Трехфазный источник бесперебойного питания большой мощности

Трехфазный источник бесперебойного питания большой мощности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к трехфазному источнику бесперебойного питания большой мощности.

Уровень техники

Источники бесперебойного питания (ИБП), включающие преобразователи напряжения, являются фундаментальными частями многих электрических систем, таких как системы электроснабжения для ЭВМ и серверов в дата-центрах. ИБП могут использоваться со многими типовыми системами электроснабжения, включающими одно- и трехфазные соединения, и могут использоваться с маломощными системами (например, бытовой компьютер) и высокомощными системами (например, дата-центры или процессинговое оборудование). Высокомощные системы обычно используют трехфазное электрическое соединение (например, с Х-, Y- и Z-фазами). Преобразователь напряжения трехфазного ИБП обычно используется для подачи трехфазной электроэнергии переменного тока на трехфазную нагрузку, для преобразования трехфазного напряжения переменного тока с одного уровня на другой и для подачи трехфазной электроэнергии на нагрузку в случае перебоя в питании. Входное и выходное соединения преобразователя напряжения трехфазного ИБП обычно представляют собой трех- или четырехтерминальные соединения - по одному соединению для каждой фазы трехфазного электрического соединения и необязательную нейтраль. Кроме того, обычно батарея присоединена к преобразователю напряжения ИБП и используется для накопления энергии для использования в случае перебоя в питании.

Типовые ИБП высокой мощности (например, выше 100 кВт) работают с использованием номинальных входных напряжений переменного тока 3×400 В (в Европе) или 3×480 В (в США). Бестрансформаторные ИБП могут работать с напряжением ±450 В внутренней шины постоянного тока. В такой конфигурации компоненты, содержащиеся в ИБП, предпочтительно рассчитаны на максимально допустимое напряжение по меньшей мере 1200 В ввиду больших выбросов напряжения, обусловленных паразитными индуктивностями физически крупных биполярных транзисторов с изолированным затвором. Использование компонентов, рассчитанных на максимально допустимое напряжение 1200 В, однако, обычно приводит к увеличению потерь на электропроводность и на переключение, тем самым снижая КПД.

Раскрытие изобретения

Согласно одному аспекту изобретения предлагается схема преобразователя электроэнергии, содержащая вход, включающий множество входных линий, каждая из которых предназначена для соединения с фазой многофазного источника электроэнергии переменного тока, имеющей синусоидальный сигнал, множество шин постоянного тока, включающее первую положительную шину постоянного тока, имеющую первое номинальное напряжение постоянного тока; вторую положительную шину постоянного тока, имеющую второе номинальное напряжение постоянного тока; первую отрицательную шину постоянного тока, имеющую третье номинальное напряжение постоянного тока; и вторую отрицательную шину постоянного тока, имеющую четвертое номинальное напряжение постоянного тока; первый преобразователь электроэнергии, соединенный с входом и сконфигурированный для подачи электроэнергии из многофазного источника электроэнергии переменного тока на множество шин постоянного тока во время первого положительного участка синусоидального сигнала и первого отрицательного участка синусоидального сигнала; и второй преобразователь электроэнергии, соединенный с входом и сконфигурированный для подачи электроэнергии из многофазного источника электроэнергии переменного тока в по меньшей мере некоторые из множества шин постоянного тока во время второго положительного участка синусоидального сигнала и второго отрицательного участка синусоидального сигнала.

Согласно одному варианту осуществления первый положительный участок включает фазовые углы синусоидального сигнала вблизи фазового угла пиковой положительной амплитуды синусоидального сигнала; первый отрицательный участок включает фазовые углы синусоидального сигнала вблизи фазового угла пиковой отрицательной амплитуды синусоидального сигнала; а второй положительный участок и второй отрицательный участок включают фазовые углы синусоидального сигнала вблизи прохождения через ноль синусоидального сигнала.

