RU2806782C1

RU2806782C1 - Uninterrupted secondary power supply device

Info

Publication number: RU2806782C1
Application number: RU2022127216A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Александров; Константин Владимирович Игнатьев; Юрий Витальевич Казаков
Original assignee: Акционерное Общество "Научно-исследовательский институт "Бриз"
Filing date: 2022-10-18
Publication date: 2023-11-07

Abstract

FIELD: power electronics.

SUBSTANCE: invention can be used for guaranteed power supply of particularly critical equipment with secondary voltage from two on-site AC networks with support from a battery. A device for guaranteed secondary power supply is proposed with parallel support of secondary voltage from the first and second AC power lines and connection of the battery to the load bus during an emergency shutdown of the facility network, containing rectifiers (2) and (3) AC voltage from the first and second lines, power supply soft start devices (12) and (13), key stabilized converters (4) and (5), connected in parallel through current sensors (14) and (15) to the load bus, service power supplies (8) and (9), controllers (19) and (20), as well as a battery (17) to support the DC power line, a charger (18), a switch (1), isolation diodes (6) and (7), a service power supply (16) and controller (21), which collects control information from controllers (19) and (20) via the data bus and controls the correction of the reference voltages of the converters (4) and (5) to equalize the output currents with simultaneous power supply from the first and second AC lines, and in the event of an emergency shutdown of the facility’s network, it implements a transition to power supply from the DC line.

EFFECT: use of levelling the output current of the converters (4) and (5) in the main operating mode with simultaneous consumption from the first and second AC lines and switching to the DC power supply line in the event of an emergency shutdown of the facility network allows for increased reliability and expands the possibilities of using the proposed uninterruptible device secondary power supply to ensure trouble-free operation of critical equipment.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области силовой электроники, в частности к устройствам и трактам вторичного электропитания, и может быть использовано для бесперебойного электропитания вторичным напряжением от двух объектовых сетей с поддержкой от аккумуляторной батареи.The invention relates to the field of power electronics, in particular to devices and paths of secondary power supply, and can be used for uninterrupted power supply with secondary voltage from two facility networks with support from a battery.

Задача поддержания электропитания наиболее ответственных потребителей - при кратковременном понижении основной и резервной сети объекта, либо при аварийном отключении, является важнейшей составляющей обеспечения безаварийной работы высокотехнических комплексов и комплексов специального назначения с обязательным штатным завершением рабочего цикла даже в условиях аварийного отключения энергоснабжения.The task of maintaining power supply to the most critical consumers - in the event of a short-term decrease in the main and backup network of the facility, or during an emergency shutdown - is the most important component of ensuring the trouble-free operation of high-tech complexes and special-purpose complexes with the obligatory regular completion of the operating cycle even in conditions of an emergency power outage.

В известном техническом решении [патент РФ №2754919 «Тракт вторичного электропитания с резервированием». Опубл. 08.09.2021. Заявитель: АО «Концерн «Океанприбор»] для потребителей большой мощности, предложено реализовать электропитание с переключением основной и резервной сети постоянного тока от аккумуляторных батарей с поддержкой высокого напряжения 175-320 В на время переключения от емкостного накопителя. Такая поддержка рассчитана на весьма короткий временной интервал (0,1-0,5 сек), не рассчитанный на штатный режим завершения рабочего цикла при аварийном отключении основной и резервных сетей электропитания.In the known technical solution [RF patent No. 2754919 “Secondary power supply path with redundancy.” Publ. 09/08/2021. Applicant: JSC "Concern "Okeanpribor"] for high-power consumers, it is proposed to implement power supply with switching the main and backup DC networks from batteries supporting high voltage 175-320 V during the switching period from a capacitive storage device. Such support is designed for a very short time interval (0.1-0.5 seconds), not designed for the normal mode of completing the operating cycle in the event of an emergency shutdown of the main and backup power supply networks.

Предложенное техническое решение [патент РФ №2754919] может быть использовано только для объектов с электропитанием от специализированной сети постоянного тока, имеет ограниченное применение для цифровых комплексов, где требование поддержания электропитания при аварийном отключении основной и резервной сети на время штатного завершения рабочего цикла является необходимым условием сохранения информации и безаварийного завершения технических процессов.The proposed technical solution [RF patent No. 2754919] can only be used for objects with power supply from a specialized DC network; it has limited application for digital complexes, where the requirement to maintain power supply in the event of an emergency shutdown of the main and backup networks during the normal completion of the operating cycle is a necessary condition preservation of information and trouble-free completion of technical processes.

Выделенный недостаток устранен в техническом решении, описанном в патенте РФ №2403664 [РФ №2403664 «Многоканальный агрегат бесперебойного питания потребителей переменного и постоянного тока» 2013 г., заявитель: ЗАО «ИРИС»], где напряжение выпрямленной сети по основной и резервной линии энергоснабжения поддержано через разделительный диод высоким напряжением от автономной аккумуляторной батареи. Последующее преобразование высокого напряжения электропитания в низкое напряжение вторичного электропитания (28,5 В) для наиболее ответственных преобразователей обеспечивается ключевыми стабилизированными конверторами (КСК) с управлением от собственных контроллеров. Применение автономной аккумуляторной батареи решает задачу энергетической поддержки электропитания особо ответственных потребителей при аварийном отключении основной и резервной сети на время, достаточное для штатного завершения рабочего цикла.The identified drawback has been eliminated in the technical solution described in RF patent No. 2403664 [RF No. 2403664 “Multi-channel uninterruptible power supply unit for AC and DC consumers” 2013, applicant: IRIS CJSC], where the voltage of the rectified network along the main and backup power supply lines supported via a diode by the high voltage from the autonomous battery. Subsequent conversion of high voltage power supply to low voltage secondary power supply (28.5 V) for the most critical converters is provided by key stabilized converters (KSK) controlled by their own controllers. The use of an autonomous battery solves the problem of energy support for the power supply of especially critical consumers in the event of an emergency shutdown of the main and backup networks for a time sufficient for the normal completion of the operating cycle.

