Система бесперебойного питания Российский патент 2019 года по МПК H02J9/04 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания потребителей особой группы первой категории надежности электроснабжения, не допускающих перерыва питания.

Известны статические системы бесперебойного электроснабжения, содержащие последовательно соединенные управляемые выпрямители и инверторы, а также аккумуляторную батарею (АБ) с зарядным устройством [1, рис. 1.2]. При нормальном электроснабжении АБ отключена от инвертора и подзаряжается от сети через зарядное устройство. При исчезновении в сети напряжения АБ подключается к входу инвертора и обеспечивает работу потребителей переменного тока, при этом возникает кратковременное нарушение питания потребителей на время коммутации. Постоянное подсоединение аккумуляторной батареи к выходу выпрямителя вызовет ее участие в компенсации провалов напряжения в динамических режимах, что приведет к сокращению срока службы АБ за счет частых частичных циклов «разряд-заряд».

Известно также устройство бесперебойного автоматического включения резерва, содержащее выводы для подключения основной и резервной трехфазной сети, два трехфазных выпрямителя и накопитель энергии, подключенные на шины постоянного тока, от которых через два трехфазных инвертора запитаны шины переменного тока [2].

Недостатком такого устройства, обеспечивающего бесперебойное переключение источников, является ограниченный временной интервал компенсации нарушений электроснабжения от молекулярного накопителя энергии и питание только потребителей переменного тока одного номинала напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, содержащее выводы для подключения трехфазной сети, дизель-генератор, переключатель входа, аккумуляторную батарею, основной и дополнительный трехфазные выпрямители, стабилизатор, шины постоянного тока, два трехфазных инвертора и шины переменного тока, подключенные к выходам указанных трехфазных инверторов [3].

Недостатком этого устройства, принятого нами за прототип, является то, что, с одной стороны, для обеспечения бесперебойности при отключении ввода используется аккумуляторная батарея, имеющая ограниченную емкость, а с другой, используется два выпрямителя, подключенные к общей точке выхода коммутатора, и шины постоянного тока, запитанные через нерезервированный стабилизатор, предназначенные для питания ответственных потребителей и инверторов, последовательно питающих шины переменного тока, что усложняет конструкцию, снижает надежность и не обеспечивает электромагнитную совместимость ответственных потребителей между собой и с источником питания.

Целью изобретения является повышение бесперебойности электроснабжения потребителей, не допускающих перерывов питания, а также создание режима эксплуатации источников электрической энергии, обеспечивающих сохранение нормируемого значения емкости, что позволяет обеспечить требуемую надежность электроснабжения ответственных потребителей.

Указанная цель достигается тем, что два трехфазные выпрямители раздельно подключаются к соответствующим вводам трехфазной сети, а синхронный дизель-генератор через блоки автоматического переключения соединяется с входами двух трехфазных выпрямителей. Кроме того, к шинам бесперебойного питания постоянного тока, образованных на выходе трехфазных выпрямителей, подключается через разделительный диод и датчик тока, молекулярный накопитель энергии, а в цепь подключения аккумуляторной батареи добавляется датчик тока и коммутационный аппарат, который включается с выдержкой времени по сигналу датчика тока в цепи молекулярного накопителя, а отключается по сигналу датчик тока в цепи разряда АБ. Кроме того, к шинам бесперебойного питания постоянного тока совместно с входом трехфазного инвертора подключаются входы других модульных преобразователей: однофазного инвертора, стабилизированных источников постоянного напряжения 28.5 В и 31 В. Рассматриваемые модульные преобразователи образуют гальванически развязанные стабилизированные шины переменного и постоянного тока различных номиналов, что позволяет обеспечить их электромагнитную совместимость с ответственными потребителями. Кроме того, с помощью датчиков тока и соответствующих блоков задержки времени предусматривается автоматическое использование внутренних источников системы, рациональных по типу для конкретного нарушения электроснабжения: для перерывов до 250 мс используется молекулярный накопитель энергии, для перерыва от 250 мс до 1 мин - аккумуляторная батарея, а свыше 1 мин. - дизель-генератор.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства.

