способ защиты агрегата бесперебойного питания и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ защиты агрегата бесперебойного питания, состоящего из параллельно работающих на общую нагрузку двух автономных инверторов, заключающийся в том, что котролируют электрические параметры инверторов и токи на выходах инверторов и при недопустимых значениях электрических параметров инверторов формируют сигналы аварийного состояния, которые подают на полупроводниковые выключатели в выходных цепях инверторов, и отключают инверторы от нагрузки, при этом при превышении токов на выходе инверторов допустимого значения формируют аварийные сигналы по току, которыми запрещают подачу аварийных сигналов состояния на полупроводниковые выключатели в течение заданного времени, по истечении которого при сохранении сигналов аварийного состояния отключают полупроводниковые выключатели, отличающийся тем, что при превышении тока на выходе одного из параллельно работающих инверторов заданного значения формируют дополнительный аварийный сигнал по току, отключают один из полупроводниковых выключателей и формируют аварийный сигнал состояния инвертора, которым отключают один из полупроводниковых выключателей и включают полупроводниковый выключатель в цепи исправного инвертора.

2. Устройство для защиты агрегата бесперебойного питания, включающее в себя две параллельные ветви, работающие на общую нагрузку, каждая из которых состоит из последовательно соединенных выпрямителя и инвертора, содержащее каналы защиты по числу параллельных агрегата, причем каждый канал защиты содержит полупроводниковый выключатель, предназначенный для включения последовательно с соответствующим инвертором, блок идентификации аварийных режимов, выполненный на пороговых элементах, датчик входного тока, выходом подключенный к входу соответствующего порогового элемента блока идентификации аварийных режимов, блок датчиков инвертора, выходом подключенный к входу соответствующего порогового элемента блока идентификации аварийных режимов, датчик выходного тока инвертора, блок управления полупроводниковым выключателем, управляющий выход которого подключен к управляющему входу полупроводникового выключателя, а первый стоповый вход к стоповому выходу блока идентификации аварийных режимов, первый канал защиты включает также пороговый элемент, выход которого подключен к выходу сумматора, входы которого подключены к выходам датчиков выходного тока инвертора первого и второго каналов защиты, отличающееся тем, что выходы датчиков выходного тока инвертора обоих каналов защиты подключены к входу соответствующего порогового элемента блока идентификации аварийных режимов своего канала защиты, блок управления полупроводниковым выключателем второго канала защиты снабжен выходом состояния инвертора своего канала защиты, блок идентификации аварийных режимов этого же канала защиты снабжен вторым стоповым и пусковым выходами, первый канал защиты дополнительно снабжен формирователем импульсов, элементом И-НЕ, а блок управления полупроводниковым выключателем снабжен вторым и третьим стоповыми входами и пусковым входом, причем выход порогового элемента подключен к входу формирователя импульсов, входы элемента И-НЕ подключены к выходу формирователя импульсов и к выходу состояния инвертора блока управления второго канала защиты, выход элемента И-НЕ подключен к второму стоповому входу блока управления своего канала защиты, пусковой и третий стоповый входы которого подключены соответственно к пусковому и второму стоповому выходам блока идентификации аварийных режимов второго канала защиты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к силовой полупроводниковой технике и может быть использовано в агрегатах бесперебойного питания с параллельной работой двух ветвей питания.

Известен способ защиты системы бесперебойного питания, состоящий из параллельно работающих на общую нагрузку двух автономных инверторов, при котором контролируют электрические параметры инверторов и нагрузки и при недопустимых их значениях формируют сигналы аварийного состояния, которые подают на тиристорные контакторы в выходных цепях инверторов и отключают инверторы от нагрузки, при этом при одновременном наличии сигналов аварийного состояния инверторов и нагрузки запрещают подачу аварийного сигнала состояния на тиристорные контакторы в течение заданного времени, по истечении которого при сохранении сигналов аварийного состояния отключают контакторы.

