Двунаправленный преобразователь аккумуляторной батареи и уравнительное устройство для аккумулирования электроэнергии в системе электропитания
Изобретение относится к области преобразовательной техники. Система (10) электропитания для подачи электрической энергии от электрической сети (14) на нагрузку (18) содержит по меньшей мере один модуль (20) электропитания. Модуль (20) электропитания содержит цепь (24) постоянного тока, которая запитывается от электрической сети (14); и инвертор (26), подключенный к цепи (24) постоянного тока и выполненный с возможностью преобразовывать напряжение постоянного тока из цепи (24) постоянного тока в напряжение переменного тока, подаваемое на нагрузку (18). Система (10) электропитания содержит устройство (30) для хранения электрической энергии, которое заряжается от цепи (24) постоянного тока и подает электрическую энергию в цепь (24) постоянного тока при сбое в работе электрической сети (14), устройство (30) для хранения электрической энергии соединено одним входом (36) с нулевой точкой (N) модуля (20) электропитания. Модуль (20) электропитания содержит двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь (40), соединенный с положительным потенциалом (DC+) или отрицательным потенциалом (DC-) цепи (24) постоянного тока, с нулевой точкой (N), и с другим входом (34) устройства (30) для хранения электрической энергии. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системам электропитания, в частности, к системам непрерывной защиты, применяемые на железнодорожном транспорте. В частности, изобретение относится к системе электропитания для подачи электрической энергии от электрической сети на нагрузку и к способу управления системой электропитания. Уровень техники
В системах управления и обеспечения безопасности движения поезда, автоматическая система защиты поезда обеспечивает безопасную работу всех транспортных средств (поездов) посредством осуществления контроля и управления местоположением и скорости всех транспортных средств, перемещающиеся по железной дороге. Автоматическая система защиты поезда и другое железнодорожное оборудование (например, стрелки железнодорожного пути, переезд со шлагбаумом, освещение железнодорожного полотна и т.д.) может потребовать бесперебойного электропитания, которое обеспечивает дополнительным питанием в случае критических нагрузок системы в течение заданного периода времени. Такие системы электропитания также называют системами непрерывной защиты.
Система бесперебойного питания или непрерывной защиты может содержать один или более модулей электропитания, которые выполнены с возможностью генерировать АС (переменный ток) выходной ток из входного тока, поставляемого электрической сетью. Для электрической сети переменного тока модуль электропитания может содержать выпрямитель постоянного тока, который взаимосвязан с преобразователем для генерирования АС выходного тока. В случае электрической сети постоянного тока, выпрямитель может не использоваться. Преобразователь и/или выпрямитель может иметь топологию преобразователя с двумя полумостовыми схемами с плечами фаз, которые подключены к разделителю цепи постоянного тока с нулевой центральной точкой. Простая и экономичная топология может представлять собой схему с полумостовым выпрямителем и полумостовым обратным преобразователем с разделителем цепи постоянного тока и нейтральной/общей базовой точкой, проходящей от входа до выхода. Эти топологии применяются также и для 4-проводной (400 В) и 3-проводной систем (480 В), как в Северной Америке.
Для обеспечения вспомогательной энергией, когда электрическая сеть отключена, система непрерывной защиты, как правило, содержит устройство для хранения энергии в виде аккумуляторной батареи или аккумулятора. Например, свинцово-кислотные батареи могут быть использованы в качестве устройства для хранения энергии в системе непрерывной защиты.
Иногда общая аккумуляторная батарея используется для нескольких модулей электропитания, но это может привести к возникновению затруднений при эксплуатации или увеличению стоимости на системном уровне, так как батарея может привести к возникновению токовой цепи, что может потребовать сложных или дорогостоящих решений, чтобы избежать чрезмерного и/или неконтролируемого циркулирующего тока между модулями электропитания.
Существуют несколько решений данных технических задач, которые широко используются. Например, может использоваться трехпроводная батарея (т.е. батарея, имеющая положительный, отрицательный входы и вход средней точки), с входом средней точки, централизованной на устойчивом опорном потенциале, который обычно является нулевой точкой системы электропитания. Такая система, как правило, проста в управлении и может обеспечить стабильную работу, но разделитель трехпроводной батареи вызывает более высокие затраты при изготовлении из-за наличия кабелей, устройства защиты и необходимости наличия двух преобразователей DC-DC, поддерживающие двустороннее соединение или разводку цепи постоянного тока и функцию заряда.
