RU2803077C1 - Источник бесперебойного питания - Google Patents

Abstract

Источник бесперебойного питания относится к области электротехники, а более конкретно к области систем бесперебойного питания переменного тока, в которых источник бесперебойного питания (ИБП) при пропадании напряжения питающей сети переменного тока производит питание потребителей переменного тока путем преобразования электроэнергии постоянного тока, запасенной в накопителе (например, в аккумуляторной батарее (АБ)), в энергию переменного тока. При нормальной работе основной сети переменного тока ИБП производит заряд АБ, а затем поддерживает необходимое напряжение на ней путем выпрямления напряжения, подаваемого от основной сети. Техническим результатом изобретения является повышение КПД работы ИБП благодаря низкому коэффициенту гармонических искажений, снижению коммутационных потерь и снижению потерь при малом коэффициенте загрузки устройства. Также изобретение позволяет использовать его без изменений в однофазной и трехфазной сетях, соединяя несколько устройств звездой или треугольником, и повышать рабочие токи, соединяя устройства параллельно. Технический результат получается путем использования источника бесперебойного питания (ИБП), содержащего сетевой контактор, подключенный между сетью и нагрузкой, предназначенный для подключения и отключения питающей сети, входной фильтр, подключенный к нагрузке и сетевому контактору, выполненный в виде сетевого дросселя, систему управления, аккумуляторную батарею, подключенную к входу постоянного тока реверсивного инвертора, и отличающегося тем, что инвертор и аккумуляторная батарея являются однофазным устройством, состоящим из не менее двух модулей, входящих в состав плеча, соединены последовательно между собой, а также в плечо введены последовательно соединенный с модулями датчик тока, вторым концом подключенный к нагрузке, а информационным выходом - к системе управления, и датчик напряжения, присоединенный параллельно нагрузке, информационный выход которого подключен к системе управления, управляющие входы и информационные выходы модулей при этом подключены через гальванически развязанные входы и выходы дополнительно введенных промежуточных систем управления к цифровым входам и выходам системы управления. 5 ил., 1 табл.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники, в частности, к источникам бесперебойного питания (ИБП) и предназначено для бесперебойного электроснабжения потребителей переменным и постоянным током.

Среди множества изобретений его аналогами являются:

– устройство бесперебойного питания с преобразователем постоянного тока (RU 148 644 U1,опубликовано: 10.12.2014 Бюл. № 34), являющееся устройством бесперебойного питания с автоматическим включением резервного питания и предназначенное для бесперебойного электроснабжения потребителей постоянного тока;

Недостатком бесперебойного источника постоянного тока является то, что оно способно работать только на постоянном токе, хотя и обеспечивает высокий КПД.

– преобразователь частоты со встроенным источником резервного питания (RU 2644385 C2,опубликовано: 12.02.2018 Бюл. № 5), предназначенный для обеспечения бесперебойной работы лифтового оборудования без остановки кабины и переключения с трехфазного питания на однофазное при пропадании напряжения сети. В преобразователе частоты со встроенным источником резервного питания, содержащем входной активный выпрямитель, к выходу которого подключен накопительный конденсатор, соединенный с выходом преобразователя постоянного напряжения и входом автономного инвертора напряжения переменной частоты, к которому подключен тормозной резистор, дополнительно введены зарядно-подзарядное устройство, вход которого подключен к входному активному выпрямителю, аккумуляторная батарея, соединенная с выходом зарядно-подзарядного устройства и входом преобразователя постоянного напряжения, и инвертор напряжения фиксированной частоты, вход которого соединен с входным активным выпрямителем через накопительный конденсатор.

Недостатками преобразователя частоты со встроенным источником резервного питания является высокий коэффициент гармонических искажений, вызванных ШИМ, и относительно большие активные потери, особенно сильно заметные в режимах неполной загрузки. Также недостатками являются: высокие коммутационные потери и необходимость осуществлять балансировку высоковольтной АБ и обеспечивать безопасную работу с высоковольтной АБ. Высокий коэффициент гармонических искажений приводит к большим постоянным времени фильтрующих устройств, что существенно усложняет синхронизацию и параллельную работу ИБП между собой.

