RU180289U1

RU180289U1 - Ассиметричный суперконденсаторный источник бесперебойного питания

Info

Publication number: RU180289U1
Application number: RU2018105778U
Authority: RU
Inventors: Владимир Вячеславович Ворожейкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ТАЙТЭН ПАУЭР СОЛЮШН"
Priority date: 2018-02-15
Filing date: 2018-02-15
Publication date: 2018-06-08

Abstract

Полезная модель относится к области источников электрического питания. Источник содержит по меньшей мере вход для внешнего электроснабжения и выход на нагрузку, последовательно расположенные между входом и выходом зарядное устройство, блок отключения внешнего электроснабжения и инвертор. Мощности зарядного устройства и инвертора различны. Между блоком отключения внешнего электроснабжения и инвертором параллельно расположен суперконденсатор. Устройство позволяет повысить стабильность электроснабжением нагрузки в условиях нестабильности питающей электросети и компенсацировать импульсную мощность резкопеременной нагрузки.

Description

Полезная модель относится к области источников электрического питания и может быть использована при проектировании новых и оснащении/модернизации находящихся в эксплуатации систем электроснабжения промышленных и иных объектов напряжением 220В/380В с резкопеременной нагрузкой, включая электродвигатели, с нестабильной входной сетью (глубокие просадки или скачки напряжения, кратковременные прерывания напряжения), в том числе, для эксплуатации в необслуживаемом режиме в широком диапазоне температур (- 40°С...+65°С).

Влияние сравнительно небольших по мощности потребителей электроэнергии, вызывающих колебания мощности/напряжения, на уровне энергосистемы в целом не всегда ощутимо, но в точках присоединения к трансформаторным подстанциям и/или распределительным пунктам такие колебания, как правило, не допустимы. Особенно остро данный вопрос встает в связи с тем, что подобные колебания способны вызвать сбои в работе микропроцессорных устройств и систем автоматики, отключение осветительных устройств, привести к сокращению сроков службы электрооборудования и т.п.

Для обеспечения поддержания резкопеременных нагрузок в настоящее время применяется большое количество аппаратных средств и организационных мероприятий. Так, для кратковременного поддержания нагрузки во время перерывов в электроснабжении на время переключения автоматического ввода резерва с основной трансформаторной подстанции на резервную или на аварийный источник электроснабжения, применяются так называемые источники бесперебойного питания (ИБП), оснащенные аккумуляторными батареями (АКБ). В числе конструкций подобных источников может быть упомянуто, в частности, устройство по патенту РФ на полезную модель №167946, содержащее выпрямитель, подключенный к питающей сети переменного тока, инвертор, подключенный к нагрузке, шину постоянного тока между указанным выпрямителем и инвертором, соединенную также с зарядно-разрядным устройством, связанным с аккумуляторной батареей, и ключ, образующий байпасную цепь между питающей сетью и выходом инвертора.

Недостатки применения традиционных ИБП с АКБ напрямую связаны с недостатками, присущими традиционным АКБ и заключаются в обеспечении климатических условий эксплуатации, повышенных требованиях к взрывобезопасности и необходимости периодической замены АКБ.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое решение, состоит в дальнейшем совершенствовании средств обеспечения стабильности электроснабжения в условиях нестабильности питающей электросети, при этом технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в повышении стабильности электроснабжением нагрузки в условиях нестабильности питающей электросети, повышении компенсация импульсной мощности резкопеременной нагрузки (и, как следствие, в снижении требуемой мощности питающих сетей и аварийных источников
энергии, снижении или исключении влияния резкопеременной нагрузки на
питающие сети), а также в возможности поддержания нагрузки на время переключения с основного источника электроэнергии на вспомогательный или аварийный.

Для достижения поставленного результата предлагается источник бесперебойного питания (ИБП), содержащий по меньшей мере вход для внешнего электроснабжения и выход на нагрузку, последовательно расположенные между входом и выходом зарядное устройство, блок отключения внешнего электроснабжения и инвертор, при этом мощности зарядного устройства и инвертора различны, а между блоком отключения внешнего электроснабжения и инвертором параллельно расположен суперконденсатор.

Практические варианты реализации заявленного ИБП предполагают использование в качестве суперконденсаторов суперконденсатора двойного слоя (EDLC), наличие аварийного ключа (байпаса), параллельно расположенного между входом и выходом, применение в качестве зарядного устройства AC-DC преобразователя, а в качестве инвертора - DC-AC преобразователя, опциональное наличие в составе ИБП трансформатора, последовательно расположенного между входом и зарядным устройством.

