PL166283B1

PL166283B1 - Urzadzenie do bezzanikowego zasilania energia elektryczna PL

Info

Publication number: PL166283B1
Application number: PL91293190A
Authority: PL
Inventors: Oezkan Akdogan
Original assignee: Oezkan Akdogan
Priority date: 1990-03-27
Filing date: 1991-03-15
Publication date: 1995-04-28
Also published as: EP0521901B1; WO1991015048A3; TR27883A; DE4108259A1; ATE111264T1; DK0521901T3; DE59102851D1; AU7459491A; PL293190A1; DE4108259C2; WO1991015048A2; ES2062773T3; EP0521901A1

Abstract

1. Urzadzenie do bezzanikowego zasilania energia elektryczna zawierajace pierwszy przetwornik do przetwarzania doprowadzo- nego napiecia przemiennego na napiecie z modulacja impulsowa oraz drugi przetwornik do przetwarzania napiecia stalego z baterii na napiecie z modulacja impulsowa, przy czym wyjscia przetworników sa dolaczone do uzwo- jen pierwotnych transformatora, na którego uzwojeniu wtórnym wystepuje wyjsciowe napie- cie przemienne, a wejscia sterujace przetwor- ników sa dolaczone do ukladu sterujacego, znamienne tym, ze wejscie sterujace drugiego przetwornika (W2) jest polaczone z ukladem sterujacym (5) poprzez uklad bramkujacy (F), przy czym wejscie sterujace ukladu bramkuja- cego (F) jest polaczone poprzez uklad sterujacy (5) z czujnikiem napieciowym (1) dolaczonym do zacisków wejsciowych (E1, E2) urzadzenia. Fig . 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do bezzanikowego zasilania energią elektryczną.

Znane są urządzenia do bezzanikowego zasilania energią elektryczną, w których równocześnie do sieci prądu przemiennego włączona jest za pośrednictwem prostownika bateria oraz falownik. Podczas pracy tych urządzeń prostownik dostarcza zarówno prądu potrzebnego dla falownika, jak i dla podtrzymania ładunku baterii. Jeżeli napięcie sieciowe spada poniżej zadanej wartości, to falownik pobiera odpowiedni prąd z baterii. Tak więc napięcie wyjściowe falownika nie wykazuje zaniku. Tego rodzaju urządzenia mają jednak tę wadę, że prąd ładowania baterii bardzo silnie zależy od wielkości napięcia sieciowego i od aktualnie pobieranego prądu. W innych znanych urządzeniach do bezzanikowego zasilania energią elektryczną ładowanie baterii odbywa się niezależnie od wytwarzania napięcia w normalnych warunkach pracy sieciowej. Jeżeli w przypadku zaniku napięcia sieciowego zachodzi potrzeba prądu z baterii, to następuje przełączenie z przetwarzania napięcia sieciowego na wyjściowe napięcie przemienne na przetwarzanie napięcia baterii na wyjściowe napięcie przeminne, co często nie odbywa się zupełnie bezzanikowo.

Znany jest ponadto z opisu zgłoszeniowego Wielkiej Brytanii nr 2120474 zasilacz sieciowy zapewniający bezawaryjne zasilanie odbiorników energii elektrycznej. Zasilacz sieciowy jest zbudowany z dwóch przetworników, przy czym pierwszy przetwornik jest przeznaczony do przetwarzania doprowadzonego napięcia przemiennego na napięcie z modulacją impulsową, zaś drugi

166 283 przetwornik jest przeznaczony do przetwarzania napięcia stałego z baterii na napięcie z modulacją impulsową. Wyjścia przetworników kontrolowanych przez układ sterujący są dołączone do uwojeń pierwotnych transformatora, na którego uzwojeniu wtórnym uzyskuje się wyjściowe napięcie przemienne.

Istotą urządzenia do bezzanikowego zasilania energią elektryczną według wynalazku, zawierającego pierwszy przetwornik do przetwarzania doprowadzonego napięcia przemiennego na napięcie z modulacją impulsową oraz drugi przetwornik do przetwarzania napięcia stałego z baterii na napięcie z modulacją impulsową, przy czym wyjścia przetworników są dołączone do uzwojeń pierwotnych transformatora, na którego uzwojeniu wtórnym występuje wyjściowe napięcie przemienne, a wejścia sterujące przetworników są dołączone do układu sterującego, jest to, że wejście sterujące drugiego przetwornika jest połączone z układem sterującym poprzez układ bramkujący, przy czym wejście sterujące układu bramkującego jest połączone poprzez układ sterujący z czujnikiem napięciowym dołączonym do zacisków wejściowych urządzenia.

