УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H02J9/06 H02H7/09 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электроснабжения ответственных потребителей, не терпящих перерывов в обеспечении электроэнергией.

Известно устройство для автоматического резервирования источника питания, содержащее стабилизатор переменного напряжения, подзарядное устройство, выходной трансформатор, аккумуляторную батарею и схему управления. Устройство имеет высокую степень автоматизации, при которой потребитель обеспечен электроэнергией при одной неисправной сети, при двух неисправных источниках энергии, при этом качество электроэнергии остается высоким, что достигается введением в стабилизатор трех тиристорных ключей, выполняющих роль второго узла регулирования при общих узле коммутации и схеме управления. Устройство нашло широкое применение в нашей стране из-за непрерывности электроснабжения и высокой надежности [1].

Однако можно отметить, что стоимость его является высокой, а настройка и регулировка предопределяют необходимость иметь высококвалифицированный обслуживающий персонал.

Известно устройство для автоматического резервирования источника питания, содержащее три реле минимального напряжения и четыре контактора, трехфазное реле напряжения, подключенное к шинам основного источника питания, а также компенсирующие конденсаторы. При исчезновении напряжения в одной из фаз сети срабатывает трехфазное реле напряжения, обесточивая катушки контакторов, после чего реле минимального напряжения включается таким образом, что катушки контакторов получают питание и замкнут свои контакты, при этом напряжение на зажим электродвигателя, ранее подключенный к рассматриваемой фазе сети, подается с другой фазы через компенсирующий конденсатор и электродвигатель продолжает работать. Достоинством данного устройства является то, что оно обеспечивает резервирование при пропадании одной фазы питающей сети [2].

Однако такое устройство не может обеспечить электроэнергией электродвигатель при обрыве двух любых фаз сети, что приводит к его остановке, а следовательно, и к нарушению процесса функционирования оборудования, которое он обеспечивал вращающимся моментом.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для автоматического резервирования источника питания, содержащее три реле минимального напряжения с размыкающими и замыкающими контактами, компенсирующий конденсатор, фазосдвигающий дроссель и трехфазный асинхронный двигатель. Реле минимального напряжения каждой фазы включено последовательно с размыкающим контактом реле смежной фазы. Компенсирующий конденсатор включен в первую неисправную фазу между источником питания и одноименной фазой двигателя последовательно с замыкающими контактами реле минимального напряжения неповрежденной фазы, а во вторую неисправную фазу между источником питания и соответствующей фазой двигателя введен фазосдвигающий дроссель, соединенный последовательно с указанными контактами.

Положительный эффект в предлагаемом устройстве достигается тем, что при обрыве двух любых фаз сети электроэнергия оставшейся фазы поступает на первую неисправную фазу с помощью компенсирующего конденсатора, а на вторую неисправную фазу - с помощью фазосдвигающего дросселя, подключенные между источником питания и соответствующими фазами электродвигателя, последовательно соединенными с замыкающими контактами реле минимального напряжения неповрежденной фазы [3].

Однако применение этого устройства сопровождается снижением выходной мощности на валу электродвигателя на 40-50% из-за конструктивных особенностей применяемой элементной базы (конденсатора и дросселя).

К таким особенностям относятся:

большие величины сопротивлений фазосдвигающего дросселя (десятки Ом) и компенсирующего конденсатора (сотни Ом), в сравнении с сопротивлением обмоток электродвигателя (единицы Ом), обуславливают уменьшение тока, подаваемого в электродвигатель, и падение напряжения на них. В результате мощность, отдаваемая в электродвигатель через фазосдвигающий дроссель, в сравнении с исправной фазой, уменьшается на 20-30%, а через компенсирующий конденсатор - на 30-40%;

дискретность номинального ряда применяемой элементной базы (конденсатор, дроссель) не позволяет создать точные фазовые сдвиги на -120 град. и +120 град, что также приводит к снижению мощности электродвигателя на 10-20% в зависимости от величины отклонения фактического фазового сдвига от требуемого (120 град.).

