Устройство бесперебойного питания систем связи на основе трехмашинного агрегата Российский патент 2022 года по МПК H02H7/16 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве устройства бесперебойного питания систем связи на основе трехмашинного агрегата ответственных объектов.

Известно устройство бесперебойного питания (УБП) систем связи на основе трехмашинного агрегата (ТМА), содержащее первый источник электроэнергии (ИЭЭ1), в качестве которого используется промышленная сеть, второй источник электроэнергии на базе дизель-генераторного агрегата (ДГА), обозначенный как (ИЭЭ2) и третий источник электроэнергии (ИЭЭ3), в качестве которого применена аккумуляторная батарея (АБ), и трехмашинный агрегат, содержащий двигатель постоянного тока (ДПТ), двигатель трехфазного переменного тока (ТАД) и синхронный генератор с электромагнитным возбуждением (СГЭВ), причем указанные машины объединены общим валом и расположены в следующем порядке: ДПТ, ТАД, СГЭВ, при этом ИЭЭ1 и ИЭЭ2 подключены к автомату включения резерва (АВР) непосредственно, а ИЭЭ3-через выпрямительное устройство, подзаряжавшее АБ, а ДПТ подключен к АБ; ТАД подключен к источнику переменного тока и СГЭВ соединен с потребителями [1].

Данное устройство нашло широкое применение на многих узлах обычной, правительственной и военной связи поскольку оно обеспечивает практически бесперебойное электроснабжение потребителей при высоком качестве выходного напряжения при широком диапазоне мощностей от 24 до 500 кВт, однако ему свойственны и недостатки, среди которых наиболее существенными являются: сравнительно низкий КПД ТМА, относительно низкая надежность, наличие моментов нестабильной частоты вращения общего вала, поскольку момент ТАД зависит от стабильности напряжения сети, переход от режима работы ДПТ на режим работы ТАД, составляющий 2 секунды для некоторых потребителей нежелателен, большая масса электрооборудования устройства, что ограничивает область использования устройства.

Техническим результатом изобретения является повышение стабильности частоты и улучшение условий работы в переходных процессах.

Технический результат достигается тем, что в устройстве бесперебойного питания систем связи на основе трехмашинного агрегата, содержащим первый источник, в качестве которого использована промышленная сеть, второй источник в виде дизель-генераторного агрегата и третий источник, в качестве которого применена аккумуляторная батарея, причем первый и второй источники подключены к автомату включения резерва непосредственно, а третий источник подключен к указанному автомату через выпрямительное устройство, и трехмашинный агрегат, содержащий первый двигатель, второй двигатель и синхронный генератор переменного тока, объединенные общим валом, третий источник снабжен шинами постоянного тока, первый и второй двигатели, работающие попеременно и генератор переменного тока, к которому подключены потребители, третий источник снабжен шинами постоянного тока, первый и второй двигатели выполнены идентичными в виде бесконтактных двигателей постоянного тока, функционирующих параллельно и непрерывно, и расположенных на общем валу по обе стороны от генератора переменного тока; указанный генератор выполнен в виде синхронного генератора, каждый из указанных бесконтактных двигателей постоянного тока содержит последовательно соединенные: синхронный двигатель с постоянными магнитами, на первом торце вала которого насажен датчик положения ротора, второй торец указанного вала соединен с генератором переменного тока; указанный датчик подключен к формирователю импульсов, который подключен к инвертору, выход которого соединен с обмоткой статора названного двигателя, при этом указанный инвертор соединен с шинами постоянного тока третьего источника. Кроме того, синхронный генератор переменного тока выполнен в виде синхронного генератора с постоянными магнитами.

На чертеже представлена структурная схема устройства бесперебойного питания системы связи на основе трехмашинного агрегата.

