ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ В ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ В ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА


RU (11) 2330321 (13) C1

(51) МПК
G05F 1/565 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 05.12.2008 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2006143496/09 
(22) Дата подачи заявки: 2006.12.07 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2006.12.07 
(45) Опубликовано: 2008.07.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1704223 A1, 07.01.1992. SU 1040479 A, 07.09.1983. DE 3602496 A1, 30.07.1987. 
(72) Автор(ы): Рогулина Лариса Геннадьевна (RU); Сажнев Александр Михайлович (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУ ВПО "СибГУТИ") (RU) 
Адрес для переписки: 630102, г.Новосибирск, ул. Кирова, 86, ГОУ ВПО СибГУТИ 

(54) ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ В ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКАПредлагаемое изобретение относится к области электротехники и предназначено для бесперебойного электроснабжения потребителей в цепи постоянного тока. Целью изобретения является снижение дифференциальной составляющей кондуктивной помехи, что достигается путем формирования фазового сдвига для каждого канала управления одиночными конверторами напряжения. Проверка способа и устройства проведена путем моделирования в среде Simulink. Результаты исследований доказали эффект гашения колебания напряжения на входном и выходном емкостных фильтрах за счет введения фазового сдвига в управлении конверторами напряжения. При этом обеспечивается технический результат - сохраняется качество стабилизации выходного напряжения и снижается разброс выходных токов одиночных конверторов. 5 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и предназначено для бесперебойного электроснабжения потребителей в цепи постоянного тока.

Широко известна система вторичного электропитания, содержащая ряд параллельно включенных стабилизирующих источников, где повышение точности стабилизации достигается за счет введения в каждый из источников развязывающего диода [1].

Устройство, реализующее известный способ, содержит (фиг.1) 1, ..., N стабилизирующих источников. Каждый источник 1 включает в себя датчик 2 выходного напряжения, датчики 3 и 4 соответственно выходного (Iвых.1) и входного (I вх.1) токов, ключ 5 с двусторонней проводимостью, регулирующий элемент 6, задатчик 7 выходного напряжения (U вых.1), исполнительные органы 8 и 9, узлы сравнения 10 и 11, балластный резистор 12, развязывающий диод 13. Благодаря тому, что аноды развязывающих диодов 13 стабилизирующих источников через ключи 5 соединены с общей шиной 14 в узлах 11 всех N стабилизирующих источников, сравнивается только общий сигнал заданного значения тока для всех N исполнительных органов 9, что снижает уровень ошибки при распределении тока.

Недостатками известного устройства являются: высокий уровень потерь, так как введен дополнительный силовой элемент; низкое быстродействие из-за использования аналоговых элементов в устройстве управления и, следовательно, высокий уровень кондуктивных помех.

Целью изобретения является снижение дифференциальной составляющей кондуктивной помехи, что также позволит складывать выходные мощности с меньшим значением индуктивности помехоподавляющих фильтров благодаря эффекту гашения колебания напряжения на входном и выходном емкостных фильтрах.

Поставленная цель достигается тем, что формируется фазовый сдвиг для каждого канала управления одиночным конвертором напряжения по разностному значению тока фильтрового дросселя, который обрабатывается по сигналам, поступающим с датчиков тока при сохранении основного режима стабилизации выходного напряжения, осуществляемого ШИМ-котроллером по сигналу датчика выходного напряжения, что обеспечивает синхронизацию сигналов управления, поступающих на регулирующий элемент конвертора напряжения.

В системах бесперебойного электроснабжения в цепи постоянного тока используют параллельное включение конверторов напряжения (фиг.2.) либо для увеличения мощности, либо в качестве вольт-добавки к аккумуляторной батарее в аварийном режиме. Различие величин фильтрующих индуктивностей независимых одиночных конверторов при их параллельной работе приводит к появлению в спектре помехи разностных частот, что отрицательно сказывается на устойчивости системы в целом. Таким образом, сам источник бесперебойного питания в цепи постоянного тока становится генератором высших гармоник, и приходится прибегать к специальным мерам по ограничению помех для совместимости с другим электрооборудованием [2]. Введение помехоподавляющих фильтров приводит к дополнительным потерям и увеличению габаритных размеров.

