Система бесперебойного питания

 

СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ , содержащая первьш сетевой трансформатор, к основной первичной обмотке которого через первый управляемый ключ подсоединены синхронизатор , фазовый детектор, выход которого соединен с входом Запрет синхронизатора , датчик уменьшения напряжения сети и датчик наличия напряжения сети, задающий генератор, выход которого подключен к входу формирователя импульсов, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора, выход - с входом распределителя импульсов, а первьй дополнительный вькод - с объединенными входами датчиков наличия и уменьшения напряжения сети, первые выходы которых объединены и подключены к первому управляющему входу распределителя импульсов, первьй выход которого связан с первым инвертором , а вспомогательный выход соединен с входом фазового детектора , вспомогательная обмотка первого сетевого трансформатора подключена через первый инвертор и выходной фильтр к резервному источнику, отличающаяся тем, что, с целью стабилизации выходного напряжения при одновременном уменьшении массогабаритных показателей, в нее введены второй и третий сетевые трансформаторы, второй и третий инверторы, второй и третий управляемые ключи, три дополнительных управляемых ключа, измерительный трансформатор, два фильтра, два выпрямителя , два усилителя сравнения, два компаратора, генератор линейно изменяющегося напряжения, генератор, пилообразного напряжения, два элемента И, злемент НЕ, причем основные первичные обмотки Btoporo и третьего сетевых трансформаторов соответственно через второй и третий управляемые ключи включены параллельно выводам для подключения сети, а параллельно части витков каждой из основных первичных обмоток и связанному с ней управляемому ключу подсоединен один 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 каждой 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 изменя

° 5fft

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

«Е «1>

4(51) Н 02 3 9/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬГПФ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3534253/24-07 (22) 03.01.83 (46) 23р01.85. Бюл. 1Е 3 (72) Е.В.Митрофанов (53) 621. 316.925 (088.8) (56) 1.Патент США к- 4010381, кл. Н 02 J 9/00.

2.Авторское свидетельство СССР

9 955365, 1982. (54)(57) СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ, содержащая первый сетевой трансформатор, к основной первичной обмотке которого через первый управляемый ключ подсоединены синхронизатор, фазовый детектор, выход которого соединен с входом "Запрет" синхронизатора, датчик уменьшения напряжения råòè и датчик наличия напряжения сети, задающий генератор, выход которого подключен к входу формирователя импульсов, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора, выход — с входом распределителя импульсов, а первый дополнительный выход — с объединенными входами датчиков наличия и уменьшения напряжения сети, первые выходы которых объединены и подключены к первому управляющему входу распределителя импульсов, первый выход которого связан с первым инвертором, а вспомогательный выход соединен с входом фазового детектора, вспомогательная обмотка первого сетевого трансформатора подключена через первый инвертор и выходной фильтр к резервному источнику, о т— л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью стабилизации выходного напряжения при одновременном уменьшении массогабаритных показателей, в нее введены второй и третий сетевые трансформаторы, второй и третий инверторы, второй и третий управляемые ключи, три дополнительных управляемых ключа, измерительный трансформатор, 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, 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 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 каждой 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 выход первого компаратора соединен с одним входом первого элемента И и через элемент НŠ— с одним входом второго

1136254 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 вЂ” к управляющим входам дополнительных управляемых ключей, а выход второго компаратора подключен к ворому управляющему входу распределителя импульсов.

15

25

1

Изобретение 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 отсутствии напряжения 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 феррорезонансного стабилизатора.

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.

Источник 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, соединенный 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 сформированные

3 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 j2) .

Однако 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 массогабаритных показателей.

Поставленная цель достигается тем, что в систему бесперебойного питания, содержащую первый сетевой трансформатор, к основной первичной обмотке которого через первый управляемый ключ подсоединены синхронизатор, фазовый детектор, выход которого соединен с входом "Запрет" синхронизатора, датчик уменьшения напряжения сети и датчик наличия на- З5 пряжения сети, задающий генератор, выход которого подключен к входу формирователя импульсов, синхронизирующий вход которого соединен с выходом синхронизатора, выход — с вхо- 40 дом распределителя импульсов, а первый дополнительный выход — с объединенными входами датчиков наличия и уменьшения напряжения сети, первые выходы которых объединены и подклю- 45 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

254 трансформатор, два фильтра, два выпрямителя, два усилителя сравнения, два компаратора, генератор линейно изменяющегося напряжения, генератор пилообразного напряжения, два элемента .И, элемент HF,, 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 подсоединен

f один 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 выход первого компаратора соединен с одним входом первого элемента И и через элемент НŠ— 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 структурная схема предлагаемого устройства;

1136254 на Фиг. 2 — временные диаграммы при работе от основного источника; на

Фиг. 3 - то же, при работе от резерв.ного источника.

Устройство содержит клеммы 1 и 2, 5 к которым подводится сеть, подключенные к этим клеммам синхронизатор 3, фазовый детектор 4, выход которого соединен с входом "Запрет" синхронизатора 3, датчик 5 наличия напряжения сети и датчик 6 понижения на-. пряжения сети, причем вход и выходы датчика 5 соответственно соединены с входом и выходами датчика 6. Кроме того, устройство содержит сетевые трансформаторы 7 "7, основные первичные обмотки. 8 1 -8 которых соответственно через первый, второй и третий управляемые ключи 9 -9 параллельно подключены к клеммам 1 2О и 2, при этом параллельно каждому

Из ключей 91 -9 и части витков основных первичных обмоток 8 — 8) соответственно включены первый, второй и третий дополнительные управля- 25 емые ключи 10 { -10

Резервный источник постоянного тока подключается к клеммам 11 и 12, которые через входной фильтр 13 соединены с параллельно включенными ин- ЗО верторами 14 — 14,связанными с со-. ответствующими вспомогательными первичными обмотками 151 — 15 трансформаторов 7 — 7 .