Согласно еще одному аспекту предлагается способ подачи выходной электроэнергии переменного тока из ИБП, причем ИБП включает многофазный вход переменного тока; множество шин постоянного тока, включающее первую положительную шину постоянного тока, вторую положительную шину постоянного тока, первую отрицательную шину постоянного тока и вторую отрицательную шину постоянного тока; схему преобразователя электроэнергии, включающую первый преобразователь электроэнергии и второй преобразователь электроэнергии, каждый из которых соединен с входом переменного тока и по меньшей мере одной из множества шин постоянного тока. Согласно некоторым вариантам осуществления способ включает следующие действия: подачу электроэнергии с многофазного входа переменного тока на вход первого преобразователя электроэнергии и подачу электроэнергии на множество шин постоянного тока с выхода первого преобразователя электроэнергии во время первого положительного участка синусоидального сигнала, подаваемого с многофазного входа переменного тока, и во время первого отрицательного участка синусоидального сигнала; подачу электроэнергии с многофазного входа переменного тока на вход второго преобразователя электроэнергии и подачу электроэнергии в по меньшей мере некоторые из множества шин постоянного тока с выхода второго преобразователя электроэнергии во время второго положительного участка синусоидального сигнала и во время второго отрицательного участка синусоидального сигнала; и преобразование электроэнергии, подаваемой из множества шин постоянного тока, в выходную электроэнергию переменного тока, подаваемую на выход переменного тока ИБП.

Согласно еще одному аспекту предлагается способ подачи выходной электроэнергии переменного тока из ИБП, причем ИБП включает вход переменного тока; первый преобразователь электроэнергии, соединенный с входом переменного тока; второй преобразователь электроэнергии, соединенный с входом переменного тока; источник электроэнергии постоянного тока и шину постоянного тока. Согласно некоторым вариантам осуществления способ содержит следующие действия: подачу электроэнергии с входа переменного тока на вход первого преобразователя электроэнергии и подачу электроэнергии в шину постоянного тока с выхода первого преобразователя электроэнергии в первом рабочем состоянии ИБП; подачу электроэнергии с входа переменного тока на вход второго преобразователя электроэнергии и подачу электроэнергии в шину постоянного тока с выхода второго преобразователя электроэнергии в каждом из первого рабочего состояния ИБП и второго рабочего состояния ИБП; подачу электроэнергии из источника электроэнергии постоянного тока на вход первого преобразователя электроэнергии и подачу электроэнергии в шину постоянного тока с выхода первого преобразователя электроэнергии во втором рабочем состоянии ИБП; и преобразование электроэнергии, подаваемой с шины постоянного тока, в выходную электроэнергию переменного тока, подаваемую на выход переменного тока ИБП, в каждом из первого рабочего состояния и второго рабочего состояния.

Различные аспекты изобретения могут предоставлять одну или более из следующих возможностей. Надежная трехфазная электроэнергия может подаваться на нагрузку. Физический размер трехфазного ИБП может быть уменьшен по сравнению с уровнем техники. КПД может быть увеличен по сравнению с уровнем техники. Бестрансформаторная схема может быть использована для преобразования электроэнергии переменного тока в электроэнергию постоянного тока, электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока и электроэнергии постоянного тока с первого напряжения на второе напряжение. Потери на переключение биполярного транзистора с изолированным затвором могут быть уменьшены по сравнению с уровнем техники. Могут использоваться компоненты, имеющие более низкое максимально допустимое напряжение по сравнению с уровнем техники. Тепловые потери могут быть уменьшены по сравнению с уровнем техники. Необходимость в навесных конденсаторах и/или ограничительных диодах может быть уменьшена по сравнению с уровнем техники. Напряжение батареи, используемой с ИБП, может быть уменьшено по сравнению с уровнем техники. Несбалансированная работа, вызванная несоответствием напряжения, подаваемого на вход трехфазного ИБП, и электроэнергией (напряжением), потребляемой с выхода трехфазного ИБП, может быть компенсирована без использования трансформатора.

Эти и другие возможности изобретения, а также само изобретение будут более полно уяснены после изучения приведенных ниже фигур, подробного описания и формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи выполнены без соблюдения масштаба. На фигурах чертежей один и тот же компонент либо родственные компоненты обозначены одной и той же позицией. Для того чтобы не затемнять чертеж, на нем не все компоненты могут быть обозначены позициями.

