ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2133543

СИСТЕМА АВАРИЙНОГО ПИТАНИЯ

СИСТЕМА АВАРИЙНОГО ПИТАНИЯ

Имя изобретателя: Ове Люк Томсен (DK); Хеннинг Рор Нильсен (DK); Серен Хенрик Нильсен Ратманн (DK) 
Имя патентообладателя: Силкон Пауэр Электроникс А/С (DK)
Адрес для переписки: 129010, Москва, ул.Б.Спасская 25, стр.3, Союзпатент, Патентному поверенному Дудушкину С.В.
Дата начала действия патента: 1994.02.11 

Система аварийного питания содержит инвертор, включенный между ее выходными контактами, и стабилизатор переменного тока, размещенный между входом и выходом. Преобразователь постоянного или переменного тока соединен заряжаемой батареей и служит в качестве зарядного выпрямителя для батареи при нормальной работе и в качестве инвертора (обратного преобразователя) при аварийной работе. Напряжение батареи преобразуется в напряжение переменного тока на выходе системы аварийного питания. Это можно осуществить без изменения инвертора и стабилизатора. Стабилизатор выполнен как регулируемый генератор тока, подающий на ее выходе переменный ток, синфазный напряжению переменного тока, получаемому от источника напряжения переменного тока. Независимо от направления энергии в нем инвертор сохраняет ранее установленное определенное напряжение переменного тока Vвых на выходных контактах системы аварийного питания. Система включает средство сравнения, которое определяет и сравнивает состояния батареи с ранее определенным эталоном и в ответ на это подает сигнал. Интенсивность тока, подаваемого стабилизатором, регулируется в ответ на сигнал, генерируемый средством сравнения так, что система находится в энергетическом равновесии. Система обеспечивает постоянство напряжения на выходе.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к системам аварийного питания.

Системы аварийного питания такого типа включаются между электрическим прибором и источником напряжения переменного тока. Множество электрических приборов используются там, где отключение от электрической сети будет разрушительным для их функционирования. В частности это приборы со встроенными программами, такие как компьютеры, чувствительные к отключению электросети, что может привести к уничтожению данных или неправильному выполнению программ. Системы аварийного питания обеспечивают постоянное подключение напряжения во время отключения электросети в течение нескольких часов.

Из патента США 4366390 известно, например, что используется батарея, которая заряжена при нормальной работе и разряжается при аварийной работе и которая обеспечивает непрерывную подачу энергии для подключенного прибора или приборов до тех пор, пока напряжение не будет восстановлено. Батарея подключена к электрической сети через преобразователь электроэнергии, который служит в качестве зарядного выпрямителя при нормальной работе и в качестве инвертора (обратного выпрямителя) (преобразователя напряжения переменного/постоянного тока) при аварийной работе. Кроме того, преобразователь электроэнергии стабилизирует напряжение на выходе системы аварийного питания, таким образом устраняя колебания в электрической сети. В соответствии с этим принципом система аварийного питания соединена с обмоткой большой дроссельной катушки на входной стороне, которая устраняет разницу между изменяющим входным током и стабилизированным выходным током без потерь. Несмотря на то, что стабилизация напряжения происходит без потерь, обмотка дроссельной катушки вызывает нарастание мощности, которая изменяется вместе с нагрузкой и напряжением электрической сети, т.к. обмотка дроссельной катушки является реактивной.

Устройство, раскрытое в указанном патенте США, можно назвать параллельным преобразователем электроэнергии, т.к. пассивный последовательный элемент в виде обмотки дроссельной катушки, объединяется с активным параллельным элементом в виде регулирующего инвертора.

В основу данного изобретения положена задача создать усовершенствованный вариант системы аварийного питания, известной из указанного патента США 4366390, в котором повышена эффективность системы и устранены недостатки, связанные с меняющимся фактором потеря/связь.

Традиционные системы с ИНЭ (источником непрерывной подачи энергии), содержащие зарядный выпрямитель, последовательно соединенный с обратным преобразователем (инвертором), батареей, включенной между ними, обычно имеют полный КПД, равный 85% для систем с ИНЭ с пятью кВА. Соответствующая система с ИНЭ согласно патенту США 4366390 обычно имеет полный КПД, равный 91%, но система с ИНЭ с 5 кВА согласно изобретению может иметь полный КПД почти 96%.

