УСТРОЙСТВО ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ Российский патент 2016 года по МПК H02J9/06 

Изобретение относится к силовой электронике, в частности к устройствам вторичного электропитания с резервированием, и может быть использовано для бесперебойного электропитания постоянным стабилизированным напряжением 27 В ответственных потребителей различных радиоэлектронных объектов, имеющих первичное электропитание от двух независимых трехфазных сетей переменного тока 3~50 Гц 380 В без нейтрали.

Известна система электроснабжения [1], содержащая основной и резервный источники электроэнергии (ИЭЭ) 3~50 Гц 380 В/220 В, два тиристорно-диодных выпрямительных блока, вход одного из которых подключен к основному ИЭЭ, вход другого - к резервному ИЭЭ, а выходы (540 В постоянного тока) объединены, два преобразователя напряжения постоянного тока, запитанных с выходов выпрямительных блоков и имеющих выходные напряжения 28,5 В для питания двух групп ответственных потребителей постоянного тока; а также содержащая ряд других блоков и устройств.

В данной системе электроснабжения обеспечивается быстрое переключение с основного ИЭЭ (в случае его аварии) на резервный (и обратно) за счет использования в выпрямительных блоках достаточно быстродействующих тиристоров и диодов; при этом провалы в выходных напряжениях преобразователей напряжения постоянного тока отсутствуют, таким образом, обеспечивается бесперебойность электроснабжения ответственных потребителей. Однако в данной системе отсутствует гальваническая развязка основного и резервного ИЭЭ, что отрицательно влияет на надежность системы электроснабжения в целом.

Известен агрегат бесперебойного питания [2], содержащий основную и резервную сети 3~50 Гц 230 В, два контактора для коммутации данных сетей, основной выпрямитель и фильтр для преобразования переменного напряжения сетей в постоянное (320В), два идентичных канала преобразования постоянного напряжения 320В в постоянные напряжения 28,5В для питания двух групп ответственных потребителей (каждый канал содержит инвертор со своей системой управления (микроконтроллер), трансформатор, выпрямитель, фильтр и некоторые другие элементы), аккумуляторную батарею с номинальным напряжением, меньшим на несколько вольт напряжения с выхода основного выпрямителя, зарядное устройство со своей системой управления (микроконтроллер), датчиками напряжения и тока, развязывающий диод, а также содержащий некоторые другие элементы и узлы.

За счет использования контакторов в качестве коммутаторов основной и резервной питающих сетей в данном агрегате обеспечивается гальваническая развязка сетей, что способствует повышению надежности агрегата. Однако ввиду низкого быстродействия контакторов (0,2 …0,3 с) при переключении с основной питающей сети (в случае ее отказа) на резервную (и обратно) появляется кратковременный провал напряжения питания, способный нарушить бесперебойность электроснабжения ответственных потребителей, что, естественно, недопустимо. Для преодоления данной проблемы в агрегате применена аккумуляторная батарея, подключаемая на время провала через развязывающий диод к входам инверторов, обеспечивая тем самым бесперебойность их работы, а следовательно, и бесперебойность электроснабжения ответственных потребителей. Отрицательными последствиями применения аккумуляторной батареи со своим зарядным устройством и системой управления является ухудшение массогабаритных показателей агрегата, а также необходимость периодической замены аккумуляторной батареи ввиду ограниченности ее ресурса.

Известен преобразователь переменного напряжения [3], содержащий две независимые сети электроснабжения 3~50 Гц 380В, два идентичных канала преобразования переменного напряжения 3-50 Гц380В в переменное напряжение 3~400 Гц 230В (каждый канал содержит контактор для коммутации напряжения питающей сети, выпрямитель с фильтром для преобразования переменного напряжения сети в постоянное (540В), инвертор для преобразования постоянного напряжения 540В в переменное 3~400 Гц 230В и некоторые другие элементы), общую систему управления инверторами обоих каналов (микроконтроллер), обеспечивающую синхронность работы инверторов, разделительный трансформатор с двумя первичными обмотками, на которые подаются напряжения с выходов обоих инверторов, а также содержащий некоторые другие элементы и узлы.

