СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫМИ МОДУЛЯМИ ИСТОЧНИКА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ
CONTROL METHOD OF PARALLEL CONNECTED MODULES OF UNINTERRUPTED POWER SOURCE

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 преобразователи напряжения с параллельно включенными линейным и импульсным каналами [1], выходные токи которых суммируют. С помощью линейного канала, охваченного отрицательной обратной связью по напряжению, формируют выходное напряжение заданной величины и формы (в данном случае синусоидальной). При этом выходной ток линейного канала измеряют и используют для управления импульсным каналом. С помощью импульсного канала посредством широтно-импульсной модуляции производят коммутацию энергии в нагрузку в соответствии с сигналом выходного тока линейного канала и одновременно его ограничение. Выходное напряжение импульсного канала фильтруется с помощью дросселя и по форме повторяет напряжение линейного канала, а ток суммируется с током линейного канала на нагрузке. Коэффициент полезного действия линейного канала невысок, его мощность сравнительно мала и при отказе мощного импульсного канала происходит отказ всего устройства.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ управления параллельно соединенными импульсными инверторами [2], выходные токи которых суммируют. В качестве первого, ведущего используют инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией, выходное напряжение которого фильтруют с помощью фильтра, например Г-образного. 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 отрицательной обратной связи по току.
Характеристики ведущего и ведомых инверторов значительно отличаются и поэтому инверторы не являются взаимозаменяемыми. В результате при отказе ведущего канала происходит отказ всего устройства источника бесперебойного питания.
Решение задачи повышения надежности источника бесперебойного питания состоит в том, что используют одинаковые модули, каждый из которых может быть использован как отдельный источник бесперебойного питания. Модули соединяют параллельно, один из модулей работает в режиме ведущего, а остальные в режиме ведомых. Задают режимы работы модулей путем соответствующего переключения сигналов управления без коммутации силовых входов и выходов. Такое управление позволяет изменять режимы работы модулей и в случае аварии одного из них его отключают, а нагрузка распределяется на оставшиеся модули в соответствии с технологией «горячего» резервирования.
Несущие частоты широтно-импульсной модуляции модулей задают одинаковыми, а фазы импульсов, формируют с помощью широтно-импульсных модуляторов инверторов со смещением, достаточным для исключения одновременного срабатывания их ключей.
Техническим результатом заявляемого решения является повышение надежности модульного источника бесперебойного питания с выходом на переменном токе и его масштабируемости, то есть, например увеличении выходной мощности путем параллельного подключения дополнительного модуля источника бесперебойного питания.
Сущность предлагаемого способа управления состоит в том, что все модули делают одинаковыми и для обеспечения высоких динамических свойств и запаса устойчивости из управляющего сигнала инвертора ведущего модуля дополнительно вычитают сигнал обратной связи по току конденсатора выходного Г-образного фильтра. Режим работы каждого модуля в случае необходимости изменяют с помощью переключателей так, что один любой из модулей может быть сделан ведущим, а любые другие ведомыми.
В случае аварии ведущего модуля его автоматически заменяют одним из ведомых, имеющим наивысший приоритет. Для перевода ведомого модуля в режим работы ведущего без коммутации силовых входов и выходов на его вход подают сигнал, который получают посредством переключения его входной цепи с задающего сигнала тока на задающий сигнал напряжения синусоидальной формы, из которого вычитают подключаемый сигнал обратной связи по напряжению и суммарный сигнал тока конденсаторов выходных фильтров модулей переключаемый вместо сигнала обратной связи выходного тока модуля, одновременно на общую управляющую шину выходного тока ведущего модуля подключают сигнал этого модуля.
Для ввода дополнительного модуля в состав источника бесперебойного питания его подключают к шине первичного электропитания и устанавливают в режим ведущего модуля, затем кратковременно нагружают на тестовую нагрузку и устанавливают выходное напряжение, равное выходному напряжению источника по величине, частоте и фазе, после чего подключают к нагрузке в момент времени перехода выходного напряжения через ноль. Одновременно дополнительный модуль переключают в режим ведомого, при этом на его вход подают сигнал, который получают посредством переключения его входной цепи с задающего сигнала напряжения на сигнал выходного тока ведущего модуля, из этого сигнала вычитают сигнал обратной связи по выходному току модуля, подаваемый путем переключения цепи обратной связи по току конденсаторов на цепь обратной связи по выходному току инвертора, а сигнал обратной связи по напряжению отключают.
На фигуре 1 изображена функциональная блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фигурах 2 и 3 - диаграммы напряжений и токов, поясняющие заявляемый способ управления параллельно соединенными модулями при отказе ведомого и ведущего модуля соответственно.