Устройство содержит первый источник 1, которым является промышленная сеть, второй источник 2 в виде дизель-генератора, автомат включения резерва 3, выпрямительное устройство 4 и третий источник 5 в виде аккумуляторной батареи, снабженный шинами постоянного тока 6, первый бесконтактный двигатель постоянного тока 7, второй бесконтактный двигатель постоянного тока 8, синхронный генератор с постоянными магнитами (СГПМ) 9, к которому подключены потребители 10, при этом первый источник 1 подключен к первому входу 3-1 автомата включения резерва 3, второй источник 2 подключен к второму входу 3-2 автомата 3, а выход автомата 3-3 включения резерва 3 подключен ко входу 4-1 выпрямительного устройства 4, выход 4-2 которого соединен с электродами (не обозначены) аккумуляторной батареи 5, к которой подключены шины постоянного тока 6. Каждый из бесконтактных двигателей постоянного тока 7 и 8, идентичных друг к другу содержит последовательно соединенные синхронный двигатель с постоянными магнитами 7-1 (8-1), на первом торце вала которого (не обозначен) закреплен датчик положения ротора 7-2 (8-2), выход которого (не показан) подключен к формирователю импульсов 7-3 (8-3), соединенный со входом (не обозначен) инвертора 7-4 (8-4), а выход инвертора (не обозначен) соединен со статорной обмоткой (не обозначена) синхронного двигателя 7-1 (8-1). Второй торец вала (не обозначен) синхронного двигателя 7-1 (8-1) соединен с валом (не указан) синхронного генератора с постоянными магнитами 9 к клеммам которого подключены (не показаны) потребители 10. В примененных бесконтактных двигателях постоянного тока щеточно-коллекторный узел с механическим преобразованием энергии заменен совокупностью электромагнитных элементов, роль которого выполняет датчик положения ротора, состоящий из дросселя насыщения и электронных элементов, функции которого выполняет инвертор на транзисторах, при этом в указанном датчике используется индуктивный датчик положения ротора, состоящий из дросселя насыщения и схемы преобразования формы сигнала дросселя насыщения, который содержит ферритовое кольцо из сплава с прямоугольной петлей гистерезиса и катушку, напряжение которой формируется под действием электромагнитной индукции, как только постоянный магнит внутри кольца отклоняется в сторону сердечника.

Такое движение постоянного магнита приводит кольцо в насыщение и на зажимах катушки образуется прямоугольный импульс, форма которого приближается к полной прямоугольности формирователем импульса 7-3 (8-3). Указанная форма импульсов обеспечивает функционирование инверторов 7-4 (8-4).

Напряжения инверторов питают статорные обмотки синхронных двигателей 7-1 (8-1), которые вращают роторы с заданной частотой вращения со, которая определяется частотой переключения инвертора.

Введение БДПТ в качестве второго двигателя 8, содержащего синхронный двигатель 8-1, датчик положения ротора 8-2, формирователя импульсов 8-3 и инвертор 8-4 объясняется тем, что трехфазный асинхронный двигатель (ТАД) имеет нелинейную зависимость основного момента от напряжения сети, большие пусковые токи и необходимость в источнике переменного тока со стабилизированным напряжением. Параметры двигателей 7 и 8 совпадают полностью ввиду их идентичности, что позволяет дополнительно повысить надежность агрегата за счет их непрерывной и параллельной работе. Кроме того, одинаковость двигателей 7-1 и 8-1 и высокое их быстродействие обеспечивает скорость переходных процессов при смене источников энергии 1 и 2, т.е. обеспечивается постоянная стабильность скорости вращения вала во всех режимах работы устройства.

Устройство работает следующим образом.

В статическом режиме, когда частота вращения общего вала, объединяющего первый 7 и второй 8 двигатель, являются бесконтактными двигателями постоянного тока, равна нулю и нагрузка 10 отключается от источника СГПМ, аккумуляторная батарея 5 заряжена, но не подключена к указанным двигателям, однако находится под зарядом от сети 1 или дизель-электрического агрегата 2 с помощью выпрямителя 4. В рабочем состоянии пуск устройства обеспечивается за счет подключения первого 7 и второго 8 двигателей к аккумуляторной батарее 5, под действием напряжения которой в инверторах 7-4 и 8-4 указанных двигателей возникает ЭДС холостого хода Е₀, под действием которой двигатели 7-1 и 8-1 произведут минимальные моменты и валы двигателей произведут шевеление (сдвиг) под действием которого в датчиках положения роторов 7-2 и 8-2 возникают информационные сигналы. Сигналы ДПР 7-2 и 8-2 поступают в формирователи импульсов 7-3 и 8-3, где несколько усилятся и приоткроют коммутаторы инверторов 7-4 и 8-4, хотя незначительно. Под действием малых сигналов формирователей 7-3 и 8-3 в инверторах 7-4 и 8-4 появляется ЭДС холостого хода, воздействующие на статорные обмотки двигателей 7-1 и 8-1 и валы двигателей совершат небольшое движение, которое передается на ДПР 7-2 и 8-2, последние формируют больший сигнал, который передается тем же механизмам. Процесс нарастает пока частота вращения общего вала не станет заданной ω=ω_зад, тогда БДПТ1 и БДПТ2 входят в нормальный режим, генератор СГПМ начнет вращаться, снабжая синусоидальным напряжением потребители 10.

