Система бесперебойного электропитания ответственных потребителей
Система бесперебойного электропитания ответственных потребителей может быть использована в электропитании компьютеров и компьютерных систем на их основе. Система содержит сетевой и выходной мостовые выпрямители, входной и выходной фильтры на конденсаторах, емкостной накопитель резервной энергии, силовой трансформатор с первичной и тремя вторичными обмотками и магнитные усилители для регулирования входного и выходного напряжения. Сетевой выпрямитель соединен с входным фильтром через входное пускоограничивающее устройство. Выходной выпрямитель соединен с потребителем через выходной фильтр и выходное пускоограничивающее устройство. Система содержит полумостовой высокочастотный инвертор, включающий последовательно соединенные IGBT-транзисторы и два коммутирующих конденсатора, и два конденсатора для устранения импульсных и радиопомех, которые шунтируют конденсаторы входного фильтра. Со средней точкой шунтирующих конденсаторов соединено начало обмоток входного магнитного усилителя. К средней точке IGBT-транзисторов инвертора подключен один из выводов первичной обмотки силового трансформатора. Второй вывод первичной обмотки силового трансформатора соединен с одним из концов соединенных последовательно рабочих обмоток входного магнитного усилителя. Накопитель резервной энергии зашунтирован электролитическим конденсатором и конденсатором устранения импульсных помех и радиопомех. С объединенными выходами накопителя резервной энергии и шунтирующих его конденсаторов соединена средняя точка объединенных концов двух вторичных обмоток силового трансформатора. Концы третьей вторичной обмотки силового трансформатора через обмотки выходного магнитного усилителя соединены с переменным входом второго выпрямителя. Система содержит третий, зарядно-разрядный, выпрямитель на IGBT-транзисторах, в цепи истоков которых включены трансформаторы тока для контроля заряда накопителя резервной энергии. Система обеспечивает сглаживание пульсаций на выходе сетевого выпрямителя, защиту от импульсных и радиопомех, осуществляет контроль заряда накопителя резервной энергии и постоянную его подзарядку. Результат - переход электропитания потребителя с основной сети на накопитель резервной энергии практически без перерыва. 1 н.з и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при построении систем бесперебойного электропитания компьютеров и компьютерных систем на их основе.
Известны системы бесперебойного электропитания (СБП) типа off-line. Line-interactive (Excide Electronics: Источники бесперебойного электропитания корпорации Excide Electronics. Проспект фирмы, 1998 г., PC Magazine/RE, спецвыпуск, январь 1997 г. с.68-79. Мир ИБП. Мир ПК, март 1997 г., с.33-57. Брифинг производителей источников бесперебойного электропитания. Компьютер. Октябрь 1997 г., с.212-230). Они содержат выпрямитель, аккумулятор (резервный источник) и инвертор. Сетевое напряжение переменного тока преобразуется этими известными источниками в напряжение постоянного тока. Одновременно часть энергии аккумулируется, причем аккумулятор постоянно подзаряжается этим напряжением постоянного тока. Затем происходит обратное преобразование постоянного напряжения в переменное, которым и питают компьютеры и компьютерные системы. Эти системы бесперебойного электропитания в нормальном режиме осуществляют питание компьютеров напряжением переменного тока после двойного преобразования сетевого напряжения переменного тока. При отклонениях сетевого напряжения от нормального режима электропитание компьютеров осуществляют от аккумулятора, но предварительно преобразуя его напряжение в напряжение переменного тока. То есть и в нормальном режиме, и при сбоях в сети происходит двойное преобразование электрической энергии. Однако двойное преобразование не позволяет добиться высокого КПД и снижает надежность бесперебойного электропитания за счет наличия довольно сложного устройства - инвертора. К тому же при переходе на питание от резервного источника возможен перерыв в электропитании потребителей, зависящий в той или иной мере от времени запуска резервного источника на линию, синхронизации выходного напряжения резервного источника с напряжением основной сети, коммутации источников напряжения основного и резервного каналов. Все это ухудшает качество электропитания в переходных режимах при переключении. В случае построения СБП по принципу Line-interactive система бесперебойного электропитания снабжается стабилизаторами, фильтро-симметрическими устройствами, дополнительными коммутаторами, позволяющими снизить вероятность перехода питания потребителей на напряжение резервного источника, однако основной
недостаток, перерыв в электропитании, в системах Line-interactive сохраняется. Кроме того, наличие двух преобразователей (выпрямителя и инвертора) значительно усложняет схему и делает ее недостаточно экономичной. Двойное преобразование энергии увеличивает габариты устройства.
