КОММУТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
SWITCHING DEVICE FOR AC POWER SUPPLIES

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах преобразования и распределения электроэнергии.
Известен статический тиристорный переключатель нагрузки переменного тока типа STS [1], содержащий первый и второй тиристорные ключи, состоящие из двух тиристоров, включенных встречно-параллельно, схему управления, содержащую формирователи сигнала управления тиристорами, и схему контроля напряжения на основном и резервном входах.
Тиристорные переключатели STS предназначены для работы в качестве статического переключателя нагрузки от двух источников переменного напряжения - основного и резервного в качестве самостоятельного устройства автоматического выбора резерва (АВР) или в составе систем бесперебойного питания (СБП) переменного тока. При пропадании напряжения на основном входе первый тиристорный ключ выключается и включается второй ключ, но при этом время переключения составляет не менее 3 мс.
Наиболее близким устройством к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является коммутирующее устройство, применяемое в системах бесперебойного питания переменного тока между инвертором и нагрузкой, в состав которого входят два принятых за прототип статических тиристорных ключа [2]. Коммутирующее устройство содержит тиристорный ключ для отрицательного напряжения, тиристорный ключ для положительного напряжения и схему управления, состоящую из усилителя сигнала управления и двух формирователей сигнала управления тиристорными ключами для положительного и отрицательного напряжения.
К недостаткам существующего технического решения можно отнести ненулевое время резервирования и отключения аварийного модуля (для источника бесперебойного питания (ИБП) PW - около 1,7 мс [2], а также наличие встречного тока при параллельной работе источников переменного тока через статический тиристорный ключ на общую нагрузку (около 2…4%) от значения номинального тока источника [3].
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение технических характеристик и повышение надежности резервирования в системах бесперебойного питания с параллельной работой путем изменения функциональных возможностей устройства и расширения его сферы применения.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является расширение функциональных возможностей, которое заключается в применении данного устройства для организации параллельной работы источников переменного напряжения на общую нагрузку без потерь на встречные токи и сокращении до нуля времени резервирования и, соответственно, в улучшении технических характеристик и повышении надежности резервирования в системах бесперебойного питания с параллельной работой.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что коммутирующее устройство для источников переменного тока, содержащее тиристорный ключ для отрицательного напряжения, тиристорный ключ для положительного напряжения, соединенные встречно-параллельно и включенные между источником переменного напряжения и нагрузкой, и схему управления, состоящую из усилителя сигнала управления и двух формирователей сигнала управления тиристорными ключами для положительного и отрицательного напряжения, выходы которых соединены с цепями управления тиристоров, в схему управления дополнительно введены логическая схема "Исключающее ИЛИ", инвертор сигнала, а усилитель сигнала управления выполнен из компаратора входного напряжения и компаратора выходного напряжения, при этом вход компаратора входного напряжения соединен с входом устройства, а выход - с первым входом формирователя сигнала управления тиристорным ключом для отрицательного напряжения, первым входом логической схемы "Исключающее ИЛИ" и входом инвертора сигнала, выход которого соединен с первым входом формирователя сигнала управления тиристорным ключом для положительного напряжения, вход компаратора выходного напряжения подключен к выходу устройства, а его выход соединен со вторым входом логической схемы "Исключающее ИЛИ", выход которой соединен со вторыми входами формирователей сигнала управления тиристорными ключами.
Введение в схему управления дополнительных элементов и выполнение усилителя сигнала управления из компаратора входного напряжения и компаратора выходного напряжения, а так же организация новых связей между функциональными элементами позволило расширить функциональные возможности устройства и обеспечить практически мгновенную коммутацию токов параллельно работающих источников в общую нагрузку и отсечку возможных встречных токов источников при расхождении фаз и амплитуд напряжений.
Предлагаемое коммутирующее устройство для источников переменного тока поясняется чертежами, где на фиг. 1 - функциональная схема коммутирующего устройства для источников переменного тока; на фиг. 2 - формы напряжений и сигналов в устройстве при сдвиге фаз источников; на фиг. 3 - токи в устройстве при изменении разности напряжений источников; на фиг. 4 - осциллограмма изменения тока источника 1 при параллельной работе с источником 2 и последующим отключением источника 2; на фиг. 5 - осциллограммы тока сети и инвертора при их параллельной работе в режиме экономичного питания нагрузки с коррекцией несинусоидальности формы напряжения.
Коммутирующее устройство для источников переменного тока содержит (фиг. 1) тиристорный ключ для отрицательного напряжения (1), тиристорный ключ для положительного напряжения (2) и схему управления, состоящую из усилителя сигнала управления, в качестве которого использованы компараторы входного (3) напряжения и выходного напряжения (4), формирователей сигнала управления тиристорными ключами для положительного (5) и отрицательного (6) напряжения, логической схемы «Исключающее ИЛИ» (7), инвертора сигнала (8), при этом вход компаратора входного напряжения (3) соединен с входом устройства, а выход - с первым входом формирователя сигнала управления тиристорного ключа (6) для отрицательного напряжения, первым входом логической схемы «Исключающее ИЛИ» (7) и входом инвертора сигнала (8), выход которого соединен с первым входом формирователя сигнала управления тиристорного ключа (5) для положительного напряжения, вход компаратора выходного напряжения (4) подключен к выходу устройства, а его выход соединен со вторым входом логической схемы «Исключающее ИЛИ» (7), выход которой соединен со вторыми входами формирователей сигнала управления тиристорными ключами (5) и (6).
Устройство работает следующим образом.