На практике применение основной и резервной сети переменного тока требует обязательной гальванической развязки, что обеспечивается применением громоздких силовых трансформаторно-выпрямительных устройств [патент РФ №2503114 «Устройство бесперебойного автоматического включения резерва, 2013, заявитель: «Головное особое конструкторское бюро»]. Кроме того, в известном техническом решении [РФ №2403664] отсутствует резервирование ключевых стабилизированных конверторов (далее конвертор), что понижает надежность устройства электропитания особо ответственных потребителей.In practice, the use of the main and backup AC networks requires mandatory galvanic isolation, which is ensured by the use of bulky power transformer-rectifier devices [RF patent No. 2503114 “Device for uninterrupted automatic switching on of a reserve, 2013, applicant: “Head Special Design Bureau”]. In addition, in the known technical solution [RF No. 2403664] there is no redundancy of key stabilized converters (hereinafter referred to as converter), which reduces the reliability of the power supply device for especially critical consumers.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство вторичного электропитания, описанное в патенте РФ №2583002 [патент РФ №2583002, «Устройство вторичного электропитания с резервированием», опубл. 27.04.2016, заявитель: ОАО «РАТЭП»]. В устройстве-прототипе, в отличие от ранее рассматриваемого аналога для электропитания особо ответственных потребителей, формируется централизованная шина вторичного напряжения от двух каналов преобразования с электропитанием от основной и резервной электросети, в каждом из которых используется автоматический отключатель, контактор и преобразователь переменного высокого напряжения во вторичное низкое напряжение.The closest technical solution chosen as a prototype is the secondary power supply device described in RF patent No. 2583002 [RF patent No. 2583002, “Secondary power supply device with redundancy,” publ. 04/27/2016, applicant: RATEP OJSC]. In the prototype device, in contrast to the previously considered analogue for power supply of especially critical consumers, a centralized secondary voltage bus is formed from two conversion channels with power supply from the main and backup power networks, each of which uses a circuit breaker, a contactor and a high-voltage alternating converter to secondary low voltage.

Преобразователь, предложенный в известном устройстве [РФ №2583002] может быть реализован на выпрямительном устройстве и конверторе, выходы которого подключены к централизованной шине вторичного электропитания через разделительные диоды. Дополнительно в составе устройства прототипа реализованы два источника сервисного электропитания для электропитания через стабилизатор напряжения схемы контроля от основной и резервной сети. При практическом использовании подключение к основной и резервной электросети обеспечивается от щита электропитания изделия, что позволяет исключить громоздкие автоматы из структуры устройства вторичного электропитания.The converter proposed in the known device [RF No. 2583002] can be implemented on a rectifier device and a converter, the outputs of which are connected to a centralized secondary power supply bus through isolation diodes. Additionally, the prototype device includes two sources of service power supply for powering the control circuit through a voltage stabilizer from the main and backup networks. In practical use, connection to the main and backup power grids is provided from the product’s power supply panel, which makes it possible to eliminate bulky circuit breakers from the structure of the secondary power supply device.

При этом устройство-прототип выгодно отличается от технических аналогов малыми габаритами, обусловленными использованием высокочастотных конверторов с гальванической развязкой, и позволяет повысить надежность формирования низковольтного вторичного напряжения за счет параллельного включения выходов конверторов к централизованной шине вторичного электропитания.At the same time, the prototype device compares favorably with technical analogues in its small dimensions, due to the use of high-frequency converters with galvanic isolation, and makes it possible to increase the reliability of the formation of low-voltage secondary voltage due to the parallel connection of converter outputs to a centralized secondary power supply bus.

Структурная схема устройства прототипа, приведенная на фиг. 1, содержит коммутатор 1, выпрямители 2 и 3, конверторы 4 и 5, разделительные диоды 6 и 7, источники 8 и 9 сервисного электропитания (ИСЭП), стабилизатор напряжения (СН) 11, схему контроля 12 и нагрузку 10.Block diagram of the prototype device shown in Fig. 1, contains a switch 1, rectifiers 2 and 3, converters 4 and 5, isolation diodes 6 and 7, service power supply sources 8 and 9 (ISEP), voltage stabilizer (SV) 11, control circuit 12 and load 10.

Централизованная шина нагрузки 10 соединяет параллельно выходы конверторов 4 и 5 через разделительные диоды, чем обеспечивается гарантированное формирование низковольтного выходного напряжения E_H ≈ 28 В. При этом электропитание конверторов 4 и 5 реализуется через выпрямительные устройства 2 и 3, соответственно, от первой и второй линии электропитания переменного тока. Сервисное электропитание конверторов 4 и 5 может обеспечиваться как от собственных преобразователей напряжения, так и от источников сервисного электропитания. Для этого в устройстве-прототипе используется стабилизатор напряжения 11, выход которого соединен со входом электропитания схемы контроля, реализующую контроль и индикацию режимов работы.The centralized load bus 10 connects in parallel the outputs of converters 4 and 5 through isolation diodes, which ensures the guaranteed formation of a low-voltage output voltage E _H ≈ 28 V. In this case, the power supply of converters 4 and 5 is realized through rectifiers 2 and 3, respectively, from the first and second lines AC power supply. Service power supply to converters 4 and 5 can be provided both from their own voltage converters and from service power sources. For this purpose, the prototype device uses a voltage stabilizer 11, the output of which is connected to the power supply input of a control circuit that implements control and indication of operating modes.

Конвертор по основной шине электропитания в устройстве-прототипе настраивается на несколько повышенное напряжение (на 0,5…1,0 В), чем обеспечивается основное потребление от выделенной линии. В большинстве практических случаев в номинальном режиме работы предпочтительна равномерная загрузка конверторов с одинаковым потреблением от первой и второй линии электропитания. Такой режим работы требует выравнивания выходного тока конверторов, что не реализуется в прототипе и, соответственно, приводит к понижению надежности его работы.The converter on the main power supply bus in the prototype device is adjusted to a slightly higher voltage (0.5...1.0 V), which ensures the main consumption from the dedicated line. In most practical cases, in nominal operating mode, uniform loading of converters with equal consumption from the first and second power lines is preferable. This mode of operation requires equalization of the output current of the converters, which is not implemented in the prototype and, accordingly, leads to a decrease in the reliability of its operation.

