УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА НАКОПИТЕЛЬНОГО КОНДЕНСАТОРА Российский патент 2009 года по МПК H02J7/34 

Изобретение относится к системам аварийного электрического питания контрольно-измерительных приборов и автоматики, которые используются на атомных электростанциях, а именно к устройствам для заряда и разряда электрических батарей, и может быть применено в энергетических установках различного типа, при работе независимого источника питания постоянного тока, выполненного в виде "батарей" аккумуляторов энергии, изготовленных на базе молекулярных конденсаторов с использованием нанотехнологий.

Известна система для зарядки стартерных аккумуляторных батарей, содержащая трансформатор, выпрямитель для зарядки, инвертор и трансформатор для передачи электрической энергии на контрольно-измерительную аппаратуру и автоматику (см. авторское свидетельство СССР №805885 МПК Н01М 10/02 от 24.11.78 г.).

Аккумуляторы этой системы в процессе эксплуатации начинают терять свою емкость с понижением температуры окружающей среды. А именно новые стартерные аккумуляторные батареи при понижении температуры на каждый градус, начиная с температуры окружающей среды +15°С, теряют емкость приблизительно на 1%, что требует для содержания и нормальной работы аккумуляторов теплых помещений. Особенно после 1,5-2 лет работы у стартерных аккумуляторов ухудшаются энергетические характеристики, по причине разрыхления и осыпания активного вещества пластин. За жидкими реагентами батарей и за отводом водорода из помещений необходим постоянный контроль. Учитывая вышеуказанные недостатки жидкостных аккумуляторных батарей, в настоящее время начинают применяться накопительные электрические конденсаторы. С помощью описываемого зарядного устройства можно заряжать конденсаторные батареи, однако эффективность заряда будет понижена из-за попадания переменной составляющей на обкладки конденсатора, что может привести к его повреждению. Для заряда накопительных конденсаторов вышеуказанная зарядная система не надежна в работе.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее соединенный с электрической питающей сетью трехфазного тока управляемый выпрямитель, токовый ограничитель, имеющий клеммы для подсоединения к накопительному конденсатору и управляемый инвертор, выход которого подсоединен к электрической нагрузке (см. Патент RU №2279748 C1, H02J - 7/10, опубликовано 10.07.2006, Бюл. №19).

В связи с тем, что молекулярные конденсаторы являются импульсным оборудованием, которое может принимать и отдавать большие токи в единицу времени, близкие к току короткого замыкания, не исключена возможность повреждения управляемого выпрямителя и управляемого инвертора, что снижает, в свою очередь, надежность работы указанного устройства.

Задачей данного изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно: обеспечение надежности работы устройства, как на заряд накопительного конденсатора, так и на его разряд, путем предотвращения повреждений управляемого выпрямителя тока и управляемого инвертора.

Поставленная задача достигается тем, что известное устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее соединенный с электрической питающей сетью трехфазного тока управляемый выпрямитель, токовый ограничитель, имеющий клеммы для подсоединения к накопительному конденсатору, и управляемый инвертор, выход которого подсоединен к электрической нагрузке, согласно изобретению снабжено переключателем тока, на входе которого установлено частотно-фильтрующее звено, выход управляемого выпрямителя электрически соединен с частотно-фильтрующим звеном, а выход переключателя тока электрически соединен с входом управляемого инвертора, выход которого соединен с электрической нагрузкой посредством индуктора тока, причем токовый ограничитель электрически подключен к переключателю тока и представляет собой магазин регулируемых электрических конденсаторов.

Снабжение описываемого устройства переключателем тока с фильтрующим звеном обеспечивает переключение режимов: заряда батареи конденсаторов, разряда батареи конденсаторов и ждущего режима. Выполнение токового ограничителя в виде магазина регулируемых электрических конденсаторов обеспечивает согласованную с автоматикой предлагаемого устройства величину прохождения тока, приводя к повышению надежности и безопасности устройства, а использование на выходе инвертора индуктора тока позволяет стабилизировать ток и напряжение на нагрузке.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 показана схема устройства для заряда накопительного конденсатора;

на фиг.2 показан магазин регулируемых электрических конденсаторов.