На фиг.3 представлена функциональная схема описываемого устройства беспербойного питания в цепи постоянного тока.

Устройство содержит выводы для подключения источника напряжения (Uвх) постоянного тока для функционирования последних, N параллельно включенных конверторов напряжения для увеличения выходной мощности устройства. Каждый из одиночных конверторов включает в себя регулирующий элемент 6, введенный в одну из силовых шин последовательно с фильтрующим дросселем 16 и датчиком тока 3, обратный диод 15, включенный параллельно нагрузке между регулирующим элементом и фильтрующим дросселем, датчик выходного напряжения 2, вход которого соединен с выводами для подключения нагрузки, общее для всех конверторов устройство сравнения с эталоном - 10, на один вход которого подается напряжение с эталонного источника напряжения 7 (Uэт), другой соединен с выходом датчика 2, а выход устройства сравнения 10 соединен с ШИМ-контроллером 19, выход которого подключен ко входу 21 корректора 20 каждого i канала, на которые поступают сигналы для синхронизации и формирования фазовых сдвигов между сигналами управления регулирующими элементами конверторов с учетом сигнала разности токов дросселей ( IВЫХ), поступающего с выхода устройства сравнения 11, вход которого присоединен к выходу датчика тока 3 каждого отдельного конвертора и к выходу устройства измерения среднего значения выходного тока 18.

Средняя величина выходного тока N-го преобразователя, работающего при непрерывном токе дросселя характеризуется системой n-го порядка:



где Iвых - средняя величина выходного тока в k-й момент, - период (рабочий цикл), UВХ - входные напряжение, UВЫХ - выходное напряжение, Lk - разностное отклонение индуктивности k-го модуля от номинальной индуктивности L0 , L' k - отклонение индуктивности k-го модуля по отношению к другим модулям, работающим параллельно.

Скорость нарастания выходного тока в каждом каскаде отличается от скорости нарастания выходного тока в других каскадах из-за влияния дисбаланса фильтрующих индуктивностей. Частота пульсаций (nf0) кратна частоте преобразования конвертора - f0. Дисбаланс фильтрующих индуктивностей порождает субгармонические частоты, кратные f0. Скорость нарастания тока подвержена влиянию только со стороны суммарного дисбаланса индуктивностей. С учетом уравнения (1) необходимо корректировать сигнал управления для регулирования выходного напряжения с точки зрения устойчивости к помехам общего вида. Величины индуктивностей определяются требованиями по пульсациям питающих напряжений, что усугубляет проблему помехоустойчивости. Независимые конверторные модули описываются выражениями:





где 1 и 2 - рабочие циклы одиночных конверторов фильтрующие индуктивности определяются выражениями: , , где - единица измерения дисбаланса.

Отсюда следует:







где 0 - номинальный рабочий цикл,

P1(s) и Р2 (s) - передаточные функции регулятора распределения тока и напряжения соответственно; IВЫХ - разность между токами I ВЫХ1 и IВЫХ2.

С учетом передаточной функции G(s) замкнутого контура объединенной системы конверторов выражение для IВЫХ представляется в виде:



Уравнение (7) характеризует динамику помехи при различных значениях токов конверторов. Принимаем I ВЫХ=IВЫХ1+IВЫХ2 , тогда уравнение для оценки помехоустойчивости системы имеет вид:



Уравнение (7) показывает, что динамика разностного тока между двумя конверторами пропорциональна уровню дисбаланса (s) и зависит от управляющего воздействия напряжения и разности токов. Стабильность к помехе при параллельном включении конверторов определяется положениями полюсов уравнения (8). Уровень помехи зависит от 2, a выбор передаточной функции Р 2(s) определяет разницу токов между двумя конверторами.

