобразователь 700 постоянного тока в переменный ток сконфигурирован для приема электроэнергии постоянного тока, например, от преобразователя 200 переменного тока в постоянный ток и для подачи выходного сигнала переменного тока через выход 702. Например, когда преобразователь 700 работает, а входы 765, 766, 767 и 768 соединены с выходами 265, 266, 267 и 268, соответственно, преобразователя 200 переменного тока в постоянный ток, выходной сигнал переменного тока может индуцироваться на выходе 702. Преобразователь 700 постоянного тока в переменный ток сконфигурирован для индуцирования на выходе 702 выходного сигнала переменного тока, имеющего пиковые напряжения (например, относительно нейтрали), приблизительно равные напряжениям, присутствующим на входе 765 (например, положительное пиковое напряжение сигнала на выходе 702) и входе 768 (например, отрицательное пиковое напряжение сигнала на выходе 702). Однако могут индуцироваться и другие напряжения.
Преобразователь 700 постоянного тока в переменный ток может быть реализован как управляемый по напряжению или управляемый по току преобразователь постоянного тока в переменный ток. Предпочтительно, «внешний» контур напряжения используется для поддержания желаемого напряжения при работе преобразователя 700 постоянного тока в переменный ток с использованием управления по току. Например, управляющая схема (не показана) может быть сконфигурирована для мониторинга тока в индукторе 785 и мониторинга напряжения, присутствующего на выходе 702 (например, для определения того, является ли выходной сигнал синусоидальным). Управляющая схема может быть сконфигурирована для регулировки сигнала ШИМ, подаваемого на переключатели 710, 720, 730, 740, 750 и 760, на основании измеренных величин тока и напряжения для поддержания желаемого выходного напряжения. Преобразователь 700 постоянного тока в переменный ток может быть сконфигурирован для работы с фиксированной или переменной частотой ШИМ, как описано в настоящем документе.
Преобразователь 700 постоянного тока в переменный ток сконфигурирован для преобразования напряжений постоянного тока, присутствующих на входах 765, 766, 767 и 768, в выходное напряжение переменного тока путем переключения переключателей 710, 720, 730, 740, 750 и 760. Переключатели сконфигурированы для их приведения в действие контроллером 775 на основе ШИМ, который, предпочтительно, сконфигурирован подобно контроллеру 275 на основе ШИМ. Управляющие сигналы, подаваемые контроллером 775 на основе ШИМ, могут быть подобны управляющим сигналам, подаваемым контроллером 275 на основе ШИМ, хотя частоты и/или амплитуды управляющих сигналов могут варьироваться для производства желаемого выходного сигнала для нагрузки, соединенной с выходом 702. Предпочтительно, преобразователь 700 постоянного тока в переменный ток сконфигурирован таким образом, что в любой данной части линейного цикла (например, цикла, проходящего через первое, второе и третье состояния) два из шести переключателей 710, 720, 730, 740, 750 и 760 взаимосвязанно переключаются, в то время как остальные четыре переключателя либо постоянно выключены, либо постоянно включены.
Рассмотрим также фигуру 8. Контроллер 775 на основе ШИМ может вынуждать преобразователь 700 постоянного тока в переменный ток работать в трех состояниях. Первое состояние соответствует моментам, когда выходное напряжение, подаваемое на выход 702, больше 1/3 напряжения, подаваемого на вход 765 (например, если напряжение на входе составляет 450 В, то первое состояние соответствует моментам, когда выходное напряжение больше 150 В). Второе состояние соответствует моментам, когда выходное напряжение, подаваемое на выход 702, находится между 1/3 напряжения, подаваемого на вход 765, и 1/3 напряжения, подаваемого на вход 768 (например, между 150 В и -150 В). Третье состояние соответствует моментам, когда выходное напряжение, подаваемое на выход 702, меньше 1/3 напряжения, подаваемого на вход 768 (например, меньше -150 В). Контроллер 775 на основе ШИМ сконфигурирован таким образом, что во время первого состояния переключатели 730 и 750 включены, переключатели 740 и 760 выключены, а переключатели 710 и 720 переключаются (см. фигуру 9А). Контроллер 775 на основе ШИМ конфигурирован таким образом, что во время второго состояния переключатели 720 и 750 включены, переключатели 710 и 760 выключены, а переключатели 730 и 740 переключаются (фигура 9В). Контроллер 775 на основе ШИМ конфигурирован таким образом, что во время третьего состояния переключатели 720 и 740 включены, переключатели 710 и 730 выключены, а переключатели 750 и 760 переключаются (фигура 9С). В первом состоянии порядок переключения переключателей 710, 720, 730, 740, 750 и 760 сконфигурирован для создания на области 780 прямоугольного сигнала напряжений, который варьируется между 450 В и 150 В с варьированием продолжительности включения. Например, продолжительность включения прямоугольного сигнала может варьироваться в зависимости от того, в какой части какого состояния работает преобразователь постоянного тока в переменный ток (например, когда напряжение на выходе достигает 450 В в первом состоянии, продолжительность включения прямоугольного сигнала достигает 100%). Во втором состоянии порядок переключения переключателей 710, 720, 730, 740, 750 и 760 сконфигурирован для создания на области 780 прямоугольного сигнала напряжений, который варьируется между 150 В и -150 В с варьированием продолжительности включения. В третьем состоянии порядок переключения переключателей 710, 720, 730, 740, 750 и 760 сконфигурирован для создания на области 780 прямоугольного сигнала напряжений, который варьируется между -150 В и -450 В с варьированием продолжительности включения.
Фильтр 770 сконфигурирован для фильтрации выходного сигнала, подаваемого в область 772, по существу в выходное напряжение переменного тока, которое подается на выход 702. Фильтр 770 может представлять собой индуктивно-емкостный фильтр, пропускающий нижние частоты, хотя возможны и другие конфигурации фильтра.
Рассмотрим фигуру 10. Модуль 10 преобразования переменного тока в переменный ток включает преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток, преобразователь 700 постоянного тока в переменный ток, конденсаторы 905, 910, 915 и 920. Выходы 265, 266, 267 и 268 соединены с входами 765, 766, 767 и 768, соответственно. Конденсатор 905 находится между соединением выхода 265 с входом 765 и соединением выхода 266 с входом 766. Конденсатор 910 находится между соединением выхода 266 с входом 766 и нейтралью. Конденсатор 915 находится между нейтралью и соединением выхода 267 с входом 767. Конденсатор 920 находится между соединением выхода 267 с входом 767 и соединением выхода 268 с входом 768. Кроме того, соединение выхода 265 с входом 765 соединено с шиной 64. Соединение выхода 266 с входом 766 соединено с шиной 63. Соединение выхода 267 с входом 767 соединено с шиной 61. Соединение выхода 268 с входом 768 соединено с шиной 60.
Конденсаторы 905, 910, 915 и 920 сконфигурированы для накопления энергии на короткий период времени, когда, например, частота сигнала электроэнергии, подаваемого на вход 202, отличается от частоты сигнала, подаваемого выходом 702, и для уменьшения пульсирующего тока, присутствующего на шинах 60, 61, 62, 63 и/или 64. Модуль 10 преобразования переменного тока в переменный ток сконфигурирован для того, чтобы во время работы производить потенциал 300 В на конденсаторах 905 и 920 и потенциал 150 В на конденсаторах 910 и 915.
Рассмотрим фигуры 1 и 11. Преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток (например, пример осуществления преобразователя 41 постоянного тока в постоянный ток) соединен с батареей 50 и включает диоды 1005, 1015, 1025 и 1035, переключатели 1010, 1020, 1030 и 1040, конденсаторы 1050, 1055, 1060, 1065, 1070 и 1075 и индукторы 1080 и 1085. Переключатели 1010, 1020, 1030 и 1040, предпочтительно, представляют собой биполярные транзисторы с изолированным затвором, хотя могут быть использованы и другие переключатели. Предпочтительно, диоды представляют собой диоды с быстрым или сверхбыстрым восстановлением запорного слоя (например, которые могут быть использованы в любой части ИБП 5). Катод 1006 диода 1005 соединен с коллектором 1011 переключателя 1010, а также соединен с областью 1090. Анод 1007 диода 1005, эмиттер 1012 переключателя 1010, катод 1016 диода 1015 и коллектор 1021 переключателя 1020 соединены друг с другом. Анод 1017 диода 1015 и эмиттер 1022 переключателя 1020 соединены друг с другом, а также соединены с областью 1091. Положительный полюс 1051 конденсатора 1050 соединен с областью 1090, а отрицательный полюс 1052 конденсатора 1050 соединен с областью 1091. Конденсатор 1070 и индуктор 1080 присоединены между местом соединения анода 1007, эмиттера 1012, катода 1016, коллектора 1021 и областью 1092. Предпочтительно, индуктор 1080 соединен с местом соединения анода 1007, эмиттера 1012, катода 1016 и коллектора 1021, а конденсатор 1070 соединен с областью 1092. Положительный полюс 1056 конденсатора 1055 соединен с областью 1091, а отрицательный полюс 1057 конденсатора 1055 соединен с областью 1092. Катод 1026 диода 1025 соединен с коллектором 1031 переключателя 1030, а также соединен с областью 1093. Анод 1027 диода 1025, эмиттер 1032 переключателя 1030, катод 1036 диода 1035, коллектор 1041 переключателя 1040 соединены друг с другом. Анод 1037 диода 1035 и эмиттер 1042 переключателя 1040 соединены друг с другом, а также соединены с областью 1094. Положительный полюс 1066 конденсатора 1065 соединен с областью 1093, а отрицательный полюс 1067 конденсатора 1065 соединен с областью 1094. Конденсатор 1075 и индуктор 1085 присоединены между местом соединения анода 1027, эмиттера 1032, катода 1036, коллектора 1041 и областью 1092. Предпочтительно, индуктор 1085 соединен с местом соединения анода 1027, эмиттера 1032, катода 1036 и коллектора 1041, а конденсатор 1075 соединен с областью 1092. Положительный полюс 1061 конденсатора 1060 соединен с областью 1092, а отрицательный полюс 1062 конденсатора 1060 соединен с областью 1093. Области 1090, 1091, 1092, 1093 и 1094 сконфигурированы для присоединения к шинам 64, 63, 62, 61 и 60, соответственно. Переключатели сконфигурированы для присоединения к контроллеру 1115 на основе ШИМ. Конденсаторы 1050, 1055, 1060 и 1065 могут представлять собой конденсаторы 905, 910, 915 и 920, соответственно, несмотря на то, что они обозначены другими позициями.
Преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован для подачи электроэнергии на батареи 1095 и 1100 и приема электроэнергии из батарей 1095 и 1100. Батареи 1095 и 1100 соединены с преобразователем 1000 постоянного тока в постоянный ток через размыкатели 1105 и 1110 цепи. Положительный полюс 1096 батареи 1095 соединен с местом соединения конденсатора 1070 и индуктора 1080 через размыкатель 1105 цепи. Отрицательный полюс 1097 батареи 1095 соединен с положительным полюсом 1101 батареи 1100. Отрицательный полюс 1102 батареи 1100 соединен с местом соединения конденсатора 1075 и индуктора 1085 через размыкатель 1110 цепи. Отрицательный полюс 1097 батареи 1095 и положительный полюс 1101 батареи 1100 могут быть соединены с областью 1092 для уменьшения максимального напряжения на размыкателях, что не является обязательным. Предпочтительно, батареи 1095 и 1100 сконфигурированы для приема и подачи напряжения, которое находится между пиковым напряжением ИБП 5 (например, напряжением, присутствующим на шине 64) и 1/3 пикового напряжения ИБП 5 (например, напряжением, присутствующим в шине 63). Например, батареи 1095 и 1100 могут быть сконфигурированы для подачи напряжения приблизительно 288 В.
Преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован для работы в двух состояниях: состоянии зарядки и состоянии разрядки. Во время состояния зарядки преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток действует в качестве вольтопонижающего преобразователя, принимает первый набор напряжений постоянного тока от шин 60, 61, 63 и 64 и подает напряжение первого уровня в батареи 1095 и 1100. Во время состояния разрядки преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток принимает электроэнергию постоянного тока второго уровня и подает второй набор напряжений постоянного тока на шины 60, 61, 63 и 64, соответственно. Первый набор напряжений постоянного тока и второй набор напряжений постоянного тока могут быть по существу одинаковыми. Во время состояния зарядки преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток активно заряжает батареи 1095 и 1100 и/или обеспечивает подзарядку (например, для поддержания заряда в полностью заряженной батарее).
Переключатели 1010, 1020, 1030 и 1040 сконфигурированы таким образом, чтобы ими управлял контроллер 1115 на основе ШИМ. Предпочтительно, конфигурация контроллера 1115 на основе ШИМ аналогична конфигурации контроллера 275 на основе ШИМ, хотя возможны и другие конфигурации. Предпочтительно, переключатели 1010 и 1040 управляются таким образом, что они переключаются одинаково (например, оба переключателя 1010 и 1040 включаются примерно в одно время), и переключатели 1020 и 1030 тоже управляются таким образом, что они переключаются одинаково (например, чтобы оба переключателя 1020 и 1030 включаются примерно в одно время). Однако, если место соединения отрицательного полюса 1097 и положительного полюса 1101 соединено с областью 1092, каждый из переключателей 1010, 1020, 1030 и 1040 может переключаться независимо. Контроллер 1115 на основе ШИМ сконфигурирован для варьирования заряжающего напряжения батареи 1095 путем варьирования продолжительности включения переключателя 1010. Аналогично, контроллер 1115 на основе ШИМ может варьировать заряжающее напряжение батареи 1100 путем варьирования продолжительности включения переключателя 1040.
Когда преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток работает в состоянии зарядки, контроллер 1115 на основе ШИМ вынуждает преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток работать в качестве вольтопонижающего преобразователя путем цикличного переключения переключателей 1010 и 1040 и удержания переключателей 1020 и 1030 выключенными. Когда переключатели 1010 и 1040 включены, в преобразователе 1000 постоянного тока в постоянный ток напряжения, присутствующие на областях 1090 и 1094, заряжают индукторы 1080 и 1085. Когда переключатели 1010 и 1040 выключены, реактивные токи (например, вызванные разрядкой индукторов 1080 и 1085) свободно текут через диоды 1015 и 1025. Преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован для понижения напряжений, присутствующих на областях 1090 и 1094, путем варьирования продолжительности включения переключателей 1010 и 1040. Например, когда продолжительность включения переключающего сигнала, подаваемого контроллером 1115 на основе ШИМ, увеличивается к 1, напряжение, подаваемое на батареи 1095 и 1100, увеличивается к напряжению, присутствующему на областях 1090 и 1094. Конденсаторы 1070 и 1075 сконфигурированы для уменьшения пульсирующего тока путем отфильтровывания высокочастотных компонентов сигнала, подаваемого на батареи 1095 и 1100.