Особенностью данного преобразователя является параллельная работа инверторов обоих каналов преобразования на общую нагрузку, за счет чего обеспечивается отсутствие провалов напряжения питания потребителей (3~400 Гц 230В) при пропадании напряжения 3~50 Гц 380 В в одной из питающих сетей, даже несмотря на низкое быстродействие коммутирующих сети контакторов. Гальваническая развязка питающих сетей обеспечивается за счет использования разделительного трансформатора с двумя первичными и одной вторичной обмотками. Недостатком такого способа обеспечения гальванической развязки являются не вполне приемлемые массо-габаритные характеристики самого трансформатора, имеющего низкую рабочую частоту (400 Гц).

Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа предлагаемого изобретения, является устройство бесперебойного автоматического включения резерва [4], содержащее выводы для подключения основной и резервной трехфазных питающих сетей, два трансформаторно-выпрямительных устройства (ТВУ), вход одного из которых подключен к основной питающей сети, вход другого - к резервной, а выходы объединены (каждое из ТВУ содержит трехфазный трехобмоточный трансформатор с двумя вторичными обмотками, соединенными ′′звездой′′ и ′′треугольником′′, и два мостовых выпрямителя, образующих вместе с трансформатором 12-пульсную схему выпрямления), два идентичных трехфазных инвертора, работающих синхронно и преобразующих постоянное напряжение с выходов ТВУ в переменное напряжение, подаваемое в нагрузку, а также содержащее некоторые другие элементы, здесь не рассматриваемые.

В ТВУ, подключенном к основной сети (основное ТВУ), трансформатор имеет более высокие напряжения вторичных обмоток по сравнению с трансформатором ТВУ, подключенного к резервной сети (резервное ТВУ). За счет этого в нормальном режиме (при наличии напряжений в обеих питающих сетях) оба инвертора получают питание от основного ТВУ, а резервное ТВУ заблокировано (находится в ′′горячем′′ резерве). При пропадании или значительной просадке напряжения основной сети заблокированным оказывается основное ТВУ и в работу вступает резервное ТВУ. Процесс перехода на питание от резервной сети длится непродолжительное время (единицы - десятки микросекунд) и не вызывает нарушения бесперебойности работы устройства, что является его достоинством. Недостатком устройства следует признать способ обеспечения гальванической развязки питающих сетей с помощью двух низкочастотных трехфазных трансформаторов в обоих ТВУ, не обеспечивающий приемлемых массо-габаритных показателей устройства.

Техническим результатом изобретения является уменьшение массо-габаритных показателей устройства вторичного электропитания с резервированием, упрощение схемотехнических решений и снижение стоимости устройства в сочетании с высоким уровнем надежности и высоким качеством поставляемой электроэнергии постоянного тока.

Технический результат изобретения достигается тем, что в устройство вторичного электропитания с резервированием, содержащее вводы основной и резервной трехфазных питающих сетей, два автоматических выключателя, два контактора, соединитель для подключения нагрузки (потребителей), введены:

два силовых высокочастотных стабилизированных преобразователя переменного напряжения в постоянное (AC-DC-преобразователя) с гальванической развязкой входа и выхода, выходы которых объединены с помощью диодной схемы ′′МОНТАЖНОЕ ИЛИ′′, причем по первому варианту устройства выходное напряжение AC-DC-преобразователя, подключенного к основной питающей сети, превышает на 0,5 …1В выходное напряжение AC-DC-преобразователя, подключенного к резервной питающей сети, а по второму варианту - выходные напряжения обоих AC-DC-преобразователей одинаковы;

сглаживающий фильтр на выходе схемы ′′МОНТАЖНОЕ ИЛИ′′;

источник бесперебойного питания собственных нужд для питания элементов коммутации (контакторы, реле), индикации (светодиоды, цифровые измерительные приборы, счетчик времени наработки) и защиты (узлы тепловой защиты, защиты по повышению и понижению напряжения и др.), содержащий два однофазных силовых трансформатора, два выпрямителя, диодную схему ′′МОНТАЖНОЕ ИЛИ′′ и маломощный стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в постоянное (DC-DC-преобразователь).

