МОДУЛЬНАЯ СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ Российский патент 2014 года по МПК H02J7/00 H02J7/35 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для бесперебойного электропитания ответственных потребителей постоянным током.

Для обеспечения бесперебойного электропитания ответственных потребителей постоянным током, применяются системы бесперебойного электропитания, обеспечивающие питание нагрузки при наличии сетевого напряжения от выпрямительных модулей, а при его отсутствии - от аккумуляторных батарей. При этом системы бесперебойного электропитания включают в себя выпрямительные модули, аккумуляторную батарею, соединенные параллельно и питающие нагрузку. При наличии сетевого напряжения, выпрямительные модули преобразуют напряжение сети в необходимое для питания нагрузки постоянное напряжение и обеспечивают питание нагрузки и заряд аккумуляторов. При отсутствии сетевого напряжения нагрузку питают аккумуляторы. При включении сетевого напряжения выпрямительные модули обеспечивают заряд батареи и питание нагрузки одновременно. Продолжительность срока службы аккумуляторной батареи во многом определяется режимами циклов заряд-разряд.

Известна система бесперебойного электропитания (RU, Патент на полезную модель №: 10295, Н027/34), содержащая выпрямительный блок, аккумуляторную батарею с датчиком тока в зарядной цепи, контроллер, блок питания, два компаратора, и два делителя напряжения, при этом входы компараторов подключены к выходу датчика тока и делителей напряжения, а выходы компараторов соединены с управляющими входами контроллера, три выхода которого подключены к управляющим входам выпрямительного блока.

Недостатком известной системы является низкая надежность из-за отсутствия резервных выпрямителей. Отсутствие датчика тока нагрузки не позволяет оперативно отслеживать режимы работы системы, а управление выпрямителями осуществляется ступенчато, по минимальной и максимальной уставкам, что ограничивает точность регулировки системы.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство питания постоянного напряжения и зарядки аккумуляторных батарей (Патент на полезную модель №:64824, H02J 7/00, Н02М 7/12), принятое за прототип.

Устройство содержит коммутатор, коммутирующий входы n преобразователей напряжения по сети питания. На выходе каждого преобразователя напряжения включено устройство слежения, образуя n параллельно соединенных цепочек из последовательно включенных преобразователей и устройств слежения, выходы которых соединены со входом датчика тока, входы управления подключены к контроллеру, выходы устройств слежения к входам управления соответствующих преобразователей, а выходы сигналов выравнивания токов объединены шиной. Блок защиты от переполюсовки аккумуляторных батарей (АБ) подключен к выходу датчика тока, соединенного с измерителем выходного напряжения и является выходом устройства Uвых для подключения (АБ) или нагрузки. Выходы управления датчика тока и измерителя напряжения соединены с контроллером. Панель управления и индикации представляет собой автономную микропроцессорную систему с многофункциональным жидкокристаллическим графическим индикатором, связанную с контроллером через порт интерфейса RS-485. Блок контроля тепловых процессов выходом подключается к исполнительному устройству вентиляции, а вход подключен к контроллеру, сигналы на который поступают через блок от датчиков температуры, установленных на корпусах радиаторов преобразователей. Блок дистанционного контроля состояния АБ подключен входом напряжения к выходу устройства, управляющим входом через интерфейс к контроллеру, а выход его является клеммами для подключения АБ. Устройство содержит вторую выносную панель управления и индикации, включенную и выполненную аналогично первой панели. Устройство слежения включает низкоомный шунт, блок выравнивания токов, блок слежения напряжения и сумматор.

К недостаткам устройства относится наличие только одного датчика тока, что не позволяет одновременно контролировать токи заряда-разряда аккумуляторной батареи и ток нагрузки, что снижает эксплуатационные возможности системы и гарантии бесперебойности электропитания. Отсутствует возможность раздельного управления напряжением выпрямителей нагрузки и напряжением выпрямителей батареи, что так же снижает эксплуатационные возможности системы и гарантии бесперебойности электропитания. Нет возможности автоматического подключения резервных источников переменного напряжения, что также снижает бесперебойность электропитания.

