Источник бесперебойного питания

Источник бесперебойного нитания
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована для электропитания ответственных потребителей.
Известны системы гарантированного электропитания персональных компьютеров непрерывного действия, содержащие входной выпрямитель, инвертор с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), трансформатор и резервный канал с блоком аккумуляторных батарей, подключенных непосредственно или через регулятор напряжения к входу инвертора (см. например, 1, 2). Такие системы не имеют провалов выходного напряжепия при переключениях с основного канала на резервный и наоборот, характеризуются высоким качеством выходного напряжения при изменении напряжения сети и аккумуляторной батареи. Однако многократное преобразование электроэнергии при работе как от сети, так и от аккумуляторной батареи приводит к существенному снижению коэффициента полезного действия (КПД), надежности и, как следствие, к сокращению времени работы от встроенной аккумуляторной батареи малой емкости.
Известны системы бесперебойного питания с переключением нагрузки от зажимов питающей сети к выходу инвертора резервной сети (см. например, 3, 4). Такие системы имеют высокий средневзвешенный КПД, т.к. основное время в цепи протекания тока нагрузки включен всего один ключевой элемент, малые массу и габариты, высокую надежность. Однако при переключениях с сети на резервный канал и наоборот в выходном напряжении появляются провалы (время переключения не равно нулю), что приводит к механическим повреждениям дисководов. Кроме того, при питании от промышленной сети с низким качеством параметров электроэнергии выходное напряжепие также нестабильно, а уменьшение порогов переключения чувствительных элементов
i -MnKH02J9/00
приводит к регулярным переключениям с резервного канала на сеть и наоборот, что также снижает качество выходного напряжения и надежность системы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и выбранный в качестве прототипа является источник бесперебойного питания с двойным преобразованием энергии, описанный в 5. Источник по прототипу содержит выпрямитель, аккумуляторную батарею, инвертор (преобразователь постоянного напряжения в переменное) и блок управления. При наличии напряжения в питающей сети питание потребителей осуществляется через выпрямитель и инвертор. При этом осуществляется непрерывная подзарядка аккумуляторной батареи. Если напряжение питающей сети становится меньще нижней границы диапазона входных напряжений, питание потребителей осуществляется через инвертор от аккумуляторной батареи.
Недостатком прототипа является то, что источник бесперебойного питания создает помехи в питающей сети, особенно в момент включения источника бесперебойного питания, что приводит к сбоям в работе, аварийному отключению или выходу из строя устройств питающей сети (генераторов, стабилизаторов), а также других потребителей, подключенных к этой сети.
Задачей полезной модели является создание источника бесперебойного питания, который оказывает минимальное влияние на питающую сеть и подключенные к ней другие потребители, обеспечивая при этом высокую стабильность параметров выходного напряжения (частоты, амплитуды, отсутствие гармонических искажений).
Технический результат от использования полезной модели заключается в уменьшении уровня помех, создаваемых источником бесперебойного питания, с одновременным улучшением формы выходного синусоидального напряжения и повышением стабильности его уровня при поддержании высокого коэффициента мощности в питающей сети.
Сущность полезной модели заключается в том, что источник беснеребойного питания, содержащий выпрямитель 1, автономный источник 2 постоянного напряжения, преобразователь 3 постоянного напряжения в переменное, дополнительно содержит устройство 4 формирования сигнала включения автономного источника постоянного напряжения, компаратор 5, первый ключ 6, коммутатор 7, первый диод 8, блок 9 управления корректором коэффициента мощности, датчик 10 тока, второй ключ 11, дроссель 12, второй диод 13, конденсатор 14, преобразователь 15 постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой, первый усилитель 16, второй усилитель 17, источник 18 опорного постоянного напряжения, источник 19 опорного синусоидального напряжения, измерительный преобразователь 20, фильтр 21.
