Способ управления резервированными модулями источника бесперебойного питания

Авторы патента:

H02M7/493 - Преобразование энергии переменного тока на входе в энергию постоянного тока на выходе; преобразование энергии постоянного тока на входе в энергию переменного тока на выходе

H02J9/04 - в которых распределительная система отключается от нормального источника и подключается к резервному источнику

G05F1/613 - с использованием в качестве оконечных управляющих устройств полупроводниковых приборов, соединенных параллельно с нагрузкой

Владельцы патента RU 2658621:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ФГБОУ ВО ПГУТИ) (RU)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах и системах бесперебойного питания переменного тока, а также в устройствах автоматики и измерительной техники. Техническим результатом является повышение надежности, масштабируемости системы бесперебойного питания и нагрузочных характеристик. Способ управления резервированными модулями источника бесперебойного питания состоит в том, что модули делят на ведущие, с инверторами - усилителями напряжения и ведомые, с инверторами - усилителями тока. Выходные токи параллельно включенных инверторов модулей с широтно-импульсной модуляцией напряжения и последующей фильтрацией суммируют на общей нагрузке. На вход инвертора первого ведущего модуля подают сигнал управления, равный разности задающего сигнала напряжения синусоидальной формы и сигнала отрицательной обратной связи по напряжению, а сигнал выходного тока ведущего модуля используют для управления инверторами ведомых модулей, в которых используют отрицательную обратную связь по току. Ведущий модуль обеспечивает качественные характеристики выходного напряжения и может быть маломощным. Ведомые модули обеспечивают основную часть выходного тока и, следовательно, мощность. В способе управления используют нескольких ведущих модулей, соединенных параллельно. Выходные токи инверторов ведущих модулей суммируют и делят на число работающих ведущих модулей. Полученное частное сравнивают с собственным выходным током инвертора каждого ведущего модуля, а разницу суммируют с задающим сигналом и подают на вход, в результате выравнивают выходные токи ведущих модулей. 2 ил.

Изобретение относится к технике преобразования электрической энергии и может быть использовано в устройствах и системах бесперебойного питания переменного тока, а также в устройствах автоматики и измерительной техники.

Известны источники бесперебойного питания, в которых выходные инверторы соединены параллельно, а их выходные токи суммируют. В качестве первого, ведущего используют инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией, выходное напряжение которого фильтруют с помощью фильтра, например Г-образного [1]. Несущую частоту широтно-импульсного преобразования электрической энергии ведомых, то есть второго, третьего и так далее инверторов, выбирают меньше, чем у первого. Для управления вторым, третьим, четвертым и так далее инверторами используют сигнал выходного тока первого инвертора. Коэффициенты передачи ведомых инверторов по току задают посредством соответствующей глубины отрицательной обратной связи по току.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ управления параллельно соединенными одинаковыми модулями [2], выходные токи которых суммируют. Основой модулей являются одинаковые инверторы, один из которых работает в режиме ведущего и является усилителем напряжения, а остальные - в режиме ведомых. Управление ведомыми инверторами - усилителями тока производится посредством выходного тока ведущего инвертора. Задают режимы работы модулей путем переключения сигналов управления без коммутации силовых входов и выходов модулей. Такое управление позволяет изменять режимы работы модулей и, в случае аварии одного из них, его отключают, а нагрузка и функции распределяются на оставшиеся модули в соответствии с технологией «горячего» резервирования. Несущие частоты широтно-импульсной модуляции модулей одинаковы.

Решение задачи - повышение надежности источника бесперебойного питания и качества выходного напряжения - состоит в том, что в качестве ведущих используют несколько модулей, соединенных параллельно. Выходные токи инверторов ведущих модулей выравнивают путем введения цепи обратной связи по разности между суммарным током ведущих инверторов, деленных на их число, и собственным выходным током ведущего инвертора. Управление ведомыми инверторами - усилителями тока производят с помощью суммарного тока ведущих инверторов. В случае отказа одного из модулей он отключается от выходной шины, а нагрузка перераспределяется на оставшиеся модули.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение надежности модульного источника бесперебойного питания с выходом на переменном токе и качества выходного напряжения в результате отсутствия переключений. Одновременно появляется дополнительная возможность, в случае необходимости, применить в качестве ведущих модули с более высокочастотными инверторами.

