Устройство для бесперебойного электроснабжения сильноточных потребителей постоянного тока Российский патент 2025 года по МПК H02J9/06 

Заявляемое изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам защиты узлов электрических и (или) электромеханических систем гусеничных или колесных машин от отклонений питающего напряжения при испытаниях.

При испытаниях электрических и (или) электромеханических систем гусеничных и колесных машин к системам электроснабжения испытываемых изделий предъявляются жесткие требования к величине и качеству питающего напряжения. При включении в испытываемой гусеничной или колесной машине электрической и (или) электромеханической системы с большими пусковыми токами, происходит резкое значительное понижение величины напряжения бортовой электрической сети машины, а после отключения скачкообразное повышение величины напряжения. Отклонение от допустимых пределов значений напряжений при испытании может привести к выходу из строя узлов электрических и (или) электромеханических систем гусеничных или колесных машин.

Известно устройство для исключения перерывов питания при переходе с одного источника на другой (авторское свидетельство на изобретение SU 495789), содержащее основной и резервный источники питания, подключенные к нагрузке и связанные между собой посредством разделительного диода и размыкающего контакта реле времени, при этом в устройстве дополнительно введены цепочка из последовательно соединенных тиристора и нелинейного элемента, расширитель импульсов, первый и второй чувствительные элементы, при чем один из концов цепочки подключен к нагрузке, а другой - к полюсу резервного источника питания, управляющий электрод тиристора соединен с входом второго чувствительного элемента и расширителя импульсов, замыкающий контакт которого подключен параллельно тиристору, первый и второй чувствительные элементы включены между катодом разделительного диода и общим проводом, а расширитель импульсов - между анодом распределительного диода и общим проводом, причем выход первого чувствительного элемента соединен с входом реле времени, размыкающий контакт которого подключен параллельно нелинейному элементу.

Данное устройство не позволяет оперативно исключить скачкообразные изменения амплитуды напряжения, не предназначено для работы с сильноточными потребителями постоянного тока и не обеспечивает работы во всем диапазоне напряжений бортовой сети.

Из уровня техники известна система гарантированного электроснабжения постоянного тока с аккумуляторными батареями (патент на изобретение RU 2548012), содержащая параллельно подключенные основной источник питания, резервный, выполненный в виде аккумуляторной батареи, и нагрузку, причем система дополнительно содержит диод, включенный в обратном направлении таким образом, что анод соединен с отрицательным выходом аккумуляторной батареи и одним из выходов параллельно подключенного ключа, а катод и второй выход ключа соединены с общей линией, соединяющей выход основного источника питания и нагрузку, и дополнительно снабжен программно-аппаратным блоком управления, функционально соединенным с АБ и нагрузкой, с обеспечением возможности контроля напряжения на них и переключения АБ в режим заряда или разряда, а также функционально соединенным с ключом с обеспечением возможности управления им и автоматического переключения питания нагрузки между источниками питания.

Недостатком данной системы является, то, что в качестве резервного источника питания используются аккумуляторные батареи, которые являются более инерционными и не обеспечивают эффективное сглаживание мощных кратковременных скачков напряжения. Кроме того, буферные группы на базе аккумуляторных батарей требуют длительного времени заряда, а также не позволяют работать во всем диапазоне напряжений бортовой сети.

Из уровня техники известно устройство бесперебойного автоматического включения резерва для питания потребителей постоянного и переменного тока группы А-1 первой категории надежности электроснабжения, не допускающих перерыва питания (патент на изобретение RU 2503114), содержащее 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, молекулярный накопитель энергии, своим зарядно-разрядным выводом подключенный к шинам постоянного тока, причем каждое из двух трехфазных трансформаторно-выпрямительных устройств выполнено по многомостовой схеме выпрямления, причем многомостовая схема выпрямления содержит трехобмоточный трансформатор с двумя вторичными обмотками, соединенными по схемам «звезда» и «треугольник», и которые своими входами подключены к двум вводам основной и резервной трехфазной сети постоянно, два трехфазных выпрямительных моста, которые своими входами подключены к вторичным обмоткам трехобмоточного трансформатора, зарядно-разрядный вывод молекулярного накопителя энергии выполнен в виде первой зарядной ветви, состоящей из введенных последовательно соединенных диода и резистора, и второй разрядной ветви, состоящей из введенного диода, причем диоды этих ветвей по отношению друг к другу включены встречно-параллельно.