Устройство для осуществления этого способа защиты состоит из двух выпрямителей, двух параллельно работающих автономных инверторов тока с последовательными реактивными элементами и компенсирующими блоками, двух контакторов с искусственной коммутацией в выходных цепях инверторов, питающих общую нагрузку, и датчиков входного тока инверторов, состояния тиристоров компенсирующего блока и тока нагрузки. Входы датчиков входного тока инверторов и нагрузки подсоединены к трансформаторам тока, установленным на входе выпрямителей и нагрузки. Входы датчиков выходного напряжения инверторов подсоединены к трансформаторам напряжения, установленным на выходе инверторов. Входы датчиков состояния тиристоров инвертора и компенсирующего блока подсоединены соответственно к тиристорам инверторов и компенсирующих блоков. Выходы всех датчиков объединены в блоках логики, вырабатывающих сигналы управления контакторами [1]

Недостатком этого способа защиты и устройства для его осуществления является низкая надежность.

Наиболее близким по техническим средствам и достигаемому результату к изобретению является способ защиты агрегата бесперебойного питания, состоящего из параллельно работающих на общую нагрузку двух автономных инверторов, при котором контролируют электрические параметры инверторов, токи на выходах инверторов и состояние полупроводниковых элементов полупроводниковых выключателей и при недопустимых значениях электрических параметров инверторов формируют сигналы аварийного состояния, которые подают на полупроводниковые выключатели и электромеханические контакторы в выходных цепях инверторов и отключают инверторы от нагрузки, при этом при превышении токов на выходах инверторов допустимого значения формируют аварийные сигналы по току, которыми запрещают подачу аварийных сигналов состояния на полупроводниковые выключатели и электромеханические контакторы в течение заданного времени, по истечении которого при сохранении сигналов аварийного состояния отключают полупроводниковые выключатели и электромеханические контакторы, а при отклонении состояния полупроводниковых элементов полупроводниковых выключателей допустимых значений формируют сигналы о пробое и невключении полупроводниковых выключателей, начиная с определенных минимальных токов на выходе инверторов, и при параллельной работе обоих инверторов подают на соответствующие полупроводниковые выключатели и электромеханические контакторы и отключают и инвертор от нагрузки, а при одиночной работе инвертора на полупроводниковый выключатель и электромеханический контактор подают сигнал и невключении полупроводниковых элементов и отключают агрегат бесперебойного питания от нагрузки.

Устройство для осуществления этого способа защиты содержит две параллельные ветви, работающие на общую нагрузку, каждая из которых состоит из последовательно соединенных выпрямителя и инвертора, каналы защиты по числу параллельных ветвей агрегата, причем каждый канал защиты содержит полупроводниковый выключатель, предназначенный для включения последовательно с соответствующим инвертором, блок идентификации аварийных режимов, датчик входного тока и блок датчиков инвертора, выходом подключенные соответственно к первому, второму входу блока идентификации аварийных режимов, датчик выходного тока инвертора, сумматор, первый вход которого подключен к выходу датчика выходного тока инвертора своего канала защиты, а второй вход к выходу датчика выходного тока инвертора параллельной ветви, при этом в каждом канале защиты выход сумматора подключен к третьему входу блока идентификации аварийных режимов, электромеханический контактор, включенный последовательно с полупроводниковым выключателем, два элемента И, блок контроля неисправности полупроводникового выключателя, входом подключенного к силовым элементам полупроводникового выключателя, а выходы идентификации невключения и пробоя силовых элементов полупроводникового выключателя подключены к первым входам соответственно первого и второго элементов И, второй вход первого элемента И подключен к выходу порогового узла, элемент ИЛИ, первый вход которого подключен к выходу первого элемента И, второй вход к выходу второго элемента И, третий вход к выходу блока идентификации аварийных режимов, выход подключен к управляющим входам полупроводникового выключателя и электромеханического контактора, а выход, сигнализирующий о состоянии электромеханического контактора данного канала защиты, подключен к второму входу второго элемента И параллельного канала защиты [2]

Недостатком данного способа и устройства является низкое качество выходного напряжения при внутренних авариях в одной из ветвей. Это связано с недостаточным быстродействием обнаружения аварии, которое обеспечивается датчиком входного тока, блоком датчиков инвертора и блоком идентификации аварийного режима. Вследствие этого между отказавшим и исправным инвертором возникают уравнительные токи, величина которых может достигать значений, близких к токам короткого замыкания (максимальная величина тока ограничена практически внутренними сопротивлениями инверторов). Это приводит к тому, что после отключения полупроводниковым выключателем отказавшей ветви питания по аварийному сигналу, сформированному блоком идентификации аварийного режима, напряжение на выходе исправного инвертора находится за пределами допустимых значений. Длительность и амплитуда отклонения выходного напряжения инвертора за допустимые значения зависит от быстродействия обнаружения аварии инвертора.

