УСТРОЙСТВО ГАРАНТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H02J9/06 H02J7/00 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для бесперебойного питания ответственных потребителей трехфазного переменного тока: собственных нужд атомных электростанций, средств связи, компьютерных систем.

По схемным решениям и типу используемого оборудования различают две основные группы трехфазных устройств гарантированного электропитания. К первой группе относятся комбинированные устройства гарантированного электропитания, в схемных решениях которых используются одновременно электромашинные и статические преобразователи. Вторая группа объединяет устройства, выполненные с использованием только статических преобразователей. Выбор конкретного типа устройства гарантированного электропитания осуществляется в соответствии с предъявляемыми к нему требованиями по: энергетическим характеристикам, необходимости защиты потребителей от утечки конфиденциальной информации, необходимости резервирования и способу ввода резерва, надежности, сроку службы, уровню шума.

Известно устройство бесперебойного питания по патенту RU 2346373 C1 H02J 9/04, 2009. Известное устройство содержит статический преобразователь, подключенный к электросети и состоящий из выпрямителя, инвертора, для подачи переменного напряжения потребителям, не нуждающимся в гальванической развязке, и накопителя энергии постоянного тока, переменное напряжение также подается на электромашинный преобразователь, состоящий из асинхронного двигателя, соединенного общим валом с возбудителем и генератором, обмотки которых расположены на совмещенном статоре, и автоматического регулятора напряжения, который через дополнительную обмотку возбудителя изменяет ток возбуждения генератора в соответствии с законом изменения тока потребителя.

Недостатком известного устройства бесперебойного питания является необходимость двойного преобразования электроэнергии в статическом преобразователе, в том числе и электроэнергии для потребителей, нуждающихся в гальванической развязке, что существенно снижает энергетические характеристики устройства.

В агрегатах бесперебойного питания со статическими преобразователями питание ответственных потребителей осуществляется в нормальном режиме от сети переменного тока путем преобразования его вначале в напряжение постоянного тока с последующим преобразованием в напряжение переменного тока. При временном отключении напряжения сети трехфазного переменного тока питание ответственных потребителей осуществляется от накопителя энергии постоянного тока (электролитические конденсаторы, молекулярные накопители, аккумуляторы) путем преобразования посредством инвертора напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока.

Известен агрегат бесперебойного питания с трехфазной сетью, трехфазным выпрямителем, дизель-генераторным агрегатом, переключателем входа, аккумуляторной батареей, шинами постоянного тока, первым и вторым инверторами и шинами переменного тока (RU 2225668 C1, H02J 9/06, 2004). Также агрегат снабжен стабилизатором постоянного напряжения и дополнительным трехфазным выпрямителем. Аккумуляторная батарея выполнена с первым и вторым выходами. Первый выход соединен с плюсовым зажимом трехфазного выпрямителя через первый и второй электронные ключи, второй выход соединен с плюсовой шиной постоянного напряжения через третий электронный ключ, выход которого соединен с плюсовой шиной постоянного тока и плюсовым выводом стабилизатора постоянного напряжения. Выход первого инвертора соединен с обоими входами второго инвертора с помощью трансформатора тока, выпрямителя, Г-образного фильтра, состоящего из дросселя и конденсатора. При этом к выходам обоих инверторов подключены шины переменного тока. Второй инвертор подключен к плюсовой шине постоянного тока через четвертый электронный ключ, а к минусовой шине непосредственно. Указанные электронные ключи выполнены диодными.

Однако известное устройство является достаточно сложным и имеет низкие энергетические характеристики.

Известно устройство бесперебойного автоматического включения резерва по патенту RU 2503114 C1 (H02J 9/00, H02J 9/06, 2013). Известное устройство содержит выводы для подключения основной и резервной трехфазной сети, два трехфазных трансформаторно выпрямительных устройства, своими выходами подключенных на шины постоянного тока, от которых через два трехфазных инвертора и соответствующие трехфазные тиристорные ключи запитаны шины переменного тока, и выполненных по многомостовой схеме выпрямления (выпрямительные мосты), при этом многомостовая схема выпрямления содержит трехобмоточный трансформатор с двумя вторичными обмотками, соединенными по схемам «звезда» и «треугольник», которые своими входами подключены к двум вводам основной и резервной трехфазной сети постоянно, молекулярный накопитель энергии, своим зарядно-разрядным выводом подключенный к шинам постоянного тока, а благодаря тиристорным ключам обеспечивается синхронизация трехфазных инверторов при включении (отключении) неисправного трехфазного инвертора от шин переменного тока.

