Система бесперебойного питания

ВЮ СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК е и 4(51) Н 02 3 9/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬГПФОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54)(57) СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ, содержащая первый сетевойтрансформатор, к основной первичнойобмотке которого через первый управляемый ключ подсоединены синхронизатор, фазовый детектор, вькод которого соединен с входом "Запрет" синхро -низатора, датчик уменьшения напряжения сети и датчик наличия напряжения сети, задающий генератор, выходкоторого подключен к входу формирователя импульсов, синхронизирующийвход которого соединен с выходомсинхронизатора, выход - с входомраспределителя импульсов, а первыйдополнительный выход - с объединенными входами датчиков наличия иуменьшения напряжения сети, первыевыходы которьк объединены и подключены к первому управляющему входураспределителя импульсов, первыйвыход которого связан с первым инвертором, а вспомогательный выходсоединен с входом Фазового детектора, вспомогательная обмотка первогосетевого трансформатора подключеначерез первый инвертор и выходнойфильтр к резервному источнику, о т -л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью стабилизации вькодного напряжения при одновременном уменьшении массогабаритных показателей, в неевведены второй и третий сетевыетрансформаторы, второй и третийинверторы, второй и третий управляемые ключи, три дополнительныхуправляемых ключа, измерительныйтрансформатор, два фильтра, два выпрямителя, два усилителя сравнения,два компаратора, генератор линейноизменяющегося напряжения, генератор,пилообразного напряжения, два элемента И, элемент НЕ, причем основныепервичные обмотки второго и третьегосетевых трансформаторов соответственно через второй и третий управляемые ключи включены параллельно выводам для подключения сети, а параллельно части витков каждой иэ основных первичных обмоток и связанному с ней управляемому ключу подсоединен один из дополнительных управляемых ключей, вспомогательные первичные обмотки второго и третьегосетевьк трансформаторов соответственно через второй и третий инверторы, связанные соответственно свторым и третьим выходами распределителя импульсов, подключены параллельно цепи питания первого инвертора, выходные обмотки сетевьктрансформаторов соединены последовательно и подключены к первичнойобмотке измерительного трансформатора, к каждой из двух вторичныхобмоток которого подсоединена цепь,состоящая из Фильтра, выпрямителяи усилителя сравнения, подключенного своим выходом к одному из входов каждого компаратора, к другомувходу первого компаратора подсоединен выход генератора линейно изменя ющегося Напряжения, вход которогоподключен к выходу синхронизатора,а к другому входу второго компаратора подсоединен выход генераторапилообразного напряжения, вход которого подключен к второму дополнительному выходу Формирователяимпульсов, при этом выход первогокомпаратора соединен с одним входом первого элемента И и через элемент НЕ - с одним входом второго 1136254элемента И, к другим входам элементов И подсоединены вторые объединенные выходы датчиков наличия и понижения напряжения сети, выход первого элемента И подключен к управляющим входам управляемых ключей, выход второго элемента И - к управляющим входам дополнительных управляемых ключей, а выход второго компаратора подключен к ворому управляющему входу распределителя импульсов.1 О 20 25 30 35 1Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах питания и электропривода для обеспечения нагрузки бесперерывным стабилизированным переменным напряжением.Известен источник бесперебойного питания с высоким КПД, работающий в трех основных режимах; при номи нальном напряжении сети, при пониженном напряжении сети, при отсутствиинапряжения сети, Источник может питать нагрузку стабилизированным переменным напряжением, при этом стабилизация осуществляется с помощью Феррорезонансного стабилизатора Я .Недостатком этой системы является низкая надежность обеспечения электропитанием нагрузки, особенно при питании циФровых устройств, получающаяся из-за скачкообразного изменения Фазы выходного напряжения, которое может вызвать прерывание и резкое изменение тока нагрузки при переходе от одного режима к другому, К недостаткам этой системы можно также отнести большие массогабаритные показатели Феррорезонансногостабилизатора.