Оно содержит:

1 - блок автоматического переключения;

2 - блок автоматического переключения;

3 - трехфазный выпрямитель первого ввода;

4 - трехфазный выпрямитель второго ввода;

5 - молекулярный накопитель энергии;

6 - датчик тока;

7 - разделительный диод накопителя энергии и шин бесперебойного питания;

8 - разделительный диод цепи заряда накопителя энергии;

9 - зарядный резистор;

10 - усилитель;

11 - блок задержки времени;

12 - аккумуляторная батарея;

13 - нормально разомкнутый контакт силового контактора цепи разряда;

14 - датчик тока;

15 - разделительный диод аккумуляторной батареи и шин бесперебойного питания;

16 - усилитель;

17 - блок задержки времени;

18 - шины бесперебойного питания;

19 - модульный преобразователь - трехфазный инвертор;

20 - модульный преобразователь - однофазный инвертор;

21 - модульный преобразователь - стабилизатор;

22 - модульный преобразователь - стабилизатор;

23 - дизель-генератор;

24 - первичный двигатель - дизель;

25 - трехфазный синхронный генератор.

Устройство работает следующим образом.

При наличии напряжения на вводах сети оно поступает через блоки автоматического переключения питания 1 и 2 на трехфазные выпрямители вводов 3 и 4, выпрямленное напряжение с которых поступает на шины бесперебойного питания 18, от которых через резистор 9 и разделительный диод 8 происходит заряд молекулярного накопителя энергии 5. От шин бесперебойного питания 18 напряжение также поступает на входы модульных преобразователей: трехфазного инвертора 19, однофазного инвертора 20, стабилизаторов напряжения 21 и 22 соответствующих значений напряжения - 31 В и 28.5 В.

В случае различия величины напряжения вводов на входах выпрямителей 3 и 4, выход выпрямителя с наименьшим входным напряжением будет закрыт напряжением шин 18.

При пропадании напряжения сети одного из двух вводов по каким-либо причинам выход соответствующего трехфазного выпрямителя будет также закрыт напряжением шин 18, через которые напряжение сети другого ввода через трехфазный выпрямитель поступает на шины бесперебойного питания, при этом перерыва питания на шинах 18 не происходит и следовательно, на выходах модульных преобразователей 19-22, запитанных от этих шин, кратковременного нарушения также не образуется (фиг. 2).

При кратковременных нарушениях электроснабжения сразу по двум вводам начинает разряжаться молекулярный накопитель энергии 5 через датчик тока 6 и разделительный диод 7, при этом напряжение на шинах бесперебойного питания 18 обеспечивается за счет его разряда, а перерыва питания на шинах 18 не происходит. Следовательно, на выходах модульных преобразователей 19-22, запитанных от шин 18, кратковременного нарушения электроснабжения также не образуется (фиг. 2).

Ток разряда молекулярного накопителя энергии 5 проходит через датчик тока 6, сигнал с которого через усилитель 10 поступает на блок задержки времени.

При возобновлении напряжения сети схема приходит в исходное состояние, напряжение с выхода трехфазных выпрямителей закрывает разделительный диод 7, ток в цепи разряда молекулярного накопителя энергии 5 прекращается, и происходит заряд накопителя энергии 5 от шин 18 через резистор 9 и разделительный диод 8.

При превышении нарушения электроснабжения по двум вводам установленного временного интервала 250 мс происходит включение силового контактора 13 в цепи разряда аккумуляторной батареи 12, которая через датчик тока 14 и разделительный диод 15 запитывает шины 18. При этом кратковременного нарушения электроснабжения на шинах 18 и выходах модульных преобразователей 19-22, запитанных от шин 18, также не образуется (фиг. 2).

При возобновлении напряжения сети напряжение с выхода трехфазных выпрямителей закрывает разделительные диоды 7 и 15, ток в цепи разряда молекулярного накопителя энергии 5 и аккумуляторной батареи 12 прекращается, происходит заряд накопителя энергии 5 от шин 18 через резистор 9 и разделительный диод 8. Это достигается тем, что напряжение на выходе трехфазных выпрямителей 3 и 4 выбирается выше напряжения аккумуляторной батареи 12. Сигнал об отсутствии тока с датчика 14 через усилитель 16 поступает на блок задержки времени 17, который через 250 мс отключает силовой контактор 13 в цепи разряда аккумуляторной батареи 12.

Время разряда аккумуляторной батареи (до 1 мин) определяется ее емкостью и суммарной длительностью кратковременных нарушения электроснабжения за весь период эксплуатации.

При превышении нарушения электроснабжения по двум вводам временного интервала 1 мин происходит запуск первичного двигателя 24 дизель-генератора 23, при этом напряжение переменного тока выхода трехфазного синхронного генератора 25 поступает через два блока автоматического переключения 1 и 2, на трехфазные выпрямители вводов 3 и 4, выпрямленное напряжение с которых поступает на шины бесперебойного питания 18. При этом кратковременного нарушения электроснабжения на шинах 18 и выходах модульных преобразователей 19-22, запитанных от шин 18, также не образуется (фиг. 2).