Korzystne jest, gdy zgodnie z wynalazkiem drugi przetwornik ma cztery wejścia sterujące, z których każde jest połączone poprzez element I z układem sterującym.

Dalsze korzyści z wynalazku uzyskuje się, gdy każdy z przetworników zawiera układ przeciwsobny zbudowany z przełączników elektronicznych. Pierwszy układ przeciwsobny składa się z dwóch sterowanych przeciwsobnie względem siebie gałęzi, przy czym do przełączników elektronicznych tego układu przeciwsobnego są dołączone równolegle diody biegu jałowego. Drugi układ przeciwsobny składa się z dwóch połączonych szeregowo gałęzi, z których każda jest dołączona do jednego z uzwojeń pierwotnych transformatora, oraz zawiera włączoną szeregowo z przełącznikami elektronicznymi tego układu przeciwsobnego w każdej jego gałęzi diodę, przy czym diody są dołączone do tego samego bieguna baterii.

Korzystnie jest ponadto, gdy zgodnie z wynalazkiem transformator ma dodatkowe uzwojenie wtórne połączone poprzez prostownik ładujący z baterią.

Zaletą urządzenia według wynalazku jest to, że przy przechodzeniu z pobierania energii elektrycznej z sieci na pobieranie energii z baterii praktycznie nie występuje żadne zakłócenie. Urządzenie według wynalazku charakteryzuje się dużym współczynnikiem sprawności, przy czym jego napięcie wyjściowe i częstotliwość nie zależy od wahań doprowadzonego napięcia wejściowego i jego częstotliwości. Ponadto w urządzeniu nie stosuje się drogich i ciężkich dławików magazynujących a wykorzystuje się tylko jeden transformator, przy czym istnieje możliwość prostego ładowania baterii z prostownika ładującego dołączonego do dodatkowego uzwojenia wtórnego tego transformatora.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy urządzenia według wynalazku, fig. 2 - jego schemat szczegółowy, fig. 3A, 3B, 3C, 3D - działanie drugiego układu przeciwsobnego, fig4A, 4B, 4C, 4D - działanie pierwszego układu przeciwsobnego, a fig. 5 - gałąź drugiego układu przeciwsobnego.

W urządzeniu według wynalazku, przedstawionym na figurze 1, stosowany jest pierwszy przetwornik W1 oraz drugi przetwornik W2. Pierwszy przetwornik W1 otrzymuje za pośrednictwem zacisków wejściowych El, E2 wejściowe napięcie przemienne Ue. Napięcie wyjściowe z modulacją szerokości impulsów pierwszego przetwornika W1 stanowi ciąg impulsów, których częstotliwość jest znacznie wyższa niż częstotliwość wyjściowego napięcia przemiennego Ua. Napięcie to jest podawane na pierwsze uzwojenie pierwotne 16 transformatora E. W jednym z praktycznych przykładów wykonania przeprowadzono próby z częstotliwością impulsów wynoszącą 20 kHz przy częstotliwości wyjściowego napięcia przemiennego Ue wynoszącej 50 Hz. Szerokość impulsów jest modulowana w ten sposób, że powoduje utworzenie w dużym przybliżeniu przebiegu sinusoidalnego. Przy tym napięcie wyjściowe pierwszego przetwornika W1 w dodatniej półfali składa się z impulsów dodatnich a w ujemnej półfali z impulsów ujemnych. Dzięki temu unika się przemagnesowywania transformatora E z dużą częstotliwością. Dzięki temu możliwe jest zastosowanie taniego transformatora z rdzeniem żelaznym.

Drugi przetwornik W2 przetwarza napięcie baterii 33 również w napięcie z modulacją szerokości impulsów doprowadzane do jednego z dwóch uzwojeń częściowych 17, 18 drugiego uzwojenia pierwotnego transformatora E. Z uzwojenia wtórnego 20 można odbierać wyjściowe napięcie

