ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

Полезная модель относится к области преобразовательной техники и может найти применение в качестве источника бесперебойного питания нагрузок постоянного и переменного тока.
Известен источник бесперебойного питания, общая структура которого включает в себя входной фильтр, зарядное устройство, инвертор, аккумуляторную батарею, блок коммутации, стабилизатор (см. ж. Электронные компоненты, №7, 2003 г., статья «Топология источников бесперебойного питания переменного тока (ИБП)», авторы В.Климов, А.Портнов, В.Зуенко, рис.1 Общая структура ИБП резервного типа).
Наиболее близким техническим решением к предложенной полезной модели является источник бесперебойного питания, общая структура которого включает в себя входной фильтр, стабилизатор, блок коммутации, двунаправленный преобразователь напряжения, аккумуляторную батарею, (см. ж. Электронные компоненты, №7, 2003 г., статья «Топология источников бесперебойного питания переменного тока (ИБП)», авторы В.Климов, А.Портнов, В.Зуенко, рис.4 Общая структура линейно-интерактивного ИБП).
Все известные источники бесперебойного питания включают в свои структуры различные системы автоматического управления.
В отличие от резервного источника бесперебойного питания в прототипе присутствует двунаправленный преобразователь напряжения, выполняющий как функцию инвертора, так и функции зарядного устройства.
Основными недостатками известных источников бесперебойного питания являются конечное время переключения нагрузки с сети на инвертор и наоборот, а также возникновение нежелательных переходных процессов выходного напряжения при переключениях с сети на инвертор и наоборот, при этом также необходимо отметить, что блок коммутации является
наиболее ответственным местом, от работы которого зависит обеспечение надежности всего источника бесперебойного питания, так как при переходе источника бесперебойного питания в автономный режим этот блок должен обеспечить четкое отключение инвертора от сетевого источника, обладающего малым внутренним сопротивлением, а в противном случае инвертор оказывается замкнутым накоротко и выходит из строя.
Технический результат полезной модели заключается в отсутствии перерыва питания нагрузок переменного тока при пропадании напряжения сети и повышении надежности работы источника бесперебойного питания, а также в расширении функциональных возможностей и унификации предлагаемого источника бесперебойного питания.
Технический результат достигается тем, что в источнике бесперебойного питания, содержащем блок коммутации, стабилизатор переменного напряжения, двунаправленный преобразователь переменного напряжения в постоянное, постоянного в переменное, аккумуляторную батарею, систему автоматического управления и нагрузки постоянного и переменного тока, блок коммутации выполнен в виде тиристорного ключа, вход которого подключен непосредственно к клемме сети, а выход через дополнительно введенный датчик переменного тока - к входу стабилизатора переменного напряжения, выход которого подключен к нагрузке переменного тока и к входу/выходу переменного напряжения двунаправленного преобразователя, а вход/выход постоянного тока двунаправленного преобразователя подключен к нагрузке постоянного тока и через дополнительно введенный датчик постоянного тока - к аккумуляторной батарее, при этом система автоматического управления содержит блок управления тиристорным ключом, вход синхронизации которого подключен к первому входу систему автоматического управления, который, в свою очередь, подключен к клемме сети, а вход управления
блока управления тиристорного ключа соединен с первым выходом блока задания режимов работы, вход блока контроля сети подключен к первому входу системы автоматического управления, а выход - к первому входу блока задания режимов работы, первый и второй входы датчика фазы подключены, соответственно, к первому и второму входам системы автоматического управления, причем второй вход системы автоматического управления подключен к второму выходу датчика переменного тока, выход датчика фазы подключен к второму входу блока задания режимов работы, а третий вход блока задания режимов работы подключен к четвертому входу системы автоматического управления, который, в свою очередь, подключен к второму выходу датчика постоянного тока, четвертый вход блока задания режимов работы подключен к пятому входу системы автоматического управления, который соединен с ее шестым входом и входом/выходом постоянного тока двунаправленного преобразователя, при этом задающий генератор, вход синхронизации которого подключен к первому входу системы автоматического управления, а выход - к нормально-разомкнутому контакту быстродействующего электронного переключающего ключа, нормально-замкнутый контакт которого подключен к третьему входу системы автоматического управления, подключенному к выходу стабилизатора переменного напряжения, а переключающий контакт быстродействующего электронного переключающего ключа, вход управления которого соединен с четвертым выходом блока задания режимов работы, подключен к входу регулятора амплитуды опорного сигнала, выход которого подключен к входу регулятора фазы опорного сигнала, а его выход соединен с первым входом формирователя управления двунаправленного преобразователя, второй вход которого подключен к шестому входу системы автоматического управления, а выход - к четвертому выходу системы автоматического управления, соединенному с входом управления двунаправленного преобразователя, причем управляющие входы регуляторов амплитуды и фазы опорного сигнала
подключены, соответственно, к пятому и третьему выходам блока задания режимов работы, при этом второй выход которого подключен к третьему выходу системы автоматического управления, соединенному с входом управления стабилизатора переменного напряжения, а первый и второй выходы блока управления тиристорного ключа подключены, соответственно, к первому и второму выходам системы автоматического управления и входам управления тиристорного ключа.