В качестве другого примера может быть использована двухпроводная аккумуляторная батарея (то есть батарея с положительным и отрицательным входом), которая подключается к одному входу, что не обеспечивает устойчивую работу, но имеет управляемый потенциал, например, потенциал цепи постоянного тока модуля электропитания. В этом случае, количество защитных устройств и преобразователей может быть меньше, но на практике, управление обычно затруднено и, как правило, требует дополнительного сопротивления и схему управления между различными модулями электропитания для ограничения циркулирующих токов между активными и пассивными органами управления.
Топология с аккумуляторной батареей, подключенной к нестабильному потенциалу, потенциально может быть серьезным источником электромагнитного излучения, что может потребовать соответствующих и дорогостоящих решений для удовлетворения существующих требований. Кабели для подключения аккумуляторной батареи в большой системе могут потенциально функционировать как излучающая антенна.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание простой, легко управляемой и недорогостоящей системы непрерывной защиты.
Данная задача может быть решена посредством объектов изобретения по независимым пунктам формулы изобретения. Дополнительные примерные варианты осуществления очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения и последующего описания.
Настоящее изобретение относится к системе электропитания для подачи электрической энергии от электрической сети на нагрузку. Электрическая сеть может представлять собой крупномасштабную электросеть, например, 16 2/3 Гц железнодорожную сеть напряжения переменного тока, сеть 23 ОV 50/60 Гц или сеть постоянного тока. Нагрузка или нагрузки могут содержать систему защиты поезда и железнодорожное оборудование, такое как датчики, переключатели и т.д.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, система электропитания содержит один или несколько модулей электропитания, каждый из которых может содержать выпрямитель (только в случае подключения к электрической сети переменного тока), цепь постоянного тока и преобразователь, соединенный последовательно. В случае наличия множества модулей электропитания, эти модули могут быть подключены к электрической сети параллельно.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, модуль электропитания (или все модули электропитания) содержит (ат) цепь постоянного тока для осуществления подачи электроэнергии из электрической сети (например, через выпрямитель) и преобразователь, подключенный к цепи постоянного тока, и выполнен с возможностью преобразовывать напряжение постоянного тока из цепи постоянного тока в напряжение переменного тока, подаваемого на нагрузку. Система электропитания содержит устройство для хранения энергии, которое заряжается по цепи постоянного тока и для подачи электрической энергии в цепь постоянного тока, например, при отключении электропитания сети. Устройство для хранения электрической энергии подключено при помощи одного входа к нулевой точке модуля электропитания. Модуль электропитания содержит двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь, который соединен с положительным или отрицательным потенциалом цепи постоянного тока, с нулевой точкой и к другому входу устройства для хранения электрической энергии.
Двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь может представлять собой DC-DC полумостовой индуктивный преобразователь, подключенный к средней точке полумоста. При помощи двунаправленного понижающего/повышающего преобразователя устройство для хранения электрической энергии может быть заряжено или разряжено, которое также позволяет распределить нагрузку с выпрямителя, подключенного к цепи постоянного тока, например, при перегрузке или для диагностики батарей. Следует отметить, что только один двунаправленный преобразователь для зарядки/разрядки устройства для хранения электрической энергии может быть обеспечен между устройством для хранения электрической энергии и цепью постоянного тока, что может упростить систему и ее управляемость, что в свою очередь может привести к экономии, вызванной уменьшением количества кабелей и компонентов.
Более того, двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь может поддерживать любую, но не обе части разводки цепи постоянного тока. Двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь может быть рассчитан на полную мощность системы.
Также устройство для хранения электроэнергии, которое может представлять собой аккумуляторную батарею или аккумулятор, подключенное к входу двунаправленного понижающего/повышающего преобразователя и к системе стабильного нулевого потенциала, которое может быть рассчитано на полную мощность системы. Так как устройство для хранения электрической энергии может быть подключено к стабильному нулевому потенциалу, общему для всех модулей электропитания, т.е. общей нулевой точке, то в этом случае отсутствуют неконтролируемые циркулирующие токи между модулями электропитания.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, цепь постоянного тока представляет собой разводку и/или двустороннюю цепь постоянного тока, например, может содержать два конденсатора, соединенные последовательно между положительным и отрицательным потенциалом цепи постоянного тока, в котором нулевая точка предусмотрена между двумя конденсаторами, т.е. на средней точке разветвления цепи постоянного тока. Таким образом, одна клемма устройства для хранения электрической энергии подключена к средней точке и к одной стороне двусторонней цепи постоянного тока.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения устройство для хранения электрической энергии содержит только два входа, то есть может быть батарей только с двумя терминалами, такой как простой стандартный свинцово-кислотный аккумулятор. Такое соединение батареи может быть самым простым соединением, насколько это возможно. Предлагаемая топология может использовать двух проводную батарею с одним терминалом, подключенным к стабильному нулевому потенциалу в модуле электропитания, например нулевой потенциал всей системы электропитания.