Недостатком известного устройства являются его не высокие энергетические показатели, обусловленные необходимостью двойного преобразования электроэнергии и необходимостью использования ряда устройств: фильтры, устройства обмена электроэнергии в инверторе.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является устройство бесперебойного питания ответственных потребителей трехфазного переменного тока, приведенное в описании изобретения по патенту RU 2540966 C1 H02J 9/06, H02J 9/00, Н02М 5/451, 2015. Известное устройство включает в себя входные клеммы для подвода трехфазного переменного тока, тройной контактор для включения/отключения цепи переменного тока, входные клеммы для подвода постоянного тока (положительную и отрицательную), двойной контактор для включения/отключения цепи постоянного тока, а также фазные дроссели, стоящие в цепи каждой фазы, основной выпрямитель, фильтрующий конденсатор и инвертор. Положительная входная клемма подвода постоянного тока через двойной контактор и разделительные диоды подключена к точкам соединения каждого фазного дросселя с тройным контактором, отрицательная клемма подключена через двойной контактор к общей минусовой точке выпрямителя. Выпрямитель выполнен на базе транзисторных чопперов (IGBT-транзисторах и диодах), обеспечивающих регулирование напряжения при питании от сети постоянного тока. Напряжение с выпрямителя фильтруется конденсатором и поступает на вход инвертора, преобразующего постоянный ток в трехфазный переменный ток, поступающий к нагрузке. Входные клеммы постоянного тока также подключены к группе гальванической развязки из последовательно соединенных: высокочастотного инвертора, трансформатора и дополнительного нерегулируемого выпрямителя. При этом выходы дополнительного выпрямителя подключены к выходам основного выпрямителя, соответственно плюс с плюсом, минус с минусом. Таким образом, группа гальванической развязки подключена непосредственно к источнику постоянного тока, а по выходу - к выходным клеммам основного выпрямителя. Группа гальванической развязки включается только на короткое время, определяемое временем переключения силовых контакторов питающих цепей.

К недостаткам известного устройства можно отнести необходимость двойного преобразования электроэнергии, что усложняет устройство. Кроме того, известное устройство предполагает использование в качестве резервного источника электроснабжения ответственных потребителей трехфазного переменного тока источника постоянного тока (высоковольтной аккумуляторной батареи) с выходным напряжением 175-320 В, что обусловлено схемой подключения источника постоянного тока (параллельно выпрямителю) и необходимостью обеспечения требуемого трехфазного переменного напряжения на выходе инвертора в течение определенного (заданного) периода времени при отключении трехфазного переменного тока на входе. Использование высоковольтной аккумуляторной батареи повышает стоимость устройства в целом, отрицательно сказывается на его массогабаритных показателях и усложняет обслуживание.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства гарантированного электропитания с улучшенными энергетическими характеристиками, питаемого от основной сети трехфазного переменного тока и резервного источника постоянного тока, обеспечивающего преобразование, как переменного трехфазного тока, так и постоянного тока в трехфазный переменный ток с требуемыми частотой и напряжением, обеспечивающего возможность использования низковольтного источника постоянного тока и способного работать в режиме выпрямителя, обеспечивая зарядку (подзарядку) источника постоянного тока.