Сущность предлагаемого способа управления состоит в том, что в источнике бесперебойного питания используется несколько ведущих модулей, в инверторах которых главной является обратная связь по напряжению. Выходные токи инверторов ведущих модулей суммируют и делят на число работающих ведущих модулей, а частное от деления сравнивают с выходным током каждого инвертора, разность подают на вход инвертора как дополнительную обратную связь. Таким образом, выравнивают выходные токи ведущих инверторов. Сигнал суммарного выходного тока ведущих инверторов подают на входы каждого из инверторов ведомых модулей, в которых главной является обратная связь по току.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - диаграммы напряжений и токов, поясняющие заявляемый способ управления параллельно соединенными модулями при отказе ведущего и ведомого модуля.

Устройство для осуществления предлагаемого способа управления параллельно соединенными модулями источника бесперебойного питания (фиг. 1) содержит первый модуль 1, а также второй модуль 2 и n-й модуль, работающие в режиме ведущего. В режиме ведомых работают модули 3, 4 и k-й. Все ведущие модули одинаковы и содержат выпрямительно-зарядное устройство 5, батарею аккумуляторов 6 с конвертором, устройство управления и генератор задающего сигнала 7, сумматор 8, устройство вычитания 9 и инвертор 10. Для измерения выходного тока в составе модуля имеется датчик тока 11, а для отключения модуля от нагрузки источника бесперебойного питания в нем содержится выключатель 12.

Модули 1, 2,…, n ведущего типа одинаковы, то есть каждый (например, модуль 2 на фиг. 1) ведущий модуль, также как и первый модуль, содержит генератор задающего сигнала 13, датчик тока 14 и выключатель 15. С помощью устройства суммирования 16 выходные токи ведущих модулей суммируются, а сумма делится на количество ведущих модулей.

Модули 3, 4 и k ведомого типа также одинаковы. Ведомый модуль 3 содержит выпрямительно-зарядное устройство 17, батарею аккумуляторов 18 с конвертором, сумматор 19 и инвертор 20. В выходной цепи ведомого модуля имеется датчик тока 21 и выключатель 22.

Выходы всех модулей объединены и подключены к нагрузке 23.

На фиг. 2 показаны процессы широтно-импульсного преобразования электрической энергии напряжения 450 В постоянного тока в напряжение 220 В переменного синусоидального тока, с частотой 50 Гц. Источник бесперебойного питания содержит четыре модуля: два ведущих и два ведомых. Несущая частота широтно-импульсной модуляции в данном примере для всех модулей равна 3,33 кГц. Здесь же иллюстрируются процессы аварийного отключения в момент времени t₁ одного из ведомых модулей (третьего). Одновременно на фиг. 2 показаны процессы при включении вместо отказавшего дополнительного ведомого модуля в момент времени t₃. На фигуре приведены диаграммы: 24 - выходные импульсы напряжения инвертора первого ведущего модуля; 25 - выходные импульсы напряжения инвертора второго ведущего модуля; 26 и 27 - выходные импульсы напряжения инверторов ведомых модулей (3 и 4 соответственно), а также кривая 28 выходного напряжения источника бесперебойного питания.

На тех же диаграммах изображены процессы аварийного отключения в момент t₂ одного из ведущих модулей (первого). Одновременно на фигуре показаны процессы при включении вместо отказавшего дополнительного ведущего модуля в момент времени t₄. В нижней части фигуры 2 (нижней полуплоскости) на той же временной шкале показаны кривые: 29 - выходного тока инвертора первого ведущего модуля; 30 - выходного тока инвертора второго ведущего модуля; 31 и 32 - выходные токи инверторов ведомых модулей (3 и 4 соответственно), а также кривая 33 выходного тока источника бесперебойного питания.

Способ управления параллельно соединенными модулями источника бесперебойного питания осуществляется следующим образом. С помощью ведущих модулей производится генерирование напряжения заданной формы и величины. Посредством ведомых модулей осуществляется генерирование токов соответствующих задающему сигналу выходного тока ведущих модулей и собственного коэффициента передачи каждого ведомого модуля. При параллельном соединении выходов модулей выходной ток ведущих модулей можно снизить до относительно малой величины, обусловленной функциями фильтрации выходного напряжения и обеспечения статических и динамических характеристик источника бесперебойного питания. Поэтому выходные токи ведомых модулей обеспечивают практически всю выходную мощность источника бесперебойного питания и при равенстве коэффициентов передачи по току оказываются практически равными.