На чертежах фиг.1 показана блок-схема предлагаемой полезной модели - источника бесперебойного питания; фиг.2а - принципиальная схема одного из известных вариантов двунаправленного преобразователя, на фиг.2б - векторная диаграмма токов и напряжений двунаправленного преобразователя.
Источник бесперебойного питания содержит тиристорный ключ 1, датчик переменного тока 2, стабилизатор переменного напряжения 3, двунаправленный преобразователь 4 переменного напряжения в постоянное, постоянного в переменное, датчик постоянного тока 5, аккумуляторную батарею 6, систему автоматического управления 7 и нагрузки постоянного 8 и переменного 9 тока. При этом вход тиристорного ключа 1 подключен непосредственно к клемме 10 сети, а выход через датчик переменного тока 2 - к входу стабилизатора переменного напряжения 3, выход которого подключен к нагрузке 9 переменного тока и к входу/выходу переменного напряжения двунаправленного преобразователя 4, а вход/выход постоянного тока двунаправленного преобразователя 4 подключен к нагрузке 8 постоянного тока и через датчик постоянного тока 5 к аккумуляторной батарее 6.
Система автоматического управления 7 включает в себя блок управления тиристорным ключом 11, блок задания режимов работы 12, блок контроля сети 13, датчик фазы 14, задающий генератор 15, быстродействующий электронный переключающий ключ 16, регуляторы
амплитуды 17 и фазы 18 опорного сигнала, формирователь управления двунаправленного преобразователя 19.
В системе автоматического управления 7 вход синхронизации блока управления тиристорным ключом 11 подключен к первому входу системы автоматического управления 7, соединенному с клеммой 10 сети, а вход управления блока управления тиристорного ключа 11 подключен к первому выходу блока задания режимов работы 12. Вход блока контроля сети 13 подключен к первому входу системы автоматического управления 7, а выход - к первому входу блока задания режимов работы 12. Первый и второй входы датчика фазы 14 подключены, соответственно, к первому и второму входам системы автоматического управления 7, причем второй вход системы автоматического управления 7 подключен к второму выходу датчика переменного тока 2. Выход датчика фазы 14 подключен к второму входу блока задания режимов работы 12, а третий вход блока задания режимов работы 12 подключен к четвертому входу системы автоматического управления 7, который, в свою очередь, подключен к второму выходу датчика постоянного тока 5. Четвертый вход блока задания режимов работы 12 подключен к пятому входу системы автоматического управления 7, который соединен с ее шестым входом и входом/выходом постоянного тока двунаправленного преобразователя 4. Вход синхронизации задающего генератора 15 подключен к первому входу системы автоматического управления 7, а выход - к нормально-разомкнутому контакту быстродействующего электронного переключающего ключа 16. Нормально-замкнутый контакт быстродействующего электронного переключающего ключа 16 подсоединен к третьему входу системы автоматического управления 7, подключенному к выходу стабилизатора переменного напряжения 3.