При возобновлении напряжения сети схема приходит в исходное состояние.

Использование молекулярного накопителя энергии большой емкости (более 70 Ф) и обладающего низким внутренним сопротивлением (менее 0.001 Ом) позволяет мгновенно отдавать накопленную энергию и производит фильтрацию напряжения на шинах постоянного тока, что обеспечивает устойчивую работу модульных преобразователей напряжения.

Модульные преобразователи 19-22 выполняются с промежуточным звеном на высокой частоте, обеспечивая тем самым улучшение их массогабаритных характеристик, имеют индивидуальные независимые регуляторы напряжения, а также включают разделительные трансформаторы, что обеспечивает высокую электромагнитную совместимость источников питания с ответственными потребителями.

Таким образом, использование подключенных к вводам сети трехфазных выпрямителей, применение трех типов внутренних источников электроэнергии (молекулярного накопителя энергии, аккумуляторной батареи и дизель-генератора), а также автоматический выбор режима работы этих источников на основе анализа рабочих токов в цепях их разряда, позволяет повысить бесперебойность и надежность электроснабжения ответственных потребителей и создать условия эксплуатации источников электрической энергии, обеспечивающие сохранение нормируемого значения их емкости.

Заявителям не известен путь решения поставленной задачи с приведенной совокупностью существенных признаков, что говорит об "изобретательском уровне" технического решения.

Авторами испытана система бесперебойного питания с синхронным дизель-генератором, мощностью 30 кВт, двумя преобразователями переменного тока в постоянный, мощностью 7,5 кВт, молекулярным накопителем энергии емкостью 70 Ф, трехфазным инвертором с выходным напряжением 400 В, однофазным инвертором с выходным напряжением 230 В, двумя преобразователями на напряжение 31 В и 28.5 В, которая обеспечила бесперебойную и надежную работу ответственных потребителей с максимальным отклонением напряжения на шинах 0,1 В в динамическом режиме при пропадании вводов электроснабжения от внешней питающей сети, в том числе при работе синхронного дизель-генератора.

Приведенные данные и сведения подтверждают возможность промышленного осуществления предлагаемого изобретения.

Источники информации

1. Дикань С.В., Намитоков К.К. Аппараты систем бесперебойного электроснабжения. - К.: Техника, 1989. - 174 с.

2. Патент РФ №2503114 С1, кл. H02J 9/06, опубл. 27.12.2012.