Задающий сигнал (фиг. 1), в данном случае синусоидальный, в цифровой или аналоговой форме генерируется в устройствах управления 7 и 13 каждого из ведущих модулей. Задающий сигнал генератора устройства управления 7 подается на вход широтно-импульсного инвертора 10 через сумматор 8. Генераторы ведущих модулей синхронизируются через шину данных между собой и с частотой внешней электросети. С помощью сумматора 8 из задающего сигнала производится вычитание сигнала выходного напряжения главной обратной связи инвертора и сложение с сигналом разности токов, получаемого с помощью устройства вычитания 9. Разность находится между сигналом тока, равным частному от деления суммы выходных токов ведущих инверторов, полученных с помощью устройства суммирования 16, на их число и сигналом выходного тока данного инвертора. Сигнал, подсчитанный в результате суммирования выходных токов ведущих инверторов и деления в сумматоре 16, равен задающему значению выходных токов модулей. Если выходной ток ведущего модуля превышает задающее значение, то отрицательный сигнал разности токов приводит к уменьшению выходного тока (напряжения) модуля и – наоборот- в случае недостаточности выходного тока, положительный сигнал разности приводит к возрастанию выходного тока модуля.

Для управления инверторами модулей 3, 4,…, k, работающими в режиме ведомого в качестве управляющего сигнала используется суммарный сигнал выходных токов ведущих модулей 1, 2,…, n (фиг. 1), который получают с помощью устройства суммирования 16. Главной в инверторах ведомых модулей является отрицательная обратная связь по выходному току, которая образуется с помощью датчика 21 модуля 3, а также аналогичных датчиков остальных модулей. Таким образом, инверторы ведомых модулей являются широтно-импульсными усилителями тока и допускают параллельной соединение выходов.

На фиг. 2 изображены процессы в модульном источнике бесперебойного питания при отказе в момент времени t₁ одного из ведомых модулей (в данном случае модуля 3). С помощью кривой 31 показано, что в момент времени t₁ выходной ток отключившегося модуля 3 (фиг. 1) скачком снижается до нуля. Вследствие этого происходит скачкообразное увеличение токов 29, 30 (всех) ведущих первого и второго модулей. Затем токи 29, 30 снижаются по мере увеличения тока 32 оставшихся ведомых модулей (в данном случае модуля 4). В результате ток(и) 32 оставшихся ведомых модулей увеличивается на величину выходного тока отказавшегося модуля.

В момент времени t₃ устанавливается новый ведомый модуль, что приводит к восстановлению величин токов 31 и 32 ведомых модулей. Описанные выше авария и восстановление ведомого модуля приводит к незначительным отклонениям формы выходных напряжения 28 и тока 33 источника бесперебойного питания.

Процессы в модульном источнике бесперебойного питания в случае отказа в момент времени t₂ одного из ведущих модулей (в данном случае модуля 1) изображены на фиг. 2. С помощью кривой 29 показано, что в момент времени t₂ выходной ток отключившегося модуля 1 (фиг. 1) скачком снижается до нуля. Вследствие этого происходит скачкообразное увеличение (фиг. 2) тока 30 (всех) оставшегося ведущего модуля 2. После восстановления ведущего модуля 1 величины токов 29 и 30 выравниваются и возвращаются к штатной величине. Описанные авария и восстановление ведущего модуля приводит к незначительным отклонениям формы выходных напряжения 28 и тока 33 источника бесперебойного питания.

Ведущие модули источника бесперебойного питания обеспечивают высокие качественные характеристики выходного напряжения и имеют более сложное в сравнении с ведомыми построение, но малую мощность. Частота широтно-импульсной модуляции ведущих модулей может быть выбрана значительно выше, чем у ведомых, что приводит к значительному повышению динамических показателей источника и формы его выходного напряжения.

Разделение модулей на ведущие и ведомые (подчиненный принцип управления модулями) позволяет добиться высоких динамических и нагрузочных характеристик источника бесперебойного питания. А использование нескольких ведущих модулей, построенных по равнозначному (демократическому) принципу управления, делает возможным повышение надежности всех основных узлов и источника бесперебойного питания в целом.