Наиболее близким к изобретению является источник бесперебойного питания переменным током с высоким КПД, работающий в трех режимах, ука занных выше, и отличающийся высокой надежностью, достигнутой за счет исключения прерывания и резкого изменения тока нагрузки при переходе с одного режима работы на другой. 2Источник содержит подключенные .к сетевым клеммам стабилизатор, Фазовый детектор, датчики наличия и понижения напряжения сети, последовательно соединенные управляемый ключ и основную первичную обмотку выходного трансФорматора. Резервный источник через входной Фильтр связан с инвертором, подключенным к вспомогательной обмотке выходного трансФорматора Кроме того, устройство содержит задающий генератор, соедибненный с Формирователем импульсов, который подключен к распределителю импульсов, управляющему работой инвертора.При номинальном напряжении сети нагрузка получает энергию от сети через управляемый ключ и трансФорматор, при этом задающий генератор вырабатывает прямоугольные импульсы, которые в Формирователе преобразуются в импульсы необходимой для управления инвертором Формы и длительности. Эти импульсы, с помощью синхронизатора и Фазового детектора засинхронизированные с напряжением сети, поступают на вход распределителя, однако, пока есть сеть, на его выход не проходят.При пропадании напряжения сети или понижения его ниже минимального уровня на управляющий вход распределителя подается сигнал, разрешающий прохождение сФормированных в Формирователе импульсов на инвертор, последний включается, нагрузка начинает получать энергию от резервного источника. Поскольку сФормпрованные3 1136 импульсы на входе инвертора до аварии сети были сфазированы с напряжением сети, переход на питание от резервного ситочника происходит без изменения фазы. Обратный переход при восстановлении сети осуществляется/ только после синхронизации импульсов на входе инвертора с напряжением сети в нулевом значении синусоиды напряжения сети 2 .10Однако для обеспечения нагрузки стабилизированным бесперерывным выходным напряжением в известном устройстве используют феррореэонансный стабилизатор, подключаемый к выходу 15 источника питания, что приводит к значительному увеличению массогабаритных показателей и уменьшению КПД всей системы питания в целом, т.е. к ухудшению качественных показателей 20 источника питания.Целью изобретения является обеспечение стабилизации выходного напряжения при одновременном уменьшении массогабаритньк показателей.25Поставленная цель достигается тем, что в систему бесперебойного питания, содержащую первый сетевой трансформатор, к основной первичной обмотке которого через первый управ- З 0 ляемый ключ подсоединены синхронизатор, Фазовый детектор, вькод которого соединен с входом "Запрет" синхронизатора, датчик уменьшения напряжения сети и датчик наличия на- З 5 пряжения сети, задающий генератор, выход которого подключен к входу формирователя импульсов, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора, выход - с вхо дом распределителя импульсов, а первый дополнительный выход - с объединенными входами датчиков наличия и уменьшения напряжения сети, первые выходы которьк объединены и подклю чены к первому входу распределителя импульсов, первый выход которого связан с первым инвертором, а вспомогательный выход соединен с входом фазового детектора, вспомогательная 0 обмотка первого сетевого трансформа,тора подключена через первый инвертор и выходной фильтр к резервному источнику, введены второй и третий сетевые трансформаторы, второй и 55 третий инверторы, второй и третий .управляемые ключи, три дополнительных управляемых ключа, измерительный 254трансформатор, два фильтра, два выпрямителя, два усилителя сравнения, два компаратора, генератор линейно изменяющегося напряжения, генератор пилообразного напряжения, два элемента .