При глубоком разряде аккумуляторной батареи вследствие длительного отсутствия электроэнергии ток ее заряда будет высоким, что разрушительно для аккумуляторной батареи. Для ограничения зарядного тока введен известный блок дистанционного контроля состояния аккумулятора и автоматического управления зарядным током, основанный на элементах, резко увеличивающих свое сопротивление при увеличении тока, однако это не эффективно, так как теряется энергия на нагрев, а большие мощности рассеивать невозможно, что снижает максимально достижимую выходную мощность устройства.

Контроллер, по сигналам с блока дистанционного контроля состояния аккумулятора и автоматического управления зарядным током управляет параметрами выпрямителей. Но аккумуляторная батарея и нагрузка гальванически связаны между собой, а параметры необходимого тока нагрузки и необходимого тока заряда аккумуляторной батареи не всегда совпадают. При больших мощностях нагрузки возникают трудности с ограничением тока заряда, что снижает максимально достижимую выходную мощность устройства.

Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей системы, увеличение его нагрузочной мощности и обеспечение максимальной бесперебойности работы при поддержании оптимальных параметров работы аккумуляторной батареи при питании потребителей постоянным током.

Решение указанной задачи достигается тем, что модульная система бесперебойного электропитания потребителей постоянным током содержит n выпрямителей, входы управления которых по интерфейсу подключены к соответствующему выходу контроллера, датчик тока нагрузки, измеритель напряжения нагрузки, подключенный к входу контроллера, аккумуляторную батарею, основную и выносную панели индикации, блок контроля температуры, подключенный к вентиляторам.

В отличие от прототипа введен блок автоматического ввода резерва, к входам которого подключены вводы источников переменного напряжения, а к выходу подключены силовые входы выпрямителей и блока контроля температуры, а выпрямители разделены на два блока, имеющие модульную конструкцию, один из которых выполняет функцию питания нагрузки, а другой функцию контроля и поддержания параметров состояния батареи. Выходы выпрямителей нагрузки подключены через выключатель выпрямителей нагрузки к катоду диода, соединенного с входом измерителя напряжения нагрузки, а анод диода через выключатель выпрямителей батареи подключен к выходам выпрямителей батареи. Катод диода через датчик тока нагрузки подключен к первому входу блока защиты первичных потребителей, к силовому входу блока отключения вторичных потребителей и к входу блока контроля изоляции. В систему введены датчики тока заряда и разряда батареи, включенные встречно, а анод диода через оба датчика подключен к выключателю батареи, к входам блоков питания автоматики и к входу блока питания датчиков тока. Другим выводом выключатель батареи подключен к аккумуляторной батарее и к входу измерителя напряжения батареи. Входы питания датчиков тока подключены к выходу блока питания датчиков тока, а выходы блоков питания автоматики подключены к соответствующему входу контроллера, к контактной группе и к входу блока режимов заряда батареи, выходы которого подключены к входам контроллера, а выходы контактной группы подключены к второй группе блока индикаторов и к соответствующим входам контроллера, а первая группа индикаторов подключена к соответствующим выходам контроллера. Входы панелей управления подключены к выходу контроллера по интерфейсу RS-485. В систему введены измерители токов нагрузки, заряда батареи и разряда батареи, выходы которых подключены к входам контроллера, а входы к соответствующим выходам датчиков тока нагрузки, тока заряда батареи и тока разряда батареи. Силовой выход блока отключения вторичных потребителей соединен с входом блока защиты вторичных потребителей, а вход управления с соответствующим выходом контроллера. В систему введен выключатель-байпас, один вывод которого соединен с вторым входом блока защиты первичных потребителей, а другой вывод соединен с аккумуляторной батареей. Сетевой выход контроллера через концентратор подключен к рабочей станции.

- Введение в систему блока автоматического ввода резерва (АВР), подключенного к силовым входам выпрямителей, увеличивает бесперебойность работы системы за счет постоянного контроля параметров вводов и подключения исправного ввода при выходе рабочего ввода из строя.