Недостатком данного устройства является невозможность работы с сильноточными потребителями постоянного тока и невозможность работы во всем диапазоне напряжений бортовой сети.

Также из уровня техники известен модуль бесперебойного питания потребителей постоянного тока (патент на изобретение RU 2491696), содержащий сетевой преобразователь, герметичную циклируемую аккумуляторную батарею, зарядное устройство и молекулярный накопитель энергии, причем сетевой преобразователь и молекулярный накопитель энергии подключены к шинам бесперебойного питания постоянного тока через разделительные диоды, а герметичная циклируемая аккумуляторная батарея подключена к шинам бесперебойного питания постоянного тока через разделительный диод и нормально разомкнутый контакт силового контактора цепи разряда герметичной циклируемой аккумуляторной батареи, включаемой при отсутствии напряжения внешней сети переменного тока и питании потребителей постоянного тока от молекулярного накопителя энергии, при этом цепь заряда молекулярного накопителя энергии подключается через зарядный резистор и разделительный диод непосредственно к шинам бесперебойного питания постоянного тока, а восполнение частично снятой емкости с герметичной циклируемой аккумуляторной батареи производится зарядным устройством, включаемым в автоматическом режиме, через нормально разомкнутый контакт силового контактора цепи заряда герметичной циклируемой аккумуляторной батареи, после восстановления напряжения внешней питающей сети переменного тока, а потребители постоянного тока, подключенные к шинам бесперебойного питания постоянного тока, питаются при кратковременных нарушениях внешней сети до 250 мс только от молекулярного накопителя энергии, при этом герметичная циклируемая аккумуляторная батарея не разряжается.

Недостатком данного устройства является наличие аккумуляторной батареи, которая является более инерционной и не обеспечивает эффективное сглаживание мощных кратковременных скачков напряжения, и использование которой не обеспечивает возможность работы во всем диапазоне напряжений бортовой сети.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом, выбранным в качестве прототипа заявляемого изобретения является устройство для гарантированного электропитания низковольтных сильноточных потребителей постоянного тока с автоматическим включением быстродействующего резерва (патент на изобретение RU 2143774), содержащее сетевой преобразователь, систему резервного электропитания, подключенные через разделительные диоды на шины гарантированного питания, емкостный накопитель энергии, подключенный через разделительный диод на шины гарантированного питания зарядовыми цепями емкостного накопителя энергии, причем зарядный резистор одним выводом подключен к точке соединения емкостного накопителя энергии и его разделительного диода, а другим выводом - к точке соединения размыкающего и замыкающего контактов, второй вывод размыкающего контакта подключен к точке соединения сетевого преобразователя и его разделительного диода, а второй вывод замыкающего контакта - к точке соединения системы резервного электропитания с ее разделительным диодом.

Недостатком прототипа является наличие инерционной системы резервного электропитания, подключение которой осуществляется посредством коммутационных процессов, после которых напряжение на шине гарантированного питания плавно изменяется, что снижает качество напряжения, поскольку не обеспечивает оперативное исключение скачкообразных изменений амплитуды напряжения; также невозможна работа во всем диапазоне напряжений бортовой сети.

Технической задачей, решаемой изобретением, является создание устройства, позволяющего эффективно сглаживать колебания величин напряжения при токах до 1000 А в ходе испытаний электрических и электромеханических систем гусеничных и колесных машин, а также проводить испытания гусеничных и колесных машин во всем диапазоне напряжений бортовой электрической сети машины.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении надежности и качества электроснабжения в процессе испытаний и повышении достоверности результатов испытаний.