При этом переключающий контакт быстродействующего электронного переключающего ключа 16, вход управления которого соединен с четвертым выходом блока задания режимов работы 12, подключен к входу регулятора
амплитуды опорного сигнала 17, выход которого подключен к входу регулятора фазы опорного сигнала 18. Выход регулятора фазы опорного сигнала 18 соединен с первым входом формирователя управления двунаправленного преобразователя 19, второй вход которого подключен к шестому входу системы автоматического управления 7. Выход формирователя управления двунаправленного преобразователя 19 подключен к четвертому выходу системы автоматического управления 7, соединенному с входом управления двунаправленного преобразователя 4.
При этом управляющие входы регуляторов амплитуды 17 и фазы 18 опорного сигнала подключены, соответственно, к пятому и третьему выходам блока задания режимов работы 12. Второй выход блока задания режимов работы 12 подключен к третьему выходу системы автоматического управления 7, соединенному с входом управления стабилизатора переменного напряжения 3. Первый и второй выходы блока управления тиристорного ключа 11 подключены, соответственно, к первому и второму выходам системы автоматического управления 7 и входам управления тиристорного ключа 1.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом.
Напряжение сети с клеммы 10, подключенной к входу тиристорного ключа 1 и к первому входу системы автоматического управления 7, подается на вход синхронизации блока управления тиристорным ключом 11 и на вход блока контроля сети 13. С выхода блока контроля сети 13 сигнал о величине напряжения сети подается на первый вход блока задания режимов работы 12. Если напряжение сети находится в рабочем диапазоне, на первом выходе блока задания режимов работы 12 появляется сигнал, поступающий на вход управления блока управления тиристорным ключом 11 и разрешающий подачу импульсов управления на тиристорный ключ 1, причем импульс управления в цепь управления первого тиристора со второго выхода блока управления тиристорным ключом 11 подается в течение положительного полупериода напряжения сети, а в цепь управления второго тиристора
тиристорного ключа 1 импульс управления подается в течение отрицательного полупериода напряжения на клемме 10 с первого выхода блока управления тиристорным ключом 11. Первый и второй тиристоры тиристорного ключа 1 начинают включаться. Напряжение сети с клеммы 10 через тиристорный ключ 1, датчик переменного тока 2, стабилизатор переменного напряжения 3 подается на нагрузку переменного тока 9 и вход/выход переменного тока двунаправленного преобразователя 4.
На чертеже фиг.2а показана одна из возможных схем двунаправленного преобразователя 4, включающая в себя аккумуляторную батарею 20, сглаживающий дроссель 21, накопительный конденсатор 22, однофазный инвертор напряжения на транзисторах 23, 24, 25, 26, дроссель фильтра 27, одновременно выполняющий роль балластной индуктивности, конденсатор фильтра 28, нагрузку переменного тока 29 и источник переменного синусоидального напряжения 30, например, сеть.
Напряжение аккумуляторной батареи 20 выбирается выше наибольшего значения амплитуды источника переменного синусоидального напряжения 30. На фиг.2б приведена векторная диаграмма работы схемы, показанной на фиг.2а, и поясняющая работу двунаправленного преобразователя 4. На чертеже фиг.2б вектор  отображает напряжение источника напряжения 30, вектор напряжения  - напряжение основной гармоники напряжения однофазного инвертора напряжения на транзисторах 23, 24, 25, 26, формируемого одним из методов синусоидальной широтноимпульсной модуляции. Высокочастотные составляющие токов и напряжений инвертора, управляемого методом широтноимпульсной модуляции подавляются со стороны постоянного тока накопительным конденсатором 22 и сглаживающим дросселем 21, со стороны переменного тока - дросселем фильтра 27 и конденсатором фильтра 28. Очевидно, что если векторы  и  равны по амплитуде и совпадают по фазе напряжение на дросселе фильтра 27, вектор , отсутствует. Если вектор  сдвинуть по фазе на угол φ в сторону опережения (см. фиг.2б)
относительно вектора , на индуктивность дросселя фильтра 27 появляется напряжение, вектор , равный разнице векторов . В цепи начинает протекать ток, вектор , сдвинутый на 90 градусов в сторону отставания относительно вектора . В зависимости от амплитуды вектора , вектора , , , на дросселе фильтра 27 присутствуют напряжения вектора , , , а в цепи протекают токи, вектора , , . При этом ток  опережает вектор  по фазе, вектор  совпадает с вектором  по фазе, а вектор  отстает.