Кроме того, из-за разных величин сопротивлений фазосдвигающего дросселя и компенсирующего конденсатора, а они отличаются на порядок, в обмотках электродвигателя возникает неравномерное распределение электромагнитного поля, что и обуславливает нестабильность вращения его вала.

Цель предлагаемого изобретения - поддержание номинальной выходной мощности на валу трехфазного электродвигателя при обрыве двух любых фаз сети и повышение стабильности его вращения.

Поставленная цель достигается тем, что вместо фазосдвигающего дросселя и компенсирующего конденсатора предлагается использовать две электрические цепи, каждая из которых состоит из делителя напряжения, осуществляющего понижение напряжения исправной фазы; фазовращателя, построенного на основе операционного усилителя и обеспечивающего фазовый сдвиг исправной фазы на -120 град. в первой электрической цепи, а во второй - на +120 град. Сдвинутый по фазе сигнал затем усиливается по мощности в усилителе мощности и подается на соответствующую обмотку электродвигателя. Оба фазовращателя и усилителя мощности запитываются двуполярным постоянным напряжением ±27 В и ±220 В соответственно, которое формируется с помощью выпрямителя от исправной фазы. Использование в предлагаемом устройстве активных элементов (усилителя мощности) взамен пассивных (компенсирующего конденсатора и фазосдвигающего дросселя) позволяет компенсировать потери электроэнергии в процессе формирования двух любых отсутствующих фаз из исправной фазы, а применение в обеих электрических цепях фазовращателей, на основе операционных усилителей с RC-фильтрами, обеспечивает точный сдвиг фаз напряжений питания электродвигателя. В результате в обмотках электродвигателя формируется симметричное трехфазное напряжение с необходимыми параметрами (амплитудой, фазой), которое обеспечивает номинальную мощность на валу электродвигателя и стабильность его вращения.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства автоматического резервирования источника питания трехфазного электродвигателя от одной фазы (на примере фазы A сети). На фиг.2 - электрическая схема формирования фаз в устройстве автоматического резервирования источника питания. На фиг.3 - электрическая схема фазовращателей устройства автоматического резервирования источника питания.

Предлагаемое устройство автоматического резервирования источника питания (фиг.1) содержит:

схему коммутации 1-18, предназначенную для автоматического обнаружения обрыва двух любых фаз сети и подключения электроцепей 19-21, 22-24 между исправной фазой и соответствующей обмоткой электродвигателя 26, 27, 28;

делители напряжения 19, 22, предназначенные для понижения величины напряжения исправной фазы до уровня, обеспечивающего нормальное функционирование фазовращателей 20, 23;

фазовращатель -120 град. 20 и фазовращатель +120 град. 23, построенные на основе операционных усилителей, с входными RC-фильтрами, и предназначенные для обеспечения точного фазового сдвига исправной фазы соответственно на -120 град и +120 град.;

усилители мощности 21, 24, предназначенные для усиления сдвинутых по фазе на -120 град. и +120 град. гармонических сигналов по напряжению и току;

выпрямитель 25, который преобразует переменное напряжение исправной фазы в постоянное двуполярное напряжение ±27 В, необходимое для питания фазовращателей 20, 23 и ±220 В - для питания усилителей мощности 21, 24;

обмотки электродвигателя 26, 27, 28, которые обеспечивают создание крутящегося момента для ротора электродвигателя.

Электрическая схема формирования фаз в предлагаемом устройстве автоматического резервирования источника питания (фиг.2) содержит:

три реле 1-3 минимального напряжения, контролирующие напряжение в фазах A, B и C сети, относительно нейтрали O, с размыкающими 4-6 и замыкающими 7-18 контактами. Размыкающие контакты 4-6 реле 1-3 предназначены для отключения устройства при наличии всех трех фаз сети, при этом контакт 4 принадлежит реле 2, контакт 5 - реле 3, а контакт 6 - реле 1. Замыкающие контакты 7-12 обеспечивают коммутацию первой неисправной фазы на неповрежденную фазу с помощью электрической цепи 19, 20, 21, а замыкающие контакты 13-18 реле 1-3 - коммутацию второй неисправной фазы на неповрежденную фазу посредством электрической цепи 22, 23, 24. Электрическая цепь 19, 20, 21 обеспечивает одну из фаз трехфазного электродвигателя, например фазу 27, а электрическая цепь 22, 23, 24 - электроэнергией фазу 28 трехфазного электродвигателя;