Стабилизатор (регулятор) переменного тока последовательно соединен с источником напряжения переменного тока (электрической сетью) и регулируется так, что представляет почти идеальный генератор тока, что означает, что напряжение переменного тока на выходе соответствует напряжению нагрузки, тогда как создаваемый ток является синусоидальным и его форма кривой такая же, как и форма кривой напряжения электрической сети. Это достигается за счет того, что стабилизатор переменного тока регулируется таким образом, что он может только получать ток, синфазный с током электрической сети, благодаря чему ток стабилизатора синфазен напряжению электрической сети. Стабилизатор переменного тока таким образом просто искажает действительную электроэнергию электрической сети, и так как он не содержит существенной пассивной реактивной составляющей, он также подводит действительную электроэнергию к инвертору и нагрузке.

Назначением инвертора при нормальной работе является стабилизация выходного напряжения, т.е. напряжения нагрузки, и подвод реактивной или гармонической мощности, если это требуется для нагрузки. Компьютерному оборудованию часто требуется источник синусоидальных токов, который имеет наложение одна на другую гармонические составляющие или обладают сдвигом фаз по отношению к напряжению.

Поэтому инвертор включен так, чтобы составлять идеальный генератор напряжения, который может поддерживать требуемое синусоидальное напряжение на нагрузке, а также подводить дополнительный ток, на который наложен синусоидальный ток, создаваемый стабилизатором переменного тока. Батарея вместе с инвертором служит в качестве буфера между стабилизатором переменного тока и нагрузкой, инвертор, подающий разность между действительной энергией, подводимой стабилизатором переменного тока, и энергией, подводимой к нагрузке. Инвертор получает необходимую электроэнергию от подсоединенной заряженной батареи. Необходимость в подаче реальной энергии от электрической сети для питания нагрузки, компенсации потерь в инверторе и зарядке батареи, если это необходимо, определяется путем контроля за состоянием батареи. Недостаточная подача энергии от электрической сети может быть определена путем измерения напряжения батареи, т.к. будет изменяться энергия батареи, что покажет падение напряжения.

Следует отметить, что согласно изобретению, как указано в п. 1, система будет находиться в энергетическом равновесии с точки зрения энергии, т.к. электрическая сеть только подводит действительную электрическую энергию, а оставшаяся часть энергии, расходуемая нагрузкой, подводится инвертором. Остальная часть расходуемой энергии подводится как реактивная энергия или более высокая гармоническая составляющая и получена от батареи; которая остается постоянно заряженной за счет увеличения или уменьшения реальной электроэнергии, подаваемой от электрической сети.

Можно сказать, что функция системы аварийного питания как постоянного резервного источника была расширена, что также имеет важное значение, чтобы нагрузка в виде электрического устройства на выходе системы аварийного питания только отключала реальное напряжение от общей сети, и таким образом имеет функцию связи, которая близка или аналогична указанной.

Дополнительные пункты патентной формулы описывают элементы системы аварийного питания согласно изобретению, в пункте 2 заявлен вариант выполнения, в котором стабилизатор переменного тока разделен на две параллельные цепи, которые проводят в положительном и отрицательном полупериодах напряжения сети. Когда ток в цепи регулируется, как заявлено в пункте 3, можно практически избежать реактивных составляющих. Но реактивные составляющие имеют такую величину, что они почти не влияют на фактор связи системы аварийного питания. В п. 4 указано, как генератор импульсов генерирует импульсный сигнал, и указаны параметры, необходимые для получения этого сигнала.

Для контроля ток, проходящий через стабилизатор переменного тока, может быть определен как указано в пункте 5.

В пункте 6 указано как выходное напряжение системы поддерживается на постоянном уровне, а в п. 7 и 8 указаны составляющие, которые включает цепь тока регулятора постоянного тока.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг. 1 и 2 изображают известные схемы аварийного питания;

фиг. 3 изображает предпочтительный вариант выполнения системы аварийного питания согласно изобретению;

фиг. 4 изображает предпочтительный вариант выполнения блока управления системы аварийного питания согласно изобретению;

фиг. 5 изображает предпочтительный вариант выполнения инвертора системы аварийного питания согласно изобретению;

фиг. 6 - 8 изображают блок-схему усилителя, инвертора, показанного на фиг. 5 согласно изобретению;

фиг. 9 - 10 изображают эквивалентную схему системы аварийного питания и токи, протекающие в системе согласно изобретению.