И, элемент НЕ, причем основные первичные обмотки второго и третьего сетевых трансформаторов соответственно через второй и третий управляемые ключи включены параллельно выводам для подключения сети, параллельно части витков каждой из основных первичных обмоток и связанному с ней управляемому ключу подсоединенодин из дополнительных управляемых ключей, вспомогательные первичные обмотки второго и третьего сетевых трансформаторов соответственно через второй и третий инверторы, связанные соответственно с вторым и третьим выходами распределителя импульсов, подключены параллельно цепи питания первого инвертора, выходные обмотки сетевых трансформаторов соединены последовательно и подключены к первичной обмотке измерительного трансформатора, к каждый из двух вторичных обмоток которого подсоединена цепь, состоящая из Фильтра, выпрямителя и усилителя сравнения, подключенного своим выходом к одному из входов каждого компаратора, к другому входу первого компаратора подсоединен выход генератора линейно изменяющегося напряжения, вход которого подключен к выходу синхронизатора, а к другому входу второго компаратора подсоединен выход генератора пилообразного напряжения, вход которого подключен к второму дополнительному выходу формирователя импульсов, при этом вькод первого компаратора соединен с одним входом первого элемента И и через элемент НЕ - с одним входом второго элемента И, к другим входам элементов И подсоединены вторые объединенные выходы датчиков наличия и понижения напряжения сети, выход первого элемента И подключен к управляющим входам управляемых ключей, выход второго элемента И - к управляющим входам дополнительных управляемых ключей, а выход второго компаратора подключен к второму управляющему входу распределителя импульсов.На фиг. 1 приведена структурнаясхема предлагаемого устройства, 1136254на Фиг, 2 - временные диаграммы приработе от основного источника; наФиг. 3 - то же, нри работе от резерв.ного источника.Устройство содержит клеммы 1 и 2, 5к которым подводится сеть, подключенные кэтим клеммам синхронизатор 3,фазовый детектор 4, выход которогосоединен с входом "Запрет" синхронизатора 3, датчик 5 наличия напряжения сети и датчик 6 понижения на-.пряжения сети, причем вход и выходыдатчика 5 соответственно соединеныс входом и выходами датчика 6. Кроме того, устройство содержит сетевыетрансформаторы 7 "7, основныепервичные обмотки. 8-8 которыхсоответственно через первый, второйи третий управляемые ключи 9 -9параллельно подключены к клеммам 1 2 Ои 2, при этом параллельно каждомуиз ключей 9 -9 и части витков основных первичных обмоток 8 - 8соответственно включены первья, второй и третий дополнительные управляемые ключи 10 -10Резервный источник постоянноготока подключается к клеммам 11 и 12,которые через входной Фильтр 13 соединены с параллельно включенными ин- щверторами 14 - 14,связанными с со-,ответствующими вспомогательными первичными обмотками 15 - 15 трансформаторов 7 - 7,Устройство также содержит задающий генератор 16, выход которогоподключен к входу Формирователя 17импульсов. Синхронизирующий входФормирователя 17 соединен с выходомсинхронизатора 3, выход - с входом 40распределителя 18 импульсов, а первый дополнительный выход подключенк объединенным входам датчиков 5и 6. Первый, второй и третий выходыраспределителя 18 соответственносоединены с входамн инверторов 1414 , вспомогательный выход - с входом Фазового детектора 4, а первыйуправляющий вход подключен к объединенным первым выходам датчиков 5 О5 и 6. Выходные обмотки 19- 19сети трансформаторов 7 - 7 включены последовательно, а йараллельноим подключена первичная обмоткаизмерительного трансформатора 20, 55к каждой из двух вторичных обмотоккоторого подсоединена цепь, Перваяцепь состоит иэ Фильтра 21 , выпрямителя 22, усилителя 23 сравнения, подключенного своим выходом к одному из входов компаратора 24. При этом к другому входу первого компаратора 24 подсоединен выход генератора 25 линейно изменяющегося напряжения, вход которого подключен к выходу синхронизатора 3, а к другому выходу второго компаратора 24 под 2 соединен выход генератора 26 пилообразного напряжения, вход которогоподключен к второму дополнительному выходу формирователя 17, Выход первого компаратора 24 соединен с одним из входов первого элемента И 27 и через элемент НЕ 28 - с одним из входов второго элемента И 29, к другим входам элементов И подсоединены вторые объединенные выходы датчиков 5 и 6 наличия и понижения напряжения сети. Выход первого элемента И 27 подключен к управляющим входам управляемых ключей 9 - 9 выход второго элемента И 29 - к управляющим входам дополнительных управляющих ключей 10 -104, Выход второго компаратора 24 подключен к второму управляющему входу распределителя 18. Нагрузка подключается к выходным последовательно включенным обмоткам 19 - 19сетевых трансформаторов 74 - 7Устройство работает следующим образом.