Устройство для заряда накопительного конденсатора состоит из питающей сети 1 трехфазного переменного тока, соединенного с сетью 1 управляемого выпрямителя 2, выполненного на базе силовых тиристоров 3, выпускаемых Саранским заводом «Выпрямитель», которые выполнены из карбида кремния, позволяющего увеличить удельный ток на тиристорах 3 от 5 до 10 раз по сравнению с кремниевыми тиристорами. Выход управляемого выпрямителя 2 соединен электрически с частотно-фильтрующим звеном 4, предназначенным для отвода высокочастотной составляющей. Частотно-фильтрующее звено 4 состоит из электромагнитного дросселя 5 и постоянного электрического конденсатора 6, включенного параллельно выходным клеммам 7 управляемого выпрямителя 2. Клеммы 7, в свою очередь, соединены электрически с переключателем 8 тока, который необходим для обеспечения трех режимов работы: заряд накопительного конденсатора, представляющего собой батареи 9, разряд конденсаторной батареи 9 и ждущий режим. Выход 10 переключателя 8 электрически соединен с входом 11 управляемого инвертора 12 постоянного тока, который состоит из силовых диодов 13, необходимых для отвода переменной составляющей, диодов 14, необходимых для искусственной коммутации тиристоров 15, служащих для изменения выходной частоты тока. Диоды 14 включены последовательно с тиристорами 15, и между ними включена система 16 коммутации, имеющая катушки индуктивности 17 и постоянные конденсаторы 18, соединяющие соседние фазы. Схема соединения диодов 13 и 14, тиристоров 15, используя звено постоянного тока на входе в управляемый инвертор 12, позволяет как увеличивать напряжение, так и снижать напряжение выше или ниже номинала. Выход 19 управляемого инвертора 12 соединен посредством индуктора 20 тока, который необходим для стабилизации электрического тока, к нагрузке 21 у потребителя.

Для повышения надежной работы управляемого выпрямителя 2 и управляемого инвертора 12 используется токовый ограничитель 22. Токовый ограничитель 22 электрически подключен к переключателю 8 тока и накопительной конденсаторной батареи 9 и представляет собой магазин 23 регулируемых электрических конденсаторов 24, соединенных параллельно-последовательно по принципу контроллера.

Причем отношение емкостей конденсаторов 24 и накопительной конденсаторной батареи 9 соответствует 1:1.

Использование регулируемых электрических конденсаторов 24 в контроллере позволяет избежать энерговыделений и, соответственно, исключить систему охлаждения. Аналогично ограничителю 22 на входе в инвертор 12 установлен токовый ограничитель 25, также подключенный к накопительной конденсаторной батарее 9.

В отличие от кислотных (щелочных) аккумуляторных батарей электрические молекулярные конденсаторы с нанотехнологией обладают значительно лучшими характеристиками (так коэффициент полезного действия молекулярных конденсаторов при разряде и заряде не хуже 90-95%, что значительно выше, чем у кислотных и щелочных аккумуляторов) и большими удельными энергетическими характеристиками.

За счет свойств и толщины диэлектрика можно увеличить рабочее напряжение до номинальных значений сети и исключить трансформаторы, а энергия, накопленная конденсатором, определяется по формуле: W=1/2CU10+2, где W - энергия, накопленная конденсатором, МВт; С - емкость, Ф; U - напряжение, В. В дополнение, рабочий температурный режим молекулярных конденсаторов может быть расширен (на базе фторопласта 4) от -200°С до +250°С.

С помощью управляемого выпрямителя 2 можно регулировать напряжение как ниже, так и выше номинала. Управляемый инвертор 12 аналогично управляемому выпрямителю 2 позволяет при равных частотах регулировать напряжение и ток как выше номинала, так и ниже номинала. Это связано с тем, что заряд молекулярных конденсаторных батарей 9 и их разряд приводит к колебаниям напряжения, что недопустимо на нагрузке - контрольно-измерительных приборах и автоматическом управлении. Для стабилизации напряжения и тока на выходе из управляемого инвертора 12 устанавливается индуктор 20 тока в виде регулируемого индукционного дросселя с обмоткой подмагничивания. Величина тока подмагничивания регулируется на индукторе 20 системой управления, выполненной на базе: задатчика 26 режима и мощности, преобразователя-усилителя 27 сигнала и магнитного усилителя 28.