Известен источник бесперебойного электропитания компьютера по свидетельству РФ на полезную модель №19972. В этом устройстве необходимые для электропитания компьютера напряжения формируются аккумулятором, емкостным делителем, полумостовым преобразователем без установки мощного конвертора, что повышает КПД и уменьшает габариты устройства в сравнении с предыдущим решением. Однако для обеспечения бесперебойного электропитания компьютера требуется постоянно заряженный аккумулятор. В случае неожиданной его разрядки резко снижаются надежность обеспечения бесперебойного электропитания компьютера и КПД.
Известно устройство, принятое за прототип, которое реализует способ бесперебойного электропитания компьютера по патенту РФ на изобретение №2242833, МПК 7 H02J 9/04. Схема этого устройства (системы бесперебойного электропитания) представлена на фиг.2 описания этого способа. Она содержит сетевой выпрямитель, подключенный к сети переменного тока, к выходу которого подключен емкостной накопитель резервной энергии и регулируемый высокочастотный вольтдобавочный конвертор (регулятор выходного напряжения). Такой источник электропитания позволяет осуществлять бесперебойное электропитание компьютера непосредственно напряжением постоянного тока после преобразования сетевого напряжения, а при отклонениях сетевого напряжения - от постоянно заряженного емкостного накопителя энергии постоянного тока. С помощью конвертора (регулятора выходного напряжения) постоянное напряжение, подаваемое на компьютер, стабилизируется. Поскольку при отклонениях сетевого напряжения электропитание осуществляют непосредственно от постоянно заряженного накопителя резервной энергии, это улучшает качество энергии, подаваемой на вход компьютера за счет уменьшения переходных режимов. Но при переходе на питание от резервного источника возможен и перерыв в электропитании потребителей, который зависит от времени его запуска, синхронизации выходного напряжения резервного источника с напряжением основной сети. К тому же время бесперебойной работы этого известного источника зависит от величины энергии, запасенной в накопителе резервной энергии, и, чтобы добиться повышения
длительности бесперебойной работы компьютера, приходится значительно увеличивать массу и габариты устройства.
Задача полезной модели состоит в том, чтобы наряду с имеющимися достоинствами системы бесперебойного электропитания (СБП) по прототипу (низкие массогабаритные показатели, регулирование и стабилизация выходного напряжения) снизить время перехода потребителей на резервное питание при выходе из строя основного источника, тем самым обеспечить надежное и качественное электропитание ответственных потребителей.
Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в обеспечении контроля заряда накопителя резервной энергии и постоянной его подзарядки, в сглаживании пульсаций на выходе сетевого выпрямителя и в обеспечении защиты от импульсных и радиопомех.
Указанный результат достигается следующим образом.
Как и прототип, заявляемая система бесперебойного электропитания ответственных потребителей содержит сетевой выпрямитель, подключенный к сети переменного тока, емкостной накопитель резервной энергии и регулятор выходного напряжения.