При этом вход выпрямителя 1 является входом 22 источника бесперебойного питания. К положительному выводу выпрямителя 1 подключен автономный источник 2 постоянного напряжения. Положительный вывод выпрямителя 1 соединен также с входом устройства 4 формирования сигнала включения автономного источника постоянного напряжения, первым входом компаратора 5, первым выводом первого ключа 6 и первым входом блока 9 управления корректором коэффициента мощности. Выход устройства 4 формирования сигнала включения автономного источника постоянного напряжения соединен с управляющим (У) входом автономного источника 2 постоянного напряжения. С вторым выводом первого ключа 6 соединен катод первого диода 8, анод которого соединен с отрицательным выводом выпрямителя 1. Между вторым выводом первого ключа 6 и отрицательным выводом выпрямителя 1 включена цепь, состоящая из последовательно соединенных дросселя 12, второго ключа 11 и датчика 10 тока. Выход датчика 10 тока соединен с третьим входом блока 9 управления корректором коэффициента мощности. Выход блока 9 управления корректором коэффициента мощности соединен с управляющим (У) входом второго ключа 11
и с первым входом коммутатора 7, выход которого соединен с управляющим (У) входом первого ключа 6. Второй вход коммутатора 7 подключен к источнику постоянного напряжения. К точке соединения дросселя 12 и второго ключа 11 подключен анод второго диода 13. Катод второго диода 13 соединен с вторым входом блока 9 управления корректором коэффициента мощности, вторым входом компаратора 5, входом преобразователя 15 постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой и с одним из выводов конденсатора 14, второй вывод которого соединен с отрицательным выводом выпрямителя 1. Выход компаратора 5 соединен с управляющим (У) входом коммутатора 7.
Выход преобразователя 15 постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой соединен с входом преобразователя 3 постоянного напряжения в переменное, выход которого соединен с входом фильтра 21, выход которого соединен с вторым входом второго усилителя 17 и входом измерительного преобразователя 20, а также является выходом 23 источника бесперебойного питания. Выход измерительного преобразователя 20 соединен с вторым входом первого усилителя 16. К первому входу первого усилителя 16 подключен источник 18 опорного постоянного напряжения. Выход первого усилителя 16 соединен с входом источника 19 опорного синусоидального напряжения, выход которого соединен с первым входом второго усилителя 17, выход которого соединен с управляющим (У) входом преобразователя 3 постоянного напряжения в переменное. Выход сигнала опорной частоты (ОпЧ) преобразователя 15 постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой соединен с входами синхронизации (С) источника 19 опорного синусоидального напряжения и преобразователя 3 постоянного напряжения в переменное.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема источника бесперебойного питания. На чертеже обозначены: по га ак 2 1- выпрямитель; 2- автономный источник постоянного напряжения; 3- преобразователь постоянного напряжения в переменное; 4- устройство формирования сигнала вьслючения автономного источника тоянного напряжения; 5- компаратор; 6- первый ключ; 7- коммутатор; 8- первый диод; 9- блок управления корректором коэффициента мощности; 10-датчик тока; 11 - второй ключ; 12-дроссель; 13-второй диод; 14- конденсатор; 15- преобразователь постоянного напряжения в постоянное с ьванической развязкой; 16- первый усилитель; 17- второй усилитель; 18- источник опорного постоянного напряжения; 19- источник опорного синусоидального напряжения; 20- измерительный преобразователь; 21-фильтр; 22- вход источника бесперебойного питания; 23- выход источника бесперебойного питания. Автономный источник 2 постоянного напряжения выполнен на основе умуляторной батареи. Кроме аккумуляторной батареи автономный источник содержит ключ, управляемый при помощи сигнала, поступающего на
управляющий (У) вход автономного источника 2. Ключ служит для переключения режимов работы автономного источника 2 (режима заряда батареи и режима, в котором автономный источник 2 обеспечивает питание потребителей). Кроме этого автономный источник 2 содержит схему, обеспечивающую заряд аккумуляторной батареи (зарядное устройство).
Устройство 4 формирования сигнала включения автономного источника постоянного напряжения выдает соответствующий сигнал на свой выход в случае падения ниже критического уровня или исчезновения напряжения на своем входе (падения ниже критического уровня или исчезновения напряжения питающей сети). Устройство 4 формирования сигнала включения автономного источника постоянного напряжения может быть выполнено, например, в виде порогового устройства.
Компаратор 5 сравнивает значение напряжения на конденсаторе 14 с текущим значением напряжении на выходе выпрямителя 1. Если напряжение на конденсаторе 14 (и, соответственно, на втором входе компаратора 5) меньше, чем напряжение на выходе выпрямителя 1 (и, соответственно, на первом входе компаратора 5), то компаратор 5 выдает на управляющий (У) вход коммутатора 7 сигнал, при котором компаратор 7 переводится в состояние, когда его выход подключен к его первому входу. Если же напряжение на конденсаторе 14 (и, соответственно, на втором входе компаратора 5) больше, чем напряжение на выходе выпрямителя (и, соответственно, на первом входе компаратора 5), то компаратор 5 выдает на управляющий (У) вход коммутатора 7 сигнал, при котором компаратор 7 переводится в состояние, когда его выход подключен к его второму входу.