Фигура 1 - схема трехфазного ИБП,

фигура 2 - схема преобразователя переменного тока в постоянный ток,

фигура 3 - график, показывающий пример сигнала электроэнергии, подаваемого в преобразователь переменного тока в постоянный ток из фигуры 2,

фигуры 4А-4С - графики, показывающие состояния переключателей в преобразователе переменного тока в постоянный ток из фигуры 2,

фигура 5 - схема управляющей схемы на основе широтно-импульсной модуляции,

фигура 6 - пример управляющих сигналов для использования с управляющей схемой на основе широтно-импульсной модуляции из фигуры 5,

фигура 7 - схема преобразователя постоянного тока в переменный ток,

фигура 8 - график, показывающий пример сигналов электроэнергии переменного тока и постоянного тока,

фигуры 9А-9С - графики, показывающие состояния переключателей в преобразователе постоянного тока в переменный ток из фигуры 8,

фигура 10 - схема преобразователя переменного тока в переменный ток,

фигура 11 - схема преобразователя постоянного тока в постоянный ток,

фигура 12 - схема балансировщика шин постоянного тока,

фигура 13 - график, представляющий примеры сигналов для управления переключателями, включенными в балансировщик шин постоянного тока из фигуры 12,

фигура 14 - блок-схема процесса для подачи электроэнергии из трехфазного ИБП, показанного на фигуре 1,

фигура 15 - схема ИБП согласно другому варианту осуществления, и

фигура 16 иллюстрирует графики эталонных сигналов для разделения нагрузки для варианта осуществления ИБП, изображенного на фигуре 15.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение не ограничено его применением, подробностями конструкции и размещением компонентов, которые раскрыты в нижеследующем описании или изображены на чертежах. Изобретение имеет и другие варианты осуществления и может быть воплощено или осуществлено различными способами. Кроме того, формулировки и терминология, используемые в настоящем документе, имеют описательное назначение и не должны истолковываться как ограничивающие. Выражения «включающий», «содержащий» или «имеющий», «включающий в себя» и их варианты означают наличие перечисленных далее составляющих, а также возможность наличия дополнительных составляющих.

Варианты осуществления изобретения включают способы для подачи бесперебойного трехфазного электропитания на нагрузку. Например, бестрансформаторный трехфазный источник бесперебойного питания включает преобразователи переменного тока в постоянный ток (например, модули коррекции коэффициента мощности), преобразователи постоянного тока в переменный ток (например, инверторы), модуль преобразования постоянного тока в постоянный ток, несколько шин постоянного тока и балансировщик шин постоянного тока. Преобразователи переменного тока в постоянный ток принимают трехфазную электроэнергию переменного тока (например, 3×400 В или 3×480 В) от трехфазного источника электроэнергии и преобразуют трехфазную электроэнергию в электроэнергию постоянного тока (например, с несколькими уровнями напряжения). Каждый из преобразователей переменного тока в постоянный ток принимает одну фазу трехфазного электрического соединения. При нормальной работе (например, когда подходящая трехфазная электроэнергия принимается от трехфазного источника электроэнергии) электроэнергия постоянного тока, присутствующая в шинах постоянного тока, поступает в преобразователи постоянного тока в переменный ток. Кроме того, во время нормальной работы преобразователь постоянного тока в постоянный ток преобразует электроэнергию постоянного тока, присутствующую в шинах постоянного тока, в напряжение, используемое для зарядки батареи. В другое время (например, когда трехфазная электроэнергия является неудовлетворительной или недоступной) электроэнергия постоянного тока подается в преобразователи постоянного тока в переменный ток из батареи. Преобразователи постоянного тока в переменный ток преобразуют электроэнергию постоянного тока в трехфазную электроэнергию переменного тока (например, каждый из преобразователей постоянного тока в переменный ток обеспечивает одну фазу трехфазного сигнала). Напряжения, принимаемые преобразователями переменного тока в постоянный ток, и напряжения, обеспечиваемые преобразователями постоянного тока в переменный ток, могут быть одинаковыми или разными. Во время нормальной работы или в других случаях балансировщик шин постоянного тока балансирует напряжения, присутствующие в шинах постоянного тока, путем перемещения энергии между шинами постоянного тока. В объем изобретения входят и другие варианты осуществления.