3. Патент РФ №2225668 С1, кл. H02J 9/06, опубл. 10.03.2004.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение бесперебойности электроснабжения потребителей, не допускающих перерывов питания, а также создание режима эксплуатации источников электрической энергии, обеспечивающих сохранение нормируемого значения емкости, что позволяет обеспечить требуемую надежность электроснабжения ответственных потребителей. Система бесперебойного питания содержит подключенные параллельно к шинам бесперебойного питания постоянного тока первый и второй вводы трехфазной сети через последовательно включенные к каждому вводу блоки автоматического переключения питания и трехфазные выпрямители, трехфазный синхронный дизель-генератор, соединенный с блоками автоматического переключения питания первого и второго ввода трехфазной сети, аккумуляторную батарею и молекулярный накопитель энергии, также соединенные с шинами бесперебойного питания постоянного тока, модульные преобразователи - трехфазный инвертор и однофазный инвертор, модульные преобразователи - стабилизаторы напряжения, подключенные одним выводом к шинам бесперебойного питания постоянного тока, а другим к потребителям переменного и постоянного тока различных уровней напряжения. При этом два трехфазных выпрямителя раздельно подключаются к соответствующим вводам трехфазной сети, а синхронный дизель-генератор через блоки автоматического переключения соединяется с входами двух трехфазных выпрямителей. Аккумуляторная батарея, время разряда которой установлено требованиями к сохранению ее ограниченной емкости, подключена к шинам бесперебойного питания постоянного тока через нормально разомкнутый контакт силового контактора, через датчик тока в цепи разряда батареи и разделительный диод аккумуляторной батареи, а молекулярный накопитель энергии соединен с шинами бесперебойного питания постоянного тока через датчик тока в цепи разряда молекулярного накопителя энергии и разделительный диод молекулярного накопителя энергии, а шины бесперебойного питания постоянного тока соединены с молекулярным накопителем энергии через зарядный резистор и разделительный диод цепи заряда молекулярного накопителя энергии. К датчику тока в цепи разряда молекулярного накопителя энергии подключен усилитель и блок задержки времени включения аккумуляторной батареи от момента начала протекания тока через датчик тока в цепи разряда молекулярного накопителя энергии, соответствующего моменту отключения вводов трехфазной сети, а для отключения аккумуляторной батареи по окончанию разряда к датчику тока в цепи ее разряда подключены усилитель и блок задержки времени отключения аккумуляторной батареи от момента прекращения протекания тока через датчик тока в цепи разряда аккумуляторной батареи. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система бесперебойного питания, содержащая подключенные параллельно к шинам бесперебойного питания постоянного тока первый и второй вводы трехфазной сети через последовательно включенные к каждому вводу блоки автоматического переключения питания и трехфазные выпрямители, трехфазный синхронный дизель-генератор, соединенный с блоками автоматического переключения питания первого и второго ввода трехфазной сети, аккумуляторную батарею и молекулярный накопитель энергии, также соединенные с шинами бесперебойного питания постоянного тока, модульные преобразователи - трехфазный инвертор и однофазный инвертор, модульные преобразователи - стабилизаторы напряжения, подключенные одним выводом к шинам бесперебойного питания постоянного тока, а другим к потребителям переменного и постоянного тока различных уровней напряжения, отличающаяся тем, что два трехфазных выпрямителя раздельно подключаются к соответствующим вводам трехфазной сети, а синхронный дизель-генератор через блоки автоматического переключения соединяется с входами двух трехфазных выпрямителей, кроме того аккумуляторная батарея, время разряда которой установлено требованиями к сохранению ее ограниченной емкости, подключена к шинам бесперебойного питания постоянного тока через нормально разомкнутый контакт силового контактора, через датчик тока в цепи разряда батареи и разделительный диод аккумуляторной батареи, а молекулярный накопитель энергии соединен с шинами бесперебойного питания постоянного тока через датчик тока в цепи разряда молекулярного накопителя энергии и разделительный диод молекулярного накопителя энергии, а шины бесперебойного питания постоянного тока соединены с молекулярным накопителем энергии через зарядный резистор и разделительный диод цепи заряда молекулярного накопителя энергии, а к датчику тока в цепи разряда молекулярного накопителя энергии подключен усилитель и блок задержки времени включения аккумуляторной батареи от момента начала протекания тока через датчик тока в цепи разряда молекулярного накопителя энергии, соответствующего моменту отключения вводов трехфазной сети, а для отключения аккумуляторной батареи по окончанию разряда к датчику тока в цепи ее разряда подключены усилитель и блок задержки времени отключения аккумуляторной батареи от момента прекращения протекания тока через датчик тока в цепи разряда аккумуляторной батареи, позволяющие для каждого интервала времени кратковременного нарушения электроснабжения от внешних источников применение того или иного источника из состава системы, рационально компенсирующего данное нарушение электроснабжения - для перерывов до 250 мс используется молекулярный накопитель энергии, для перерыва от 250 мс до 1 минуты - аккумуляторная батарея, а свыше 1 минуты - дизель-генератор, тем самым обеспечивая сохранение нормируемого значения емкости аккумуляторной батареи и требуемую надежность электроснабжения потребителей на заданном интервале времени эксплуатации.

2. Система бесперебойного питания по п. 1, отличающаяся тем, что модульные преобразователи - трехфазный инвертор и однофазный инвертор, а также модульные преобразователи - стабилизаторы напряжения подключены входами к шинам бесперебойного питания постоянного тока, на которых постоянно присутствует напряжение, а их выходы подключены раздельно соответственно к шинам переменного трехфазного, однофазного и постоянного тока потребителей, тем самым предусматривается одновременное бесперебойное питание потребителей переменного трехфазного и однофазного, а также постоянного тока различных уровней напряжения.

3. Система бесперебойного питания по п. 1, отличающаяся тем, что модульные преобразователи - трехфазный инвертор и однофазный инвертор, а также модульные преобразователи - стабилизаторы напряжения, подключенные к шинам бесперебойного питания постоянного тока, выполняются с промежуточным звеном на высокой частоте для улучшения массогабаритных характеристик, имеют индивидуальные независимые регуляторы напряжения для повышения качества напряжения сети, а также содержат разделительные трансформаторы для обеспечения гальванической развязки потребителей переменного трехфазного, однофазного и постоянного тока.