Другим недостатком устройства-прототипа являются значительные пусковые токи включения напряжения по линии электропитания, обусловленные большой входной емкостью конверторов, что также понижает надежность работы.Another disadvantage of the prototype device is the significant inrush currents for turning on the voltage along the power supply line, due to the large input capacitance of the converters, which also reduces the reliability of operation.

Основным недостатком устройства-прототипа является отсутствие аккумуляторной поддержки напряжения в шине нагрузки при аварийном отключении первой и второй линии электропитания, либо понижении напряжения электропитания переменного тока по двум линиям на длительный временной интервал (на единицы и десятки секунд). Как следствие, исключается возможность его использования для электропитания особо ответственных потребителей.The main disadvantage of the prototype device is the lack of battery voltage support in the load bus during an emergency shutdown of the first and second power lines, or a decrease in the AC power supply voltage along two lines for a long time interval (by units and tens of seconds). As a result, the possibility of its use for power supply of especially critical consumers is excluded.

Задачей изобретения является обеспечение бесперебойного электропитания нагрузки при отключении внешних источников.The objective of the invention is to provide uninterrupted power supply to the load when external sources are turned off.

Техническим результатом от использования настоящего изобретения является повышение надежности устройства бесперебойного вторичного электропитания при расширении возможности применения.The technical result from the use of the present invention is to increase the reliability of the uninterruptible secondary power supply device while expanding the possibility of application.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве бесперебойного вторичного электропитания, содержащем коммутатор, первый и второй выпрямители, первый и второй конверторы, первый и второй разделительные диоды, первый и второй источники сервисного электропитания, входы которых подключены, соответственно, к первой и второй линии электропитания переменного тока, а также схему контроля и шину нагрузки, посредством того, что в его состав введены новые признаки, а именно: первый и второй узлы плавного включения, первый и второй датчики тока, дополнительный источник сервисного электропитания, аккумуляторная батарея, обеспечивающая линию электропитания постоянного тока, зарядное устройство, дополнительный контроллер и шина передачи данных, а схема контроля выполнена на первом и втором контроллерах, первые входы которых соединены, соответственно, с выходами первого и второго источников сервисного электропитания, вторые входы - с выходами контроля первого и второго узлов плавного включения, третьи входы - с выходами первого и второго датчиков тока, а выходы - с входами управления первого и второго конверторов, входы которых, соответственно, подключены через последовательно включенные первые и вторые узлы плавного включения и выпрямители к первой и второй линиям электропитания переменного тока, а выходы - через первый и второй датчики тока к шине нагрузки, причем цифровые входы управления первого и второго контроллеров соединены через шину передачи данных с цифровым входом дополнительного контроллера, первый выход которого соединен с входом управления зарядного устройства, второй выход - с входом управления коммутатора, первый вход - с выходом контроля аккумуляторной батареи, а второй вход - с выходом дополнительного источника сервисного электропитания, вход которого подключен к выходу аккумуляторной батареи, соединенному также через коммутатор и первый разделительный диод с шиной нагрузки, в свою очередь соединенной через второй разделительный диод с входом зарядного устройства, выход которого соединен с входом заряда аккумуляторной батареи.The technical result is achieved by the fact that in a known uninterruptible secondary power supply device containing a switch, first and second rectifiers, first and second converters, first and second isolation diodes, first and second service power supplies, the inputs of which are connected, respectively, to the first and second lines AC power supply, as well as a control circuit and load bus, due to the fact that new features are introduced into its composition, namely: the first and second soft-start nodes, the first and second current sensors, an additional source of service power supply, a rechargeable battery providing the power supply line DC, charger, additional controller and data bus, and the control circuit is made on the first and second controllers, the first inputs of which are connected, respectively, to the outputs of the first and second service power supplies, the second inputs - to the control outputs of the first and second smooth nodes switching on, the third inputs - with the outputs of the first and second current sensors, and the outputs - with the control inputs of the first and second converters, the inputs of which, respectively, are connected through the first and second soft-start nodes connected in series and rectifiers to the first and second AC power lines, and the outputs - through the first and second current sensors to the load bus, and the digital control inputs of the first and second controllers are connected via a data bus to the digital input of an additional controller, the first output of which is connected to the control input of the charger, the second output - to the control input of the switch, the first input is with the battery control output, and the second input is with the output of an additional service power supply, the input of which is connected to the battery output, which is also connected through a switch and the first isolation diode to the load bus, in turn connected through the second isolation diode to the input charger, the output of which is connected to the battery charging input.

В предлагаемом устройстве бесперебойного вторичного электропитания (УБЭП) реализация заявленного технического результата обеспечивается совокупностью вновь вводимых блоков и связей. Повышение надежности достигается за счет ограничения пусковых токов, требуемого запаса по мощности конверторов по основной и резервной линии электропитания при их параллельной работе в номинальном режиме с выравниванием выходного тока, а также подключением линии постоянного тока от аккумуляторной батареи через разделительный диод непосредственно на шину нагрузки при аварийном уменьшении выходного напряжения первого и второго конвертора. Последнее обстоятельство соответствует требованиям электропитания особо ответственных потребителей, что расширяет возможности применения предлагаемого технического решения.In the proposed uninterruptible secondary power supply device (UPSD), the implementation of the stated technical result is ensured by a set of newly introduced blocks and connections. Increased reliability is achieved by limiting the starting currents, the required power reserve of the converters along the main and backup power supply lines when they operate in parallel in nominal mode with equalization of the output current, as well as by connecting the DC line from the battery through a separating diode directly to the load bus during an emergency decreasing the output voltage of the first and second converters. The latter circumstance meets the power supply requirements of particularly critical consumers, which expands the possibilities of using the proposed technical solution.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4, где приведены структурные схемы устройства-прототипа (фиг. 1) и заявленного устройства (фиг. 2), а также временные диаграммы сигналов, поясняющие его работу (фиг. 3 и фиг. 4).The essence of the invention is illustrated in Fig. 1-4, which shows block diagrams of the prototype device (Fig. 1) and the claimed device (Fig. 2), as well as timing diagrams of signals explaining its operation (Fig. 3 and Fig. 4).

