Система бесперебойного электропитания Советский патент 1991 года по МПК H02J9/06 

О О

о о

00

о

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электроснабжения ответственных потребителей переменного тока. Цель - повышение надежности электроснабжения путем уменьшения провалов напряжения на нагрузке при переключении сетей. Аварийное переключение с основной сети на резервную протекает в два этапа. Первый этап - переключение неисправной сети 1 на предварительно засинхронизированный инвертор 18, при этом в течение времени отключения основной сети происходит параллельная работа инвертора с сетью на нагрузку через индуктивный делитель тока, выполненный в виде уравнительного автотрансформатора. Так как напряжение на нагрузке в этом случае равно полусумме выходных напряжений основной сети и ин

а

ю

вертора, то оно во время переключения не имеет недопустимых отклонений (15 - 20%) в течение одного периода). Второй этап - переключение с инвертора на резервную сеть., Уравнительный трансформатор в это время шунтируется и не оказывает влияния на процессы переключения. Но так как происходит переключение с источника ограниченной мощности (инвертора) с большим внутренним

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электроснабжения ответственных потребителей переменного тока.

Цель изобретения - повышение надежности электроснабжения путем уменьшения провалов напряжения на нагрузке при переключении сетей.

На фиг.1 приведена схема предлагаемой системы бесперебойного электропитания; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие работу системы; на фиг.З - схема формирователя управляющих сигналов.

Система бесперебойного электропитания содержит основную сеть 1, резервную сеть 2, выключатель 3 основной сети 1 с обмоткой 4 управления размыкающими контактами 5 и 6 и замыкающим контактом 7, выключатель 8 резервной сети 2 с обмоткой 9 управления, замыкающим контактом 10 и размыкающим контактом 11, блок 12 контроля напряжения и частоты основной сети 1, блок 13 контроля напряжения и частоты резервной сети 2, логический элемент ЗАПРЕТ 14, датчик 15 напряжения основной сети 1, датчик 16 напряжения резервной сети 2, блок 17 синхронизации, инвертор 18, тиристорный ключ 19, формирователь 20 управляющих сигналов, уравнительный автотрансформатор 21, шунтирующий ключ 22, реле 23 с замкнутым контактом и нагрузку 24.

Нагрузка 24 подключена к средней точке уравнительного автотрансформатора 21. Одна полуобмотка уравнительного автотрансформатора 21 зашунтирована ключом 22 и подключена к общему зажиму выключателя 3 основной сети 1 и выключателя 8 резервной сети 2. Вторая полуобмотка уравнительного автотрансформатора 21 подключена через тиристорный ключ 19 к инвертору 18, управляющий вход которого подключен к выходу блока 17 синхронизации. Первый вход блока 17 синхронизации подключен к выходу датчика 15 напряжения основной сети 1, второй вход - к выходу

сопротивлением на источник значительно большей мощности (сеть) с малым внутренним сопротивлением, а напряжения сети и инвертора синхронны, синфазны и близки по величине, то существенных отклонений напряжения на нагрузке не происходит (5% в течение полупериода). Переключение с резервной сети на основную происходит аналогично. 1 з. п. ф-лы, 3 ил,

датчика 16 напряжения резервной сети 2, третий вход - к выходу инвертора. Первый вход датчика 15 напряжения подключен к основной сети 1, второй вход объединен

с инверсным входом элемента ЗАПРЕТ и подключен к выходу блока 12 контроля основной сети 1, первый вход датчика 16 напряжения подключен к резервной сети 2, второй вход - к выходу логического элемента ЗАПРЕТ 14, прямой вход которого подключен к выходу блока 13 контроля резервной сети 2.