Когда преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток работает в состоянии разрядки, контроллер 1115 на основе ШИМ вынуждает преобразователь
1000 постоянного тока в постоянный ток работать в качестве вольтопонижающего-вольтодобавочного преобразователя путем цикличного переключения переключателей 1020 и 1030 и удержания переключателей 1010 и 1040 выключенными. Например, преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток подает повышенное напряжение из батарей 1095 и 1100 на области 1090 и 1094 и подает пониженное напряжение на области 1091 и 1093. Когда переключатели 1020 и 1030 включены, батареи 1095 и 1100 вынуждают индукторы 1080 и 1085 накапливать энергию. Когда переключатели 1020 и 1030 выключены, энергия, накопленная в индукторах 1080 и 1085 (и энергия, подаваемая батареями 1095 и 1100), разряжается (например, свободно течет) через диоды 1005 и 1035, соответственно. Преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован для повышения напряжения, подаваемого батареями 1095 и 1100, до желаемого уровня путем варьирования продолжительности включения переключателей 1020 и 1030. Например, когда продолжительность включения переключающего сигнала, подаваемого контроллером 1115 на основе ШИМ, увеличивается к 1, напряжение, обеспечиваемое на областях 1090, 1091, 1093 и 1094, увеличивается. Преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток также сконфигурирован для понижения напряжения, подаваемого батареями 1095 и 1100, и для подачи пониженного напряжения на области 1091 и 1093. Преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован для подачи пониженного напряжения на области 1091 и 1093 способом, подобным тому, что описан выше. Конденсаторы 1050, 1055, 1060 и 1065 сконфигурированы для отфильтровывания высокочастотных компонентов сигналов на областях 1090, 1091, 1093 и 1094.
Рассмотрим фигуры 1 и 12. На фигуре 12 показан пример осуществления балансировщика 42 шин постоянного тока. В данном случае балансировщик 1200 шин постоянного тока включает конденсаторы 1205, 1210, 1215, 1220, 1225 и 1230, переключатели 1235, 1245, 1255, 1265, 1275 и 1285, диоды 1240, 1250, 1260, 1270, 1280 и 1290 и индукторы 1295, 1300 и 1305. Положительный полюс 1206 конденсатора 1205, коллектор 1236 переключателя 1235 и катод 1241 диода 1240 соединены с областью 1310. Эмиттер 1237 переключателя 1235, анод 1242 диода 1240, коллектор 1246 переключателя 1245 и катод 1251 диода 1250 соединены друг с другом. Эмиттер 1247 переключателя 1245, анод 1252 диода 1250, коллектор 1256 переключателя 1255 и катод 1261 диода 1260 соединены друг с другом, а также соединены с областью 1311. Эмиттер 1257 переключателя 1255, анод 1262 диода 1260, коллектор 1266 переключателя 1265 и катод 1271 диода 1270 соединены друг с другом. Эмиттер 1267 переключателя 1265, анод 1272 диода 1270, коллектор 1276 переключателя 1275, катод 1281 диода 1280 соединены друг с другом, а также соединены с областью 1313. Эмиттер 1277 переключателя 1275, анод 1282 диода 1280, коллектор 1286 переключателя 1285 и катод 1291 диода 1290 соединены друг с другом. Эмиттер 1287 переключателя 1285 и анод 1292 диода 1290 соединены друг с другом, а также соединены с областью 1314. Положительный полюс 1206 конденсатора 1205 соединен с областью 1310, а отрицательный полюс 1207 конденсатора 1205 соединен с областью 1311. Положительный полюс 1211 конденсатора 1210 соединен с областью 1311, а отрицательный полюс 1212 конденсатора 1210 соединен с областью 1312. Положительный полюс 1216 конденсатора 1215 соединен с областью 1312, а отрицательный полюс 1217 конденсатора 1215 соединен с областью 1313. Положительный полюс 1221 конденсатора 1220 соединен с областью 1313, а отрицательный полюс 1222 конденсатора 1220 соединен с областью 1314. Конденсатор 1225 и индуктор 1295 соединены последовательно между местом соединения диодов 1240 и 1250 и местом соединения диодов 1260 и 1270. Индуктор 1300 и конденсатор 1230 присоединены между местом соединения диодов 1260 и 1270 и местом соединения диодов 1280 и 1290. Таким образом, конденсатор 1225, индуктор 1295, индуктор 1300 и конденсатор 1230 соединены последовательно между местом соединения диодов 1240 и 1250 и местом соединения диодов 1280 и 1290. Индуктор 1305 присоединен между областью 1312 и местом соединения диодов 1260 и 1270. Индуктор 1305, однако, является необязательным. Например, преобразователи 11, 21 и 31 переменного тока в постоянный ток сконфигурированы для управления количеством электроэнергии, потребляемой с входа переменного тока в соответствующих положительном и отрицательном полуциклах. Путем включения индуктора 1305 балансировщик 1200 шин постоянного тока может быть сконфигурирован для уменьшения (и, возможно, устранения) необходимости управлять потреблением электроэнергии на входе переменного тока с помощью преобразователей 11, 21 и 31 переменного тока в постоянный ток (например, с целью балансировки шин 60, 61, 62, 63 и 64). Сочетание конденсатора 1225 и индуктора 1295 определяет резонатор 1320, а сочетание конденсатора 1230 и индуктора 1300 определяет резонатор 1325.
Контроллер 1315 на основе ШИМ соединен с каждым из переключателей 1235, 1245, 1255, 1265, 1275 и 1285. Контроллер 1315 на основе ШИМ, предпочтительно, сконфигурирован таким же образом, что и контроллер 275 на основе ШИМ. Например, контроллер 1315 на основе ШИМ включает множество компараторов, каждый из которых сконфигурирован для приема множества управляющих сигналов. Управляющие сигналы выбираются таким образом, чтобы была получена желаемая последовательность переключений (например, как описано в настоящем документе для балансировщика 42 шин постоянного тока). Контроллер 1315 на основе ШИМ сконфигурирован для подачи управляющих сигналов, которые, предпочтительно, имеют постоянные частоту и продолжительность включения, хотя возможны и другие конфигурации. Управляющие сигналы, подаваемые на переключатели 1235, 1255 и 1275, предпочтительно, по существу одинаковы, и управляющие сигналы, подаваемые на переключатели 1245, 1265 и 1285, предпочтительно, по существу одинаковы. Управляющие сигналы, предпочтительно, имеют продолжительность включения приблизительно 50%, хотя возможны и другие продолжительности включения. Рассмотрим также фигуру 13. Контроллер 1315 на основе ШИМ сконфигурирован для введения «периодов молчания» между переключениями переключателей 1235, 1245, 1255, 1265, 1275 и 1285, так что одни переключатели выключаются по существу полностью, прежде чем другие переключатели включаются. Использование периодов молчания, однако, является необязательным. Контроллер 1315 на основе ШИМ сконфигурирован для подачи управляющего сигнала таким образом, что переключатели 1235, 1245, 1255, 1265, 1275 и 1285 переключаются с частотой, которая приблизительно равна резонансной частоте резонаторов 1320 и 1325, хотя возможны и другие частоты.
Балансировщик 1200 шин постоянного тока сконфигурирован для балансировки и поддержания желаемых напряжений на шинах 60, 61, 62, 63 и 64 путем перемещения энергии, накопленной в конденсаторах 1205, 1210, 1215 и 1220, на шины 64, 63, 61 и 60 соответствующим образом. Переключатели 1235, 1245, 1255, 1265, 1275 и 1285 сконфигурированы для их переключения контроллером 1315 на основе ШИМ. Контроллер 1315 на основе ШИМ сконфигурирован для управления переключателями таким образом, чтобы они находились в первом и втором состояниях. В первом состоянии переключатели 1235, 1255 и 1275 включены, в то время как переключатели 1245, 1265 и 1285 выключены. Во втором состоянии переключатели 1235, 1255 и 1265 выключены, в то время как переключатели 1245, 1265 и 1285 включены. При таком переключении переключателей напряжения внутри балансировщика 1200 шин постоянного тока изменяются, как показано в Таблице 1.
Место соединения
Напряжение в первом состоянии
Напряжение во втором состоянии
Переключателей 1235 и 1245
Как на области 1310
Как на области 1311
Переключателей 1255 и 1265
Как на области 1311
Как на области 1313
Переключателей 1275 и 1285
Как на области 1313
Как на области 1314
Таким образом, если области 1310, 1311, 1313 и 1314 подают 450 В, 150 В, -150 В и -450 В, соответственно, то напряжение в каждом из мест соединения, описанных в Таблице 1, изменяется приблизительно на 300 В (от пика до пика). Остальная часть описания балансировщика 1200 шин постоянного тока основана на условии, что шины 64, 63, 61 и 60 подают 450 В, 150 В, -150 В и -450 В, соответственно (относительно нейтрали).
Во время сбалансированной работы балансировщика 1200 шин постоянного тока (например, напряжения на областях 1310, 1311, 1312, 1313 и 1314 находятся на желаемых уровнях) сигнал, присутствующий на каждом из мест соединения, описанных в Таблице 1, будет по существу прямоугольным. Далее, во время сбалансированной работы перепады напряжения в местах соединения, описанных в Таблице 1, будут по существу в фазе друг с другом и будут иметь по существу одинаковую амплитуду. Разности напряжений на резонаторах 1320 и 1325, предпочтительно, приблизительно равны 1/3 суммарного напряжения постоянного тока между шинами 60 и 64 (например, 300 В). Конденсаторы 1225 и 1230 сконфигурированы для зарядки до потенциала, имеющего место на резонаторах 1320 и 1325, соответственно (например, 300 В).
Балансировщик 1200 шин постоянного тока сконфигурирован для компенсации несбалансированных напряжений на областях 1310, 1311, 1312, 1313 и 1314 с использованием энергии, накопленной в резонаторах 1320 и 1325. Во время несбалансированной работы балансировщика 1200 шин постоянного тока амплитуда прямоугольных сигналов напряжения, индуцируемых в местах соединений, описанных в Таблице 1, может быть неравномерной, что может приводить к появлению прямоугольного сигнала напряжения на одном или более из резонаторов 1320 и 1325. Каждый из резонаторов 1320 и 1325 сконфигурирован таким образом, что, когда напряжение появляется на резонаторах 1320 и 1325, ток течет через каждый из резонаторов 1320 и 1325. Резонаторы 1320 и 1325 сконфигурированы таким образом, что имеют низкий импеданс (например, приближающийся к нулю), так что даже небольшое напряжение на каждом из резонаторов 1320 и/или 1325 может вызывать большой ток через резонатор 1320 и/или 1325. Импеданс резонаторов 1320 и 1325 может быть функцией частоты, с которой переключатели 1235, 1245, 1255, 1265, 1275 и 1285 переключаются (или наоборот). Например, когда частота переключений становится равной резонансной частоте резонаторов 1320 и 1325, импеданс резонаторов 1320 и 1325 достигает нуля. Резонаторы 1320 и 1325 сконфигурированы для того, чтобы вынуждать ток течь, что может перемещать энергию с конденсаторов 1205, 1210, 1215 и/или 1220, имеющих напряжение(-ия) более высокое(-ие), чем предпочтительные уровни напряжения в 300 В и 150 В, соответственно, к конденсаторам, имеющим напряжение(-ия) более низкие, чем предпочтительные уровни напряжения. Переключатели (например, из переключателей 1235, 1245, 1255, 1265, 1275 и 1285), которые соединены с конденсатором, имеющим более высокое напряжение (например, из конденсаторов 1205, 1210, 1215 и/или 1220), сконфигурированы для действия в качестве генератора и для создания переменного тока через резонаторы 1320 и/или 1325, для установления потока реальной электроэнергии к конденсатору (например, из конденсаторов 1205, 1210, 1215 и/или 1220), имеющему более низкое напряжение. Балансировщик 1200 шин постоянного тока сконфигурирован таким образом, что ток через резонаторы 1320 и 1325, предпочтительно, начинается, когда разность напряжений между несбалансированными конденсаторами превышает падение напряжения в режиме прямого тока соответствующих диодов 1240, 1250, 1260, 1270, 1280 и 1290 (например, несколько вольт). Предпочтительно, когда частота, с которой переключатели 1235, 1245, 1255, 1265, 1275 и 1285 переключаются, достигает резонансной частоты резонаторов 1320 и 1325, прохождения через ноль индуцированного тока происходят ближе к периоду молчания между первым и вторым состояниями, что может уменьшать потери на переключение.
Рассмотрим фигуру 14 и фигуры 1-13. Во время работы процесс 1400 для бесперебойной подачи электроэнергии на нагрузку с использованием ИБП 5 включает показанные этапы. Процесс 1400, однако, является лишь примером, а не ограничением. Процесс 1400 может быть изменен, например, путем добавления, удаления, замены или перестановки этапов. Кроме того, в то время как части процесса 1400 показаны как последовательные этапы, некоторые этапы могут проходить параллельно (например, этапы 1435 и 1440).
На этапе 1405 ИБП 5 присоединяют к источнику трехфазной электроэнергии. Модули 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток присоединяют к Х-, Y- и Z-фазам источника трехфазной электроэнергии, соответственно. Модули 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток также присоединяют к нейтрали источника трехфазной электроэнергии. Источник электроэнергии подает трехфазную электроэнергию переменного тока в ИБП 5.
На этапе 1410 ИБП 5 присоединяют к одной или более нагрузке. ИБП 5 могут присоединить к трехфазной нагрузке (например, модуль 10 преобразования переменного тока в переменный ток подает Х-фазу, модуль 20 преобразования переменного тока в переменный ток подает Y-фазу, а модуль 30 преобразования переменного тока в переменный ток подает Z-фазу). Альтернативно, ИБП 5 могут присоединить к одной или более однофазной нагрузке. Например, каждый из модулей 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток может подавать электроэнергию одной фазы на одну или более нагрузку.
На этапе 1415 ИБП 5 определяет, является ли подаваемая электроэнергия переменного тока приемлемой. Если ИБП 5 определяет, что входная электроэнергия переменного тока является приемлемой, то процесс 1400 переходит на этап 1420. Если ИБП 5 определяет, что входная электроэнергия переменного тока является неприемлемой, например, ее подача прекратилась и/или стала нестабильной (например, напряжение слишком низкое), то процесс 1400 переходит на этап 1430.
