способ и устройство управления выходным сигналом, подлежащим достаке в нагрузку, и система бесперебойного питания

Формула изобретения

1. Способ управления выходным сигналом, подлежащим доставке в нагрузку, в котором:

- генерируют несинусоидальное сигнальное колебание, подлежащее доставке в нагрузку, со скважностью широтно-импульсной модуляции (ШИМ);

- дискретизируют это несинусоидальное колебание на попериодной основе и во множестве моментов в данном периоде для накопления выходных сигнальных отсчетов;

- определяют на основе этих выходных сигнальных отсчетов, требует ли нагрузка больше или меньше мощности во времени;

- регулируют скважность при компенсации требования нагрузкой больше или меньше мощности для управления несинусоидальным сигнальным колебанием в зависимости от выходных сигнальных отсчетов, чтобы доставлять в нагрузку желаемую сигнальную характеристику.

2. Способ по п.1, в котором выходной сигнал представляет собой выходное напряжение, несинусоидальное сигнальное колебание является несинусоидальным колебанием напряжения, а выходные сигнальные отсчеты являются выходными отсчетами напряжения.

3. Способ по п.1, в котором желаемой сигнальной характеристикой является желаемый среднеквадратичный сигнальный уровень.

4. Способ по п.1, в котором в случае падающих выходных сигнальных отсчетов регулирование скважности включает в себя увеличение скважности, а в случае подъема выходных отсчетов напряжения регулирование скважности включает в себя уменьшение скважности, и при этом, опционально, уменьшение скважности сопрягает среднеквадратичный сигнальный уровень выходных отсчетов напряжения с желаемым среднеквадратичным сигнальным уровнем.

5. Способ по п.1, в котором дополнительно:

- управляют электромагнитным полем в трансформаторе согласно ШИМ; и

- управляют согласно ШИМ переключателями питания, выполненными для управления доставкой энергии в нагрузку.

6. Способ по п.1, в котором дополнительно доставляют несинусоидальное сигнальное колебание в нагрузку, включающую в себя контроллер активной компенсации коэффициента мощности (ККМ).

7. Способ по п.1, в котором этап дискретизации включает в себя дискретизацию несинусоидального сигнального колебания на попериодной основе, и при этом определение того, требует ли нагрузка больше мощности во времени, основано на следующих один за другим периодах, причем этап регулирования включает в себя увеличение скважности для компенсации требования нагрузкой больше энергии.

8. Способ по п.7, в котором этап генерирования несинусоидального сигнального колебания включает в себя вычисление скважности, а на этапе увеличения скважности:

- пересчитывают скважность для определения пересчитанной скважности на основе выходных сигнальных отсчетов, усреднения выходных сигнальных отсчетов из данного периода и одного или нескольких периодов, предшествующих данному периоду, в случае, когда нагрузка меньше, чем порог, и использования выходного сигнального отсчета из данного периода в случае, когда нагрузка не меньше порога; и

- переустанавливают скважность на значение выше, чем пересчитанная скважность, что дает нулевой сигнальный уровень для ненулевой длительности времени между каждым полупериодом несинусоидального сигнального колебания, причем это значение опционально составляет 108% от пересчитанной скважности.

9. Способ по п.1, в котором этап дискретизации включает в себя дискретизацию несинусоидального сигнального колебания во множестве моментов в данном периоде несинусоидального сигнального колебания, и при этом определяют на основе дискретизации в данном периоде, требует ли нагрузка меньше мощности во времени, причем этап регулирования включает в себя обнуление несинусоидального сигнального колебания, когда удовлетворяется заранее заданное условие, или после этого.

10. Устройство для управления выходным сигналом, подлежащим доставке в нагрузку, содержащее:

- генератор для генерирования несинусоидального сигнального колебания, подлежащего доставке в нагрузку, со скважностью широтно-импульсной модуляции (ШИМ);

- дискретизирующий модуль для дискретизации этого несинусоидального колебания для накопления выходных сигнальных отсчетов;

- запросный модуль для определения на основе этих выходных сигнальных отсчетов, требует ли нагрузка больше или меньше мощности во времени;

- регулирующий модуль для регулирования скважности для управления несинусоидальным сигнальным колебанием в зависимости от выходных сигнальных отсчетов, чтобы доставлять в нагрузку желаемую сигнальную характеристику.

11. Устройство по п.10, в котором выходной сигнал представляет собой выходное напряжение, несинусоидальное сигнальное колебание является несинусоидальным колебанием напряжения, а выходные сигнальные отсчеты являются выходными отсчетами напряжения.

12. Устройство по п.10, в котором регулирующий модуль регулирует скважность для доставки желаемого среднеквадратичного сигнального уровня.

13. Устройство по п.10, в котором в случае падающих выходных сигнальных отсчетов регулирующий модуль регулирует скважность путем увеличения скважности, а в случае подъема выходных отсчетов напряжения регулирующий модуль регулирует скважность путем уменьшения скважности.

14. Устройство по п.13, в котором регулирующий модуль уменьшает скважность для сопряжения среднеквадратичного сигнального уровня выходных отсчетов напряжения с желаемым среднеквадратичным сигнальным уровнем.

15. Устройство по п.10, дополнительно содержащее:

- управляющий полем модуль для управления электромагнитным полем в трансформаторе согласно ШИМ; и

- управляющий переключением модуль для управления переключателями питания, выполненными для управления доставкой энергии в нагрузку согласно ШИМ.

16. Устройство по п.10, дополнительно содержащее доставляющий модуль для доставки несинусоидального сигнального колебания в нагрузку, включающую в себя контроллер активной коррекции коэффициента мощности (ККМ).

17. Устройство по п.10, в котором дискретизирующий модуль выполнен с возможностью дискретизировать несинусоидальное сигнальное колебание на попериодной основе, и при этом запросный модуль определяет, указывают ли следующие один за другим периоды, что нагрузка требует больше мощности во времени, а регулирующий модуль выполнен с возможностью увеличивать скважность для компенсации требования нагрузкой больше мощности.