Технический результат достигается тем, что устройство гарантированного качества электроснабжения постоянного тока при коммутационных процессах в сильноточных потребителях содержит преобразователь переменного тока в постоянный, подключенный к источнику переменного тока, систему управления устройства построенного на базе программируемого логического контроллера, состоящего из модуля процессорного, модуля входов, модуля выходов, модуля контроля напряжения и модуля контроля температуры, внешний низковольтный источник постоянного тока, блок сопротивлений, молекулярные накопители энергии, розетку силовую, обеспечивающую подсоединение испытываемых систем с большими пусковыми токами, органы управления, соединенные с соответствующими входами программируемого логического контроллера, органы контроля и электрические исполнительные аппараты, соединенные с соответствующими выходами программируемого логического контроллера, причем устройство дополнительно содержит фильтр высоких частот подключенный параллельно молекулярным накопителям энергии, которые через контакт силовой контактора подключения нагрузки соединены с розеткой силовой, при этом молекулярные накопители энергии соединены с выходом внешнего низковольтного источника постоянного тока через блок сопротивлений и контакт силовой реле заряда, а также в обход блока сопротивлений по параллельной цепи, включающей контакт силовой контактора заряда малыми токами и ограничительный диод, кроме того, молекулярные накопители энергии соединены с «минусовым» контактом розетки силовой и внешним низковольтным источником постоянного тока через блок сопротивлений и контакт силовой реле разряда.

На фиг. 1 приведена структурная блок-схема устройства гарантированного качества электроснабжения постоянного тока при коммутационных процессах в сильноточных потребителях, где:

1 - молекулярные накопители энергии (МН);

2 - блок сопротивлений (БС);

3 - розетка силовая (РС);

4 - программируемый логический контроллер 4 (ПЛК);

5 - реле заряда (РЗ);

6 - реле разряда (РР);

7 - контактор заряда малыми токами (КЗМТ);

8 - контактор подключения нагрузки (КПН);

9 - блок вентиляторов (БВ1);

10 - блок вентиляторов (БВ2);

11 - датчик температуры (ДТ1);

12 - датчик температуры (ДТ2);

13 - переключатель режима «Зарядка» (SA1);

14 - переключатель режима «Разрядка» (SA2);

15 - переключатель «Нагрузка» (SA3);

16 - лампа «Перегрев» (ЛП);

17 - модуль процессорный (CPU);

18 - модуль входов (IN);

19 - модуль выходов (OUT);

20 - модуль контроля напряжения (МКН);

21 - модуль контроля температуры (МКТ);

22 - преобразователь переменного тока в постоянный ток;

23 - внешний источник переменного тока;

24 - внешний низковольтный источник постоянного тока;

25 - контакт силовой реле заряда;

26 - контакт силовой реле разряда;

27 - контакт силовой контактора заряда малыми токами;

28 - контакт силовой контактора подключения нагрузки;

29 - переключатель «Напряжение испытания» (SA4);

30 - фильтр высоких частот (ФВЧ).

Устройство гарантированного качества электроснабжения постоянного тока при коммутационных процессах в сильноточных потребителях включает в себя буферную группу, органы управления и контроля за процессами работы, а также электрические исполнительные аппараты, составляющие систему управления буферной группы устройства и силовой части электрической схемы.

Буферная группа устройства реализована на базе молекулярных накопителей энергии 1, которые соединены через блок сопротивлений 2 и контакт силовой 26 реле заряда 5 с выходом внешнего низковольтного источника постоянного тока 24 и по параллельной цепи, включающей контакт силовой 27 контактора заряда малыми токами 7 и ограничительный диод (не обозначен), в обход блока сопротивлений 2. Также молекулярные накопители энергии 1 с параллельно подключенным фильтром высоких частот 30 и через контакт силовой 28 контактора подключения нагрузки 8 соединены с розеткой силовой 3, к которой осуществляется подключение испытываемых электрических и (или) электромеханических систем (не показаны) с большими пусковыми токами в составе гусеничных и колесных машин. Кроме того, молекулярные накопители энергии 1 через блок сопротивлений 2 и контакт силовой 26 реле разряда 6 соединены с «минусовым» контактом розетки силовой 3 и внешним низковольтным источником постоянного тока 24.

Органами управления устройства являются переключатели режимов 13, 14, 15 и 29, которые соединены с соответствующими входами программируемого логического контроллера 4. Органы контроля (датчики температуры 11, 12 и сигнальная лампа 16) и электрические исполнительные аппараты (катушки реле заряда 5 и разряда 6, катушки контакторов заряда малыми токами 7 и подключения нагрузки 8) соединены с соответствующими выходами программируемого логического контроллера 4 и своими контактами силовыми 25, 26, 27 и 28 управляют силовой частью схемы.