На этапе 1420 преобразователи 11, 21 и 31 переменного тока в постоянный ток преобразуют входящую электроэнергию переменного тока в электроэнергию постоянного тока, которая подается на шины 60, 61, 63 и 64. Преобразователи 11, 21 и 31 переменного тока в постоянный ток вводятся в действие (например, переключатели переключаются в состояние, соответствующее подаваемому сигналу электроэнергии) при запуске нагрузки или при подаче на ИБП 5 подходящей электроэнергии. Хотя нижеследующее описание относится к преобразователю 11 переменного тока в постоянный ток, работа преобразователей 21 и 31 переменного тока в постоянный ток может быть аналогичной. Преобразователь 11 переменного тока в постоянный ток обрабатывает входную электроэнергию переменного тока, используя сочетание фильтра, пропускающего низкие частоты, и вольтодобавочного преобразователя (т.е. сочетание конденсатора 280 и индуктора 285). Контроллер 275 на основе ШИМ переключает переключатели 210, 220, 230, 240, 250 и 260 в зависимости от сигнала электроэнергии, принимаемого преобразователем 11 переменного тока в постоянный ток. Например, контроллер 275 на основе ШИМ вынуждает переключатели 210, 220, 230, 240, 250 и 260 работать в одном из трех состояний. В первом состоянии контроллер 275 на основе ШИМ переключает переключатели 210 и 220 взаимоисключающим способом, удерживает переключатели 230 и 250 включенными и удерживает переключатели 240 и 260 выключенными. Во втором состоянии контроллер 275 на основе ШИМ удерживает переключатели 210 и 260 выключенными, удерживает переключатели 220 и 250 включенными и переключает переключатели 230 и 240 взаимоисключающим способом. В третьем состоянии контроллер 275 на основе ШИМ удерживает переключатели 210 и 230 выключенными, удерживает переключатели 220 и 240 включенными и переключает переключатели 250 и 260 взаимоисключающим способом. Контроллер 275 на основе ШИМ вынуждает преобразователь 11 переменного тока в постоянный ток работать в первом состоянии, когда напряжение входного сигнала переменного тока, подаваемого на преобразователь 11 переменного тока в постоянный ток, больше, чем 1/3 напряжения, подаваемого на выход 265. Контроллер 275 на основе ШИМ вынуждает преобразователь 11 переменного тока в постоянный ток работать во втором состоянии, когда напряжение входного сигнала переменного тока, подаваемого на преобразователь 11 переменного тока в постоянный ток, находится между 1/3 напряжения, подаваемого на выход 265, и 1/3 напряжения, подаваемого на выход 268. Контроллер 275 на основе ШИМ вынуждает преобразователь 11 переменного тока в постоянный ток работать в третьем состоянии, когда напряжение входного сигнала переменного тока, подаваемого на преобразователь 11 переменного тока в постоянный ток, меньше 1/3 напряжения, подаваемого на выход 268.
На этапе 1425 преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток заряжает батарею 50. Преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток принимает первый набор напряжений постоянного тока от шин 60, 61, 63 и 64. Когда ИБП 5 принимает подходящую электроэнергию от источника электроэнергии, преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток преобразует первый набор напряжений в первое напряжение постоянного тока, которое подается на батарею 50. Напряжение, подаваемое на батарею 50, находится между напряжением, присутствующим на шине 64, и 1/3 напряжения, подаваемого на шину 63.
Контроллер 1115 на основе ШИМ вынуждает преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток действовать в качестве вольтопонижающего преобразователя, преобразующего первый набор напряжений в первое напряжение.
Контроллер 1115 на основе ШИМ вынуждает переключатели 1020 и 1030 оставаться выключенными, а переключатели 1010 и 1040 по существу одновременно включаться и выключаться. Каждый раз, когда переключатели 1010 и 1040 включены, индукторы 1080 и 1085 заряжаются, а батареи 1095 и 1100 принимают напряжение, которое по существу равно первому напряжению. Каждый раз, когда переключатели 1010 и 1040 выключены, индукторы 1080 и 1085 разряжаются (например, ток свободно течет через диоды 1015 и 1025) и подают по существу первое напряжение на батареи 1095 и 1100. Предпочтительно, переключатели 1010 и 1040 включаются раньше, чем индукторы 1080 и 1085 полностью разрядятся.
На этапе 1430 контроллер 1115 на основе ШИМ вынуждает преобразователь 1000 постоянного тока в постоянный ток действовать в качестве вольтодобавочного преобразователя, преобразующего второе напряжение во второй набор напряжений. Контроллер 1115 на основе ШИМ вынуждает переключатели 1020 и 1030 по существу одновременно включаться и выключаться, в то время как переключатели 1010 и 1040 удерживаются выключенными. Каждый раз, когда переключатели 1020 и 1030 включены, индукторы 1080 и 1085 заряжаются, используя электроэнергию от батарей 1095 и 1100. Каждый раз, когда переключатели 1020 и 1030 выключены, индукторы 1080 и 1085 разряжаются, и ток свободно течет через диоды 1005 и 1035 (например, благодаря энергии, накопленной в батареях 1095 и 1100 и индукторах 1080 и 1085). Предпочтительно, переключатели 1020 и 1030 включаются раньше, чем индукторы 1080 и 1085 полностью разрядятся. Конденсаторы 1070 и 1075 могут использоваться для уменьшения пульсирующего тока в электроэнергии, подаваемой на области 1090, 1091, 1093 и 1094. Кроме того, переключатели ИБП переводятся в состояние для приема электроэнергии постоянного тока из батареи 50. Например, при обнаружении того, что источник электроэнергии переменного тока недоступен и/или нестабилен, вход 13 отделяется от шин 64, 63, 61 и 60 путем выключения всех переключателей в преобразователе 11 переменного тока в постоянный ток. Преобразователи 21 и 31 переменного тока в постоянный ток работают так же.
На этапе 1435 балансировщик 1200 шин постоянного тока балансирует напряжения, присутствующие на шинах 60, 61, 63, 64. В то время как этап 1435 показан как этап, помещенный между другими этапами, балансировщик 1200 шин постоянного тока балансирует напряжения, присутствующие на шинах 60, 61, 63 и 64, одновременно с другими этапами во время работы ИБП 5. Балансировщик 1200 шин постоянного тока балансирует и поддерживает желаемые напряжения на шинах 60, 61, 62, 63 и 64 путем перемещения энергии, накопленной в конденсаторах 1205, 1210, 1215 и 1220, на шины 64, 63, 61 и 60 соответствующим образом. Переключатели 1235, 1245, 1255, 1265, 1275 и 1285 переключаются контроллером 1315 на основе ШИМ. Контроллер 1315 на основе ШИМ переключает переключатели 1235, 1245, 1255, 1265, 1275 и 1285 в первое и второе состояния. В первом состоянии переключатели 1235, 1255 и 1275 включены, в то время как переключатели 1245, 1265 и 1285 выключены. Во втором состоянии переключатели 1235, 1255, 1265 выключены, в то время как переключатели 1245, 1265 и 1285 включены. Напряжения внутри балансировщика 1200 шин постоянного тока изменяются, как показано в Таблице 1 (приведенной выше). Таким образом, когда области 1310, 1311, 1313 и 1314 подают 450 В, 150 В, -150 В и -450 В, соответственно, напряжение в каждом из мест соединения, описанных в Таблице 1, изменяется приблизительно на 300 В (от пика до пика). Остальное описание этапа 1435 балансировки шин постоянного тока приводится для условия, что шины 64, 63, 61 и 60 подают 450 В, 150 В, -150 В и -450 В, соответственно (относительно нейтрали).
Во время сбалансированной работы балансировщика 1200 шин постоянного тока (например, напряжения на областях 1310, 1311, 1312, 1313 и 1314 находятся на желаемых уровнях) сигнал, присутствующий на каждом из мест соединения, описанных в Таблице 1, будет по существу прямоугольным. Таким образом, во время сбалансированной работы перепады напряжения в местах соединения, описанных в Таблице 1, будут по существу в фазе друг с другом и будут иметь по существу одинаковую амплитуду. Разности напряжений на резонаторах 1320 и 1325 равны приблизительно 1/3 суммарного напряжения постоянного тока между шиной 60 и шиной 64 (например, 300 В). Конденсаторы 1225 и 1230 заряжаются до потенциала, имеющего место на резонаторах 1320 и 1325, соответственно (например, 300 В).
Балансировщик 1200 шин постоянного тока компенсирует несбалансированные напряжения на областях 1310, 1311, 1312, 1313 и 1314, используя энергию, накопленную в резонаторах 1320 и 1325. Во время несбалансированной работы балансировщика 1200 шин постоянного тока амплитуда прямоугольных сигналов напряжения, индуцируемых в местах соединения, описанных в Таблице 1, может быть неравномерной, что может приводить к появлению прямоугольного сигнала напряжения на одном или более из резонаторов 1320 и 1325. Когда напряжение появляется на каждом из резонаторов 1320 и/или 1325, ток течет через каждый из резонаторов 1320 и/или 1325, соответственно. Величина тока, текущего в резонаторах 1320 и/или 1325, может быть увеличена путем уменьшения импеданса резонаторов 1320 и 1325 (например, путем приближения импеданса к нулю). Контроллер 1315 на основе ШИМ переключает переключатели 1235, 1245, 1255, 1265, 1275 и 1285 с такой частотой, что импеданс резонаторов 1320 и 1325 уменьшается. Например, когда частота переключений становится равной резонансной частоте резонаторов 1320 и 1325, импеданс резонаторов 1320 и 1325 достигает нуля. Когда на резонаторах 1320 и 1325 присутствует напряжение, ток течет из конденсатора, имеющего более высокое напряжение (например, из конденсаторов 1205, 1210, 1215 и 1220) в конденсатор, имеющий более низкое напряжение (например, из конденсаторов 1205, 1210, 1215 и 1220). Переключатели (например, из переключателей 1235, 1245, 1255, 1265, 1275 и 1285), которые соединены с конденсатором (например, из конденсаторов 1205, 1210, 1215 и/или 1220), имеющим более высокое напряжение, действуют в качестве генератора и создают переменный ток через резонаторы 1320 и/или 1325 для установления потока реальной электроэнергии к конденсатору (например, из конденсаторов 1205, 1210, 1215 и/или 1220), имеющему более низкое напряжение. Ток через резонаторы 1320 и 1325, предпочтительно, начинается, когда разность напряжений между несбалансированными конденсаторами превышает падение напряжения в режиме прямого тока соответствующих диодов 1240, 1250, 1260, 1270, 1280 и 1290 (например, несколько вольт).
Сигнал индуцированного тока, текущего в резонаторах 1320 и 1325 (например, вызванный несбалансированной работой балансировщика 1200 шин постоянного тока), подобен синусоидальному сигналу. Предпочтительно, когда частота, с которой переключатели 1235, 1245, 1255, 1265, 1275 и 1285 переключаются, достигает резонансной частоты резонаторов 1320 и 1325, прохождения через ноль индуцированного тока происходят ближе к периоду молчания между первым и вторым состояниями, что может уменьшить потери на переключение.
На этапе 1440 электроэнергия постоянного тока на шинах 60, 61, 63 и 64 преобразуется в электроэнергию переменного тока преобразователями 12, 22 и 32 постоянного тока в переменный ток. Каждый из преобразователей 12, 22 и 32, предпочтительно, сконфигурирован так, как преобразователь 700 постоянного тока в переменный ток. Преобразователь 700 постоянного тока в переменный ток принимает электроэнергию от преобразователя 200 переменного тока в постоянный ток или из батареи 50 через шины 60, 61, 63 и 64. Преобразователь 700 постоянного тока в переменный ток генерирует выходной сигнал переменного тока, имеющий пиковые напряжения, приблизительно равные напряжениям, присутствующим на входе 765 и 768. Фаза каждого из преобразователей 12, 22 и 32 постоянного тока в переменный ток, предпочтительно, варьируется таким образом, чтобы на нагрузку могла подаваться стандартная трехфазная электроэнергия.
Рассмотрим также фигуры 9-10. Преобразователь 700 постоянного тока в переменный ток преобразует электроэнергию постоянного тока в электроэнергию переменного тока путем переключения переключателей 710, 720, 730, 740, 750 и 760 в предварительно определенной последовательности. Контроллер 775 на основе ШИМ переключает переключатели 710, 720, 730, 740, 750 и 760 в разных последовательностях в зависимости от желаемого напряжения выходного сигнала на выходе 702. Когда желаемое напряжение выходного сигнала (на выходе 702) находится между напряжениями, присутствующими на входах 765 и 766, контроллер 775 на основе ШИМ активно включает и выключает переключатели 710 и 720, удерживает переключатели 730 и 750 включенными и удерживает переключатели 740 и 760 выключенными. Когда желаемое напряжение выходного сигнала (на выходе 702) находится между напряжениями, присутствующими на входах 766 и 767, контроллер 775 на основе ШИМ активно включает и выключает переключатели 730 и 740, удерживает переключатели 720 и 750 включенными и удерживает переключатели 710 и 760 выключенными. Когда желаемое напряжение выходного сигнала (на выходе 702) находится между напряжениями, присутствующими на входах 767 и 768, контроллер 775 на основе ШИМ активно включает и выключает переключатели 750 и 760, удерживает переключатели 720 и 740 включенными и удерживает переключатели 710 и 730 выключенными. В каждом из этих трех состояний продолжительность включения переключателей 710, 720, 730, 740, 750 и 760, которые активно переключаются, варьируется таким образом, что выходной сигнал фильтра 770 представляет собой по существу переменный ток (например, как показано на фигурах 9-10). Фильтр 770 (например, индуктивно-емкостный фильтр, пропускающий нижние частоты) фильтрует сигнал, подаваемый на область 780, в по существу сигнал переменного тока, который подается на выход 702.
На этапе 1445 электроэнергия переменного тока подается на нагрузку. Конфигурация электроэнергии, которая подается на нагрузку, может варьироваться в зависимости от желаемой работы. Например, каждый из преобразователей 12, 22 и 32 постоянного тока в переменный ток может обеспечивать одну фазу трехфазного электрического соединения, все или некоторые из преобразователей 12, 22 и 32 постоянного тока в переменный ток могут подавать электроэнергию, имеющую одну фазу, каждый из преобразователей 12, 22 и 32 постоянного тока в переменный ток может подавать однофазную электроэнергию на отдельные нагрузки и т.д.
Другие варианты осуществления входят в объем и сущность изобретения. Например, ввиду природы программного обеспечения, функции, описанные выше, могут быть воплощены с использованием программного обеспечения, аппаратного обеспечения, аппаратно-реализованного программного обеспечения, записанного в      ПЗУ программного обеспечения, или их сочетаний. Элементы, воплощающие функции, могут также быть физически расположены в разных местах, в том числе быть распределены, так что части функций воплощаются в разных физических местах. Хотя показано три преобразователя постоянного тока в переменный ток (например, преобразователи 12, 22, 32 постоянного тока в переменный ток с балансировщиком 42 шин постоянного тока), может использоваться один преобразователь постоянного тока в переменный ток, если требуется лишь однофазная электроэнергия. Преобразователи переменного тока в постоянный ток и преобразователи постоянного тока в переменный ток могут быть разделены на несколько параллельных схем, и переключаться с интервалами, например, для уменьшения пульсирующего тока на шинах. Напряжения, присутствующие на шинах 61, 62, 64 и 65, могут отличаться от тех, что названы в настоящем документе. Батарея может быть присоединена непосредственно к шинам 61, 63 и/или 64 без использования преобразователя постоянного тока в постоянный ток. Симметричность шин постоянного тока может контролироваться модифицированной управляющей схемой преобразователя переменного тока в постоянный ток.
Рассмотрим фигуру 1. Хотя ИБП 5 показан включающим модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток, модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток может быть опущен. Например, ИБП может преобразовывать подаваемую трехфазную электроэнергию из первого напряжения во второе напряжение без наличия модуля 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток.
Хотя описание, приведенное в настоящем документе, описывает несколько отдельных конденсаторов, два или более конденсатора могут быть объединены в один конденсатор. Например, фигура 10 показывает конденсатор 905, присоединенный между шиной 64 и шиной 63, фигура 11 показывает конденсатор 1050, присоединенный между шиной 64 и шиной 63, а фигура 12 показывает конденсатор 1205, присоединенный между шиной 64 и шиной 63. Конденсаторы 905, 1050 и 1205 могут представлять собой один совместно используемый конденсатор.
Рассмотрим фигуру 2. Хотя преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток сконфигурирован как четырехквадрантный инвертор, обеспечивающий как положительные, так и отрицательные напряжения постоянного тока, преобразователь переменного тока в постоянный ток может быть воплощен и в других конфигурациях. Например, преобразователь переменного тока в постоянный ток может быть сконфигурирован как двухквадрантный выпрямитель, обеспечивающий лишь положительные напряжения постоянного тока во время положительных полуциклов напряжения входной линии (и лишь отрицательные напряжения постоянного тока во время отрицательных полуциклов напряжения входной линии), путем замены переключателей 210 и 260 диодами.
Рассмотрим фигуру 15, на которой показан еще один вариант осуществления ИБП 1500. ИБП 1500 включает входную секцию 1502, первый преобразователь 1504 электроэнергии, второй преобразователь 1506 электроэнергии, батарею 1550, осуществляющую зарядку батареи/вольтодобавочную схему 1553, балансировщик 1571 шин, первую шину 1507 постоянного тока, вторую шину 1513 постоянного тока, третью шину 1515 постоянного тока, четвертую шину 1511 постоянного тока, нейтральную линию 1510, первый конденсатор 1606 шины постоянного тока, второй конденсатор 1608 шины постоянного тока, третий конденсатор 1610 шины постоянного тока, четвертый конденсатор 1612 шины постоянного тока и преобразователь 1613 постоянного тока в переменный ток. Необходимо понимать, что в различных вариантах осуществления любой из следующих компонентов или любое сочетание следующих компонентов: входная секция 1502, первый преобразователь 1504 электроэнергии, второй преобразователь 1506 электроэнергии, батарея 1550, осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553, балансировщик 1571 шин и первая шина 1507 постоянного тока - может включать твердотельную схему (например, с биполярными транзисторами с изолированным затвором) или аналоговую схему.
В варианте осуществления, изображенном на фигуре 15, шины 1507 и 1513 постоянного тока представляют собой положительные шины, а шины 1515 и 1511 постоянного тока представляют собой отрицательные шины; однако необходимо понимать, что другие конфигурации шин постоянного тока могут быть использованы с количеством шин, большим или меньшим четырех. В изображенном варианте осуществления первая шина 1507 постоянного тока имеет первое положительное напряжение шины постоянного тока, вторая шина 1513 постоянного тока имеет второе положительное напряжение шины постоянного тока, четвертая шина 1511 постоянного тока имеет первое отрицательное напряжение шины постоянного тока, а третья шина 1515 постоянного тока имеет второе отрицательное напряжение шины постоянного тока. Согласно одному варианту осуществления величина второго положительного напряжения шины постоянного тока равна 1/3 величины первого положительного напряжения шины постоянного тока, а величина второго отрицательного напряжения шины постоянного тока равна 1/3 величины первого отрицательного напряжения шины постоянного тока.
Далее, в варианте осуществления, изображенном на фигуре 15, первый конденсатор 1606 шины постоянного тока присоединен между первой шиной 1507 постоянного тока и второй шиной 1513 постоянного тока; второй конденсатор 1608 шины постоянного тока присоединен между второй шиной 1513 постоянного тока и нейтральной линией 1510; третий конденсатор 1610 шины постоянного тока присоединен между нейтральной линией 1510 и третьей шиной 1515 постоянного тока; а четвертый конденсатор 1612 шины постоянного тока присоединен между третьей шиной 1515 постоянного тока и четвертой шиной 1511 постоянного тока. Необходимо понимать, что ИБП 1500 может включать более четырех или менее четырех конденсаторов шины постоянного тока и что конденсаторы шины постоянного тока могут быть сконфигурированы иным образом.
Согласно одному варианту осуществления входная секция 1502 включает вход 1509, включающий первую входную линию 1503, вторую входную линию 1505, третью входную линию 1508 и нейтральную линию 1510; первый переключатель 1512; второй переключатель 1514; первый тиристор 1516; второй тиристор 1518;
первое множество 1520 диодов и второе множество 1522 диодов. В одном варианте осуществления переключатели 1512, 1514 могут представлять собой электромагнитные переключатели, такие как реле или контакты; однако могут использоваться и другие типы переключателей, например твердотельные переключатели. В одном варианте осуществления один из первого переключателя 1512 и второго переключателя 1514 или они оба могут включать многополюсный переключатель; однако могут использоваться и другие типы переключателей, например один или множество однополюсных переключателей. В одном варианте осуществления тиристоры 1516, 1518 могут представлять собой кремниевые управляемые выпрямители; однако могут использоваться и другие типы тиристоров. В одном варианте осуществления диоды из первого множества 1520 и второго множества 1522 могут представлять собой диоды с быстрым или сверхбыстрым восстановлением запорного слоя; однако могут использоваться и другие типы диодов. Согласно одному варианту осуществления диоды из первого множества 1520 и второго множества 1522 сконфигурированы в сочетании для обеспечения двухполупериодного выпрямителя.
В изображенном варианте осуществления вход 1509 сконфигурирован для приема трехфазной электроэнергии; однако необходимо понимать, что вход 1509 может быть сконфигурирован для приема других типов многофазной электроэнергии и, следовательно, может включать любое количество фазовых проводов.
В варианте осуществления, изображенном на фигуре 15, первая входная линия 1503 соединена с первым переключателем 1512. Первая входная линия 1503 также выборочно соединяется с анодом первого диода 1527 второго множества 1522 диодов посредством второго переключателя 1514. Вторая входная линия 1505 выборочно соединяется с анодом второго диода 1529 второго множества 1522 диодов посредством второго переключателя 1514. Третья входная линия 1508 выборочно соединяется с анодом третьего диода 1531 второго множества 1522 диодов посредством второго переключателя 1514. Первая входная линия 1503 также выборочно соединяется с катодом первого диода 1521 первого множества 1520 диодов посредством второго переключателя 1514. Вторая входная линия 1505 также выборочно соединяется с катодом второго диода 1523 первого множества 1520 диодов посредством второго переключателя 1514. Третья входная линия 1508 также выборочно соединяется с катодом третьего диода 1525 первого множества 1520 диодов посредством второго переключателя 1514. Анод первого тиристора 1516 соединен с анодом первого диода 1521, анодом второго диода 1523 и анодом третьего диода 1525 первого множества 1520 диодов. Катод первого тиристора 1516 соединен с отрицательным полюсом батареи 1550. Катод второго тиристора 1518 соединен с катодом первого диода 1527, катодом второго диода 1529 и катодом третьего диода 1531 второго множества 1522 диодов. Анод второго тиристора 1518 соединен с положительным полюсом батареи 1550.
Согласно некоторым вариантам осуществления первый преобразователь 1504 электроэнергии включает положительную вольтодобавочную схему, которая включает первый переключатель 1528, первый индуктор 1524, первый диод 1534 и третий диод 1541, и отрицательную вольтодобавочную схему, которая включает второй переключатель 1530, второй индуктор 1526, второй диод 1536 и четвертый диод 1543. В одном варианте осуществления переключатели 1528 и 1530 могут представлять собой биполярные транзисторы с изолированным затвором; однако могут использоваться и другие типы переключателей. В одном варианте осуществления диоды 1534, 1536, 1541, 1543 могут представлять собой диоды с быстрым или сверхбыстрым восстановлением запорного слоя; однако могут использоваться и другие типы диодов. В варианте осуществления, показанном на фигуре 15, первый преобразователь 1504 электроэнергии включает две вольтодобавочные схемы: положительную вольтодобавочную схему и отрицательную вольтодобавочную схему; однако в других вариантах осуществления первый преобразователь 1504 электроэнергии может включать более двух или менее двух вольтодобавочных схем. Например, в одном варианте осуществления первый преобразователь 1504 электроэнергии может включать несколько положительных вольтодобавочных схем, соединенных параллельно, и несколько отрицательных вольтодобавочных схем, соединенных параллельно.
В изображенном варианте осуществления первая область 1539 первого индуктора 1524 соединена с катодом первого диода 1527, катодом второго диода 1529 и катодом третьего диода 1531 второго множества 1522 диодов во входной секции 1502. Анод первого диода 1534 соединен со второй областью 1533 первого индуктора 1524 и коллектором первого переключателя 1528. Катод первого диода 1534 соединен с первой шиной 1507 постоянного тока. Третий диод 1541 присоединен между коллектором первого переключателя 1528 и эмиттером первого переключателя 1528. Эмиттер первого переключателя 1528 соединен со второй шиной 1513 постоянного тока. Первая область 1551 второго индуктора 1526 соединена с анодом первого диода 1521, анодом второго диода 1523 и анодом третьего диода 1525 первого множества 1520 диодов во входной секции 1502. Катод второго диода 1536 соединен со второй областью 1535 второго индуктора 1526 и эмиттером второго переключателя 1530. Анод второго диода 1536 соединен с четвертой шиной 1511. Четвертый диод 1543 присоединен между эмиттером второго переключателя 1530 и коллектором второго переключателя 1530. Коллектор второго переключателя 1530 соединен с шиной 1515 постоянного тока.
В изображенном варианте осуществления второй преобразователь 1506 электроэнергии включает первый диод 1538, второй диод 1542, третий диод 1544, четвертый диод 1540, пятый диод 1545, шестой диод 1547, первый переключатель 1546, второй переключатель 1548 и индуктор 1532. В одном варианте осуществления переключатели 1546 и 1548 могут представлять собой биполярные транзисторы с изолированным затвором; однако могут использоваться и другие типы переключателей. В одном варианте осуществления диоды 1538, 1542, 1544, 1540, 1545, 1547 могут представлять собой диоды с быстрым или сверхбыстрым восстановлением запорного слоя; однако могут использоваться и другие типы диодов.
В варианте осуществления, изображенном на фигуре 15, катод первого диода 1538 соединен с первой шиной 1507 постоянного тока. Анод первого диода 1538 соединен с коллектором первого переключателя 1546. Катод второго диода 1542 соединен с анодом первого диода 1538 и коллектором первого переключателя 1546. Первая область 1549 индуктора 1532 выборочно соединяется с первой входной линией 1503 входной секции 1502 посредством первого переключателя 1512 входной секции 1502. Анод второго диода 1542 соединен со второй областью 1537 индуктора 1532 и катодом третьего диода 1544. Пятый диод 1545 присоединен между коллектором первого переключателя 1546 и эмиттером первого переключателя 1546. Эмиттер первого переключателя 1546 соединен с нейтральной линией 1510. Коллектор второго переключателя 1548 соединен с нейтральной линией 1510. Анод третьего диода 1544 соединен с эмиттером второго переключателя 1548. Шестой диод 1547 присоединен между коллектором второго переключателя 1548 и эмиттером второго переключателя 1548. Эмиттер второго переключателя 1548 соединен с катодом четвертого диода 1540. Анод четвертого диода 1540 соединен с четвертой шиной 1511 постоянного тока.
В изображенном варианте осуществления осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 включает первый индуктор 1552, второй индуктор 1554, первый переключатель 1556, второй переключатель 1558, третий переключатель 1560, четвертый переключатель 1562, первый диод 1564, второй диод 1566, третий диод 1568 и четвертый диод 1570. В одном варианте осуществления переключатели 1556, 1558, 1560, 1562 могут представлять собой биполярные транзисторы с изолированным затвором; однако могут использоваться и другие типы переключателей. В одном варианте осуществления диоды 1564, 1566, 1568, 1570 могут представлять собой диоды с быстрым или сверхбыстрым восстановлением запорного слоя; однако могут использоваться и другие типы диодов.
В варианте осуществления, изображенном на фигуре 15, первая область 1559 первого индуктора 1552 соединена с положительным полюсом батареи 1550. Коллектор первого переключателя 1556 соединен с первой шиной 1507 постоянного тока. Эмиттер первого переключателя 1556 соединен со второй областью 1555 первого индуктора 1552 и коллектором второго переключателя 1558. Первый диод 1564 присоединен между коллектором первого переключателя 1556 и эмиттером первого переключателя 1556. Эмиттер второго переключателя 1558 соединен со второй шиной 1513 постоянного тока. Второй диод 1566 присоединен между коллектором второго переключателя 1558 и эмиттером второго переключателя 1558. Первая область 1601 второго индуктора 1554 соединена с отрицательным полюсом батареи 1550. Коллектор третьего переключателя 1560 соединен с третьей шиной 1515 постоянного тока. Эмиттер третьего переключателя 1560 соединен со второй областью 1557 второго индуктора 1554 и коллектором четвертого переключателя 1562. Третий диод 1568 присоединен между коллектором третьего переключателя 1560 и эмиттером третьего переключателя 1560. Эмиттер четвертого переключателя 1562 соединен с четвертой шиной 1511 постоянного тока. Четвертый диод 1570 присоединен между коллектором четвертого переключателя 1562 и эмиттером четвертого переключателя 1562.