Целью изобретения является улучшение качества выходного напряжения.

Это достигается тем, что способом защиты агрегата бесперебойного питания, состоящего из параллельно работающих на общую нагрузку двух автономных инверторов, при котором контролируют электрические параметры инверторов и токи на выходах инверторов и при недопустимых значениях электрических параметров инверторов формируют сигналы аварийного состояния, которые подают на полупроводниковые выключатели в выходных цепях инвеpторов и отключают инверторы от нагрузки, при этом при превышении токов на выходе инверторов допустимого значения формируют аварийные сигналы по току, которыми запрещают подачу аварийных сигналов состояния на полупроводниковые выключатели в течение заданного времени, по истечении которого при сохранении сигналов аварийного состояния отключают полупроводниковые выключатели, формируют дополнительный аварийный сигнал по току, которым отключают один из полупроводниковых выключателей, а сформированный аварийный сигнал состояния инвертора подают для включения полупроводникового выключателя в цепи исправного инвертора.

В устройстве для защиты агрегата бесперебойного питания, включающего в себя две параллельные ветви, работающие на общую нагрузку, каждая из которых состоит из последовательно соединенных выпрямителя и инвеpтора, содержащем каналы защиты по числу параллельных ветвей агрегата, причем каждый канал защиты содержит полупроводниковый выключатель, предназначенный для включения последовательно с соответствующим инвертором, блок идентификации аварийных режимов, выполненный на пороговых элементах, датчик входного тока, выходом подключенный к первому входу блока идентификации аварийных режимов, блок датчиков инвертора, выходом подключенный к второму входу блока идентификации аварийных режимов, датчик выходного тока инвертора, блок управления полупроводниковым выключателем, управляющий выход которого подключен к управляющему входу полупроводникового выключателя, а первый стоповый вход к стоповому выходу блока идентификации аварийных режимов, первый канал защиты включает также сумматор, входы которого подключены к выходам датчиков выходного тока инвеpтора первого и второго каналов защиты, выходы датчиков выходного тока инвертора обоих каналов защиты подключены к третьему входу блока идентификации аварийных режимов своего канала защиты, блок управления полупроводниковым выключателем второго канала защиты снабжен выходом состояния, блок идентификации аварийных режимов этого же канала защиты снабжен вторым стоповым и пусковым выходом, первый канал защиты дополнительно снабжен пороговым элементом, формирователем импульсов, элементом И-НЕ, а блок управления снабжен вторым и третьим стоповым входом и пусковым входом, причем вход порогового элемента подключен к выходу сумматора, а выход к формирователю импульсов, входы элемента И-НЕ подключены к выходу формирователя импульсов и к выходу состояния блока управления второго канала защиты, выход элемента И-НЕ подключен к второму стоповому входу блока управления своего канала защиты, пусковой и третий стоповый входы которого подключены соответственно к пусковому и второму стоповому выходу блока идентификации аварийных режимов второго канала защиты.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что изобретение отличается тем, что формируют дополнительный аварийный сигнал для включения полупроводникового выключателя в цепи исправного инвертора, а также выполнением устройства для защиты агрегата.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа защиты; на фиг.2 функциональная схема блока идентификации аварийных режимов; на фиг.3 пример функциональной схемы блока управления полупроводниковым выключателем.

Устройство содержит две параллельные ветви 1 и 2 питания, работающие на общую нагрузку 3. Каждая ветвь питания содержит последовательно соединенные выпрямитель 4, к входу которого подключен датчик 5 входного тока, инвертор 6, полупроводниковый выключатель 7, к входу которого подключен датчик 8 выходного тока инвертора, причем каждая ветвь питания содержит также блок 9 датчиков инвертора, вход которого подключен к инвертору 6, блок 10 идентификации аварийных режимов, первый, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам датчика 5 и блоков 9 и 8, блок управления 11 полупроводниковым выключателем, первый стопорный вход которого подключен к стоповому выходу блока 10, а управляющий выход подключен к управляющему входу полупроводникового выключателя 7.