Указанная задача решается тем, что предложено устройство гарантированного электропитания, содержащее идентичные первый и второй преобразователи частоты, включающие каждый соответствующие входные зажимы А, В, С, причем входные зажимы первого преобразователя частоты выполнены с возможностью подключения к питающей сети трехфазного переменного тока, а входные зажимы второго преобразователя частоты выполнены с возможностью подключения к источнику постоянного тока. При этом один из входных зажимов второго преобразователя частоты выполнен с возможностью подключения к плюсовому выводу источника постоянного тока, а два других - к минусовому выводу последнего. Упомянутые преобразователи частоты включают каждый выходные зажимы для подключения трехфазной нагрузки, три одинаково выполненных трехфазных трансформатора, каждый из которых включает первую и вторую входные и выходную трехфазные обмотки, начальные выводы фазных обмоток первой входной трехфазной обмотки и концы фазной обмотки второй входной трехфазной обмотки подключены к соответствующим входным зажимам А, В, С, а другие выводы каждой из входных трехфазных обмоток подключены к соответствующему этой обмотке коммутирующему элементу в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом в цепи постоянного тока. Фазные обмотки входных трехфазных обмоток одного трехфазного трансформатора последовательно подключены к входным зажимам А, В, С, а фазные обмотки входных трехфазных обмоток двух других трехфазных трансформаторов последовательно подключены соответственно к входным зажимам В, С, А и С, А, В. При этом одноименные фазные обмотки выходных трехфазных обмоток упомянутых трехфазных трансформаторов соединены последовательно в три ветви, которые объединены в схему звезда и образуют трехфазный выход для подключения к упомянутой трехфазной нагрузке.

В варианте выполнения устройство в качестве электронного ключа содержит транзистор.

В другом варианте выполнения устройство в качестве электронного ключа содержит тиристор.

Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно обеспечивает возможность непосредственного преобразования, как трехфазного переменного тока, так и постоянного тока в трехфазный переменный ток с требуемыми частотой и напряжением при использовании в том и другом случае идентичных преобразователей частоты с одной и той же принципиальной схемой, что упрощает и удешевляет устройство. При этом устройство имеет пренебрежимо малое время перехода на источник постоянного тока (аккумуляторную батарею). Вместе с этим изобретение обеспечивает возможность использования низковольтного источника постоянного тока, а также обеспечивает зарядку (подзарядку) последнего при работе устройства в нормальном режиме, что позволяет расширить функциональные возможности устройства. Кроме того, благодаря возможности использования низковольтного источника постоянного тока упрощается обслуживание устройства, что расширяет его эксплуатационные возможности.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства гарантированного электропитания; на фиг. 2 - схема преобразователя частоты; на фиг. 3 - диаграммы формирования напряжения на выходе устройства гарантированного электропитания при питании устройства от сети трехфазного переменного тока; на фиг. 4 - диаграммы формирования напряжения на выходе устройства гарантированного электропитания при питании от источника постоянного тока; на фиг. 5 - диаграммы формирования напряжения на входном зажиме В, преобразователя частоты, подключенного к источнику постоянного тока, при питании устройства от сети трехфазного переменного тока; на фиг. 6 - то же на входном зажиме С; на фиг. 7 - то же на входном зажиме А. На диаграммах: U_A1 - напряжение, формируемое на фазных обмотках трехфазных обмоток 10, 11 трехфазного трансформатора 7; U_B1 - напряжение, формируемое на фазных обмотках трехфазных обмоток 13, 14 трехфазного трансформатора 8; U_C1 - напряжение, формируемое на фазных обмотках трехфазных обмоток 16, 17 трехфазного трансформатора 9; U_A - суммарное фазное напряжение, формируемое в фазе А устройства гарантированного электропитания (на фазных обмотках трехфазных обмоток 12, 15, 18); ω - круговая частота; t - время; 25 - 30 - интервалы включения соответствующих электронных ключей.