Согласно одному варианту осуществления балансировщик 1571 шин включает первый переключатель 1572, второй переключатель 1574, третий переключатель 1576, четвертый переключатель 1578, пятый переключатель 1580, шестой переключатель 1582, первый диод 1584, второй диод 1586, третий диод 1588, четвертый диод 1590, пятый диод 1592, шестой диод 1594, первый индуктор 1596, второй индуктор 1602, третий индуктор 1604, первый конденсатор 1598 и второй конденсатор 1600. В одном варианте осуществления переключатели 1556, 1558, 1560, 1562 могут представлять собой биполярные транзисторы с изолированным затвором; однако могут использоваться и другие типы переключателей. В одном варианте осуществления диоды 1584, 1586, 1588, 1590, 1592, 1594 могут представлять собой диоды с быстрым или сверхбыстрым восстановлением запорного слоя, однако могут использоваться и другие типы диодов.
В варианте осуществления, изображенном на фигуре 15, коллектор первого переключателя 1572 соединен с первой шиной 1507 постоянного тока. Первый диод 1584 присоединен между коллектором первого переключателя 1572 и эмиттером первого переключателя 1572. Эмиттер первого переключателя 1572 соединен с коллектором второго переключателя 1574 и второй областью 1605 первого индуктора 1596. Второй диод 1586 присоединен между коллектором второго переключателя 1574 и эмиттером второго переключателя 1574. Эмиттер второго переключателя 1574 соединен со второй шиной 1513 постоянного тока. Коллектор третьего переключателя 1576 соединен со второй шиной 1513 постоянного тока. Третий диод 1588 присоединен между коллектором третьего переключателя 1576 и эмиттером третьего переключателя 1576. Первая область 1609 третьего индуктора 1604 соединена с эмиттером третьего переключателя 1576. Коллектор четвертого переключателя 1578 соединен с эмиттером третьего переключателя 1576 и первой областью 1609 третьего индуктора 1604. Четвертый диод 1590 присоединен между коллектором четвертого переключателя 1578 и эмиттером четвертого переключателя 1578. Эмиттер четвертого переключателя 1578 соединен с третьей шиной 1515 постоянного тока. Коллектор пятого переключателя 1580 соединен с третьей шиной 1515 постоянного тока. Пятый диод 1592 присоединен между коллектором пятого переключателя 1580 и эмиттером пятого переключателя 1580. Эмиттер пятого переключателя 1580 соединен с первой областью 1597 второго индуктора 1602 и коллектором шестого переключателя 1582. Шестой диод 1594 присоединен между коллектором шестого переключателя 1582 и эмиттером шестого переключателя 1582. Эмиттер шестого переключателя 1582 соединен с четвертой шиной 1511 постоянного тока. Первая область 1595 первого индуктора 1596 соединена с первым конденсатором 1598. Первый конденсатор 1598 соединен с первой областью 1609 третьего индуктора 1604, эмиттером третьего переключателя 1576 и вторым конденсатором 1600. Второй конденсатор 1600 соединен со второй областью 1607 второго индуктора 1602. Вторая область 1603 третьего индуктора 1604 соединена с нейтральной линией 1510.
Согласно одному варианту осуществления преобразователь 1613 постоянного тока в переменный ток включает первый переключатель 1614, второй переключатель 1616, третий переключатель 1618, четвертый переключатель 1620, пятый переключатель 1622, шестой переключатель 1624, первый диод 1626, второй диод 1628, третий диод 1630, четвертый диод 1632, пятый диод 1634, шестой диод 1636, индуктор 1638, конденсатор 1640 и выход 1642. В одном варианте осуществления переключатели 1614, 1616, 1618, 1620, 1622, 1624 могут представлять собой биполярные транзисторы с изолированным затвором; однако могут использоваться и другие типы переключателей. В одном варианте осуществления диоды 1626, 1628, 1630, 1632, 1634, 1636 могут представлять собой диоды с быстрым или сверхбыстрым восстановлением запорного слоя; однако могут использоваться и другие типы диодов. Согласно некоторым вариантам осуществления ИБП включает несколько преобразователей постоянного тока в переменный ток, каждый из которых соединен с первой шиной 1507 постоянного тока, второй шиной 1513 постоянного тока, третьей шиной 1515 постоянного тока и четвертой шиной 1511 постоянного тока. Для ясности фигура 15 иллюстрирует преобразователь 1613 постоянного тока в переменный ток как однофазный преобразователь, имеющий однофазный выход 1642. Однако необходимо понимать, что в некоторых вариантах осуществления преобразователь 1613 постоянного тока в переменный ток может быть сконфигурирован таким образом, что он подает многофазный выходной сигнал переменного тока на выход 1642.
Согласно некоторым вариантам осуществления ИБП 1500 включает несколько преобразователей 1613 постоянного тока в переменный ток, при этом, например, каждый преобразователь 1613 постоянного тока в переменный ток принимает электроэнергию от шин 1507, 1511, 1513 и 1515 постоянного тока, и каждый преобразователь 1613 постоянного тока в переменный ток подает выходной сигнал отдельной фазы многофазного выходного сигнала, подаваемого на выход 1642. Например, в одном варианте осуществления выход 1642 является трехфазным, имеющим четыре выходных провода, при этом отдельный преобразователь 1613 постоянного тока в переменный ток используется для подачи электроэнергии на одну из трех фаз, соответственно. Согласно некоторым вариантам осуществления преобразователь 1613 постоянного тока в переменный ток сконфигурирован для работы в качестве инвертора.
Коллектор первого переключателя 1614 соединен с первой шиной 1507 постоянного тока. Первый диод 1626 присоединен между коллектором первого переключателя 1614 и эмиттером первого переключателя 1614. Коллектор второго переключателя 1616 соединен с эмиттером первого переключателя 1614. Второй диод 1628 присоединен между коллектором второго переключателя 1616 и эмиттером второго переключателя 1616. Эмиттер второго переключателя 1616 соединен со второй шиной 1513 постоянного тока. Коллектор третьего переключателя 1618 соединен с третьей шиной 1515 постоянного тока. Третий диод 1630 присоединен между коллектором третьего переключателя 1618 и эмиттером третьего переключателя 1618. Коллектор четвертого переключателя 1620 соединен с эмиттером третьего переключателя 1618. Четвертый диод 1632 присоединен между коллектором четвертого переключателя 1620 и эмиттером четвертого переключателя 1620. Эмиттер четвертого переключателя 1620 соединен с четвертой шиной 1511 постоянного тока. Коллектор пятого переключателя 1622 соединен с эмиттером первого переключателя 1614 и коллектором второго переключателя 1616. Пятый диод 1634 присоединен между коллектором пятого переключателя 1622 и эмиттером пятого переключателя 1622. Коллектор шестого переключателя 1624 соединен с эмиттером пятого переключателя 1622. Шестой диод 1636 присоединен между коллектором шестого переключателя 1624 и эмиттером шестого переключателя 1624. Эмиттер шестого переключателя 1624 соединен с эмиттером третьего переключателя 1618 и коллектором четвертого переключателя 1620. Первая область 1639 индуктора 1638 соединена с эмиттером пятого переключателя 1622 и коллектором шестого переключателя 1624. Вторая область 1637 индуктора 1638 соединена с выходом 1642. Конденсатор 1640 присоединен между выходом 1642 и нейтральной линией 1510.
В одном варианте осуществления некоторые секции 1504, 1506, 1553, 1571, 1613 ИБП 1500 могут также включать контроллеры 1650, 1652, 1654, 1656, 1658. В некоторых вариантах осуществления один или более из контроллеров может воплощать желаемый управляющий контур для обеспечения выбранного режима работы соответствующей секции ИБП 5. Продолжительности включения переключателей в разных секциях 1504, 1506, 1553, 1571, 1613 ИБП 1500 может регулироваться независимо контроллерами 1650, 1652, 1654, 1656, 1658. В одном варианте осуществления контроллеры 1650, 1652, 1654, 1656, 1658 могут включать управление на основе ШИМ. В другом варианте осуществления контроллеры представляют собой цифровые контроллеры; однако контроллеры могут также быть воплощены в аналоговой схеме. В еще одном варианте осуществления каждый контроллер 1650, 1652, 1654, 1656, 1658 включает индивидуально регулируемые настройки, которые могут использоваться для конфигурирования контроллера. В некоторых вариантах осуществления главный контроллер управляет работой множества секций ИБП, и два или более из контроллеров 1650, 1652, 1654, 1656, 1658 включены в главный контроллер.
Путем регулировки порядка переключения переключателя контроллер 1650, 1652, 1654, 1656, 1658 управляет текущим током в индукторе, относящемся к переключателю, для точного воспроизведения эталонного сигнала и сведения к минимуму разницы между эталонным сигналом и текущим сигналом тока. Согласно некоторым вариантам осуществления контроллер может обеспечивать один из следующих типов управления: пропорциональное управление (Р), пропорционально-интегральное управление (P-I) или пропорционально-интегрально-дифференциальное управление (P-I-D). Генерация эталонных сигналов описана более подробно ниже.
В одном варианте осуществления контроллер 1650, 1652, 1654, 1656, 1658 управляет работой одного или более переключателя, включенного в одно из следующего: первый преобразователь 1504 электроэнергии, второй преобразователь 1506 электроэнергии, осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553, балансировщик 1571 шин и преобразователь 1613 постоянного тока в переменный ток. Управляющий контур выполняет измерение тока, протекающего через соответствующий(-ие) переключатель(-и), и вычитает измеренный ток из тока эталонного сигнала. В ответ на вычисленную разность (сигнал ошибки) управляющий контур выполняет регулировку порядка переключения переключателя для сведения к минимуму сигнала ошибки. Например, результирующий сигнал ошибки подается в контроллер, в одном варианте осуществления - в контроллер на основе ШИМ. В одном варианте осуществления сигнал ошибки усиливается регулятором перед подачей в контроллер. Работа контроллера может зависеть от типа используемого управления (например, пропорциональное управление, пропорционально-интегральное управление или пропорционально-интегрально-дифференциальное управление).
В одном варианте осуществления контроллер на основе ШИМ воплощен компаратором, при этом сигнал ошибки подается на неинвертирующий вход контроллера на основе ШИМ, а треугольный (имеющий форму зубьев пилы) сигнал несущей частоты подается на инвертирующий вход контроллера на основе ШИМ. Частота сигнала несущей частоты определяет частоту переключения переключателя, относящегося к контроллеру на основе ШИМ. Однако необходимо понимать, что контроллеры на основе ШИМ могут быть сконфигурированы иным образом. В одном варианте осуществления контроллер на основе ШИМ воплощен аналоговыми компонентами; однако любой из контроллеров на основе ШИМ может также быть воплощен в цифровой форме, например, процессором цифровых сигналов, программируемой вентильной матрицей или микропроцессором.
Некоторые варианты осуществления ИБП 1500, изображенного на фигуре 15, способны работать в нескольких режимах работы, включая «нормальный» режим и «батарейный» режим. Согласно одному варианту осуществления рабочий режим определяется на основании того, подходящая ли электроэнергия переменного тока подается на вход 1509 для удовлетворительного питания нагрузки (не показана), присоединенной к выходу 1642 ИБП. Когда подходящая электроэнергия переменного тока подается на вход 1509 для удовлетворительного питания нагрузки, ИБП 1500 может работать в нормальном режиме. Когда неподходящая электроэнергия переменного тока подается на вход 1509 для удовлетворительного питания нагрузки, ИБП 1500 может работать в батарейном режиме.
Работа ИБП в нормальном режиме будет описана сейчас со ссылкой на фигуру 15 и на примере одного варианта осуществления. Вход 1509 входной секции 1502 принимает входную электроэнергию переменного тока, имеющую напряжение переменного тока, от внешнего источника переменного тока (не показан). В одном варианте осуществления входная электроэнергия, подаваемая на вход 1509, представляет собой трехфазную электроэнергию, и каждая входная линия 1503, 1505, 1508 входа 1509 соединена с одной фазой трехфазного источника электроэнергии. Трехфазная электроэнергия подается входными линиями 1503, 1505, 1508 на соответствующие множества 1520, 1522 выпрямляющих диодов через второй переключатель 1514, когда он замкнут.Первое множество 1520 диодов принимает трехфазную электроэнергию от входа 1509 и подает отрицательные полуциклы трехфазной электроэнергии на первый преобразователь 1504 электроэнергии. Второе множество 1522 диодов принимает трехфазную электроэнергию от входа 1509 и подает положительные полуциклы трехфазной электроэнергии на первый преобразователь 1504 электроэнергии. В одном варианте осуществления электроэнергия, подаваемая на первый преобразователь 1504 электроэнергии первым множеством 1520 диодов и вторым множеством 1522 диодов, потребляется с той фазы трехфазной электроэнергии, которая имеет наибольшее отрицательное или положительное мгновенное напряжение из трех фаз, соответственно.
В нормальном режиме работы первый преобразователь 1504 электроэнергии потребляет электроэнергию с множеств 1522, 1520 выпрямляющих диодов и подает электроэнергию постоянного тока на шины 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока. Положительная вольтодобавочная схема первого преобразователя 1504 электроэнергии подает электроэнергию постоянного тока на первую шину 1507 постоянного тока и вторую шину 1513 постоянного тока. Продолжительность включения первого переключателя 1528 положительной вольтодобавочной схемы регулируется для управления величиной тока и формой электрического сигнала в первом индукторе 1524. Например, если продолжительность включения первого переключателя 1528 достигает 100%, первый переключатель 1528 всегда включен, и напряжение на второй области 1533 первого индуктора 1524 близко к уровню напряжения второй шины 1513 постоянного тока. Если продолжительность включения первого переключателя 1528 достигает 0%, первый переключатель 1528 всегда выключен, и напряжение на второй области 1533 первого индуктора 1524 близко к уровню напряжения первой шины 1507 постоянного тока.
Согласно одному варианту осуществления положительная вольтодобавочная схема, изображенная на фигуре 15, сконфигурирована для работы с такой положительной частью входящего напряжения переменного тока на входе 1509, которая имеет величину, находящуюся между величиной первого положительного напряжения постоянного тока первой шины 1507 постоянного тока и величиной второго положительного напряжения постоянного тока второй шины 1513 постоянного тока. Как было сказано выше, в одном варианте осуществления продолжительность включения первого переключателя 1528 регулируется контроллером 1650. В дополнительном варианте осуществления контроллер 1650 включает контроллер на основе ШИМ, однако могут использоваться и другие формы управления.
