Источник бесперебойного питания в цепи постоянного тока

Предлагаемое 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.

 

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 (I_вых.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 (U_вх) 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 (U_эт), 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 (ΔI_ВЫХ), 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 I_вых - средняя величина выходного тока в k-й момент, δ - период (рабочий цикл), U_ВХ - входные напряжение, U_ВЫХ - выходное напряжение, ΔL_k - разностное отклонение индуктивности k-го модуля от номинальной индуктивности L₀, ΔL^' _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 δ₁ и δ₂ - рабочие циклы одиночных конверторов фильтрующие индуктивности определяются выражениями: , , где ε - единица измерения дисбаланса.

Отсюда следует:

где δ₀ - номинальный рабочий цикл,

P₁(s) и Р₂ (s) - передаточные функции регулятора распределения тока и напряжения соответственно; ΔI_ВЫХ - разность между токами I_ВЫХ1 и I_ВЫХ2.

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

Уравнение (7) характеризует динамику помехи при различных значениях токов конверторов. Принимаем I_ВЫХ=I_ВЫХ1+I_ВЫХ2, 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 ε², a выбор передаточной функции Р₂(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 U_ВЫХ, 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 U_ВХ=100 В для следующих параметров: U_ВЫХ=48 В; L₀=0,1 Гн; δ₀=0,5; С_Н=500 мкФ; R_H=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 ε=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.

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.