Такая батарея может обеспечить дополнительные преимущества в связи с практической коммерческой доступностью компонентов, что позволяет обеспечить простой способ реализации функции «зарядного устройства» на номинальной мощности системы. Это может иметь значение в районах с несовершенной системой электроснабжения или с отсутствием альтернативных источников энергии. Эта топология также позволяет использовать унаследованную трехпроводную батарею без подключения средней точки.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, модуль электропитания дополнительно содержит дополнительный двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь, соединенный с нулевой точкой, отрицательным потенциалом и положительным потенциалом цепи постоянного тока. Вышеупомянутый первый двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь можно рассматривать как преобразователь зарядки/разрядки. Дополнительный второй преобразователь может рассматриваться в качестве симметрирующего преобразователя для выравнивания нагрузки между частями разветвления цепи постоянного тока и/или между различными цепями постоянного тока при динамическом режиме работы системы.
При помощи симметрирующего преобразователя можно регулировать постоянную составляющая переменного тока в цепи постоянного тока для выравнивания постоянной и переменной составляющих тока, например, во время зарядки устройства для хранения электрической энергии.
Кроме того, во время несбалансированной нагрузке цепи постоянного тока, симметрирующий преобразователь может компенсировать различные нагрузки с помощью передачи энергии между двумя или более цепями постоянного тока.
Поводя итог, можно сказать, что каждый модуль электропитания может содержать первый понижающий/повышающий преобразователь, подключенный к устройству для хранения электрический энергии с одной половиной или частью цепи постоянного тока, и второй понижающий/повышающий преобразователь для передачи энергии, необходимой для поддержки нагрузки для противоположной половины цикла, на соответствующую другую половину цепи постоянного тока.
Согласно варианту осуществления изобретения, первый
понижающий/повышающий преобразователь и/или дополнительный второй понижающий/повышающий преобразователь содержат полумостовую схему (два полупроводниковых переключателя, соединенные последовательно) обеспечивают первый выход и второй выход и индуктивность, подключенную к одному терминалу средней точки полумоста (между двумя полупроводниковыми переключателями), и обеспечивают третий выход на другом терминале. Оба понижающие/повышающие преобразователя являются двунаправленными, в котором, первый преобразователь может функционировать в качестве зарядного устройства с теми же компонентами, таким образом, обладая очень высокой потенциальной возможностью зарядки.
Понижающий/повышающий преобразователь и/или дополнительный понижающий/повышающий преобразователь, кроме того, могут содержать два диода, каждый диод соединен параллельно с одним из полупроводниковых переключателей.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, понижающий/повышающий преобразователь, подключенный к устройству для хранения электрической энергии, соединен первым выводом к устройству для хранения электрической энергии, вторым выводом к нулевой точке и третьим выводом к положительному или отрицательному потенциалу цепи постоянного тока. Таким образом, во время зарядки напряжение устройства для хранения электрической энергии может быть выше, чем напряжение положительного (или отрицательного) потенциала цепи постоянного тока.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, понижающий/повышающий преобразователь, подключенный к устройству для хранения электрической энергии, соединен первым выводом к положительному или отрицательному потенциалу цепи постоянного тока, вторым выводом к нулевой точке и третьим выводом к устройству для хранения энергии. Таким образом, во время разрядки, напряжение положительного (или отрицательного) потенциала цепи постоянного тока может быть выше, как напряжение в устройстве для хранения электрической энергии.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, дополнительный понижающий/повышающий преобразователь подключается первым выводом к положительному потенциалу цепи постоянного тока, вторым выводом к отрицательному потенциалу цепи постоянного тока и с третьим выводом к нулевой точке.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, система электропитания содержит множество модулей электропитания, каждый модуль электропитания содержит цепь постоянного тока, подключенную к устройству для хранения электрической энергии. Все модули электропитания могут быть в равной степени равнозначны и могут все иметь два понижающих/повышающих преобразователя, как описано выше и далее. Это может привести к масштабируемой и/или модульной системе электропитания, которая содержит отдельные модули электропитания, соединенные параллельно. Модуль может иметь либо независимые устройства для хранения электрической энергии, или общее устройство для хранения электрической энергии, которое в обоих случаях может содержать свинцово-кислотные батареи.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения модули электропитания, соединенные через их нулевые точки, подключены к одному входу устройства для хранения электрической энергии; где каждый модуль электропитания содержит двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь, подключенный к другому входу устройства для хранения электрической энергии с положительным потенциалом или отрицательным потенциалом цепи постоянного тока, соответствующего модуля электропитания. Таким образом, симметрирующие понижающие/повышающие преобразователи могут быть дополнительно использованы для выравнивания нагрузки между модулями электропитания через общую нулевую точку.