Устройство гарантированного электропитания содержит два идентичных преобразователя частоты 1 и 2, включающий каждый соответствующие входные зажимы А, В, С. Входные зажимы преобразователя частоты 1 выполнены с возможностью подключения к питающей сети 3 трехфазного переменного тока. Входные зажимы преобразователя частоты 2 выполнены с возможностью подключения к источнику 4 постоянного тока (аккумуляторной батарее). Один из входных зажимов преобразователя частоты 2 выполнен с возможностью подключения к плюсовому выводу источника 4 постоянного тока, а два других входных зажима - к минусовому выводу источника 4 постоянного тока. Преобразователи частоты 1 и 2 включают каждый выходные зажимы 5 для подключения трехфазной нагрузки 6, три одинаково выполненных трехфазных трансформатора 7-9. Каждый из трехфазных трансформаторов 7-9 включает две (первую и вторую) входные и выходную трехфазные обмотки. На трехфазном трансформаторе 7 расположены входные трехфазные обмотки 10, 11 и выходная трехфазная обмотка 12. На трехфазном трансформаторе 8 расположены входные трехфазные обмотки 13, 14 и выходная трехфазная обмотка 15. На трехфазном трансформаторе 9 расположены входные трехфазные обмотки 16, 17 и выходная трехфазная обмотка 18. Упомянутые входные и выходные трехфазные обмотки включают фазные обмотки. Начальные выводы фазных обмоток первой входной трехфазной обмотки и концы фазной обмотки второй входной трехфазной обмотки каждого трехфазного трансформатора подключены к соответствующим входным зажимам А, В, С, а другие выводы каждой из входных трехфазных обмоток трехфазного трансформатора подключены к соответствующему этой обмотке коммутирующему элементу 19-24 в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом (25-30) в цепи постоянного тока. При этом фазные обмотки входных трехфазных обмоток трехфазного трансформатора 7 последовательно подключены к входным зажимам А, В, С, а фазные обмотки входных трехфазных обмоток трехфазных трансформаторов 8 и 9 последовательно подключены соответственно к входным зажимам В, С, А и С, А, В, причем одноименные фазные обмотки выходных трехфазных обмоток 12, 15, 18 трехфазных трансформаторов 7-9 соединены последовательно в три ветви, которые объединены в схему звезда и образуют трехфазный выход для подключения к трехфазной нагрузке 6.

В варианте выполнения устройство гарантированного электропитания в качестве электронных ключей содержит, например, транзисторы 25-30. В другом варианте выполнения устройство гарантированного питания в качестве электронных ключей может содержать тиристоры. Также устройство содержит блок 31 управления.

Устройство гарантированного электропитания работает следующим образом.

В нормальном режиме устройство работает от питающей сети 3 трехфазного переменного тока. Преобразование трехфазного переменного тока в устройстве основано на принципе трехполосной модуляции, в котором модулирующая функция формирования выходной частоты и выходного напряжения в каждой фазе нагрузки реализуется путем циклических подключений трехфазных входных обмоток 10, 11, 13, 14, 16, 17 трехфазных трансформаторов 7-9 к питающей трехфазной сети 3 через равные интервалы времени одновременно по трем фазам по круговой диаграмме, а их отключение осуществляется в пределах прямой и обратной полуволн каждой из фаз входного трехфазного напряжения. Подключение трехфазных обмоток 10, 11, 13, 14, 16, 17 к сети трехфазного переменного тока осуществляется при включении ключей 25-30 в коммутирующих элементах 19-24.

Частота выходного напряжения в устройстве гарантированного электропитания при его работе от сети переменного тока определяется выражением

где f_c - частота сети трехфазного переменного тока, f₁ - частота следования управляющих импульсов, поступающих от блока 31 управления на электронные ключи 25-30.

Таким образом, если необходимо устройство гарантированного электропитания с частотой трехфазного переменного тока на шинах нагрузки 50 Гц, то частота следования управляющих импульсов на ключи 25-30 должна составлять 100 Гц. Если, например, необходимо устройство с частотой трехфазного переменного тока на шинах нагрузки 400 Гц, то частота следования управляющих импульсов на ключи 25-30 должна составлять 450 Гц.

Амплитуда напряжения в фазах нагрузки в устройстве гарантированного электропитания является суммой напряжений, формируемых на всех трех фазных выходных обмотках трехфазных трансформаторов 7-9.

Плавное регулирование амплитуды напряжений на выходе устройства гарантированного электропитания осуществляется за счет изменения продолжительности включенного состояния ключей 25-30 (транзисторов или тиристоров).