На фиг. 1 и 2 показаны две известные конструкции системы аварийного питания, каждая из которых подводит стабильное напряжение к потребителю или нагрузке. Обе системы соединены с генератором напряжения переменного тока 10 или, например, с сетью.

Система, изображенная на фиг. 1, работает как последовательный преобразователь электроэнергии. Указанная система содержит зарядный выпрямитель 11, который является тиристорно-управляемым, для генерирования сильных гармонических колебаний, которые будут возвращаться в электрическую сеть до тех пор, пока не произойдет соответствующая фильтрация в сетевом соединении. Зарядный выпрямитель 11 преобразует напряжение переменного тока, подаваемое на вход, в постоянное выходное напряжение, таким образом обеспечивая полностью заряженную батарею 12. Это напряжение постоянного тока подводится к инвертору 13, который преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, подводимое к нагрузке Z. Конструкция включает два отдельно регулируемых преобразователя, которые работают последовательно. Соответственно каждый из преобразователей должен преобразовывать полную выходную электроэнергию, что приводит к низкой эффективности.

На фиг. 2 показано другое известное устройство с системой аварийного питания, подробно описанное в патенте США 4366390 и которое соединяет источник напряжения переменного тока 10 и нагрузку Z. В системе аварийного питания имеется преобразователь постоянного или переменного тока 14, который работает как зарядный выпрямитель при нормальной работе, заряжая батарею 12, и который работает как инвертор при аварийной работе, преобразуя напряжение батареи в напряжение переменного тока, которое подводится к потребителю Z. В системе аварийного питания имеется дроссельная катушка 15, которая поглощает разницу между стабилизированным выходным напряжением, подаваемым в нагрузке Z, и неустойчивым напряжением сети, получаемым от источника напряжения 10. Дроссельная катушка поглощает эту разницу без потерь, но увеличивает фактор энергии связи, который является функцией угла между создаваемым напряжением и током. Этот фактор энергии должен быть близок к нему, насколько это возможно, вследствие того, что для источника напряжения необходимо, чтобы ток и напряжение были синфазны. Однако с большой реактивной составляющей, такой как дроссельная катушка 15, это невозможно. Кроме того, система аварийного питания содержит выключатель 16, который замкнут при нормальной работе и разомкнут в случае выхода из строя электрической сети, так что батарея 12 не может управлять сетью.

На фиг. 3 показана основная схема системы аварийного питания согласно изобретению. Система содержит батарею 12, которая заряжена напряжением переменного тока, которое выпрямляется инвертором 14, служащим в качестве зарядного выпрямителя при нормальной работе. При аварийной работе преобразователь 14 служит в качестве обратного преобразователя, напряжение батареи 12 преобразуется в напряжение переменного тока, которое подводится к нагрузке Z. Вместо дроссельной обмотки 15 в схеме, изображенной на фиг. 2, система аварийного питания имеет стабилизатор переменного тока 20, который регулирует ток источника напряжения 10 в связи с необходимостью реальной электроэнергии на выходе системы аварийного питания. Более подробно это будет описано ниже со ссылками на сопровождающие чертежи.

На фиг. 6 показана цепь транзистора, которая известна специалистам в этой области техники и которая объединена и является частью стабилизатора переменного тока в качестве предпочтительного варианта выполнения системы аварийного питания согласно изобретению. Положительное входное напряжение V6вх, которое подводится ко входу в коллектор транзистора T6, подается к цепи. Базовый вход транзистора T6 регулируется периодическими сигналами, имеющими переменный рабочий цикл D, т.е. часть периода сигнала, в котором уровень сигнала отличен от нуля, может быть изменена. Диод D6, являющийся проводящим в направлении от нулевого элемента к эмиттеру транзистора, включен между входом эмиттера транзистора и нулевым элементом. Катушка индуктивности L6 включена между эмиттером транзистора и одним выходным контактом цепи транзистора. Сигнал, содержащий входной сигнал как огибающий и имеющий частоту, соответствующую частоте периодического сигнала, поступающего к базе транзистора, появится на эмиттере транзистора. Более того, выходные контакты цепи транзистора содержат включенный между ними большой выравнивающий конденсатор C6 с напряжением V6вых, величина которого определена напряжением V6вх увеличенным рабочим циклом D. Т.к. рабочий цикл будет находиться в интервале от 0 до 1, такая транзисторная цепь создает импульсно-контролируемый усилитель, имеющий приращение между 0 и 1. Выходное напряжение V6вых может быть выражено следующим образом