Отрицательная вольтодобавочная схема первого преобразователя 1504 электроэнергии подает электроэнергию постоянного тока на третью шину 1515 постоянного тока и четвертую шину 1511 постоянного тока. Продолжительность включения второго переключателя 1530 отрицательной вольтодобавочной схемы регулируется для управления величиной тока и формой электрического сигнала во втором индукторе 1526. Например, если продолжительность включения второго переключателя 1530 достигает 100%, второй переключатель 1530 всегда включен, и напряжение на второй области 1535 второго индуктора 1526 близко к уровню напряжения третьей шины 1515 постоянного тока. Если продолжительность включения второго переключателя 1530 достигает 0%, второй переключатель 1530 всегда выключен, и напряжение на второй области 1535 второго индуктора 1526 близко к уровню напряжения четвертой шины 1511 постоянного тока. Согласно одному варианту осуществления отрицательная вольтодобавочная схема, изображенная на фигуре 15, сконфигурирована для работы с такой отрицательной частью входящего напряжения переменного тока на входе 1509, которая имеет величину, находящуюся между величиной первого отрицательного напряжения постоянного тока четвертой шины 1511 постоянного тока и величиной второго отрицательного напряжения постоянного тока третьей шины 1515 постоянного тока. В одном варианте осуществления продолжительность включения второго переключателя 1530 регулируется контроллером 1650. В дополнительном варианте осуществления контроллер 1650 включает контроллер на основе ШИМ, однако могут использоваться и другие формы управления.
Согласно одному варианту осуществления напряжение, подаваемое на первый преобразователь 1504 электроэнергии, повторяет синусоидальную форму входящих напряжений (фаза-нейтраль) на входе 1509, когда первый преобразователь 1504 электроэнергии потребляет электроэнергию с входа 1509. Согласно одному варианту осуществления ввиду диодной конфигурации первого преобразователя 1504 электроэнергии первый преобразователь 1504 электроэнергии потребляет электроэнергию с входа 1509 лишь во время 120-градусных интервалов каждого полуцикла. В результате первый преобразователь 1504 электроэнергии не потребляет электроэнергию с входа 1509 во время фазовых интервалов от +30° до -30° вблизи каждого прохождения входного напряжения через ноль. Согласно этому варианту осуществления, поскольку положительная вольтодобавочная схема потребляет электроэнергию лишь в интервале от 30° до 150° положительного полуцикла напряжения фаза-нейтраль на входе 1509, величина напряжения, принимаемого положительной вольтодобавочной схемой, варьируется лишь в диапазоне от 50% до 100% пикового положительного напряжения фаза-нейтраль. Кроме того, согласно этому варианту осуществления, поскольку отрицательная вольтодобавочная схема потребляет электроэнергию лишь в интервале от 30° до 150° отрицательного полуцикла напряжения фаза-нейтраль на входе 1509, величина напряжения, принимаемого отрицательной вольтодобавочной схемой, варьируется лишь в диапазоне от 50% до 100% пикового отрицательного напряжения фаза-нейтраль.
В результате названного выше ограничения по диапазону напряжений в первом преобразователе электроэнергии, первый преобразователь 1504 электроэнергии не работает с напряжениями, приближающимися к нулю. Поэтому, согласно этому варианту осуществления, первый переключатель 1528 и второй переключатель 1530 не нуждаются в соединении с нейтральной линией 1510, а вместо этого соединены со второй шиной 1513 постоянного тока и третьей шиной 1515 постоянного тока, соответственно. Раскрытый выше подход может быть использован потому, что уровни абсолютного напряжения как второй шины 1513 постоянного тока, так и третьей шины 1515 постоянного тока меньше 50% пикового напряжения фаза-нейтраль на входе 1509.
Необходимо понимать, что соединение первого переключателя 1528 и второго переключателя 1530 с шинами 1513, 1515 постоянного тока, соответственно, уменьшает величину разности между максимальным и минимальным напряжениями, которые имеют место на переключателе, например, при переходе из включенного состояния в выключенное состояние. Согласно одному варианту осуществления, когда разность напряжений между первой шиной 1507 постоянного тока и второй шиной 1513 постоянного тока составляет 2/3 напряжения первой шины 1507 постоянного тока относительно нейтрали, потери на переключение для первого преобразователя 1504 электроэнергии снижены на 33% по сравнению с конструкцией, в которой переключатели вольтодобавочной схемы соединены с нейтральной линией 1510. Согласно одному варианту осуществления индуктивность индукторов 1524, 1526 может также быть уменьшена в результате описанного выше подхода, поскольку индукторы подвергаются действию более узкого диапазона напряжений. Например, если потери на переключение были снижены на 33%, индукторы 1524, 1526 могут тоже быть уменьшены (укорочены) на 33%. Уменьшение индуктивности может также обеспечивать более низкое сопротивление ввиду уменьшенного количества витков в индукторах.
Согласно некоторым вариантам осуществления ИБП 1500 включает второй преобразователь 1506 электроэнергии для потребления электроэнергии во время фазового интервала вблизи прохождений через ноль напряжения, принимаемого на входе 1509, например, фазового интервала от приблизительно 30° до приблизительно -30° вблизи каждого прохождения через ноль. В изображенном варианте осуществления второй преобразователь 1506 электроэнергии потребляет электроэнергию переменного тока с входа 1509 и подает электроэнергию постоянного тока на первую шину 1507 постоянного тока и четвертую шину 1511 постоянного тока. Для ясности фигура 15 иллюстрирует один второй преобразователь 1506 электроэнергии, который соединен с одной фазой входа 1509. Однако на практике некоторые варианты осуществления используют отдельный второй преобразователь 1506 электроэнергии для каждой из фаз, которые имеются на входе, соответственно. Таким образом, согласно изображенному варианту осуществления, который включает три фазы, отдельный переключатель 1512 соединен с каждой из первой входной линии 1503, второй входной линии 1505 и третьей входной линии 1508, соответственно, при этом переключатель соединяет соответствующую входную линию со вторым преобразователем электроэнергии, который принимает электроэнергию лишь с соответствующей входной линии.
В изображенном варианте осуществления индуктор 1532 и первый переключатель 1546 действуют в качестве положительной вольтодобавочной схемы, а индуктор 1532 и второй переключатель 1548 действуют в качестве отрицательной вольтодобавочной схемы.
Согласно этому варианту осуществления продолжительности включения первого переключателя 1546 и второго переключателя 1548 регулируются таким образом, чтобы потреблялись положительное и отрицательное напряжения, соответственно, с входа 1509 во время фазовых интервалов +/-30° вблизи каждого прохождения через ноль напряжения на входе 1509 для компенсации периодов входного сигнала, во время которых первый преобразователь 1504 электроэнергии не потребляет электроэнергию. В одном варианте осуществления продолжительности включения первого переключателя 1546 и второго переключателя 1548 регулируются контроллером 1652. В дополнительном варианте осуществления контроллер 1652 обеспечивает управление на основе ШИМ. Регулировка продолжительностей включения первого переключателя 1546 и второго переключателя 1548 будет описана более подробно ниже. Благодаря работе первого преобразователя 1504 электроэнергии и второго преобразователя 1506 электроэнергии шины 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока принимают электроэнергию постоянного тока в течение 180-градусных фазовых интервалов каждого полуцикла напряжения на входе 1509 во время нормальной работы ИБП 1500. Кроме того, согласно этому варианту осуществления, ИБП 1500 обеспечивает потребление по существу синусоидального тока из входного источника электроэнергии.
Согласно некоторым вариантам осуществления, осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 предназначена для приема электроэнергии постоянного тока из шин 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока и подачи электроэнергии постоянного тока в батарею 1550 при необходимости зарядки батареи 1550, когда ИБП 1500 принимает достаточно электроэнергии на входе 1509 для удовлетворения потребности присоединенной нагрузки в электроэнергии. В изображенном варианте осуществления осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 работает в качестве вольтопонижающего преобразователя для понижения напряжения, поступающего с шин 1507, 1511 постоянного тока, с целью подачи электроэнергии, требуемой для зарядки батареи 1550. Когда батарея заряжается, первый переключатель 1556 и четвертый переключатель 1562 управляются таким образом, чтобы действовать в качестве вольтопонижающей схемы с индукторами 1552 и 1554, соответственно, а второй переключатель 1558 и третий переключатель 1560 выключены.
Также необходимо понимать, что преимущества уменьшенного размера и уменьшенных потерь, описанные выше применительно к первому преобразователю 1504 электроэнергии и его соединению со второй шиной 1513 постоянного тока и третьей шиной 1515 постоянного тока вместо соединения с нейтральной линией 1510, имеют место также в осуществляющей зарядку батареи/вольтодобавочной схеме 1553. Это возможно потому, что уровень напряжения на положительном полюсе батареи 1550 находится в диапазоне напряжений между напряжениями первой и второй шин 1507, 1513 постоянного тока, а уровень напряжения на отрицательном полюсе батареи 1550 находится в диапазоне напряжений между напряжениями третьей и четвертой шин 1515, 1511 постоянного тока. Таким образом, согласно этому варианту осуществления первый переключатель 1556 и четвертый переключатель 1562 не нуждаются в соединении с нейтральной линией, а вместо этого соединены со второй шиной 1513 постоянного тока через второй диод 1566 и третьей шиной 1515 постоянного тока через третий диод 1568, соответственно.
Необходимо понимать, что соединение первого переключателя 1556 и четвертого переключателя 1562 с шинами 1513, 1515 постоянного тока, соответственно, уменьшает величину разности между максимальным и минимальным напряжениями, которые имеют место на переключателе, например, при переходе из включенного состояния в выключенное состояние. Согласно одному варианту осуществления, когда разность напряжений между первой шиной 1507 постоянного тока и второй шиной 1513 постоянного тока составляет 2/3 напряжения первой шины 1507 постоянного тока относительно нейтрали, потери на переключение для осуществляющей зарядку батареи/вольтодобавочной схемы 1553 снижены на 33% по сравнению с конструкцией, в которой переключатели соединены с нейтральной линией 1510. Также необходимо понимать, что индуктивность индукторов 1552, 1554 может тоже быть уменьшена в результате описанного выше подхода, поскольку индукторы тоже подвергаются действию более узкого диапазона напряжений. Например, если потери на переключение были снижены на 33%, индукторы 1552, 1554 могут тоже быть уменьшены (укорочены) на 33%. Уменьшение индуктивности может также обеспечивать более низкое сопротивление ввиду уменьшенного количества витков в индукторах.
В некоторых вариантах осуществления балансировщик 1571 шин постоянного тока сконфигурирован для балансировки и поддержания желаемых напряжений на шинах 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока путем перемещения энергии, накопленной в конденсаторах 1606, 1608, 1610, 1612, на шины 1507, 1513, 1515, 1511 при необходимости. Согласно некоторым вариантам осуществления работа балансировщика 1571 шин постоянного тока является по существу такой же, что и работа балансировщика 1200 шин постоянного тока, описанная со ссылкой на фигуру 12 выше. Поэтому приводится лишь краткое описание работы балансировщика 1571 шин постоянного тока.
В целом, согласно одному варианту осуществления балансировщик 1571 шин постоянного тока, изображенный на фигуре 15, работает таким образом, что разность напряжений на первом резонаторе (включающем первый индуктор 1596 и первый конденсатор 1598) и втором резонаторе (включающем второй индуктор 1602 и второй конденсатор 1600), предпочтительно, равна приблизительно 1/3 суммарного напряжения постоянного тока между первой шиной 1507 постоянного тока и четвертой шиной 1511 постоянного тока. Кроме того, во время сбалансированной работы балансировщика 1571 шин постоянного тока (например, напряжения на шинах 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока находятся на желаемых уровнях) сигналы, присутствующие в областях 1605, 1609 и 1597, являются по существу прямоугольными. Во время сбалансированной работы перепады напряжения в областях 1605, 1609 и 1597 будут по существу в фазе друг с другом и будут иметь по существу одинаковую амплитуду. Разность напряжений на первом резонаторе (включающем первый индуктор 1596 и первый конденсатор 1598) и втором резонаторе (включающем второй индуктор 1602 и второй конденсатор 1600), предпочтительно, приблизительно равна 1/3 суммарного напряжения постоянного тока между первой шиной 1507 постоянного тока и четвертой шиной 1511 постоянного тока. Конденсаторы 1598 и 1600 сконфигурированы для зарядки до потенциала, имеющего место на резонаторах.
Согласно одному варианту осуществления балансировщик 1571 шин постоянного тока компенсирует несбалансированные напряжения на шинах 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока, используя энергию, накопленную в первом резонаторе (включающем первый индуктор 1596 и первый конденсатор 1598) и втором резонаторе (включающем второй индуктор 1602 и второй конденсатор 1600).
Преобразователь 1613 постоянного тока в переменный ток работает в качестве преобразователя постоянного тока в переменный ток и сконфигурирован для приема электроэнергии постоянного тока из шин 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока и подачи выходного сигнала переменного тока на выход 1642. Работа преобразователя 1613 постоянного тока в переменный ток является по существу такой же, что и работа преобразователя 700 постоянного тока в переменный ток, описанная выше со ссылкой на фигуру 7. Поэтому в настоящем документе приводится лишь краткое описание работы преобразователя 1613 постоянного тока в переменный ток.
Согласно изображенному варианту осуществления преобразователь 1613 постоянного тока в переменный ток принимает электроэнергию постоянного тока от первого преобразователя 1504 электроэнергии или от батареи 1550 через шины 1507, 1511, 1513, 1515. Преобразователь 1613 постоянного тока в переменный ток преобразует электроэнергию постоянного тока в электроэнергию переменного тока путем переключения переключателей 1614, 1616, 1618, 1620, 1622, 1624 в предварительно определенной последовательности. Последовательность, в которой переключатели 1614, 1616, 1618, 1620, 1622, 1624 переключаются, зависит от желаемого выходного сигнала на выходе 1642. В целом, продолжительность включения переключателей 1614, 1616, 1618, 1620, 1622, 1624, которые активно переключаются, варьируется таким образом, что напряжение на выходе 1642 является по существу напряжением переменного тока. Преобразователь 1613 постоянного тока в переменный ток генерирует выходной сигнал переменного тока, имеющий пиковые напряжения, приблизительно равные напряжениям, присутствующим на шинах 1507 и 1511 постоянного тока.