Рассмотрим фигуру 1. ИБП 5 включает модули 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток, модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток, батарею 50 и шины 60, 61, 62, 63 и 64. Модуль 10 преобразования переменного тока в переменный ток включает преобразователь 11 переменного тока в постоянный ток, соединенный с преобразователем 12 постоянного тока в переменный ток посредством шин 60, 61, 62, 63 и 64. Модуль 20 преобразования переменного тока в переменный ток включает преобразователь 21 переменного тока в постоянный ток, соединенный с преобразователем 22 постоянного тока в переменный ток посредством шин 60, 61, 62, 63 и 64. Модуль 30 преобразования переменного тока в переменный ток включает преобразователь 31 переменного тока в постоянный ток, соединенный с преобразователем 32 постоянного тока в переменный ток посредством шин 60, 61, 62, 63 и 64. Модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток включает преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток и балансировщик 42 шин постоянного тока. Преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток соединен с балансировщиком 42 шин постоянного тока посредством шин 60, 61, 62, 63 и 64. Модули 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток и модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток соединены друг с другом посредством шин 60, 61, 62, 63 и 64. ИБП 5 сконфигурирован для подачи электроэнергии на нагрузку (не показана) от источника трехфазной электроэнергии, соединенного с ИБП 5, и/или из батареи 50, которая накапливает энергию.

Каждый из модулей 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток сконфигурирован для приема электроэнергии, имеющей первое напряжение переменного тока, из одной фазы (например, Х-, Y- или 2-фазы) трехфазного источника электроэнергии и для подачи электроэнергии, имеющей второе напряжения переменного тока, через выход. Преобразователь 11 переменного тока в постоянный ток включает входы 13 и 14; преобразователь 21 переменного тока в постоянный ток включает входы 23 и 24; преобразователь 31 переменного тока в постоянный ток включает входы 33 и 34. Преобразователь 12 постоянного тока в переменный ток включает выходы 15 и 16; преобразователь 22 постоянного тока в переменный ток включает выходы 25 и 26; преобразователь 32 постоянного тока в переменный ток включает выходы 35 и 36. Каждый из модулей 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток сконфигурирован для соединения с одной фазой трехфазного источника электроэнергии и с нейтралью. Например, вход 13 преобразователя 11 переменного тока в постоянный ток может быть соединен с Х-фазой, вход 23 преобразователя 21 переменного тока в постоянный ток может быть соединен с Y-фазой, а вход 33 преобразователя 31 переменного тока в постоянный ток может быть соединен с Z-фазой. Входы 14, 24 и 34 сконфигурированы для соединения с нейтралью трехфазного источника электроэнергии (или с заземлением). Каждый из модулей 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток сконфигурирован для подачи выходного сигнала, включающего одну фазу трехфазного выходного сигнала, хотя возможны другие конфигурации. Например, выход 15 может быть сконфигурирован для подачи выходного сигнала Х-фазы, выход 25 может быть сконфигурирован для подачи выходного сигнала Y-фазы, а выход 35 может быть сконфигурирован для подачи выходного сигнала Z-фазы. Каждый из выходов 16, 26 и 36 сконфигурирован для соединения с нейтралью нагрузки. Каждый из модулей 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток сконфигурирован для распределения электроэнергии посредством шин 60, 61, 62, 63 и 64.

Модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток может принимать электроэнергию от модулей 10, 20 и/или 30 преобразования переменного тока в переменный ток (в состоянии зарядки) и подавать электроэнергию в модули 10, 20 и/или 30 преобразования переменного тока в переменный ток (в состоянии разрядки). Преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован для соединения с батарей 50 посредством соединений 43, 44 и 45. Соединение 44, однако, является необязательным. Батарея 50, предпочтительно, представляет собой свинцово-кислотную батарею, хотя могут использоваться и другие типы батарей. Модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован для подачи электроэнергии постоянного тока в батарею 50 (и тем самым зарядки батареи 50), когда желаемая трехфазная электроэнергия присутствует на входах 13, 23 и 33 (состояние зарядки). Аналогичным образом, модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован для подачи одного или более напряжения постоянного тока, используя энергию из батареи 50, на модули 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток при отсутствии желаемой трехфазной электроэнергии на входах 13, 23 и 33 (состояние разрядки). Состояние, в котором модуль 40 преобразования постоянного тока в постоянный ток работает, может контролироваться контроллером (не показан), который сконфигурирован для мониторинга, например, трехфазного входного сигнала переменного тока. Преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован для (в состоянии зарядки) приема набора напряжений постоянного тока от модулей 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток и для преобразования набора напряжений постоянного тока в напряжение зарядки батареи, требуемое батареей 50. Преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток, кроме того, сконфигурирован для (во время состояния разрядки) приема электроэнергии постоянного тока из батареи 50 при напряжении зарядки батареи и ее преобразования в набор напряжений постоянного тока. Преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток сконфигурирован для подачи набора напряжений постоянного тока на модули 10, 20 и 30 преобразования переменного тока в переменный ток во время состояния разрядки. Преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток соединен с балансировщиком 42 шин постоянного тока посредством шин 60, 61, 62, 63 и 64. Балансировщик 42 шин постоянного тока сконфигурирован для балансировки напряжений, присутствующих на шинах 60, 61, 62, 63 и 64, как более подробно будет описано ниже.