166 283 przemienne Ua. Dodatkowe uzwojenie wtórne 19 służy, wraz z prostownikiem ładującym 29, do ładowania baterii 33. Układ sterujący 5 wytwarza impulsy do sterowania przetworników W1 i W2. Poza tym układ sterujący 5 otrzymuje z czujnika napięciowego 1 sygnał informujący o zaniku lub niedopuszczalnej zmianie wejściowego napięcia przemiennego Ue na zaciskach wejściowych E1, E2. Impulsy wytwarzane przez układ sterujący 5 doprowadzane są bezpośrednio do pierwszego przetwornika W1, zaś do drugiego przetwornika W2 za pośrednictwem układu bramkującego F, który również sterowany jest z układu sterującego 5. Dopóki wejściowe napięcie przemienne Ue znajduje się w dopuszczalnym zakresie, to układ bramkujący F nie przepuszcza impulsów. W związku z tym wysterowany jest tylko pierwszy przetwornik W1 tak, że na wyjściowe napięcie przemienne UAjest przetwarzane wejściowe napięcie przemienne Ue za pomocą pierwszego przetwornika W1 i tranasformatora E z uzwojeniem pierwotnym 16 i wtórnym 20. Dzięki niewielkiej liczbie następujących po sobie przetworzeń na różne rodzaje napięć otrzymuje się przy tym bardzo dobry współczynnik sprawności.

Jeżeli wejściowe napięcie przemienne Ue wyjdzie poza dopuszczalne granice, lub zaniknie, to układ bramkujący F zostanie przełączony w stan przepuszczania. Przy tym drugi przetwornik W2 zostanie włączony do całkowicie synchronicznej pracy z pierwszym przetwornikiem W1 i będzie dostarczał energii elektrycznej z baterii 33 do uzwojeń częściowych 17, 18 drugiego uzwojenia pierwotnego transformatora E. Ponieważ nie jest potrzebny żaden proces rozbiegowy, to przy przełączaniu zasilania nie wystąpi przerwa. Od początku zaniku wejściowego napięcia przemiennego Ue do przełączania układu bramkującego F upływa około 100ps, podczas gdy znajdujący się w pierwszym przetworniku W1 kondensator magazynujący przy pełnym obciążeniu dostarcza energii elektrycznej do pierwszego przetwornika W1 w przeciągu 10ms.

Inne cechy przykładowego wykonania wynalazku objaśnione są w odniesieniu do figury 2. Pierwszy przetwornik W1 składa się w zasadzie z prostownika sieciowego 2 i pierwszego układu przeciwsobnego 34. Do zacisków wejściowych E1, E2 dołączony jest w znany sposób filtr sieciowy 30, 31. Do prostownika sieciowego 2 dołączony jest kondensator magazynujący 6. Otrzymane w ten sposób napięcie stałe za pomocą pierwszego układu przeciwsobnego 34 przetwarzane jest, w opisany powyżej sposób, na napięcie z modulacją częstotliwości impulsów.

Pierwszy układ przeciwsobny 34 składa się z czterech przełączników elektronicznych T1, T2, T3, T4, stanowiących tranzystory, z których każdy dołączony jest równolegle do diody biegu jałowego D1, D2, D3, D4. Do sterowania przełączników elektronicznych T1, T2, T3, T4 służą tranasformatory sterujące 7, 8, 9,10, do których uzwojeń pierwotnych doprowadzone są sygnały sterujące A, B, C i D z urządzenia sterującego 5. Do układu sterującego 5 dołączony jest pierwszy generator 4 wytwarzający sinusoidalne napięcie przemienne o częstotliwości odpowiadającej wyjściowemu napięciu przemiennemu Ua. Poza tym drugi generator 3 dostarcza napięcie trójkątne o częstotliwości ok. 20 kHz, które wykorzystywane jest w znany sposób do wytwarzania impulsów z modulacji szerokości. Impulsy te doprowadzane są w charakterze sygnałów sterujących B i C do pierwszego układu przeciwsobnego 34 oraz do drugiego układu przeciwsobnego 15 drugiego przetwornika W2. Poza tym układ sterujący 5 wytwarza impulsy prostokątne A i D, których położenie czasowe odpowiada półfalom sinusoidalnego napięcia przemiennego. Również te impulsy doprowadzane są do pierwszego układu przeciwsobnego 34 i do drugiego układu przeciwsobnego 15.

Drugi przetwornik W2 składa się w zasadzie z dwóch gałęzi drugiego układu przeciwsobnego 15, z których każdy złożony jest z szeregowo połączonych dwóch przełączników elektronicznych 24, 27 oraz 25, 26, stanowiących tranzystory, z którymi szeregowo połączone są diody 22, 23. Wyprowadzenie drenu każdego z dwóch należących do tego układu przeciwsobnego transformatorów doprowadzone jest do jednego z uzwojeń częściowych 17,18 drugiego uzwojenia pierwotnego transformatora 8.