18. Устройство по п.17, в котором генератор выполнен с возможностью вычислять скважность и при этом генератор выполнен с возможностью увеличивать скважность путем:

- пересчета скважности для определения пересчитанной скважности на основе выходных сигнальных отсчетов, усреднения выходных сигнальных отсчетов из данного периода и одного или нескольких периодов, предшествующих данному периоду, в случае, когда нагрузка меньше, чем порог, и использования выходного сигнального отсчета из данного периода в случае, когда нагрузка не меньше порога; и

- переустановки скважности на значение выше, чем пересчитанная скважность, что дает нулевой сигнальный уровень для ненулевой длительности времени между каждым полупериодом несинусоидального сигнального колебания, причем это значение опционально составляет 108% от пересчитанной скважности.

19. Устройство по п.10, в котором дискретизирующий модуль выполнен с возможностью дискретизировать несинусоидальное сигнальное колебание, и при этом запросный модуль определяет на основе дискретизации в данном периоде, требует ли нагрузка меньше мощности во времени, а регулирующий модуль выполнен с возможностью обнулять несинусоидальное сигнальное колебание, когда удовлетворяется заранее заданное условие, или после этого.

20. Система, содержащая:

- процессор для выполнения вычислительных функций;

- контроллер активной коррекции коэффициента мощности (ККМ);

- источник бесперебойного питания (ИБП) для доставки генерируемого несинусоидального сигнального колебания с желаемой сигнальной характеристикой в нагрузку, включающую в себя эти процессор и контроллер активной ККМ, причем ИБП выполнен с возможностью регулировать скважность несинусоидального сигнального колебания на основе определения того, что нагрузка требует больше или меньше мощности по времени, которое основано на выходных сигнальных отсчетах несинусоидального сигнального колебания.

Описание изобретения к патенту

Уровень техники

Передача энергии по электроэнергетическим системам крайне важна для современной цивилизации. Поскольку многочисленные электрические приборы черпают мощность переменного тока (АС) из сетевых источников (т.е. мощность на линии из электроэнергетической сети), аварии в энергосистеме (т.е. выходы из строя или перерывы в работе) могут иметь серьезное значение. Известно использование источников бесперебойного питания (ИБП) (UPS) с аккумуляторными запасными системами для обеспечения стабилизированного бесперебойного питания для чувствительных и(или) критических нагрузок, таких как компьютерные системы и прочие системы обработки данных.

Системы бесперебойного питания (БП) обычно используются в сочетании с разнообразными электрическими приборами для защиты от аварий в энергосистеме. Системы БП доступны в различных конфигурациях для обеспечения различных функций, но все они, как правило, обеспечивают питание в случае перерывов в подаче электроэнергии.

Система БП может соединяться с мощностью на линии так, чтобы прибор, подключенный к этой системе БП (именуемый нагрузкой), мог использовать мощность на линии в нормальных условиях. Системы БП обычно включают в себя аккумулятор для запасания энергии, выпрямитель для преобразования переменного тока в постоянный ток (DC) для пропускания через аккумулятор и обратный преобразователь для преобразования энергии аккумулятора в переменный ток, когда генерируется резервное питание.

В идеале форма кривой напряжения, соответствующей выходному напряжению ИБП (т.е. электрическому сигналу, представляющему напряжение, доставляемое в нагрузку), является синусоидальной, поскольку электрические приборы черпают мощность переменного тока, которая является синусоидальной. Несинусоидальные колебания (к примеру, прямоугольные колебания), как правило, имеют большее проявление нестационарных процессов из-за резких изменений напряжения. Однако некоторые несинусоидальные колебания, такие как прямоугольные колебания, легче генерировать (а следовательно, они менее дорогие), нежели синусоидальные колебания, а потому обычно используются в системах БП.

Сущность изобретения

Согласно одному аспекту изобретения предложен способ или соответствующее устройство управления выходным сигналом, подлежащим доставке в нагрузку. Несинусоидальное сигнальное колебание, которое подлежит доставке в нагрузку, генерируется скважностью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (PWM). Это несинусоидальное сигнальное колебание дискретизируется для накопления выходных сигнальных отсчетов. На основе выходных сигнальных отсчетов делается определение того, требуется ли нагрузке больше или меньше мощности во времени. Скважность (отношение длительности импульса к периоду повторения) регулируется для управления несинусоидальным сигнальным колебанием в зависимости от выходных сигнальных отсчетов. При этом в нагрузку доставляется желаемая сигнальная характеристика.

В одном варианте осуществления изобретения выходной сигнал, несинусоидальное сигнальное колебание и выходные сигнальные отсчеты соответствуют напряжениям.

Желаемая сигнальная характеристика может быть желаемым среднеквадратичным (RMS) сигнальным уровнем.

В случае падающих выходных сигнальных отсчетов регулирование скважности может включать в себя увеличение скважности. В случае нарастающих выходных сигнальных отсчетов регулирование скважности может включать в себя уменьшение скважности, например, для согласования среднеквадратичного сигнального уровня выходных сигнальных отсчетов с желаемым среднеквадратичным сигнальным уровнем.

В другом варианте осуществления изобретения несинусоидальное сигнальное колебание может быть прямоугольным сигнальным колебанием. Несинусоидальное сигнальное колебание может иметь нулевое значение для ненулевой длительности во времени между каждым полупериодом несинусоидального сигнального колебания.

Способ может также включать в себя управление электромагнитным полем трансформатора согласно ШИМ и управляющие переключатели питания, выполненные с возможностью управлять доставкой энергии в нагрузку согласно ШИМ.

Способ может также включать в себя доставку несинусоидального сигнального колебания в нагрузку, в том числе контроллер активной коррекции коэффициента мощности (ККМ) (PFC).

Еще один вариант осуществления изобретения включает в себя исполнительное программное обеспечение для управления несинусоидальным сигнальным колебанием.

Варианты осуществления изобретения могут применяться в обратных преобразователях или источниках бесперебойного питания.

В еще одном варианте осуществления изобретения дискретизация включает в себя попериодную дискретизацию несинусоидального сигнального колебания и определение того, указывают ли следующие один за другим периоды, что нагрузка требует больше мощности во времени, на основе следующих один за другим периодов. В этом случае скважность увеличивается для компенсации большей мощности, требуемой нагрузкой.