– трехфазный источник бесперебойного питания большой мощности (RU 2529017 C2,опубликовано: 27.09.2014 Бюл. № 27), предназначенный для обеспечения бесперебойного питания без ступенчатого изменения в работе двух преобразователей электроэнергии так, чтобы на нагрузку могла подаваться стандартная трехфазная электроэнергия. Для этого заявленная схема преобразователя электроэнергии, содержащая вход, включающая множество входных линий, каждая из которых предназначена для соединения с фазой многофазного источника электроэнергии переменного тока, имеющей синусоидальный сигнал; множество шин постоянного тока, включающее первую положительную шину постоянного тока, имеющую первое номинальное напряжение постоянного тока, вторую положительную шину постоянного тока, имеющую второе номинальное напряжение постоянного тока, первую отрицательную шину постоянного тока, имеющую третье номинальное напряжение постоянного тока, и вторую отрицательную шину постоянного тока, имеющую четвертое номинальное напряжение постоянного тока; схему преобразователя электроэнергии, включающую первый преобразователь электроэнергии и второй преобразователь электроэнергии, каждый из которых соединен с входом переменного тока и по меньшей мере одной из множества шин постоянного тока.

Недостатками трехфазного источника бесперебойного питания большой мощности является высокий коэффициент гармонических искажений, вызванных ШИМ, и относительно большие активные потери, особенно сильно заметные в режимах неполной загрузки. Также недостатками являются: высокие коммутационные потери, необходимость осуществлять балансировку высоковольтной АБ и обеспечивать безопасную работу с высоковольтной АБ. Высокий коэффициент гармонических искажений приводит к большим постоянным времени фильтрующих устройств, что существенно усложняет синхронизацию и параллельную работу ИБП между собой.

Наиболее близким аналогом является источник бесперебойного питания с одиночным преобразованием (RU 124857 U1,опубликовано: 10.02.2013 Бюл. № 4) при пропадании напряжения питающей сети переменного тока производит питание ответственных потребителей переменного тока путем преобразования электроэнергии постоянного тока, запасенную в накопителе (например, в аккумуляторной батарее (АБ)) в энергию переменного тока. При нормальной работе основной сети переменного тока источник бесперебойного питания (ИБП) производит заряд АБ, а затем поддерживает необходимое напряжение на ней путем выпрямления напряжения, подаваемого от основной сети.

Прототип содержит АБ, подключенную к входу реверсивного автономного инвертора напряжения, выход которого через синус фильтр, который может быть реализован в виде дросселя, подключен к нагрузке и к выходным клеммам сетевого контактора. Управление источником бесперебойного питания осуществляется с помощью микропроцессорной системы управления.

Недостатками прототипа является высокий коэффициент гармонических искажений, вызванных ШИМ, и относительно большие активные потери, особенно сильно заметные в режимах неполной загрузки. Также недостатками являются: высокие коммутационные потери, для устройств с трехступенчатым преобразованием возникает проблема дополнительных потерь на преобразование, а для устройств с одноступенчатым преобразованием необходимо осуществлять балансировку высоковольтной АБ и обеспечивать безопасную работу с высоковольтной АБ. Высокий коэффициент гармонических искажений приводит к большим постоянным времени фильтрующих устройств, что существенно усложняет синхронизацию и параллельную работу ИБП между собой.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного ИБП, является:

– высокий КПД преобразования энергии, в том числе при низкой загрузке;

– высокое качество формируемого напряжения бесперебойного питания со стабилизацией по частоте и амплитуде;

– снижается необходимость в применении дополнительных мер по электробезопасности при обслуживании из-за низкого напряжения отдельного накопителя в модуле;

– возможность активной балансировки между накопителями энергии в отдельных модулях;

– возможность реализовывать неограниченное разнообразие топологий подключения нагрузки.

Результаты достигаются за счет того, что источник бесперебойного питания, содержащий сетевой контактор, подключенный между сетью и нагрузкой, предназначенный для подключения и отключения питающей сети, входной фильтр, выполненный в виде сетевого дросселя, подключенный к нагрузке и сетевому контактору, систему управления и модуль из реверсивного инвертора и подключенной к его входу постоянного тока аккумуляторной батареи, дополнительно содержит N идентичных модулей, где N ≥2, каждый из которых содержит реверсивный инвертор и подключенную к его входу аккумуляторную батарею, напряжение на которой не менее чем U_{b_min}, где U_{b_min} ≥ U_net /N, где U_net – амплитудное напряжение сети, а U_{b_min} – напряжение аккумуляторной батареи в разряженном состоянии, выходы переменного тока реверсивных инверторов всех модулей соединены последовательно между собой и с датчиком тока и образуют последовательную цепь, подключенную к свободным выводам сетевого дросселя и нагрузки, кроме того источник бесперебойного питания содержит датчик напряжения, присоединенный параллельно нагрузке, информационные выходы датчика тока и датчика напряжения подключены к системе управления, управляющие входы и информационные выходы модулей подключены через гальванически развязанные входы и выходы дополнительно введенных промежуточных систем управления к цифровым входам и выходам системы управления.

