RU44894U1

RU44894U1 - DC / DC Converter

Info

Publication number: RU44894U1
Application number: RU2004113275/22U
Authority: RU
Inventors: В.Н. Давыдов; Б.В. Никифоров; А.В. Юрин; В.Р. Апиков; Р.А. Тумасянц; А.П. Темирев; А.Е. Федоров; В.М. Павлюков; А.В. Кротенко
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственно-конструкторское предприятие "ИРИС"
Priority date: 2004-04-29
Filing date: 2004-04-29
Publication date: 2005-03-27

Abstract

Использование: изобретение может быть использовано для бесперебойного (гарантированного) электропитания ответственных потребителей, в том числе объектов военного назначения. Сущность изобретения: применение второго идентичного канала преобразователя напряжения с управлением обоих каналов через систему управления инвертором позволяет иметь непрерывную информацию о параметрах выходного напряжения и поддерживать в постоянной готовности к работе резервный канал, поэтому переход на резервный канал происходит с минимальной продолжительностью перебоя питания (не более 20 мс) и с сохранением требований по выходным параметрам: форма кривой напряжения, коэффициент пульсаций, допустимое отклонение напряжения, уровень создаваемых индустриальных радиопомех и т.п. Упрощен процесс переключения с основного на резервный источник питания, т. к. не требуется дополнительных электромеханических или электронных коммутаторов, работа которых сопровождается возникновением коммутационных перенапряжений, требующих дополнительных устройств защиты и сглаживания выходного напряжения. Снижены массо-габаритные показатели и повышена надежность преобразователя напряжения благодаря использованию одного трансформатора с двумя первичными обмотками вместо двух отдельных трансформаторов и отсутствию дополнительных коммутирующих устройств и резервной аккумуляторной батареи.Usage: the invention can be used for uninterrupted (guaranteed) power supply for responsible consumers, including military facilities. The essence of the invention: the use of a second identical channel of the voltage converter with the control of both channels through the inverter control system allows you to have continuous information about the parameters of the output voltage and maintain a standby channel in constant readiness for work, so the transition to the standby channel occurs with a minimum duration of a power outage (no more than 20 ms) and preserving the requirements for the output parameters: voltage curve shape, ripple coefficient, voltage tolerance, ur Wen created industrial interference, etc. The process of switching from the main to the backup power source is simplified, since no additional electromechanical or electronic switches are required, the operation of which is accompanied by the occurrence of switching overvoltages that require additional protection devices and smoothing the output voltage. The overall dimensions are reduced and the reliability of the voltage converter is improved due to the use of one transformer with two primary windings instead of two separate transformers and the absence of additional switching devices and a backup battery.

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к преобразователям постоянного напряжения с гальванической развязкой цепей, и может быть использовано для бесперебойного (гарантированного) электропитания ответственных потребителей, в том числе объектов военного назначения.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular, to DC-DC converters with galvanic isolation of circuits, and can be used for uninterrupted (guaranteed) power supply for critical consumers, including military facilities.

Известны преобразователи постоянного напряжения, содержащие трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена к инвертору напряжения, а вторичная обмотка - к нагрузке через выпрямитель (Источники электропитания РЭА. Справочник под ред. Г.С.Нетвельта. М. : Радио и связь. 1986, стр.360-368).Known DC-DC converters containing a transformer, the primary winding of which is connected to a voltage inverter, and the secondary winding is connected to the load through a rectifier (Power sources REA. Handbook edited by G.S. Netvelt. M.: Radio and communications. 1986, p. 360-368).

Известные преобразователи постоянного напряжения не отвечают принципу бесперебойности питания потребителей и при выходе из строя преобразователей необходимо переключение потребителей на резервный источник питания, что на некоторое время сопровождается потерей питания и нарушением работы потребителей, чувствительных к перерывам питания.Known DC-DC converters do not meet the principle of uninterrupted power supply to consumers and when the converters fail, consumers must switch to a backup power source, which for some time is accompanied by loss of power and disruption of consumers sensitive to power interruptions.

