СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЗЕРВИРОВАННЫМИ МОДУЛЯМИ ИСТОЧНИКА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ
METHOD OF CONTROL OVER UNINTERRUPTED POWER SOURCE REDUNDANT MODULES

Изобретение относится к технике преобразования электрической энергии и может быть использовано в устройствах и системах бесперебойного питания переменного тока, а также в устройствах автоматики и измерительной техники.
Известны источники бесперебойного питания, в которых выходные инверторы соединены параллельно, а их выходные токи суммируют. В качестве первого, ведущего используют инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией, выходное напряжение которого фильтруют с помощью фильтра, например Г-образного [1]. Несущую частоту широтно-импульсного преобразования электрической энергии ведомых, то есть второго, третьего и так далее инверторов, выбирают меньше, чем у первого. Для управления вторым, третьим, четвертым и так далее инверторами используют сигнал выходного тока первого инвертора. Коэффициенты передачи ведомых инверторов по току задают посредством соответствующей глубины отрицательной обратной связи по току.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ управления параллельно соединенными одинаковыми модулями [2], выходные токи которых суммируют. Основой модулей являются одинаковые инверторы, один из которых работает в режиме ведущего и является усилителем напряжения, а остальные - в режиме ведомых. Управление ведомыми инверторами - усилителями тока производится посредством выходного тока ведущего инвертора. Задают режимы работы модулей путем переключения сигналов управления без коммутации силовых входов и выходов модулей. Такое управление позволяет изменять режимы работы модулей и, в случае аварии одного из них, его отключают, а нагрузка и функции распределяются на оставшиеся модули в соответствии с технологией «горячего» резервирования. Несущие частоты широтно-импульсной модуляции модулей одинаковы.
Решение задачи - повышение надежности источника бесперебойного питания и качества выходного напряжения - состоит в том, что в качестве ведущих используют несколько модулей, соединенных параллельно. Выходные токи инверторов ведущих модулей выравнивают путем введения цепи обратной связи по разности между суммарным током ведущих инверторов, деленных на их число, и собственным выходным током ведущего инвертора. Управление ведомыми инверторами - усилителями тока производят с помощью суммарного тока ведущих инверторов. В случае отказа одного из модулей он отключается от выходной шины, а нагрузка перераспределяется на оставшиеся модули.
Техническим результатом заявляемого решения является повышение надежности модульного источника бесперебойного питания с выходом на переменном токе и качества выходного напряжения в результате отсутствия переключений. Одновременно появляется дополнительная возможность, в случае необходимости, применить в качестве ведущих модули с более высокочастотными инверторами.
Сущность предлагаемого способа управления состоит в том, что в источнике бесперебойного питания используется несколько ведущих модулей, в инверторах которых главной является обратная связь по напряжению. Выходные токи инверторов ведущих модулей суммируют и делят на число работающих ведущих модулей, а частное от деления сравнивают с выходным током каждого инвертора, разность подают на вход инвертора как дополнительную обратную связь. Таким образом, выравнивают выходные токи ведущих инверторов. Сигнал суммарного выходного тока ведущих инверторов подают на входы каждого из инверторов ведомых модулей, в которых главной является обратная связь по току.
На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - диаграммы напряжений и токов, поясняющие заявляемый способ управления параллельно соединенными модулями при отказе ведущего и ведомого модуля.
Устройство для осуществления предлагаемого способа управления параллельно соединенными модулями источника бесперебойного питания (фиг. 1) содержит первый модуль 1, а также второй модуль 2 и n-й модуль, работающие в режиме ведущего. В режиме ведомых работают модули 3, 4 и k-й. Все ведущие модули одинаковы и содержат выпрямительно-зарядное устройство 5, батарею аккумуляторов 6 с конвертором, устройство управления и генератор задающего сигнала 7, сумматор 8, устройство вычитания 9 и инвертор 10. Для измерения выходного тока в составе модуля имеется датчик тока 11, а для отключения модуля от нагрузки источника бесперебойного питания в нем содержится выключатель 12.