В отличие от прототипа заявляемая в качестве полезной модели система бесперебойного электропитания дополнительно содержит регулятор входного напряжения, входной и выходной фильтры на конденсаторах, входное и выходное пускоограничивающие устройства, собранные на параллельно включенных резисторе и тиристоре, второй выпрямитель, постоянный выход которого через выходной фильтр и выходное пускоограничивающее устройство соединен с потребителем, силовой трансформатор с первичной и тремя вторичными обмотками, полумостовой высокочастотный инвертор, включающий два последовательно соединенных коммутирующих конденсатора и последовательно соединенные IGBT-транзисторы, третий выпрямитель на IGBT-транзисторах и трансформаторы тока для контроля заряда накопителя резервной энергии, включенные в цепи истоков IGBT-транзисторов третьего выпрямителя. Конденсаторы входного фильтра зашунтированы двумя последовательно соединенными конденсаторами для устранения импульсных помех и радиопомех и коммутирующими конденсаторами полумостового высокочастотного инвертора. Накопитель резервной энергии зашунтирован электролитическим конденсатором и третьим конденсатором для устранения импульсных помех и радиопомех. В качестве регуляторов входного и выходного напряжения использованы соответственно входной и выходной магнитные усилители. Входное
пускоограничивающее устройство включено между сетевым выпрямителем и входным фильтром, у которого положительные клеммы конденсаторов объединены с положительными клеммами первых из шунтирующих его конденсаторов для устранения импульсных помех и радиопомех и коммутирующих конденсаторов полумостового высокочастотного инвертора и истоком одного из IGBT-транзисторов полумостового высокочастотного инвертора, отрицательные клеммы конденсаторов входного фильтра и отрицательные клеммы вторых шунтирующих его конденсаторов объединены с истоком второго IGBT-транзистора полумостового высокочастотного инвертора. К средней точке IGBT-транзисторов полумостового высокочастотного инвертора подключен один из выводов первичной обмотки силового трансформатора, второй вывод которой соединен с одним из концов соединенных последовательно рабочих обмоток входного магнитного усилителя, начало которых соединено со средней точкой конденсаторов для устранения импульсных и радиопомех и средней точкой коммутирующих конденсаторов полумостового высокочастотного инвертора. Средняя точка объединенных концов двух вторичных обмоток силового трансформатора соединена с объединенными выходами емкостного накопителя резервной энергии и шунтирующих его конденсаторов. Концы третьей вторичной обмотки силового трансформатора через обмотки выходного магнитного усилителя соединены с переменным входом второго выпрямителя. Вход переменного тока сетевого выпрямителя включен в сеть переменного тока через предохранитель и входной коммутатор. Сетевой и второй (выходной) выпрямители могут быть выполнены по мостовой схеме.
Совокупность существенных признаков, характеризующая заявляемую СБП, среди известных источников информации заявителем не обнаружена, что подтверждают новизну заявленной полезной модели.
На чертеже представлена принципиальная схема заявляемой системы бесперебойного электропитания ответственных потребителей.
Система бесперебойного электропитания ответственных потребителей содержит подключенный к сети переменного тока 1 (основной источник электропитания) через входной коммутатор 2 и предохранитель 3 сетевой выпрямитель 4. С выходом сетевого выпрямителя 4 соединено входное пускоограничивающее устройство 5, выполненное на резисторе 6 и тиристоре 7. С пускоограничивающим устройством 5 соединен входной фильтр на конденсаторах 8, 9, которые зашунтированы конденсаторами для устранения импульсных помех и радиопомех 10, 11 и коммутирующими конденсаторами 12, 13. Система бесперебойного электропитания содержит также
магнитный усилитель 14, емкостной накопитель резервной энергии 15 (аккумулятор), зашунтированный электролитическим конденсатором 16 и конденсатором устранения импульсных помех 17, силовой трансформатор 18, IGBT-транзисторы 19, 21, трансформаторы для контроля заряда аккумулятора 20, 22. Силовой трансформатор 18 имеет первичную обмотку 23 и три вторичных обмотки 24, 25, 26. Две вторичные обмотки 24, 25 соединены последовательно и создают третий (зарядно-разрядный) выпрямитель на IGBT-транзисторах 19, 21. Средняя точка объединенных концов вторичных обмоток 24, 25, соединена с объединенным выходами аккумулятора 15 и конденсаторов 16, 17. Коммутирующие конденсаторы 12, 13 и IGBT-транзисторы 27, 28 образуют полумостовой высокочастотный инвертор. Положительные клеммы первых шунтирующих конденсаторов 10, 12 и исток IGBT-транзистора 27 полумостового высокочастотного инвертора объединены с положительными клеммами конденсаторов 8, 9 входного фильтра. Исток второго IGBT-транзистора 28 полумостового высокочастотного инвертора объединен с отрицательными клеммами конденсаторов 8, 9 входного фильтра и отрицательными клеммами вторых шунтирующих конденсаторов 11, 13. К средней точке IGBT-транзисторов 27, 28 подключен один из выводов первичной обмотки 23 силового трансформатора 18. Второй вывод первичной обмотки 23 соединен с одним из концов соединенных последовательно рабочих обмоток входного магнитного усилителя 14, начало которых соединено со средней точкой конденсаторов для устранения импульсных и радиопомех 10, 11 и средней точкой коммутирующих конденсаторов 12, 13. Концы вторичной обмотки 26 силового трансформатора 18 через выходной магнитный усилитель 29 подключены во входную диагональ второго (выходного) выпрямителя 30, выполненного, как и выпрямитель 4, по мостовой схеме. Выход постоянного тока выпрямителя 30 соединен с выходным фильтром на конденсаторах 31, 32, выход которого через пускоограничивающее устройство 33 на резисторе 34 и тиристоре 35 подключен на вход потребителя 36.