Структурная схема предлагаемого устройства (фиг. 2) содержит коммутатор 1, выпрямители 2 и 3, конверторы 4 и 5, устройства 12, 13 плавного включения (УПВ), разделительные диоды 6 и 7, контроллеры 19, 20, 21, нагрузку 10, датчики 14 и 15 тока (ДТ), источники сервисного электропитания 8, 9 и 16, аккумуляторную батарею (АБ) 17, зарядное устройство 18.The block diagram of the proposed device (Fig. 2) contains a switch 1, rectifiers 2 and 3, converters 4 and 5, soft start devices 12, 13, isolation diodes 6 and 7, controllers 19, 20, 21, load 10, sensors 14 and 15 current (DT), service power sources 8, 9 and 16, rechargeable battery (AB) 17, charger 18.

Для пояснения принципа действия заявленного технического решения на фиг. 3 приведены: диаграммы напряжений Е1 и Е2, формируемых устройствами плавного включения (УПВ) 12 и 13 при подаче напряжения на выпрямители 2 и 3, подключенные к первой и второй линии электропитания переменного тока; диаграмма напряжения на нагрузке U_H; команды V₁, V₂, формируемые контроллерами 12 и 13 для включения ключевых стабилизированных конверторов (КСК) 4 и 5; выходной ток I₁ и I₂ конверторов 4 и 5 в различных временных интервалах работы; выходное напряжение U_Aаккумуляторной батареи до (пунктирная линия) и после (сплошная линия) включения коммутатора 1; ток заряда I₃ аккумуляторной батареи от зарядного устройства (ЗУ) 18 во время действия команды V₄ от контроллера 3; команда включения коммутатора V₃; выходной ток I_АБ от аккумуляторной батареи 17 для гарантированной поддержки выходного напряжения V_H после отключения первой и второй линии электропитания переменного тока на длительность, достаточную для завершения безаварийного отключения особо ответственной аппаратуры, либо поддержки ее работоспособности на время кратковременного отключения первой и второй линии электропитания.To explain the principle of operation of the claimed technical solution, Fig. Figure 3 shows: diagrams of voltages E1 and E2 generated by soft start devices (SPDs) 12 and 13 when voltage is applied to rectifiers 2 and 3 connected to the first and second AC power lines; load voltage diagram U _H ; commands V ₁ , V ₂ , generated by controllers 12 and 13 to turn on key stabilized converters (KSK) 4 and 5; output current I ₁ and I _{2 of} converters 4 and 5 in different time intervals; output voltage U _A of the battery before (dashed line) and after (solid line) switching on switch 1; charge current I ₃ of the battery from the charger (charger) 18 during the action of the command V ₄ from the controller 3; command to turn on the switch V ₃ ; output current I _AB from the battery 17 for guaranteed support of the output voltage V _H after disconnecting the first and second AC power lines for a duration sufficient to complete the trouble-free shutdown of critical equipment, or to maintain its operation during a short-term disconnection of the first and second power lines.

Реализация мер для выравнивания выходного тока конверторов 4 и 5 при их одновременной работе поясняется диаграммами цифровых сигналов на фиг. 4: S₁ и S₂ - коды выходных сигналов датчиков тока 14 и 15, формируемые контроллерами 19 и 20 для передачи по шине данных к контроллеру 21; S - среднее значение кодов S1 и S2 формируемое в контроллере 21 для вычисления разностных сигналов, передаваемых в виде кода ΔS₁ и ΔS₂ к контроллерам 19 и 20, где корректируются опорные напряжения управления конверторов 4 и 5, чем достигается регулировка их выходных напряжений для выравнивания выходных токов при сохранении стабилизации результирующего напряжении на нагрузке.The implementation of measures to equalize the output current of converters 4 and 5 during their simultaneous operation is illustrated by diagrams of digital signals in Fig. 4: S ₁ and S ₂ - codes of output signals of current sensors 14 and 15, generated by controllers 19 and 20 for transmission via the data bus to controller 21; S is the average value of codes S1 and S2 generated in controller 21 to calculate difference signals transmitted in the form of code ΔS ₁ and ΔS ₂ to controllers 19 and 20, where the reference control voltages of converters 4 and 5 are adjusted, thereby adjusting their output voltages for equalization output currents while maintaining stabilization of the resulting load voltage.

Все структурные блоки, входящие в состав заявляемого устройства бесперебойного вторичного электропитания выполняются по известным правилам, а их совокупное использование приводит к достижению заявленного эффекта.All structural blocks included in the proposed uninterruptible secondary power supply device are carried out according to known rules, and their combined use leads to the achievement of the declared effect.

Для номинального выходного напряжения на шине нагрузки 28,0…28,5 В при максимальной выходной мощности 1 кВт для реализации основных узлов устройства бесперебойного вторичного электропитания могут быть предложены следующие известные технические решения.For a rated output voltage on the load bus of 28.0...28.5 V with a maximum output power of 1 kW, the following known technical solutions can be proposed for the implementation of the main components of an uninterruptible secondary power supply device.

Контактор 1 может быть выполнен на основе сильноточного полевого транзистора, например, типа IRFS4227PBF с драйвером IRSZ0124S, либо на реле типа РНЕ22.Contactor 1 can be made on the basis of a high-current field-effect transistor, for example, type IRFS4227PBF with driver IRSZ0124S, or on a relay type PNE22.