Таким образом, источник напряжения 30 питает нагрузку переменного тока 29, отдает активную мощность однофазному инвертору напряжения на транзисторах 23, 24, 25, 26, работающему в выпрямительном режиме и заряжающему аккумуляторную батарею 20 (см. фиг.2а), обменивается с однофазным инвертором напряжения реактивной мощностью, причем однофазный инвертор напряжения может выступать как в роли емкости (ток ), так и в роли индуктивности (ток ), компенсируя реактивную мощность нагрузки 29.
Двунаправленный преобразователь 4 (фиг.1) при подаче на его вход/выход переменного тока напряжения с выхода стабилизатора переменного напряжения 3 начинает работать в выпрямительном режиме, питая нагрузку постоянного тока 8, и через датчик постоянного тока 5 заряжает аккумуляторную батарею 6. При этом он компенсирует реактивную мощность нагрузки переменного тока 9 и поддерживает нулевой фазовый сдвиг между напряжением и током, потребляемым от сети. Достигается это следующим образом. На управляющий вход двунаправленного преобразователя 4 с четвертого выхода системы автоматического управления 7 подается промодулированный по синусоидальному закону сигнал управления, получаемый с выхода формирователя управления двунаправленного преобразователя 19. Глубина модуляции управляющего сигнала определяется соотношением величины опорного синусоидального
сигнала, поступающего на первый вход формирователя управления двунаправленного преобразователя 19 с выхода регулятора фазы опорного сигнала 18, и величины напряжения на входе/выходе постоянного тока двунаправленного преобразователя 4, поступающего на второй вход формирователя управления двунаправленного преобразователя 19 с шестого входа системы автоматического управления 7, подключенного к входу/выходу постоянного тока двунаправленного преобразователя 4. Опорный сигнал синусоидальной формы на вход регулятора фазы опорного сигнала 18 поступает с выхода регулятора амплитуды опорного сигнала 17. На вход регулятора амплитуды опорного сигнала 17 через переключающий и нормально-замкнутый контакты ключа 16 подается напряжение с третьего входа системы автоматического управления 7, подключенного к выходу стабилизатора переменного напряжения 3. На третий вход блока задания режимов работы 12 с четвертого входа системы автоматического управления 7 подается напряжение с входа/выхода постоянного тока двунаправленного преобразователя 4, а на четвертый вход блока задания режимов работы 12 через пятый вход системы автоматического управления 7 подается сигнал с выхода датчика постоянного тока 5. На вход датчика фазы 14, подключенному к первому входу системы автоматического управления 7 подается напряжение сети с клеммы 10, а на вход, подключенному к второму входу системы автоматического управления подается сигнал с выхода датчика переменного тока 2. Сигнал с выхода датчика фазы 14 подается на второй вход блока задания режимов работы 12. В зависимости от величины напряжения на входе/выходе постоянного тока двунаправленного преобразователя 4 и величины зарядного тока аккумуляторной батареи 6, сигналом с третьего выхода, подключенного к управляющему входу регулятора фазы опорного сигнала 18, блок задания режимов работы 12 регулирует фазу опорного сигнала, а, следовательно, и мощность, поступающую на вход/выход переменного тока двунаправленного преобразователя 4. В зависимости от сигнала с выхода датчика фазы 14 блок