Первый канал защиты содержит также сумматор 12, вход которого подключен к выходу датчика 8 своего канала защиты, пороговый элемент 13, вход которого подключен к выходу сумматора 12, формирователь 14 импульсов, вход которого подключен к выходу порогового элемента 13, и элемент И-НЕ 15, входы которого подключены к выходу формирователя 14 и к выходу состояния блока 11 второго канала защиты, а выход к второму стоповому входу блока управления 11 первого канала защиты, причем пусковой и третий стоповый входы блока управления 11 первого канала защиты подключены соответственно к пусковому и второму стоповому выходу блока 10 второго канала защиты.

Блок 10 идентификации аварийных режимов (см. фиг.2) каждого канала защиты содержит пороговые элементы 16 и 17, входы которых подключены к первому, второму и третьему входам блока 10, триггер 18, пусковой вход которого подключен к выходу порогового элемента 17, первый элемент НЕ 19, вход которого подключен к пусковому входу триггера 18, второй элемент НЕ 20 и элемент 21 выдержки времени, входы которых подключены к выходу триггера 18, элемент 22 выдержки времени с инвертированием, выход которого подключен к стоповому входу триггера 18, первый элемент И-НЕ 23, входы которого подключены к выходам элемента 21, второй элемент И-НЕ 24, первый вход которого подключен к выходу элемента 23, а второй к выходу элемента НЕ 20, третий элемент И-НЕ 25, первый вход которого подключен к выходу элемента 21 и входу элемента 22, а второй вход к выходу элемента НЕ 19, четвертый элемент И-НЕ 26, первый вход которого подключен к выходам элементов И-НЕ 24 и пусковому выходу блока 10, второй вход к выходу элемента И-НЕ 25, выходы элементов И-НЕ 26 и 25 подключены соответственно к первому и второму стоповому выходам блока 10.

Блок управления 11 полупроводниковым выключателем 7 содержит первый элемент И 27, входы которого подключены к первому и второму стоповым входам блока управления 11, блок 28 выдержки времени, вход которого подключен к второму стоповому входу блока управления 11, формирователь 29 импульсов, вход формирования которого подключен к выходу блока 28, второй элемент И 30, входы которого подключены к выходу формирователя 29 и к пусковому входу блока управления 11, первый триггер 31, пусковой вход которого подключен к выходу элемента И 30, стоповый к выходу элемента И 27, выход триггера 31 к выходу состояния блока управления 11, формирователь 32 сигнала управления, вход которого подключен к выходу триггера 31, а выход к управляющему выходу блокам управления 11, второй триггер 33, пусковой вход которого подключен к выходу триггера 31, а выход к запрещающему входу формирователя 29, третий элемент И 34, входы которого подключены к первому и третьему стоповым входам блока 11, а выход к стоповому входу триггера 33.

В устройстве (см. фиг.1) датчик 8 выходного тока выдает сигнал, пропорциональный току нагрузки. Полупроводниковые выключатели 7 предназначены для отключения от нагрузки 8 неисправного инвертора 6 и выпрямителя 4. При этом для уменьшения длительности работы исправной ветви питания на неисправную время отключения полупроводниковых выключателей должно быть как много меньше. Поэтому силовыми элементами полупроводниковых выключателей 7 могут быть либо однооперационные тиристоры с искусственной коммутацией, либо транзисторы, либо запираемые тиристоры, которые позволяют создать полупроводниковые выключатели с временем отключения не более 1 мс. Формирователи импульсов 14 и 29 могут быть выполнены как на базе дифференцирующей RC-цепочки, так и на базе одновибратора, при этом формирователь 14 формирует на своем выходе единичный импульс, а формирователь 29 нулевой. В блоке управления 11 схемная реализация формирователя 32 зависит от вида силового элемента, примененного в полупроводниковом выключателе 7. В случае использования транзисторов формирователь 32 должен обеспечивать на своем выходе положительный постоянный сигнал необходимой мощности при пусковом состоянии триггера 31 и отрицательный постоянный сигнал при стоповом состоянии триггера 31.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии при параллельной работе ветвей 1 и 2 питания на нагрузку 3 на выходах обоих датчиков 8 формируются сигналы, которые поступают на пороговые элементы 17 блоков 10. В первом канале защиты эти сигналы складываются по амплитуде сумматором 12 и поступают на пороговый элемент 13. Уставки пороговых элементов 13 и 16 выбираются одинаковыми и определяются максимальными значениями токов, создаваемых нагрузкой 3, когда она исправна. Это связано с тем, что пороговые элементы 13 и 16 не должны срабатывать как при параллельной работе ветвей питания 1 и 2, так и при их одиночной работе.