На фиг. 3 показана диаграмма формирования напряжения в фазе А при проводимости ключей 60° (по круговой диаграмме). В этом режиме преобразователь 2 частоты, подключенный своим входом к источнику 4 постоянного тока, работает в режиме выпрямителя, заряжая (подзаряжая) источник постоянного тока (аккумуляторную батарею). Преобразование (выпрямление) трехфазного переменного тока в преобразователе 2 частоты также основан на принципе трехполосной модуляции, в котором модулирующая функция формирования выходного напряжения в каждой фазе нагрузки реализуется путем циклических подключений трехфазных входных обмоток 10, 11, 13, 14, 16, 17 трехфазных трансформаторов 7-9 к сети трехфазного переменного тока нагрузки через равные интервалы времени одновременно по трем фазам по круговой диаграмме, а их (т.е. обмоток) отключение осуществляется в пределах прямой и обратной полуволн каждой из фаз трехфазного напряжения. Подключение трехфазных обмоток 10, 11, 13, 14, 16, 17 к сети трехфазного переменного тока нагрузки осуществляется при включении ключей 25-30 в коммутирующих элементах 19-24. При этом на зажимах В и С преобразователя 2 частоты формируется отрицательное напряжение (см. фиг. 5, 6), а на зажиме А преобразователя 2 частоты - положительное напряжение (см. фиг. 7). Частота следования управляющих импульсов на ключи 25-30 равна частоте сети трехфазного переменного тока на нагрузке 6.

При отключении питающей сети 3 трехфазного переменного тока, питающего преобразователь 1 частоты, или выходе из строя преобразователя 1, преобразователь 2 частоты автоматически (без переключений в блоке 31 управления) переходит в режим преобразования постоянного напряжения источника 4 постоянного тока, подключенного к входу преобразователя 2, в трехфазный переменный ток на выходе преобразователя 2, подключенного к нагрузке 6 (диаграмма формирования выходного напряжения в фазе А показана на фиг. 4). Автоматический переход к резервному источнику энергопитания осуществляется за счет свойства преобразователя частоты проводить энергию в обоих направлениях, что обеспечивают коммутирующие элементы, выполненные с использованием трехфазных диодных мостов с управляемыми ключами в их диагоналях. Принцип преобразования электроэнергии постоянного тока в трехфазный переменный ток в преобразователе 2 частоты аналогичен принципу преобразования электроэнергии, приведенному выше. Частота следования управляющих импульсов на ключи 25-30 в этом режиме также равна частоте сети трехфазного переменного тока на нагрузке 6. Регулирование напряжения на нагрузке 6 осуществляется в преобразователях 1, 2 частоты путем изменения продолжительности включенного состояния ключей 25-30. Аналогичным образом регулируют и напряжение заряда (подзаряда) источника 4 постоянного тока в преобразователе 2.

Синхронизацию выходов преобразователей 1, 2 при переходе с основного источника электропитания на резервный источник электропитания и обратно обеспечивает блок 31 управления.

В сравнении с ближайшим аналогом по патенту RU 2540966 предлагаемое устройство обеспечивает возможность использования в качестве резервного источника электропитания низковольтной аккумуляторной батареи с напряжением 24-48 В и менее, что достигается благодаря особенностям выполнения схемы подключения аккумуляторной батареи и использованию преобразователя частоты (циклопреобразователя), способного работать в режиме выпрямителя и преобразователя частоты (без изменения схемного решения и изменения порядка следования сигналов управления на его управляемые ключи). В нормальном режиме преобразователь 2 работает как выпрямитель, обеспечивая заряд (подзаряд) аккумуляторной батареи за счет отбора электроэнергии трехфазного переменного тока на стороне нагрузки 6, а в аварийном режиме (когда отключается сеть трехфазного переменного тока на входе устройства) он автоматически переходит в режим преобразования электроэнергии постоянного тока аккумуляторной батареи в трехфазный переменный ток, питающий нагрузку 6. Согласование уровней напряжений на аккумуляторной батарее и нагрузке обеспечивается в преобразователе 2 за счет коэффициента трансформации трехфазных трансформаторов преобразователя и регулирования напряжения в нем. Напряжение и емкость источника постоянного тока (аккумуляторной батареи) определяются временем, необходимым для отключения потребителей (например, с целью исключить потерю информации компьютерных систем), или временем, необходимым для восстановления источника трехфазного переменного тока, или временем, необходимым для подключения аварийного источника трехфазного переменного тока (например, дизельной электростанции).