Полезная модель промышленно применима. Она работоспособна и может быть неоднократно реализована, поскольку ее практическая реализация не вызывает трудностей у специалиста в данной области. При изготовлении СБП используются современные серийно выпускаемые электронные приборы и элементы.
Система бесперебойного электропитания ответственных потребителей работает следующим образом.
В нормальном режиме напряжение от сети переменного тока 1 через входной коммутатор 2 поступает на клеммы переменного тока сетевого мостового выпрямителя
4. Постоянное напряжение сетевого выпрямителя 4 поступает на пускоограничивающее устройство 5, ток через которое ограничивается резистором 6. Пускоограничивающее устройство 5 обеспечивает заряд конденсаторов 8, 9 входного фильтра и коммутирующих конденсаторов 12, 13 полумостового высокочастотного инвертора. При заряде конденсаторов 8, 9 входного фильтра включается тиристор 7, который шунтирует пусковое сопротивление 6. Выходное напряжение силового трансформатора 18 с вторичных обмоток 24, 25 третьего, зарядно-разрядного, выпрямителя на IGBT-транзисторах 19, 21 обеспечивают постоянную подзарядку аккумулятора 15, зашунтированного конденсаторами 16, 17. По сути объединенные последовательно две вторичные обмотки 24, 25 силового трансформатора 18 образуют с двумя IGBT-транзисторами 19, 21, работающими в выпрямительном режиме, зарядное устройство аккумулятора 15. При этом конденсатор 17 обеспечивает защиту от импульсных помех, электролитический конденсатор 16 обеспечивает сглаживание пульсаций на выходе зарядно-разрядного выпрямителя на IGBT-транзисторах 19, 21. Напряжение заряда регулируется с помощью входного магнитного усилителя 14. Контроль зарядного тока осуществляется с помощью трансформаторов тока 20, 22, включенных в цепи истоков выпрямителя на IGBT-транзисторах 19, 21 и снимающих информацию о зарядно-разрядном токе зарядно-разрядного выпрямителя. Выходное напряжение регулируется входным магнитным усилителем 14, включенным последовательно с первичной обмоткой 23 силового трансформатора 18. Напряжение с вторичной обмотки 26 силового трансформатора 18 поступает через выходной магнитный усилитель 29 на вход переменного тока выходного выпрямителя 30. Постоянное напряжение через выходной фильтр на конденсаторах 31, 32 поступает через пускоограничивающее устройство 33, выполненное на резисторе 34 и тиристоре 35, на вход потребителя 36. Управление IGBT-транзисторами 27, 28 осуществляется прямоугольными импульсами длительностью 180 эл. град. на частоте (25-50) кГц. При подаче импульсов на IGBT-транзистор 27 происходитразряд конденсатора 12 через IGBT-транзистор 27, первичную обмотку 23 силового трансформатора 18 и рабочие обмотки входного магнитного усилителя 14. С вторичной обмотки 26 силового трансформатора 18 прямоугольные импульсы через рабочие обмотки выходного магнитного усилителя 29 поступают на вход переменного тока второго мостового выпрямителя 30. Выходное напряжение второго выпрямителя фильтруется с помощью конденсаторов 31, 32 выходного фильтра и поступает на включенные параллельно резистор 34 и тиристор 35 пусткоограничивающего устройства 33. При пропадании напряжения на входе системы бесперебойного электропитания сопротивление входного магнитного
усилителя 14 стремится к нулю, а ток через IGBT-транзисторы 27 и 28 уменьшается и меняет значение, переходя из выпрямительного режима в инверторный, и таким образом происходит коммутация источников электропитания, т.е. переход с основного на резервный источник (аккумулятор). Одновременно с этим при сбое электропитания от основного источника электропитания напряжение на выходе системы поддерживается еще и за счет энергии, запасенной в индуктивности магнитных усилителей.