Модули 1, 2,…, n ведущего типа одинаковы, то есть каждый (например, модуль 2 на фиг. 1) ведущий модуль, также как и первый модуль, содержит генератор задающего сигнала 13, датчик тока 14 и выключатель 15. С помощью устройства суммирования 16 выходные токи ведущих модулей суммируются, а сумма делится на количество ведущих модулей.
Модули 3, 4 и k ведомого типа также одинаковы. Ведомый модуль 3 содержит выпрямительно-зарядное устройство 17, батарею аккумуляторов 18 с конвертором, сумматор 19 и инвертор 20. В выходной цепи ведомого модуля имеется датчик тока 21 и выключатель 22.
Выходы всех модулей объединены и подключены к нагрузке 23.
1
3
На фиг. 2 показаны процессы широтно-импульсного преобразования электрической энергии напряжения 450 В постоянного тока в напряжение 220 В переменного синусоидального тока, с частотой 50 Гц. Источник бесперебойного питания содержит четыре модуля: два ведущих и два ведомых. Несущая частота широтно-импульсной модуляции в данном примере для всех модулей равна 3,33 кГц. Здесь же иллюстрируются процессы аварийного отключения в момент времени t одного из ведомых модулей (третьего). Одновременно на фиг. 2 показаны процессы при включении вместо отказавшего дополнительного ведомого модуля в момент времени t. На фигуре приведены диаграммы: 24 - выходные импульсы напряжения инвертора первого ведущего модуля; 25 - выходные импульсы напряжения инвертора второго ведущего модуля; 26 и 27 - выходные импульсы напряжения инверторов ведомых модулей (3 и 4 соответственно), а также кривая 28 выходного напряжения источника бесперебойного питания.
2
4
На тех же диаграммах изображены процессы аварийного отключения в момент t одного из ведущих модулей (первого). Одновременно на фигуре показаны процессы при включении вместо отказавшего дополнительного ведущего модуля в момент времени t. В нижней части фигуры 2 (нижней полуплоскости) на той же временной шкале показаны кривые: 29 - выходного тока инвертора первого ведущего модуля; 30 - выходного тока инвертора второго ведущего модуля; 31 и 32 - выходные токи инверторов ведомых модулей (3 и 4 соответственно), а также кривая 33 выходного тока источника бесперебойного питания.
Способ управления параллельно соединенными модулями источника бесперебойного питания осуществляется следующим образом. С помощью ведущих модулей производится генерирование напряжения заданной формы и величины. Посредством ведомых модулей осуществляется генерирование токов соответствующих задающему сигналу выходного тока ведущих модулей и собственного коэффициента передачи каждого ведомого модуля. При параллельном соединении выходов модулей выходной ток ведущих модулей можно снизить до относительно малой величины, обусловленной функциями фильтрации выходного напряжения и обеспечения статических и динамических характеристик источника бесперебойного питания. Поэтому выходные токи ведомых модулей обеспечивают практически всю выходную мощность источника бесперебойного питания и при равенстве коэффициентов передачи по току оказываются практически равными.
Задающий сигнал (фиг. 1), в данном случае синусоидальный, в цифровой или аналоговой форме генерируется в устройствах управления 7 и 13 каждого из ведущих модулей. Задающий сигнал генератора устройства управления 7 подается на вход широтно-импульсного инвертора 10 через сумматор 8. Генераторы ведущих модулей синхронизируются через шину данных между собой и с частотой внешней электросети. С помощью сумматора 8 из задающего сигнала производится вычитание сигнала выходного напряжения главной обратной связи инвертора и сложение с сигналом разности токов, получаемого с помощью устройства вычитания 9. Разность находится между сигналом тока, равным частному от деления суммы выходных токов ведущих инверторов, полученных с помощью устройства суммирования 16, на их число и сигналом выходного тока данного инвертора. Сигнал, подсчитанный в результате суммирования выходных токов ведущих инверторов и деления в сумматоре 16, равен задающему значению выходных токов модулей. Если выходной ток ведущего модуля превышает задающее значение, то отрицательный сигнал разности токов приводит к уменьшению выходного тока (напряжения) модуля и – наоборот- в случае недостаточности выходного тока, положительный сигнал разности приводит к возрастанию выходного тока модуля.