ИБП 5 сконфигурирован для определения того, подходящая ли входная электроэнергия присутствует на входах модулей 10, 20 и/или 30 преобразования переменного тока в переменный ток. ИБП 5 может определять присутствие подходящей электроэнергии на входах модулей преобразования переменного тока в переменный ток, используя один или более способ и/или одну или более схему. Например, ИБП 5 может включать схему, сконфигурированную для определения того, находится ли напряжение переменного тока на входах 13, 23 и/или 33 (если таковое имеется) на требуемом уровне. ИБП 5 может также включать схему, сконфигурированную для мониторинга того, в каком состоянии работает преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток (например, состоянии зарядки или разрядки), и того, присутствует ли напряжение постоянного тока на шинах 60, 61, 63 и/или 64. Например, если преобразователь 41 постоянного тока в постоянный ток работает в состоянии зарядки и соответствующее напряжение постоянного тока на шинах 60, 61, 63 и/или 64 падает ниже соответствующего желаемого уровня, схема может выдавать сигнал, показывающий, что напряжение переменного тока, подаваемое на преобразователи 11, 21 и 31, упало ниже желаемого уровня. Другие способы и/или схемы могут быть использованы для детекции того, находится ли напряжение переменного тока ниже желаемого уровня. ИБП 5, кроме того, сконфигурирован для отделения самого себя от трехфазного источника питания (например, путем перевода переключателей (как описано ниже) в выключенные положения).

Контроллеры на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) сконфигурированы для управления работой по меньшей мере некоторых компонентов в ИБП 5. Например, отдельные контроллеры на основе ШИМ могут использоваться для преобразователей 11, 21 и 31 переменного тока в постоянный ток, преобразователей 12, 22 и 32 постоянного тока в переменный ток, преобразователя 41 постоянного тока в постоянный ток и балансировщика 42 шин постоянного тока, хотя возможны и другие конфигурации. Например, могут использоваться отдельные контроллеры на основе ШИМ, имеющие одинаковую физическую конфигурацию, но использующие разные управляющие сигналы, или, альтернативно, могут использоваться контроллеры на основе ШИМ, имеющие разные физические конфигурации. Контроллер на основе ШИМ может быть сконфигурирован для управления переключением части переключателей в зависимости от частоты и фазы входного сигнала переменного тока (например, используя контур обратной связи) или может быть настроен в соответствии с желаемым выходным сигналом (например, для подачи электроэнергии желаемой частоты и фазы на нагрузку, соединенную с преобразователями 12, 22 и 32 постоянного тока в переменный ток).