Предлагаемый способ управления позволяет задать конфигурацию и повысить надежность источника бесперебойного питания на основе нескольких модулей (источников), среди которых два (один ведущий и один ведомый) избыточны. Цифровая система управления многомодульного источника бесперебойного питания также может быть построена с дублированием шин и контроллеров. В результате при отказе одного из модулей (любого) последний отключается по команде собственного контроллера или в результате срабатывания предохранителя, а источник бесперебойного питания сохраняет свою работоспособность.

Источники информации

1. Гейтенко А.Е., Гейтенко Е.Н., Неганов В.А. Патент на изобретение №2375809. Способ управления параллельно соединенными инверторами. 10.12.2009 г.

2. Гейтенко Е.Н, Гейтенко А.Е., Осипов О.В. Патент на изобретение RU №2502181. Способ управления параллельно соединенными модулями источника бесперебойного питания. 20.12.13.

Способ управления резервированными модулями источника бесперебойного питания напряжения переменного тока синусоидальной формы, заключающийся в том, что силовые входы и выходы первого модуля источника бесперебойного питания подключают параллельно соответственно к силовым входам и выходам второго, третьего и так далее модулей и суммируют их выходные токи, на управляющий вход инвертора ведущего модуля подают сигнал управления, который получают путем вычитания из задающего сигнала синусоидальной формы сигнала внутренней отрицательной обратной связи по выходному напряжению, формируемому путем широтно-импульсной модуляции выходного напряжения инвертора модуля и его фильтрации с помощью Г-образного LC-фильтра, на управляющие входы инверторов ведомых модулей подают сигналы, равные разности сигнала управления и сигнала отрицательной обратной связи по выходному току соответствующего ведомого модуля, отличающийся тем, что параллельно ведущему модулю подключают хотя бы еще один такой же модуль, выходные токи нескольких ведущих модулей суммируют и делят на число работающих модулей, в каждом ведущем модуле производят вычитание из частного от деления токов сигнала выходного тока данного модуля, а полученную разность суммируют с задающим сигналом управления ведущего модуля и результат подают на его вход, при этом в случае отказа одного из ведущих модулей его отключают, а суммарный ток ведущих модулей делят на число оставшихся, одновременно сигнал управления инверторами ведомых модулей получают путем суммирования выходных токов инверторов работающих ведущих модулей.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления автономными инверторами напряжения (АИН), может быть использовано в электротехнических установках для управления мостовыми однофазными и трехфазными автономными инверторами напряжения.

Усовершенствованная диагностика для многоуровневого привода среднего напряжения с использованием механического шунтирования // 2653864

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в приводах среднего напряжения. Техническим результатом является повышение точности обнаружения операций шунтирования, отказов или неправильных соединений в силовой ячейке.

Модульный многоточечный вентильный преобразователь для высоких напряжений // 2652690

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для формирования преобразователя. Техническим результатом является уменьшение потерь мощности при коммутации за счет генерирования отрицательных напряжения для двухполярного тока.

Способ, устройство и система распределенного управления подмодулями // 2649973

Использование – в области электротехники. Технический результат – повышение качества балансировки напряжений между подмодулями.

Способ эксплуатации параллельных вспомогательных преобразователей в рельсовом транспортном средстве // 2648494

Группа изобретений относится к подаче электроэнергии к вспомогательному оборудованию транспортных средств. Способ снабжения электрических потребителей (3, 31, 32) транспортного средства электрической энергией с помощью вспомогательных преобразователей (1, 11, 12) заключается в том, что вспомогательные преобразователи приводятся в действие с синхронизацией по основной волне и импульсной синхронизацией.

Способ преобразования переменного тока в постоянный ток и соответствующее устройство // 2647706

Изобретение относится к способу преобразования переменного тока в постоянный ток. Технический результат состоит в повышении надежности преобразования за счет ограничения амплитуды пусковых токов.

Трехуровневый инвертор напряжения // 2644384

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к преобразователям электрической энергии напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока (инверторам), и может быть использовано в составе двухзвенных преобразователей частоты либо в электроэнергетических системах с питанием от источника постоянного тока.

Источники питания, имеющие электронные модули питания, и способы их замены // 2644005

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в упрощении замены источника питания.