делители напряжения 19, 22 выполняются на резисторах с расчетными номиналами сопротивлений и мощности;

фазовращатели +120 град. 23 (фиг.3, а) и -120 град. 20 (фиг.3, б) построены на операционных усилителях с RC-фильтрами на неинверсных входах. Их передаточные функции имеют следующий вид:

, ,

где s=jω - комплексная переменная; τ=RC - постоянная времени фильтра; R - сопротивление фильтра; C - емкость фильтра; ω - круговая частота фазы. Величины фазовых сдвигов для фазовращателей 23 и 20 рассчитываются по формулам

.

Для заданных , по формулам (1), (2) определяют постоянную времени фильтра τ, а затем подбирают величины R и C для построения фильтров фазовращателей.

Величины сопротивлений R1 и R2 и определяются из соотношений

, ,

где K_u - коэффициент усиления по напряжению фазовращателя; U_вых0 - допустимый уровень ошибки по постоянной составляющей, выбирается в пределах U_вых0=(0,01…0,2)U_вых; U_см - напряжение смещения операционного усилителя (определяется по справочнику); ΔI_вх - входной ток операционного усилителя;

усилители мощности 21, 24 усиливают фазовые сигналы, поступающие с фазовращателей 20, 23 по напряжению, а затем по току. Схемные решения их построения стандартные и могут реализовываться как на биполярных, так и на полевых мощных транзисторах;

выпрямитель 25 формирует для фазовращателей 20, 23 двуполярное постоянное напряжение питания ±27 В, а для усилителей мощности 21, 24 - ±220 В. Он запитывается от исправной фазы через контакты 7, 11, 12. Схемотехническое его построение классическое - мощный диодный выпрямитель и сглаживающий конденсатор на положительную и отрицательную полуволны фазного напряжения для формирования двуполярного напряжения;

к клеммам 26-28 подключены соответствующие фазовые обмотки электродвигателя.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При наличии всех трех фаз сети срабатывают реле 1-3, при этом их контакты 4-6 размыкаются, обесточивая все реле, поэтому контакты 7-18 не замыкаются, а фазы 26-28 электродвигателя подключены к соответствующим фазам сети. При обрыве двух любых фаз сети, например фаз B и C, срабатывает реле 1, при этом его контакт 6 размыкается, а контакты 7, 10, 13 и 16 замыкаются. При замыкании контактов 7 и 10 напряжение с исправной фазы поступает на делитель напряжения 19, где понижается до уровня обеспечивающего нормальное функционирование фазовращателя 20. Фазовращатель 20 сдвигает исправную фазу на -120 град, которая затем поступает в усилитель мощности 21. В нем она вначале усиливается по напряжению до величины 220 В, а затем по току, формируя сигнал по мощности, равный исправной фазе, который затем поступает в обмотку 27 электродвигателя.

При замыкании контактов 13 и 16 напряжение с исправной фазы поступает на делитель напряжения 22, где понижается до уровня, обеспечивающего нормальное функционирование фазовращателя 23. Фазовращатель 23 сдвигает исправную фазу на +120 град., которая затем поступает в усилитель мощности 24. В нем она вначале усиливается по напряжению до величины 220 В, а затем по току, формируя сигнал по мощности, равный исправной фазе, который затем поступает в обмотку 28 электродвигателя.

При обрыве фаз A и B, C и A механизм подключения трехфазного электродвигателя двигателя к сети аналогичный описанному. Состояния элементов устройства во всех режимах работы приведены в таблице.