Выходной сигнальный отсчет из данного периода может быть получен в момент, сдвинутый от начала данного периода на примерно одну восьмую длительности данного периода, менее чем на половину длительности данного периода или менее чем на четверть длительности данного периода.

Определение того, указывают ли следующие один за другим периоды, что нагрузка требует больше мощности во времени, может включать в себя сравнение изменения в отсчетах, представляющих несинусоидальное сигнальное колебание от периода к периоду, с порогом, к примеру, 10 вольт.

В еще одном варианте осуществления изобретения генерирование несинусоидального сигнального колебания включает в себя вычисление скважности. Увеличение скважности может включать в себя пересчет скважности для определения пересчитанной скважности на основе выходных сигнальных отсчетов и далее на основе усреднения выходных сигнальных отсчетов из данного периода и одного или нескольких периодов, предшествующих данному периоду, если нагрузка менее чем порог. Если же нагрузка не менее порога, можно использовать выходной сигнальный отсчет из данного периода. Вычисление скважности может быть далее основано на переустановке скважности на значение более высокое, чем пересчитанная скважность, чтобы получить нулевой сигнальный уровень для ненулевой длительности во времени между каждым полупериодом несинусоидального сигнального колебания. Значение, на которое переустанавливается скважность, может составлять 108% от пересчитанной скважности.

В одном варианте осуществления изобретения несинусоидальное сигнальное колебание дискретизируется во множестве моментов в данном периоде и определение того, требует ли нагрузка меньше мощности во времени, основано на дискретизации в данном периоде. Регулирование скважности может включать в себя обнуление несинусоидального сигнального колебания, когда удовлетворено заранее заданное условие либо после этого. Определение того, требует ли нагрузка меньше мощности во времени, может включать в себя сравнение изменения в отсчетах, представляющих несинусоидальное сигнальное колебание в течение данного периода, с порогом, к примеру, с разностью в 5 вольт.

Согласно другому аспекту изобретения предложена система, включающая в себя процессор для выполнения вычислительных функций, контроллер активной коррекции коэффициента мощности (ККМ) и источник бесперебойного питания (ИБП) для доставки генерируемого несинусоидального сигнального колебания с желаемой сигнальной характеристикой в нагрузку, включающую в себя процессор и контроллер активной ККМ. ИБП регулирует скважность несинусоидального сигнального колебания на основе определения того, что нагрузка требует больше или меньше мощности во времени. Это определение основано на выходных сигнальных отсчетах несинусоидального сигнального колебания.

Краткое описание чертежей

Вышеупомянутое будет очевидно из последующего более подробного описания примерных вариантов осуществления изобретения, как иллюстрируется сопровождающими чертежами, на которых одинаковые ссылочные позиции относятся к одним и тем же частям на всех различных видах. Чертежи не обязательно сделаны в масштабе, вместо этого внимание уделено иллюстрированию вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг.1 является примером выполнения серверного помещения в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг.2 является блок-схемой источника бесперебойного питания (ИБП) в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг.3 представляет собой блок-схему алгоритма в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг.4 является сигнальной диаграммой, показывающей дискретизацию в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг.5 представляет собой подробную блок-схему алгоритма в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг.6 является электрической схемой, соответствующей работе низкочастотного трансформатора, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг.7 является сигнальной диаграммой, иллюстрирующей условие, связанное с подключением к ИБП активной ККМ с малой нагрузкой.

Фиг.8 является электрической схемой, соответствующей работе высокочастотного трансформатора, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг.9A-C являются осциллограммами сигналов, показывающими сигнальные колебания в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Фиг.10 является блок-схемой, известной из уровня техники резервной (автономной) топологии для ИБП, используемого для обеспечения регулируемой бесперебойной энергии.

Фиг.11 является принципиальной схемой обычного известного из уровня техники обратного преобразователя.

Фиг.12 является блок-схемой топологии линейного интерактивного ИБП для обеспечения энергии переменного тока в нагрузку.

Подробное описание изобретения

Ниже следует описание примерных вариантов осуществления изобретения.

Обнаружено, что системы бесперебойного питания (БП) с несинусоидальными колебаниями (в частности, прямоугольными колебаниями) несовместимы с конкретным классом нагрузки, характеризуемой как нагрузка с активной коррекцией коэффициента мощности (ККМ) (т.е. имеющая контроллер активной ККМ). Ниже следует общее описание прямоугольных колебаний и коррекции коэффициента мощности, в том числе активной ККМ.

Прямоугольное колебание (прямоугольная волна) является периодическим колебанием, которое, как правило, включает в себя в одном периоде «высокий» (постоянный) сигнальный уровень для данной длительности (скважности), за которым следует участок нулевого сигнального уровня, а затем «низкий» сигнальный уровень. В системах БП, как правило, применяется широтно-импульсная модуляция с прямоугольными волнами для модуляции скважности, чтобы достичь желаемой выходной характеристики, такой как желаемое среднеквадратичное напряжение.

Коэффициент мощности системы, безразмерная величина между 0 и 1, представляет собой отношение активной мощности системы к ее полной мощности. Активная мощность (или действительная мощность), измеряемая в ваттах, представляет собой действительную величину рассеиваемой (т.е. используемой) мощности, указывающей способность этой системы выполнять работу во времени. Активная мощность является функцией от резистивных (рассеивающих) элементов схемы (к примеру, резисторов). Полная мощность (измеряемая в вольт-амперах) представляет собой произведение тока и напряжения в системе. Когда имеются реактивные элементы (к примеру, катушки индуктивности или конденсаторы), ток и напряжение находятся не в фазе, что вызывает появление отрицательной мощности для части каждого периода. Таким образом, некоторая мощность, доставляемая в течение части каждого периода, возвращается в течение другой части, приводя к тому, что активная мощность становится меньше полной мощности. Иными словами, полная мощность, которая является функцией импеданса (полного сопротивления), больше активной мощности, если в системе имеются реактивные элементы.