V6вых = V6вхЧD.

 

На фиг. 7 показана другая транзисторная цепь, в которой на вход подводится положительное входное напряжение V7 вх, которое подводится к коллектору транзистора T7 через катушку индуктивности L7. Транзистор T7 регулируется периодическим сигналом, имеющим переменный рабочий цикл D, который поступает к базовому электроду. Электрод эмиттера соединен с нулевым элементом. Диод D7 включен между коллектором транзистора T7 и одним выходным контактом транзисторной цепи и является проводящим в направлении этого контакта. Большой выравнивающий конденсатора C7 подключен у выхода так, что выходное напряжение V7вых может быть выражено через входное напряжение V7вх, поделенное на 1 меньше рабочий цикл D. Т.к. рабочий цикл находится в интервале между 0 и 1, можно получить усиление больше 1 для усилителя, при этом выходное напряжение может быть выражено следующим образом

V7вых = V7вх / (1-D).

На фиг. 8 связи транзистора соединены таким образом, что образована интегральная цепь. Входное напряжение V8вх соответствует входному напряжению V6вх. Если периодические сигналы управляющие транзисторами T6 и T7 одинаковы и синфазны, то нет необходимости выравнивать сигналы до выхода цепи, т.к. транзисторы T6 и T7 будут одновременно проводящими. Соответственно конденсатор C6 может быть не включен и катушки индуктивности L6, L7 могут быть присоединены к интегральной катушки индуктивности L8. Напряжение V6вых соответствует напряжению V7вх, так что цепь, изображенная на фиг. 8, сможет подводить выходное напряжение V8вых, которое может быть выражено через входное напряжение V 8 вх и рабочий цикл 2

V8вых = V8вхЧD/(1-D).

Однако часто предпочтительнее регулировать каждое транзисторное соединение отдельно, так что одна ступень просто передает входное напряжение к выходу, где управляющий сигнал или высокий (фиг. 6) или низкий (фиг. 7), а вторая ступень является импульсно-управляющей. Если входное напряжение V8вх должно быть усилено, контрольное напряжение транзистора T6 повышается, и транзистор T7 управляется импульсной модуляцией для получения требуемого напряжения. Наоборот, если входное напряжение V8вх должно быть уменьшено, управляющее напряжение транзистора T7 понижается и транзистор T7 управляется импульсным модулированным сигналом для уменьшения подаваемого напряжения. Конденсатор между двумя транзисторными ступенями может быть не включен, т.к. один транзистор просто передает входное напряжение к выходу. При работе с разными управляющими сигналами на двух транзисторах, выходное напряжение V8вых может быть выражено через рабочие циклы DT6, DT7 управляющих сигналов.

V8вых = V8вхЧDT6/(1-DT7),

где рабочий цикл DT6 равен 1 или T7 равно 0 при нормальной работе, т.к. один из управляющих сигналов или высокий или низкий.

На фиг. 4 показан принцип управления стабилизатора напряжения переменного тока, который подробно показан на фиг. 5. Следует отметить, что управление мощности части 14 (фиг. 3) преобразователя показаны только в общих чертах, т.к. основы подробно описаны в патенте США 4366390.

