Источник вторичного электропитания

Изобретение относится к области электротехники, а точнее к агрегатам резервного или бесперебойного питания сети постоянного тока, преимущественно работающей от нестабильных источников электропитания, мощность которых может меняться в широких пределах (ветро-, гидро-, фото- и т.п. электростанции). Предлагаемым изобретением другим способом решается техническая задача суммирования энергии от источника нестационарного напряжения и аккумуляторной батареи - за счет разделения времени подключения к нагрузке того или иного источника энергии, что позволяет значительно упростить конструкцию и повысить экономичность источника второго электропитания. Для достижения указанного технического результата источник вторичного электропитания содержит источник нестационарного напряжения и импульсный полупроводниковый мост, включающий первую стойку, образованную соединенными последовательно первым полупроводниковым ключом и аккумуляторной батареей, общая точка соединения которых является средней точкой стойки, вторую стойку, образованную вторым ключом и последовательно соединенными дросселем и нагрузкой, параллельно которой подключена емкость, общая точка соединения ключа и дросселя является средней точкой второй стойки, при этом входная диагональ моста подключена к источнику нестационарного напряжения, а выходная диагональ закорочена третьим полупроводниковым ключом, причем напряжение аккумуляторной батареи выбирается в два раза большим номинального напряжения нагрузки. 1 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, а точнее к агрегатам резервного или бесперебойного питания сети постоянного тока, преимущественно работающей от нестабильных источников электропитания, мощность которых может меняться в широких пределах (ветро-, гидро-, фото- и т.п. электростанции).

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является описанный в патенте РФ на полезную модель №29416 «Источник вторичного электропитания», содержащий импульсный высокочастотный преобразователь с индуктивно-емкостным фильтром и широтно-импульсным модулятором, выход которого подключен к нагрузке, аккумуляторную батарею с цепью заряда и содержащей полупроводниковый ключ цепью разряда, устройство управления полупроводниковым ключом, подключенное к датчику состояния питающей сети, при этом аккумуляторная батарея соединена с питающей сетью последовательно через полупроводниковый ключ, нагрузку и импульсный высокочастотный преобразователь, зарядное устройство выполнено в виде ДС/ДС - преобразователя, подключенного входом к выходу импульсного высокочастотного преобразователя параллельно нагрузке, а выходом подключенного к аккумуляторной батарее. Данное устройство так же как и предлагаемое относится к классу бестрансформаторных преобразователей и предназначено для суммирования электроэнергии от аккумуляторного и преимущественно нестационарного источника. Суммирование осуществляется путем добора от аккумуляторной батареи недостающей части энергии.

Существенными признаками источника вторичного электропитания - прототипа, совпадающими с признаками предлагаемого технического решения, является наличие источника нестационарного напряжения, аккумуляторной батареи, ключа, расположенного между аккумуляторной батареей и нагрузкой, подключение параллельно нагрузке конденсатора фильтра.

Источник вторичного электропитания - прототип позволяет использовать практически полный диапазон производимых источником переменного напряжения мощностей, однако конструктивно достаточно сложен в связи с необходимостью использования гальванически разделенных источников питания управляющих цепей полупроводниковых ключей, что влияет в том числе и на экономичность источника вторичного электропитания.

Предлагаемым изобретением другим способом решается техническая задача суммирования энергии от источника нестационарного напряжения и аккумуляторной батареи - за счет разделения времени подключения к нагрузке того или иного источника энергии, что позволяет значительно упростить конструкцию и повысить экономичность источника вторичного электропитания.

Для достижения указанного технического результата источник вторичного электропитания содержит источник нестационарного напряжения и импульсный полупроводниковый мост, включающий первую стойку, образованную соединенными последовательно первым полупроводниковым ключом и аккумуляторной батареей, общая точка соединения которых является средней точкой стойки, вторую стойку, образованную вторым ключом и последовательно соединенными дросселем и нагрузкой, параллельно которой подключена емкость, общая точка соединения ключа и дросселя является средней точкой второй стойки, при этом входная диагональ моста подключена к источнику нестационарного напряжения, а выходная диагональ закорочена третьим полупроводниковым ключом, причем напряжение аккумуляторной батареи выбирается в два раза большим номинального напряжения нагрузки.

Отличительными признаками предлагаемого источника вторичного электропитания от известного является то, что предложена мостовая схема, в которой аккумуляторная батарея и источник нестационарного напряжения имеют общую отрицательную шину питания, наличие вольтдобавки, реализованной путем включения последовательно с нагрузкой дросселя, подключенного к источнику нестационарного напряжения и к аккумуляторной батарее поочередно с помощью ключей моста, так что в дросселе в течение полпериода накапливается энергия от аккумуляторной батареи, а в течение второго периода эта энергия суммируется с энергией источника нестационарного напряжения. Это достигается тем, что ключи коммутируются в зависимости от соотношения напряжения аккумуляторной батареи, номинального напряжения нагрузки и напряжения нестационарного источника питания, причем напряжение аккумуляторной батареи выбирается в два раза большим номинального напряжения нагрузки.

Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными достигается следующий технический результат - реализуется другой способ суммирования энергии от источника нестационарного напряжения и аккумуляторной батареи - за счет разделения времени подключения к нагрузке того или иного источника энергии, что позволяет значительно упростить конструкцию за счет исключения из источника вторичного электроснабжения гальванически развязанных источников питания цепей управления силовых ключей и повысить экономичность источника вторичного электропитания.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемый источник вторичного электропитания, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности "новое".