Режим Реле Размыкающие контакты Замыкающие контакты Электроцепь №1 Электроцепь №2 Клеммы нагрузки 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 26 27 28 Наличие всех фаз - - - + + + - - - - - - - - - - - - - - + + + Обрыв фаз A и B - - + - + - - - + - - - - - + - - + + + + + + Обрыв фаз B и C + - - - - + + - - + - - + - - + - - + + + + + Обрыв фаз C и A - + - + - - - + - - + - - + - - + - + + + + +

Таким образом, замена пассивных элементов фазосдвигающего дросселя и компенсирующего конденсатора на две активные электрические цепи, каждая из которых состоит из делителя напряжения; фазовращателя, обеспечивающего фазовый сдвиг исправной фазы на -120 град., в первой электрической цепи, а во второй - на +120 град.; усилителя мощности, а также выпрямителя, обеспечивающего двуполярным постоянным напряжением фазовращатели и усилители мощности позволяет от одной исправной фазы формировать симметричное трехфазное напряжение с требуемыми параметрами (амплитудой, фазой) в обмотках электродвигателя, что обеспечивает на его валу номинальную мощность и стабильность вращения. Симметричность формируемого трехфазного напряжения достигается компенсацией потери энергии за счет применения активных электрических цепей, точной установкой фазовых сдвигов (-120 град. и +120 град.) с помощью фазовращателей на операционных усилителях с RC-фильтрами и идентичностью параметров активных электрических цепей.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №522536, кл. H02J 9/06, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР №633110, кл. H02J 9/06, 1977.

3. Патент РФ №2006134, кл. H02J 9/06, H02M 5/14, 1991.

Использование: в области электротехники. Технический результат - сохранение номинальной выходной мощности и стабильности функционирования трехфазного электродвигателя при обрыве любых двух фаз сети. Устройство содержит три реле минимального напряжения с размыкающими и замыкающими контактами, две электрические цепи, выпрямитель и трехфазный электродвигатель. Реле минимального напряжения каждой фазы включено последовательно с размыкающим контактом реле смежной фазы, а первая электрическая цепь включена в первую неисправную фазу между исправной фазой и одноименной фазой электродвигателя последовательно с замыкающими контактами реле минимального напряжения исправной фазы, а во вторую фазу между исправной фазой и соответствующей фазой двигателя включена вторая электрическая цепь, соединенная последовательно с указанными контактами. Первая цепь состоит из делителя напряжения, фазовращателя, обеспечивающего фазовый сдвиг исправной фазы на -120 град., и усилителя мощности. Вторая цепь состоит из делителя напряжения, фазовращателя, обеспечивающего фазовый сдвиг исправной фазы на +120 град., и усилителя мощности. Поддержание номинальной выходной мощности на валу трехфазного электродвигателя и стабильность его вращения обеспечивается симметричностью формируемого трехфазного напряжения, которая достигается компенсацией потерь электроэнергии при ее прохождении через активные электрические цепи, точной установкой фазовых сдвигов (-120 град. и +120 град.) с помощью фазовращателей на операционных усилителях с RC-фильтрами, а также идентичностью параметров активных электрических цепей. 4 ил.

Устройство для автоматического резервирования источника питания при обрыве двух любых фаз сети, содержащее трехфазный электродвигатель и три реле минимального напряжения с размыкающими и замыкающими контактами, реле минимального напряжения каждой фазы включено последовательно с размыкающим контактом реле смежной фазы, отличающееся тем, что в устройство введены одна электрическая цепь, состоящая из делителя напряжения, фазовращателя, обеспечивающего фазовый сдвиг исправной фазы на -120 градусов, и усилителя мощности, и другая электрическая цепь, состоящая из делителя напряжения, фазовращателя, обеспечивающего фазовый сдвиг исправной фазы на +120 градусов, и усилителя мощности, при наличии всех трех фаз сети размыкающие контакты реле минимального напряжения отключают устройство для автоматического резервирования от электродвигателя, при обрыве двух фаз замыкающие контакты реле минимального напряжения неповрежденной фазы обеспечивают коммутацию первой неисправной фазы на неповрежденную фазу через упомянутую одну электрическую цепь и коммутацию второй неисправной фазы на неповрежденную фазу через упомянутую другую электрическую цепь, обеспечивая номинальную мощность на валу электродвигателя, в устройство также введен выпрямитель, обеспечивающий двуполярным постоянным напряжением оба фазовращателя и усилителя мощности.