На фиг. 4 показано устройство синхронизации 25, соединенное с источником напряжения переменного тока и управляющее двумя генераторами 26, 31, которые синхронны и синфазны с источником напряжения переменного тока и амплитуды которых могут управляться при помощи напряжений переменного тока. Напряжение от синусного генератора 26 подается к положительному входу усилителя 24 погрешности, отрицательный вход которого соединен с трансформатором 21, подключенным последовательно с входным контактом системы аварийного питания. Трансформатор электроэнергии 21 нагружен резистором 22 для получения напряжения на отрицательном входе усилителя погрешности 24, указанное напряжение пропорционально силе тока на входном контакте системы аварийного питания. Сигнал от усилителя ошибки 24 подается на модулятор 23, генерирующий сигналы модуляции к транзисторам 62, 65, 72, 75, изображенным на фиг. 5. Эти транзисторы выполнены таким образом, что сохраняют наименьшее возможное отклонение или отсутствие отклонения между двумя сигналами, поступающими на вход усилителя погрешности 24. Если мгновенное значение измененного входного тока имеет более низкую амплитуду, чем требуемое значение от синусного генератора 26, то рабочий цикл управляющих сигналов меняется в направлении, которое увеличивает приращение в стабилизаторе переменного тока 20, который усиливает входной ток в системе. Если амплитуда измеренного входного тока выше, чем требуемое значение от синусоидального генератора 26, рабочий цикл контрольных сигналов меняется в направлении, уменьшающем приращение в стабилизаторе переменного тока 20, что ведет к ослаблению входного тока. Такое управление обеспечивает постоянную пропорциональность входных токов сигналу от синусного генератора относительно амплитуды и формы кривой, так что входной ток системы будет всегда синусоидальным и синфазным входному напряжению. Это обеспечивает способность системы аварийного питания поддерживать фактор связи примерно равным 1 независимо от того, что происходит со стороны нагрузки, т. к. преобразователь 14 компенсирует сдвиг фаз, если он существует, между током и напряжением на выходе системы аварийного питания, если нагрузка реактивная.

Для управления амплитудой синусного генератора 26 и таким образом электроэнергией, получаемой системой аварийного питания от источника напряжения (питающей сети), контролируется заряженное состояние батареи. Этот контроль осуществляется средством сравнения 28, на которое поступает сигнал, пропорциональный напряжению батареи на ее отрицательном входе и установленное значение напряжения Vуст, посредством чего определяется требуемое напряжение заряда батареи 12 на ее положительном входе. Средство сравнения 28 регулирует амплитуду синусного генератора 26 так, что получены наименьшие возможные отклонения или отсутствие отклонений между двумя сигналами, подаваемыми на вход средства сравнения 28. Если напряжение батареи ниже, чем требуемое эталонное значение, напряжение синусного генератора 26 увеличивается. Этот означает, что ток и энергия, получаемая от электрической сети, увеличиваются.

Напряжение Vвых на выходе системы аварийного питания и электроэнергия, потребляемая нагрузкой, поддерживаются постоянными, так что возрастающая энергия, забираемая от электрической сети посредством стабилизатора 20 переменного тока, может быть передана только батарее 12 посредством преобразователя 14, который заряжает батарею 12, что ведет к увеличению напряжения батареи. Таким образом, система аварийного питания в целом будет постоянно находиться в равновесии с точки зрения энергии, так что постоянное заряжающее напряжение поддерживается в батарее 12 независимо от того, меняется ли входное напряжение или нагрузка.

Остальные цепи, изображенные на фиг. 4, служат для поддержания переменного тока от преобразователя 14 постоянным, независимо от изменений напряжения батареи и нагрузки. Это можно рассматривать как предшествующий уровень техники, на который опираются, например, системы аварийного питания, показанные на фиг. 1 и 2. Поэтому их работа будет кратко описана ниже. Сигнал от синусного генератора 31 сравнивается с фактическим выходным напряжением Vвых системы в усилителе погрешности 30. Сигнал от усилителя погрешности 30 управляет транзисторами преобразователя 14 посредством модулятора 34 для обеспечения наименьшей возможной разности или ее отсутствия между двумя сигналами на входе в усилитель погрешности 30. Для получения стабильности увеличенного напряжения среднее значение выходного напряжения V вых измеряется цепью 32 измерения средних напряжений, и амплитуда синусного генератора 31 регулируется, увеличивается или уменьшается посредством усилителя погрешности 33, таким образом постоянно поддерживающим среднее значение выходного напряжения Vвых на уровне, определенном установленным значением напряжения Vуст, подаваемым на положительный вход усилителя погрешности 33. Сигналы модуляции от стабилизатора постоянного тока 20 так же, как от преобразователя 14, обычно имеют частоту, которая на 100 - 1000 периодов выше, чем частота напряжения переменного тока, подаваемого на вход системы аварийного питания.