Входы блоков 12 и 13 контроля подключены соответственно к основной сети 1 и к

резервной сети 2. Управляющие входы шунтирующего ключа 22 через параллельно соединенные замыкающий контакт 7 выключателя 3 основной сети 1 и через замыкающий контакт 10 выключателя 8 резервной сети 2 подключены к выходу форми- рователя 20 управляющих сигналов, который также подключен к управляющему входу тиристор но го ключа 19. Первый вход формирователя 20 через размыкающий контакт 6 выключателя 3 основной сети 1 подключен к выходу блока 12 контроля основной сети 1, второй вход через размыкающий контакт 11 выключателя 8 резервной сети 2 объединен с управляющим

входом реле 23 и подключен к выходу логического элемента ЗАПРЕТ 14. Обмотка 4 управления выключателя 3 подключена к основной сети 1. Обмотка 9 управления выключателя 8 через последовательно

соединенные размыкающий контакт 5 выключателя 3 и замыкающий контакт реле 23 подключена к резервной сети 2.

На диаграммах (фиг,2) обозначено: 25 - состояние выключателя 3 основной

сети, 26 - напряжение синхронизации на выходе датчика 15 напряжения основной сети, 27 - напряжение на выходе блока 12 контроля основной сети, 28 - состояние выключателя 8 резервной сети, 29 - напряжение синхронизации на выходе датчика 16 напряжения резервной сети, 30 - напряжение на выходе блока 13 контроля резервной сети, 31 - напряжение на выходе элемента ЗАПРЕТ 14, 32 - напряжение на выходе формирователя 20 управляющих сигналов, 33 - напряжение на выходе ти- ристорного ключа 19, 34 - состояние шунтирующего ключа 22,35 - состояние реле 23, 36 - напряжение на нагрузке 24.

Блоки 12 и 13 контроля выполнены по одинаковым схемах, каждая из которых со- держит устройство контроля напряжения и устройство контроля частоты, выполненные по известным схемам.

Датчики 15 и 16 напряжения выполнены по одной и той же схеме, содержащей согла- сующий пониженный трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к блоку 17 синхронизации через контакт реле, управляемое соответственно от блока 12 контроля или от элемента ЗАПРЕТ 14.

В качестве блока 17 синхронизации используется система фазовой автоподстройки частоты, содержащая соединенные в кольцо фазовый детектор, фильтр, управляемый генератор и делитель частоты. Сигна- лы синхронизации поступают на вход фазового детектора, выходом блока синхронизации служат выходы делителя частоты.

Инвертор может выполняться по двум принципиально отличающимся схемам. Первая схема построена на основе инвертора напряжения и содержит регулируемый многофазный тиристорный инвертор, Г-об- разный выходной фильтр и систему импуль- сно-фазового управления. Вторая схема содержит тиристорный инвертор тока, компенсирующее устройство и систему импуль- сно-фазового управления.

Формирователь 20 управляющих сигна- лов может быть выполнен на основе магнит- отрапзисторного мультивибратора (фиг.З) или на основе блокинг-генератора. Собственно мультивибратор выполнен на трансформаторе 37 и транзисторах 38 и 39. Включение мультивибратора осуществляется от двух логических устройств. Первое логическое устройство содержит последовательно включенные размыкающий контакт 11 выключателя 3 и ускоритель логического сигнала, поступающего от элемента ЗАПРЕТ 14, на транзисторе 40. Второе логическое устройство содержит последовательно включенные размыкающий контакт 6 выключателя 8 и усилитель логического сигнала, поступающего от блока 12 контроля, на транзисторе 41. Резистор 42 служит для надежного запуска мультивибратора при пониженной температуре окружающей среды.

Рабочая частота мультивибратора пыГ-щ рается не менее нескольких тысяч герц

Шунтирующий ключ 2 переменного тока может выполняться как на элекгромгн нитном контакторе, так и на полупроводни ковых элементах, например на встречно включенных тиристорах.

Реле 23 может также выполняться как на электромагнитных элементах, так и на полупроводниковых элементах, например на диодном мосте, в диагональ которого по постоянному току включен транзистор

Система бесперебойного электропитания работает следующим образом.