Дополнительный аспект настоящего изобретения относится к способу управления системой электропитания, которая может быть разработана, как описано выше и ниже. Например, способ может быть выполнен с помощью контроллера системы электропитания. Способ может быть реализован с помощью контроллера в виде компьютерной программы (то есть программного обеспечения) или может быть реализован, по меньшей мере, частично в аппаратных средствах. Следует понимать, что признаки способа, как описано выше и далее, могут быть признаками системы электропитания, как описано выше и в дальнейшем, и наоборот.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, способ содержит: зарядку устройства для хранения энергии от цепи постоянного тока, по меньшей мере, одного модуля электропитания системы электропитания с двунаправленным понижающим/повышающим преобразователем, в котором, устройство для хранения электрической энергии соединено одним входом с нулевой точкой модуля электропитания и другим входом с понижающим/повышающим преобразователем, в котором, двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь подключен к положительному или отрицательному потенциалу цепи постоянного тока и соединен с нулевой точкой; и подачу электрической энергии путем разрядки устройства для хранения электрической энергии через двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь в цепь постоянного тока. Один DC-DC преобразователь постоянного тока может быть использован либо для зарядки, либо для разрядки устройства для хранения электрической энергии через только одно плечо разветвления цепи постоянного тока. При использовании 4-проводной схемы отсутствуют неконтролируемый и/или циркулирующий ток (т.е. стандартная 400 В установка, фазы и ноль). Более того, устройство для хранения электрической энергии находится на стабильном опорном потенциале.
Согласно варианту осуществления изобретения способ дополнительно содержит: выравнивание электрической энергии, хранящейся в конденсаторах цепи постоянного тока модуля электропитания, например, во время разрядки устройства для хранения электрической энергии посредством дополнительного понижающего/повышающего преобразователя, подключенного к нулевой точке, отрицательному потенциалу и положительному потенциалу цепи постоянного тока. Посредством дополнительного второго двунаправленного преобразователя, энергия может быть передана из части цепи постоянного тока при поддержке первого преобразователя в противоположную часть цепи постоянного тока или наоборот поддержания баланса. Симметрирующий преобразователь может компенсировать постоянную составляющую переменного тока на входе во время зарядки устройства для хранения электрической энергии и/или поддерживать несбалансированное, например, однополупериодное выпрямленное напряжение на нагрузке.
Согласно варианту осуществления изобретения способ дополнительно содержит: зарядку устройства для хранения электрической энергии, по меньшей мере, одного модуля электропитания системы электропитания с двунаправленным понижающим/повышающим преобразователем, в котором, постоянная составляющая тока электрической сети активно управляется посредством дополнительного понижающего/повышающего преобразователя.
Согласно варианту осуществления изобретения способ дополнительно содержит: выравнивание электрической энергии между, по меньшей мере, двумя цепями постоянного тока, по меньшей мере, двух модулей электропитания системы электропитания через понижающие/повышающие преобразователи, модули электропитания, будучи соединенными между собой через их нулевые точки цепи постоянного тока, и каждый модуль электропитания содержит понижающий/повышающий преобразователь, подключенный к соответствующей нулевой точке, соответствующему отрицательному потенциалу и соответствующему позитивному потенциалу цепи постоянного тока соответствующего модуля электропитания. Второй преобразователь, подключенный через общую нулевую точку между цепями постоянного тока, может избирательно и двунаправленно передавать энергию из цепи постоянного тока в цепь постоянного тока для поддержания регулирования индивидуальной цепи, в частности, в стационарных условиях и/или в динамических условиях.
В частности, использование второго преобразователя обеспечивает управление цепью постоянного тока в динамических условиях (независимо от функции зарядки и разрядки первого преобразователя), например, обратный поток энергии из преобразователя модуля электропитания в условиях динамических нагрузок или в случае существенной несбалансированной нагрузки цепи, например, при подключении к большой индуктивной нагрузке (например, трансформатор). Это может предотвратить потенциальный сбой в работе системе из-за неконтролируемого броска тока в цепи постоянного тока.