- Разделение выпрямителей на два блока - блок выпрямителей нагрузки и блок выпрямителей батареи, - имеющих модульную конструкцию, позволяет изменять количество модулей выпрямителей в зависимости от необходимой мощности нагрузки и емкости аккумуляторной батареи. Возможность применения запасных (резервных) модулей позволяет повысить бесперебойность работы.

- Введение выключателя выпрямителей нагрузки и выключателя выпрямителей батареи позволяет имитировать отказ блоков выпрямителей при проверке работоспособности системы и снимать при ремонте напряжение с диода, установленного между вышеуказанными выключателями последовательно, что повышает бесперебойность работы системы. Причем выходы выпрямителей нагрузки подключены через выключатель выпрямителей нагрузки к катоду диода, а анод диода через выключатель выпрямителей аккумуляторной батареи подключен к выходам выпрямителей аккумуляторной батареи. Это позволяет поддерживать оптимальные параметры работы аккумуляторной батареи и увеличить нагрузочную мощность системы. Разделение блоков выпрямителей диодом позволяет снижать напряжение выпрямителей батареи и в этот момент проверять напряжение батареи. Далее устанавливается оптимальное напряжение заряда батареи. Кроме того, связь выхода блока выпрямителей нагрузки с аккумуляторной батареей через диод позволяет оптимизировать ток заряда батареи в любых пределах, при любой мощности выпрямителей нагрузки, что особенно важно при глубоком разряде аккумуляторной батареи вследствие длительного отсутствия электроэнергии.

- Введение блоков защиты первичных и вторичных потребителей, состоящих из группы автоматических выключателей, предназначенных для защиты отходящих линий постоянного тока и общего автоматического выключателя, увеличивает бесперебойность работы системы. Разделение нагрузки на первичные и вторичные потребители позволяет отключать менее ответственные потребители и продлить время работы наиболее ответственных потребителей от аккумуляторной батареи при длительном отсутствии переменного напряжения на входе системы, что увеличивает бесперебойность работы системы. Для отключения вторичных потребителей дополнительно введен блок отключения вторичных потребителей, который через датчик тока нагрузки подключен к катоду диода, а выходом соединен с блоком защиты вторичных потребителей, а вход управления подключен к соответствующему выходу контроллера.

- Введение блока контроля изоляции, подключенного к входу блока защиты первичных потребителей, позволяет постоянно контролировать сопротивление изоляции выходной линии, что повышает бесперебойность работы системы.

- В систему введены датчики тока заряда батареи и разряда батареи, подключенные встречно, через выключатель батареи к аккумуляторной батарее. Силовые входы датчиков подключены к блоку питания датчиков тока, а выходы через измерители токов заряда и разряда к входам контроллера, что позволяет анализировать токи заряда и разряда батареи, осуществлять контроль состояния батареи и поддерживать оптимальные параметры ее содержания. Это увеличивает бесперебойность работы системы.

- Введение двух блоков питания автоматики, дублирующих друг друга и соединенных параллельно, входы питания которых подключены к аноду диода, а выходы - к контроллеру, увеличивают бесперебойность работы, так как при выходе из строя одного блока система работает с помощью другого блока.

- В систему дополнительно введен блок светосигнальных индикаторов, разделенный на две группы, и контактная группа. Входы первой группы индикаторов подключены к выходам контроллера, а входы второй группы - к входам контроллера и к выходам контактной группы. Вход контактной группы подключен к выходам блоков питания автоматики. Первая группа индикаторов позволяет визуально анализировать состояние системы по сигналам контроллера, а вторая - по сигналам контактной группы, которая состоит из вспомогательных контактов электроаппаратов системы и отображает состояние этих электроаппаратов. Система постоянно контролирует исправность блоков питания автоматики и при выходе из строя одного из них система, работает на другом исправном блоке питания автоматики, что повышает бесперебойность работы.

- Введение блока режимов заряда батареи, вход которого подключен к выходам блоков питания автоматики, а выходы к входам контроллера, позволяет принудительно переводить выпрямители в режим ускоренного заряда аккумуляторной батареи и обратно в режим содержания, что повышает бесперебойность работы системы.