Переключатель 8 тока конструктивно выполнен на тиристорах 3, для малых мощностей может быть контактным, а для больших мощностей необходима бесконтактная система, чтобы избежать между контактами искровых разрядов с высокочастотными токами.

Устройство допускает автоматизацию (см. фиг.1) как ручного, так и полностью автоматического управления, используя для этого: задатчик 26 режима и мощности, преобразователь-усилитель 27 сигнала и магнитный усилитель 28, который подает усиленный сигнал на сервоприводы 29 и 30 регулирующих органов.

Устройство может работать в трех основных режимах, а именно: при зарядке молекулярного конденсатора; при выдаче тока молекулярным конденсатором в сеть трехфазного переменного тока потребителю и при режиме ожидания полностью заряженной батареи 9 молекулярных конденсаторов.

Первый режим - режим заряда молекулярной конденсаторной батареи 9 - происходит от сети 1 трехфазного переменного тока: необходимая энергия от сети 1 подается через выпрямитель 2, через переключатель 8 тока режимов, ограничитель 22 и через его клеммы 31 и 32 на заряд батареи 9 молекулярных конденсаторов. Зарядная часть, а именно управляемый выпрямитель 2, работает следующим образом: задатчиком 26 режима и мощности задается режим «заряд батареи» молекулярных конденсаторов. По сигналу подключается сеть 1, включается управляемый выпрямитель 2, переключатель 8 тока из нейтрального положения подключает ограничитель 22 тока. Ограничитель 22 ограничивает ток, проходящий через выпрямитель 2, и соответственно ограничивает ток, поступающий на батарею 9 молекулярных конденсаторов, чтобы не перегрузить сеть 1 и не сжечь управляемый выпрямитель 2 и переключатель 8. Управляемый выпрямитель 2 начинает работать после поступления сигнала от задатчика 26 режима и мощности, преобразователя-усилителя 27 и магнитного усилителя 28. После чего начинает работать система управления выпрямителем 2, а именно задается режим открытия и закрытия силовых тиристоров 3 в каждой фазе выпрямителя 2, изменяя напряжение и ток, в результате получаем выпрямленный ток, но с высокочастотной составляющей - пульсирующей. Для фильтрации высокочастотной составляющей предусмотрено частотно-фильтрующее звено 4, которое сглаживает и отводит высокочастотную составляющую на землю как от управляемого выпрямителя 2, так и при коммутации переключателя 8 и от управляемого инвертора 12, на переключателе 8 имеем в нормальном режиме звено постоянного тока без высокочастотной составляющей. Далее от задатчика 26 управляется ограничитель 22 тока, который регулирует ток заряда батареи 9 молекулярных конденсаторов в зависимости от степени заряда батареи 9, путем параллельно-последовательного подключения конденсаторов 24 в магазине 23 ограничителя 22, выполненного конструктивно в виде контроллера. Конденсаторы ограничителя 22, в данном случае, играют роль активных сопротивлений, но без энерговыделений, поэтому не требуется специальной системы охлаждения.

Накопление электрического заряда происходит в конденсаторе батареи 9 согласно алгоритму заряда, основным положением которого является то, что накапливаемую энергию тока проводят через ограничитель 22 плавно, ступенчато малыми порциями, посредством подключения и отключения магазинов 23 конденсаторов 24. В первый момент конденсаторы 24 в магазине 23 соединены последовательно, а по мере накопления заряда в конденсаторе батареи 9 конденсаторы 24 в магазине 23 включают индивидуально и параллельно, одновременно заряжая конденсатор батареи 9 и конденсаторы 24 ограничителя 22. Магазин 23 конденсаторов 24 конструктивно выполнен как контроллер, причем конденсаторы 24 дополняют своей емкостью накопительный конденсатор батареи 9.

Сам заряд батареи 9 молекулярных конденсаторов, в зависимости от допустимых параметров сети 1, управляемого выпрямителя 2 и переключателя 8 по времени может быть проведен быстро в течение нескольких секунд, но это потребует неоправданного завышения параметров сети 1, управляемого выпрямителя 2 и переключателя 8.