Дополнительный аспект настоящего изобретения относится к контроллеру системы электропитания, как описано выше и далее, который выполнен с возможностью реализовать способ, как описано выше и далее. Система регулирования уровня, также как контроллер, может быть очень простой, как все общие точки, либо на опорной, или может быть независимо и индивидуально управляемым. Никакого дополнительного оборудования или управления на параллельном системном уровне не требуется.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и объяснены со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже. Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет более подробно описано в нижеследующем описании со ссылкой на примерные варианты осуществления, которые проиллюстрированы на прилагаемых чертежах.
Фиг. 1 схематически показывает систему электропитания согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг. 2 схематически показывает часть модуля электропитания согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 схематично показывает преобразователь электропитания согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 показывает блок-схему алгоритма способа функционирования системы электропитания, согласно варианту осуществления изобретения.
Ссылочные позиции, используемые на чертежах, и их значения, приведены в обобщенном виде в перечне ссылочных позиций. В принципе, идентичные части имеют одинаковые ссылочные позиции на чертежах. Описание вариантов осуществления изобретения
Фиг. 1 показывает систему 10 электропитания, которая на входе 12 соединена с электрической сетью 14 и на выходе 16 соединена с одной или более нагрузками 18. Система 10 электропитания может быть частью системы непрерывной защиты, например, для использования на железнодорожном транспорте. Электрическая сеть 14 может быть (однофазно) 16 2/3 Гц железнодорожной сетью или может быть (трехфазной) 230 / 50/60 сетью.
Система 10 электропитания содержит множество идентичных модулей 20 электропитания, подключенных параллельно к электрической сети 14 на входе 12. Для упрощения объяснения показан только первый модуль 20 электропитания со ссылочными позициями. Тем не менее все модули питания могут содержать одинаковые компоненты.
Каждый модуль 20 электропитания содержит выпрямитель 22, цепь 24 постоянного тока и инвертор 26, соединенный последовательно между входом 12 и выходом 16. Выпрямитель 22 и преобразователь 26 могут быть разработаны, как показано на фиг. 3 и описаны ниже. Разделить цепи постоянного тока содержит два конденсатора 28, соединенные последовательно между положительным потенциалом DC+и отрицательным потенциалом DC- постоянного тока, которые имеют среднюю точку, которая обеспечивает потенциал N нулевой точки.
Более того, каждый модуль 20 электропитания содержит преобразователь 32 энергии для передачи энергии между общим устройством 30 для хранения электрической энергии и цепью 24 постоянного тока, между верхним и нижним конденсатором 28 одной цепи 24 постоянного тока, и между цепью 24 постоянного тока других модулей 20 электропитания.
Общее устройство 30 для хранения электрической энергии может содержать свинцово-кислотную батарею с двумя входами 34, 36, которые соединены с преобразователями 32 энергии, которые подключены параллельно к устройству 30 для хранения электрической энергии.
Дополнительно, система 10 электропитания содержит контроллер 38, который выполнен с возможностью управлять всеми модулями 20 электропитания, в частности, выпрямителями 22, инверторами 26 и преобразователями 32 энергии. Контроллер 38 может принимать входные сигналы датчика от датчиков тока и напряжения всей системы 10, при помощи которых могут быть получены все величины напряжения и тока в системе 10. Эти напряжения и токи могут регулироваться контроллером 38.
Как видно из фиг. 1, контроллер 38 может представлять собой центральный контроллер. Альтернативно, функции контроллера 38 могут быть распределены среди модулей 20 электропитания.
Фиг. 2 показывает детали преобразователя 32 энергии, который на одной стороне соединен с положительным потенциалом DC+, потенциалом N нулевой точки и отрицательным потенциалом цепи 24 постоянного тока, и на другой стороне подключен к входам устройства 30 для хранения энергии.
Следует отметить, что потенциал N нулевой точки напрямую соединен с отрицательным входом 26 устройства для хранения электрической энергии. Таким образом, все потенциалы N нулевой точки всех модулей 20 электропитания соединены напрямую.