- Введение в систему измерителя напряжения батареи, вход которого соединен с аккумуляторной батареей, а выход подключен к входу контроллера, позволяет анализировать состояние батареи и выбирать оптимальные параметры ее содержания, повышая бесперебойность работы системы.

- Введение измерителя тока нагрузки позволяет по сигналам с выхода датчика тока контролировать параметры тока нагрузки, повышая бесперебойность работы системы.

- Введение в систему концентратора и рабочей станции позволяет подключать систему к сети «Ethernet» и вести удаленный контроль работы системы, что повышает эксплуатационные возможности системы.

- Введение в систему выключателя «Байпас», соединенного одним выводом с аккумуляторной батареей, а другим с вторым входом блока защиты первичных потребителей, позволяет, в случае отказа системы или ремонта подавать напряжение с аккумуляторной батареи на первичные потребители в обход системы, т.е. подключить напряжение аккумуляторной батареи напрямую к первичным потребителям. Это повышает бесперебойность системы, безопасность работы и сокращает время ремонта.

По сравнению с прототипом, предлагаемая система позволяет установить неограниченное количество модулей выпрямителей нагрузки и подключать более широкий диапазон нагрузочных мощностей.

Таким образом, все признаки являются существенными и решают поставленную задачу. Система представлена на чертежах.

Фиг.1 Модульная система бесперебойного электропитания потребителей постоянным током, структурная схема.

Фиг.2 Блок отключения вторичных потребителей, электрическая схема.

Модульная система бесперебойного электропитания потребителей постоянным током, фиг.1, включает в себя блок автоматического ввода резерва 1, например щит автоматического включения резерва ЩАВР2-25-3-2; блок выпрямителей нагрузки 2 и блок выпрямителей батареи 3, имеющих модульную конструкцию; контроллер 4, например программируемый логический контроллер ПЛК160; блок контроля температуры 5, например терморегулятор RITTALSK 3110.000; вентиляторы 6, выключатель выпрямителей нагрузки 7, датчик тока нагрузки 8, блок защиты первичных потребителей 9, блок защиты вторичных потребителей 10, блок отключения вторичных потребителей 11, аккумуляторную батарею 12, выключатель аккумуляторной батареи 13, датчик тока заряда батареи 14, датчик тока разряда батареи 15, диод 16, измеритель напряжения батареи 17 (резистивный делитель), панель индикации 18, выносная панель индикации 19, измерители, выполненные, например, в виде резистивных делителей напряжения: измеритель тока нагрузки 20, измеритель тока заряда 21 и измеритель тока разряда 22; светосигнальные индикаторы блока индикаторов 23, разделенные на две группы; контактная группа 24, в которую входят вспомогательные контакты аппаратов защиты, сигнальные контакты блоков питания, устройств контроля состояния сети и контроля изоляции; блок питания датчиков тока 27, измеритель напряжения 28 (резистивный делитель), блок режимов заряда батареи 29, блок контроля изоляции 30 (реле контроля изоляции CM-IWN-DC), выключатель (байпас) 31, выключатель 32, концентратор 33 и рабочую станцию 34.

Устройство работает следующим образом. Блок автоматического ввода резерва 1 принимает электрическую энергию от двух или более независимых вводов переменного напряжения, осуществляет непрерывный контроль параметров напряжения и автоматическое переключение на заведомо исправный ввод. С выхода блока 1 переменное напряжение поступает на силовые входы блоков выпрямителей нагрузки 2 и выпрямителей батареи 3. Режим работы блоков выпрямителей задается контроллером 4 по последовательному интерфейсу RS-485 (используется программируемый логический контроллер ПЛК160, «Овен»). К выходу блока 1 подключен блок контроля температуры 5, который включает вентиляторы 6, при увеличении температуры окружающей среды выше заданного уровня. Постоянное напряжение с выхода блока выпрямителей нагрузки, через выключатель выпрямителей нагрузки 7 и датчик тока нагрузки 8, поступает на первый вход блока защиты первичных потребителей 9. На блок защиты вторичных потребителей 10 напряжение поступает через блок отключения вторичных потребителей 11, вход управления которого соединен с выходом контроллера 4. При продолжительном отсутствии сетевого напряжения и снижении напряжения аккумуляторной батареи 12 ниже заданного уровня на выходе контроллера 4 вырабатывается сигнал, по которому блок отключения вторичных потребителей 11 отключает менее ответственные потребители, фиг.2.