задания режимов работы 12 сигналом с пятого выхода, подключенного к управляющему входу регулятора амплитуды опорного сигнала 17, регулирует амплитуду опорного сигнала и поддерживает нулевой фазовый сдвиг между напряжением и током, потребляемым из сети. На синхронизирующий вход задающего генератора 15 подается напряжение сети с клеммы 10 через первый вход системы автоматического управления 7, напряжение на его выходе по частоте и фазе совпадает с напряжением сети. При пропадании напряжения сети задающий генератор 15 переходит в автономный режим работы. По сигналу с блока контроля сети 13 блок задания режимов работы 12 сигналом с четвертого выхода переключает ключ 16, а сигналами с третьего и пятого выходов устанавливает регулятор фазы 18 и регулятор амплитуды 17 в нейтральное положение, на первый вход формирователя управления двунаправленного преобразователя 19 начинает поступать напряжение с выхода задающего генератора 15. Сигналом с первого выхода, подключенного к управляющему входу блока управления тиристорным ключом 11, блок задания режимов работы 12 запрещает подачу управляющих импульсов на тиристорный ключ 1. Таким образом, двунаправленный преобразователь 4 переводится в автономный режим работы и, разряжая аккумуляторную батарею 6, начинает питать нагрузку переменного тока 9, при этом работавший ранее тиристор (первый или второй) тиристорного ключа 1 практически мгновенно выключается обратным напряжением с входа/выхода переменного тока двунаправленного преобразователя 4, чем и достигается технический результат в части исключения перерыва в питании нагрузки переменного тока 9. Переходный процесс в нагрузке переменного тока 9 при этом минимальный, так как выходное напряжение задающего генератора 15 по частоте и фазе совпадало с напряжением, отключившейся сети. Нагрузка постоянного тока 8 при отключенной сети питается от аккумуляторной батареи 6.
Наличие в структуре источника бесперебойного питания стабилизатора переменного напряжения 3 вызвано необходимостью продления срока
службы аккумуляторной батареи 6 и расширения диапазона напряжения сети, позволяющего питать нагрузку переменного тока 9 без перевода двунаправленного преобразователя 4 в автономный режим работы. Обычно в структурах источников бесперебойного питания малой и средней мощности, как наиболее дешевые, применяются известные схемы стабилизаторов с переключением отпаек автотрансформаторов или вольтодобавочных трансформаторов с использованием в качестве ключевых элементов электромагнитных реле. Переключение электромагнитных реле под током, особенно в режиме больших нагрузок, делает такие стабилизаторы весьма ненадежными и снижает, соответственно, надежность источника бесперебойного питания в целом.
С целью повышения надежности стабилизатора переменного напряжения 3 и всей структуры в целом управление его работой осуществляется следующем образом.
Анализируя сигнал с выхода блока контроля сети 13, блок задания режимов работы 12 определяет необходимость коммутации реле стабилизатора переменного напряжения 3. При этом на первом выходе блока задания режимов работы 12 появляется сигнал, запрещающий блоку управления тиристорным ключом 11 подачу импульсов управления на тиристорный ключ 1. Одновременно, аналогично тому, как это происходило при пропадании напряжения сети, двунаправленный преобразователь 4 переводится в автономный режим работы. Спустя десять миллисекунд, необходимых для закрытия тиристоров тиристорного ключа 1, на втором выходе блока задания режимов работы 12 появляется сигнал, поступающий на вход управления стабилизатора переменного напряжения 3 и разрешающий произвести коммутацию его реле. Через двадцать миллисекунд, необходимых для переключения реле, схема возвращается в исходное состояние. Таким образом, коммутация реле стабилизатора 3 осуществляется при отключенной сети и отсутствии токов через их контакты, чем и достигается технический результат в части повышения надежности.
Предлагаемый источник бесперебойного питания нагрузок постоянного и переменного тока обладает повышенной надежностью, обеспечивает безразрывное питание нагрузок переменного тока при пропадании напряжения основного источника, позволяет расширить функциональные возможности и унифицировать источники бесперебойного питания, так как для систем бесперебойного питания как постоянного, так и переменного тока используются одни и те же схемы силового блока, система автоматического управления и силовые трансформаторы блока двунаправленного преобразователя.