На фиг. 5 схематично показана система аварийного питания согласно изобретению. Для большей ясности контрольные устройства не включены, изображены только части системы, передающие электрическую энергию. Стабилизатор напряжения переменного тока 20 изображен подробно, он выполнен в виде компенсирующего/повышающего инвертора. Стабилизатор напряжения переменного тока 20 содержит две ветки, которые являются проводящими в положительном и отрицательном полупериоде напряжения переменного тока, подаваемого на вход.

Первая ветвь включает диод 60, проводящий ток в положительном полупериоде подводимого напряжения переменного тока. После диода 60 включен регулируемый транзистор 62 типа ДТИВ (двухполюсный транзистор с изолированным входом), соединенный параллельно с диодом 68 с обратным питанием. Транзистор 62 управляется периодическим сигналом, подаваемым на его управляющий электрод, указанный сигнал генерируется модулятором 23, показанным на фиг. 4. Рабочий цикл этого сигнала может регулироваться, что указано выше на фиг. 4. Выход эмиттера транзистора 62 соединен с отрицательным электродом батареи 12 через диод 63. Катушка индуктивности 64 аналогичным образом соединена с узлом между транзистором 62 и диодом 63. Транзистор 62, диод 63 и катушка индуктивности 64 образуют транзисторную цепь, которая соответствует транзистору, описанному выше для фиг. 6.

Кроме того, катушка индуктивности 64 соединена с другим узлом, между этим узлом и нулевым элементом подключен диод 67 последовательно с транзистором 65, соответствующим транзистору 62, и управляемым подобным образом. Диод 67 и транзистор 65 размещены так, что ток может течь от узла с катушкой индуктивности 64 и диод 67 в направлении нулевого элемента. Узел между диодом 67 и катушкой индуктивности 64, кроме того, соединен с одним входным контактом системы аварийного питания посредством диода 66, который поляризован так, что ток может течь в направлении выхода. Диод 67 защищает транзистор 65 от противоположно направленных токов и создает в проводящем состоянии сброс напряжения между узлом и транзистором 65, между диодом 67 и катушкой индуктивности 64.

Катушка индуктивности 64 в совокупности с транзистором 65, диодом 66 и выравнивающим конденсатором 80, размещенным между выходными контактами системы аварийного питания, составляет транзистор, соединенный с транзистором, показанным на фиг. 7. Эти элементы в совокупности с транзистором 62 и диодом 63 образуют транзисторную цепь, аналогичную изображенной на фиг. 8. Соответственно другой отвод тока стабилизатора переменного тока выполнен таким же образом, как и первый отвод, все однонаправленные элементы преобразуются так, что этот отвод является проводящим в отрицательном полупериоде подаваемого напряжения. Таким образом, этот отвод содержит диод 70, соединенный с транзистором 72, который соответствует транзистору 62 и параллельно соединен с диодом обратной связи 78. Другой узел между диодом 78 и транзистором 72 соединен с положительным электродом батареи 12 посредством диода 73 и с катушкой индуктивности 74, другой выходной контакт которой соединен с выходным контактом системы аварийного питания посредством диода 76 и с нулевым элементом посредством транзистора 75 и диода 77. Транзистор 75 обычно соответствует транзисторам 65, 62 и 72 и все они управляются сигналами или параллельными сигналами или высокими/низкими напряжениями.

Если рассматривается положительный полупериод входного сигнала, пути прохождения тока 60 - 68 будут проводящими. Если входное напряжение выше, чем выходное напряжение, то оно должно быть уменьшено, и в связи с фиг. 8 транзистор 65 получит управляющий сигнал, который будет низким или прервется, так что это произойдет в реверсном режиме. Транзистор 62 получает сигнал модуляции длительности импульса и в ответ на него уменьшает напряжение.