Устройство для осуществления предлагаемого способа управления параллельно соединенными модулями источника бесперебойного питания (фигура 1) содержит первый модуль 1, работающий в режиме ведущего, второй модуль 2, n-ый и последний N-й модули, работающие в режиме ведомых. Здесь n=2, 3, …, N. Все модули одинаковы, но с помощью переключателей могут быть установлены либо в режим ведущего (один модуль) либо в режим ведомого (остальные модули). В первом модуле, также как и в последующих, имеются выпрямительно-зарядное устройство 3, батарея аккумуляторов 4, устройство управления 5, широтно-импульсный модулятор 6, инвертор 7, дроссель 8 и конденсатор 9 выходного фильтра, а также датчики тока 10 и 11. С помощью устройства управления 5 осуществляется общее управление модулем, коммутация переключателей и реализуется закон управления.
Каждый модуль источника бесперебойного питания, также как и первый модуль содержит выключатель 12, переключатель 13 сигнала управления, выключатель 14 подачи сигнала обратной связи на шину управления по току, выключатель 15 сигнала обратной связи по напряжению, переключатель 16 обратной связи по току и выключатель 17 нагрузки. Одновременно в состав модульного источника бесперебойного питания входит сумматор 18 сигналов датчиков тока конденсаторов каждого модуля, а к выходу источника подключена нагрузка 19. Положения переключателей модуля 1 соответствуют режиму работы ведущего модуля.
Обозначим дополнительно переключатели второго модуля: выключатель 20 модуля, переключатель 21 сигнала управления, выключатель 22 подачи сигнала обратной связи по току, выключатель 23 сигнала обратной связи по напряжению и переключатель 24 обратной связи по току. Аналогичные переключатели остальных модулей установлены в положение, соответствующее режиму работы ведомого модуля. Датчик выходного тока 25 второго модуля также как и аналогичные датчики остальных ведомых модулей отключены от шины управления по току, а их выходные сигналы используются для внутренней обратной связи по току.
1
2
cинx
M1
M1
M2
M3
H
3
На фигуре 2 показаны процессы аварийного отключения в момент tодного из ведомых модулей (второго). Одновременно на фигуре показаны процессы при включении в состав источника бесперебойного питания вместо отказавшего дополнительного модуля в момент времени t. На фигуре приведены диаграммы: 26 -импульсы синхронизации (U); 27 - выходные импульсы инвертора ведущего модуля (U); 28 - задающий сигнал синусоидальной формы с частотой 50 Гц; 29 - выходное напряжение источника бесперебойного питания; 30 - выходной ток первого (ведущего) модуля (I); 31 - выходной ток второго (ведомого) модуля (I); 32 - выходной ток третьего (ведомого) модуля (I) и 33 - выходной ток источника бесперебойного питания (I). На кривой линии 31 отмечен условно момент времени t, начала процедуры подключения дополнительного модуля в состав источника.
M1
M2
1
M3
1
M1
M2
M3
H
С помощью фигуры 3 показаны процессы аварийного отключения (момент времени t) ведущего модуля и одновременного изменения режима работы второго, ведомого модуля на режим работы ведущего. На фигуре 3 изображены: 34 - диаграмма выходного напряжения инвертора первого (ведущего) модуля (U); 35 - диаграмма выходного напряжения инвертора второго модуля (U), работающего в режиме ведомого и затем переведенного в момент времени t в режим ведущего; 36 - диаграмма выходного напряжения инвертора третьего модуля (U), работающего в режиме ведомого; 37 - задающий сигнал ведущего модуля; 38 - выходное напряжение источника бесперебойного питания при отказе в момент времени tведущего модуля; 39 -выходной ток первого (ведущего) модуля (I); 40 - выходной ток второго модуля (I), переводимого в режим ведущего; 41 - выходной ток третьего (ведомого) модуля (I); 42 - выходной ток источника бесперебойного питания (I).
Способ управления параллельно соединенными модулями источника бесперебойного питания осуществляется следующим образом. С помощью ведущего модуля осуществляется генерирование напряжения заданной формы и величины. Посредством ведомых модулей осуществляется генерирование токов соответствующих задающему сигналу выходного тока ведущего модуля и собственного коэффициента передачи по току каждого ведомого модуля. Поэтому при параллельном соединении выходов модулей выходной ток ведущего модуля имеет относительно малую величину, обусловленную функцией фильтра активного типа. Выходные токи ведомых модулей обеспечивают практически всю выходную мощность источника бесперебойного питания и при равенстве коэффициентов передачи по току оказываются практически равными.