Реактивные нагрузки (системы) обременительны для энергетических компаний с точки зрения инфраструктурных требований, поскольку мощность теряется в электрических линиях между генератором (электросетью) и (реактивной) нагрузкой. Поэтому разработаны методы коррекции коэффициента мощности (ККМ) для увеличения коэффициента мощности реактивных нагрузок.

Пассивная ККМ использует пассивные схемные элементы (к примеру, катушки индуктивности или конденсаторы) для компенсации реактивности нагрузки. Например, индуктивную реактивность нагрузки можно скомпенсировать добавлением другой нагрузки, отбирающей равную и противоположную величину реактивной мощности (к примеру, емкостную реактивность, как у конденсатора, добавленного в параллель). Этот метод приводит к тому, что полный импеданс схемы приблизительно равен сопротивлению, что дает коэффициент мощности, близкий к 1.

В противоположность этому активная ККМ использует отдельную схему (не только пассивные схемные элементы) для компенсации реактивной нагрузки. Активная ККМ отбирает мощность из линии резистивно, чтобы подавать питание в реактивную нагрузку. Этот метод изолирует нагрузку от линии и приводит к лучшей коррекции коэффициента мощности, нежели при пассивной ККМ.

Использование решения нагрузки с ККМ стало популярным в последнее время, и многие регулировки требуют использования ККМ. Однако использование нагрузок с активной ККМ вносит сложности в методы бесперебойного питания, использующие прямоугольные колебания. Варианты осуществления настоящего изобретения обращены на эти сложности и применимы к топологиям ИБП по Фиг.1 и 3, конфигурациям обратных преобразователей, как на Фиг.2, а также к другим конфигурациям ИБП и обратных преобразователей.

Фиг.1 является примерной конфигурацией серверной комнаты в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Серверная комната 100 включает в себя несколько приборов, к примеру вычислительных устройств, в том числе сервер A 110a и сервер B 110b. Чтобы защитить ценное оборудование, такое как серверы, от перерывов в подаче энергии, к серверу A 110a и серверу B 110b подключен ИБП 150, обеспечивающий синусоидальные колебания. ИБП 150 отбирает мощность 160 переменного тока из магистралей (сети) 170. В случае перерыва в подаче энергии ИБП 150 синусоидального колебания доставляет синусоидальное колебание 115 к серверу A 110a. Как показано на увеличенном виде 116, доставляемые напряжение 117 и ток 118 находятся в фазе друг с другом.

Менее ценное оборудование, такое как терминалы, может защищаться посредством менее дорогих систем БП, которые могут обеспечивать несинусоидальные колебания, такие как прямоугольные волны. Фиг.1 показывает ИБП прямоугольных волн, соединенный с терминалом 120, представляющим нагрузку с пассивной ККМ, и с терминалом 130 с непоказанным контроллером активной ККМ. ИБП 140 прямоугольных колебаний также отбирает мощность 160 переменного тока из магистралей 170. В примерном варианте осуществления по Фиг.1 прямоугольное колебание 125, доставляемое к терминалу 120 с пассивной ККМ, и прямоугольное колебание 135, доставляемое к терминалу 130 с активной ККМ, показаны в соответственных увеличенных видах 126 и 136; данная ситуация соответствует, например, функциям в течение полного отключения питания. Выходные напряжение 127 и ток 128, доставляемые к терминалу 120 с пассивной ККМ в условиях перерыва в подаче энергии, являются регулярными прямоугольными волнами. Доставляемый выходной ток 128 не превышает максимального токового номинала 129, как указано горизонтальной пунктирной линией.

Нагрузки с активной ККМ, такие как контроллер активной ККМ, сконструированы, как правило, для работы при вполне номинальных условиях линии. Однако когда нагрузка с активной ККМ соединена с ИБП прямоугольных волн в аккумуляторном режиме (к примеру, в случае перерыва в подаче энергии), эта нагрузка с активной ККМ будет, как правило, начинать требовать (т.е. потреблять) энергию, что приведет к уменьшению выходного напряжения 137 ИБП 140 прямоугольных волн. Иными словами, нагрузка, представленная терминалом 130 с контроллером активной ККМ, быстро отбирает ток 138 в течение этого времени (из ИБП), чтобы восстановиться из ненормальных условий (перерыва в подаче энергии) и поддерживать характеристику мощности (к примеру, согласно конкретной потребности нагрузки в энергии при регулировании контроллером активной ККМ). Фактически, ток может превышать максимальный допуск 143, возможно повреждая ИБП или заставляя ИБП отключать свой выход для собственной защиты, что приведет к упавшей нагрузке или к повреждению пользовательского оборудования. Это может не оказывать влияния на приборы с более высокими номиналами мощности, но более высокие номиналы мощности приведут к более высокой стоимости аппаратной конструкции. Нагрузка может затем продолжать повышенный отбор тока, например, для заряда внутреннего конденсатора в нагрузке (не показан). Нагрузка снижает потребление энергии в течение интервала 139, когда нагрузка не нуждается более в отборе большого тока из ИБП 140 прямоугольных волн. В течение интервала 139 отбора низкой мощности выходное напряжение 137 возрастает обратно до уровня, основанного на напряжении аккумулятора в ИБП.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения случай падения напряжения 137 обнаруживается и скважность сигнала 137 напряжения расширяется (141) для компенсации. Случай нарастающего напряжения (к примеру, в течение интервала 139) обнаруживается и скважность сигнала напряжения уменьшается (142) для компенсации, к примеру, путем обнуления этого сигнала напряжения.

Следует понимать, что, хотя описанный выше примерный вариант осуществления представлен в отношении напряжения, в вариантах осуществления изобретения могут также использоваться токи. Как описано здесь, выражение «сигнал» может относиться к случаю либо напряжения, либо тока. Специалист оценит, что такие методы, как управляемые током напряжения и чувствительные резисторы, могут применяться для взаимного обмена между вариантами осуществления с использованием напряжения и вариантами осуществления с использованием тока, чтобы приспособить описанные здесь методы к различным воплощениям.