При исправной основной сети 1 выключатель 3 включен, значит его контакты 5 и 6 разомкнуты, а контакт 7 замкнут. Выключатель 8 резервной сети выключен, так как благодаря разомкнутому контакту 5 обмотка 9 обесточена. При этом контакт 10 находится в разомкнутом состоянии, а контакт 11 в замкнутом. На выходе блока 12 контроля основной сети 1 присутствует сигнал логической 1, поэтому с выхода датчика 15 напряжения напряжение основной сети 1 поступает на первый вход блока 17 синхронизации. На выходе элемента ЗАПРЕТ 14 сигнал логической 1 будет только тогда, когда сигнал с выхода блока 12 контроля равен 0, а сигнал с выхода блока 13 контроля равен 1, во всех других случаях сигнал на выходе элемента ЗАПРЕТ 14 равен 0. Поскольку при исправной основной сети 1 сигнал на выходе блока 12 контроля равен 1, то сигнал на выходе элемента ЗАПРЕТ 14 равен 0. Это значит, что напряжение с датчика 16 напряжения резервной сети 2 на второй вход блока 17 синхронизации не поступает, реле 23 отключено, формирователь 20 управляющих сигналов находится в отключенномсостоянии, следовательно, тиристорный ключ 19 о.ключей, а шунтирующий ключ 22 находится в замкнутом состоянии. Нагрузка 24 через шунтирующий ключ 22 получает питание от основной сети 1, минуя уравнительный автотрансформатор 21. Инвертор 18 работает на холостом ходу синхронно и синфазно с основной сетью 1 благодаря блоку 17 синхронизации, на первый вход которого поступает напряжение основной сети 1, а на третий вход - выходное напряжение инвертора 18.

Пусть в основной сети произошла авария (момент времени ti). Тогда на выхо-, де блока 12 контроля появится сигнал логического О, а на выходе элемента ЗАПРЕТ 14 - сигнал логической 1, Прохождение напряжения синхронизации от датчика 15 напряжения прекращается, теперь напряжение синхронизации поступает на второй вход блока 17 синхронизации от датчика 16 резервной сети 2. Сигнал с выхода элемента ЗАПРЕТ 14 включает реле 23 и через замкнутый контакт 11 включа-. ет формирователь 20 управляющих сигналов, на выходе которого появляется сигнал, формирователь 20 включает тири- сторный ключ 19 и через замкнутый контакт 7 выключателя 3 отключает шунтирующий ключ 22. Таким образом, как только блок 12 контроля обнаружил отклонение параметров в основной сети 1, на параллельную работу с основной сетью 1 включается инвертор 18, выходное напряжение которого синхронно и синфазно с основной сетью. Поскольку основная сеть 1 и инвертор 18 включаются на параллельную работу через уравнительный автотрансформатор 21, являющийся индуктивным делителем тока, то токи между сетью 1 и инвертором 18 делятся практически поровну, а напряжение на нагрузке при равном количестве витков в полуобмотках уравнительного автотрансформатора 21 равно полусумме напряжений основной сети 1 и инвертора 18. Так как к инвертору прикладывается в момент аварии 50% нагрузки, то провал напряжения на его выходе будет меньше, чем при 100% коммутации нагрузки в известных системах, и, следовательно, провалы напряжения на нагрузке будут незначительными.

Параллельная работа инвертора 18 с основной сетью 1 продолжается до момента срабатывания выключателя 3 (момент времени iz). Как только срабатывает выключатель 3, контакт 7 разомкнется, шунтирующий контактор 22 замкнет полуобмотку уравнительного автотрансформатора 21, а нагрузка продолжает получать питание от инвертора 18, так квк тиристорный ключ 19%остается включенным. При срабатывании выключателя 3 на обмотку 9 управления выключателя 8 резервной сети 2 через замкнутый контакт реле 23 м через контаг.г выключателя 3 подается напряжение и, спустя некоторое время, выключатель 8 срабатывает. Скорость перестройки частоты на выходе блока 17 синхронизации выбирается такой, чтобы к моменту срабатывания выключателя 8 частота на выходе инвертора была равна частоте резервной сети 2.