Таким образом, благодаря особенности исполнения устройства гарантированного электропитания изобретение обеспечивает возможность создания устройства гарантированного электропитания, обеспечивающего возможность непосредственного преобразования, как трехфазного переменного тока, так и постоянного тока в трехфазный переменный ток с требуемыми частотой и напряжением при использовании в том и другом случае идентичных преобразователей частоты с одной и той же принципиальной схемой, что упрощает и удешевляет устройство. Вместе с этим изобретение обеспечивает возможность использования низковольтного источника постоянного тока, а также обеспечивает зарядку (подзарядку) последнего при работе устройства в нормальном режиме, что позволяет расширить функциональные возможности устройства гарантированного электропитания.

Использование – в области электротехники. Технический результат - упрощение устройства гарантированного электропитания и расширение его функциональных и эксплуатационных возможностей. Согласно изобретению устройство содержит идентичные первый и второй преобразователи частоты (ПЧ), включающие каждый соответствующие входные зажимы А, В, С. Входные зажимы первого ПЧ выполнены с возможностью подключения к питающей сети трехфазного переменного тока, а входные зажимы второго ПЧ выполнены с возможностью подключения к источнику постоянного тока. Один из входных зажимов второго ПЧ выполнен с возможностью подключения к плюсовому выводу источника постоянного тока, а два других - к минусовому выводу последнего. ПЧ включают каждый выходные зажимы для подключения трехфазной нагрузки, три одинаково выполненных трехфазных трансформатора, каждый из которых включает первую и вторую входные и выходную трехфазные обмотки. Начальные выводы фазных обмоток первой входной трехфазной обмотки и концы фазной обмотки второй входной трехфазной обмотки подключены к соответствующим входным зажимам А, В, С, а другие выводы каждой из входных трехфазных обмоток подключены к соответствующему этой обмотке коммутирующему элементу в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом в цепи постоянного тока. Фазные обмотки входных трехфазных обмоток одного трехфазного трансформатора последовательно подключены к входным зажимам А, В, С, а фазные обмотки входных трехфазных обмоток двух других трехфазных трансформаторов последовательно подключены соответственно к входным зажимам В, С, А и С, А, В. Одноименные фазные обмотки выходных трехфазных обмоток трехфазных трансформаторов соединены последовательно в три ветви, которые объединены в схему «звезда» и образуют трехфазный выход для подключения к трехфазной нагрузке. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство гарантированного электропитания, содержащее идентичные первый и второй преобразователи частоты, включающие каждый соответствующие входные зажимы А, В, С, причем входные зажимы первого преобразователя частоты выполнены с возможностью подключения к питающей сети трехфазного переменного тока, а входные зажимы второго преобразователя частоты выполнены с возможностью подключения к источнику постоянного тока, при этом один из входных зажимов второго преобразователя частоты выполнен с возможностью подключения к плюсовому выводу источника постоянного тока, а два других - к минусовому выводу последнего, причем упомянутые преобразователи частоты включают каждый выходные зажимы для подключения трехфазной нагрузки, три одинаково выполненных трехфазных трансформатора, каждый из которых включает первую и вторую входные и выходную трехфазные обмотки, начальные выводы фазных обмоток первой входной трехфазной обмотки и концы фазной обмотки второй входной трехфазной обмотки подключены к соответствующим входным зажимам А, В, С, а другие выводы каждой из входных трехфазных обмоток подключены к соответствующему этой обмотке коммутирующему элементу в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом в цепи постоянного тока, фазные обмотки входных трехфазных обмоток одного трехфазного трансформатора последовательно подключены к входным зажимам А, В, С, а фазные обмотки входных трехфазных обмоток двух других трехфазных трансформаторов последовательно подключены соответственно к входным зажимам В, С, А и С, А, В, при этом одноименные фазные обмотки выходных трехфазных обмоток упомянутых трехфазных трансформаторов соединены последовательно в три ветви, которые объединены в схему «звезда» и образуют трехфазный выход для подключения к упомянутой трехфазной нагрузке.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве электронного ключа содержит транзистор.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве электронного ключа содержит тиристор.