Задающий сигнал, подобный кривой 28 на фигуре 2, в цифровой или аналоговой форме подают на вход широтно-импульсного модулятора 6 (фигура 1) модуля 1 через переключатель 13. Переключатель 13 находится в нижнем положении, соответствующем режиму ведущего модуля, с помощью которого осуществляется формирование напряжения синусоидальной формы заданной величины. Поэтому в качестве главной отрицательной обратной связи используется связь по напряжению и переключатель 15 находится в замкнутом состоянии. Одновременно с целью повышения динамических свойств ведущего модуля и всего источника в нем используется дополнительная отрицательная обратная связь по сумме токов конденсаторов фильтров всех модулей. Для этого переключатель 16 установлен в верхнее положение, а с помощью сумматора 18 осуществляют суммирование токов конденсаторов, измеряемых с помощью датчика тока 10 ведущего модуля и остальных датчиков тока конденсаторов ведомых модулей. Переключатели, используемые в модулях источника бесперебойного питания выполнены на основе бесконтактных устройств, например на основе полевых транзисторов.
ЭC
Кривая 28 (фигура 2) выходного напряжения источника бесперебойного питания задается с помощью устройства управления 5 и имеет синусоидальную форму и фазу, совпадающую с фазой напряжения электросети (U)-На осциллограммах фигур 2 (кривая 29) и 3 (кривая 38) кривые выходного напряжения незначительно отстают от задающего напряжения (кривые 28 и 37 соответственно). Это обусловлено наличием в каждом модуле выходных фильтров интегрирующего характера.
Для управления модулями 2, …, n, …, N, работающими в режиме ведомого в качестве управляющего сигнала используется сигнал выходного тока ведущего модуля 1 (фигура 1), который получают с помощью датчика тока 11 и подают на шину обратной связи с помощью замкнутого выключателя 14. Во втором, ведомом модуле переключатель 21 и аналогичные ему переключатели остальных модулей находятся в верхнем положении, а выключатель 22 и аналогичные ему - в разомкнутом состоянии. Главной в ведомых модулях является обратная связь по выходному току, которая образуется с помощью датчика 25 и переключателя 24 (в нижнем положении) второго модуля, а также аналогичных им датчиков и переключателей остальных модулей. Цепь отрицательной обратной связи по напряжению отключена с помощью разомкнутого выключателя 23 второго модуля и аналогичных выключателей остальных модулей.
1
1
На фигуре 2 изображены процессы в модульном источнике бесперебойного питания при отказе в момент времени t одного из ведомых модулей (в данном случае второго). С помощью кривой 31 (фигура 2) показано, что в момент времени t выходной ток второго, отключившегося модуля 2 (фигура 1) скачком снижается до нуля. В результате скачкообразное уменьшение тока в нагрузке 19 приводит к уменьшению напряжения и как следствие к скачкообразному возрастанию выходного тока (кривая 30 на фигуре 2) ведущего модуля 1 (фигура 1). Резкое увеличение тока ведущего модуля обеспечивается накопленным зарядом конденсатора 9 и последующей реакцией системы управления. Одновременно возрастает ток оставшихся ведомых модулей, в частности третьего модуля (кривая 32 на фигуре 2).
В результате отключения ведомого модуля 2 на кривой 29 выходного напряжения источника бесперебойного питания возникает незначительный провал. Амплитуда провала и длительность зависят от параметров выходного фильтра, которые выбираются, прежде всего, наименьшим, но достаточным для фильтрации несущей частоты модуляции импульсов инвертора модуля. С помощью ломанной 27 выходных импульсов напряжения инвертора ведущего модуля показано, что в течение провала генерируются импульсы (положительной полярности) с максимальным коэффициентом заполнения.
3
2
2
С помощью фигуры 2 условно показан подключение дополнительного модуля в состав источника с помощью выключателя 20 (фигура 1). Подключение дополнительного модуля осуществляется в режиме ведущего модуля автоматически, начиная с момента t (фигура 2), посредством специальной процедуры предварительного формирования и увеличения выходного напряжения до значения, равного выходному напряжению источника по величине, частоте и фазе. Затем в момент времени Х производится перевод модуля в режим работы ведомого с помощью переключателей 21, 22, 23 и 24 и переключение с тестовой нагрузки на нагрузку рабочую (на структурной схеме фигуры 1 не показано) в момент перехода выходного напряжения через ноль. При этом возникает скачкообразное отклонение выходного напряжения источника (кривая 29 фигуры 2), обусловленное отличием мгновенного значения тока дросселя фильтра модуля от рабочего значения и возможным неравенством напряжений на конденсаторах. Здесь посредством токов ведущего модуля 1 (кривая 30) и ведомого модуля 3 (кривая 32) в момент времени tкомпенсируется ток перезаряда емкости условно дополнительного модуля 2 (кривая 31). Это отклонение определяется алгоритмом формирования напряжения, соответствием тестовой нагрузки реальной и может быть сведено к нулю.