Для управления инверторами модулей 3, 4,…, k, работающими в режиме ведомого в качестве управляющего сигнала используется суммарный сигнал выходных токов ведущих модулей 1, 2,…, n (фиг. 1), который получают с помощью устройства суммирования 16. Главной в инверторах ведомых модулей является отрицательная обратная связь по выходному току, которая образуется с помощью датчика 21 модуля 3, а также аналогичных датчиков остальных модулей. Таким образом, инверторы ведомых модулей являются широтно-импульсными усилителями тока и допускают параллельной соединение выходов.
1
1
На фиг. 2 изображены процессы в модульном источнике бесперебойного питания при отказе в момент времени t одного из ведомых модулей (в данном случае модуля 3). С помощью кривой 31 показано, что в момент времени t выходной ток отключившегося модуля 3 (фиг. 1) скачком снижается до нуля. Вследствие этого происходит скачкообразное увеличение токов 29, 30 (всех) ведущих первого и второго модулей. Затем токи 29, 30 снижаются по мере увеличения тока 32 оставшихся ведомых модулей (в данном случае модуля 4). В результате ток(и) 32 оставшихся ведомых модулей увеличивается на величину выходного тока отказавшегося модуля.
3
В момент времени t устанавливается новый ведомый модуль, что приводит к восстановлению величин токов 31 и 32 ведомых модулей. Описанные выше авария и восстановление ведомого модуля приводит к незначительным отклонениям формы выходных напряжения 28 и тока 33 источника бесперебойного питания.
2
2
Процессы в модульном источнике бесперебойного питания в случае отказа в момент времени t одного из ведущих модулей (в данном случае модуля 1) изображены на фиг. 2. С помощью кривой 29 показано, что в момент времени t выходной ток отключившегося модуля 1 (фиг. 1) скачком снижается до нуля. Вследствие этого происходит скачкообразное увеличение (фиг. 2) тока 30 (всех) оставшегося ведущего модуля 2. После восстановления ведущего модуля 1 величины токов 29 и 30 выравниваются и возвращаются к штатной величине. Описанные авария и восстановление ведущего модуля приводит к незначительным отклонениям формы выходных напряжения 28 и тока 33 источника бесперебойного питания.
Ведущие модули источника бесперебойного питания обеспечивают высокие качественные характеристики выходного напряжения и имеют более сложное в сравнении с ведомыми построение, но малую мощность. Частота широтно-импульсной модуляции ведущих модулей может быть выбрана значительно выше, чем у ведомых, что приводит к значительному повышению динамических показателей источника и формы его выходного напряжения.
Разделение модулей на ведущие и ведомые (подчиненный принцип управления модулями) позволяет добиться высоких динамических и нагрузочных характеристик источника бесперебойного питания. А использование нескольких ведущих модулей, построенных по равнозначному (демократическому) принципу управления, делает возможным повышение надежности всех основных узлов и источника бесперебойного питания в целом.
Предлагаемый способ управления позволяет задать конфигурацию и повысить надежность источника бесперебойного питания на основе нескольких модулей (источников), среди которых два (один ведущий и один ведомый) избыточны. Цифровая система управления многомодульного источника бесперебойного питания также может быть построена с дублированием шин и контроллеров. В результате при отказе одного из модулей (любого) последний отключается по команде собственного контроллера или в результате срабатывания предохранителя, а источник бесперебойного питания сохраняет свою работоспособность.
Источники информации
1. Гейтенко А.Е., Гейтенко Е.Н., Неганов В.А. Патент на изобретение №2375809. Способ управления параллельно соединенными инверторами. 10.12.2009 г.
2. Гейтенко Е.Н, Гейтенко А.Е., Осипов О.В. Патент на изобретение RU №2502181. Способ управления параллельно соединенными модулями источника бесперебойного питания. 20.12.13.