СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ Российский патент 2003 года по МПК H02J9/04 H02H5/10 H02H7/06 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для бесперебойного электропитания станков с ЧПУ, микропроцессорной техники, других технологических устройств, не допускающих перерыва в электроснабжении.

Известны системы с АВР (автоматического ввода резерва) (1), которые обеспечивают переключение нагрузки с одного независимого источника питания на другой, осуществляя тем самым электропитание потребителей категории I по ПУЭ (правилам устройства электроустановок).

Недостаток АВР в том, что на время переключения коммутационными аппаратами (выключателями, контакторами и т.п.) рабочего и резервного источника питания электроснабжение потребителей прерывается. Известны статические агрегаты бесперебойного питания (АГП) (2), основанные на преобразовании постоянного тока от выпрямителя или аккумуляторной батареи в трехфазный переменный ток. Основным узлом такого агрегата является инвертор тока - сложный и дорогостоящий узел, выполненный на силовой полупроводниковой технике, что является недостатком такой системы. Недостатком является также необходимость в аккумуляторной батарее. Наиболее близким к предлагаемому, принятому нами за прототип, является устройство - трехфазная электрическая машина (3), имеющая параллельные ветви обмотки статора и общий ротор, содержащая нагрузку, два независимых трехфазных источника питания с одинаковыми напряжениями, частотой тока и чередованием фаз. Если соединить вал такой машины с генератором, питающим ответственную нагрузку, а обмотки статора подключить каждую к своему независимому источнику питания, можно реализовать систему бесперебойного электропитания, где указанная трехфазная машина является двигателем с двойным питанием. Однако при отключении одной из линий питания двигателя нагрузка должна быть уменьшена на 50%, так как каждая обмотка рассчитана и выполнена на 1/2 мощности машины, что является недостатком такой системы.

Целью изобретения является упрощение и удешевление системы электропитания, а также повышения ее надежности.

Указанная цель достигается тем, что в системе бесперебойного электропитания потребителей, содержащей нагрузку, два независимых источника питания с одинаковыми частотой тока и чередованием фаз, две асинхронные машины, две конденсаторные установки, отличающаяся тем, что роторы асинхронных машин сочленены механически на одном валу, обмотки статора асинхронных машин, конденсаторные установки и по половине нагрузки подключены каждая к своему независимому источнику питания, устройства контроля напряжения источников питания входным выводом подключены каждое к фазе соответствующего источника питания, другим - к нулевому проводу этого источника питания, контакты устройств контроля напряжения каждой фазы каждого источника питания, включенные последовательно между собой и катушкой коммутирующего аппарата соответствующего источника питания, подключены между любой из фаз и нулевым проводом этого источника питания, причем контакты соответствующего коммутирующего аппарата включены последовательно в каждую фазу соответствующего источника питания.

На чертеже изображена структурно-принципиальная схема предлагаемой системы. Система содержит независимые источники питания 1 и 2, нагрузки 3 и 4, асинхронные машины 5 и 6 с короткозамкнутыми роторами 7 и 8, конденсаторные установки 9 и 10, контакты коммутирующих аппаратов (контакторов) 11 и 12 с их катушками 13 и 14, устройства контроля напряжения сети 15, 16, 17, 18, 19, 20 с их контактами соответственно: 21, 22, 23, 24, 25, 26. Роторы асинхронной машины 7 и 8 сочленены между собой механически, т.е. образуют общий вал.

Конденсаторные установки 9, 10 представляют собой соединение конденсаторов "звездой" или "треугольником" (что предпочтительней с точки зрения величины накопительной энергии), подключенное к каждой из фаз источника (линии) питания 1 и 2. Контакты коммутирующих аппаратов (контакторов) 11 и 12 включены последовательно (в разрыв) каждой из фаз источника (линии) питания 1 и 2. Катушки коммутирующих аппаратов 13 и 14 включены последовательно с контактами устройств контроля напряжения источников питания 21, 22, 23 и 24, 25, 26, причем узел 13 включен в цепь контактов 21, 22, 23 и 14 - в цепь контактов 24, 25, 26. Каждая из указанных выше двух цепей подключена к одному из фазных проводов и нулевому проводу, а сами устройства контроля напряжения источников питания 15, 16, 17, 18, 19, 20 подключены соответственно к фазному напряжению (т.е. к каждой из фаз и нулевому проводу) в зависимости от количества фаз источника питания 1 и 2.

Устройства контроля напряжения источников питания осуществляют контроль по нижнему уровню, при достижении которого источник питания отключается. Устанавливаются на каждую фазу для эффективного контроля и могут быть выполнены по любой схеме контроля напряжения, например, на электронно-механических (реле) или электронных устройствах.