Рассмотрим фигуру 2. Преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток (например, пример осуществления преобразователей 11, 21 и 31 переменного тока в постоянный ток) включает диоды 205, 215, 225, 235, 245 и 255, переключатели 210, 220, 230, 240, 250 и 260, конденсатор 280 и индуктор 285. Переключатели 210, 220, 230, 240, 250 и 260 представляют собой биполярные транзисторы с изолированным затвором, хотя могут использоваться и другие переключатели. Предпочтительно, переключатели 210, 220, 250 и 260 имеют максимально допустимое напряжение 600 В, а переключатели 230 и 240 имеют максимально допустимое напряжение 1200 В, хотя возможны и другие максимально допустимые напряжения. Вход 202 сконфигурирован для соединения, например, с одной фазой трехфазного источника электроэнергии (например, Х-фазой). Между входом 202 и заземлением установлен конденсатор 280. С областью 287 индуктора 285 соединен анод 227 диода 225, эмиттер 232 переключателя 230, катод 236 диода 235 и коллектор 241 переключателя 240. Катод 226 диода 225 соединен с коллектором 231 переключателя 230. Анод 237 диода 235 соединен с эмиттером 242 переключателя 240. Катод 226, коллектор 231, анод 207 диода 205, эмиттер 212 переключателя 210, катод 216 диода 215 и коллектор 221 переключателя 220 соединены друг с другом. Анод 237, эмиттер 242, анод 247 диода 245, эмиттер 252 переключателя 250, катод 256 диода 255 и коллектор 261 переключателя 260 соединены друг с другом. Катод 206 диода 205 и коллектор 211 переключателя 210 соединены с выходом 265. Анод 217 диода 215 и эмиттер 222 переключателя 220 соединены с выходом 266. Катод 246 диода 245 и коллектор 251 переключателя 250 соединены с выходом 267. Анод 257 диода 255 и эмиттер 262 переключателя 260 соединены с выходом 268. Каждый из затворов 213, 223, 233, 243, 253 и 263 переключателей 210, 220, 230, 240, 250 и 260, соответственно, соединен с контроллером 275, как будет описано более подробно ниже. Выходы 265, 266, 267 и 268 сконфигурированы для соединения с шинами 64, 63, 61 и 60, соответственно. Индуктор 285, предпочтительно, имеет индуктивность 100 мкГн, хотя могут быть использованы и другие индуктивности (например, в зависимости от максимально допустимой мощности ИБП 5). Конденсатор, предпочтительно, имеет емкость 200 мкФ, хотя могут быть использованы и другие емкости (например, в зависимости от максимально допустимой мощности ИБП 5).

Преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток сконфигурирован для приема электроэнергии переменного тока от, например, одной фазы трехфазного источника электроэнергии и для подачи многоуровневого выходного сигнала постоянного тока через выходы 265, 266, 267 и 268. Например, когда преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток работает, а вход 202 соединен с источником электроэнергии переменного тока напряжением 480 В, преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток может производить напряжение (относительно нейтрали источника электроэнергии) постоянного тока приблизительно +450 В между выходом 265 и нейтралью, напряжение постоянного тока приблизительно +150 В между выходом 266 и нейтралью, напряжение постоянного тока приблизительно -150 В между выходом 267 и нейтралью и напряжение постоянного тока приблизительно -450 В между выходом 268 и нейтралью. Иными словами, преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток сконфигурирован для индуцирования напряжения постоянного тока приблизительно в 300 В между выходами 265 и 266 (V1), выходами 266 и 267 (V2) и выходами 267 и 268 (V3).

Предпочтительно, напряжение, индуцируемое на выходах 265 и 268, является функцией входного напряжения. Напряжение, индуцируемое на выходах 265 и 268, предпочтительно, равно или больше, чем напряжение на конденсаторе 280, умноженное на 2 . Напряжение на конденсаторе 280 (т.е. напряжение между фазой и нейтралью), предпочтительно, по существу равно следующему:

( Н а п р я ж е н и е _ н а _ в х о д е _ 202 ) 3 = ( Н а п р я ж е н и е _ м е ж д у _ ф а з о й _ и _ н е й т р а л ь ю )   ( 1 )

(если имеется соединение с нейтралью), а мгновенное пиковое напряжение на конденсаторе 280 изменяется между ±((напряжение между фазой и нейтралью)( 2 )). Предпочтительно, преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток сконфигурирован таким образом, что напряжение, обеспечиваемое на выходе 265, больше, чем положительное пиковое мгновенное напряжение на конденсаторе 280, а напряжение, обеспечиваемое на выходе 268, меньше, чем отрицательное пиковое мгновенное напряжение на конденсаторе 280. Например, если на входе 202 напряжение составляет 480 В, то среднеквадратичное напряжение между фазой и нейралью составляет приблизительно 277 В, а мгновенное пиковое напряжение на конденсаторе 280 составляет приблизительно 392 В. Таким образом, в этом примере преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток сконфигурирован так, что выход 265 выдает напряжение приблизительно 392 В или больше (например, 450 В), а выход 268 выдает напряжение приблизительно -392 В или меньше (например, -450 В). Увеличение разности между абсолютной величиной напряжений на выходах 265 и 268 и абсолютной величиной мгновенных пиковых напряжений на конденсаторе 280 может увеличивать эксплуатационный допуск ИБП 5.