Напряжение сети через клеммы 1 и 2, управляемые ключи 9- 9 подается на первичные обмотки 8 - 8сетевых трансформаторов 7 - 7 у. Одновременно с этим задающий генератор 16 начинает вырабатывать прямоугольные импульсы, которые затем поступают в формирователь 17, в котором они -преобразуются в импульсы необходимой формы и длительности, служащие для управления инверторами, а также в импульсы с тактовой частотой 100 Гц, необходимые для управления генератором 26 пилообразного напряжения. Импульсы, сформированные для управления инверторами, поступают на вход распределителя 18, который распределяет их для подачи на инверторы. При наличии сигнала на первом управляющем входе распределителя 18 ("1" в цифровом коде при отсутствии .напряжения сети или пониженном напряжении сети) импульсы проходят на входы инверторов 14 - 14и включа5 1 О 15 ют их. При отсутствии сигнала на управляющем входе распределителя 18 ("О," в цифровом коде в случае, когда напряжение сети имеет номинальное значение), импульсы не проходят на ф входы инверторов 14- 14, которые в выключенном состоянии.На вспомогательный вход рапределителя 18 сформированные импульсы проходят постоянно независимо от сигнала на управляющем входе распределителя. При этом синхронизация в схеме осуществляется следующим образом. Фазовый детектор 4 сравнивает фазу напряжения сети с фазой напряжения на вспомогательном выходе распределителя 18. При совпадении фаз фазовый детектор 4 вырабатывает сигнал, поступающий на вход "Запрет" синхронизатора 3, который начинает осуществлять синхронизацию сформированных импульсов, поступающих на вход распределителя 18 и на вход генератора 26 с напряжением сети путем подачи синхроимпульсов на синхронизирующий вход формирователя 17. Одновременно синхроимпульсы начинают поступать на вход генератора 25 линейно изменяющегося напряжения и таким образом запускают схему стабилизации выходного напряжения при на.личии напряжения сети. Стабилизация осуществляется следующим образом.Выходное напряжение через измерительный трансформатор 20 и фильтр 214, отфильтрованное до коэффициентанелинейных искажений не более 27 после детектирования в выпрямителе 22 , в усилителе 23 сравнйвается с эталонным напряжением. С выхода усилителя 23, на один из выходов компаратора 24 поступает сигнал, уровень которого отражает ,результат сравнения напряжения сети с эталонным напряжением. На другой вход компаратора 24 поступает линейно изменяющееся напряжение от генератора 25, засинхронизированное с напряжением сети. На ,выходе компаратора 24 появляется импульс, который поступает одновременно на один вход элемента И 27 и на вход элемента НЕ 28. Так как на другом входе элемента И 27 есть сигнал о наличии напряжения сети, то на его выходе появляется,импульс, который поступает на управЗО 35 40 45 50 55 ляющие входы управляемых ключей 9 9 и поддерживает их в включенном состоянии. На выходе элемента И 29 сигнал отсутствует, так как на один из его входов после элемента НЕ 28 приходит "0", на управляющих входах дополнительных управляемых. ключей 10 - 10 сигнала нет, они отключены.Когда выходной сигнал компаратора 24 меняет полярность (когда линейно изменяющееся напряжение "пересекает" уровень сигнала с выхода усилителя 23) элемент И 27 отключается, включается элемент И 29, с выхода которого на управляющиевходы дополнительных управляемых ключей 10 - 10 поступает управляющий сигнал, Ключи 10- 104 включаются, при этом на части витков основньм первичных обмоток 8- 8 я находится напряжение, включающее ранее работавшие ключи 9 - 9, Так формируется первая полуводна выходного напряжения, в нуле фазы напряжения сети процесс стабилизации повторяется и формируется вторая полуволна выходного напряжения,На фиг, 2 приведены временные диаграммы работы ключей и форма выходного напряжения, где 30 - управляемые ключи 9 - 9, 31 - дополнительные управляемые ключи 10 - 10 32 - вьиодное напряжение.Управляемые ключи 9 - 9 подключены к максимальному числу витков основных первичных обмоток 8 - 8, а дополнительные управляемые ключй 10 - 10 - к минимальному числу витков тех же обмоток. При правильном подборе числа витков между обмотками можно получить выходное напряжение с нелинейными искажениями, не превышающими 103 при нестабильности выходного напряжения не хуже 2 Х и при разбросе напряжения питания переменного тока +107-15 Х.Предлагаемая система бесперебойного питания со стабилизацией выходного напряжения работает в трех режимах: при номинальном напряж нии сети, при пониженном напряжении сети, при отсутствии напряжения сети. Работа при номинальном. напряжении сети описана выше.