На основании сравнительного анализа предложенного технического решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций, и достигаемых целей существует неочевидная причинно-следственная связь. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение в предложенном устройстве не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности «изобретательский уровень».

Предложенное техническое решение может найти применение в системах бесперебойного электропитания и позволяет для этих целей в качестве основного источника электроэнергии использовать нестабильные, в том числе возобновляемые источники энергии, а следовательно, данное решение соответствует критерию «промышленно применимо».

Изображенный на схеме источник вторичного электропитания содержит высокочастотные полупроводниковые ключи 1, 2, 3, нагрузку с параллельно подключенным конденсатором 4, дроссель 5, аккумуляторную батарею 6, источник нестационарного напряжения постоянного тока 7. В качестве нагрузки 4 может выступать инвертор, если потребителю необходимо напряжение промышленной частоты.

Работу устройства рассмотрим в трех режимах, поскольку состояние ключей определяется соотношением напряжения аккумуляторной батареи, номинального напряжения нагрузки и напряжения нестационарного источника питания.

1. Первый режим характеризуется тем, что напряжение нестационарного источника питания 7 меньше номинального напряжения нагрузки 4.

Для правильной работы предложенного импульсного моста следует выбрать напряжение аккумуляторной батареи 6 в два раза большим напряжения номинального на нагрузке 4 и ограничить скважность управляющих импульсов второго ключа уровнем 0,5. Тем самым процесс разбивается на два полупериода. В первом полупериоде аккумуляторная батарея 6 питает нагрузку 4 и при этом заряжает энергией дроссель 5. В начале второго периода за счет запирания ключа 2 на дросселе 5 резко меняется напряжение от напряжения аккумуляторной батареи Uаб до напряжения нестационарного источника 7 Uи, возникает изменение тока через дроссель 5 ∂i/∂t и возникает эдс самоиндукции Lя·∂i/∂t, которая при включенном ключе 3 суммируется с напряжением нестационарного источника питания 7. Т.е. во втором полупериоде обеспечивается суммирование энергии аккумулятора 6 и энергии нестационарного источника питания 7, запасенной в дросселе, причем по мере повышения напряжения нестационарного источника 7 уменьшается скважность управляющих импульсов ключа 2, т.е. аккумуляторная батарея 6 отдает в нагрузку лишь часть энергии, которой нагрузке 4 недостает от нестационарного источника 7. Здесь суммирование энергий происходит за счет разделения времени подключения к нагрузке того или иного источника энергии, а дроссель 5 играет роль «вольтдобавки».

2. Второй режим характеризуется тем, что напряжение нестационарного источника 7 питания больше номинального напряжения нагрузки 4, но меньше напряжения аккумуляторной батареи 6. При этом ключи 1 и 2 закрыты, ключ 3 коммутируется в широтно-импульсном режиме. Здесь при увеличении напряжения нестационарного источника питания 7 уменьшается скважность управляющих импульсов по закону γ₁=1-Uи/Uаб, тем самым обеспечивая стабилизацию напряжения на нагрузке.

3. Третий режим характеризуется тем, что напряжение нестационарного источника 7 питания больше напряжения аккумуляторной батареи 6. В этом режиме ключ 3 закрывается, а ключ 2 открывается. Ключ 1 управляется в широтно-импульсном режиме со скважностью γ₁, которая убывает по мере увеличения напряжения нестационарного источника 7, тем самым обеспечивая стабилизацию напряжения на параллельно подключенных в этом режиме аккумуляторной батарее 6 и нагрузке 4. За счет этого обеспечивается заряд аккумуляторной батареи 6 и питание нагрузки 4. Причем ток заряда при этом равен разности тока нестационарного источника энергии 7 и тока нагрузки 4. Т.е. избыточная энергия нестационарного источника 7 идет на заряд аккумуляторной батареи 6. Для повышения точности стабилизации в широтно-импульсный модулятор ключа 1 можно включить отрицательную обратную связь по напряжению нагрузки 4. Однако, если в качестве нагрузки используется инвертор, вполне достаточно обеспечить законы управления 1 и 2.

За счет применения в источнике вторичного питания предложенного импульсного полупроводникового моста управляющие входы всех ключей могут быть запитаны от одного источника питания без гальванической развязки, причем этот источник может иметь общую отрицательную шину с источником нестационарного напряжения и аккумуляторной батареей. Благодаря указанному исчезает необходимость в дополнительном источнике питания управляющих входов ключей. Это позволяет уменьшить вес, габариты и стоимость источника бесперебойного питания. По сути предложенный мост может быть отнесен к бестрансформаторным схемам с гальваническими связями, обеспечивающий стабильное напряжение на нагрузке при изменении Uи от 0 до 2 Uи.

Источник вторичного электропитания, характеризующийся тем, что он содержит источник нестационарного напряжения и импульсный полупроводниковый мост, включающий первую стойку, образованную соединенными последовательно первым полупроводниковым ключом и аккумуляторной батареей, общая точка соединения которых является средней точкой стойки, вторую стойку, образованную вторым ключом и последовательно соединенными дросселем и нагрузкой, параллельно которой подключена емкость, общая точка соединения ключа и дросселя является средней точкой второй стойки, при этом входная диагональ моста подключена к источнику нестационарного напряжения, а выходная диагональ закорочена третьим полупроводниковым ключом, причем напряжение аккумуляторной батареи выбирается в два раза большим номинального напряжения нагрузки.