Вышеуказанное поведение нагрузки с активной ККМ, подключенной к ИБП прямоугольных волн, в случае недостатка энергии приводит к многочисленным проблемам. Как упомянуто ранее, чрезмерный ток может повредить соединительный прибор. Кроме того, быстрые изменения выходного напряжения в каждом полупериоде колебания могут быть проблематичны, приводя к флюктуациям пикового напряжения (нестабильная регулировка напряжения). В данной ситуации потребление энергии нагрузкой может быть непредсказуемым, когда наблюдается остановка и возобновление потребления энергии некоторыми нагрузками с ККМ непредсказуемым образом. Наконец, системы БП с прямоугольными волнами могут быть сконструированы для отключения в таких ситуациях, чтобы защитить самих себя от опасных условий, отвергая назначение систем БП.

Варианты осуществления настоящего изобретения обращены на вышеуказанные трудности существующих систем БП с несинусоидальными колебаниями напряжения, соединенных с нагрузками с активной ККМ. Здесь обсуждаются прямоугольные колебания, хотя и иные несинусоидальные колебания применимы точно так же.

Варианты осуществления настоящего изобретения поддерживают стабильную выходную мощность от ИБП с прямоугольными волнами в нагрузки с активной ККМ за счет стабилизации выходного активного среднеквадратичного напряжения в эти нагрузки.

Один вариант осуществления изобретения отслеживает среднеквадратичное выходное напряжение прямоугольной волны для каждого импульса и сравнивает его с номинальным среднеквадратичным выходным напряжением. Если среднеквадратичное выходное напряжение импульса ниже, чем номинальное среднеквадратичное выходное напряжение, скважность выходных импульсов увеличивается, чтобы заставить среднеквадратичное выходное напряжение достичь номинального среднеквадратичного выходного напряжения (или приблизиться к нему). Если среднеквадратичное выходное напряжение импульса выше, чем номинальное среднеквадратичное выходное напряжение, скважность выходных импульсов отключается, чтобы среднеквадратичное выходное напряжение ограничивалось номинальным среднеквадратичным напряжением. В данном варианте осуществления отслеживаются и при необходимости регулируются все импульсы.

Другой вариант осуществления изобретения отслеживает прямоугольные волны импульсного типа и среднеквадратичное выходное напряжение для каждого импульса. Для импульсов с нарастающим выходным пиковым напряжением скважность выходных импульсов отключается, когда среднеквадратичное выходное напряжение достигнет номинального среднеквадратичного выходного напряжения. Повышение в 5 В для систем, рассчитанных на 120 В, можно использовать для идентификации этого типа импульса (нарастающее выходное пиковое напряжение). Для импульсов с падающим выходным пиковым напряжением скважность выходных импульсов увеличивается, чтобы достичь номинального среднеквадратичного выходного напряжения (или приблизиться к нему). Падение в 5 В для систем, рассчитанных на 120 В, можно использовать для идентификации этого типа импульса (падающее выходное пиковое напряжение).

Фиг.2 является блок-схемой источника бесперебойного питания (ИБП) в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Фиг.2 показывает ИБП 240 несинусоидального сигнала, который может подключаться к нагрузке с активной ККМ в соответствии с методами, описанными здесь, без отрицательных эффектов, описанных выше в контексте традиционной технологии. ИБП 240 включает в себя генератор 250 колебаний, выход которого дискретизируется дискретизатором 260. Результирующие выходные сигнальные отсчеты 265 (тока или напряжения) посылаются в запросный модуль 270, который определяет на основе выходных сигнальных отсчетов 265, требуется ли нагрузке больше или меньшей мощности во времени. На основе этого определения блок 280 регулировки скважности может регулировать скважность колебания. Микроконтроллер 290 или другой процессор либо логический блок может управлять описанными выше компонентами для обеспечения доставки выходного сигнала 295, который не страдает от трудностей традиционной технологии, как описано ранее.

Фиг.3 представляет собой блок-схему алгоритма в соответствии с вариантом осуществления изобретения. В процессе 300 генерируется (310) несинусоидальное сигнальное колебание. Это несинусоидальное сигнальное колебание может быть несинусоидальным колебанием напряжения или несинусоидальным колебанием тока. Выходные отсчеты, к примеру выходные отсчеты напряжения, накапливаются (320). Процесс (300) включает в себя определение того, требует ли нагрузка больше или меньше мощности во времени (330). Скважность несинусоидального сигнала регулируется (340) для доставки в нагрузку желаемой сигнальной характеристики, к примеру среднеквадратичного сигнального уровня.

Фиг.4 является сигнальной диаграммой, показывающей дискретизацию в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Каждый период периодического колебания 435 может быть подразделен на 16 временных долей (показанных в целом как 440) или 32 деления для целей дискретизации.

Фиг.5 представляет собой подробную блок-схему алгоритма в соответствии с вариантом осуществления изобретения. В одном варианте осуществления несинусоидальное колебание генерируется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Скважность этого колебания первоначально вычисляется (505) как

где D есть скважность (также известная как коэффициент заполнения) колебания, Vpeak представляет собой пиковое напряжение, a Vrms представляет собой желаемое среднеквадратичное напряжение, подлежащее доставке в нагрузку.

В зависимости от выполнения обратного преобразователя в системе БП ШИМ можно использовать для управления электромагнитным полем в трансформаторе или для управления силовыми переключателями, сконфигурированными для управления доставкой в нагрузку энергии согласно ШИМ.

После того как разрешено (510) выведение прямоугольного колебания, выходное напряжение дискретизируется и скважность регулируется для управления несинусоидальным колебанием напряжения в зависимости от отсчетов выходного напряжения, чтобы доставлять в нагрузку желаемое среднеквадратичное напряжение. Способ регулировки изменяется в зависимости от результатов дискретизации, как описано ниже.

На попериодной основе (предпочтительно один раз за период, но возможно один раз за каждый другой период или согласно иной применяемой межпериодной дискретизации) отсчеты накапливаются (515) в момент, сдвинутый от начала каждого периода, согласно одному из следующих правил: 1) меньше чем полпериода за период; 2) меньше чем четверть периода за период; 3) примерно одна восьмая периода за период (плюс или минус 5 процентов от периода или некоторый иной процент, отвечающий рабочим параметрам или иным критериям). Например, время дискретизации, соответствующее вышеуказанной опции (3), представляет собой вторую временную долю. Дискретизации выходного напряжения в начале периода полезна, но не в самом начале, поскольку в самом начале могут присутствовать флюктуации.