При отсутствии переменного напряжения на вводах питание потребителей осуществляется от аккумуляторной батареи 12, через выключатель батареи 13, датчик тока заряда батареи 14, датчик тока разряда батареи 15, диод 16. Контроллер 4, через измеритель напряжения батареи 17, обеспечивает контроль состояния аккумуляторной батареи, сбор и хранение необходимой информации, которая выводится по интерфейсу RS-485 на панель индикации 18. При необходимости может быть подключена выносная панель индикации 19.

Контроль состояния аккумуляторной батареи производится путем кратковременного снижения выходного напряжения выпрямителей батареи 3, предназначенных для ее заряда, и проверки наличия на батарее более высокого напряжения.

Параметры тока нагрузки, тока заряда и разряда аккумуляторной батареи 12 контролируются по сигналам с выходов измерителя тока нагрузки 20, измерителя тока заряда 21 и измерителя тока разряда 22, которые предназначены для согласования сигналов датчиков с входами контроллера 4.

Светосигнальные индикаторы блока индикаторов 23, разделенные на две группы, позволяют визуально определить состояние сети, режим работы системы и наличие аварии. Первая группа индикаторов срабатывает непосредственно по сигналам с выхода контроллера 4 и отображает режимы работы системы (заряд, разряд и т.п.). Вторая группа индикаторов срабатывает по сигналам от контактной группы 24, которая запитана от блоков питания автоматики 25, 26. Система постоянно контролирует исправность блоков 25 и 26. При выходе из строя одного из них система, работая на исправном блоке питания автоматики, выдает сигнал «Неисправность ИП24», по которому ремонтный персонал срочно принимает меры. При переключении любого контакта группы 24 напряжение с блока питания автоматики поступает на индикатор второй группы блока индикаторов 23 и на вход контроллера 4, который фиксирует параметры и время переключения контактов. Питание датчиков тока 8, 14, 15 осуществляется от блока питания датчиков тока 27. Контроль выходного напряжения для питания потребителей осуществляется контроллером 4 через измеритель напряжения 28.

Режимы заряда аккумуляторной батареи 12 можно принудительно изменить кнопками блока режимов заряда батареи 29. По сигналам с кнопок контроллер 4 по интерфейсу RS-485 переводит выпрямители 3 в режим непрерывного подзаряда или в режим ускоренного заряда.

Блок контроля изоляции 30 осуществляет контроль сопротивления изоляции силовых проводов выходного напряжения относительно «Земли».

При отказе системы или ремонте выключателем 31 подключают напряжение аккумуляторной батареи 12 напрямую к первичным потребителям 9.

Выключателями 7, 32, 13 и общим выключателем 1QF0 блока защиты первичных потребителей 9 можно полностью обесточить на время ремонта аппараты, находящиеся под опасным напряжением.

Через концентратор 33 контроллер 4 связан с рабочей станцией 34. По сети Ethernet к системе можно подключать дополнительные рабочие станции, при необходимости.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей системы, увеличении его нагрузочной мощности и обеспечении максимальной бесперебойности работы при поддержании оптимальных параметров работы аккумуляторной батареи при питании потребителей постоянным током. Для этого заявленная система содержит n выпрямителей, датчик тока нагрузки, измеритель напряжения нагрузки, аккумуляторную батарею, основную и выносную панели индикации, блок контроля температуры, контроллер, блок автоматического ввода резерва, выключатель выпрямителей нагрузки, выключатель выпрямителей батареи, вентилятор, диод, блок контроля изоляции, блок защиты первичных потребителей, блок защиты вторичных потребителей, блок отключения вторичных потребителей, выключатель-байпас, выключатель аккумуляторной батареи, измеритель тока нагрузки, измеритель тока заряда батареи, измеритель тока разряда батареи, датчик тока заряда батареи, датчик тока разряда батареи, два блока питания автоматики, блок питания датчиков тока, измеритель напряжения батареи, контактную группу, блок индикаторов, разделенный на две группы индикаторов, блок режимов заряда батареи, концентратор и рабочую станцию, а к выходу подключены силовые входы выпрямителей и блока контроля температуры, выпрямители разделены на два блока, имеющих модульную конструкцию, блок выпрямителей нагрузки и блок выпрямителей батареи. 2 ил.