Z układu sterującego 5 sygnały sterujące A, B, C, D doprowadzane są do elektrod sterujących G transformatorów stanowiących przełączniki elektroniczne 24, 25, 26, 27 za pośrednictwem elementów I 11,12,13,14. Do każdego drugiego wejścia elementu I 11,12,13,14 doprowadzany jest sygnał przełączający z układu sterującego 5. Dzięki temu sterowanie drugiego układu przeciwsobnego 15, czyli drugiego przetwornika W2, może być włączane lub wyłączane.

166 283

Uzwojenie wtórne 20 transformatora E połączone jest z kondensatorem 21 i z zaciskami wyjściowymi 32 przemiennego napięcia wyjściowego Ua. Kondensator 21 służy przy tym do tłumienia zakłóceń powodowanych przez impulsy o częstotliwości 20 kHz. Wyjściowe napięcie przemienne Ua za pośrednictwem transformatora pomocniczego 28 obniżane jest do około 12 V i służy po odpowiednim wyprostowaniu jako napięcie zasilania układu sterującego 5 oraz jako wartość rzeczywista do regulacji wyjściowego napięcia przemiennego Ua za pośrednictwem zmian szerokości impulsów sygnałów sterujących B i C.

Dodatkowe uzwojenie wtórne 19 transformatora E połączone jest z prostownikiem ładującym 29, do którego dołączona jest bateria 33. Tak więc bateria 33, podczas pracy urządzenia według wynalazku, jest we współpracy z siecią rozładowywana lub ładowana.

Działanie drugiego układu przeciwsobnego 15 zostanie objaśnione na podstawie figur 3A, 3B, 3C, 3D. W tym celu przełączniki elektroniczne 24, 25, 26, 27 przedstawiono symbolicznie jako klucze. Figury 3A, 3B, 3C, 3D przedstawiają stany włączenia i przepływu prądu w czterech różnych punktach czasowych okresu wyjściowego napięcia przemiennego Ua, przy czym fig.3A i 3B przedstawia stany włączania i przepływu prądu podczas pierwszej półfali, a fig. 3C i 3D podczas drugiej półfali. Odpowiednio do tego, podczas pierwszej półfali w wyniku sterowania sygnałem sterującym D, zwarty jest przełącznik 25, natomiast przełącznik 26 jest włączany i wyłączany z częstotliwością ok. 20 kHz. Inne przełączniki 24,27 w ciągu całej pierwszej półfali nie przewodzą czyli są rozwarte.

W okresie zwarcia przełącznika 26, z bieguna dodatniego baterii 33 za pośrednictwem uzwojenia częściowego 18 i przełącznika 26 do bieguna ujemnego baterii 33 płynie prąd I1, który dzięki składowej indukcyjnej uzwojenia częściowego 18 w ciągu całego okresu włączenia przełącznika 26 narasta. Po każdym z impulsów sygnału sterującego C przełącznika 26 zostaje znów rozwarty (fig. 3B). Zmagazynowana w indukcyjności energia powoduje przepływ przez uzwojenie częściowe 18, włączony przełącznik 25 i diodę biegu jałowego 23, prądu 12, który do wystąpienia następnego impulsu sygnału sterującego C stopniowo zmniejsza się. Te procesy powtarzają się przy wszystkich impulsach sygnału sterującego podczas pierwszej połówki fali wyjściowego napięcia przemiennego Ua.

Podczas drugiej półfali wyjściowego napięcia przemiennego Ua, zgodnie z fig.3C i 3D, przełączniki 25,26 nie przewodzą, a przełącznik 24 w wyniku sterowania sygnałem A przewodzi. Przełącznik 27 zawierany jest impulsowo odpowiednio do sygnału sterującego B. Prąd I1 z baterii 33 za pośrednictwem uzwojenia częściowego 17 i przełącznika 27 płynie na przemian z prądem I2 z uzwojenia częściowego 17 przez diodę biegu jałowego 22. Opisane przy pomocy fig. 3A, 3B, 3C, 3D procesy wskazują wyraźnie, że uzwojenia częściowe 17, 18 pracują tylko z częstotliwością przemiennego napięcia wyjściowego Ua, dzięki czemu straty na magnesowanie rdzenia transformatora E zmniejszają się odpowiednio do liczby zmian kierunku strumienia.