Выпрямители 2 и 3 выполняются по трехфазной мостовой схеме на высоковольтных диодах (до 1000 В) с номинальным током более 10А.Rectifiers 2 and 3 are made using a three-phase bridge circuit using high-voltage diodes (up to 1000 V) with a rated current of more than 10A.

Устройства плавного включения 12 и 13 предназначены для ограничения тока включения при заряде входной емкости конверторов 4 и 5, могут быть выполнены по схеме, предложенной в известном техническом решении [патент РФ №2752252 «Управляемое пусковое устройство». Приоритет 02.09.20, заявитель: АО «НИИ «Бриз»], обеспечивающей пониженный ток включения с сильноточной коммутацией при завершении заряда емкостного фильтра конвертора.Soft start devices 12 and 13 are designed to limit the turn-on current when charging the input capacitance of converters 4 and 5; they can be made according to the scheme proposed in the known technical solution [RF patent No. 2752252 “Controlled starting device”. Priority 02.09.20, applicant: JSC "NII "Breeze"], providing a reduced switching current with high-current switching when the charge of the capacitive filter of the converter is completed.

Конверторы 4 и 5 целесообразно выполнить по мостовой схеме высокочастотных ключевых стабилизированных конверторов с фазо-импульсной модуляцией, по известному решению [патент РФ №2586567. «Ключевой преобразователь напряжения». Приоритет 89.02.2015. Заявитель: АО «НИИ «Бриз»], позволяющему минимизировать потери на переключения и обеспечить высокий КПД преобразования 93-95%.It is advisable to make converters 4 and 5 using a bridge circuit of high-frequency key stabilized converters with pulse phase modulation, according to a well-known solution [RF patent No. 2586567. "Key voltage converter." Priority 02/89/2015. Applicant: JSC "Research Institute "Breeze"], which allows minimizing switching losses and ensuring high conversion efficiency of 93-95%.

Источники сервисного электропитания 8 и 9 должны обеспечивать преобразование трехфазного напряжения 3ф. 50 Гц, 380 В в требуемую номенклатуру сервисных напряжений с малой мощностью (до 20 Вт) для электропитания контроллеров 19 и 20, а также выделения сигналов для контроля уровня и наличия фаз первичного напряжения на линиях переменного тока. Основой такого ИСЭП может являться известный высокочастотный преобразователь [патент РФ №2267218. Трансформатор постоянного тока. Приоритет 12.08.2004], рассчитанный на высокое напряжение питания от сервисного выпрямителя трехфазного напряжения с контролем уровня и наличия фазного напряжения.Service power sources 8 and 9 must provide conversion of three-phase voltage 3ph. 50 Hz, 380 V to the required range of service voltages with low power (up to 20 W) for power supply to controllers 19 and 20, as well as for isolating signals for monitoring the level and presence of primary voltage phases on AC lines. The basis of such an ISEP can be a well-known high-frequency converter [RF patent No. 2267218. DC transformer. Priority 08/12/2004], designed for high supply voltage from a three-phase voltage service rectifier with control of the level and presence of phase voltage.

Источник сервисного электропитания 16 может быть реализован аналогичным образом [РФ №2267218] при переходе к схеме низковольтного преобразователя напряжения с электропитанием от аккумуляторной батареи.The service power supply 16 can be implemented in a similar way [RF No. 2267218] when switching to a low-voltage voltage converter circuit powered by a battery.

Разделительные диоды 6 и 7 обеспечивают разделение низковольтных сильноточных цепей и могут быть выполнены на диодах Шоттки с малым остаточным напряжением и требуемым током (диод 6 - ток 50 A, диод 7 - ток 10 А).Separating diodes 6 and 7 provide separation of low-voltage high-current circuits and can be made using Schottky diodes with low residual voltage and required current (diode 6 - current 50 A, diode 7 - current 10 A).

Контроллеры 19, 20 предназначены для обработки контрольных сигналов от источников сервисного электропитания 8 и 9 и датчиков тока 14 и 15, формирования команд управления конверторов 4 и 5, передачи цифровых сигналов по интерфейсу RS485 об уровне выходного тока к контроллеру 21, приема цифровых сигналов рассогласования и корректировке уровня опорных напряжений для модуляции конверторов 4 и 5.Controllers 19, 20 are designed to process control signals from service power sources 8 and 9 and current sensors 14 and 15, generate control commands for converters 4 and 5, transmit digital signals via the RS485 interface about the output current level to controller 21, receive digital error signals and adjusting the level of reference voltages for modulating converters 4 and 5.

В свою очередь, контроллер 10 обеспечивает прием цифровых сигналов об уровне выходных токов и формирует цифровые сигналы рассогласования, а также обрабатывает контрольные сигналы от ИСЭП 16 и от аккумуляторной батареи 17 для оценки режимов и управления работой зарядного устройства.In turn, controller 10 receives digital signals about the level of output currents and generates digital mismatch signals, and also processes control signals from ISEP 16 and from battery 17 to evaluate modes and control the operation of the charger.

Требуемые функции контроллеров 19, 20, 21 могут быть выполнены при реализации на основе микросхемы 1986ВЕ1Т с необходимой периферией.The required functions of controllers 19, 20, 21 can be performed when implemented on the basis of a 1986BE1T microcircuit with the necessary peripherals.

В качестве основных элементов аккумуляторной батарей используются литий-ионные аккумуляторные элементы с суммарным выходным напряжением в номинальном режиме 28,5 В требуемой емкости, достаточной для гарантированного электропитания особо ответственной аппаратуры на время безаварийного отключения. Дополнительно в состав АБ могут входить узлы контроля уровня заряда, температуры и разделение цепей заряда и разряда.The main battery elements are lithium-ion battery cells with a total output voltage in a nominal mode of 28.5 V of the required capacity, sufficient to guarantee power supply to critical equipment during a trouble-free shutdown. Additionally, the battery may include units for monitoring the charge level, temperature and separation of charge and discharge circuits.