Преобразователь 32 энергии содержит первый понижающий/повышающий преобразователь 40 для зарядки и разрядки устройства для хранения электрической энергии, который содержит полумостовую схему 42 с двумя полупроводниковыми переключателями (транзисторы) 44, соединенными последовательно, которые переключаются контроллером 38. Диод 46 соединен параллельно с каждым полупроводниковым переключателем 44. Индуктивность 48 подключена к средней точке 50 между двумя полупроводниковыми переключателями 46. Полумостовая схема 42 обеспечивает первый выход 52 на одном конце, который соединен с положительным входом 34 устройства 30 для хранения электрической энергии, а на другом конце - второй выход 54, который соединен с потенциалом N нулевой точки. Третий выход 56 преобразователя 40 обеспечивается индуктивностью 48, которая соединена с положительным потенциалом DC+цепи 24 постоянного тока.
Альтернативно, возможно, что выход 52 соединен с положительным потенциалом DC+, и выход 56 соединен с входом 34 устройства для хранения электрической энергии. В качестве дополнительной альтернативы, первый преобразователь может быть соединен с отрицательным потенциалом DC- (либо с выходом 54 или выходом 56).
Преобразователь 32 энергии содержит второй понижающий/повышающий преобразователь 60 для выравнивания энергии между конденсаторами 28 цепи 24 постоянного тока и между различными цепями 24 постоянного тока. Второй преобразователь 60 содержит те же компоненты, что и первый преобразователь 40. Второй преобразователь содержит полумостовую схему 62 с двумя полупроводниковыми переключателями (транзисторы) 64, соединенными последовательно, которые переключаются контроллером 38. Диод 66 соединен параллельно с каждым полупроводниковым переключателем 64. Индуктивность 68 подключена к средней точке 70 между двумя полупроводниковыми переключателями 66. Полумостовая схема 62 обеспечивает первый вывод 72 на одном конце, который соединен с положительным потенциалом DC+, а на другом конце второй вывод 74 соединен с отрицательным потенциалом DC-. Третий вывод 76 преобразователя 60 обеспечивается индуктивностью 68, которая соединена с потенциалом N нулевой точки.
Фиг. 3 показывает возможную топологию преобразователей 22, 26 модуля 20 электропитания. Преобразователи 22, 26 могут быть выполнены аналогично преобразователям 40, 60. Полумостовая схема 82 с двумя полупроводниковыми переключателями (транзисторы) 84, соединенными последовательно, которые переключаются контроллером 38, могут быть соединены с положительным потенциалом постоянного тока DC+и отрицательным потенциал постоянного тока DC-. Диод 86 соединен параллельно с каждым полупроводниковым переключателем 84. Индуктивность 88 соединена со средней точкой между двумя полупроводниковыми переключателями 86. Другой вывод индуктивности 88 обеспечивает ввод 12 или вывод 16 модуля 20 электропитания.
Фиг. 4 показывает способ управления системой 10 электропитания, выполняемый контроллером 38.
На этапе 100 контроллер обнаруживает, что устройство для хранения электрической энергии нуждается в зарядке и что электрическая сеть 14 работает. Например, данный случай может иметь место после запуска системы 10 электропитания или после сбоя питания электрической сети 14. Контроллер 38 осуществляет зарядку устройства 30 для хранения электрической энергии из цепи 24 постоянного тока по меньшей мере одного модуля 20 электропитания системы 10 электропитания. Для выполнения данной операции, переключатели 44 двунаправленного понижающего/повышающего преобразователя 40 переключаются так, что энергия из цепи 24 постоянного тока передается в устройство 30 для хранения электрической энергии. Кроме того, преобразователь 60 может выровнять энергию, передаваемую в устройство 30 для хранения энергии из обеих цепей постоянного тока, таким образом, что ток от электрической сети 14, по существу, сбалансирован и, по существу, не имеет постоянной компоненты.
На этапе 102 контроллер 38 определяет, что цепь 24 постоянного тока должна быть запитана энергией от устройства 30 для хранения энергии. Например, это может быть в случае сбоя в работе электрической сети 14. В этом случае, контроллер 38 разряжает устройство 30 для хранения электрической энергии через двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь 40 в цепь 24 постоянного тока. Чтобы достичь этого, переключатели 44 двунаправленного понижающего/повышающего преобразователя 40 переключаются так, что энергии из устройства 30 для хранения электрической энергии передается в цепь 24 постоянного тока.
На этапе 104 контроллер 38 выравнивает электрическую энергию, находящуюся в конденсаторах 28 цепи постоянного тока. Это может быть выполнено во время разряда устройства 30 для хранения электрической энергии. Контроллер 38 управляет переключателями 64 дополнительного понижающего/повышающего преобразователя 60 таким образом, что энергия из верхнего конденсатора передается в нижний конденсатор 28.