Система управления устройства построена на базе программируемого логического контроллера 4 и состоит из модуля процессорного 17, модуля входов 18, модуля выходов 19, модуля контроля напряжения 20 и модуля контроля температуры 21. Все модули программируемого логического контроллера 4 получают питание от преобразователя переменного тока в постоянный ток 22, подключенного к внешнему источнику переменного тока 23, к которому также подключены блоки вентиляторов 9 и 10.

Порядок работы устройства

Испытания в процессе сборки и ремонта гусеничной или колесной машины производят при отключенной силовой установке и питании от внешнего стационарного источника постоянного тока 24 с подключенной буферной группой. При этом на источнике устанавливается требуемое значение напряжения испытания.

Перед началом работы переключателем «Напряжение испытания» 29 задается уставка напряжения испытания, соответствующая значению напряжения, установленному на источнике постоянного тока 24. Далее активируют переключатель режима «Заряд» 13, который подключен к модулю входов 18. Модуль процессорный 17 через модуль выходов 19 включает реле заряда 5, который подключает контактом силовым 25 внешний стационарный источник постоянного тока 24 к молекулярным накопителям энергии 1 через блок сопротивлений 2.

Модуль контроля напряжения 20 сравнивает напряжение на входе U_ВХ и напряжение на выходе U_ВЫХ молекулярных накопителей энергии 1. Ток зарядки в момент включения имеет максимальное значение, затем снижается по экспоненциальному закону. Напряжение на молекулярных накопителях энергии U_МН растет поэтому же закону. При достижении напряжения на молекулярных накопителях энергии U_МН меньше напряжения на входе U_ВХ на значение от 1 до 2 В (параметр задается управляющей программой программируемого логического контроллера 4) модуль процессорный 17 через модуль выходов 19 включает контактор заряда малым током 7, который через контакт 27 и ограничительный диод (не обозначен) позволяет молекулярным накопителям энергии 1 продолжать накапливать заряд, минуя блок сопротивлений 2.

После завершения заряда молекулярных накопителей энергии1 до заданного значения напряжения, подключение нагрузки осуществляется активацией переключателя «Нагрузка» 15, который подключен к модулю входов 18. Модуль процессорный 17 через модуль выходов 19 включает контактор подключения нагрузки 8, который контактом силовым 28 соединяет молекулярные накопители энергии 1 с розеткой силовой 3, к которой подключена бортовая электрическая сеть гусеничной или колесной машины.

Затем производится испытание на функционирование электрических и (или) электромеханических систем машины. Если при включении в испытываемой гусеничной или колесной машине электрической и (или) электромеханической системы с большими пусковыми токами напряжение на клеммах розетки силовой 3 снижается до значений меньших напряжения на молекулярных накопителях U_МН, то молекулярные накопители энергии 1 отдают запасенную энергию, компенсируя провал напряжения. Короткие мощные импульсы напряжения, возникающие в процессе коммутации нагрузки, дополнительно сглаживаются фильтром высоких частот 30.

При отключении мощных нагрузок происходит резкое повышение напряжения на клеммах розетки силовой 3, при этом напряжение U_МН на молекулярных накопителях энергии 1 становится меньше этого напряжения, что сопровождается зарядом молекулярных накопителей энергии 1. Таким образом, сглаживается скачок напряжения на подключенной к розетке силовой 3 нагрузке.

При выборе переключателем «Напряжение испытания» 29 уставки меньше значения напряжения U_МН на молекулярных накопителях энергии 1 включается реле разряда 6 и молекулярные накопители энергии 1 контактом силовым 26 соединяются с минусовым потенциалом внешнего стационарного источника питания постоянного тока 24 через блок сопротивлений 2. Разряд молекулярных накопителей энергии 1 продолжается до значения напряжения U_МН меньше напряжения U_ВХ на величину от 3 до 4 В, после чего разряд прекращается.