Зарядное устройство 18 должно быть рассчитано на требуемый ток заряда (как правило, значительно меньший номинального тока нагрузки) и может быть выполнено по простейшей схеме обратноходового преобразователя в режиме стабилизации выходного тока с входом управления включением.The charger 18 must be designed for the required charging current (as a rule, significantly less than the rated load current) and can be made according to the simplest circuit of a flyback converter in the output current stabilization mode with a switch-on control input.

Приведенное описание блоков из состава заявленного устройства гарантированного вторичного электропитания подтверждает возможность практической реализации предлагаемого технического решения.The given description of the blocks from the claimed device for guaranteed secondary power supply confirms the possibility of practical implementation of the proposed technical solution.

Заявленное устройство работает следующим образом.The claimed device works as follows.

Напряжение электропитания от первой и второй линии переменного тока поступает на входы ИСЭП 8 и 9 и на входы выпрямителей 2 и 3. При этом передается сервисное электропитание и контрольные сигналы от ИСЭП 8 и 9 к контроллерам 19 и 20. Одновременно постоянные напряжения E₁ и Е₂ поступают на входы УПВ 12 и 13, которые обеспечивают заряд входных емкостных фильтров конверторов 4 и 5. При завершении заряда УПВ 12 и 13 переходят в режим прямой коммутации выходного напряжения выпрямителей на входы электропитания конверторов 4 и 5, что подтверждается контрольным сигналом от УПВ 12 и 13, соответственно к контроллерам 19 и 20. В условиях подтверждения наличия и номинального уровня фазных напряжений контроллеры 19 и 20 формируют команды V₁ и V₂ для включения конверторов 4 и 5, на выходах которых формируется стабилизированное напряжение U_H, поступающее на шину нагрузки.The power supply voltage from the first and second AC lines is supplied to the inputs of ISEP 8 and 9 and to the inputs of rectifiers 2 and 3. At the same time, service power supply and control signals are transmitted from ISEP 8 and 9 to controllers 19 and 20. At the same time, constant voltages E ₁ and E ₂ are supplied to the inputs of UPVs 12 and 13, which provide charge to the input capacitive filters of converters 4 and 5. When charging is completed, UPVs 12 and 13 switch to the mode of direct switching of the output voltage of the rectifiers to the power supply inputs of converters 4 and 5, which is confirmed by a control signal from UPV 12 and 13, respectively to controllers 19 and 20. In conditions of confirmation of the presence and nominal level of phase voltages, controllers 19 and 20 generate commands V ₁ and V ₂ to turn on converters 4 and 5, at the outputs of which a stabilized voltage U _H is generated, supplied to the load bus .

Наличие собственных выпрямительных устройств на выходе конверторов 4 и 5 не препятствует их раздельной работе. Так, например, при упреждающем включении напряжения Е) по первой линии электропитания (фиг. 3) выходное напряжение Uh формирует конвертор 4, обеспечивая заряд емкости по шине нагрузки в режиме ограничения выходного тока I_l≤I_M (где 1 м - предельно допустимый ток), стабилизация которого достигается в контроллере 19 за счет пороговой обратной связи (ОС) по выходному току (сигнал ОС по выходу датчика тока 14) аналогично известному техническому решению [РФ №2739398. Стабилизированный ключевой преобразователь напряжения. Приоритет 25.05.2015. Заявитель АО «Концерн «Океанприбор»]. При завершении режима ограничения выходного тока конвертор 4 переходит в режим стабилизации выходного напряжения на уровне, определяемым опорным напряжением, формируемым контроллером 19. При завершении пускового режима конвертор 4 полностью замыкает ток нагрузки до включения конвертора 5 по второй линии электропитания. С этого момента ток нагрузки распределяется равномерно между конверторами 4 и 5. Выделенный результат достигается за счет формирования контроллером 21 корректирующих цифровых сигналов для регулировки опорных напряжений, формируемых контроллерами 19 и 20.The presence of their own rectifier devices at the output of converters 4 and 5 does not prevent their separate operation. So, for example, when the voltage E) is proactively turned on along the first power line (Fig. 3), the output voltage Uh forms the converter 4, providing a capacitance charge along the load bus in the mode of limiting the output current I _l ≤I _M (where 1 m is the maximum permissible current ), stabilization of which is achieved in the controller 19 due to threshold feedback (FE) on the output current (FE signal at the output of the current sensor 14) similar to the known technical solution [RF No. 2739398. Stabilized key voltage converter. Priority 05/25/2015. Applicant JSC "Concern "Okeanpribor"]. Upon completion of the output current limiting mode, converter 4 switches to the mode of stabilizing the output voltage at a level determined by the reference voltage generated by controller 19. Upon completion of the starting mode, converter 4 completely closes the load current until converter 5 is turned on via the second power line. From this moment, the load current is distributed evenly between converters 4 and 5. The selected result is achieved by generating corrective digital signals by controller 21 to adjust the reference voltages generated by controllers 19 and 20.

Регулировка происходит следующим образом. Как иллюстрируется на фиг. 4 на примере разбаланса выходных токов конверторов 4 и 5: контроллеры 19 и 20 формируют цифровые сигналы S₁ и S₂, пропорциональные выходным сигналам датчиков тока 14 и 15; на основе полученных данных контроллер 21 формирует среднее значение S=(S₁+S₂)/2 и цифровые сигналы разбаланса токов ΔS₁=S-S₁ и ΔS₂=S-S₂; по результату преобразования сигналов разбаланса ΔS₁ и ΔS₂ контроллеры 19 и 20 корректируют опорные напряжения U₀₁=U₀+ΔU₁ (ΔU₁≈ΔS₁) и U₀₂=U₀+ΔU₂ (ΔU₂≈ΔS₂), где U₀ - исходное опорное напряжение, формируемое в контроллерах. Следует отметить, что для выравнивания выходных токов конверторов 19 и 20, разброс которых может быть обусловлен некоторой неидентичностью параметров, требуется весьма малая корректировка опорных напряжений, практически не сказывающаяся на нестабильности выходного напряжения U_H.The adjustment occurs as follows. As illustrated in FIG. 4 using the example of the imbalance of output currents of converters 4 and 5: controllers 19 and 20 generate digital signals S ₁ and S ₂ , proportional to the output signals of current sensors 14 and 15; Based on the received data, controller 21 generates the average value S=(S ₁ +S ₂ )/2 and digital current imbalance signals ΔS ₁ =SS ₁ and ΔS ₂ =SS ₂ ; Based on the result of converting the imbalance signals ΔS ₁ and ΔS ₂ , controllers 19 and 20 adjust the reference voltages U ₀₁ =U ₀ +ΔU ₁ (ΔU ₁ ≈ΔS ₁ ) and U ₀₂ =U ₀ +ΔU ₂ (ΔU ₂ ≈ΔS ₂ ), where U ₀ is the initial reference voltage generated in the controllers. It should be noted that to equalize the output currents of converters 19 and 20, the spread of which may be due to some non-identity of parameters, a very small adjustment of the reference voltages is required, which has virtually no effect on the instability of the output voltage U _H .