При подаче на устройство напряжения от источника переменного напряжения (фиг. 1) на выходе компаратора входного напряжения (3) формируются прямоугольные импульсы, которые подаются на вход 1 запуска формирователя сигнала управления (6) и через инвертор сигнала (8) на вход запуска формирователя сигнала управления (5), при этом на вход управления тиристорного ключа для положительного напряжения (2) поступает сигнал управления от формирователя сигнала управления (5) во время положительной полуволны входного напряжения, а на вход управления тиристорного ключа для отрицательного напряжения (1) поступает сигнал управления от формирователя сигнала управления (6) во время отрицательной полуволны входного напряжения. Таким образом, в отличие от прототипа осуществляется раздельное управление тиристорными ключами для отрицательного (1) и положительного (2) напряжения.
На выходе компаратора выходного напряжения (4) формируются прямоугольные импульсы, которые подаются на вход 2 логической схемы «Исключающее ИЛИ» (7), где сравниваются с импульсами на входе 1, от компаратора входного напряжения (3). При этом при наличии разности фаз входного и выходного напряжения на выходе логической схемы «Исключающее ИЛИ» (7) вырабатываются импульсы, которые поступают на входы 2 формирователей сигнала (5) и (6), блокируя импульсы управления тиристорными ключами.
Таким образом в устройстве тиристорные ключи для отрицательного (1) и положительного (2) напряжения включаются только тогда, когда напряжение на аноде и катоде имеет один знак, как показано на фиг. 2. При разности фаз входного напряжения Vin и напряжения на нагрузке Vout импульсы управления тиристорными ключами V1 и V2 блокируются с выхода логической схемы «Исключающее ИЛИ» импульсами V3 на время, равное сдвигу фаз.
При этом исключается возникновение встречного тока, обусловленное сдвигом фаз параллельно работающих источников, имеющих на выходе аналогичное устройство.
Раздельное управление тиристорными ключами устройства обеспечивает отсечку возможного встречного тока и при разности напряжений источников как показано на фиг. 3. При превышении напряжения Vin2 второго источника над напряжением Vin первого источника ток в нагрузку поступает от второго источника Iin2. После снижения напряжения второго источника Vin2 ниже величины напряжения первого источника Vin ток второго источника Iin2 падает до нуля и в нагрузку поступает ток только первого источника Iin1. При этом переключения токов происходит практически мгновенно, что позволяет использовать устройство в составе автомата ввода резерва с нулевым временем переключения на резервный источник, причем резервным источником всегда является источник с меньшим напряжением. При равенстве напряжений источников устройство наряду с резервированием обеспечивает еще и суммирование мощности источников на нагрузке.
На фиг. 4 приведена осциллограмма изменения тока источника 1, из которой видно, что до момента отключения источника 2 ток источника 1 составляет примерно половину общего тока, а в момент отключения источника 2 ток источника 1 практически мгновенно возрастает до полного тока нагрузки. На участке осциллограммы до момента отключения источника 2 мощности источников суммируются, а после отключения источника 2 происходит мгновенное резервирование, при этом для суммирования и резервирования не требуется изменения алгоритма управления ключом, достаточно только выполнения условий, предъявляемых к выходным напряжениям источников.
Необходимое условие для резервирования синхронных синфазных источников - снижение напряжения резервируемого источника относительно основного до уровня, при котором закрываются обратным напряжением тиристорные ключи на его выходе. Для синхронных, но несинфазных источников автоматически резервируются источники, отстающие по фазе. При этом достаточно разности фаз, при которой тиристорные ключи на выходе отстающего источника закрываются напряжением обратной полярности, между его анодом и катодом. Длительность сигналов управления всеми тиристорными ключами в этом случае должны быть меньше четверти периода переменного напряжения (от 0 до 90°), так как обратное напряжение на тиристорном ключе отстающего источника возникает на участках нарастания переменного напряжения.
Условия для суммирования мощности источников переменного напряжения:
- выходные напряжения источников должны быть синхронны и синфазны;
- зависимость выходного напряжения источников от тока нагрузки должна быть спадающей;
- выходные напряжения источников не должны быть ниже уровня, при котором закрываются обратным напряжением тиристорные ключи на их выходах.
При выполнении указанных условий предлагаемое устройство позволяет совместить функции суммирования и резервирования в одном устройстве, при этом расширяются функциональные возможности систем с такими устройствами. Становится возможной параллельная работа двух сетей или инвертора с сетью с суммированием их мощностей. В первом случае при разности напряжений ток в нагрузку будет отдавать сеть, имеющая большее напряжение (обычно менее загруженная сеть), что может быть использовано для автоматического выравнивания загрузки сетей. Во втором случае инвертор может корректировать искажения сетевого напряжения.
На фиг. 4 форма напряжения сети имеет характерные искажения синусоидальности и напоминает трапецию. При параллельной работе инверторов с такой сетью, подключенных к нагрузке через предлагаемое устройство, можно поддерживать на нагрузке синусоидальное напряжение за счет части мощности инвертора. При этом токи сети и инвертора имеют вид, представленный на фиг. 5.
Использование предлагаемого технического решения позволит расширить функциональные возможности, что обеспечит параллельную работу источников переменного напряжения на общую нагрузку без потерь на встречные токи и сократит до нуля время резервирования, и соответственно, в целом позволит улучшить технические характеристики и надежность резервирования в системах бесперебойного питания с параллельной работой.
Источники информации
1. Описание статического переключателя GE Digital Energy STS
http://www.tehnofond.ru/katalog/ups/ge_digital_energy/ge_de_STS.
2. "Руководство по эксплуатации ИБП 8-10кВА PW9155", фиг. 15-22
() (прототип).
3. "Организация параллельной работы источников бесперебойного питания переменного тока".  Валерий Климов. 2008 г. (http://www.power-e.ru/pdf/2008_2_68.pdf).