Известен источник бесперебойного питания постоянного тока, включающий в себя основной и резервный силовые выпрямители, аккумуляторную батарею и полупроводниковый ключ, подключающий батарею к нагрузке. Силовые выпрямители состоят из отдельных модулей, один из которых служит зарядным выпрямителем, а также резервным силовым выпрямителем (Электропитание. Научно-технический сборник. М. : Ассоциация электропитания, Выпуск 4, 2002, стр.44-45). При выходе из строя одного из модулей и снижении напряжения на нагрузке, нагрузка кратковременно подпитывается от аккумуляторной батареи, а резервный модуль включается в работу преобразователя при помощи контактора.A known uninterruptible power supply of direct current, including the main and backup power rectifiers, a battery and a semiconductor switch that connects the battery to the load. Power rectifiers consist of separate modules, one of which serves as a charging rectifier, as well as a backup power rectifier (Power Supply. Scientific and Technical Collection. M.: Power Supply Association, Issue 4, 2002, pp. 44-45). If one of the modules fails and the voltage at the load decreases, the load is briefly energized by the battery, and the backup module is turned on by the contactor in the converter.

Недостатками источника бесперебойного питания является то, что переход на резервный источник питания осуществляется тиристорным подключением аккумуляторной батареи и сопровождается возникновением переходных процессов, ухудшающих качество выходного напряжения, а также сложность и ненадежность процесса замены вышедшего из строя модуля на резервный посредством контактора. Кроме этого, аккумуляторная батарея ненадежно работает в некоторых условиях эксплуатации, например, корабельных.The disadvantages of the uninterruptible power supply is that the transition to a backup power source is carried out by thyristor connection of the battery and is accompanied by the occurrence of transients that degrade the quality of the output voltage, as well as the complexity and unreliability of the process of replacing a failed module with a backup one through a contactor. In addition, the battery does not work reliably in some operating conditions, for example, ship.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является агрегат бесперебойного питания, состоящий из основного канала преобразования напряжения, содержащего инвертор, трансформатор и выпрямитель, подключаемый к нагрузке, и резервного канала, содержащего аккумуляторную батарею или аналогичный канал преобразования напряжения, включаемые в работу при выходе из строя основного канала посредством переключателей (Электропитание. Научно-технический сборник. М. : Ассоциация электропитания, Выпуск 4, 2002, стр.29-35).The closest in technical essence to the claimed solution is an uninterruptible power supply unit, consisting of a main voltage conversion channel containing an inverter, a transformer and a rectifier connected to the load, and a backup channel containing a battery or a similar voltage conversion channel, included in the work when exiting building the main channel through switches (Power supply. Scientific and technical collection. M.: Association of Power Supply, Issue 4, 2002, pp. 29-35).

Недостатком агрегатов бесперебойного питания является время переключения на резервное питание большее, чем время чувствительности нагрузки к перерывам питания (менее 80 мс) с сохранением требуемых параметров выходного напряжения по причине отсутствия быстродействующих электромеханических и электронных переключателей каналов.The disadvantage of uninterruptible power supply units is the time for switching to backup power longer than the time that the load is sensitive to power interruptions (less than 80 ms) while maintaining the required output voltage parameters due to the lack of high-speed electromechanical and electronic channel switches.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение минимального времени переключения преобразователя постоянного напряжения с основного канала на резервный с сохранением требований к параметрам выходного напряжения.The objective of the present invention is to provide a minimum time for switching a DC / DC converter from the main channel to the backup channel while maintaining the requirements for the output voltage parameters.

Поставленная задача решается тем, что в известном преобразователе постоянного напряжения, состоящем из основного и резервного каналов, основной канал которого содержит инвертор, питающийся от основной сети и подключенный к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через выпрямитель, трансформатор имеет дополнительную первичную обмотку, а резервный канал содержит инвертор, питающийся от резервной сети и подключенный к дополнительной первичной обмотке трансформатора, причем резервный канал через систему управления его инвертором, подключен к системе управления инвертором основного канала.The problem is solved in that in the known DC-voltage converter, consisting of the main and backup channels, the main channel of which contains an inverter, powered from the main network and connected to the primary winding of the transformer, the secondary winding of which is connected to the load through the rectifier, the transformer has an additional primary winding and the redundant channel contains an inverter powered by the redundant network and connected to the additional primary winding of the transformer, the redundant channel through cut the control system of its inverter, connected to the inverter control system of the main channel.

Инвертор резервного канала также подключен к первичной обмотке дополнительного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через дополнительный выпрямитель.The backup channel inverter is also connected to the primary winding of the additional transformer, the secondary winding of which is connected to the load through an additional rectifier.