Сочетание конденсатора 280, индуктора 285 и переключателей 210, 220, 230, 240, 250 и 260 сконфигурировано для действия в качестве вольтодобавочного преобразователя и для преобразования сигнала переменного тока, подаваемого на вход 202, в четырехуровневый квазипрямоугольный сигнал (например, такой, что показан в качестве сигнала 305 на фигуре 8) в области 287 индуктора 285. Напряжение в области 287 может варьироваться в зависимости от состояния переключателей 210, 220, 230, 250, 260 (как описано более подробно ниже). Например, когда мгновенная величина напряжения переменного тока, присутствующая на входе 202, находится между первым уровнем напряжения, равным напряжению постоянного тока на выходе 265 (например, 450 В, как определено конфигурацией преобразователя 200 переменного тока в постоянный ток), и вторым уровнем напряжения, равным напряжению постоянного тока на выходе 266 (например, 150 В), прямоугольный сигнал в области 287 индуктора 285 переключается между этими величинами (в данном случае 450 В и 150 В); когда мгновенная величина напряжения переменного тока, присутствующего на входе 202, находится между вторым уровнем напряжения, равным напряжению постоянного тока на выходе 266, и третьим уровнем напряжения, равным напряжению постоянного тока на выходе 267 (например, -150 В), прямоугольный сигнал в области 287 индуктора 285 переключается между этими величинами (например, 150 В и -150 В); и когда мгновенная величина напряжения переменного тока, присутствующего на входе 202, находится между третьим уровнем напряжения, равным напряжению постоянного тока на выходе 267, и четвертым уровнем напряжения, равным напряжению постоянного тока на выходе 268 (например, -450 В), прямоугольный сигнал в области 287 индуктора 285 переключается между этими величинами (например, -150 В и -450 В). Кроме того, сочетание конденсатора 280 и индуктора 285 сконфигурировано для действия в качестве фильтра, пропускающего нижние частоты.

Преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток сконфигурирован для индуцирования напряжений на выходах 265, 266, 267 и 268 путем переключения переключателей 210, 220, 230, 240, 250 и 260. Переключатели сконфигурированы для их приведения в действие контроллером 275 на основе ШИМ. Контроллер 275 на основе ШИМ сконфигурирован для управления переключателями 210, 220, 230, 240, 250 и 260 в зависимости от того, в каком из трех состояний работает преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток.

Рассмотрим фигуру 3. Преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток сконфигурирован для работы в трех состояниях. Первое состояние соответствует тому, когда входное напряжение, принимаемое входом 202, больше 1/3 напряжения, обеспечиваемого выходом 265 (например, если пиковое входное напряжение переменного тока составляет ±450 В, то первое состояние соответствует тому, когда входное напряжение больше 150 В). Второе состояние соответствует тому, когда входное напряжение, принимаемое входом 202, находится между 1/3 напряжения, обеспечиваемого выходом 265, и 1/3 напряжения, обеспечиваемого выходом 268 (например, 150 В и -150 В). Третье состояние соответствует тому, когда входное напряжение, принимаемое входом 202, меньше 1/3 напряжения, обеспечиваемого выходом 268 (например, меньше -150 В).

Рассмотрим фигуру 4. Контроллер 275 на основе ШИМ сконфигурирован таким образом, что во время первого состояния переключатели 230 и 250 находятся в их включенных (проводящих) состояниях, переключатели 240 и 260 находятся в их выключенных (непроводящих) состояниях, а переключатели 210 и 220 переключаются между выключенным и включенным состояниями (фигура 4А). Контроллер 275 на основе ШИМ сконфигурирован таким образом, что во время второго состояния переключатели 220 и 250 включены, переключатели 210 и 260 выключены, а переключатели 230 и 240 переключаются (фигура 4В). Контроллер 275 на основе ШИМ сконфигурирован таким образом, что во время третьего состояния переключатели 220 и 240 включены, переключатели 210 и 230 выключены, а переключатели 250 и 260 переключаются (фигура 4С).

