Преобразователь постоянного напряжения
Использование: изобретение может быть использовано для бесперебойного (гарантированного) электропитания ответственных потребителей, в том числе объектов военного назначения. Сущность изобретения: применение второго идентичного канала преобразователя напряжения с управлением обоих каналов через систему управления инвертором позволяет иметь непрерывную информацию о параметрах выходного напряжения и поддерживать в постоянной готовности к работе резервный канал, поэтому переход на резервный канал происходит с минимальной продолжительностью перебоя питания (не более 20 мс) и с сохранением требований по выходным параметрам: форма кривой напряжения, коэффициент пульсаций, допустимое отклонение напряжения, уровень создаваемых индустриальных радиопомех и т.п. Упрощен процесс переключения с основного на резервный источник питания, т. к. не требуется дополнительных электромеханических или электронных коммутаторов, работа которых сопровождается возникновением коммутационных перенапряжений, требующих дополнительных устройств защиты и сглаживания выходного напряжения. Снижены массо-габаритные показатели и повышена надежность преобразователя напряжения благодаря использованию одного трансформатора с двумя первичными обмотками вместо двух отдельных трансформаторов и отсутствию дополнительных коммутирующих устройств и резервной аккумуляторной батареи.
Изобретение относится к области электротехники, в частности, к преобразователям постоянного напряжения с гальванической развязкой цепей, и может быть использовано для бесперебойного (гарантированного) электропитания ответственных потребителей, в том числе объектов военного назначения.
Известны преобразователи постоянного напряжения, содержащие трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена к инвертору напряжения, а вторичная обмотка - к нагрузке через выпрямитель (Источники электропитания РЭА. Справочник под ред. Г.С.Нетвельта. М. : Радио и связь. 1986, стр.360-368).
Известные преобразователи постоянного напряжения не отвечают принципу бесперебойности питания потребителей и при выходе из строя преобразователей необходимо переключение потребителей на резервный источник питания, что на некоторое время сопровождается потерей питания и нарушением работы потребителей, чувствительных к перерывам питания.
Известен источник бесперебойного питания постоянного тока, включающий в себя основной и резервный силовые выпрямители, аккумуляторную батарею и полупроводниковый ключ, подключающий батарею к нагрузке. Силовые выпрямители состоят из отдельных модулей, один из которых служит зарядным выпрямителем, а также резервным силовым выпрямителем (Электропитание. Научно-технический сборник. М. : Ассоциация электропитания, Выпуск 4, 2002, стр.44-45). При выходе из строя одного из модулей и снижении напряжения на нагрузке, нагрузка кратковременно подпитывается от аккумуляторной батареи, а резервный модуль включается в работу преобразователя при помощи контактора.
Недостатками источника бесперебойного питания является то, что переход на резервный источник питания осуществляется тиристорным подключением аккумуляторной батареи и сопровождается возникновением переходных процессов, ухудшающих качество выходного напряжения, а также сложность и ненадежность процесса замены вышедшего из строя модуля на резервный посредством контактора. Кроме этого, аккумуляторная батарея ненадежно работает в некоторых условиях эксплуатации, например, корабельных.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является агрегат бесперебойного питания, состоящий из основного канала преобразования напряжения, содержащего инвертор, трансформатор и выпрямитель, подключаемый к нагрузке, и резервного канала, содержащего аккумуляторную батарею или аналогичный канал преобразования напряжения, включаемые в работу при выходе из строя основного канала посредством переключателей (Электропитание. Научно-технический сборник. М. : Ассоциация электропитания, Выпуск 4, 2002, стр.29-35).
Недостатком агрегатов бесперебойного питания является время переключения на резервное питание большее, чем время чувствительности нагрузки к перерывам питания (менее 80 мс) с сохранением требуемых параметров выходного напряжения по причине отсутствия быстродействующих электромеханических и электронных переключателей каналов.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение минимального времени переключения преобразователя постоянного напряжения с основного канала на резервный с сохранением требований к параметрам выходного напряжения.
Поставленная задача решается тем, что в известном преобразователе постоянного напряжения, состоящем из основного и резервного каналов, основной канал которого содержит инвертор, питающийся от основной сети и подключенный к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через выпрямитель, трансформатор имеет дополнительную первичную обмотку, а резервный канал содержит инвертор, питающийся от резервной сети и подключенный к дополнительной первичной обмотке трансформатора, причем резервный канал через систему управления его инвертором, подключен к системе управления инвертором основного канала.
Инвертор резервного канала также подключен к первичной обмотке дополнительного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через дополнительный выпрямитель.