Для разрядки молекулярных накопителей энергии 1 после работы отключают переключатель режима «Заряд» 13 и активируют переключатель режима «Разряд» 14, который подключен к модулю входов 18. Модуль процессорный 17, через модуль выходов 19 включает реле разряда 6. Реле разряда 6 контактом силовым 26 соединяет молекулярные накопители энергии 1 с минусовым потенциалом внешнего стационарного источника питания постоянного тока 24 через блок сопротивлений 2. Происходит полный разряд молекулярных накопителей энергии 1.

Охлаждение блока сопротивлений 2 и молекулярных накопителей энергии 1 осуществляется блоками вентиляторов 9 и 10. Контроль рабочей температуры осуществляется датчиками температуры 11 и 12. В случае нагрева блока сопротивления 2 или молекулярных накопителей энергии 1 выше допустимой температуры происходит их отключение от источника постоянного тока 24 и срабатывает сигнальная лампа «Перегрев» 16.

Автоматический режим работы (заряда/разряда) отличается тем, что при активации переключателя "Режим Авт." (не показан) сигналы на модуль входов 18 приходят в автоматическом режиме в зависимости от того какая уставка из записанных в управляющей программе программируемого логического контроллера 4 выбрана переключателем «Напряжение испытания» 29, тем самым определяется значение напряжения зарядки молекулярных накопителей энергии 1. Таким образом, после проведения испытаний без участия оператора устройство подготавливается к циклу подключения следующего изделия.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам защиты узлов электрических и (или) электромеханических систем гусеничных или колесных машин от отклонений питающего напряжения при испытаниях. Устройство гарантированного качества электроснабжения постоянного тока при коммутационных процессах в сильноточных потребителях содержит преобразователь переменного тока в постоянный, подключенный к источнику переменного тока, систему управления устройства, построенного на базе программируемого логического контроллера, состоящего из модуля процессорного, модуля входов, модуля выходов, модуля контроля напряжения и модуля контроля температуры, внешний низковольтный источник постоянного тока, блок сопротивлений, молекулярные накопители энергии, розетку силовую, обеспечивающую подсоединение испытываемых систем с большими пусковыми токами, органы управления, соединенные с соответствующими входами программируемого логического контроллера, органы контроля и электрические исполнительные аппараты, соединенные с соответствующими выходами программируемого логического контроллера. Также устройство дополнительно содержит фильтр высоких частот, подключенный параллельно молекулярным накопителям энергии, которые через контакт силовой контактора подключения нагрузки соединены с розеткой силовой, при этом молекулярные накопители энергии соединены с выходом внешнего низковольтного источника постоянного тока через блок сопротивлений и контакт силовой реле заряда, а также в обход блока сопротивлений по параллельной цепи, включающей контакт силовой контактора заряда малыми токами и ограничительный диод, кроме того, молекулярные накопители энергии соединены с «минусовым» контактом розетки силовой и внешним низковольтным источником постоянного тока через блок сопротивлений и контакт силовой реле разряда. Технический результат: повышение надежности и качества электроснабжения в процессе испытаний и повышение достоверности результатов испытаний. 1 ил.

Устройство для бесперебойного электроснабжения сильноточных потребителей постоянного тока, содержащее преобразователь переменного тока в постоянный, подключенный к источнику переменного тока, систему управления устройства, построенную на базе программируемого логического контроллера, состоящего из модуля процессорного, модуля входов, модуля выходов, модуля контроля напряжения и модуля контроля температуры, внешний низковольтный источник постоянного тока, блок сопротивлений, молекулярные накопители энергии, розетку силовую, обеспечивающую подсоединение испытываемых систем с большими пусковыми токами, органы управления, соединенные с соответствующими входами программируемого логического контроллера, органы контроля и электрические исполнительные аппараты, соединенные с соответствующими выходами программируемого логического контроллера, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит фильтр высоких частот, подключенный параллельно молекулярным накопителям энергии, которые через контакт силовой контактора подключения нагрузки соединены с розеткой силовой, при этом молекулярные накопители энергии соединены с выходом внешнего низковольтного источника постоянного тока через блок сопротивлений и контакт силовой реле заряда, а также в обход блока сопротивлений по параллельной цепи, включающей контакт силовой контактора заряда малыми токами и ограничительный диод, кроме того, молекулярные накопители энергии соединены с «минусовым» контактом розетки силовой и внешним низковольтным источником постоянного тока через блок сопротивлений и контакт силовой реле разряда.