Когда определено, что нагрузка относительно легкая (520), к примеру менее чем 20% от максимального номинала мощности для системы БП, может быть необходимо защитить компонент трансформатора в ИБП от насыщения, поскольку отбор более высокого тока может внезапно вызвать резкое падение выходного напряжения. Этот случай приемлем для низкочастотной (НЧ) (LF) конструкции. В этом случае пересчет скважности на основе среднего от отсчета выходного напряжения настоящего периода и отсчета предыдущего периода (525) ослабляет эффекты от флюктуации напряжения. Иными словами, можно использовать следующие формулы:

Можно также использовать другие методы усреднения или фильтрации, например усреднение последних трех периодов.

Если пиковое выходное напряжение в настоящем периоде не меньше, чем пиковое выходное напряжение в предыдущем периоде (530), то вышеуказанный метод усреднения используется для пересчета выходной скважности. В противном случае, выходную скважность пересчитывают с помощью настоящего пикового напряжения (535).

Если выходное напряжение с очевидностью падает (540), к примеру падает более чем порог, такой как разность в 10 В, то варианты осуществления изобретения компенсируют крутое падение напряжения увеличением скважности (545). Скважность можно увеличить в жестких пределах, чтобы сохранить область нулевого напряжения между областями высокого и низкого напряжений в колебании. При этом выходное напряжение, доставляемое в нагрузку, может быть приближено к желаемому среднеквадратичному напряжению (поскольку увеличение скважности компенсирует падение пикового напряжения). В одном варианте осуществления скважность переустанавливается на 108% от пересчитанной скважности. Скважность можно увеличить также и иными факторами.

Вывод прямоугольной волны запрещается, когда достигается требуемая скважность, т.е. переустанавливаемая скважность (550). Это условие можно обнаружить на основе сравниваемого значения таймера, которое указывает, когда нужно запретить выходной сигнал напряжения.

Фиг.6 является электрической схемой, соответствующей работе низкочастотного ИБП, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Эта электрическая схема является примером аппаратного воплощения, хотя можно представить себе и иные аппаратные воплощения. Например, для основанных на токе воплощениях можно, как описано ранее, использовать чувствительные резисторы, как может оценить специалист. На Фиг.6 микроконтроллер 610 выдает управляющие сигналы, выход A 615 питания и выход B 620 питания, на пару выключателей 625-a и 625-b, которые могут быть воплощены технологией MOSFET, связанных с двухтактным трансформатором 630. Двухтактные (вольтодобавочные) трансформаторы обычно используются в энергетике для изменения напряжения источника питания постоянного тока, т.е. преобразование постоянного тока в постоянный. Напряжение, связанное с аккумулятором 635, может подаваться по цепи обратной связи в микроконтроллер 610 для обработки, к примеру для регулировки скважности, согласно вариантам осуществления изобретения. Нагрузка 635 отбирает выходное напряжение 645, которое может подаваться по цепи обратной связи (640) в микроконтроллер 610, к примеру в порт 642, выполненный для приема такого сигнала, для дальнейшей обработки, к примеру для дискретизации и регулировки скважности. В другом варианте осуществления выходной ток 650 может подаваться по цепи обратной связи в микропроцессор 610 для дальнейшей обработки. Таким образом, варианты осуществления изобретения могут дискретизировать выходное напряжение, выходной ток или напряжение аккумулятора и использовать эти отсчеты для регулировки скважности.

Фиг.7 является сигнальной диаграммой, иллюстрирующей условие, связанное с насыщением трансформатора во время низкочастотной работы, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. При легкой нагрузке для некоторых контроллеров активной ККМ нагрузка потребляет мощность быстро, что приводит к несбалансированному выходному напряжению, как показано на Фиг.7. Кроме того, это условие может приводить к несбалансированному использованию полевых (MOSFET) транзисторов обратного преобразователя в системе БП.

Для высокочастотной (ВЧ) (HF) конструкции нет сопоставимых соображений по насыщению трансформатора. Поэтому можно использовать следующие формулы:

Vpeak=Vpeak_настоящ,

Использование в данном случае только отсчета напряжения в настоящем периоде вместо среднего, связанного с настоящим периодом и предыдущим периодом, помогает быстрее изменять внутренний тракт постоянного тока нагрузки.

Фиг.8 является электрической схемой, соответствующей работе высокочастотного трансформатора, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Эта электрическая схема является примером аппаратного воплощения, хотя можно представить себе и иные аппаратные воплощения. Микроконтроллер 810 генерирует несинусоидальное колебание, дискретизирует выходное напряжение и регулирует скважность согласно вариантам осуществления изобретения. Микроконтроллер выдает от двух до шести выходов 820 в вариантах осуществления изобретения. В данном воплощении используются аккумулятор 830, высокочастотный трансформатор 840 и Н-мост 850. В примере конфигурации, показанном на Фиг.8, выходы 820 микроконтроллера, помеченные A, B, C и D, соединены с соответствующими выключателями 845 Н-моста 850, помеченными A, B, C, D. В H-мосте 850 различные пары выключателей 845 диагонально через нагрузку 835 (к примеру, A/D или B/C) могут включаться или выключаться для изменения полярности энергии, доставляемой в нагрузку 835. специалисту следует понимать, что для управления выключателями 845 можно также использовать меньше 2 или больше шести выходов микроконтроллера в зависимости от различных конфигураций управляющих сигналов для управления нагрузкой.

Таким образом, варианты осуществления изобретения применяются соответственно для низкочастотных или высокочастотных конструкций ИБП.

Возвращаясь к Фиг.5, в других вариантах осуществления изобретения, если выходной импульс все еще включен (555), выходное напряжение дискретизируется во множестве моментов в данном периоде, к примеру на каждом делении, хотя можно использовать и иные способы межпериодной дискретизации (560). Вычисляется выходное среднеквадратичное напряжение настоящего полупериода, т.е. среднеквадратичное напряжение выходных отсчетов напряжения, встречающихся до данного момента в данном периоде (565). Если обнаруживается, что выходное напряжение нарастает (570), к примеру, на основе разности в отсчетах больше чем порог, такой как разность в 5 B, то известно, что нагрузка с ККМ требует меньше мощности во времени, т.е. снижает потребление энергии. В этом случае колебание напряжения обнуляется (устанавливается на нулевое напряжение), если выходное среднеквадратичное напряжение в настоящем полупериоде достигло желаемого (номинального) выходного среднеквадратичного напряжения (575).