Сущность изобретения состоит в том, что применение второго идентичного канала преобразователя напряжения с управлением обоих каналов через системы управления инверторами позволило иметь непрерывную информацию о параметрах выходного напряжения и поддерживать в постоянной готовности к работе резервный канал, поэтому переход на резервный канал происходит с минимальной продолжительностью перебоя питания (не более 20 мс) и сохранением требований по выходным параметрам: форма кривой напряжения, коэффициент пульсаций, допустимое отклонение напряжения, уровень создаваемых индустриальных радиопомех и т.п. Упрощен процесс переключения с основного на резервный источник питания, т.к. не требуется дополнительных электромеханических или электронных коммутаторов, работа которых сопровождается возникновением коммутационных перенапряжений, требующих дополнительных устройств защиты и сглаживания выходного напряжения. Снижены массо-габаритные показатели и повышена надежность преобразователя напряжения, благодаря использованию одного трансформатора с двумя первичными обмотками вместо двух отдельных трансформаторов и отсутствию дополнительных коммутирующих устройств и резервной аккумуляторной батареи. Изготовлены и испытаны поставочные образцы предлагаемых преобразователей мощностью от 300 Вт до 50 кВт. Положительный эффект подтвержден осциллографированием процесса переключения питания преобразователя с основной сети на резервную.The essence of the invention lies in the fact that the use of a second identical channel of the voltage converter with the control of both channels through the control system of inverters made it possible to have continuous information about the parameters of the output voltage and to maintain a standby channel in constant readiness for work, so the transition to the standby channel occurs with a minimum duration of a power outage (no more than 20 ms) and preserving the requirements for the output parameters: the shape of the voltage curve, ripple coefficient, allowable rejected e voltage level generated by industrial interference, etc. The process of switching from the main to the backup power source is simplified, as no additional electromechanical or electronic switches are required, the operation of which is accompanied by the occurrence of switching overvoltages that require additional protection devices and smoothing the output voltage. The overall dimensions and dimensions are reduced and the reliability of the voltage converter is improved due to the use of one transformer with two primary windings instead of two separate transformers and the absence of additional switching devices and a backup battery. Delivery samples of the proposed converters with power from 300 W to 50 kW were manufactured and tested. The positive effect is confirmed by the oscillography of the process of switching the power supply of the converter from the main network to the backup.

На фиг.1 изображена структурная схема предложенного преобразователя, где обозначено: 1 - основная сеть; 2 - резервная сеть; 3 - инвертор основного Figure 1 shows the structural diagram of the proposed Converter, where indicated: 1 - the main network; 2 - backup network; 3 - main inverter

канала; 4 - инвертор резервного канала; 5 - трансформатор; 6 - первичная обмотка трансформатора; 7 - дополнительная первичная обмотка трансформатора; 8 - вторичная обмотка трансформатора; 9 - выпрямитель; 10 - нагрузка; 11 - система управления инвертором 3; 12 - система управления инвертором 4.channel 4 - inverter backup channel; 5 - transformer; 6 - primary winding of the transformer; 7 - additional primary winding of the transformer; 8 - secondary winding of the transformer; 9 - rectifier; 10 - load; 11 - control system of the inverter 3; 12 - control system of the inverter 4.

На фиг.2 изображена структурная схема варианта преобразователя, где обозначено: 13 - трансформатор основного канала; 14 - трансформатор резервного канала; 15 - выпрямитель основного канала; 16 - выпрямитель резервного канала.Figure 2 shows the structural diagram of a variant of the Converter, where indicated: 13 - transformer of the main channel; 14 - backup channel transformer; 15 - rectifier of the main channel; 16 - backup channel rectifier.

На фиг.3 приведена осциллограмма процесса пропадания питания от основной сети и переключения преобразователя мощностью 1200 Вт на резервное питание.Figure 3 shows the oscillogram of the process of power failure from the main network and switching the Converter with a capacity of 1200 watts to backup power.