Таким образом применение в ТМА электрических машин БДПТ позволяет повысить стабильность скорости вращения и вероятность безотказной работы, чем и достигается требуемый результат.

Источники, принятые во внимание

[1]. Электропитание устройств связи. Под ред. О.А. Доморацкого, М., Радио и связь, 1981, стр. 243, рис. 8.7.

[2]. Извеков В.И., Кузнецов В.А. Вентильные электрические двигатели. М., МЭИ, 1998, 60 с. (стр. 19…22).

[3]. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. М., Энергоатомиздат, 1988, 280 с. (стр. 30…33).

[4]. Электротехнический справочник. Т. 2 Под ред. В.Г. Герасимова, М., МЭИ, 2003, стр. 240…268.

[5]. Тищенко Н.М. Проектирование магнитных и полупроводниковых элементов автоматики. М., Энергия, 1979, 472 с. (стр. 335…377).

[6]. Кузнецов Н.Л. Надежность электрических машин. М., МЭИ, 2006, 432 с.

[7]. Кузнецов Н.Л. Сборник задач по надежности электрических машин. М., МЭИ, 2008, 408 с.

[8]. Кацман М.М. Электрические машины. Справочник. М., Кнорус, 2018,480 с.

Использование: в области электротехники для бесперебойного питания систем связи. Технический результат - повышение стабильности частоты и улучшение условий работы при переходных процессах. Устройство содержит три источника: промышленную сеть, дизель - генераторный агрегат и аккумуляторную батарею. Первые два источника подключены к автомату включения резерва непосредственно, а третий - через выпрямительное устройство. Трехмашинный агрегат содержит два идентичных двигателя - бесконтактные двигатели постоянного тока, и синхронный генератор переменного тока с постоянными магнитами. Генератор размещен между параллельно и непрерывно работающим первым и вторым двигателями. Каждый из первого и второго двигателей содержит последовательно соединенные: синхронный двигатель с постоянными магнитами, датчик положения ротора, формирователь импульсов и инвертор, подключенный к статорной обмотке синхронного двигателя, при этом инверторы обоих двигателей подключены к шинам постоянного тока, которым снабжен третий источник. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство бесперебойного питания систем связи на основе трехмашинного агрегата, содержащее первый источник, в качестве которого использована промышленная сеть, второй источник в виде дизель-генераторного агрегата и третий источник, в качестве которого применена аккумуляторная батарея, причем первый и второй источники подключены к автомату включения резерва непосредственно, а третий источник подключен к указанному автомату через выпрямительное устройство, и трехмашинный агрегат, содержащий объединенные общим валом первый двигатель, второй двигатель и синхронный генератор переменного тока, к которому подключены потребители, отличающееся тем, что третий источник снабжен шинами постоянного тока; первый и второй двигатели выполнены идентичными в виде бесконтактных двигателей постоянного тока, функционирующих параллельно и непрерывно и расположенных на общем валу по обе стороны от синхронного генератора переменного тока; каждый из указанных бесконтактных двигателей постоянного тока содержит последовательно соединенные: синхронный двигатель с постоянными магнитами, на первом торце вала которого насажен датчик положения ротора, второй торец указанного вала соединен с синхронным генератором переменного тока; указанный датчик подключен к формирователю импульсов, который подключен к инвертору, выход которого соединен с обмоткой статора названного двигателя, при этом указанный инвертор соединен с шинами постоянного тока третьего источника.

2. Устройство бесперебойного питания по п. 1, отличающееся тем, что синхронный генератор переменного тока выполнен в виде синхронного генератора с постоянными магнитами.