Высокий уровень надежности обеспечивается наличием гальванической развязки между питающими сетями, а также между каждой из сетей и нагрузкой. Сама же гальваническая развязка обеспечивается встроенными в AC-DC-преобразователи высокочастотными силовыми трансформаторами. За счет высокой рабочей частоты (десятки килогерц) трансформаторы имеют существенно лучшие (меньшие) массо-габаритные показатели по сравнению с 400 Гц-трансформатором в [3] и, тем более, по сравнению с 50 Гц-трансформаторами в [4]. Заметим, что два однофазных 50 Гц-трансформатора в источнике бесперебойного питания собственных нужд - маломощные и практически не оказывают влияния на массо-габаритные параметры устройства. Высокое качество поставляемой электроэнергии постоянного тока обеспечивается тем, что AC-DC-преобразователи являются стабилизирующими преобразователями. Простота схемотехнических решений и, как следствие, низкая стоимость устройства обусловлена отсутствием сложных устройств, обеспечивающих бесперебойность работы при пропадании напряжения одной из питающих сетей. Так, в [2] для этих целей используются контакторы со своей системой управления (микроконтроллер), аккумуляторная батарея со своим зарядным устройством и системой управления (еще один микроконтроллер). В предлагаемом же устройстве для этих целей используются два силовых диода, объединенных по схеме ′′МОНТАЖНОЕ ИЛИ′′, обеспечивающие быстрый (в течение 0,5 …10 мкс) автоматический переход на питание от резервной сети (в случае аварии основной сети) и не требующие использования каких-либо накопителей энергии (в частности, аккумуляторных батарей).

Структурная схема устройства вторичного электропитания с резервированием, поясняющая сущность изобретения, приведена на фиг. 1, где:

1, 8 - вводы основной и резервной питающих сетей 3~50 Гц 380В соответственно;

2, 9 - первый и второй автоматические выключатели соответственно;

3, 10 - первый и второй контакторы соответственно;

4, 11 - основной и резервный стабилизированные AC-DC-преобразователи соответственно;

5, 12 - первый и второй диоды основной схемы ′′МОНТАЖНОЕ ИЛИ′′ соответственно;

6 - сглаживающий фильтр;

7 - соединитель для подключения нагрузки (потребителей);

13 - маломощный источник бесперебойного питания собственных нужд;

14, 15 - первый и второй однофазные трансформаторы соответственно, каждый из которых подключен к одному из линейных напряжений соответствующей трехфазной сети;

16, 17 - первый и второй выпрямители соответственно;

18, 19 - первый и второй диоды вспомогательной схемы ′′МОНТАЖНОЕ ИЛИ′′ соответственно;

20 - стабилизированный DC-DC-преобразователь;

21 - элементы коммутации, индикации и защиты.

Устройство работает следующим образом.

Напряжения 3~50 Гц 380В основной и резервной трехфазных питающих сетей без нейтрали подаются на вводы 1 и 8 и далее поступают на автоматические выключатели 2 и 9. При включении последних одно из трех линейных напряжений (380В) в каждой из сетей подается на соответствующий однофазный трансформатор 14, 15 (трансформаторы идентичные), входящий в состав маломощного источника бесперебойного питания собственных нужд 13. В трансформаторах 14, 15 линейные напряжения понижаются до необходимого уровня и далее преобразуются в выпрямителях 16, 17 в постоянные напряжения, поступающие на диоды 18, 19 вспомогательной схемы ′′МОНТАЖНОЕ ИЛИ′′. В зависимости от того, какое из постоянных напряжений больше, открыт и соответствующий диод. Если же постоянные напряжения одинаковы, то открыты оба диода. Вспомогательная схема ′′МОНТАЖНОЕ ИЛИ′′ обеспечивает бесперебойность работы источника питания собственных нужд 13 при аварии в одной из питающих сетей. С выхода вспомогательной схемы ′′МОНТАЖНОЕ ИЛИ′′ от постоянного напряжения запитан DC-DC-преобразователь 20, обеспечивающий питание различных элементов устройства - элементов коммутации, индикации и защиты. Важно отметить, что включение источника бесперебойного питания собственных нужд 13 происходит до того, как произойдет включение основного и резервного силовых AC-DC-преобразователей 4, 11.

Включение последних производится с помощью контакторов 3, 10. Данные AC-DC-преобразователи представляют собой импульсные высокочастотные стабилизированные транзисторные преобразователи переменного напряжения 3~50 Гц 380В в постоянное 27…28В с частотой преобразования 20…50 кГц. Преобразователи содержат в своем составе понижающие силовые трансформаторы, которые, во-первых, обеспечивают гальваническую развязку входа и выхода преобразователей, а, во-вторых, благодаря высокой частоте преобразования имеют малые габариты и массу.

По первому варианту исполнения устройства выходное напряжение основного AC-DC-преобразователя 4 несколько превышает (на 0,5…1В) выходное напряжение резервного AC-DC-преобразователя 11, за счет чего в нормальном режиме (при наличии напряжений в обеих питающих сетях) диод 5 основной схемы ′′МОНТАЖНОЕ ИЛИ′′ открыт, а диод 12 закрыт, т.е. питание нагрузки 7 через сглаживающий фильтр 6 осуществляется от основного AC-DC-преобразователя 4, а резервный AC-DC-преобразователь 11 работает в режиме холостого хода (находится в ′′горячем′′ резерве).

По второму варианту исполнения устройства выходные напряжения основного и резервного AC-DC-преобразователей одинаковы, вследствие чего оба диода 5, 12 основной схемы ′′МОНТАЖНОЕ ИЛИ′′ открыты и питание нагрузки через сглаживающий фильтр 6 осуществляется от обоих AC-DC-преобразователей 4 и 11. Распределение выходных токов AC-DC-преобразователей 4, 11 в этом случае зависит от того, имеется ли в данных преобразователях система симметрирования выходных токов при параллельной работе. Если имеется, то ток нагрузки распределяется поровну между преобразователями, если же отсутствует, то распределение токов носит случайный характер. На работоспособность устройства это, однако, не влияет.

При пропадании или значительной просадке напряжения основной сети выходное напряжение основного AC-DC-преобразователя 4 также уменьшится (произойдет выход преобразователя из режима стабилизации). При этом диод 5 закроется, диод же 12, по первому варианту исполнения, откроется, а по второму варианту - останется открытым. Т.е. питание нагрузки 7 через сглаживающий фильтр 6 будет осуществляться уже от резервного AC-DC-преобразователя 11. Длительность процесса перехода на питание от резервной сети определяется исключительно быстродействием диодов 5, 12 основной схемы "МОНТАЖНОЕ ИЛИ" и составляет 0,5 …10 мкс, что в несколько десятков тысяч раз меньше по сравнению с контакторной схемой коммутации сетей, примененной в [2]. Назначение сглаживающего фильтра 6 - исключить возможные коммутационные всплески и провалы напряжения при коммутации диодов 5, 12.

При восстановлении напряжения основной питающей сети устройство также быстро (в течение 0,5 …10 мкс) вернется в исходное состояние. Таким образом, в данном устройстве нет необходимости в использовании каких-либо накопителей энергии (аккумуляторов, конденсаторов и др.), что способствует существенному упрощению устройства.

В отношении осуществимости предлагаемого устройства можно утверждать, что принципиальных затруднений здесь не должно быть, т.к. само устройство состоит из широко известных компонентов.

Источники информации

1. Патент РФ №2421863 ′′Автономная система электроснабжения передвижных объектов′′, МПК H02J 9/06, 2011, патентообладатель: Федеральное государственное учреждение 16 Центральный научно-исследовательский испытательный институт Министерства обороны Российской федерации имени маршала войск связи А.И. Белова.

2. Патент РФ №2403664 ′′Многоканальный агрегат бесперебойного питания потребителей напряжением переменного и постоянного тока′′, МПК H02J 7/34, H02J 9/06, 2010, патентообладатель: ЗАО ′′ИРИС′′.

3. Патент РФ №2475922 ′′Преобразователь переменного напряжения′′, МПК H02J 9/06, 2013, патентообладатель: ОАО ′′НЛП ′′Калужский приборостроительный завод ′′Тайфун′′, ООО ′′Источник′′.

4. Патент РФ №2503114 ′′Устройство бесперебойного автоматического включения резерва′′, МПК H02J 9/00, H02J 9/06, 2013, патентообладатель: ОАО ′′Головное особое конструкторское бюро ′′Прожектор′′.

Изобретение относится к силовой электронике, в частности, к устройствам вторичного электропитания с резервированием, и может быть использовано для бесперебойного электропитания постоянным стабилизированным напряжением 27В ответственных потребителей различных радиоэлектронных объектов, имеющих первичное электропитание от двух независимых трехфазных сетей переменного тока 3~50 Гц 380В без нейтрали. Технический результат изобретения состоит в уменьшении массо-габаритных показателей устройства, упрощении схемотехнических решений и снижении стоимости в сочетании с высоким уровнем надежности и высоким качеством поставляемой электроэнергии постоянного тока. Данный результат обеспечивается за счет того, что устройство содержит два силовых высокочастотных стабилизированных преобразователя переменного напряжения 3~50 Гц 380В в постоянное 27В, в которых силовые трансформаторы, обеспечивающие гальваническую развязку питающих сетей, имеют высокую рабочую частоту (десятки килогерц) и, как следствие, - малые габариты и массу. Кроме того, выходы преобразователей объединены с помощью диодной схемы ′′МОНТАЖНОЕ ИЛИ′′, выполняющей функцию коммутатора питающих сетей, которая обладает высоким быстродействием (0,5…10 мкс) и не требует применения каких-либо энергонакопительных элементов (аккумуляторов, конденсаторов и др.). 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство вторичного электропитания с резервированием, содержащее вводы для подключения основной и резервной трехфазных питающих сетей, отличающееся тем, что в него введены первый и второй автоматические выключатели, первый и второй контакторы, основной и резервный стабилизированные AC-DC-преобразователи, первый и второй диоды основной схемы "МОНТАЖНОЕ ИЛИ", сглаживающий фильтр, соединитель для подключения нагрузки, элементы коммутации, индикации и защиты, маломощный источник бесперебойного питания собственных нужд, включающий первый и второй однофазные трансформаторы, первый и второй выпрямители, первый и второй диоды вспомогательной схемы "МОНТАЖНОЕ ИЛИ", стабилизированный DC-DC-преобразователь; вход первого автоматического выключателя подключен к вводу основной трехфазной питающей сети, выход - к входу первого контактора, причем одно из линейных напряжений с выхода первого автоматического выключателя поступает на вход первого однофазного трансформатора, вход второго автоматического выключателя подключен к вводу резервной трехфазной питающей сети, выход - к входу второго контактора, причем одно из линейных напряжений с выхода второго автоматического выключателя поступает на вход второго однофазного трансформатора, выход первого контактора подключен к входу основного стабилизированного AC-DC-преобразователя, выход второго контактора подключен к входу резервного стабилизированного AC-DC-преобразователя, выходы основного и резервного стабилизированных AC-DC-преобразователей подключены к анодам первого и второго диодов основной схемы "МОНТАЖНОЕ ИЛИ" соответственно, катоды данных диодов объединены и подключены к входу сглаживающего фильтра, выход которого подключен к соединителю для подключения нагрузки, выходы первого и второго однофазных трансформаторов подключены к входам первого и второго выпрямителей соответственно, выходы первого и второго выпрямителей подключены к анодам первого и второго диодов вспомогательной схемы "МОНТАЖНОЕ ИЛИ" соответственно, катоды данных диодов объединены и подключены к входу стабилизированного DC-DC-преобразователя, с выхода которого запитаны элементы коммутации, индикации и защиты.

2. Устройство вторичного электропитания с резервированием по п. 1, в котором выходное напряжение основного стабилизированного AC-DC-преобразователя превышает на 0,5…1 В выходное напряжение резервного стабилизированного AC-DC-преобразователя, за счет чего питание нагрузки в нормальном режиме осуществляется от основного AC-DC-преобразователя, а резервный AC-DC-преобразователь работает в режиме холостого хода (находится в "горячем" резерве).

3. Устройство вторичного электропитания с резервированием по п. 1, в котором выходные напряжения основного и резервного стабилизированных AC-DC-преобразователей одинаковы, за счет чего питание нагрузки в нормальном режиме осуществляется от обоих преобразователей.