Такое решение позволяет обеспечить модульную конструкцию ИБП, дает возможность соединять модули в одно и многофазные конфигурации, позволяет формировать многоуровневую кривую напряжения на выходе, увеличивать номинальное рабочее напряжение путем добавления дополнительных М, снижает требования к фильтрующему оборудованию, обеспечивает высокий КПД преобразования энергии; высокое качество формируемого напряжения бесперебойного питания со стабилизацией по частоте и амплитуде; возможность произвольно менять форму ИБП, ограничиваясь форматом ячеек АБ для более эффективного использования доступного для размещения пространства; возможность быстрой «горячей замены» силовых модулей без выключения источника (при реализации конструкционной возможности извлечения одиночного модуля); снижение необходимости в применении дополнительных мер по электробезопасности при обслуживании из-за низкого напряжения отдельного накопителя в модуле; возможность активной балансировки между накопителями энергии в отдельных модулях; возможность реализовывать неограниченное разнообразие топологий подключения нагрузки.

КПД преобразования энергии при использовании модульного многоуровневого ИБП может превышать 97 %, что достигается благодаря: низкой частотой коммутации; возможностью применения высокоэффективной элементной базы; возможностью обеспечить коэффициент гармонических искажений менее 5 % до использования фильтрующего оборудования.

Модульные многоуровневые ИБП представляют собой резервный ИБП с одноступенчатым преобразованием, имеющие вместо единой высоковольтной батареи в звене постоянного тока множество низковольтных батарей, снабженных собственным преобразовательным устройством, несущим одновременно функции активной балансировки батарей, выпрямления, инвертирования и часть функций защиты батарей.

Сущность заявленного изобретения поясняется следующими фигурами:

Фиг. 1 – схема источника бесперебойного питания

Фиг. 2 – возможные варианты компоновки модулей для подключения сети и нагрузки

Фиг. 3 – блок-схема алгоритма выравнивания остаточной энергии накопителя в модулях

Фиг. 4 – схема примера реализации промежуточной системы управления

Фиг. 5 – схема примера реализации системы управления

Источник бесперебойного питания (фиг.1), содержит сетевой контактор (СК) 1, подключенный между сетью и нагрузкой, предназначенный для подключения и отключения питающей сети, входной фильтр (L) 2, выполненный в виде сетевого дросселя, подключенный к нагрузке и СК 1, систему управления (СУ)3 и модуль из реверсивного инвертора (И)4 и подключенной к его входу постоянного тока аккумуляторной батареи (АБ)5, а так же содержит N идентичных модулей (М) 6, где N ≥2, каждый из которых содержит реверсивный инвертор (И)4 и подключенную к его входу аккумуляторную батарею (АБ) 5, напряжение на которой не менее чем U_{b_min}, где U_{b_min} ≥ U_net /N, где U_net – амплитудное напряжение сети, а U_{b_min} – напряжение аккумуляторной батареи 5 в разряженном состоянии, выходы переменного тока реверсивных инверторов 4 всех модулей 6 соединены последовательно между собой и с датчиком тока (ДТ) 8 и образуют последовательную цепь, подключенную к свободным выводам сетевого дросселя 2 и нагрузки, кроме того источник бесперебойного питания содержит датчик напряжения (ДН) 9, присоединенный параллельно нагрузке, информационные выходы датчика тока 8 и датчика напряжения 9 подключены к системе управления 3, управляющие входы и информационные выходы модулей 6 подключены через гальванически развязанные входы и выходы дополнительно введенных промежуточных систем управления (ПСУ) 10 к цифровым входам и выходам СУ3.