Таким образом, когда нагрузка с активной ККМ прекращает отбирать большой ток из ИБП прямоугольных волн, варианты осуществления изобретения отслеживают выходное напряжение и блокируют его (к примеру, обнуляют его), когда оно достигает точно номинального выходного напряжения (к примеру, 115 B в Соединенных Штатах).

В данной ситуации внутренняя шина постоянного тока в нагрузке не находится под низким уровнем напряжения, и варианты осуществления по настоящему изобретению поддерживают выходное напряжение точно на номинальном напряжении, чтобы нагрузка не заряжалась чрезмерно.

При этой стратегии как нагрузка с ККМ, так и выход ИБП прямоугольных волн становятся стабильными. Тем самым варианты осуществления настоящего изобретения обходят несовместимость ИБП прямоугольных волн и нагрузки с активной ККМ.

Фиг.9A-C являются осциллограммами сигналов, показывающими сигнальные колебания в соответствии с вариантом осуществления изобретения.

Описанные здесь методы проверены с системами БП прямоугольных волн и нагрузками с активной ККМ, и Фиг.9A-C демонстрируют эффективность вариантов осуществления изобретения. Фиг.9А показывает выходное напряжение 910-a и выходное напряжение 910-b, когда нагрузка с активной ККМ отбирает энергию от ИБП прямоугольных волн с выхода 930 энергии без применения вариантов осуществления настоящего изобретения. Видно, что выходное напряжение флюктуирует (указывая слабое регулирование напряжения), и видно, что выходной ток пульсирует.Фиг.9 В показывает результат применения вариантов осуществления изобретения. Видно, что выходное напряжение 910-b и выходной ток 920-b регулируются лучше. Фиг.9C показывает результат применения вариантов осуществления изобретения и ожидания до тех пор, пока поведение схемы не стабилизируется. Видно, что выходное напряжение 910-c и выходной ток 920-c представляют собой хорошо регулируемые периодические колебания.

Варианты осуществления изобретения могут иметь аппаратное, аппаратно-программное или программное воплощение, чтобы обеспечить совместимость между несинусоидальными системами БП и нагрузками с активной ККМ. В некоторых вариантах осуществления не требуется никаких дополнительных аппаратных компонентов помимо уже доступных систем БП прямоугольных волн, что минимизирует стоимость. Иными словами, для управления несинусоидальным сигнальным колебанием может исполняться программное обеспечение. Это программное обеспечение может быть в виде команд, хранящихся на машиночитаемом носителе, которые при исполнении заставляют процессор выполнять обработку, описанную выше и на Фиг.3 и 5.

С вариантами осуществления изобретения нестабильное переходное состояние системы БП сокращается, стабилизируя выход ИБП. Таким образом, улучшается способность систем БП поддерживать нагрузки с ККМ.

Раскрытые варианты осуществления можно применять к топологии ИБП, такой как автономная, линейного взаимодействия или двойного преобразования.

Фиг.10 является блок-схемой известного из уровня техники ИБП 10, используемого для обеспечения регулируемой бесперебойной энергии в автономной (резервной) топологии ИБП. ИБП 10 включает в себя входной фильтр/блок 12 защиты от пульсаций, безобрывный переключатель 14, контроллер 16, аккумулятор 18, зарядное устройство 19, обратный преобразователь 20 и преобразователь 23 постоянного тока в постоянный. ИБП также включает в себя вход 24 для соединения с источником питания переменного тока и выход 26 для соединения с нагрузкой (не показана).

ИБП 10 работает следующим образом. Фильтр/блок 12 защиты от пульсаций принимает входную энергию переменного тока от источника питания переменного тока через вход 24, фильтрует входную энергию переменного тока и выдает отфильтрованную энергию переменного тока в безобрывный переключатель 14 и зарядное устройство 19. Безобрывный переключатель 14 принимает энергию переменного тока от фильтра/блока 12 защиты от пульсаций и принимает также энергию переменного тока от обратного преобразователя 20. Контроллер 16 определяет, находится ли в заранее заданных допусках энергия переменного тока, доступная из фильтра/блока 12 защиты от пульсаций, и если да, то управляет безобрывным переключателем 14 для подачи энергии переменного тока из фильтра/блока 12 защиты от пульсаций на выход 26. Для преобразования переменного тока (АС) в постоянный ток (DC) для пропускания через аккумулятор 18 используется выпрямитель (не показан).

Если энергия постоянного тока из выпрямителя не находится в заранее заданных допусках, что может происходить из-за условий «частичного затенения», «помех на промышленной частоте» или «полного затемнения» либо вследствие пульсаций энергии, то контроллер 16 управляет безобрывным переключателем для подачи энергии переменного тока из обратного преобразователя 20. Преобразователь 23 постоянного тока в постоянный является опциональным компонентом, который преобразует выход аккумулятора 18 в напряжение, которое совместимо с обратным преобразователем 20. В зависимости от используемых конкретных обратного преобразователя и аккумулятора обратный преобразователь 20 может оперативно соединяться с аккумулятором 18 либо непосредственно, либо через преобразователь постоянного тока в постоянный.

Обратный преобразователь 20 известного из уровня техники РКП 10 принимает энергию постоянного тока из преобразователя 23 постоянного тока в постоянный, преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока и регулирует напряжение переменного тока по заранее заданным техническим условиям. Обратный преобразователь 20 выдает регулируемое напряжение переменного тока в безобрывный переключатель 14. В зависимости от емкости аккумулятора 18 и требований нагрузки по мощности ИБП 10 может обеспечить питание в нагрузку во время коротких отключений источника питания или на продолжительные перерывы питания. В обычных недорогих обратных преобразователях средней мощности, таких как обратный преобразователь 20 в ИБП 10, Z колебание напряжения переменного тока имеет прямоугольную, а не синусоидальную форму.