Модульная система бесперебойного электропитания потребителей постоянным током, содержащая n выпрямителей, входы управления которых подключены к контроллеру, датчик тока нагрузки, измеритель напряжения нагрузки, подключенный к входу контроллера, аккумуляторную батарею, основную и выносную панели индикации, подключенные к контроллеру, блок контроля температуры, подключенный к вентиляторам, отличающаяся тем, что в систему дополнительно введены блок автоматического ввода резерва, выключатель выпрямителей нагрузки, выключатель выпрямителей батареи, диод, блок контроля изоляции, блок защиты первичных потребителей, блок защиты вторичных потребителей, блок отключения вторичных потребителей, выключатель-байпас, выключатель аккумуляторной батареи, измеритель тока нагрузки, измеритель тока заряда батареи, измеритель тока разряда батареи, датчик тока заряда батареи, датчик тока разряда батареи, два блока питания автоматики, соединенных параллельно, блок питания датчиков тока, измеритель напряжения батареи, контактная группа, блок индикаторов, разделенный на две группы индикаторов, блок режимов заряда батареи, концентратор и рабочая станция, причем к входам блока автоматического ввода резерва подключены вводы источников переменного напряжения, а к выходу подключены силовые входы выпрямителей и блока контроля температуры, выпрямители разделены на два блока, имеющих модульную конструкцию, блок выпрямителей нагрузки и блок выпрямителей батареи, а выходы выпрямителей каждого блока соединены между собой, выходы выпрямителей нагрузки подключены через выключатель выпрямителей нагрузки к катоду диода, а выходы выпрямителей аккумуляторной батареи подключены через выключатель выпрямителей батареи к аноду диода, соединенному с входами обоих блоков питания автоматики, с входом блока питания датчиков тока и через датчики тока заряда и разряда батареи, включенные встречно, анод диода подключен к выключателю аккумуляторной батареи, который другим выводом соединен с выключателем - байпасом, аккумуляторной батареей и входом измерителя напряжения батареи, выход которого подключен к соответствующему входу контроллера, а катод диода через датчик тока нагрузки подключен к первому входу блока защиты первичных потребителей, к силовому входу блока отключения вторичных потребителей, к блоку контроля изоляции и к входу измерителя напряжения нагрузки, а выходы датчиков тока нагрузки, тока заряда батареи, тока разряда батареи подключены соответственно к входам измерителя тока нагрузки, измерителя тока заряда аккумуляторной батареи, измерителя тока разряда аккумуляторной батареи, а входы питания датчиков тока соединены с выходом блока питания датчиков тока; другой вывод выключателя - байпаса соединен с вторым входом блока защиты первичных потребителей, а силовой выход блока отключения вторичных потребителей подключен к блоку защиты вторичных потребителей; причем выходы измерителя тока нагрузки, измерителя тока заряда аккумуляторной батареи, измерителя тока разряда аккумуляторной батареи, блока режимов заряда аккумуляторной батареи, контактной группы и выход блоков питания автоматики подключены каждый к соответствующему входу контроллера, причем выход блоков питания автоматики подключен также к входу блока режимов заряда батареи и к входу контактной группы, а выходы контактной группы подключены к индикаторам второй группы блока индикаторов, а индикаторы первой группы блока индикаторов подключены к соответствующим выходам контроллера, а к другому выходу контроллера подключен вход управления блока отключения вторичных потребителей, а сетевой выход контроллера через концентратор подключен к рабочей станции.