В одном варианте осуществления номинальные напряжения, присутствующие на шинах 1507 и 1511 постоянного тока, регулируются таким образом, что они немного больше, чем пиковая амплитуда входного напряжения на входе 1509. Это может быть сделано для защиты преобразователя 1613 постоянного тока в переменный ток от искажения на входе 1509, вызванного, например, резкими повышениями напряжения или аномально высокими входными напряжениями. В результате пиковое напряжение выходного сигнала переменного тока, генерируемого преобразователем 1613 постоянного тока в переменный ток, может быть немного меньше, чем напряжения, присутствующие на шинах 1507 и 1511 постоянного тока. Описанный выше подход может также позволить ИБП 1500 выдавать электроэнергию с номинальным выходным напряжением, даже когда входное напряжение является аномально высоким. Необходимо понимать, что конфигурация электроэнергии, которая подается на нагрузку, может варьироваться в зависимости от желаемой работы. Например, преобразователь 1613 постоянного тока в переменный ток может обеспечивать одну фазу трехфазного электрического соединения, или, иными словами, подавать электроэнергию, имеющую одну фазу. В одном варианте осуществления продолжительности включения переключателей 1614, 1616, 1618, 1620, 1622, 1624 регулируются контроллером 1658. Согласно одному варианту осуществления контроллер 1658 обеспечивает управление на основе ШИМ.
Согласно некоторым вариантам осуществления, когда электроэнергия переменного тока, подаваемая на вход 1509, не является достаточной для удовлетворения потребностей нагрузки, присоединенной к выходу 1642, электроэнергия из батареи 1550 может использоваться для удовлетворения потребностей присоединенной нагрузки. Согласно одному варианту осуществления может использоваться либо только электроэнергия, подаваемая батареей 1550, либо электроэнергия, подаваемая батареей 1550, в сочетании с электроэнергией, подаваемой на вход.
Работа ИБП 1500 в батарейном режиме описывается в настоящем документе применительно к варианту осуществления, изображенному на фигуре 15. В одном варианте осуществления батарейного режима работы электроэнергия переменного тока, подаваемая на вход 1509, является недостаточной для питания нагрузки, и в результате этого ИБП 1500 подает электроэнергию на выход 1642 из батареи 1550. В этом варианте осуществления первый преобразователь 1504 электроэнергии и второй преобразователь 1506 электроэнергии отделяются от входа 1509 переключателями 1514 и 1512, соответственно. В некоторых вариантах осуществления электромеханическое устройство, такое как реле или переключатель 1512, 1514, используется для отделения входа 1509 от первого и второго преобразователей 1504, 1506 электроэнергии. Согласно другому варианту осуществления один или оба из переключателей 1512 и 1514 включает твердотельные переключатели.
Согласно одному варианту осуществления, когда вход 1509 отделен от первого и второго преобразователей 1504, 1506 электроэнергии, батарея 1550 может быть присоединена к входу первого преобразователя 1504 электроэнергии. В одном варианте осуществления тиристоры 1516, 1518 включаются для соединения первого преобразователя 1504 электроэнергии с батареей 1550. Согласно одному варианту осуществления во время питания от батареи первая часть суммарной электроэнергии постоянного тока, подаваемой на шины 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока, подается из батареи 1550 через первый преобразователь 1504 электроэнергии, а вторая часть суммарной электроэнергии, подаваемой на шины 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока, непосредственно подается осуществляющей зарядку батареи/вольтодобавочной схемой 1553.
В некоторых вариантах осуществления первый преобразователь 1504 электроэнергии работает как вольтодобавочная схема для напряжения батареи, когда ИБП 1500 подает электроэнергию на выход 1642 из батареи 1550. Первый преобразователь 1504 электроэнергии принимает электроэнергию постоянного тока из батареи 1550 через тиристоры 1518, 1516, которые включены, когда ИБП работает на электроэнергии из батареи. Положительная вольтодобавочная схема первого преобразователя 1504 электроэнергии управляется таким образом, чтобы работать в качестве вольтодобавочной схемы и подавать электроэнергию постоянного тока из батареи 1550 в первую шину 1507 постоянного тока и вторую шину 1513 постоянного тока. Отрицательная вольтодобавочная схема первого преобразователя 1504 электроэнергии управляется таким образом, чтобы работать в качестве вольтодобавочной схемы и подавать электроэнергию постоянного тока из батареи 1550 в третью шину 1515 постоянного тока и четвертую шину 1511 постоянного тока. Согласно вышесказанному первый преобразователь 1504 электроэнергии подает первую часть суммарной электроэнергии, подаваемой в шины 1507, 1513, 1515,1511 постоянного тока.
Согласно еще одному варианту осуществления во время работы на электроэнергии от батареи осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 работает как вольтодобавочный преобразователь для повышения напряжения, принимаемого от батареи 1550, и предоставления второй части суммарной электроэнергии, подаваемой в шины 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока. В одном варианте осуществления второй переключатель 1558 работает в вольтодобавочной схеме, включающей первый индуктор 1552, для подачи электроэнергии из батареи 1550 во вторую шину 1513 постоянного тока. Согласно этому варианту осуществления третий переключатель 1560 работает в вольтодобавочной схеме, включающей второй индуктор 1554, для подачи электроэнергии из батареи 1550 в третью шину 1515 постоянного тока. Кроме того, согласно этому варианту осуществления первый переключатель 1556 и четвертый переключатель 1562 выключены во время батарейного режима работы, и электроэнергия из батареи подается в каждую из первой шины 1507 постоянного тока и четвертой шины 1511 постоянного тока через диоды 1564 и 1570, соответственно. Как описано выше, в одном варианте осуществления продолжительности включения переключателей 1556, 1558, 1560, 1562, 1528 регулируются контроллером 1654. В дополнительном варианте осуществления контроллер 1654 обеспечивает управление на основе ШИМ.
Согласно некоторым вариантам осуществления первый преобразователь 1504 электроэнергии обеспечивает более 50% суммарной электроэнергии, подаваемой в шины 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока, а осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 обеспечивает остальную часть суммарной электроэнергии, подаваемой в шины 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока (например, 49%). В одном варианте осуществления первый преобразователь 1504 электроэнергии обеспечивает 70% суммарной электроэнергии, подаваемой в шины 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока, а осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 обеспечивает остальные 30%. Однако необходимо понимать, что соотношение между количеством электроэнергии, подаваемой в шины постоянного тока (и далее на нагрузку) первым преобразователем 1504 электроэнергии, и количеством электроэнергии, подаваемой в шины постоянного тока осуществляющей зарядку батареи/вольтодобавочной схемой 1553, может отличаться от названных выше примеров. Соответственно, в одном варианте осуществления осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 обеспечивает более 50% суммарной электроэнергии, подаваемой в шины 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока, а первый преобразователь 1504 электроэнергии обеспечивает остальную часть суммарной электроэнергии, подаваемой в шины 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока.
Необходимо понимать, что при ограничении доли электроэнергии, подаваемой в шины 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока осуществляющей зарядку батареи/вольтодобавочной схемой 1553, осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 может быть спроектирована для максимально допустимой мощности, которая меньше, чем суммарная мощность, обеспечиваемая ИБП 1500 на выходе 1642. Например, максимально допустимая мощность осуществляющей зарядку батареи/вольтодобавочной схемы 1553 может быть по существу меньше 100% мощности, на обеспечение которой рассчитан ИБП 1500. Например, если осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 сконфигурирована для подачи 30% суммарной электроэнергии, подаваемой в шины 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока, то осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 может быть спроектирована для максимально допустимой мощности, равной 30% максимально допустимой мощности ИБП 1500.
Согласно другим вариантам осуществления ИБП 1500 сконфигурирован для работы в переходном состоянии для возвращения к нормальной работе после работы на электроэнергии батареи, например, когда электроэнергия переменного тока доступна на входе 1509. Согласно одному варианту осуществления переходное состояние включает два интервала. Во время первого интервала электроэнергия, потребляемая из батареи 1550 первым преобразователем 1504 электроэнергии, уменьшается, в то время как электроэнергия, потребляемая из батареи 1550 осуществляющей зарядку батареи/вольтодобавочной схемой 1553, увеличивается. Во время второго интервала электроэнергия, потребляемая с входа 1509 первым и вторым преобразователями 1504, 1506 электроэнергии, увеличивается, в то время как электроэнергия, потребляемая из батареи 1550, уменьшается. В одном варианте осуществления каждый интервал занимает пять секунд, а полный переход занимает десять секунд. Однако продолжительности интервалов могут отличаться друг от друга и могут быть большими или меньшими. Согласно еще одному варианту осуществления первый интервал и второй интервал накладываются друг на друга по меньшей мере частично. Согласно еще одному варианту осуществления первый интервал и второй интервал происходят по существу одновременно.
В одном варианте осуществления ИБП 1500 начинает первый интервал для перехода обратно в нормальный режим из батарейного режима, когда обнаруживается, что электроэнергия переменного тока на входе 1509 является стабильной, а ее напряжение и частота находятся в допустимых пределах. Во время первого интервала первый переключатель 1512 замкнут, и электроэнергия переменного тока потребляется с входа 1509 вторым преобразователем 1506 электроэнергии. Согласно этому варианту осуществления второй переключатель 1514 остается разомкнутым во время первого интервала. Как описано выше, в нормальном режиме работы второй преобразователь 1506 электроэнергии потребляет электроэнергию лишь в периоды вблизи прохождения через ноль входного сигнала. Однако во время первого интервала перехода обратно на потребление электроэнергии переменного тока второй преобразователь 1506 электроэнергии управляется таким образом, что потребляет синусоидальные сигналы тока в течение всего цикла линии. Кроме того, в одном варианте осуществления электроэнергия переменного тока, потребляемая с входа 1509, линейно увеличивается во время первого интервала от нуля до уровня, который покрывает приблизительно 50% суммарной электроэнергии, подаваемой в шины постоянного тока (иными словами, 50% электроэнергии, подаваемой на выход 1642). В то время как электроэнергия переменного тока, потребляемая вторым преобразователем 1506 электроэнергии, увеличивается во время первого интервала, электроэнергия, потребляемая из батареи 1550, уменьшается.
Кроме того, отношение электроэнергии из батареи, подаваемой в шину постоянного тока через первый преобразователь электроэнергии, к электроэнергии, подаваемой в шину постоянного тока через осуществляющую зарядку батареи/вольтодобавочную схему 1553, уменьшается во время первого интервала. В результате в конце первого интервала (например, через 5 секунд) 50% электроэнергии, подаваемой в шины 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока, потребляется с входа 1509 через второй преобразователь 1506 электроэнергии, а остальные 50% потребляются из батареи 1550 через осуществляющую зарядку батареи/вольтодобавочную схему 1553. Во время первого интервала ток, потребляемый первым преобразователем 1504 электроэнергии, может уменьшиться до нуля.
Во время второго интервала тиристоры 1518, 1516 выключены для изоляции батарей от первого преобразователя 1504 электроэнергии, а второй переключатель 1514 замкнут, с тем чтобы позволить первому преобразователю 1504 электроэнергии потреблять электроэнергию переменного тока с входа 1509. Кроме того, амплитуда и форма сигнала электроэнергии переменного тока, потребляемого с входа 1509 первым преобразователем 1504 электроэнергии и вторым преобразователем 1506 электроэнергии, регулируются. Количество электроэнергии, подаваемой с входа переменного тока, увеличивается, а количество электроэнергии постоянного тока, потребляемой из батареи 1550 через осуществляющую зарядку батареи/вольтодобавочную схему 1553, уменьшается. В результате в конце второго интервала (например, еще через 5 секунд) ИБП 1500 находится в стабильном состоянии «нормальный режим» работы, в котором вся требуемая электроэнергия потребляется с входа 1509 первым преобразователем 1504 электроэнергии и вторым преобразователем 1506 электроэнергии так, как было описано выше. Необходимо понимать, что во время описанного выше переходного состояния осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 и второй преобразователь 1506 электроэнергии могут каждый подавать 50% суммарной электроэнергии, подаваемой на выход 1642 ИБП. Тем не менее, согласно некоторым вариантам осуществления, ввиду малой продолжительности перехода из батарейного режима в нормальный режим осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 и второй преобразователь 1506 электроэнергии могут быть рассчитаны на максимально допустимую мощность, которая меньше 50% максимально допустимой выходной мощности ИБП и при этом могут надежно работать во время перехода.
Соответственно, в одном варианте осуществления осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 может быть рассчитана на максимально допустимую мощность, равную или меньшую 50% суммарной требуемой мощности. Например, в одном варианте осуществления осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 имеет максимально допустимую мощность, равную 30-40% максимально допустимой выходной мощности ИБП. Кроме того, второй преобразователь 1506 электроэнергии может быть предназначен для контроля среднеквадратичного тока, вычисляемого из требуемого тока, во время коротких фазовых периодов вблизи прохождения через ноль при полной мощности.
Также необходимо понимать, что максимально допустимая мощность осуществляющей зарядку батареи/вольтодобавочной схемы 1553 может составлять 100% мощности, для подачи которой рассчитан ИБП 1500. Согласно этому варианту осуществления осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 имеет максимально допустимую мощность, равную максимально допустимой мощности всего ИБП 1500. Согласно этому варианту осуществления, вся электроэнергия, подаваемая батареей 1550, может подаваться в шины 1507, 1511, 1513, 1515 постоянного тока через осуществляющую зарядку батареи/вольтодобавочную схему 1553. Далее, согласно этому варианту осуществления не является необходимым подавать электроэнергию из батареи 1550 в шины 1507, 1511, 1513, 1515 постоянного тока через первый преобразователь 1504 электроэнергии. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления первый тиристор 1516 и второй тиристор 1518 не включены в ИБП, т.е. батарея не соединена с входом первого преобразователя 1504 электроэнергии.
Описанный выше подход может также обеспечивать возможность более простого перехода ИБП из батарейного режима в нормальную работу. Например, может использоваться один переходный интервал, в котором электроэнергия, потребляемая с входа 1509 первым и вторым преобразователями 1504, 1506 электроэнергии, возрастает, в то время как электроэнергия, потребляемая из батареи 1550 осуществляющей зарядку батареи/вольтодобавочной схемой 1553, уменьшается. В результате в конце переходного интервала ИБП 1500 находится в стабильном состоянии «нормальный режим» работы, в котором вся требуемая электроэнергия потребляется с входа 1509 первым преобразователем 1504 электроэнергии и вторым преобразователем 1506 электроэнергии способом, описанным выше. Согласно одному варианту осуществления переходный интервал занимает десять секунд; однако продолжительность интервала может варьироваться и может быть большей или меньшей в различных вариантах осуществления.