Последовательность из N и более М 6, соединенных последовательно между собой и с ДТ 8, а также снабженная параллельно соединенным со всей цепью ДН 9, показанная на фиг. 1, можно обозначить как плечо (П) 7. Система управления (СУ) 3, также показанная на фиг. 1, реализует задачи верхнего уровня, такие как определение заданий на ток и напряжение, синхронизация с сетью, информационное взаимодействие с иными устройствами в сети и отработка аварийных ситуаций. Промежуточная системы управления (ПСУ) 10, выполняет низкоуровневые задачи балансировки М 6, определения их остаточного заряда, например, путем интегрирования тока через модуль. Энергия, прошедшая через каждый М 6, при этом определяется как

где E – энергия, прошедшая через модуль, о.е.; C – емкость накопителя модуля, Дж; S – функция мгновенного состояния модуля, принимающая значение 1, если модуль включен сонаправлено с током, 0, если модуль зашунтирован и -1, если модуль включен против тока плеча; i – мгновенный ток, протекающий через плечо, А; t – время, с. Более подробно возможная реализация алгоритма балансировки приведена на фиг. 3.

Напряжение на АБ 5 не должно опускаться ниже чем U_{b_min}, где U_{b_min}≥ U_net /N, где U_net – амплитудное напряжение сети, а U_{b_min} – напряжение АБ 5 в разряженном состоянии – это условие обеспечивает возможность контролировать ток заряда при подключении внешней сети. Иначе, что справедливо для любого ИБП с одноступенчатым преобразованием, заряд будет осуществляться неконтролируемо.

Плечи 7 могут соединяться как параллельно, так и в трехфазные конфигурации для формирования ИБП необходимой мощности и фазности, например, как показано на фиг. 2. Основными среди распространенных на территории РФ конфигураций являются звезда, треугольник и параллельное соединение. Для взаимодействия одновременно с сетью постоянного и переменного тока возможны соединения в однофазный и трехфазный мост. Для соединения двух трехфазных сетей может использоваться гексагональное соединение или матричное. Однако, перечень возможных конфигураций не ограничивается перечисленными и позволяет реализовать все основные варианты преобразовательных схем.

В режиме заряда СУ 3 формирует на плече 7 сетевое напряжение с амплитудной и фазовой коррекцией для управления зарядным током через накопители, ПСУ 10 выполняет функцию посредника, обеспечивающего гальваническую развязку сигналов модулей и СУ 3, а при большом количестве модулей 6 может взять на себя часть вычислительной работы, обрабатывая медленно изменяющиеся сигналы, такие как температура и остаточный заряд в накопителях.

В режиме разряда СУ3 формирует на плече 7 сетевое напряжение с амплитудной и фазовой коррекцией для управления разрядным током через накопители, ПСУ 10 выполняет функцию посредника, обеспечивающего гальваническую развязку сигналов модулей 6 и СУ 3, а при большом количестве модулей 6 может взять на себя часть вычислительной работы, обрабатывая медленно изменяющиеся сигналы, такие как температура и остаточный заряд в накопителях.

В режиме блокировки тока СУ 3, переводит все М 6, в непроводящее состояние, блокируя протекание тока через плечо 7.

Для параллельной работы плеч 7 их СУ 3, могут быть объединены в сеть типа «кольцо».

Рассмотрим пример реализации модульного многоуровневого ИБП. Для реализации базового функционала на базе литий-железофосфатных аккумуляторных ячеек необходимы три типа плат: модуль 6, промежуточная система управления 10 и система управления 3.

Модуль 6 состоит из следующих независимых схем:

- транзисторный мост и схемы транзисторных драйверов с гальванической развязкой управления;

- батарея конденсаторов для гашения импульсных помех;

- две цепи индикации критического заряда (одна на перезаряд и одна на глубокий разряд);

- цепь гальванически развязанного измерения напряжения (генерация сигнала, пропорционального разности минимального и фактического напряжения сборки аккумуляторов);

- термодатчик для контроля температуры аккумуляторов.

Модуль 6 содержит следующие управляющие входы и выходы:

- четыре оптически развязанных дискретных входа управления транзисторами;

- два оптически развязанных дискретных выхода индикации критического состояния аккумуляторной батареи;

- оптически развязанный ШИМ выход индикации напряжения аккумуляторной батареи;

- аналоговый выход в виде обкладок термосопротивления.

Для работы с сетевым напряжением 240 В, что соответствует амплитуде 336 В, потребуется 120 аккумуляторных ячеек или 30 модулей на одну фазу при использовании модуля, содержащего 4 ячейки, что обусловлено минимальным напряжением ячейки 2.8 В (2.8*120=336).