Фиг.11 является электрической схемой обычной известной из уровня техники схемой 1100 обратного преобразователя, соединенной с источником 1118а напряжения постоянного тока и соединенной с обычной нагрузкой 1126, содержащей нагрузочный резистор 1128 и нагрузочный конденсатор ИЗО. Источник 1118a напряжения постоянного тока может быть аккумулятором (не показано).

Обычные нагрузки имеют емкостную составляющую из-за присутствия в нагрузке фильтра электромагнитных помех (ЭМП) (EMI). Схема 1100 обратного преобразователя включает в себя четыре выключателя S1, S2, S3 и S4 в такой же конфигурации, как выключатели 845 на Фиг.8. Каждый из выключателей S1-S4 воплощен с помощью приборов MOSFET, которые включают в себя соответственные транзисторы 1106, 1112, 1118, 1124 с соответственными собственными диодами 1104, 1110, 1116 и 1122. Каждый из транзисторов 1106, 1112, 1118 и 1124 имеет затвор, соответственно 1107, 1109, 1111 и 1113. Как понятно специалистам, каждый из выключателей S1-S4 может управляться с помощью управляющего сигнала, вводимого на его затвор.

Фиг.12 является блок-схемой топологии линейного интерактивного ИБП для обеспечения энергии переменного тока в нагрузку. Теперь со ссылкой на Фиг.12 будет описан вариант осуществления источника бесперебойного питания в соответствии с настоящим изобретением. ИБП 1210 включает в себя вход 1212 для приема энергии переменного тока от источника энергии переменного тока, выход 1214, который выдает энергию переменного тока, аккумулятор 1222, соединенный с преобразователем 1215 постоянного тока в постоянный, обратный преобразователь 1218, оперативно соединенный с преобразователем 1215 постоянного тока в постоянный для приема энергии постоянного тока и выдачи энергии переменного тока, переключающее реле 1216, выборочно соединяемое со входом 1212 ИБП и обратным преобразователем 1218, контроллер 1217 ИБП, фильтр 1221 ЭМП / пульсаций, зарядное устройство 1225 и трансформатор 1220 автоматического регулирования напряжений (АРН) (AVR), соединенный с переключающим реле 1216, и по меньшей мере одно реле 1233 АРН. Далее, ИБП 1210 включает в себя контроллер 1217 ИБП, который отслеживает и управляет работой ИБП 1210. Трансформатор 1220 АРН и связанные с ним реле являются опциональными приборами, используемыми в по меньшей мере одном варианте осуществления, чтобы дать возможность ИБП 1210 работать в более широком диапазоне входных напряжений.

ИБП 1210 работает следующим образом. ИБП 1210 принимает входную энергию переменного тока от источника питания переменного тока через вход 1212, фильтрует входную энергию переменного тока и подает отфильтрованную энергию переменного тока в безобрывное реле 1216. Безобрывное реле 1216 принимает отфильтрованную энергию, а также принимает энергию от обратного преобразователя 1218 постоянного тока в переменный. Контроллер 1217 определяет, находится ли энергия, доступная от источника питания переменного тока, в заранее заданных допусках, и если да, управляет безобрывным реле для подачи энергии от источника питания переменного тока на выход. Если же энергия от источника питания переменного тока не находится в заранее заданных допусках, что может случиться вследствие условий «частичного затенения» или «полного затемнения» либо вследствие пульсаций энергии, то контроллер 1217 управляет безобрывным реле 1216 для подачи энергии переменного тока из обратного преобразователя 1218.

Обратный преобразователь 1218 в ИБП 1210 принимает энергию постоянного тока от преобразователя 1215 постоянного тока в постоянный, преобразует эту энергию постоянного тока в энергию переменного тока и регулирует энергию переменного тока по заранее заданным техническим условиям. В зависимости от емкости аккумулятора 1222 и требований нагрузки по мощности ИБП 1210 может обеспечить питание в нагрузку во время коротких отключений источника питания или на продолжительные перерывы питания.

С помощью данных, хранящихся в связанной памяти, контроллер 1217 выполняет одну или несколько команд и отслеживает работу ИБП 1210 и управляет ею. В некоторых примерах контроллер 1217 может включать в себя один или несколько процессоров или контроллеров иных типов. В одном примере контроллер 1217 является коммерчески доступным универсальным процессором. В другом примере контроллер 1217 выполняет часть обсуждавшихся здесь функций на универсальном процессоре и выполняет другую часть с помощью специализированной интегральной микросхемы (СИМС) (ASIC), приспособленной выполнять конкретные операции. Как иллюстрируется этими примерами, варианты осуществления в соответствии с настоящим изобретением могут выполнять описанные здесь операции с помощью многих специальных сочетаний аппаратного и программного обеспечения, и изобретение не ограничивается каким-либо конкретным сочетанием аппаратных и программных компонентов.

Связанная память контроллера 1217 включает в себя память данных, которая хранит машиночитаемую и записываемую информацию, требуемую для работы ИБП 1210. Эта информация может включать в себя, среди прочих данных, данные, подлежащие манипуляции контроллером 1217, и команды, которые могут исполняться контроллером 1217 для манипулирования данными. Память данных может быть относительно высокоэффективной энергозависимой оперативной памятью, такой как динамическое оперативное запоминающее устройство (ДОЗУ) (DRAM) или статической памятью (СОЗУ) (SRAM), либо может быть энергонезависимыми запоминающими средствами, такими как магнитный диск или флэш-память. Различные варианты осуществления в соответствии с настоящим изобретением могут организовывать память данных в специализированные и, в некоторых случаях, уникальные структуры для выполнения раскрытых здесь объектов и функций. Помимо того, эти структуры данных могут быть конкретно сконфигурированы для экономии пространства памяти или повышения качества обмена данными.

Хотя данное изобретение конкретно показано и описано со ссылками на примерные варианты его осуществления, специалистам будет понятно, что в нем можно делать различные изменения в форме и деталях без отхода от объема изобретения, охватываемого приложенной формулой изобретения.