Второй режим - работа устройства на сеть трехфазного переменного тока. При исчезновении питания трехфазного переменного тока система аварийного электрического питания контрольно-измерительных приборов и автоматики переходит на питание от батарей 9 молекулярных конденсаторов постоянного тока автоматически или по команде с пульта, используя задатчик 26 режима и мощности, преобразователь-усилитель 27 сигнала и магнитный усилитель 28, который подает усиленный сигнал на сервоприводы регулирующих органов. При этом отключается внешняя сеть 1 трехфазного переменного тока, автоматически отключается управляемый выпрямитель 2, отключается ограничитель 22 тока и включается переключателем 8 токовый ограничитель 25, через клеммы 33 и 34 которого от батареи 9 молекулярных конденсаторов через переключатель 8 подается постоянный ток на управляемый инвертор 12.

Для обеспечения процесса разряда накопленной энергии в конденсаторе батареи 9 используются те же алгоритмы и такой же контроллер, как и при заряде конденсатора батареи 9, но с той лишь разницей, что выход переключателя 8 подключают к инвертору 12. Алгоритм электрического разряда конденсатора батареи 9 осуществляют следующим образом. При полном заряде конденсатора батареи 9 для ограничения мощности выдачи тока контроллер автоматически включает магазины 23 конденсаторов 24 последовательно. Это зависит от заданной и требуемой мощностей. По мере разряда конденсатора батареи 9 контроллер подключает магазины 23 конденсаторов 24 индивидуально и параллельно, передавая накопленную электрическую энергию в систему аварийного электрического питания контрольно-измерительных приборов и автоматики.

Использование во время включения небольшими ступенями емкости конденсаторов, объединенных контроллером, позволяет относительно плавно вводить необходимую мощность с высоким коэффициентом полезного действия - не хуже 90%. Для нормальной работы оборудования это безопасно и достаточно.

При поступлении управляющего сигнала на управляемый инвертор 12 и постоянного тока, подаваемого на вход инвертора 12 для получения заданной частоты, устройство работает следующим образом. Предположим, что трехфазная активно-реактивная нагрузка соединена в звезду, а тиристоры 15, собранные в мостовую схему, с помощью системы управления - задатчика 26 режима и мощности - откроются в требуемой последовательности на любой отрезок времени. На практике используются схемы инверторов, в которых продолжительность открытия каждого тиристора составляет половину или треть периода выходной частоты f peг, а сдвиг моментов открытия тиристоров 15 составляет шестую часть этого периода, в результате получаем переменный ток с заданной частотой, причем любая пара фаз, например В и С, оказываются включенными параллельно и к ним прикладывается напряжение 1/3 Е пост, а к фазе А напряжение 2/3 Е пост. Это справедливо для работы идеального инвертора на активную нагрузку, так как при преобразовании постоянного тока в переменный управляющий ток для закрытия тиристоров необходимо подавать от дополнительных элементов для устройства искусственной коммутации, а именно конденсаторов 18 и катушек индуктивности 17, соединенных электрически с соседними фазами, и диодами 14, вторым, усложняющим схему обстоятельством, является активно-реактивная нагрузка, требующая обеспечения возможности циркуляции реактивной мощности в электрической схеме инвертора, для которой используются силовые диоды 13, а на выход управляемого выпрямителя дополнительный конденсатор 6 и дроссель 5 индуктивности, и все это называется частотно-фильтрующее звено. Приведенная силовая схема на фиг.1 в части управляемого выпрямителя 2 и управляемого инвертора 12 весьма распространены на практике, но являются далеко не единственными, однако общие принципы их работы остаются теми же. На выходе 19 управляемого инвертора 12 использован индуктор 20 тока для стабилизации напряжения и тока у потребителя нагрузки 21 путем подачи тока подмагничивания на обмотки дросселя индуктора 20. Использование на выходе 19 управляемого инвертора 12 индуктора 20 необходимо по следующим причинам: повышенные требования к качеству электропитания, подаваемого на контрольно-измерительные приборы и автоматическое управление; ограниченный по энергии источник электропитания постоянного тока - батарея 9 молекулярных конденсаторов; замкнутая система электропитания с потребляемой мощностью 250-300 кВт.

Третий режим - ожидание включения в работу батарей 9 молекулярных конденсаторов.