Как видно из работы предложенной системы бесперебойного электропитания ответственных потребителей, она обеспечивает контроль заряда накопителя резервной энергии и постоянную его подзарядку, а также сглаживание пульсаций на выходе сетевого выпрямителя и защиту от импульсных и радиопомех. Таким образом, имея незначительное количество силовых блоков, система обеспечивает переход электропитания с основной сети на накопитель резервной энергии практически без перерыва. Следовательно, обеспечивается надежное и качественное электропитание ответственных потребителей. При этом использование в качестве регуляторов входного и выходного напряжения магнитных усилителей вместо конвертора (как в прототипе) позволяет резко упростить схему управления, исключить дополнительные дроссели для сглаживания тока на выходе выпрямителей. А если учесть, что при разряде аккумулятора напряжение обычно снижается на 12%, а при глубоком разряде - на 17%, то в первом случае можно и значительно снизить массогабаритные показатели регуляторов напряжения (магнитных усилителей).
1. Система бесперебойного электропитания ответственных потребителей, содержащая сетевой выпрямитель, подключенный к сети переменного тока, емкостной накопитель резервной энергии и регулятор выходного напряжения, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит регулятор входного напряжения, входной и выходной фильтры на конденсаторах, входное и выходное пускоограничивающие устройства, собранные на параллельно включенных резисторе и тиристоре, второй выпрямитель, постоянный выход которого через выходной фильтр и выходное пускоограничивающее устройство соединен с потребителем, силовой трансформатор с первичной и тремя вторичными обмотками, полумостовой высокочастотный инвертор, включающий два последовательно соединенных коммутирующих конденсатора и последовательно соединенные IGBT-транзисторы, третий выпрямитель на IGBT-транзисторах и трансформаторы тока для контроля заряда накопителя резервной энергии, включенные в цепи истоков IGBT-транзисторов третьего выпрямителя, при этом конденсаторы входного фильтра зашунтированы двумя последовательно соединенными конденсаторами для устранения импульсных помех и радиопомех и коммутирующими конденсаторами полумостового высокочастотного инвертора, а накопитель резервной энергии зашунтирован электролитическим конденсатором и третьим конденсатором для устранения импульсных помех и радиопомех; в качестве регуляторов входного и выходного напряжения использованы соответственно входной и выходной магнитные усилители; входное пускоограничивающее устройство включено между сетевым выпрямителем и входным фильтром, у которого положительные клеммы конденсаторов объединены с положительными клеммами первых из шунтирующих его конденсаторов для устранения импульсных помех и радиопомех и коммутирующих конденсаторов полумостового высокочастотного инвертора и истоком одного из IGBT-транзисторов полумостового высокочастотного инвертора, отрицательные клеммы конденсаторов фильтра и отрицательные клеммы вторых шунтирующих его конденсаторов объединены с истоком второго IGBT-транзистора полумостового высокочастотного инвертора, а к средней точке IGBT-транзисторов полумостового высокочастотного инвертора подключен один из выводов первичной обмотки силового трансформатора, второй вывод которой соединен с одним из концов соединенных последовательно рабочих обмоток входного магнитного усилителя, начало которых соединено со средней точкой конденсаторов для устранения импульсных и радиопомех и средней точкой коммутирующих конденсаторов полумостового высокочастотного инвертора; средняя точка объединенных концов двух вторичных обмоток силового трансформатора соединена с объединенными выходами емкостного накопителя резервной энергии и шунтирующих его конденсаторов; концы третьей вторичной обмотки силового трансформатора через обмотки выходного магнитного усилителя соединены с переменным входом второго выпрямителя.
2. Система бесперебойного электропитания по п.1, отличающаяся тем, что вход переменного тока сетевого выпрямителя включен в сеть переменного тока через предохранитель и входной коммутатор.
3. Система бесперебойного электропитания по п.1, отличающаяся тем, что выпрямители выполнены по мостовой схеме.