Рассмотрим фигуры 5-6. Контроллер 275 на основе ШИМ сконфигурирован для управления переключателями 210, 220, 230, 240, 250 и 260 с использованием управляющих сигналов. Контроллер 275 на основе ШИМ включает компараторы 505, 515 и 525 и логические элементы 510, 520 и 530 НЕ. Контроллер 275 на основе ШИМ сконфигурирован для того, чтобы вынуждать преобразователь 200 переменного тока в постоянный ток работать в состояниях, описанных в настоящем документе, для преобразования входного сигнала переменного тока в сигналы постоянного тока, описанные в настоящем документе. Положительный вход 506 компаратора 505 соединен с источником синусоидального модулирующего сигнала (для приема сигнала 605), а отрицательный вход 507 компаратора 505 соединен с источником первого сигнала 610 ШИМ несущей частоты. Положительный вход 516 компаратора 515 соединен с источником синусоидального модулирующего сигнала, а отрицательный вход 517 компаратора 515 соединен с источником второго сигнала 615 ШИМ несущей частоты. Положительный вход 526 компаратора 525 соединен с источником синусоидального модулирующего сигнала, а отрицательный вход 527 компаратора 525 соединен с источником третьего сигнала 620 ШИМ несущей частоты. Выход 508 компаратора 505 соединен с переключателем 210 и соединен с переключателем 220 через логический элемент 510 НЕ. Выход 518 компаратора 515 соединен с переключателем 230 и соединен с переключателем 240 через логический элемент 520 НЕ. Выход 528 компаратора 525 соединен с переключателем 250 и соединен с переключателем 260 через логический элемент 530 НЕ.

Управляющие сигналы, используемые контроллером 275 на основе ШИМ, выбираются таким образом, чтобы обеспечить желаемый порядок переключения переключателей 210, 220, 230, 240, 250 и 260. Сигналы 605, 610, 615 и 620, предпочтительно, представляют собой сигналы низкого напряжения, генерируемые, например, генератором сигналов. Синусоидальный сигнал 605 представляет собой синусоидальный сигнал, имеющий частоту и фазу, приблизительно равные частоте и фазе электроэнергии, подаваемой на вход 202. Синусоидальный сигнал 605 имеет пиковую амплитуду, приблизительно равную пороговой величине 625, которая может иметь разные значения, например, 1В. Первый, второй и третий сигналы 610, 615 и 620 ШИМ несущей частоты представляют собой сигналы с треугольной формой волны, имеющие частоту, по существу равную желаемой частоте переключения ШИМ преобразователя 200 переменного тока в постоянный ток, хотя возможны и другие частоты. Частота переключения ШИМ преобразователя 200 переменного тока в постоянный ток, предпочтительно, выбирается таким образом, чтобы обеспечить наиболее выгодное сочетание потерь на переключение биполярного транзистора с изолированным затвором и физического размера и стоимости входных и выходных индукторов и конденсаторов (например, конденсатора 280 и индуктора 285). Максимальная величина первого сигнала 610 ШИМ несущей частоты приблизительно равна пороговой величине 625, а минимальная величина первого сигнала 610 ШИМ несущей частоты приблизительно равна 1/3 пороговой величины 625. Максимальная величина второго сигнала 615 ШИМ несущей частоты приблизительно равна 1/3 пороговой величины 625, а минимальная величина второго сигнала 615 ШИМ несущей частоты приблизительно равна -1/3 пороговой величины 625. Максимальная величина третьего сигнала 620 ШИМ несущей частоты приблизительно равна -1/3 пороговой величины 625, а минимальная величина третьего сигнала 620 ШИМ несущей частоты приблизительно равна пороговой величине 625, умноженной на -1.

Контроллер 275 на основе ШИМ сконфигурирован для переключения переключателей 210, 220, 230, 240, 250 и 260 с использованием синусоидального модулирующего сигнала 605 и сигналов 610, 615 и 620 ШИМ несущей частоты. Поскольку синусоидальный модулирующий сигнал 605 варьируется, компаратор 505 выдает либо логическую единицу, либо логический ноль, в зависимости от того, на каком из в