Система, изображенная на чертеже, работает следующим образом. При подаче напряжения от источников питания 1 и 2 замыкаются контакты 21, 22, 23, 24, 25, 26, включаются контакты коммутирующих аппаратов (контакторов) 11 и 12 и тем самым напряжение подается на нагрузки 3 и 4, асинхронные машины 5 и 6, конденсаторные установки 9 и 10. Асинхронные машины 5 и 6 работают на холостом ходу, вращая общий вал. Конденсаторные установки 9 и 10 компенсируют реактивную мощность в сети, в том числе реактивную мощность асинхронных машин 5 и 6, т.е. повышают коэффициент мощности сети. Аварийная ситуация в сети источника питания 1 (например, его отключение, обрыв проводов, короткое замыкание и т.п.) приведет к снижению напряжения, что в свою очередь вызовет отключение контактов 21, 22, 23 или одного из них, обесточивание катушки 13 и отключение контактов коммутирующего аппарата (контактора) 11. В этом режиме асинхронная машина 6 продолжает работать двигателем, питаясь от источника питания 2 и вращая общий вал. Асинхронная машина 5 переходит в генераторный режим с конденсаторным возбуждением от конденсаторной установки 9 и питает нагрузку 3. Из (4) известен режим работы асинхронной машины генератором с конденсаторным возбуждением. Таким образом, нагрузка 3 питается бесперебойно от узла 5 в режиме асинхронного генератора, а нагрузка 4 продолжает питаться электроэнергией от источника питания 2. При аварии на источнике питания 2 все будет происходить аналогично, но с переходом узла 6 в генераторный режим.

Для стабилизации напряжения на нагрузке при его изменениях в питающей сети между нагрузкой и сетью может быть включен стабилизатор напряжения (не показан).

В качестве исполнительных органов могут быть использованы как электромеханические элементы (реле, контакторы), так и полупроводниковые (тиристоры, симисторы, оптопары и др.).

Вышеизложенная система обеспечивает простое и надежное бесперебойное электропитание ответственных потребителей и может быть реализована на любом предприятии, имеющем два источника питания.

Проведенные авторами эксперименты с асинхронными двигателями до 1 кВт, 380/220 В подтвердили работоспособность устройства и возможность его осуществления. Устройство может быть использовано как в сетях с заземленной, так и с изолированной нейтралью.

Таким образом, предложенное устройство обладает лучшими по сравнению с прототипом массогабаритными характеристиками и характеристиками по надежности. Приведенные данные и сведения подтверждают возможность реализации предлагаемого изобретения.

Источники информации
1. Электротехнический справочник под редакцией В.Г.Герасимова и др., т. 3, кн.1. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с.474-480, рис. 42.57, 42.58, 42.59.

2. Смирнов А.Д., Антипов К.М. Справочная книга энергетика. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.193,
3. Патент РФ 2130689, кл. 6 Н 02 Р 5/28, Н 02 К 17/12. Опубл. 1999. Бюл. 14.

4. Пиотровский Л.М. Электрические машины. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1956, с.442, фиг.39-5.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для бесперебойного электропитания ответственных потребителей: станков с ЧПУ, микропроцессорной техники, технологических устройств, не допускающих перерыва в электроснабжении. Техническим результатом является упрощение, удешевление и повышение надежности. Система бесперебойного электропитания содержит нагрузку, два независимых источника с одинаковыми частотой тока и чередованием фаз, две одинаковые асинхронные машины, две одинаковые конденсаторные установки, роторы асинхронных машин сочленены между собой механически на общем валу, обмотки статоров машин, конденсаторные установки и по половине нагрузки подключены каждая к своему источнику питания. Устройства контроля напряжения источника питания одним входным выводом подключены каждое к фазе соответствующего источника питания. Контакты указанных устройств каждого источника питания, включенные последовательно между собой и катушкой коммутирующего аппарата соответствующего источника питания, подключены между любой из фаз и нулевым проводом этого источника питания. Контакты соответствующего коммутирующего аппарата включены последовательно в каждую фазу источника питания. В режиме нормальной работы асинхронные машины работают как двигатели на холостом ходу, вращая общий вал. Конденсаторы компенсируют реактивную мощность в сети, повышая ее cos ϕ. Нагрузка, двигатель и конденсаторы питаются каждый от своей линии. При аварии на любой из линий снижается напряжение на ее входе и отключается контактор поврежденной линии. Асинхронная машина неповрежденной линии продолжает вращать общий вал. Машина отключенной линии переходит в генераторный режим, возбуждаясь от конденсаторной батареи и питая нагрузку отключившейся линии. Нагрузка второй линии продолжает питаться от нее. 1 ил.

Система бесперебойного электропитания потребителей, содержащая нагрузку, два независимых источника питания с одинаковыми частотой тока и чередованием фаз, две асинхронные машины, две конденсаторные установки, отличающаяся тем, что роторы асинхронных машин сочленены механически на одном валу, обмотки статора асинхронных машин, конденсаторные установки и по половине нагрузки подключены каждая к своему независимому источнику питания, устройства контроля напряжения источников питания входным выводом подключены каждое к фазе соответствующего источника питания, другим - к нулевому проводу этого источника питания, контакты устройств контроля напряжения каждой фазы каждого источника питания, включенные последовательно между собой и катушкой коммутирующего аппарата соответствующего источника питания, подключены между любой из фаз и нулевым проводом этого источника питания, причем контакты соответствующего коммутирующего аппарата включены последовательно в каждую фазу соответствующего источника питания.