При срабатывании выключателя 8 (момент времени тз) контакт 11 разомкнется, формирователь 20 управляющих сигналов выключит тиристорный ключ 19 и, следовательно, инвертор 18 отключится от нагрузки 24. Нагрузка 24 получит питание от резервной сети 2. Инвертор 18 продолжает работать на холостом ходу синхронно и

синфазно с резервной сетью 2. При включении резервной сети 2 контакт 10 выключателя 8 замыкается, йо размыкания шунтирующего ключа 22 не происходит, так

как одновременно размыкается контакт 11 и прекращается работа формирователя 20. Таким образом, при переключении нагрузки с инвертора 18 на резервную сеть 2 уравнительный автотрансформатор остается за0 шунтированным, т.е. не вступает в работу, однако качество напряжения на нагрузке остается высоким, так как в этом случае происходит переключение нагрузки от ка с большим выходным сопротивлением

5 инвертора к источнику с малым выходным сопротивлением (сети). Кроме того, напряжения инвертора 18 и резервной сети 2 синхронны, синфазны и близки по величине. Пусть напряжение в основной сети 1

0 восстановилось (момент времени 14). Тогда на выходе блока 12 контроля возникает сигнал логической 1, который через замкнутый контакт 6 выключателя 8 включи формирователь 20 управляющих сигналов,

5 который в свою очередь включит тиристорный ключ 19 и через замкнутый контакт 10 выключателя 8 разомкнет шунтирующий ключ 22. Начиная с этого момента инвертор 18 и резервная сеть 2 включены на перал0 лельную работу через уравнительный ас го- трансформатор 21. При восстановлении напряжения в основной сети I на выходе элемента ЗАПРЕТ 14 появится сигнал логического О,-который отключает реле 23, а

5 следовательно, и резервную сеть 2, а также прекращает подачу напряжения н& блок 17 синхронизации от резервной сети 2 через датчик 16 напряжения. Синхронизация инвертора 18 начинает осуществляться от ос0 новной сети 1 через датчик 15 напряжения. При срабатывании выключателя 8 резервной сети 2 (момент вращения ts) размыкается контакт 10 и шунтирующий ключ 22 замыкается. Начиная с этого момента,на5 грузка получает питание от инвертора 13, минуя уравнительный автотрансформатор 21. Процесс переключения с реьерьно сети 2 на инвертор 18 протекает, .сак следует из вышезложенного, аналогично процессу пе0 реключения с основной сеги на игвергор, поэтому качество напряжения из нагрузке высокое.

При срабатывании выключателя 3 основной сети 1 (момеит времени ts}, которое

5 может осуществляться как вручную, так к автоматически, контакт б ьыключателя 3 размыкается, следовательно, формирователь 20 отключается, npf этом шунтирующий ключ 22 остается замкнутым, а инвертор 13 тиристормым 19 отключается от нагрузки 24 и продолжает работать на холостом ходу. Теперь нагрузка 24 обеспечивается питанием от основной сети 1. Поскольку происходит переключение от исправного источника с большим внутрен- ним сопротивлением (инвертора) к исправному источнику с малым внутренним сопротивлением (основной сети), а их напряжения синхронны, синфазны и близки по величине, то провалов напряжения, как и при переключении с инвертора на резервную сеть, не возникает, т.е. качество напряжения на нагрузке высокое.

Таким образом рассмотрена работа предлагаемой системы бесперебойного электропитания при аварийном переключении с основной сети на резервную и обратное переключение с резервной сети на основную. Процесс аваоийного переключения протекает в два этапа. В начале про- исходит переключение к неисправной основной сети 1 на предварительно засинх- ронизированный инвертор 18, При этом в течение времени, равного времени отключения основной сети, осуществляется па- раллельная работа инвертора с сетью. Благодаря тому, что напряжение инвертора и сети синхронны и синфазны, а к инвертору в мо мент коммутации благодаоя индук ив- ному делителю тока, выполненному в виде уравнительного автотрансформатора, прикладываете .; не вся нагрузка, как в известной системе, а только часть ее, провалы напряжения на выходе инвертора в момент коммутации незначительны. Так как на- пряжение на нагрузке в системе электропитания, состоящей из двух источников переменного тока, включенных на параллельную работу через уравнительный автотрансформатор, разно полусумме выходных напряжений основной сети и инвертора, то оно so время переключения с неисправной ОСНСЕ:-,ОЙ сети на инвертор не претерпевает недопустимых отклонений.

