Источник бесперебойного питания
UNINTERRUPTED POWER SUPPLY UNIT

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано в системах электроснабжения промышленных предприятий, автономных систем электроснабжения, частных домохозяйств для бесперебойного питания переменным напряжением при неноминальном входном напряжении или при кратковременном его отсутствии.
Известен источник бесперебойного электропитания (патент РФ 114564), содержащий выпрямитель, подключенный к питающей сети переменного напряжения. Выпрямитель соединен с нагрузкой через последовательно включенные в линию основного питания зарядное устройство и разрядное устройство. Зарядное устройство обеспечивает заряд аккумуляторной батареи, разрядное устройство служит для обеспечения питания нагрузки от аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея подключена к разрядному устройству через блок защиты от глубокого разряда и блокирующий диод в его прямом направлении. Основным недостатком источника является последовательное включение в линию основного питания зарядного устройства и разрядного устройства. Это приводит к тому, что указанные устройства, в схему которых входят энергозатратные элементы, постоянно работают и при наличии, и при отсутствии в сети нормального напряжения, что снижает энергоэффективность источника бесперебойного электропитания и надежность его работы.
Известен источник бесперебойного энергоснабжения (патент РФ 180664), который содержит основную линию питания для соединения внешнего источника питания с нагрузкой, зарядное устройство, соединенное с аккумуляторной батареей, соединенной с разрядным устройством. Зарядное и разрядное устройства электрически параллельно подключены к основной линии питания. При сбое питающего напряжения разрядное устройство берет питание с аккумуляторной батареи и повышает напряжение до соответствующего уровня, необходимого для питания нагрузки. В данном источнике снижены электрические потери за счет параллельного подключения к основной линии питания разрядного и зарядного устройств. Однако наличие в схеме разрядного устройства, в состав которого входят энергозатратные элементы, снижает энергоэффективность источника питания.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является источник бесперебойного питания (патент РФ 125408), содержащий выпрямитель, ко входу которого подсоединена сеть, а выход соединен с аккумулятором для его заряда, при этом аккумулятор питает низкочастотный инвертор напряжения, выход которого подключен к нагрузке, отличающийся тем, что аккумулятор питает через блок ключей высокочастотный инвертор напряжения, а преобразованная энергия передается с высокочастотного инвертора напряжения на тороидальный трансформатор с ферритовым сердечником, к вторичной обмотке которого подсоединены последовательно выходной выпрямитель и фильтр, при этом выход фильтра соединен с низкочастотным инвертором напряжения, который, в свою очередь, соединен через блок ключей с нагрузкой. Недостатком данного устройства является тот факт, что аккумуляторная батарея имеет номинальное напряжение 12 или 24 В, а напряжение сети составляет 220 В, таким образом выпрямитель должен содержать также трансформатор, что увеличивает его массу, габариты и стоимость. Использование аккумуляторной батареи на 200 В является экономически нецелесообразным и небезопасным для потребителя.
Цель изобретения - увеличения качества и безопасности работы источника бесперебойного питания за счет двойного активного моста с двумя гальваническими высокочастотными развязками, позволяющая работать как от сети, так и от аккумуляторной батареи без зарядного устройства и отдельного преобразователя для аккумулятора.
Технический результат заключается в улучшении защиты от изменений величины и формы входного напряжения, формировании синусоидального выходного напряжения высокого качества при питании как от сети, так и от аккумуляторной батареи, интегрировании в интеллектуальную сеть электроснабжения при малых габаритах устройства.
Техническая задача решается предлагаемым источником бесперебойного питания, содержащим входной выпрямитель, выходной инвертор, входной и выходной пассивные фильтры, байпас, блок аккумуляторных батарей, который отличается тем, что для регулирования напряжения постоянного тока между входным выпрямителем и выходным инвертором установлен двойной активный мост, состоящий из высокочастотного инвертора, выпрямителя и находящегося между ними двумя высокочастотными трансформаторами, при этом один трансформатор имеет коэффициент трансформации 3:2 и предназначен для режима работы от сети, а второй трансформатор имеет коэффициент трансформации 10:1; выбор трансформатора осуществляется двухпозиционным ключом в зависимости от того, откуда происходит питание нагрузки - первый трансформатор работает при питании от сети, второй при работе с блоком аккумуляторных батарей. Высокочастотный трансформатор в несколько раз меньше по габаритам, чем трансформатор, работающий на промышленной частоте.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема источника бесперебойного питания.
На фиг. 2 представлен принцип работы источника бесперебойного питания в режиме эконом.
На фиг. 3 представлен принцип работы источника бесперебойного питания в прямом режиме.
На фиг. 4 представлен принцип работы источника бесперебойного питания в автономном режиме.
На фиг. 5 представлен принцип работы источника бесперебойного питания в режиме накопителя.
На фиг. 6 представлен принцип работы источника бесперебойного питания в режиме источника.
На фиг. 7 представлена принципиальная схема входного и выходного мостов.
