СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ 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 АВР (автоматического ввода резерва) [1], которые обеспечивают переключение нагрузки с одного независимого источника питания на другой, осуществляя тем самым электропитание потребителей I категории 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. Кроме того, мощность потребителя ограничена мощностью асинхронной машины: линия может быть достаточно мощной, а асинхронная машина - нет.

Целью изобретения является упрощение и удешевление системы электропитания, а также повышение ее надежности и расширение функциональных возможностей.

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, 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 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, введен третий контактор, контакты которого подключены к одноименным фазам источников питания, катушка упомянутого контактора включена одним выводом к нулевому проводу одного из источников питания, другим - к параллельно-последовательному соединению дополнительных контактов коммутирующих аппаратов, причем замыкающий контакт первого коммутирующего аппарата включен последовательно с размыкающим контактом второго коммутирующего аппарата, параллельно цепи из упомянутых контактов включены последовательно соединенные замыкающий контакт второго коммутирующего аппарата и размыкающий контакт первого коммутирующего аппарата, последовательно с упомянутым параллельно-последовательным соединением упомянутых контактов включен одним выводом узел переключения, другой вывод которого подключен к одной из фаз одного из источников 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 источников питания 15, 16, 17, 18, 19, 20 с их контактами соответственно 21, 22, 23, 24, 25, 26. Роторы 7 и 8 асинхронных машин 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 питания 1 и 2. Контакты коммутирующих аппаратов (контакторов) 11 и 12 включены последовательно с каждой из фаз источника питания 1 и 2. Катушки 13 и 14 коммутирующих аппаратов 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 15, 16, 17, 18, 19, 20 источников питания подключены соответственно к фазному напряжению (т.е. к каждой из фаз и нулевому проводу) в зависимости от количества фаз источника питания 1 и 2.

Устройство контроля напряжения источника питания осуществляет 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.

Контакты 27 третьего контактора с обмоткой 28 включены между одноименными фазами двух источников питания 1 и 2, катушка 28 включена одним выводом к нулевому проводу, другим - к первой точке соединения двух параллельных ветвей, каждая из которых представляет собой последовательное соединение замыкающего контакта 29 первого контактора 13 и размыкающего 30 второго 14 и замыкающего контакта 31 второго контактора и размыкающего 32 первого; ко второй точке соединения параллельных ветвей подключен последовательно одним выводом узел переключения 33, второй вывод которого подключен к одной из фаз источника питания.

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 первого и второго 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.

В нормальном режиме работы, т.е. когда оба источника питают свои нагрузки, узел переключения (любой маломощный переключатель, работающий вручную, дистанционно или автоматически) включается, т.е. замыкается его контакт 33 (подобное включение возможно только после включения узлов 13, 14 и их контактов 11, 12), контакты 29, 31 замкнуты, 30, 32 разомкнуты. Третий контактор (его катушка) 28 отключен и его контакт 27 разомкнут. В этом случае каждая нагрузка питается от своего источника питания. Коэффициент полезного действия системы изменяется незначительно, так как активная мощность асинхронных машин 5 и 6 в режиме холостого хода, как правило, незначительна по сравнению с мощностью нагрузки.

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.

В автоматическом режиме, т.е. при замыкании контакта 33 (например, при отключении источника питания 1), замыкается контакт 32, катушка 28, включаясь, замыкает контакт 27, т.е. обе нагрузки питаются от источника питания 2 и асинхронная машина 5 переходит в режим двигателя. Так как питание нагрузки от асинхронной машины имело место только на период переходных процессов, мощность асинхронной машины может быть выбрана значительно меньше мощности нагрузки. При появлении напряжения на источнике питания 1 питание нагрузки восстанавливается от своего же источника питания (срабатывает узел 13, включаются контакты 11, отключается контакт 32, обесточивается катушка 28, отключаются контакты 27).

Для стабилизации напряжения на нагрузке при его изменениях в питающей сети между нагрузкой и сетью может быть включен стабилизатор напряжения (на чертеже 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 55 кВт, 380/220 В подтвердили работоспособность устройства и возможность его осуществления. В режиме переключения осциллограммы напряжений и токов не показали разрыва электрических параметров нагрузки. 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., том 3, книга 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 системы, повышение ее надежности и расширение функциональных возможностей. В систему бесперебойного электропитания потребителей переменного тока и напряжения введены третий контактор, контакт которого подключен к одноименным фазам двух линий питания, катушка упомянутого контактора включена одним выводом к нулевому проводу, другим - к параллельно-последовательному соединению дополнительных контактов коммутирующих аппаратов, причем замыкающий контакт первого коммутирующего аппарата включен последовательно с размыкающим контактом второго коммутирующего аппарата, параллельно цепи из упомянутых контактов включены последовательно соединенные замыкающий контакт второго коммутирующего аппарата и размыкающий контакт первого коммутирующего аппарата, последовательно с упомянутым параллельно-последовательным соединением включен одним выводом узел переключения, другой выход которого подключен к одной из фаз одного из источников 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. При этом третий контактор подключает нагрузку к исправной линии. Таким образом, осуществляется бесперебойное питание 100%-ной нагрузки. 1 ил.

Система бесперебойного электропитания потребителей переменного тока и напряжения, 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 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, введен третий контактор, контакты которого подключены к одноименным фазам источников питания, катушка упомянутого контактора включена одним выводом к нулевому проводу одного из источников питания, другим к параллельно-последовательному соединению дополнительных контактов коммутирующих аппаратов, причем замыкающий контакт первого коммутирующего аппарата включен последовательно с размыкающим контактом второго коммутирующего аппарата, параллельно цепи из упомянутых контактов включены последовательно соединенные замыкающий контакт второго коммутирующего аппарата и размыкающий контакт первого коммутирующего аппарата, последовательно с упомянутым параллельно-последовательным соединением упомянутых контактов включен одним выводом узел переключения, другой вывод которого подключен к одной из фаз одного из источников питания.