При аварии выпрямителя 4 или инвертора 6 из-за возникающих уравнительных токов между инверторами пороговый элемент 13 сработает раньше порогового элемента 16, так как сигнал на выходе сумматора 12 по амплитуде в два раза выше сигнала на выходе датчиков 8. На выходе состояния блока управления 11 второго канала защиты единичный сигнал формируется при включенном состоянии полупроводникового выключателя 7 второго канала защиты и нулевой сигнал при отключенном состоянии этого выключателя. Для контроля исправности выпрямителя 4 и инвертора 6 используются блок 9, контролирующий длительность работы тиристоров и напряжение на коммутирующих конденсаторах инвертора 6, датчик 5 входного тока, выдающий сигнал, пропорциональный току выпрямителя 4, и блок 10.

Сигналы с блоков 5 и 9 поступают на пороговые элементы 16 блоков 10 (см. фиг.2). Пороговые элементы 16, анализируя эти сигналы, выдают аварийные нулевые сигналы при отказе выпрямителя 4 или инвертора 6, которые при отсутствии короткого замыкания в нагрузке 3 после двукратного инвертирования элементами И-НЕ 23 и 24 поступают через элементы И 26 и 27, на стоповый вход триггера 31. Триггер 31 переходит в стоповое состояние, что приводит к снятию пускового сигнала на выходе формирователя 32. В результате полупроводниковый выключатель 7 отключает от нагрузки отказавшую ветвь питания. Если аварийный сигнал на выходе порогового элемента 16 сформировался позже, чем сработал пороговый элемент 13 из-за возникшего уравнительного тока между двумя инверторами 6, то формирователь 14 сформирует единичный импульс, который инвертируется элементом И-НЕ 15 и, пройдя через элемент И 27, поступит на стоповый вход триггера 31 блока управления 11 первого канала защиты. Триггер 31 переходит в стоповое состояние, что вызывает отключение полупроводникового выключателя 7 первого канала защиты. В результате ток через инвертор ветви питания 2 уменьшится до уровня тока нагрузки 3, и пороговые элементы 17 в обоих блоках 10 не срабатывают. Одновременно нулевым импульсным сигналом, поступившим с выхода элемента И-НЕ 15 на второй стоповый вход блока 11, запускается блок 28 выдержки времени.

Если отказал выпрямитель 4 или инвертор 6 ветви питания 1, то аварийный сигнал, сформированный на выходе порогового элемента 16 первого канала защиты, продублирует действие сигнала сформированного формирователем 14. Одновременно этот сигнал, пройдя через элемент И 34, переведет триггер 33 в стоповое положение и тем самым запретит формирователю 29 сформировать пусковой импульс на триггер 31 после окончания действия выдержки времени блока 28. В результате полупроводниковый выключатель 7 первого канала защиты останется в отключенном состоянии, а полупроводниковый выключатель 7 второго канала защиты во включенном состоянии. Нагрузка 3 будет питаться от исправной ветви питания 2.

Если отказал выпрямитель 4 или инвертор 6 ветви питания 2, то сформированные на первом стоповом и пусковом выходах блока 10 второго канала защиты нулевые сигналы, поступая соответственно на первый стоповый вход блока управления 11 второго канала защиты и пусковой вход блока управления 11 первого канала защиты, обеспечивают отключение полупроводникового выключателя 7 второго канала защиты и включение полупроводникового выключателя 7 первого канала защиты. Пусковой сигнал сформируется также формирователем 29 блока управления 11 первого канала защиты после окончания выдержки времени блока 28 и подтвердит действие пускового сигнала, поступившего с блока 10 второго канала защиты на пусковой вход блока управления 11 первого канала защиты. В результате нагрузка 3 будет питаться от исправной первой ветви питания.