Многоуровневый преобразователь // 2640038

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в многоуровневом преобразователе. Техническим результатом является снижение вибраций в многоуровневом преобразователе.

Силовой преобразователь и способ его работы // 2636749

Использование – в области электротехники. Технический результат – повышение надежности и безопасности силового преобразователя.

Преобразователь частоты со встроенным источником резервного питания // 2644385

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах переменного тока для лифтового оборудования. Техническим результатом является обеспечение бесперебойной работы лифтового оборудования без остановки кабины и переключения с трехфазного питания на однофазное при пропадании напряжения сети.

Способ отключения источников электроснабжения от нагрузки потребителя и устройство для его осуществления // 2625564

Использование – в области электротехники. Технический результат - повышение надежности и упрощение отключения источников электроснабжения от нагрузки.

Установка бесперебойного питания объекта // 2612196

Использование: в области электротехники. Технический результат – обеспечение выравнивания напряжений.

Способ и система для быстрого переключения резервного источника питания в множественном источнике питания // 2550503

Изобретение раскрывает способ и систему для быстрого переключения между множеством резервных источников питания. Способ содержит формирование, на основе изменяющихся характеристик разности амплитуд и разности углов фаз напряжения шины, модели ускорения для их скорости изменения; выбор оптимального резервного источника питания из множества резервных источников питания путем прогнозирования их измененных значений и подключение нагрузки на шине к оптимальному резервному источнику питания.

Система и способ обеспечения поддержки электропитания на нагрузке // 2539313

Изобретение относится к области электротехники. Система питания и способ предусматривают источник питания; одну или более нагрузок, которые получают питание от источника питания; цепь с добавочным напряжением для повышения напряжения на входе от первичного источника питания; конденсатор для накапливания повышенного напряжения от цепи с добавочным напряжением; и понижающую цепь для понижения напряжения от конденсатора и подачи пониженного напряжения на одну или более нагрузок, когда источник питания отсутствует.

Система электроснабжения потребителей // 2538193

Изобретение относится к области электроэнергетики и электротехники, а именно к системам электроснабжения постоянным и переменным напряжением потребителей. Технический результат заключается в том, что во всем проектном диапазоне изменения параметров напряжения, которое питает систему и напряжение силового питания ОР СУЗ, обеспечивалось бы непрерывное снабжение потребителей электроэнергией.

Электрическая система запуска двигателей летательного аппарата // 2525836

Изобретение относится к электрической системе запуска двигателя (18, 20, 22), содержащей выпрямитель (12) переменного тока в постоянный ток переменного напряжения в постоянное, питаемый от силовой сети (14) переменного тока, для получения первого постоянного напряжения Vdc, модуль (16) преобразования постоянного тока в переменный ток для получения переменного напряжения запуска двигателя при помощи первого постоянного напряжения Vdc, содержащий k параллельно установленных n-фазных инверторов (k>1), выдающих мощность, по меньшей мере, в два раза меньше максимальной мощности Pmax, требуемой для запуска двигателя, и две линии питания каждого из инверторов соединены с электронным защитным устройством, получающим первое постоянное напряжение Vdc, и n выходов каждого из инверторов выдают переменное напряжение запуска двигателя через n последовательно соединенных катушек индуктивности.

Система бесперебойного и гарантированного электроснабжения для наиболее ответственных потребителей электроэнергии // 2518907

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к области электроснабжения ответственных потребителей электроэнергии. К ответственным потребителям можно отнести потребителей, не допускающих разрыва синусоиды в момент включения резервного источника.

Способ управления выходными сигналами источника бесперебойного питания // 2517207

Изобретение относится к источникам бесперебойного питания. Предложен способ управления выходными сигналами источника бесперебойного питания (ИБП), согласно которому формируют через ИБП выходные сигналы с формой различных типов, обеспечивая пользователям возможность переключения на требуемую форму сигнала мощности на выходе после перехода ИБП в режим питания от аккумулятора.

Неизолированное зарядное устройство с двухполярными входами // 2501152

Изобретение относится, в основном, к зарядке аккумуляторных батарей источников бесперебойного питания. Технический результат заключается в обеспечении улучшенного распределения энергии в аккумуляторной батарее.

Стабилизатор постоянного напряжения // 2628763

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах вторичного электропитания систем радиотехники, автоматики и вычислительной техники.