Из уравнений (2) и (3) следует, что достичь равных изменений токов двух конверторов за период работы можно при следующих соотношениях:





Уравнения (9) и (10) описывают алгоритм управления конверторами, который позволяет скомпенсировать дисбаланс индуктивностей, сохранив режим стабилизации напряжения, снизить разброс выходного тока параллельных конверторов и снизить уровень кондуктивной помехи.

Проверка способа снижения дифференциальной составляющей кондуктивной помехи проведена посредством моделирования в среде Simulink [3]. Разработанная математическая модель (фиг.4.) соответствует схеме, представленной на фиг.3. Контур отрицательной обратной связи выделен в подсистему Subsystem, где на входе In 1 контролируется выходное напряжение UВЫХ, а на выходах системы обратной связи Out 1 и Out 2 формируются сигналы с учетом дисбаланса индуктивностей.

Для проверки правильности предлагаемого устройства и способа рассчитаны переходные характеристики U ВЫХ(t) в вольтах (фиг.5.) при подключении источника питания UВХ=100 В для следующих параметров: U ВЫХ=48 В; L0=0,1 Гн; 0=0,5; СН=500 мкФ; RH=150 Ом; f0 =20 кГц. Результаты моделирования показали, что дисбаланс индуктивностей приводит к расхождению кривых тока переходного процесса и увеличению времени установления напряжения, как показано на фиг.5, 6 при значении =0,4, что подтверждает теорию, изложенную выше. При равномерном распределении токов процесс затухания протекает значительно быстрее, что повышает и устойчивость к помехам (фиг.5а).

Результаты исследований показали, что предлагаемый способ и устройство позволяют снизить уровень дифференциальной составляющей кондуктивной помехи, а также увеличить выходную мощность с меньшим значением индуктивности помехоподавляющих фильтров благодаря эффекту гашения колебания напряжения на входном и выходном емкостных фильтрах за счет введения фазового сдвига в управление одиночными конверторами напряжения по разностному значению тока. При этом сохраняется качество стабилизации выходного напряжения и снижается разброс выходных токов одиночных конверторов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. В.В.Талов. Система вторичного электропитания. а. с., №1704223, кл. Н02J 1/10, 1990.

2. Воробьев А.Ю. Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем. - М.: Эко-Трендз, 2003. - 280 с.

3. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в MatLab. Учебный курс. - СПб.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005 - 512 с.: ил.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Источник бесперебойного питания в цепи постоянного тока, содержащий параллельно соединенные конверторы напряжения между выводами для подключения аккумуляторной батареи и нагрузки с фильтрующими дросселями на выходе, каждый из одиночных конверторов включает в себя регулирующий элемент, введенный в одну из силовых шин последовательно с фильтрующим дросселем и датчиком тока, обратный диод, включенный параллельно нагрузке между регулирующим элементом и фильтрующим дросселем, датчик выходного напряжения, вход которого соединен с выводами для подключения нагрузки, общее для всех конверторов устройство сравнения на один вход которого подается эталонное напряжение, другой соединен с выходом датчика выходного напряжения, а выход устройства сравнения соединен с ШИМ-контроллером, выход которого является входом устройств сравнения каждого канала, на которые поступают сигналы для синхронизации и формирования фазовых сдвигов между сигналами управления регулирующими элементами конверторов с учетом сигнала разности токов дросселей, поступающего с выхода устройства сравнения, вход которого присоединен к выходу датчика тока, отличающийся тем, что вводится фазовый сдвиг в управление одиночными конверторами напряжения по разностному значению тока, что также позволит складывать выходные мощности с меньшим значением индуктивности помехоподавляющих фильтров благодаря эффекту гашения колебания напряжения на входном и выходном емкостных фильтрах.





ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru