УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H02J9/06 

Настоящее изобретение относится к устройству для бесперебойного электропитания с выпрямителем тока, накопителем энергии для накопления электрической энергии, инвертором, переключателем и устройством управления. Выпрямитель тока входом выпрямителя тока может подключаться к сети электропитания. Накопитель энергии подключен к выходу выпрямителя тока и входу инвертора. К выходу инвертора может подключаться защищаемая сеть или защищаемый потребитель. Вход выпрямителя тока или сеть электропитания через переключатель могут соединяться с выходом инвертора, а выпрямитель тока, инвертор и переключатель могут управляться или регулироваться устройством управления.

Из уровня техники известно множество аналогичных устройств для бесперебойного электропитания, коротко называемых также USV. При этом, в частности, проводится различие между типами офлайн-USV и онлайн-USV.

USV в офлайн-режиме, называемое также зависимым от напряжения и частоты USV (VFD-USV) или пассивным USV, при исправной сети электропитания пропускает ток непосредственно от сети электропитания через включенный переключатель, защищаемую сеть или защищаемую нагрузку. Кроме того, от входа питается выпрямитель тока, который заряжает накопитель электрической энергии. В случае повреждения сети электропитания срабатывает переключатель и выход инвертора, который питается от выпрямителя тока или накопителя энергии, соединяется с защищаемой сетью или защищаемой нагрузкой.

В USV в онлайн-режиме, называемом также, в частности, независимым от напряжения и частоты USV (VFI-USV), USV непрерывного действия, USV двойного преобразования, сеть электропитания подключена к входу выпрямителя тока, который питает накопитель энергии. Защищаемая сеть или защищаемый потребитель питается от инвертора, который при исправной сети электропитания, т.е. при наличии сетевого напряжения на входе выпрямителя тока, получает необходимую энергию через выпрямитель тока, а при отказе сети обеспечивается накопителем энергии.

Переменное напряжение на выходе инвертора генерируется инвертором из постоянного напряжения так называемого промежуточного контура между выпрямителем тока и инвертором.

Для повышения надежности обеспечения переключатель, который при исправной работе выпрямителя тока и инвертора соединяет сеть электропитания через выпрямитель тока и инвертор с защищаемой сетью или защищаемым потребителем, в VFI-USV обеспечивает включение так называемого байпаса, который соединяет сеть электропитания и защищаемую сеть или защищаемого потребителя через переключатель в обход выпрямителя тока и инвертора. При возникновении неисправности в выпрямителе тока или инверторе присоединенный потребитель переключается на этот байпас и, таким образом, продолжает получать электроэнергию.

Конфигурации офлайн-USV и онлайн-USV могут соответствовать друг другу. Они могут принципиально отличаться местом расположения и задачей переключателя. При соответствующей компоновке компонентов USV и соответствующем устройстве управления можно, поэтому, преобразовывать офлайн-USV в онлайн-USV и наоборот.

В изготовленном и реализованном заявительницей онлайн-USV устройство управления включает в себя три соединенных CAN-шиной блока управления, из которых один блок управления предусмотрен для управления и/или регулирования выпрямителем тока, один блок управления для управления и/или регулирования инвертором и один блок управления для управления и/или регулирования переключателем. Каждый из блоков управления имеет интегрированную собственную систему вспомогательного электропитания, с помощью которой этот блок управления обеспечивается вспомогательным электропитанием. В случае выхода из строя блока управления или обеспечивающей этот блок управления системы вспомогательного электропитания этот управляющий блок не может способствовать обеспечению присоединенных к USV сетей или нагрузок.

Кроме того, в каждом из блоков управления интегрированы датчики, с помощью которых могут измеряться различные электрические параметры на входе или выходе выпрямителя тока или инвертора или в других местах USV. Для этого каждый блок управления соединен с местами измерений измерительными проводами. К части проводов приложены высокие напряжения, которые иногда подвержены действию источников помех, что может привести к искаженным результатам измерений, если не предпринять достаточных мер против помех для измерения.

В основе изобретения лежит поэтому задача улучшить устройство для бесперебойного электропитания выше упомянутого типа настолько, чтобы достигались повышенная устойчивость к отказам и пониженная чувствительность к помехам. В частности, должна снижаться также чувствительность к помехам измерению электрических параметров.

Эта задача решается за счет того, что устройство управления включает в себя два блока управления, которые исполнены дублирующими, по меньшей мере, в отношении переключателя, и что первым из блоков управления одновременно управляется или регулируется выпрямитель тока и переключатель, а вторым из блоков управления - инвертор и переключатель. Не исключено также, что один из блоков управления или оба блока управления исполнены дублирующими также в отношении выпрямителя тока и/или инвертора, поэтому дублирующим в отношении выпрямителя тока или инвертора блоком управления одновременно управляется или регулируется выпрямитель тока, инвертор и переключатель.

В соответствующем изобретению устройстве в отличие от уровня техники предусмотрены не три блока управления, а только два. Одновременно блоки управления исполнены так, что, по меньшей мере, переключатель управляется и/или регулируется каждым из блоков управления и не исключается также, что выпрямитель тока, инвертор и переключатель может или могут управляться и/или регулироваться одним из блоков управления или каждым из блоков управления. В принципе для работы устройства было бы достаточно всего лишь блока управления. В результате предусмотренного изобретением дублирования достигается более высокая устойчивость к отказам, хотя в сравнении с уровнем техники и уменьшается число блоков управления.

Преимущественно блоки управления образованы одинаково выполненными схемными устройствами, даже если блоки управления предусмотрены не для управления или регулирования инвертером, выпрямителем тока и устройством переключения. Тем самым обеспечивается то, что оба блока управления могут осуществлять управление или регулирование, по меньшей мере, устройством переключения и, не исключается, что инвертером, выпрямителем тока и устройством переключения. Кроме того, за счет применения одинаковых схемных устройств может упрощаться изготовление устройства.

Блоки управления могут быть запрограммированы, причем программирование блоков управления может различаться тем, что первым блоком из двух блоков управления при исправном первом блоке управления управляется и/или регулируется, по меньшей мере, выпрямитель тока, а вторым блоком управления из двух блоков управления при исправном втором блоке управления управляется и/или регулируется, по крайней мере, инвертор. Каждому блоку управления посредством программирования может быть подчинен выпрямитель тока или инвертор, причем блок управления при исправной работе устройства управления управляет подчиненным компонентом. Дополнительно блоку управления могут быть подчинены также переключатель и/или другой компонент, если, например, выходит из строя другой блок управления.

Благодаря тому что при исправном управлении выпрямитель тока придан первому блоку управления, а инвертор - второму блоку управления, при исправном управлении обеспечивается то, что блоки управления нагружены не полностью, в частности, в термическом отношении, что способствует увеличению срока службы блоков управления.

При неисправном первом блоке управления инвертор и переключатель, а при необходимости и выпрямитель тока могут управляться и/или регулироваться вторым блоком управления, а при неисправном втором блоке управления выпрямитель тока и переключатель, а при необходимости и инвертор могут управляться и/или регулироваться первым блоком управления.

Соответствующее изобретению схемное устройство может включать в себя, по меньшей мере, два устройства для вспомогательного электропитания и каждое устройство для вспомогательного электропитания соединено с входом для вспомогательного электропитания первого блока управления и входом для вспомогательного электропитания второго блока управления, чтобы обеспечивать блоки управления электрической энергией.

Соответствующее изобретению схемное устройство может включать в себя, по меньшей мере, два устройства для вспомогательного электропитания, а именно первое и второе устройства для вспомогательного электропитания при наличии у каждого из них двух выходов. На выходах может потребляться вспомогательное напряжение. Первый из двух выходов первого и второго устройств для вспомогательного электропитания может быть соединен с входом для вспомогательного электропитания первого блока управления, а второй из двух выходов первого и второго устройств для вспомогательного электропитания может быть соединен с входом для вспомогательного электропитания второго блока управления.

Оба выхода устройств для вспомогательного электропитания предпочтительно разъединены друг с другом так, что при повреждении одного выхода, например в результате короткого замыкания, другой выход этого же устройства для вспомогательного электропитания остается неповрежденным. Кроме того, оба входа блоков управления предпочтительно разъединены между собой таким же образом, поэтому повреждение на одном входе для вспомогательного электропитания не сказывается на другом входе этого же блока управления.

Соответствующее изобретению схемное устройство в качестве альтернативы может включать в себя, по меньшей мере, два устройства для вспомогательного электропитания, каждое с одним выходом, на котором может потребляться вспомогательное напряжение, причем каждый выход устройства для вспомогательного электропитания соединен с входом для вспомогательного электропитания первого блока управления и второго блока управления.

В отличие от уровня техники предусмотрены несколько отделенных от устройства управления устройств для вспомогательного электропитания. Устройства для вспомогательного электропитания в отличие от известных из уровня техники больше не подчинены специально одному блоку управления и не являются интегральными частями блоков управления. Поэтому на соответствующие изобретению блоки управления не подается также относительно высокого напряжения, которое имеется на входе вспомогательного электропитания, а в обычных блоках управления с интегрированным вспомогательным электропитанием имеется также на блоке управления. Наоборот, каждое устройство для вспомогательного электропитания может обеспечивать вспомогательной энергией первый вспомогательный блок управления и/или второй вспомогательный блок управления. И вспомогательное электропитание тем самым осуществлено дублирующим. Предпочтительно при исправном вспомогательном электропитании оба устройства для вспомогательного электропитания используются с возможностью обеспечения только лишь половины необходимой мощности, что приводит к меньшей нагрузке на устройство для вспомогательного электропитания, в частности меньшей термической нагрузке, и тем самым большему сроку службы устройства для вспомогательного электропитания.

Предпочтительно устройства для вспомогательного электропитания являются одинаково устроенными схемными устройствами, что, в частности, упрощает изготовление соответствующего изобретению устройства.

Каждое устройство для вспомогательного электропитания может иметь первый вход, второй вход, третий вход и при необходимости четвертый вход. Через входы устройство может быть соединено с входом выпрямителя тока, с выходом инвертора, с накопителем энергии или входом переключателя. Электропитание устройства для вспомогательного электропитания может осуществляться через любой из трех или четырех входов.

Соответствующее изобретению устройство может иметь датчики для измерения напряжений и/или токов, причем каждый датчик может соединяться через выход датчика лишь с одним блоком управления, и параметр, измеряемый каждым датчиком, может преобразовываться в сигнал малых напряжений, в частности защитный сигнал малых напряжений, который по соединяющему датчик и блок управления проводу может передаваться блоку управления.

По меньшей мере, часть датчиков могут быть соединены друг с другом попарно, причем датчики одной пары датчиков для измерения одинаковых электрических параметров могут быть соединены контактами или проводами с устройством, причем один датчик из пары датчиков может быть соединен с первым блоком управления, а другой датчик из пары датчиков - с вторым блоком управления.

С помощью датчиков может измеряться напряжение на входе выпрямителя тока, на выходе выпрямителя тока, на накопителе энергии, на входе инвертора, на выходе инвертора, на обращенной к сети электропитания стороне переключателя и/или на обращенной к защищаемой сети или защищаемой нагрузке стороне переключателя. В блоках управления измерительные сигналы могут использоваться для регулирования и/или управления выпрямителем тока, инвертором и/или переключателем.

Датчики могут быть образованы одинаково устроенными схемными устройствами.

Блоки управления предпочтительно соединены между собой коммуникационной шиной, например CAN-шиной.

Другие признаки и преимущества изобретения рассматриваются на основе нижеследующего описания варианта осуществления.

На фиг.1 представлено схематическое изображение соответствующего изобретению онлайн-USV.

Соответствующее изобретению онлайн-USV на фиг.1 изображено однополюсным, т.е. изображен только фазовый провод USV, но не нейтральный провод USV. Также мало двухполюсными изображены постоянные напряжения.

Соответствующее изобретению USV включает в себя выпрямитель 1 тока, накопитель 2 энергии, инвертор 3 и переключатель 4. Вход выпрямителя 1 тока соединен с сетью АС1 электропитания. Выход выпрямителя 1 тока соединен, во-первых, с накопителем 2 энергии и, во-вторых, с входом инвертора 3. Выход инвертора 3 соединен с защищаемой сетью АС3. Вход переключателя соединен с сетью АС2 электропитания, а выход переключателя с защищаемой сетью АС3.

Переключатель 4 может в зависимости от его коммутационного положения соединять сеть АС2 электропитания с защищаемой сетью АС3. Если выпрямитель 1 тока и инвертор 3 работают исправно и исправной является также сеть АС1 электропитания, то защищаемая сеть АС3 обеспечивается электрической энергией через выпрямитель 1 тока и инвертор 3. Переключатель прерывает прямое соединение между сетью АС2 электропитания и защищаемой сетью АС3. Одновременно накопитель 2 энергии обеспечивается электрической энергией через выпрямитель 1 тока из выхода выпрямителя 1 тока.

Если электропитание защищаемой сети АС3 сетью электропитания АС1 через выпрямитель 1 тока и инвертор 3 в результате повреждения инвертора 3 прерывается при исправной сети АС2 электропитания, то переключателем 4 восстанавливается прямое соединение между сетью АС2 электропитания и защищаемой сетью АС3. Электропитание тогда происходит в обход выпрямителя 1 тока и инвертора 3.

Если же повреждена сеть АС1 электропитания и сеть АС2 электропитания, а, по меньшей мере, накопитель 2 энергии и инвертор 3 исправны, то переключатель 4 предпочтительно имеет положение выключения и электропитание защищаемой сети происходит через инвертор 3 из накопителя 2 энергии.

Если, наконец, повреждены как сеть АС1 электропитания сеть АС2 электропитания, так и накопитель 2 энергии или инвертор 3, электропитание защищаемой сети АС3 прекращено.

На основании изложенного соответствующее изобретению USV соответствует обычному онлайн-USV.

Соответствующее изобретению USV отличается от обычного USV, как оно описано вначале, новой архитектурой устройства управления, вспомогательного электропитания и регистрации измеряемых параметров.

Новое устройство управления включает в себя первый блок 5 управления и второй блок 6 управления. Блоки 5,6 управления образованы схемными устройствами, расположенными на носителях схем. Схемные устройства предпочтительно устроены одинаково и отличаются лишь программированием, причем программирование может обеспечиваться также подбором отдельных конструктивных элементов, положениями переключателя, перемычками или подбором выходов блоков управления.

Блоки 5, 6 управления выполнены с возможностью осуществления управления или регулирования выпрямителем 1 тока, инвертером 3 и переключателем 4. Для этого блоки 5, 6 управления посредством проводов соединены с двумя компонентами, выпрямителем 1 тока, инвертером 3 или переключателем 4.

Управление или регулирование тремя компонентами 1, 3, 4 или только двумя компонентами USV может происходить одновременно. Возможно, что управляется или регулируется только лишь один из компонентов 1, 3, 4.

Путем программирования блоков 5, 6 управления можно достигать, например, того, что первый блок 5 управления при исправном состоянии блока 5 управления осуществляет управление или регулирование, по меньшей мере, выпрямителем 1 тока. Можно таким же образом достигать того, что второй блок 6 управления при исправном состоянии блока 6 управления может осуществлять управление и/или регулирование, по меньшей мере, инвертером 3.

Как только выходит из строя один из двух блоков 5,6 управления, другой блок 6, 5 управления может принимать на себя функцию вышедшего из строя блока 5, 6 управления в отношении переключателя 4.

Для связи одного блока 5 управления с другим блоком 6 управления оба блока 5, 6 управления соединены между собой шиной, предпочтительно CAN-шиной 7.

Оба блока 5, 6 управления электрической энергией для работы обеспечиваются системой вспомогательного электропитания. Система вспомогательного электропитания образована двумя устройствами 8, 9 для вспомогательного электропитания. Оба устройства 8, 9 для вспомогательного электропитания устроены одинаково. Каждое из них имеет выход, на который подается необходимая для работы блоков 5, 6 электрическая энергия.

Устройства 8, 9 для вспомогательного электропитания получают электрическую энергию в зависимости от ее наличия из сети АС1 электропитания, сети АС2 электропитания, защищаемой сети АС3 или накопителя 2 энергии, поэтому оба устройства 8, 9 для вспомогательного электропитания через входы и провода соединены с сетью АС1 электропитания, сетью АС2 электропитания, защищаемой сетью АС3 и накопителем 2 энергии.

Устройства 8, 9 для вспомогательного электропитания исполнены так, что они могут обеспечивать как первый блок 5 управления, так и блок 6 управления одновременно. Устройства 8, 9 с использованием функции технических средств или программирования, правда, предпочтительно исполнены так, что каждое из них поставляет только половину потребляемой одновременно двумя блоками 5, 6 мощности и, таким образом, при исправных устройствах 8, 9 для вспомогательного электропитания нагружаются только до половины номинальной мощности, что по сравнению с более высокой нагрузкой обеспечивает увеличение срока службы устройств 8, 9 для вспомогательного электропитания.

И, наконец, оба блока 5, 6 управления соединены с датчиками 10, посредством которых электрические параметры измеряются на входе и/или выходе выпрямителя 1 тока и/или инвертора, на накопителе 2 энергии или на переключателе 4 и могут преобразовываться в электрический сигнал малых напряжений. Эти сигналы малых напряжений направляются по проводам блокам 5, 6 управления. В блоках 5, 6 управления сигналы малых напряжений обрабатываются, чтобы осуществлять управление и/или регулирование выпрямителем 1 тока, инвертором 3 и/или переключателем 4 или проверку состояния выпрямителя 1 тока, накопителя 2 энергии, инвертора 3 и/или переключателя 4 и выявление неполадок.

Датчики 10 частично соединены друг с другом попарно, причем датчики (10) одной пары измеряют одинаковые электрические параметры. В то время как датчик 10 одной пары соединен с блоком 5 управления, другой датчик (10) пары соединен с другим блоком 6 управления, поэтому обоим блокам 5, 6 управления частично предоставляется один и тот же электрический параметр. Тем самым обеспечивается дублирование и в отношении датчиков.

Датчики 10 предпочтительно выполнены одинаковыми.

Изобретение относится к устройству для бесперебойного электропитания с выпрямителем (1) тока, накопителем (2) энергии для накопления электрической энергии, инвертером (3), переключателем (4) и устройством управления (5, 6), причем выпрямитель (1) тока с входом выпрямителя тока присоединяем к сети (АС1) электропитания, накопитель (2) энергии присоединен к выходу выпрямителя (1) тока и входу инвертора (3), к выходу инвертора (3) присоединяема защищаемая сеть (АС3) или защищаемый потребитель, вход выпрямителя тока или сеть (АС1) электропитания через переключатель (4) соединяемы с выходом инвертора и выпрямитель (1) тока, инвертор (2) и переключатель (4) управляемы и/или регулируемы устройством управления (5, 6), причем устройство управления (5, 6) включает в себя два блока (5, 6) управления, которые исполнены дублирующими и что блоками (5, 6) управления одновременно управляемы или регулируемы выпрямитель (1) тока и переключатель (4) или инвертор (3) и переключатель (4).Технический результат – повышение надёжности. 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для бесперебойного электропитания, содержащее выпрямитель (1) тока, накопитель (2) энергии для накопления электрической энергии, инвертер (3), переключатель (4) и устройство управления, причем выпрямитель (1) с входом выпрямителя тока выполнен с возможностью присоединения к сети (АС1) электропитания, накопитель (2) энергии присоединен к выходу выпрямителя (1) тока и входу инвертора (3), к выходу инвертора (3) может быть присоединена защищаемая сеть (АС3) или защищаемый потребитель, вход выпрямителя тока или сеть (АС2) электропитания через переключатель (4) могут соединяться с выходом инвертора, а выпрямитель (1) тока, инвертор (2) и переключатель (4) могут управляться и/или регулироваться посредством устройства управления, отличающееся тем, что устройство управления включает в себя два блока (5, 6) управления, которые выполнены дублирующими с возможностью одновременного управления или регулирования выпрямителем (1) тока и переключателем (4) или инвертором (3) и переключателем (4).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блоки (5, 6) управления являются одинаково устроенными схемными устройствами.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что блоки (5, 6) управления программировано, настроечно или через выходы соединены с остальным устройством, причем первый блок (5) управления блоков (5, 6) управления программировано, настроечно или через выходы соединен с остальным устройством так, что при исправном первом блоке (5) управления, по меньшей мере, выпрямитель (1) тока может управляться и/или регулироваться первым блоком (5) управления и причем второй блок (6) управления блоков (5, 6) управления программировано, настроечно или через выходы соединен с остальным устройством так, что при исправном втором блоке (6) управления, по меньшей мере, инвертор (3) может управляться и/или регулироваться вторым блоком (6) управления.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блоки (5, 6) управления программировано, настроечно или через выходы соединены с остальным устройством так, что при неисправном первом блоке (5) управления инвертор (3) и переключатель (4) могут управляться и/или регулироваться вторым блоком (6) управления, а при неисправном втором блоке (6) управления выпрямитель (1) тока и переключатель (4) могут управляться и/или регулироваться первым блоком (5) управления.

5. Устройство по любому из пп.1, 2 или 4, отличающееся тем, устройство включает в себя, по меньшей мере, два устройства (8, 9) для вспомогательного электропитания с двумя выходами, на котором может потребляться вспомогательное напряжение, причем каждый выход соединен с входом для вспомогательного электропитания первого блока (5) управления или второго блока (6) управления.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что устройства (8, 9) для вспомогательного электропитания являются одинаково устроенными схемными устройствами.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что каждое устройство (8, 9) для вспомогательного электропитания имеет первый вход, через который устройство соединено с входом выпрямителя тока, имеет второй вход, через который устройство соединено с выходом инвертора и имеет третий вход, которым устройство соединено с накопителем (2) энергии.

8. Устройство по любому из пп.1, 2, 4, 6, 7, отличающееся тем, что устройство включает в себя датчики (10) для измерения напряжений и/или токов, причем каждый датчик (10) через выход датчика (10) соединен лишь с одним блоком (5, 6) управления и каждым датчиком, измеряемый параметр может быть преобразован в сигнал малых напряжений.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что, по меньшей мере, часть датчиков (10) соединены друг с другом попарно, причем датчики (10) одной пары датчиков для измерения одинаковых электрических параметров соединены контактами или проводами с устройством и причем датчик (10) одной пары датчиков соединен с первым блоком (5) управления, а другой датчик (10) пары датчиков с вторым блоком (6) управления.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что с помощью датчиков (10) можно измерять напряжение на входе выпрямителя тока, на выходе выпрямителя тока, на накопителе (2) энергии, на входе инвертора, на выходе инвертора, на обращенной к сети (АС2) электропитания стороне переключателя и/или на обращенной к защищаемой сети (АС3) или обращенной к нагрузке стороне переключателя (4).

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что датчики (10) являются одинаково устроенными схемными устройствами.

12. Устройство по любому из пп.1, 2, 4, 6, 7, 9-11, отличающееся тем, что блоки (5, 6) управления соединены между собой коммуникационной шиной, например CAN-шиной (8).

13. Устройство по любому из пп.1, 2, 4, 6, 7, 9-11, отличающееся тем, что блоки (5, 6) управления программировано, настроечно или через входы соединены с остальным устройством так, что при неисправном первом блоке (5) управления инвертор (3), выпрямитель (1) тока и переключатель (4) могут управляться и/или регулироваться вторым блоком (6) управления и/или при неисправном втором блоке (6) управления инвертор (3) выпрямитель (1) тока и переключатель (4) могут управляться и/или регулироваться первым блоком управления.

14. Устройство по любому из пп.1, 2, 4, 6, 7, 9-11, отличающееся тем, что блоки управления соединены между собой коммуникационной шиной.