Сущность изобретения состоит в том, что применение второго идентичного канала преобразователя напряжения с управлением обоих каналов через системы управления инверторами позволило иметь непрерывную информацию о параметрах выходного напряжения и поддерживать в постоянной готовности к работе резервный канал, поэтому переход на резервный канал происходит с минимальной продолжительностью перебоя питания (не более 20 мс) и сохранением требований по выходным параметрам: форма кривой напряжения, коэффициент пульсаций, допустимое отклонение напряжения, уровень создаваемых индустриальных радиопомех и т.п. Упрощен процесс переключения с основного на резервный источник питания, т.к. не требуется дополнительных электромеханических или электронных коммутаторов, работа которых сопровождается возникновением коммутационных перенапряжений, требующих дополнительных устройств защиты и сглаживания выходного напряжения. Снижены массо-габаритные показатели и повышена надежность преобразователя напряжения, благодаря использованию одного трансформатора с двумя первичными обмотками вместо двух отдельных трансформаторов и отсутствию дополнительных коммутирующих устройств и резервной аккумуляторной батареи. Изготовлены и испытаны поставочные образцы предлагаемых преобразователей мощностью от 300 Вт до 50 кВт. Положительный эффект подтвержден осциллографированием процесса переключения питания преобразователя с основной сети на резервную.
На фиг.1 изображена структурная схема предложенного преобразователя, где обозначено: 1 - основная сеть; 2 - резервная сеть; 3 - инвертор основного
канала; 4 - инвертор резервного канала; 5 - трансформатор; 6 - первичная обмотка трансформатора; 7 - дополнительная первичная обмотка трансформатора; 8 - вторичная обмотка трансформатора; 9 - выпрямитель; 10 - нагрузка; 11 - система управления инвертором 3; 12 - система управления инвертором 4.
На фиг.2 изображена структурная схема варианта преобразователя, где обозначено: 13 - трансформатор основного канала; 14 - трансформатор резервного канала; 15 - выпрямитель основного канала; 16 - выпрямитель резервного канала.
На фиг.3 приведена осциллограмма процесса пропадания питания от основной сети и переключения преобразователя мощностью 1200 Вт на резервное питание.
Преобразователь работает следующим образом. Напряжение питания сети 1 (см. фиг.1) подается на инвертор 3, где оно преобразуется в переменное напряжение и подается на обмотку 6 трансформатора 5. С обмотки 8 трансформатора 5 напряжение поступает на выпрямитель 9 и на нагрузку 10. Система управления 11 обеспечивает требуемые выходные параметры преобразователя. Напряжение питания сети 2 подается на инвертор 4, система управления 12 которого получает информацию о выходных параметрах преобразователя через систему управления 11. При выходе из строя сети 1 или основного канала преобразователя и пропадании питания или отклонении питающего напряжения больше допустимого значения система управления 11 отключает инвертор 3 от сети 1. Система управления 12 получает сигнал от системы 11 об отключении инвертора 3 и немедленно включает инвертор 4 и напряжение питания сети 2 подается на инвертор 4, где оно преобразуется в переменное напряжение и подается на обмотку 7 трансформатора 5. С обмотки 8 трансформатора 5 напряжение поступает на выпрямитель 9 и на нагрузку 10. Далее система управления 12 обеспечивает требуемые выходные параметры преобразователя.
При небольшой мощности преобразователя напряжения (0,3-3 кВт), когда не предъявляются жесткие требования по ограничению массо-габаритных показателей, с технологической точки зрения целесообразно выход инвертора 4 (см. фиг.2) резервного канала подключить к дополнительному трансформатору 14 и выпрямителю 16 с последующей подачей выпрямленного напряжения на нагрузку 10 параллельно основному каналу. Далее работа преобразователя осуществляется аналогично вышеописанной работе преобразователя с общим трансформатором для основного и резервного канала.
Предлагаемый преобразователь постоянного напряжения может получать питание также от сети переменного тока с последующим выпрямлением напряжения перед подачей его на инвертор.
При потреблении нагрузкой переменного напряжения на выходе преобразователя может быть установлен соответствующий инвертор, обеспечивающий требуемые выходные параметры преобразователя.
Из осциллограммы (см. фиг.3) видно, что время переключения преобразователя на резервную сеть при пропадании питания от основной сети составляет
примерно 20 мс, параметры резервной сети практически идентичны основной сети, а кратковременное снижение напряжения составило менее 10%, что удовлетворяет требованиям бесперебойности питания ответственных потребителей.
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый нами преобразователь постоянного напряжения отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень», «Промышленная применимость» и может быть защищен патентом Российской Федерации.
1. Преобразователь постоянного напряжения состоит из основного и резервного каналов, при этом основной канал содержит инвертор, питающийся от основной сети и подключенный к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через выпрямитель, отличающийся тем, что трансформатор имеет дополнительную первичную обмотку, а резервный канал содержит инвертор, питающийся от резервной сети и подключенный к дополнительной первичной обмотке трансформатора, причем резервный канал через систему управления его инвертором подключен к системе управления инвертором основного канала.
2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что инвертор резервного канала подключен к первичной обмотке дополнительного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке через дополнительный выпрямитель.