Устройство обеспечивает также защиту агрегата при коротком замыкании в нагрузке 3. При коротком замыкании в нагрузке 3 сигнал с сумматора 12 вызывает срабатывание порогового элемента 13. Это приводит к формированию формирователем 14 единичного сигнала, который после инвертирования элементом И-НЕ 15 вызывает отключение полупроводникового выключателя 7 первого канала защиты и запуска блока 28 выдержки времени. В результате на короткое замыкание в нагрузке 3 работает ветвь питания 2. После срабатывания порогового элемента 13 срабатывает пороговый элемент 17 блока 10 второго канала защиты. Это приводит к появлению на выходе порогового элемента 17 нулевого сигнала и к срабатыванию триггера 18. С выхода последнего единичный сигнал инвертируется элементом НЕ 20 и подается на второй вход элемента И-НЕ 24, запрещая прохождение аварийных сигналов, сформированных из-за короткого замыкания в нагрузке на выходах пороговых элементов 16 на пусковой и первый стоповый выход блока 10.

Единичный сигнал с выхода триггера 18 подается также через элемент 21 выдержки времени на первый вход элемента И-НЕ 25 и на вход элемента 22 выдержки времени с инвертированием. На второй вход элемента И-НЕ 25 поступает инвертированный элементом НЕ 19 сигнал с порогового элемента 17. Если за время выдержки времени элемента 21 короткое замыкание в нагрузке 3 исчезает, то на втором входе элемента И-НЕ 25 нулевой сигнал от элемента НЕ 19 появляется раньше единичного сигнала от элемента 21, поэтому блок 10 отключающего нулевого сигнала на своих стоповых выходах не сформирует. В результате после окончания времени задержки блока 28 формирователь 29 сформирует нулевой импульс, которым триггер 31 переведется в пусковое состояние, и полупроводниковый выключатель 7 первого канала защиты снова включится, обеспечив тем самым параллельную работу обеих ветвей питания. Если же длительность короткого замыкания больше времени выдержки элемента 21, то в момент появления на обоих входах элемента И-НЕ 25 единичных сигналов на его выходе формируется нулевой сигнал, который, пройдя через элементы И 26, 27, поступает на стоповый вход триггера 31 блока управления 11 второго канала защиты. Одновременно нулевой сигнал с выхода элемента 25 блока 10 второго канала защиты поступает на третий стоповый вход блока управления 11 первого канала защиты, проходит через элемент И 34 и поступает на стоповый вход триггера 33. Триггер 33 устанавливается в стоповое состояние и выходным сигналом запрещает формирователю 29 формировать пусковой сигнал. В результате после окончания действия элемента выдержки времени 21 оба выключателя 7 находятся в отключенном состоянии, защищая тем самым агрегат от длительного воздействия короткого замыкания в нагрузке. Если короткое замыкание в нагрузке 3 случится, когда ветвь питания 2 отключена, то полупроводниковый выключатель 7 первого канала защиты при неисчезающем коротком замыкании отключится после окончания выдержки времени элемента 21 этого канала защиты, так как на одном из входов элемента И-НЕ 15, подключенном к выходу состояния блока управления 11 второго канала защиты, присутствует нулевой сигнал, который запрещает прохождение стопового сигнала с выхода формирователя 14.

Элемент 22 выдержки времени обеспечивает автоматический перевод триггера 18 в исходное состояние. При этом для формирования на выходе элемента И-НЕ 25 стопового нулевого сигнала при неисчезающем однофазном коротком замыкании в нагрузке 3 длительность задержки должна быть не менее длительности половины периода выходного напряжения инвертора во время короткого замыкания. Элемент выдержки времени 28 может быть выполнен на базе одновибратора, длительность импульса которого должна быть не меньше длительности, в течение которой работавший на короткое замыкание инвертор 6 восстановил свое выходное напряжение до номинального значения и вошел в синхронную и синфазную работу с отключенным от нагрузки инвертором, формирователь 29 в этом случае должен формировать импульс от заднего фронта импульса одновибратора.

Использование предлагаемого способа защиты агрегата бесперебойного питания и устройства для его осуществления позволяет повысить качество выходного напряжения агрегата бесперебойного питания при аварийном отключении одной из ветвей питания, что увеличивает надежность работы нагрузки.