При сравнении фиг. 5 с фиг. 8 видно, что диоды 63 и 73 на фиг. 5 соединены соответственно с отрицательным и положительным контактами батареи 12, вместо того чтобы быть соединенными с нулевым элементом, как показано на фиг. 8. Если бы диоды 63 и 73 были соединены с нулевым элементом, это привело бы к появлению нежелательного соединения и к короткому замыканию выходного напряжения системы на нулевой элемент через диоды 63 и 66 и катушку индуктивности 64 в отрицательном полупериоде. Соответственно в положительном полупериоде система была бы коротко замкнута на нулевой элемент через диоды 73 и 76 и катушку индуктивности 74. Для предотвращения этого учитывается то обстоятельство, что два транзистора 91 и 94 в преобразователе 14 всегда управляются в противоположных фазах к выходной частоте питающей системы, так что транзистор 94 всегда является проводящим и транзистор 91 всегда прерывается в положительном полупериоде напряжения, и наоборот - в отрицательном полупериоде. Это обеспечивает наличие у диода 63 питающего тока к нулевому элементу через транзистор 94 в положительном полупериоде, в котором должен быть использован диод. В отрицательном полупериоде ток через 63 не может быть проводящим, т.к. разность потенциалов на отрицательном контакте батареи ниже, чем мгновенные значения напряжения, которые появляются на выходе системы. Разность потенциалов подводится к диоду 73, который соединен с нулевым элементом посредством транзистора 91 в отрицательном полупериоде, в то время как эта разность потенциалов поддерживается в реверсном режиме посредством подачи напряжения с батареи и в положительном полупериоде.

Транзисторы 92 и 93 управляются импульсами модулированной ширины, имеющими высокую частоту, так что напряжение в узле между двумя транзисторами 92 и 93 образует требуемое синусоидальное напряжение на выходе системы, конденсатор 20 вместе с катушкой индуктивности 95 образует фильтр нижних частот. Диоды 80, 84 обеспечивают, что независимо от того, какой из четырех транзистор 91-94 является проводящим, а какой прерван, всегда существует связь от катушки индуктивности 95 через батарею 12 к конденсатору 80. Ток, проходящий через катушку индуктивности, не может вызывать поляризацию транзисторов 91-94. Функцию диодов 81-84 и транзисторов 91-94 можно отнести к предшествующему уровню техники, известному по инверторам, изображенным на фиг. 1 и 2. Для управления транзистором 91-94 также не имеет значения, нормально работает система или работает в аварийном режиме, кода стабилизатор полного перемещения тока не чувствителен.

Принцип управления инвертором подробно описан в патенте США 4366390.

Схема на фиг. 5 была описана в общем виде, т.к. специалисту ясно, что изображенные диоды будут снабжены параллельным развязывающим конденсатором. Более того, специалисту очевидно, как управляющие сигналы объединяются на базовых входах на транзисторах.