При снижении напряжения сети менее допустимого уровня датчик 6 в момент прохождения синусоидой на 1136254 10пряжения, сети нулевого значения снимает сигнал с входов элементов И 27 и 29, на управляющие входы ключей 91 - 9 и 10- 10 перестают поступатьуправляющие ймпульсы, клю чи отключаются; В то же,время на первый управляющий вход распределителя 18 датчик 6 подает сигнал, разрешающий прохождение сформированных в формирователе 17 импульсов на ин" 10 верторы 14 1 - 14, Сеть отключается, включаются инверторы, нагрузка получает энергию от резервного источника (например, аккумуляторной батареи) через работающие инверторы. 15При аварии сети датчик 5 в момент пропадания напряжения снимает сигнал с входов элементов И 27 и 29, послед ние отключают управляемые ключи 9 1 - 9, 10- 10. Одновременно с выхода 20 датчика 5 на первый управляющий вход распределителя 18 подается сигнал, разрешающийпрохождение сформированных импульсов на входы инверторов 14;145.Поскольку сформированные импульсы 25 на входе распределителя 18 до аварии сети или до понижения напряжения сети были сфазированы с напряжением сети, переход на работу нагрузки от инверторов происходйт без изменения ЗО ,Фазы выходного напряжения.Стабилизация выходного напряжения ,при работе источника от аккумуляторной батареи происходит следующим образом. 35Для того, чтобы обеспечить, те же значения коэффициента нелинейных искажений и нестабильности, что при работе от сети, в источник бесперебойного питания введены три инверто О ра 141 - 141, нагруженные на вспомогательные обмотки 15 1 - 15 трансФорматоров 7 1 - 7, при этом каждый из инверторов выдает прямоугольное напряжение определенной длитель ности и амплитуды. Эти напряжения в трех выходных обмотках трансформаторов 194 - 194, включенных последовательно, складываются, и таким образом создается квазисинусоидальное 5 О выходное напряжение ступенчатой формы. Работой инверторов управляют импульсы, поступающие с распределителя 18, причем два импульса с формирователя17, постоянные по ппительности, и 55 один с компаратора 24, изменяющийся по длительности. Этот импульс подается на второй управляющий вход распределителя 18 и формируется следующим образом,При включении задающего генератора 16 одновременно с формирователем 17 начинает работать генератор 26 пилообразного напряжения, напряжениекоторого подается на один из входов компаратора 24. На другой его входпоступает сигнал, отражающий результат сравнения уровня выходного напряжения 22) с эталонным уровнем вусилителе 23 , В соответствии с этими сигналами на выходе компаратора24 формируется импульс, изменяющийся по длительности обратно пропорционально изменению выходного напряжения. Этот импульс засинхронизированс импульсами,.поступающими от Формирователя 17 и подается постоянно на второй управляющий вход распределителя 18. При работе от резервного источника эти импульсы распределяются по инверторам, один из которыхформирует напряжение с уровнем, пропорциональным длительности импульса, пришедшего с комапаратора 24 д, такимобразом и осуществляется стабилизация выходного напряжения. Длительность импульсов формирователя 17 ипараметры усилителей мощности инверторов выбраны таким образом, чтокоэффициент нелинейных искаженийсуммарного выходного напряжения непревышает 103 при нестабильности нехуже 2 Х и при разбросе напряженияпитания аккумуляторной батареи +207Временные диаграммы, поясняющие работу инверторов, приведены на Фиг.3,где обозначены напряжение 33 на выходе инвертора 141, напряжение 34 на выходе инвертора 14, напряжение 35 на выходе инвертора 14, выходное напряжение 36 источника питания.Использование изобретения в качестве системы бесперебойного питания со стабилизацией выходного напряжения, например, вместо действующих сейчас источников, гарантированного питания, в которых применяются последовательно работающие Выпрямители с аккумулятором и инверторы, а также стабилизаторы, позволяет значительно уменьшить массогабаритные показатели при высоком КПД источника и достаточно низком коэффициенте нелинейных искажений выходного напряжения.1136254 г Составитель Т.ГеоргиевскРедактор А.Шишкина Техред О.Ващишина Корректор М.Максими аказ 10297/41 Подписинного комитета СССРений и открытийРаушская наб., д.4/5 Тираж 620 НИИПИ Государств по делам изобре 35, Москва, Жтент", г.Ужгород, ул.Проектная,4 илиал П