Выпрямитель 1, блок 9 управления корректором коэффициента мощности, датчик 10 тока, второй ключ 11, дроссель 12, второй диод 13, конденсатор 14 образуют корректор коэффициента мощности. Корректор коэффициента мощности предназначен для увеличения коэффициента мощности в питающей
сети. Схема, состоящая из корректора коэффициента мощности, комнаратора 5, первого ключа 6, коммутатора 7 и первого диода 8 предназначена для обеспечения снижения скачков тока в питающей сети в процессе первоначального запуска источника бесперебойного питания и при переходе в режим работы с питанием от сети из режима работы с питанием от автономного источника 2 (при восстановлении нормального уровня напряжения в питающей сети после его исчезновения или падения ниже критического уровня).
Преобразователь 15 постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой обеспечивает гальваническую развязку потребителей, подключенных к источнику бесперебойного питания от питающей сети.
Преобразователь 3 постоянного напряжения в переменное представляет собой формирователь сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМсигнала). ШИМ-сигнал, проходя через фильтр 21, преобразуется в синусоидальный сигнал, поступающий на выход 23 источника бесперебойного питания.
Фильтр 21 обеспечивает исключение высокочастотных составляющий (несущей частоты ШИМ) из ШИМ-сигнала, поступающего с выхода преобразователя 3 постоянного напряжения в переменное. При этом на выходе фильтра образуется напряжение синусоидальной формы с частотой, например, 50 Гц.
Преобразователь 15 постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой имеет выход сигнала опорной частоты (ОпЧ), который образован выходом тактового генератора. Сигнал опорной частоты используется для формирования опорного синусоидального напряжения в источнике 19 опорного синусоидального сигнала и в качестве тактового сигнала в преобразователе 3 постоянного напряжения в переменное. Опорная частота выбирается кратной частоте выходного напряжения источника бесперебойного питания. Использование одного тактового сигнала с частотой, кратной частоте
выходного напряжения, в преобразователе 15 постоянного напряжения в постоянное с гальванической развязкой, в преобразователе 3 постоянного напряжения в переменное и в источнике 19 опорного синусоидального напряжения позволяет избежать биений, и при этом обеспечивается то, что в одном периоде колебаний выходного напряжения содержится целое количество периодов ШИМ-сигнала.
Измерительный преобразователь 20 предназначен для преобразования переменного напряжения с выхода источника бесперебойного питания в постоянное напряжение, которое сравнивается в первом усилителе 16с опорным напряжением от источника 18 опорного постоянного напряжения. На выходе первого усилителя 16 формируется сигнал, пропорциональный разности заданного и фактического напряжения на выходе источника бесперебойного питания. Этот сигнал определяет амплитуду синусоидального напряжения, формируемого источником 19 опорного синусоидального напряжения.
Второй усилитель 17 предназначен для сравнения сигнала на выходе источника бесперебойного питания с эталонным синусоидальным сигналом, формируемом на выходе источника 19 опорного синусоидального напряжения.
Сигнал с выхода второго усилителя 17 используется для управления преобразователем 3 постоянного напряжения в переменное.
Преобразователь 3 постоянного напряжения в переменное, фильтр 21, второй усилитель 17 составляют внутренний контур управления, обеспечивающий формирование на выходе 23 источника бесперебойного питания напряжения синусоидальной формы. Внутренний контур вместе с измерительным преобразователем 20, первым усилителем 16 и источником 19 опорного синусоидального напряжения образуют внешний контур управления, обеспечивающий стабилизацию амплитуды напряжения на выходе 23 источника бесперебойного питания. Внешний контур формирует задающий сигнал для
внутреннего контура. Задающий сигнал для внешнего контура задается источником 18 онорного постоянного напряжения.
Источник бесперебойного питания работает следующим образом.
После включения источника бесперебойного питания, в течение нескольких периодов входного сетевого напряжения возникает переходный процесс, связанный с первичным зарядом конденсатора 14 от нуля до номинального значения, при этом каждый полупериод в течение некоторого времени напряжение на конденсаторе 14 (и, соответственно, на втором входе компаратора 5) меньще, чем напряжение на выходе выпрямителя (и, соответственно, на первом входе компаратора 5). В этом случае компаратор 5 выдает на управляющий (У) вход коммутатора 7 сигнал, при котором компаратор 7 переводится в состояние, когда его выход нодключен к его первому входу. При таком состоянии коммутатора 7 первый и второй ключи 6 и 11 работают синхронно, так как управляются одним сигналом (сигналом, поступающим с выхода блока 9 управления корректором коэффициента мощности).