На фиг. 9 показано, как инвертор 14 соединен с батареей 12, и напряжение батареи V. На инвертор 14 поступает ток с батареи 12, и он подводит соответствующий ток к нагрузке Z. Преобразователь 14 поддерживает ранее установленное напряжение переменного тока Vн на нагрузке Z. Стабилизатор тока изображен как регулируемый генератор тока 20 на фиг. 9, который последовательно соединен с источником напряжения переменного тока 10 и параллельно соединен с инвертором 14. Генератор переменного тока проводит синусоидальный тока IR, как показано на фиг. 10. Напряжение Vн нагрузки Z показано на фиг. 10 синусоидальным. На фиг. 10 показано, что ток нагрузки Iн является в значительной степени синусоидальным, но имеет наложенные одна на другую более высокие гармонические колебания. Энергия более высоких гармонических колебаний создается преобразователем 14, который может подавать ток IVR, соответствующий току, изображенному на фиг. 10. Очевидно, что ток Iн нагрузки Z (по существу) синфазен с напряжением нагрузки Vн, так что в этом случае нагрузка Z является резистивной. Если, однако, нагрузка Z была бы частично реактивной, ток нагрузки Iн был бы фазно-сдвинутым по отношению к напряжению нагрузки Vн. Это не изменило бы форму кривой тока IR генератора тока, но привело бы к тому, что ток инвертора IR принял синусоидальную форму, которая была бы сдвинута по фазе относительно тока IR так, что сумма токов IVR и IR составила бы ток Iн, необходимый для нагрузки.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Система аварийного питания для связи источника напряжения переменного тока на входных контактах и нагрузки (Z) на выходных контактах, обеспечивающая постоянное напряжение на выходных контактах, даже если напряжение переменного тока от источника напряжения переменного тока является нерегулярным или прерывистым, содержащая преобразователь постоянного или переменного тока, подключенный между выходными контактами, и стабилизатор переменного тока, расположенный между входными и выходными контактами, при этом указанный преобразователь подключен к разрядной батарее и служит зарядным усилителем для батареи при нормальной работе и инвертором при аварийной работе, и напряжение батареи преобразуется в напряжение переменного тока на выходных контактах системы аварийного питания, отличающаяся тем, что стабилизатор переменного тока выполнен как регулируемый генератор тока, подающий на выходные контакты переменный ток, который синфазен напряжению, полученному от источника напряжения переменного тока, при этом указанный преобразователь поддерживает заранее определенное напряжение переменного тока (V вых) на выходных контактах, а энергия, необходимая для этого, подводится от батареи, система содержит также средство сравнения, которое выполнено с возможностью определения и сравнения сигнала, пропорционального напряжению батареи на ее отрицательном выводе, с установленным значением напряжения (V уст) и подачей ответного сигнала, а интенсивность тока, подводимого от стабилизатора, регулируется в ответ на сигнал, генерируемый средством сравнения.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что стабилизатор переменного тока содержит первую (60 - 68) и вторую (70 - 78) цепи тока, соединенные параллельно, которые работают соответственно в прямом и реверсном режиме в положительном и отрицательном полупериодах напряжения переменного тока, подаваемого на вход системы.

3. Система аварийного питания по п.1 или 2, отличающаяся тем, что ток в первой и второй цепях (60 - 68, 70 - 78) является импульсно-управляемым под действием периодического сигнала, имеющего форму меандра, а система содержит генератор импульсов, выполненный с возможностью выдачи сигнала, имеющего форму меандра, рабочий цикл которого (D) регулируется в ответ на сигнал, генерируемый средством сравнения.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что генератор импульсов содержит синусоидальный генератор, который синхронизирован с источником напряжения переменного тока посредством блока синхронизации и управления посредством сигнала, генерируемого средством сравнения, при этом имеется усилитель погрешности, подключенный последовательно с модулятором, который генерирует периодический сигнал, имеющий форму меандра, в ответ на сигнал сравнения между сигналом, генерируемым синусоидальным генератором, и сигналом сравнения напряжения переменного тока.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что сигнал сравнения напряжения переменного тока, используемый в усилителе погрешности, является мерой тока, полученного от источника напряжения переменного тока, и эта мера создается посредством преобразователя тока, имеющего резистор нагрузки, подключенный к входному контакту.

6. Система по любому из пп. 3 - 5, отличающаяся тем, что содержит средство обнаружения отклонений в выходном напряжении системы по сравнению с напряжением сравнения (V эт) и средства компенсации для компенсации отклонения путем изменения периодических сигналов, имеющих форму меандра, в ответ на действительное выходное напряжение, которые управляет инвертором так, что он поддерживает постоянное выходное напряжение.

7. Система по п.2, отличающаяся тем, что первая цепь тока (60 - 68) содержит транзистор (62), эмиттер которого соединен с отрицательным электродом батареи (12) посредством диода (63), являющегося проводящим в направлении эмиттера, катушку индуктивности (64), один вывод которой соединен с эмиттером транзистора, а другой вывод соединен с выходным контактом через диод (66), который является проводящим в направлении выходных контактов, и транзистор (65), который соединен с нулем.

8. Система по п. 2, отличающаяся тем, что вторая цепь тока (70 - 78) содержит транзистор (72), коллектор которого соединен с положительным электродом батареи (12) посредством диода (73), который является проводящим в направлении электрода батареи, катушку индуктивности (74), один вывод которой соединен с коллектором транзистора (72), а другой вывод соединен с выходным контактом посредством диода (76), который является проводящим в направлении катушки индуктивности (74), и транзистор (75), который соединен с нулем.

Версия для печати
Дата публикации 28.04.2007гг


вверх