Плата промежуточной системы управления 10 (Фиг. 4) управляет группой из шести модулей 6. Размер группы определяется исходя из количества модулей 6. Группа из более чем восьми модулей трудно реализуема на доступных микроконтроллерах, имеющих относительно небольшое количество интерфейсных выводов. Наибольшим целочисленным множителем числа 30 (количество модулей в фазе), при озвученном ограничении, является число шесть, выбранное в качестве размера группы. Плата промежуточной системы управления содержит, кроме микроконтроллера, следующие интерфейсные элементы и выходы:

- подключаемый по i2c расширитель портов ввода для подключения 12 входов критического разряда и заряда и управления аналоговыми мультиплексорами;

- повторитель для получения сигнала с датчика тока фазы с аналоговым входом;

- аналоговый вход с уставкой от системы управления фазой;

- два дискретных выхода с усилительным каскадом, позволяющим разделять сигнал на шесть модулей одновременно;

- 12 дискретных выходов для управления нижними ключами;

- аналоговый мультиплексор для переключения между шестью входами ШИМ и шестью входами терморезисторов;

- Дискретный выход ошибки;

- аналоговый ШИМ выход отданного заряда;

- аналоговый ШИМ выход максимальной температуры.

Система управления для реализации трехфазного ИБП (Фиг. 5) должна содержать следующий перечень входов и выходов (для подключения 15 групп по 6 модулей):

- через аналоговый мультиплексор подключаются 15 сигналов отданного заряда и 15 сигналов температуры

- по интерфейсу I2C подключаются 15 дискретных входов ошибок в группах

- 3 аналоговых входа фазных токов преобразователя

- 3 аналоговых входа фазных токов сети

- 3 аналоговых входа фазных напряжений

- по интерфейсу I2C подключаются выходы управления мультиплексорами

- 3 дискретных выхода знаков напряжения

- 3 аналоговых выхода с уставкой по напряжению, каждый из которых разбивается аналоговой схемой смещения и усиления на 5 уровней и коммутируется через аналоговые мультиплексоры

Для подтверждения КПД установки приведем пример расчета потерь в одной из вариаций предлагаемого ИБП на 1 кВт.

Расчет потерь на проводимость модуля:

Потери на коммутацию модуля:

Общие потери в модуле:

Номинальная мощность рассматриваемого преобразователя

Результирующий КПД преобразователя однофазного из 30 модулей:

Для иллюстрации повышения качества напряжения приведена расчетная таблица 1, содержащая зависимость коэффициента гармонического искажения от количества уровней при формировании выходного сигнала

Таблица 1 – Повышение качества выходного напряжения

Число уровней	Коэффициент гармонических искажений для ступенчатой кривой напряжения, %
	fix	round	ceil
3, ШИМ	48.42
3	33.36	33.15	71.71
5	5.72	10.36	12.49
10	2.74	5.31	4.88
15	2.11	3.07	3.71
20	1.11	2.54	2.49
25	1.22	1.56	1.80

Таким образом, заявляемое техническое решение реализует поставленные задачи - повышения КПД и улучшения качества выходного напряжения ИБП.

Claims (1)

1. Источник бесперебойного питания, содержащий сетевой контактор, подключенный между сетью и нагрузкой, предназначенный для подключения и отключения питающей сети, входной фильтр, выполненный в виде сетевого дросселя, подключенный к нагрузке и сетевому контактору, систему управления и модуль из реверсивного инвертора и подключенной к его входу постоянного тока аккумуляторной батареи, отличающийся тем, что что содержит N идентичных модулей, где N ≥ 2, каждый из которых содержит реверсивный инвертор и подключенную к его входу аккумуляторную батарею, напряжение на которой не менее чем U_{b_min}, где U_{b_min} ≥ U_net /N, где U_net – амплитудное напряжение сети, а U_{b_min} – напряжение аккумуляторной батареи в разряженном состоянии, выходы переменного тока реверсивных инверторов всех модулей соединены последовательно между собой и с датчиком тока и образуют последовательную цепь, подключенную к свободным выводам сетевого дросселя и нагрузки, кроме того, источник бесперебойного питания содержит датчик напряжения, присоединенный параллельно нагрузке, информационные выходы датчика тока и датчика напряжения подключены к системе управления, управляющие входы и информационные выходы модулей подключены через гальванически развязанные входы и выходы дополнительно введенных промежуточных систем управления к цифровым входам и выходам системы управления.