Преобразователь работает следующим образом. Напряжение питания сети 1 (см. фиг.1) подается на инвертор 3, где оно преобразуется в переменное напряжение и подается на обмотку 6 трансформатора 5. С обмотки 8 трансформатора 5 напряжение поступает на выпрямитель 9 и на нагрузку 10. Система управления 11 обеспечивает требуемые выходные параметры преобразователя. Напряжение питания сети 2 подается на инвертор 4, система управления 12 которого получает информацию о выходных параметрах преобразователя через систему управления 11. При выходе из строя сети 1 или основного канала преобразователя и пропадании питания или отклонении питающего напряжения больше допустимого значения система управления 11 отключает инвертор 3 от сети 1. Система управления 12 получает сигнал от системы 11 об отключении инвертора 3 и немедленно включает инвертор 4 и напряжение питания сети 2 подается на инвертор 4, где оно преобразуется в переменное напряжение и подается на обмотку 7 трансформатора 5. С обмотки 8 трансформатора 5 напряжение поступает на выпрямитель 9 и на нагрузку 10. Далее система управления 12 обеспечивает требуемые выходные параметры преобразователя.The converter operates as follows. The supply voltage of the network 1 (see Fig. 1) is supplied to the inverter 3, where it is converted to alternating voltage and fed to the winding 6 of the transformer 5. From the winding 8 of the transformer 5, the voltage is supplied to the rectifier 9 and to the load 10. The control system 11 provides the required converter output parameters. The supply voltage of network 2 is supplied to the inverter 4, the control system 12 of which receives information about the output parameters of the converter through the control system 11. If the network 1 or the main channel of the converter fails and the power supply fails or the voltage deviates more than the allowable value, the control system 11 turns off the inverter 3 from the network 1. The control system 12 receives a signal from the system 11 to turn off the inverter 3 and immediately turns on the inverter 4 and the supply voltage of the network 2 is supplied to the inverter 4, where it is converted It is fed into alternating voltage and fed to winding 7 of transformer 5. From winding 8 of transformer 5, voltage is supplied to rectifier 9 and to load 10. Further, control system 12 provides the required output parameters of the converter.

При небольшой мощности преобразователя напряжения (0,3-3 кВт), когда не предъявляются жесткие требования по ограничению массо-габаритных показателей, с технологической точки зрения целесообразно выход инвертора 4 (см. фиг.2) резервного канала подключить к дополнительному трансформатору 14 и выпрямителю 16 с последующей подачей выпрямленного напряжения на нагрузку 10 параллельно основному каналу. Далее работа преобразователя осуществляется аналогично вышеописанной работе преобразователя с общим трансформатором для основного и резервного канала.With a small voltage converter power (0.3-3 kW), when there are no strict requirements for limiting mass and dimensional parameters, from a technological point of view, it is advisable to connect the inverter 4 (see Fig. 2) of the backup channel to an additional transformer 14 and a rectifier 16 followed by the supply of a rectified voltage to the load 10 parallel to the main channel. Further, the operation of the converter is carried out similarly to the above-described operation of the converter with a common transformer for the main and backup channel.

Предлагаемый преобразователь постоянного напряжения может получать питание также от сети переменного тока с последующим выпрямлением напряжения перед подачей его на инвертор.The proposed DC voltage Converter can also receive power from the AC network, followed by rectification of the voltage before applying it to the inverter.

При потреблении нагрузкой переменного напряжения на выходе преобразователя может быть установлен соответствующий инвертор, обеспечивающий требуемые выходные параметры преобразователя.When the load consumes alternating voltage, an appropriate inverter can be installed at the output of the converter, providing the required output parameters of the converter.

Из осциллограммы (см. фиг.3) видно, что время переключения преобразователя на резервную сеть при пропадании питания от основной сети составляетFrom the waveform (see figure 3) it can be seen that the switchover time of the converter to the backup network in the event of a power failure from the main network is

примерно 20 мс, параметры резервной сети практически идентичны основной сети, а кратковременное снижение напряжения составило менее 10%, что удовлетворяет требованиям бесперебойности питания ответственных потребителей. about 20 ms, the backup network parameters are almost identical to the main network, and the short-term voltage reduction was less than 10%, which meets the requirements of uninterrupted power supply for responsible consumers.

На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый нами преобразователь постоянного напряжения отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень», «Промышленная применимость» и может быть защищен патентом Российской Федерации.Based on the foregoing and the results of our patent information search, we believe that our DC-DC converter meets the criteria of “Novelty”, “Inventive step”, “Industrial Applicability” and may be protected by a patent of the Russian Federation.

Claims

1. The DC-voltage converter consists of the main and backup channels, while the main channel contains an inverter powered from the main network and connected to the primary winding of the transformer, the secondary winding of which is connected to the load through a rectifier, characterized in that the transformer has an additional primary winding, and the backup channel contains an inverter powered by the backup network and connected to the additional primary winding of the transformer, and the backup channel through the control system in ertorom connected to the inverter control system, the main channel.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that the inverter of the backup channel is connected to the primary winding of an additional transformer, the secondary winding of which is connected to the load through an additional rectifier.