1
На фигуре 3 иллюстрируются процессы в модульном источнике бесперебойного питания при отказе в момент времени t ведущего модуля. В момент времени t, размыкаются выключатели 12 и 17 (фигура 1), то есть модуль 1 отключается. При этом производится переключение одного из ведомых модулей (в данном случае модуля 2) из режима ведомого в режим ведущего. Выбор модуля для переключения в режим ведущего производится в соответствии с приоритетом, значение которого может быть записано заранее в память блока управления модуля. Изменение режима работы осуществляется следующим образом: переключатель 21 переводится в нижнее положение и управляющим сигналом для второго модуля 2 становится сигнал задающего напряжения, а с помощью замыкания выключателя 23 в цепь отрицательной обратной связи подается выходное напряжение источника. Одновременно перевод выключателя 24 в верхнее состояние образуется дополнительная отрицательная обратная связь по суммарному току конденсаторов модулей. Посредством замыкания выключателя 22 на шину управляющего сигнала тока подается выходной ток второго модуля, переведенного в режим ведущего.
1
С помощью кривой 39 на фигуре 3 показано, что в момент времени t выходной ток первого модуля 1 скачком снижается до нуля, а генерация мощных импульсов инвертора модуля 1 прекращается (ломанная 34). В результате изменение тока в нагрузке (кривая 42 фигуры 3) приводит к незначительному уменьшению напряжения (кривая 38) и как следствие к скачку выходного тока (кривая 40) ведущего модуля, которым в данном случае становится модуль 2 (на фигуре 1). Резкое увеличение тока ведущего модуля обеспечивается накопленным зарядом конденсатора 9 и соответствующей реакцией системы управления. Одновременно возрастает ток оставшихся ведомых модулей, в частности модуля 3 (кривая 41 на фигуре 3). При этом по мере увеличения тока ведомых модулей ток ведущего модуля снижается до регулярного значения как показано с помощью кривой 40.
Изменение выходных токов инверторов модулей 2 и 3 происходит в соответствии с изменением коэффициента заполнения импульсов, как показано посредством ломанных 35 и 36 соответственно. С помощью кривой 42 изображена форма выходного тока источника бесперебойного питания. На фигурах 2 и 3 показаны процессы для активно-индуктивной нагрузки, составляющей около 50% от номинального значения. При этом питание инверторов в данном примере осуществляется двухполярным симметричным напряжением +450 В и -450 В. В источниках бесперебойного питания двухполярное напряжение может быть получено на выходах корректора коэффициента мощности, либо с помощью преобразователя (конвертора) напряжения аккумуляторной батареи. В приведенном на фигурах примере используется двухполярная широтно-импульсная модуляция с возвратом к нулю, а несущая частота модуляции равна 10 кГц. Предлагаемый способ управления параллельно соединенными модулями позволяет в общем случае использовать и другие виды широтно-импульсной модуляции, например широтно-импульсную модуляцию с выходным напряжением без возврата к нулю, которой свойственна простота, но и большие потери при малых токах нагрузки.
Mn
Величина выходного тока I (действующее значение) каждого из ведомых модулей задается с помощью коэффициента передачи по току и устанавливается автоматически в соответствии с величиной нагрузки и числом модулей N. В общем случае коэффициенты передачи по току отдельных модулей и установочная мощность могут быть различными. Если коэффициенты передачи ведомых модулей по току одинаковы, то величины выходных токов модулей равны.
H
С помощью ведущего модуля выполняется функция фильтра активного типа, поэтому выходной ток ведущего модуля стремятся уменьшить. Выходной ток ведущего модуля условно можно представить в виде двух составляющих: составляющей тока фильтрации и составляющей тока нагрузки. В большинстве практических случаев значения коэффициентов передачи по току ведомых модулей задают относительно большими. Поэтому выходной ток ведущего модуля (смотри фигуры 2 и 3) во много раз меньше тока нагрузки I при больших и средних его значениях. С уменьшением тока нагрузки выходной ток ведущего модуля становится сравним с выходными токами ведомых модулей и нагрузки, так как величина пульсаций напряжения несущей частоты модуляции изменяется незначительно. В свою очередь снижение величины составляющей тока фильтрации можно добиться путем уменьшения пульсаций выходного тока ведомых каналов и увеличения частоты модуляции.
Предлагаемый способ управления позволяет повысить надежность источника бесперебойного питания на основе нескольких модулей (источников), соединенных силовыми входами и выходами параллельно. В случае отказа одного из модулей (любого) последний отключается по команде собственного контроллера или в результате срабатывания предохранителя, а источник бесперебойного питания сохраняет свою работоспособность. Вместе с этим каждый из модулей может выполнять все функции источника бесперебойного питания и может быть использован отдельно.
Литература
1. Неганов В.А., Гейтенко А.Е. Авторское свидетельство RU 2320079 С1. Способ управления линейно-импульсного усилителя с параллельным включением каналов. 20.03.2004 г.
2. Гейтенко А.Е., Гейтенко Е.Н., Неганов В.А. Патент на изобретение №2375809 Способ управления параллельно соединенными инверторами. 10.12.2009 г.