Figura 4 przedstawia stany pierwszego układu przeciwsobnego 34 oraz przepływ prądu przez ten układ w czterech punktach czasowych, przy czym fig.4A i 4B ukazują sytuację podczas pierwszej półfali, a fig. 4C i 4D sytuację podczas drugiej półfali wyjściowego napięcia przemiennego Ua. Podczas pierwszej półfali przełącznik T1 przewodzi, natomiast przełącznik T2 włączany jest impulsowo. Kiedy on przewodzi, to prąd 11 płynie z bieguna dodatniego źródła napięcia (prostownik 2 i kondensator magazynujący 6) poprzez przełącznik T1, pierwsze uzwojenie pierwotne 16 i przełącznik T2 do bieguna ujemnego. Pod koniec każdego impulsu sygnału sterującego B przełącznik T2 przestaje przewodzić, wskutek czego powstaje przepływ prądu I2 przez przełącznik T1, pierwsze uzwojenie pierwotne 16 i diodę biegu jałowego D3. W drugiej półfali powtarzają się te procesy z przełącznikami T3 i T4, przy czym przez pierwsze uzwojenie pierwotne 16 przepływa prąd I1 bądź 12 w odwrotnym kierunku.

Figura 5 przedstawia gałąź drugiego układu przeciwsobnego 15, w którym prądy I1 i I2 oznaczane są strzałkami. W odniesieniu do tej figury rysunku ważne są objaśnienia przedstawione wcześniej do fig. 3A, 3B, 3C, 3D.

ΊΚ~)

J₂₇ •IKR) •iKR jol

S¹

JOLY rl :2l· i_I λ

n

A

ΓΊ

225 7 m

t

23$ D

Π [

Ιΰ

225 7 (+)

Λ

V (+)

23/y 'y

I ό ίΚ-)

Fiq 3A

ΊΚΡ

Fig 38 'Ifc)

Fig 3C π

22$

A (+) 23Π

n \ 26

Fig.3D

D4

Fig 4A

G

Dl

Ε

Dl

Ζ\ΓΎ	(+) Tl T3 !,	7 Λ

A	16 / T4 T2 Θ	-K3- =; cc: =;

Θ

i.

1)3 1)4

Fig 4B

H żi jinn.

T4 ~ig 4C

D3 Dl

A	(+) ΓΙ T3 l₂	/ Δ
A	16 Al T2 Θ	/Ażś

D3

D2

D3 i)|

Fig 4Γ)

Z\	Tl	/ / ₍	ł,	T3	D Π 2)
	c	—B	16
zunii	/Γ4	Θ	T2	A

D?

D3

16(6283

f;₉.5

Fig. 4

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,100 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie do bezzanikowego zasilania energią elektryczną zawierające pierwszy przetwornik do przetwarzania doprowadzonego napięcia przemiennego na napięcie z modulacją impulsową oraz drugi przetwornik do przetwarzania napięcia stałego z baterii na napięcie z modulacją impulsową, przy czym wyjścia przetworników są dołączone do uzwojeń pierwotnych transformatora, na którego uzwojeniu wtórnym występuje wyjściowe napięcie przemienne, a wejścia sterujące przetworników są dołączone do układu sterującego, znamienne tym, że wejście sterujące drugiego przetwornika (W2) jest połączone z układem sterującym (5) poprzez układ bramkujący (F), przy czym wejście sterujące układu bramkującego (F) jest połączone poprzez układ sterujący (5) z czujnikiem napięciowym (1) dołączonym do zacisków wejściowych (El, E2) urządzenia.
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że drugi przetwornik (W2) ma cztery wejścia sterujące, z których każde jest połączone poprzez element I (11,12,13,14) z układem sterującym (5).
3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że każdy z przetworników (W1, W2) zawiera układ przeciwsobny (34,15) zbudowany z przełączników elektronicznych (T1, T2, T3, T4) oraz (24, 25, 26, 27).
4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że pierwszy układ przeciwsobny (34) składa się z dwóch sterowanych przeciwsobnie względem siebie gałęzi, przy czym do przełączników elektronicznych (T1, T2, T3, T4) tego układu przeciwsobnego są dołączone równolegle diody biegu jałowego (Dl, D2, D3, D4).
5. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że drugi układ przeciwsobny (15) składa się z dwóch połączonych szeregowo gałęzi, z których każda jest dołączona do jednego z uzwojeń pierwotnych (17, 18) transformatora (E), oraz zawiera włączoną szeregowo z przełącznikami elektronicznymi (2^, 27) oraz (25,26) tego układu przeciwsobnego w każdej jego gałęzi diodę (22, 23), przy czym diody (22, 23) są dołączone do tego samego bieguna baterii (33).
6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że transformator (E) ma dodatkowe uzwojenie wtórne (19) połączone poprzez prostownik ładujący (29) z baterią (33).