Источник бесперебойного питания состоит из входного выпрямителя 1, двойного активного моста, в состав которого входит инвертор 2, высокочастотный трансформатор 3 и управляемый мостовой выпрямитель 4, выходного инвертора 5, входного 6 и выходного 7 пассивных фильтров. Источник бесперебойного питания подключается к внешней сети 8 и к нагрузке 9. Блок аккумуляторных батарей 10 может быть подключен в входу или к выходу двойного активного моста через трехпозиционный электронный ключ 11. Между входным пассивным фильтром 6 и нагрузкой 9 находится байпас 12. Высокочастотный трансформатор 13 имеет меньшую мощность и предназначен для согласования уровней напряжения между блоком аккумуляторных батарей 10 и сетью/нагрузкой. Переключение трансформаторов между собой осуществляется с помощью двухпозиционного ключа 14. В качестве полупроводниковых ключей может быть использовано IGBT-транзисторы или MOSFET-транзисторы. Аппаратная реализация предлагаемого устройства может быть осуществлена с помощью существующих силовых электротехнических, электронных и микропроцессорных устройств, при надлежащем выборе и настройке соответствующих параметров.
Предлагаемый источник бесперебойного питания имеет следующие режимы работы:
- если напряжение сети в пределах нормы, то устройство работает в режиме эконом;
- если сетевое напряжение отклонено от номинального значения, но находится в допустимом для регулирования диапазоне, то устройство работает в прямом режиме;
- если сетевое напряжение отсутствует или вышло за пределы допустимого для регулирования диапазона, то устройство работает в автономном режиме;
- если нагрузка не подключена, то устройство может накапливать электроэнергию в ночное время и отдавать ее во внешнюю сеть в пиковые режимы потребления, то устройство работает в режиме накопителя.
- если блок аккумуляторных батарей или вместо них подключенные солнечные панели позволяет отдавать электроэнергию во внешнюю сеть в пиковые режимы потребления, то устройство работает в режиме источника.
Источник бесперебойного питания в зависимости от режима работает следующим образом:
1. Режим эконом. Напряжение поступает из внешней сети 8 на нагрузку 9 через входной пассивный фильтр 6 и байпас 12, на управляющие входы полупроводниковых ключей входного выпрямителя не подаются сигналы и напряжение через него не проходит. В этом режиме может происходить заряд батареи через выходной фильтр, мост 5, который будет работать как выпрямитель и двойной активный мост, работающего в противоположном направлении (мост 4 выступает в роли инвертора, подающего высокочастотное напряжение на трансформатор 13 и мост 2, выступающего в роли выпрямителя). Ключ 14 находится в нижнем положении. Трансформатор 13 понижает напряжение с 220 В до 20 В.
2. Прямой режим. В данном режиме работы отключается байпас 12, ключ 14 переключается в верхнее положение, ключ 11 находится в нейтральном положении, и аккумуляторная батарея 12 отключена. Напряжение, поступающее из сети, 8 защищается от высокочастотных помех, генерируемых с полупроводниковыми преобразователями, с помощью входного пассивного фильтра 6, поступает на входной выпрямительный мост 1. С выхода выпрямителя избавленное от внешних искажений постоянное напряжение подается на двойной активный мост (инвертор 2, высокочастотный трансформатор 3 и управляемый мостовой выпрямитель 4), где происходит регулирование величины напряжения. Преобразованное постоянное напряжение подается на инвертор 5, который снабжен широтно-импульсной модуляцией и генерирует выходное переменное напряжение. Выходной фильтр 7 служит для уменьшения гармонических искажений и придание выходному сигналу с инвертора синусоидальной формы.
3. Автономный режим. В данном режиме работы трехпозиционный ключ 11 находится в левом положении, двухпозиционный ключ 14 в нижнем положении, байпас 12 отключен. Напряжение от блока аккумуляторов 10 подается на мост 2, выполняющий функции высокочастотного инвертора. Высокочастотное напряжение подается на повышающий трансформатор 13, где происходит повышение напряжение до сетевого. Далее напряжение выпрямляется с помощью выпрямительного моста 4, а затем поступает на инвертор 5 и выходной пассивный фильтр 7, где преобразуется в выходное переменное напряжение с высокими показателями качества. Входной выпрямитель 1 находится в выключенном состоянии и связи с внешней сетью 8 нет.
4. Режим накопителя. В данном режиме работы трехпозиционный ключ 11 находится в правом положении, двухпозиционный ключ 14 в верхнем положении, байпас 12 отключен. Напряжение от сети 8 подается на входной пассивный фильтр 6, затем выпрямляется входным мостом 1 и подается на двойной активный мост, состоящий из инвертора 2, трансформатора 3 и выпрямителя 4, в котором происходит понижение напряжения до уровня заряда аккумуляторных батарей. Выходной инвертор 5 выступает как электронный ключ и не позволяет напряжению подаваться на нагрузку 9.
5. Режим источника. В данном режиме работы трехпозиционный ключ 11 находится в левом положении, двухпозиционный ключ 14 в нижнем положении, байпас 12 включен. Напряжение от блока аккумуляторов 10 подается на мост 2, выполняющий функции высокочастотного инвертора. Высокочастотное напряжение подается на повышающий трансформатор 13, где происходит повышение напряжение до сетевого. Далее напряжение выпрямляется с помощью выпрямительного моста 4, а затем поступает на выходной инвертор 5 и выходной пассивный фильтр 7, где преобразуется в выходное переменное напряжение с высокими показателями качества. Полученное переменное напряжение подается в сеть 8 через байпас 12.