Согласно еще одному варианту осуществления ИБП может также включать «перегруженный» режим работы, в котором электроэнергия подается в шины постоянного тока как из батареи 1550, так и с входа 1509 для по меньшей мере некоторого уровня перегрузки. Согласно одному варианту осуществления перегруженная работа имеет место, когда мощность, требуемая на выходе 1642, больше, чем максимально допустимая мощность ИБП 1500. Например, в одном варианте осуществления, когда нагрузка требует 150% максимально допустимой мощности ИБП 1500, может быть необходимо ограничить мощность переменного тока на входе 1509 уровнем 130% максимально допустимой мощности ИБП 1500 во избежание срабатывания находящегося выше размыкателя цепи. Остальные 20% могут подаваться батареей 1550 через осуществляющую зарядку батареи/вольтодобавочную схему 1553. Согласно этому варианту осуществления ИБП 1500 может быть сконфигурирован для подачи первой части суммарной требуемой мощности из батареи 1550, а второй части суммарной требуемой мощности с входа 1509. Как было сказано выше, путем подачи электроэнергии на выход 1642 как из батареи 1550, так и с входа 1509 можно ограничить мощность переменного тока, потребляемую из внешнего источника переменного тока на входе 1509, и предотвратить срабатывание устройства защиты схемы, расположенного выше, такого как размыкатель цепи или плавкий предохранитель. В одном варианте осуществления описанный выше подход основан не на максимально допустимой мощности, а на максимально допустимой токовой нагрузке. В этом варианте осуществления на названные выше пределы могут влиять изменения в величине входного напряжения. Например, если напряжение в линии слишком низкое, например, 85% номинала, то мощность, подаваемая с входа переменного тока, может быть ограничена долей 0,85·130%=110,5%, в то время как остальные 39,5% будут обеспечиваться батареей 1550, для поддержания тока в желаемых пределах допустимой токовой нагрузки.
Как было сказано выше, ИБП 1500 может включать управляющие системы, которые генерируют эталонные сигналы для управления работой переключателей в различных секциях ИБП 1500. Эталонные сигналы могут варьироваться в зависимости от того, подает ИБП 1500 электроэнергию на выход исключительно с помощью электроэнергии с входа 1509, исключительно с помощью электроэнергии из батареи 1550, или он находится в переходном состоянии из режима питания от батареи в режим питания от входа переменного тока.
В целом, контроллеры управляют переключателями для копирования различных эталонных сигналов в зависимости от режима ИБП 1500, при этом осуществляется управление каждым отдельным переключателем. Как описано выше применительно к варианту осуществления из фигуры 15, во время нормальной работы ИБП 1500 первый преобразователь 1504 электроэнергии и второй преобразователь 1506 электроэнергии делят между собой нагрузку. Первый преобразователь 1504 электроэнергии потребляет электроэнергию с входа 1509 в 120-градусных интервалах каждого полуцикла, а второй преобразователь 1506 потребляет электроэнергию с входа 1509 в интервалах +/-30° вблизи каждого прохождения через ноль.
Рассмотрим фигуру 16, где показаны графики эталонных сигналов для ИБП 1500 для осуществления разделения нагрузки между первым преобразователем 1504 электроэнергии и вторым преобразователем 1506 электроэнергии согласно одному варианту осуществления. Согласно одному варианту осуществления переходы между первым преобразователем 1504 электроэнергии и вторым преобразователем 1506 электроэнергии, осуществляемые во время разделения нагрузки, выполняются таким образом, чтобы предотвращались скачкообразные изменения в токе, потребляемом из двух вольтодобавочных схем, которые (скачкообразные изменения) иначе могут происходить при каждом переходе.
Согласно некоторым вариантам осуществления описанный выше подход ограничивает стресс, прикладываемый к компонентам ИБП 1500, и повышает точность управления током, потребляемым с входа 1509.
Согласно некоторым вариантам осуществления разделение нагрузки между первым преобразователем 1504 электроэнергии и вторым преобразователем 1506 электроэнергии может иметь место в определенном фазовом интервале, который находится за пределами интервала ±30° вблизи каждого прохождения через ноль. Например, когда сигнал входного тока приближается к прохождению через ноль, ток во втором преобразователе 1506 электроэнергии постепенно увеличивается, начиная за 45° до прохождения через ноль, и управляется таким образом, что за 30° до прохождения через ноль весь ток, требуемый ИБП, проходит через второй преобразователь 1506 электроэнергии. Аналогичным образом, ток во втором преобразователе 1506 электроэнергии постепенно уменьшается в фазовом интервале от 30° до 45° после прохождения через ноль таким образом, что ток во втором преобразователе 1506 электроэнергии равен нулю через 45° после прохождения через ноль.
Во время этих интервалов переноса нагрузки на второй преобразователь 1506 электроэнергии ток в первом преобразователе электроэнергии управляется таким образом, что сумма токов, потребляемых первым преобразователем 1504 электроэнергии и вторым преобразователем 1506 электроэнергии, при любых фазовых углах равна суммарному желаемому синусоидальному входному току. Необходимо понимать, что в других вариантах осуществления постепенное увеличение и уменьшение тока может происходить в более или менее широком интервале, чем 15°, как в описанном выше примере. Кроме того, кривая увеличения или уменьшения токов во время определенного фазового интервала может быть линейной (например, треугольной) или синусоидальной.
Продолжим рассмотрение фигуры 16. Эталонный сигнал 1702, генерируемый контроллерами 1650 и 1652, иллюстрирует желаемый суммарный входной ток, потребляемый ИБП 1500 на входе 1509. В изображенном варианте осуществления эталонный сигнал 1702 представляет собой синусоидальный сигнал.
В еще одном варианте осуществления эталонный сигнал 1702 синхронизирован с входным напряжением на входе 1509 с помощью системы фазовой автоподстройки частоты, а его амплитуда контролируется регулятором напряжения шины постоянного тока, который поддерживает желаемый уровень напряжения в шинах 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока. Если величина напряжений в шинах постоянного тока уменьшается, входной ток на входе 1509 может быть увеличен для подачи большего количества электроэнергии на шины 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока. И, наоборот, если величина напряжений в шинах постоянного тока увеличивается, входной ток на входе 1509 может быть уменьшен для подачи меньшего количества электроэнергии на шины 1507, 1513, 1515, 1511 постоянного тока.
Сигнал 1704 иллюстрирует еще один эталонный сигнал согласно одному варианту осуществления. Согласно этому варианту осуществления синусоидальный сигнал 1704 иллюстрирует синусоидальный сигнал, имеющий частоту, в 12 раз превышающую частоту входного тока. Кроме того, сигнал 1704 в изображенном варианте осуществления включает смещение постоянной составляющей, что обеспечивает сигнал с величиной, которая изменяется от 0 до 1. В еще одном варианте осуществления сигнал 1704 также является функцией фазового угла и синхронизирован с входным напряжением на входе 1509 посредством системы фазовой автоподстройки частоты, например, с умножением частоты эталонного сигнала 1702. Соответственно, сигнал 1704 может иметь такую частоту, что он находится на пике (величина равна 1) во время каждого прохождения через ноль и каждого пика эталонного сигнала 1702.
Согласно одному варианту осуществления имеется сигнал 1706, который имеет величину +1 в предварительно определенной области вблизи прохождений через ноль эталонного сигнала 1702 (и в точке прохождения через ноль). Например, в изображенном варианте осуществления сигнал 1706 имеет величину +1 в области от +30° до -30° вблизи каждого прохождения через ноль эталонного сигнала 1702, например, во время фазовых интервалов 1705. В других фазовых интервалах сигнал 1706 имеет величину, равную нулю. В еще одном варианте осуществления константа, имеющая величину более нуля, но отличная от +1, используется в фазовых интервалах 1705. Согласно изображенному варианту осуществления во время других фазовых интервалов 1707 сигнал 1706 при переходе между величиной 0 и величиной 1 копирует сигнал 1704. Например, фазовые интервалы 1707 могут быть предусмотрены для получения такого сигнала 1706, который переходит между 1 и 0 способом, отличным от скачкообразного. Соответственно, в одном варианте осуществления сигнал 1706 является функцией фазового угла и синхронизирован с входным напряжением на входе 1509 посредством системы фазовой автоподстройки частоты. Описанный выше результат может быть обеспечен путем, например, использования сигнала 1704, по меньшей мере, отчасти, для генерации сигнала 1706.
Согласно одному варианту осуществления контроллер 1652 умножает сигнал-множитель 1706 на эталонный сигнал 1702 для генерации эталонного сигнала 1708 для второго преобразователя 1506 электроэнергии. Эталонный сигнал 1708 для второго преобразователя 1506 электроэнергии иллюстрирует сигнал, который определяет, когда второй преобразователь 1506 электроэнергии потребляет ток с входа 1509. Согласно одному варианту осуществления сигнал 1706 представляет собой множитель эталонного сигнала тока для второго преобразователя 1506 электроэнергии. Например, сигнал 1706 может быть умножен на эталонный сигнал 1702 для получения эталонного сигнала 1708, а эталонный сигнал 1708 используется в управлении вторым преобразователем 1506 электроэнергии. В еще одном варианте осуществления ток не потребляется вторым преобразователем 1506 электроэнергии, когда сигнал 1706 имеет величину 0. И, наоборот, 100% желаемого входного тока потребляется вторым преобразователем 1506 электроэнергии, когда сигнал 1706 имеет величину 1. Когда эталонный сигнал 1708 имеет величину между 0 и 1, некоторая часть суммарного входного тока ИБП 1500 потребляется вторым преобразователем 1506 электроэнергии.
В варианте осуществления, изображенном на фигуре 16, ток во втором преобразователе 1506 электроэнергии постепенно увеличивается (в положительном или отрицательном направлении), начиная за 45° (точка 1709) до прохождения через ноль, и управляется таким образом, чтобы достичь требуемого уровня за 30° (точка 1710) до прохождения через ноль. Аналогичным образом, ток во втором преобразователе 1506 электроэнергии постепенно уменьшается (в положительном или отрицательном направлении), начиная с 30° (точка 1712) после прохождения через ноль, и управляется таким образом, чтобы достичь требуемого уровня через 45° (точка 1714) после прохождения через ноль.
Согласно еще одному варианту осуществления сочетание эталонного сигнала 1716 для первого преобразователя 1504 электроэнергии и эталонного сигнала 1708 для второго преобразователя 1506 электроэнергии дает в результате эталонный сигнал 1702. Например, контроллер 1650 может вычитать эталонный сигнал 1708 для второго преобразователя 1506 электроэнергии из эталонного сигнала 1702 с целью генерации эталонного сигнала 1716 для первого преобразователя 1504 электроэнергии. Эталонный сигнал 1716 для первого преобразователя 1504 электроэнергии иллюстрирует сигнал, который определяет, когда второй преобразователь 1506 электроэнергии потребляет ток с входа 1509. Эталонный сигнал 1716 обеспечивает, что первый преобразователь 1504 электроэнергии потребляет электроэнергию с входа 1509 во время частей эталонного сигнала 1702, не используемых эталонным сигналом 1708 для второго преобразователя 1506 электроэнергии.
Как описано выше, в одном варианте осуществления переходы между работой ИБП с первым преобразователем 1504 электроэнергии и работой ИБП со вторым преобразователем 1506 электроэнергии может осуществляться без использования ступенчатого изменения в работе этих двух преобразователей электроэнергии. Например, когда ток на входе 1509 ИБП 1500 приближается к прохождению через ноль, ток во втором преобразователе 1506 электроэнергии может постепенно увеличиваться, начиная за 45° до прохождения через ноль, и управляется таким образом, чтобы достигать требуемого уровня за 30° до прохождения через ноль. Аналогичным образом, ток во втором преобразователе 1506 электроэнергии может постепенно уменьшаться в фазовом интервале от 30° до 45° после прохождения через ноль таким образом, что через 45° после прохождения через ноль ток во втором преобразователе 1506 достигает нуля.
Согласно одному варианту осуществления контроллер 1650 комбинирует положительные части 1713 эталонных сигналов для первого преобразователя 1504 электроэнергии от трех разных фаз (L1, L2, L3) трех входных линий 1503, 1505, 1508. Комбинированные положительные части 1713 эталонных сигналов иллюстрируют сигнал, который определяет, когда положительная вольтодобавочная схема первого преобразователя 1504 электроэнергии потребляет электроэнергию с входа 1509. Контроллер 1650 комбинирует отрицательные части 1715 эталонных сигналов для первого преобразователя 1504 электроэнергии от трех разных фаз (L1, L2, L3) трех входных линий 1503, 1505, 1508. Комбинированные отрицательные части 1715 эталонных сигналов иллюстрируют сигнал, который определяет, когда отрицательная вольтодобавочная схема первого преобразователя 1504 электроэнергии потребляет электроэнергию с входа 1509. Далее, согласно некоторым вариантам осуществления, отдельные сигналы, соответствующие сигналам 1704 и 1706, используются для каждой фазы многофазного входа 1509, соответственно, для генерации сигнала, соответствующего эталонному сигналу 1708, который варьируется по фазе от фазы к фазе, например, на 120° в трехфазной системе.
В батарейном режиме работы эталонные сигналы, используемые для управления осуществляющей зарядку батареи/вольтодобавочной схемой 1553, могут представлять собой эталонные сигналы постоянного тока. В одном варианте осуществления, когда осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 работает в качестве вольтодобавочной схемы, эталонные сигналы генерируются регулятором напряжения шины постоянного тока, а когда осуществляющая зарядку батареи/вольтодобавочная схема 1553 работает в качестве зарядного устройства, эталонные сигналы генерируются отдельным регулятором напряжения зарядки.
В некоторых вариантах осуществления ИБП 1500 из фигуры 15 может использовать модульную топологию для одного или более из преобразователей электроэнергии, например, как в целом изображено на фигуре 1. Согласно одному варианту осуществления второй преобразователь 1506 электроэнергии включает множество преобразователей электроэнергии, каждый из которых соединен с одной фазой многофазного входа переменного тока, соответственно. Далее, каждый из вторых преобразователей электроэнергии включает выход, соединенный с каждой из шин 1507, 1511, 1513 и 1515 постоянного тока.
Хотя настоящее раскрытие описывает совместно расположенные устройства (например, переключатель и диод, соединенные параллельно), могут использоваться и другие схемы. Например, может быть использована схема, сконфигурированная для предоставления возможности току течь в первом направлении по существу беспрепятственно, и при этом сконфигурированная для контроля тока в направлении, противоположном первому направлению.
Выше было приведено описание нескольких аспектов по меньшей мере одного варианта осуществления настоящего изобретения. Однако необходимо понимать, что различные изменения, модификации и улучшения будут с легкостью предложены специалистами в данной области. Такие изменения, модификации и улучшения следует рассматривать как часть настоящего раскрытия и следует считать их входящими в сущность и объем изобретения. Соответственно,
вышеприведенное описание и чертежи являются лишь примерами.