На этапе 106, контроллер 38 определяет, что распределение энергии между цепями 24 постоянного тока модулей 20 электропитания не сбалансировано. Контроллер выравнивает электрическую энергию между по меньшей мере двумя цепями 24 постоянного тока по меньшей мере одного модуля 20 электропитания системы 10 питания через понижающие/повышающие преобразователи 60, переключая переключатели 64 соответственно.
Несмотря на то, что изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в вышеприведенном описании, такая иллюстрация и описание должны рассматриваться как иллюстративные или примерные и не ограничивающие; изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления. Другие варианты, в соответствии с настоящим изобретением могут быть понятны и осуществлены специалистами в данной области техники при практической реализации заявленного изобретения, при изучении чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, и неопределенный артикль не исключает множественного числа. Один процессор или контроллер или другое устройство могут выполнять функции нескольких блоков, перечисленных в формуле изобретения. Тот факт, что определенные средства изложены в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих средств не может быть использована. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не следует истолковывать как ограничивающие объем изобретения.
1. Система (10) электропитания для подачи электрической энергии от электрической сети (14) на нагрузку (18), содержащая по меньшей мере один модуль (20) электропитания, который содержит:
цепь (24) постоянного тока, запитываемую от электрической сети (14); и
преобразователь (26), подключенный к цепи (24) постоянного тока и выполненный с возможностью преобразовывать напряжение постоянного тока от цепи (24) постоянного тока в напряжение переменного тока, подаваемое на нагрузку (18);
при этом система (10) электропитания содержит устройство (30) для хранения электрической энергии, которое заряжается от цепи (24) постоянного тока и предназначено для подачи электрической энергии в цепь (24) постоянного тока при сбое в работе электрической сети (14), причем устройство (30) для хранения электрической энергии подключено одним входом (36) к нулевой точке (N) модуля (20) электропитания;
при этом цепь (24) постоянного тока содержит по меньшей мере два конденсатора (28), соединенные последовательно между положительным потенциалом (DC+) и отрицательным потенциалом (DC-) цепи (24) постоянного тока, причем нулевая точка (N) обеспечивается между указанными по меньшей мере двумя конденсаторами (28);
модуль (20) электропитания содержит двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь (40) для зарядки и разрядки устройства (30) для хранения электрической энергии, подключенный к положительному потенциалу (DC+) или отрицательному потенциалу (DC-) цепи (24) постоянного тока, к нулевой точке (N) и к другому входу (34) устройства (30) для хранения электрической энергии;
модуль (20) электропитания содержит дополнительный двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь (60) для выравнивания электрической энергии, аккумулированной в конденсаторах (28) цепи постоянного тока, связывая нулевую точку (N), отрицательный потенциал (DC-) и положительный потенциал (DC+) цепи (24) постоянного тока.
2. Система (10) электропитания по п. 1, в которой устройство (30) для хранения электрической энергии содержит только два входа (34, 36).
3. Система (10) электропитания по п. 1, в которой понижающий/повышающий преобразователь (40) и/или дополнительный понижающий/повышающий преобразователь (60) содержит два полупроводниковых переключателя (44, 64), соединенных последовательно, обеспечивая первый вывод (52, 72) и второй вывод (54, 74), и индуктивность (48, 68), подключенную одним концом между двумя полупроводниковыми переключателями (44, 46), и обеспечивая другим концом третий вывод (56, 76).
4. Система (10) электропитания по п. 3, в которой понижающий/повышающий преобразователь (40) и/или дополнительный понижающий/повышающий преобразователь (60) содержит два диода (46, 66), каждый диод соединен параллельно с одним из полупроводниковых переключателей (44, 66).
5. Система (10) электропитания по п. 3, в которой понижающий/повышающий преобразователь (40) для зарядки и разрядки устройства (30) для хранения электрической энергии подключен первым выводом (52) к устройству (30) для хранения электрической энергии, вторым выводом (54) к нулевой точке (N) и третьим выводом (56) к положительному потенциалу (DC+) или отрицательному потенциалу (DC-) цепи (24) постоянного тока.
6. Система (10) электропитания по п. 4, в которой понижающий/повышающий преобразователь (40) для зарядки и разрядки устройства (30) для хранения электрической энергии подключен первым выводом (52) к устройству (30) для хранения электрической энергии, вторым выводом (54) к нулевой точке (N) и третьим выводом (56) к положительному потенциалу (DC+) или отрицательному потенциалу (DC-) цепи (24) постоянного тока.