К моменту включения конверторов 4 и 5 должен быть включен источник сервисного электропитания 16, обеспечивающий функционирование контроллера 21, который обобщает контрольную информацию от контроллеров 19 и 20, а также контролирует параметры аккумуляторной батареи 17 и управляет зарядным устройством и коммутатором 1.By the time converters 4 and 5 are turned on, the service power supply 16 must be turned on, ensuring the operation of controller 21, which summarizes control information from controllers 19 and 20, and also controls the parameters of the battery 17 and controls the charger and switch 1.

При электропитании от первой и второй линии переменного тока, контроллер 21 через контроллеры 19 и 20 обеспечивает выравнивание выходных токов конверторов 4 и 5, а также при необходимости обеспечивает дозаряд аккумуляторной батареи.When powered from the first and second AC lines, controller 21, through controllers 19 and 20, ensures equalization of the output currents of converters 4 and 5, and also, if necessary, provides recharging of the battery.

При уменьшении заряда АБ 17, согласно контрольной информации, поступающей на первый вход контроллера 21, на его первом выходе формируется команда V₃, обеспечивающая включение зарядного устройства 18.When the charge of the battery 17 decreases, according to the control information received at the first input of the controller 21, a command V ₃ is generated at its first output, ensuring that the charger 18 is turned on.

В результате ЗУ 18, подключенное через разделительный диод 7 к шине нагрузки, обеспечивает зарядный ток I3 для восполнения заряда АБ 17. Уровень зарядного тока I3, как правило, выбирается значительно ниже максимального тока нагрузки I_M (I₃≤0,1I) и подключение ЗУ 18 к шине нагрузки слабо влияет на общую загрузку конверторов 4 и 5. При восполнении необходимого заряда контроллер 10 отключает работу зарядного устройства (низкий уровень команд V₃).As a result, the charger 18, connected through an isolation diode 7 to the load bus, provides a charging current I3 to replenish the charge of the battery 17. The level of charging current I3, as a rule, is selected significantly lower than the maximum load current I _M (I ₃ ≤0.1I) and connection The memory 18 to the load bus has little effect on the overall load of converters 4 and 5. When the required charge is replenished, the controller 10 turns off the operation of the charger (low command level V ₃ ).

В процессе работы устройства бесперебойного вторичного электропитания могут происходить кратковременные понижения и отключения напряжения по одной из линий электропитания переменного тока. При этом имеет место понижение напряжений Е₁ либо Е₂ ниже минимального допустимого уровня E_min (фиг. 3), что приводит к отключению соответствующего конвертора 4 либо 5 с передачей соответствующей контрольной информации от контроллеров 19, 20 к контроллеру 21. Задачу формирования выходного напряжения в этом случае решает контроллер от действующей линии электропитания.During operation of the uninterruptible secondary power supply device, short-term voltage drops and power outages may occur along one of the AC power lines. In this case, the voltages E ₁ or E ₂ decrease below the minimum permissible level E _min (Fig. 3), which leads to the shutdown of the corresponding converter 4 or 5 with the transfer of the corresponding control information from controllers 19, 20 to controller 21. The task of generating the output voltage in this case, the controller decides from the existing power supply line.

При аварийном отключении энергоснабжения по первой и второй линии электропитания в контроллер 21 передается упреждающая информация через котроллеры 19, 20 от еще действующих конверторов 4, 5. В результате контроллер 21 формирует команду V₄ на включение коммутатора 1, обеспечивающего подключение выхода АБ через разделительный диод 6 к шине нагрузки. Далее выходное напряжение U_H обеспечивается непосредственно от аккумуляторной батареи. Выбирая напряжение аккумуляторной батареи U_A-U_P+U_Д (U_Д - остаточное напряжение открытого разделительного диода), такое подключение АБ17 можно осуществить без скачков напряжения и тока. При необходимости регулировки выходного напряжения от АБ 17 к шине нагрузки коммутатор 1 может быть выполнен по схеме однотактного стабилизатора напряжения с ограничением выходного тока согласно известному техническому решению [РФ №2739398].In the event of an emergency power outage along the first and second power lines, proactive information is transmitted to controller 21 through controllers 19, 20 from converters 4, 5 that are still operating. As a result, controller 21 generates a command V ₄ to turn on switch 1, which provides connection to the battery output through isolation diode 6 to the load bus. Further, the output voltage _UH is provided directly from the battery. By choosing the battery voltage U _A -U _P +U _D (U _D is the residual voltage of the open separating diode), such an AB17 connection can be made without voltage and current surges. If it is necessary to regulate the output voltage from AB 17 to the load bus, switch 1 can be made according to the circuit of a single-cycle voltage stabilizer with limited output current according to a known technical solution [RF No. 2739398].