Устройство также содержит задаю- ЗБ щий генератор 16, выход которого подключен к входу Формирователя 17 импульсов. Синхронизирующий вход формирователя 17 соединен с выходом синхронизатора 3, выход — с входом 40 распределителя 18 импульсов, а первый дополнительный выход подключен к объединенным входам датчиков 5 и 6. Первый, второй и третий выходы распределителя 18 соответственно соединены с входамн инверторов 14

14, вспомогательный выход — с входом фазового детектора 4, а первый управляющий вход подключен к объединенным первым выходам датчиков

5 и 6. Выходные обмотки 19 — 19 сети трансформаторов 7» — 7 включены последовательно, .а йараллельно им подключена первичная обмотка измерительного трансформатора 20, 55 к каждой из двух вторичных обмоток которого подсоединена цепь. Первая цепь состоит иэ фильтра 211, выпрямителя 22, усилителя 231 сравнения, подключенного своим выходом к одному из входов компаратора 241. При этом к другому входу первого компаратбра 24» подсоединен выход генератора 25 линейно изменяющегося напряжения, вход которого подключен к выходу синхронизатора 3, а к другому выходу второго компаратора 24 под2 соединен выход генератора 26 пилообразного напряжения, вход которого подключен к второму дополнительному выходу формирователя 17. Выход первого компаратора 241 соединен с одним из входов первого элемента И

27 и через элемент HE 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 91 — 9 выход второго элемента И 29 — к управляющим входам дополнительных управляющих ключей 10 -10, Выход второго компаратора 24 подключен к второму управляющему входу распределителя 18. Нагрузка подключается к выходным последовательно включенным обмоткам 19< — 19 сетевых трансформаторов 74 — 7 ° !

Устройство работает следующим образом.

Напряжение сети через клеммы 1 и

2, управляемые ключи 9 1 — 9 подается на первичные обмотки 8 — 8 сетевых трансформаторов 7 1 — 7у. 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» — 14 з и включа1136254

10

15 ют их. При отсутствии сигнала на управляющем входе распределителя 18 ("0" в цифровом коде в случае, когда напряжение сети имеет номинальное значение), импульсы не проходят на 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 ?6 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 коэффициента !

:нелинейных 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

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 ?3») элемент И 27 отключается, включается элемент И 29, с выхода которого на управляющие входы дополнительных управляемых ключей 10» — 10.» поступает управляющий сигнал. Ключи 10 » — 104 включаются, при этом на части витков основных первичных обмоток 8 » - 8я находится напряжение, включающее ранее работавшие ключи 9» — 9 .

Так формируется первая полуволна 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 — 1»1 32—

9 вводное 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 10Х при нестабильности выходного напряжения не хуже 2Х и при разбросе напряжения питания переменного тока +10X

-157..

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 на1136254

10 пряжения. сети нулевого значения снимает сигнал с входов элементов

И 27 и 29, на управляющие входы ключей 9 1 — 9 и 1,0 — 10 перестают поступать управляющие ймпульсы, клю- 5 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 — 14>. Сеть отключается, включаются инверторы, нагрузка получает энергию от резервного источника (например, аккумуляторной батареи) через работающие инверторы. 15

При 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;14 .

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. 35

Для того, чтобы обеспечить, те же значения коэффициента нелинейных искажений и нестабильности, что при работе от сети, в источник бесперебойного питания введены три инверто- 4О ра 141 - 14 нагруженные на вспомогательные обмотки 154 — 15 трансформаторов 7 1 — 7, при этом каждый из инверторов выдает прямоугольное напряжение определенной длитель- 45 ности и амплитуды. Эти напряжения в трех выходных обмотках трансформаторов 19 — 195, включенных последовательно, складываются, и таким образом создается квазисинусоидальное выходное напряжение ступенчатой формы.

Работой инверторов управляют импульсы, поступающие с распределителя 18, причем два импульса с формирователя

17, постоянные по ппительности, и 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, напряжение которого подается на один из входов компаратора 24 . На другой его вход поступает сигнал, отражающий результат сравнения уровня выходного напряжения 22 ) с эталонным уровнем в усилителе 23 . В соответствии с этими сигналами на выходе компаратора

24 формируется импульс, изменяющийся по длительности обратно пропорционально изменению выходного напряжения. Этот импульс засинхронизирован с 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 которых формирует напряжение с уровнем, пропорциональным длительности импульса, пришедшего с комапаратора 24, таким образом и осуществляется стабилизация выходного напряжения. Длительность импульсов формирователя 17 и параметры усилителей мощности инверторов выбраны таким образом, что коэффициент нелинейных искажений суммарного выходного напряжения не превышает 107, при нестабильности не хуже 2Х и при разбросе напряжения питания аккумуляторной батареи +20X

-107..

Временные диаграммы, поясняющие работу инверторов, приведены на фиг.3, где обозначены напряжение 33 на выходе инвертора 14, 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 которь1х 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

1136254

32

Составитель Т.Георгиевская

Редактор А.Шишкина Техред О.Ващишина Корректор M,Ìàêñèìèmèíåö

Заказ 10297/41 Тираж 620 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4