7. Система (10) электропитания по п. 3, в которой понижающий/повышающий преобразователь (40) для зарядки и разрядки устройства (30) для хранения электрической энергии подключен первым выводом (52) к положительному потенциалу (DC+) или отрицательному потенциалу (DC -) цепи (24) постоянного тока, вторым выводом (54) к нулевой точке (N) и третьим выводом (56) к устройству (30) для хранения электрической энергии.
8. Система (10) электропитания по п. 4, в которой понижающий/повышающий преобразователь (40) для зарядки и разрядки устройства (30) для хранения электрической энергии подключен первым выводом (52) к положительному потенциалу (DC+) или отрицательному потенциалу (DC -) цепи (24) постоянного тока, вторым выводом (54) к нулевой точке (N) и третьим выводом (56) к устройству (30) для хранения электрической энергии.
9. Система (10) электропитания по одному из пп. 3-6, в которой дополнительный понижающий/повышающий преобразователь (60) подключен первым выводом (72) к положительному потенциалу (DC+) цепи (24) постоянного тока, вторым выводом (74) к отрицательному потенциалу (DC-) цепи (24) постоянного тока и третьим выводом (76) к нулевой точке (N).
10. Система (10) электропитания по п. 1, которая содержит множество модулей (20) электропитания, каждый модуль (20) электропитания содержит цепь (24) постоянного тока, подключенную к устройству (30) для хранения электрической энергии.
11. Система (10) электропитания по п. 9, которая содержит множество модулей (20) электропитания, каждый модуль (20) электропитания содержит цепь (24) постоянного тока, соединенную с устройством (30) для хранения электрической энергии.
12. Система (10) электропитания по п. 10, в которой модули (20) электропитания соединены через свои нулевые точки (N), которые подключены к одному входу (36) устройства (30) для хранения электрической энергии;
при этом каждый модуль (20) электропитания содержит двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь (40), соединяющий другой вход (34) устройства (30) для хранения электрической энергии с положительным потенциалом (DC+) или отрицательным потенциалом (DC-) цепи (24) постоянного тока соответствующего модуля (20) электропитания.
13. Система (10) электропитания по п. 11, в которой модули (20) электропитания соединены через свои нулевые точки (N), которые соединены с одним входом (36) устройства (30) для хранения электрической энергии;
при этом каждый модуль (20) электропитания содержит двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь (40), соединяющий другой вход (34) устройства (30) для хранения электрической энергии с положительным потенциалом (DC+) или отрицательным потенциалом (DC-) цепи (24) постоянного тока соответствующего модуля (20) электропитания.
14. Способ управления системой (10) электропитания, характеризующийся тем, что: заряжают устройство (30) для хранения электрической энергии от цепи (24) постоянного тока по меньшей мере одного модуля (20) электропитания системы (10) электропитания с двунаправленным понижающим/повышающим преобразователем (40), при этом устройство (30) для хранения электрической энергии соединяют одним входом (36) с нулевой точкой (N) модуля (20) электропитания и другим входом (34) с понижающим/повышающим преобразователем (40), причем двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь (40) соединяют с положительным потенциалом (DC+) или отрицательным потенциалом (DC-) цепи (24) постоянного тока и с нулевой точкой (N); и
подают электрическую энергию в цепь (24) постоянного тока путем разрядки устройства (30) для хранения электрической энергии через двунаправленный понижающий/повышающий преобразователь (40).
15. Способ по п. 14, в котором дополнительно:
выравнивают электрическую энергию, аккумулированную в конденсаторах (28) цепи постоянного тока модуля (20) электропитания во время разрядки устройства (30) для хранения электрической энергии посредством управления дополнительным понижающим/повышающим преобразователем (60), соединяющим нулевую точку (N), отрицательный потенциал (DC-) и положительный потенциал (DC+) цепи (24) постоянного тока.
16. Способ по п. 15, в котором дополнительно:
заряжают устройство (30) для хранения электрической энергии от цепи (24) постоянного тока по меньшей мере одного модуля (20) электропитания системы (10) электропитания с двунаправленным понижающим/повышающим преобразователем (40), при этом постоянной составляющей тока, поступающего из электрической сети (14), активно управляют посредством дополнительного понижающего/повышающего преобразователя (60).
17. Контроллер (38) для системы (10) электропитания по любому из пп. 1-13, характеризующийся тем, что выполнен с возможностью выполнять способ по любому из пп. 14-16.