Далее электропитание особо ответственного потребителя осуществляется от аккумуляторной батареи с энергоемкостью, достаточной для безаварийного завершения работы. В случае восстановления электропитания по первой либо по второй линии переменного тока, соответствующая информация поступает в контроллер 21 для перехода в штатный режим работы.Next, the power supply for a particularly critical consumer is provided from a battery with an energy capacity sufficient for trouble-free completion of work. If the power supply is restored via the first or second AC line, the corresponding information is sent to the controller 21 to switch to normal operation.

При этом выходное напряжение U_H формируется одним из конверторов 4 и 5 (либо от двух конверторов при совместной работе при наличии первой и второй линии электропитания переменного тока). Контроллер 21 отключает контактор 1 и при необходимости включает ЗУ 18 для дозаряда АБ 17.In this case, the output voltage U _H is generated by one of the converters 4 and 5 (or from two converters when working together in the presence of the first and second AC power lines). Controller 21 turns off contactor 1 and, if necessary, turns on charger 18 to recharge battery 17.

Принцип действия заявленного устройства предполагает возможность длительной работы в номинальном режиме с потреблением одновременно от первой и второй линии электропитания переменного тока. При этом в результате использования новой совокупности блоков и связей реализуется равномерное распределение тока нагрузки от первого и второго конвертора без дополнительных потерь энергии на разделительных диодах, что выгодно отличает предлагаемое техническое решение от устройства-прототипа при сохранении преимущества необходимого резервирования в случае выхода из строя одного из конверторов. Указанное преимущество позволяет повысить надежность заявленного устройства по сравнению с устройством-прототипом при повышении энергетической эффективности. Так, если в известном устройстве бесперебойного электропитания с выходной мощностью до 1 кВт и выходном напряжении 28 В в номинальном режиме КПД не превышает 87% при мощности тепловыделения в одном из конверторов до 130 Вт, то при использовании предлагаемого технического решения достигается повышение КПД до 90% при равномерном распределении мощности тепловыделения не более чем по 50 Вт на конвертор.The principle of operation of the claimed device assumes the possibility of long-term operation in nominal mode with consumption simultaneously from the first and second AC power lines. Moreover, as a result of the use of a new set of blocks and connections, a uniform distribution of the load current from the first and second converters is realized without additional energy losses on the isolation diodes, which distinguishes the proposed technical solution from the prototype device while maintaining the advantage of the necessary redundancy in the event of failure of one of converters. This advantage makes it possible to increase the reliability of the claimed device compared to the prototype device while increasing energy efficiency. Thus, if in a known uninterruptible power supply device with an output power of up to 1 kW and an output voltage of 28 V in nominal mode, the efficiency does not exceed 87% with a heat release power in one of the converters up to 130 W, then when using the proposed technical solution, an increase in efficiency of up to 90% is achieved. with a uniform distribution of heat generation power of no more than 50 W per converter.

К принципиальным преимуществам заявленного устройства относится возможность аккумуляторной поддержки на уровне низковольтного напряжения в шине нагрузки, что обеспечивает бесперебойное электропитание особо ответственных потребителей на время, достаточное для безаварийного завершения рабочего цикла при отключении первой и второй линии электропитания переменного тока. При этом непосредственная поддержка напряжения в шине нагрузки от аккумуляторной батареи не связана с дополнительными потерями энергии и не требует использования высоковольтных конверторов, что выгодно отличает предлагаемое техническое решение от известных аналогов устройств гарантированного электропитания с аккумуляторной поддержкой высоковольтной шины электропитания.The fundamental advantages of the claimed device include the possibility of battery support at the low-voltage level in the load bus, which ensures uninterrupted power supply to critical consumers for a time sufficient for trouble-free completion of the operating cycle when the first and second AC power lines are disconnected. At the same time, direct voltage support in the load bus from the battery is not associated with additional energy losses and does not require the use of high-voltage converters, which distinguishes the proposed technical solution from the known analogues of guaranteed power supply devices with battery support for the high-voltage power bus.

Повышение надежности работы в сочетании с понижением тепловыделения в наиболее энергоемких узлах при высокоэффективной аккумуляторной поддержке позволило обеспечить внедрение заявленного устройства бесперебойного электропитания в составе гидроакустических комплексов для безаварийной работы наиболее ответственной аппаратуры.Increased reliability of operation, combined with a decrease in heat generation in the most energy-intensive components with highly efficient battery support, made it possible to ensure the implementation of the declared uninterruptible power supply device as part of hydroacoustic systems for trouble-free operation of the most critical equipment.

В настоящее время на предприятии изготовлены экспериментальные образцы модулей на основе предлагаемого технического решения, результаты испытаний которых подтвердили преимущества заявленного устройства для использования в опытных образцах системы электропитания ГАК новой разработки.Currently, the company has manufactured experimental samples of modules based on the proposed technical solution, the test results of which have confirmed the advantages of the declared device for use in prototypes of the newly developed SAC power supply system.

Claims

An uninterruptible secondary power supply device comprising a switch, first and second rectifiers, first and second converters, first and second isolation diodes, first and second service power supplies, the inputs of which are connected, respectively, to the first and second AC power lines, as well as a control circuit and a load bus, characterized in that it includes first and second soft-start nodes, first and second current sensors, an additional source of service power supply, a battery providing a DC power line, a charger, an additional controller and a data transmission bus, and the control circuit is made on the first and second controllers, the first inputs of which are connected, respectively, to the outputs of the first and second service power supplies, the second inputs - to the control outputs of the first and second soft start nodes, the third inputs - to the outputs of the first and second current sensors, and outputs - with control inputs of the first and second converters, the inputs of which are, respectively, connected through the first and second soft-start nodes connected in series and rectifiers to the first and second AC power lines, and the outputs - through the first and second current sensors to the load bus, and The digital control inputs of the first and second controllers are connected via a data bus to the digital input of an additional controller, the first output of which is connected to the control input of the charger, the second output to the control input of the switch, the first input to the battery control output, and the second input to the output of an additional service power supply, the input of which is connected to the output of the battery, which is also connected through a switch and the first isolation diode to the load bus, which in turn is connected through a second isolation diode to the input of the charger, the output of which is connected to the battery charging input.