Блок 9 управления корректором коэффициента мощности обеспечивает формирование кривой входного тока в соответствии кривой напряжения, обеспечивая повышение коэффициента мощности (близость значения коэффициента мощности к единице). Принцип работы корректора коэффициента мощности и устройство блоков управления корректором коэффициента мощности известны и описаны, например, в 6.
Блок 9 управления корректором коэффициента мощности обеспечивает замыкание второго ключа 11, когда значение тока в дросселе 12 равно или близко нулю. При этом обеспечивается увеличение этого тока, за счет того, что ток течет через второй ключ 11. Для предотвращения чрезмерного увеличения входного тока при разомкнутом втором ключе И (при размыкании второго ключа 11 в случае, когда напряжение на конденсаторе 14 меньше напряжения на
выходе выпрямителя 1, начинается заряд конденсатора 14, что приводит к значительному увеличению тока), одновременно с вторым ключом 11 размыкается первый ключ 6. При этом ток дросселя 12 течет через второй диод 13, конденсатор 14 и первый диод 8.
После того, как напряжение на конденсаторе 14 превысит амплитудное значение напряжения на выходе выпрямителя 1 (после окончания переходного процесса в схеме повышающего конвертора напряжения, состоящей из дросселя 12, второго диода 13 и конденсатора 14 после включения), компаратор 5 выдает сигнал на управляющий (У) вход коммутатора 7, который переводит компаратор 7 в состояние, когда его выход соединен с его вторым входом. При этом на управляющий (У) вход первого ключа 6 подается постоянное напряжение, и первый ключ 6 остается постоянно в замкнутом состоянии. Работа корректора коэффициента мощности при этом переходит в обычный режим.
В случае падения напряжения в питающей сети ниже критического значения или его исчезновения, формирователь 4 сигнала включения автономного источника постоянного напряжения выдает сигнал на управляющий (У) вход автономного источника 2 постоянного напряжения, который при этом начинает осуществлять питание потребителей.
Преобразование постоянного напряжения в переменное (выпрямленного напряжения питающей сети или постоянного напряжения от автономного источника 2 постоянного напряжения) осуществляется в преобразователе 3 постоянного напряжения в переменное. На выходе преобразователя 3 постоянного напряжения в переменное формируется ШИМ-сигнал, который при помощи фильтра 21 преобразуется в сигнал синусоидальной формы. Форма выходного напряжения сравнивается с формой опорного синусоидального напряжения во втором усилителе 17. Сигнал рассогласования с выхода второго усилителя 17 подается на управляющий (У) вход преобразователя 3 постоянного напряжения в переменное. Стабилизация амплитуды выходного напряжения
производиться путем сравнепия выходного напряжения, преобразованного измерительным преобразователем 20, с эталонным напряжением от источника 18 опорного постоянного напряжения в первом усилителе 16, сигнал с выхода которого определяет амплитуду синусоидального сигнала, вырабатываемого источником 19 опорного синусоидального сигнала.
Таким образом, в результате использования полезной модели уменьшен уровень помех, создаваемых источником бесперебойного питания в питающей сети, как в основном режиме работы, так и в процессе включения источника бесперебойного питания или при восстановлении питания в питающей сети после его падения ниже критического уровня или исчезновения, при этом коэффициент мощности поддерживается близким к единице и на выходе источника бесперебойного питания выдается напряжение со стабильными параметрами (формой, частотой, амплитудой).
Представленные чертеж и описание предлагаемой полезной модели позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить ее промышленным способом и использовать в качестве источника бесперебойного питания ответственных потребителей, что характеризует предлагаемую полезную модель как промышленно применимую.
Источники информации
1.Заявка ФРГ№ 3604755, МПК Н 02 J 9/06, опубл. 21.08.1986.
2.Пат. США JNfo 4562357, МПК П 02 J 9/06, опубл. 12.31.1985.
3.Пат. США № 4604530, МПК Н 02 J 9/00, опубл. 05.08.1986.
4.Пат. США № 4652770, МПК П 02 J 9/04, опубл. 24.03.1987
5.Лопухин А.А., Желбаков И.Н. Системы бесперебойного питания // Сети и системы связи, № 6, 1996 (прототип).