Второй этап заключается в переключе- нии с инвертора на резервную сеть. Уравни- гельный автотрансформатор во время переключения с инвертора на резервную часть зашунтирован и не оказывает никакого влияния на процессы гзреключения. Но так как в данном случае происходит переключение с источника ограниченной мощности, г.е. с большим внутренним сопротивлением (инвертора), на источник со значительно большей мощностью, т.е. с ма- лым внутренним сопротивлением (сеть), а напряжения сети и инвертора синхронны, синфазны и близки по величине, то существенных отклонений напряжения на нагрузке не происходит.

Экспериментально на системе бесперебойного электропитания мощностью 30 кВА установлено, что провалы напряжения на нагрузке при переключении с неисправной сети на инвертор составляют 15 - 20% дли тельностью один период, а при переключении с инвертора на сеть не более 5% в течение полупериода.

Переключение с резервной сети на основную происходит также в два этапа. Вначале происходит переключение г.резервной сети на инвертор, а затем с инвертора на основную сеть. Процессы протекают так же, кзк итфи переключении с основной сети на резервную, но так как резервная сеть неисправна, то при переключении с резервной сети на инвертор провалы напряжения на нагрузке будут меньше, чем при переключении с неисправной основной сети на инвертор.

Так как инвертор работает непродолжительное время {единицы секунд), то его элек- тромагнитные элементы (трансформаторы, дроссели) рассчитываются на повышенные электромагнитные нагрузки и в целом инвертор имеет небольшие массогабаритные показатели.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить провалы напряжения на нагрузке при переключении г основной сети на резервную и обратно по сравнению с известной системен и тем самым повысить надежность электDOпитания.

Предлагаемую систему бесперебойного электропитания целесообразно использовать для наиболее ответственных потребителей переменного тока, не допускающих не только перерывов в питании, но и существенных провалов и искажений.

Формула изобретения

1, Система бесперебойного электропитания, содержащая нагрузку, выключатели основной и резервной сетей с катушками управления, инвертор с источником пита- ник тиристорный ключ, формирователь управляющих сигналов, блок синхронизации, два блока контроля напряжения и частоты и два датчика напряжения, первые входы которых объединены и подключены к основной и резервной сетям соответственно, выходы датчиков напряжения подключены к первому и второму входам блока синхронизации, выход которого под- ключей к управляющему входу инвертора, выход которого соединен с третьим входом блока синхронизации и тиристорным ключом, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя управляющих сигналов, а катушка управления выключателя резервной сети подключена к резервной сети через размыкающий контакт выключателя основной сети, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности электроснабжения путем уменьшения провалов напряжения на нагрузке при переключении сетей, она дополнительно снабжена уравнительным автотрансформатором, шунтирующим ключом, логическим элементом ЗАПРЕТ, реле с замыкающим контактом, включенным последовательно с катушкой управления выключателя резервной сети, а каждый выключатель сети дополнительно снабжен замыкающим и размыкающим контактами, при этом нагрузка подключена к средней точке обмотки уравнительного автотрансформатора, одна полуобмотка которого соединена с выходом тиристорного ключа, а вторая полуобмотка - с общей точкой выключателей основной и резервной сетей и зашунтирована ключом, имеющим два управляющих входа,

w

ЛППППППППП

каждый из которых через замыкающий контакт выключателя соответственно основной и резервной сетей подключен к входу формирователя управляющих сигналов,

первый вход которого через размыкающий контакт выключателя резервной сети соединен с управляющим входом реле и с вторым входом датчика напряжения резервной сети, который подключен к выходу логического элемента ЗАПРЕТ, прямой вход которого подключен к выходу блока контроля резервной сети, а инверсный объединен с вторым входом датчика напряжения основной сети и с выходом блока контроля основной /сети

и через размыкающий контакт выключателя основной сети соединен со вторым входом формирователя управляющих сигналов.

/

/ s

У

S /

У V/

юшпшпппппж

//х7- -ХГ-7- ОЛЛ7 р- --г / 7

3Q37

Ф

О trr S/,T SS77C

/4

г

|

Ь V I Н

И

ч

Д