Этот режим возможен при полностью заряженной батарее 9 молекулярных конденсаторов. При этом кроме оборудования автоматического управления: задатчика 26 режима и мощности, преобразователя-усилителя 27 сигнала и магнитного усилителя 28, все остальное оборудование: сеть 1, управляемый выпрямитель 2, переключатель 8, ограничитель 22, управляемый инвертор 12, индуктор 20 - отключены и находятся в горячем резерве - ждущем режиме. При обесточивании сети 1 срабатывает система автоматического управления: задатчик 26 режима и мощности, преобразователь-усилитель 27 сигнала и магнитный усилитель 28. Вводят в работу: батареи 9 молекулярных конденсаторов, ограничитель 25 тока, управляемый инвертор 12, индуктор 20 тока, и подается стабилизированное электрическое питание на нагрузку 21 у потребителя - контрольно-измерительные приборы и автоматическое управление энергетическим блоком.

В описываемом устройстве используются статические элементы с гарантией безаварийной работы, установленной заводами. Элементная база для тиристоров и диодов - не менее 15 тыс. часов непрерывной работы, в условиях работы данного устройства календарный срок составит не менее 45-50 лет. Батареи 9 молекулярных конденсаторов, при правильной эксплуатации, - 20-25 тыс. часов, в условиях работы данного зарядного устройства календарный срок составит не менее 45-50 лет.

Коэффициент полезного действия устройства не хуже 90% при работе на заряд и разряд батареи 9 молекулярных конденсаторов. Это значительно выше, чем при электромеханическом преобразовании, при котором кпд составляет не более 50-60%. При использовании аккумуляторных батарей, кислотных или щелочных, коэффициент полезного действия не более 5-10%, причем требуется постоянное обслуживание и контроль, плохо автоматизируется.

Ввиду отсутствия жидкого электролита рабочая температура устройства и окружающей среды могут совпадать и находиться в пределах от -100°С до +200°С. Величины предельных температур зависят от использования компаунда в диодах, тиристорах и молекулярных конденсаторах, так, например, использование фторопласта 4 позволяет расширить диапазон температур от -200°С до +250°С. Не требуется для эксплуатации оборудование аккумуляторных помещений с обогревателями.

Технико-экономический эффект состоит в упрощении обслуживания атомной электростанции и повышении надежности ее работы.

Изобретение относится к системам аварийного электрического питания контрольно-измерительных приборов и автоматики, которые используются на атомных электростанциях, а именно к устройствам для заряда и разряда электрических батарей, и может быть применено в энергетических установках различного типа, при работе независимого источника питания постоянного тока, выполненного в виде батарей аккумуляторов энергии, изготовленных на базе молекулярных конденсаторов с использованием нанотехнологий. Технический результат: обеспечение надежности работы устройства, как на заряд накопительного конденсатора, так и на его разряд, путем предотвращения повреждений управляемого выпрямителя тока и управляемого инвертора. Устройство для заряда накопительного конденсатора состоит из управляемого выпрямителя (2), подключаемого к питающей сети (1) трехфазного переменного тока, токовых ограничителей (22) и (25), которые подсоединены к накопительной конденсаторной батарее (9) и переключателю (8) тока. На входе переключателя (8) тока установлено частотно-фильтрующее звено (4), которое электрически соединено с управляемым выпрямителем (2). При этом выход переключателя (8) тока электрически соединен с входом управляемого инвертора (12), выход которого подсоединен к электрической нагрузке (21) потребителя посредством индуктора (20) тока, который необходим для стабилизации электрической нагрузки (21) у потребителя. Причем токовые ограничители (22) и (25) представляют собой магазин регулируемых электрических конденсаторов (24), соединенных параллельно-последовательно по принципу контроллера. 2 ил.

Устройство для заряда накопительного конденсатора преимущественно для системы аварийного электрического питания контрольно-измерительных приборов и автоматики, содержащее соединенный с электрической питающей сетью трех фазного тока, управляемый выпрямитель, кроме того, токовый ограничитель, подключенный к накопительному конденсатору и управляемый инвертор, выход которого подсоединен к электрической нагрузке, отличающееся тем, что введен переключатель тока на входе которого установлено частотно-фильтрующее звено, выход управляемого выпрямителя электрически соединен с частотно-фильтрующим звеном, а выход переключателя тока электрически соединен с входом управляемого инвертора, выход которого соединен с электрической нагрузкой посредством индуктора тока, причем токовый ограничитель электрически подключен к фильтрующему звену и инвертору через переключатель тока и представляет собой магазин регулируемых электрических конденсаторов.