Сущность полезной модели поясняется принципиальной электрической схемой заявленного ИБП (фиг.1), при этом, исходя из существенности в различии мощностей зарядного устройства и инвертора, т.е. – их условной ассиметричности, авторы в рамках настоящего описания применительно к заявленному ИБП вводят понятие «ассиметричный» (ИБП).

Основными составными элементами заявленного источника бесперебойного питания (ИБП) являются суперконденсатор (суперконденсаторный накопитель) 1, зарядное устройство (AC-DC преобразователь) 2 и инвертор (DC-AC преобразователь) 3. Указанные элементы последовательно расположены между входом и выходом ИБП в комбинации «зарядное устройство – суперконденсатор – инвертор». Для специалиста, тем не менее, очевидно, что исходя из технической сущности составных элементов заявленного ИБП, подобная комбинация может быть описана и как последовательное расположение зарядного устройства и инвертора между входом и выходом ИБП и параллельное расположение суперконденсатора к, соответственно, выходу зарядного устройства и входу инвертора. Принципиальным является то, что мощности зарядного устройства и инвертора различны (подробнее см. ниже), что, применительно, к заявленному ИБП, обуславливает его условное именование как «ассиметричный ИБП» (фактически данная особенность отражает разницу в мощностях на входе и выходе ИБП). В свою очередь, наличие в составе заявленного ИБП, по существу, двух преобразователей (AC-DC и DC-AC, соответственно), позволяет применительно к описанию принципа его работы использовать в рамках настоящего описания понятие «схема с двойным преобразованием».

Поддержание нагрузки с использованием заявленного ассиметричного ИБП со схемой двойного преобразования при полном прекращении электроснабжения и/или на время переключения с основного источника электроэнергии на вспомогательный или аварийный, включая дизель-генераторы (т.е. – повышение стабильности электроснабжением нагрузки в условиях нестабильности питающей электросети), обусловлено наличием суперконденсаторного накопителя 1, который осуществляет электроснабжение нагрузки через инвертор 3. В свою очередь, в режиме ожидания заряд накопителя 1 ведется посредством его связи с источником внешнего электроснабжения (вход ИБП) через зарядное устройство 2. Между зарядным устройством и точкой соединения суперконденсатора с линией «вход – выход» ИБП последовательно расположен блок отключения внешнего электроснабжения 4 для исключения перегрузки внешней сети, срабатывающий в момент превышает номинальной мощности нагрузки для последующей компенсации от накопителя.

Возможность компенсации импульсной мощности резкопеременной нагрузки
и, как следствие, снижение требуемой мощности питающих сетей и аварийных
источников энергии, снижение или исключение влияния резкопеременной нагрузки
на питающие сети обусловлена различием в мощностях преобразователей 2 и 3. В частности, мощность преобразователя 2 рассчитывают исходя из
номинальной мощности резкопеременной нагрузки, а мощность преобразователя 3 – исходя из пиковой мощности резкопеременной нагрузки, при этом мощность накопителя 1 также определяется, исходя из пиковой мощности резкопеременной нагрузки. Непосредственно компенсация импульсной мощности обеспечивается за счет способности накопителя 1 практически мгновенно отдавать требуемую нагрузкой мощность, разряжаясь через преобразователь 3.

Опционально в составе заявленного ассиметричного ИБП могут применяться
следующие элементы:

трансформатор 5 гальванической развязки, который позволяет обеспечить
безопасность персонала, обслуживающего оборудование, подключенное через
ИБП и, кроме того, работающий как дополнительный фильтр и позволяющий обеспечить выделенную нейтраль;

аварийный ключ (байпас) 6, применяемый для полного ручного
отключения ИБП при проведении ремонтных и профилактических работ;

аккумуляторная батарея 7, применяемая для увеличения
времени автономной работы ИБП.

Входное электроснабжение может обеспечиваться как городской
электрической сетью, так и автономными источниками питания, такими как дизель-генераторы, а также альтернативными источниками энергии, такими как солнечные
батареи и/или ветрогенераторы.

Заявленный ассиметричный ИБП помимо обеспечения основных
функций позволяет также обеспечить КПД на уровне 95-98% за счет того, что преобразованию подвергается только та часть энергии, которая поступает в суперконденсаторный накопитель и выходит из него, гарантировать работу в широком диапазоне температур (от – 40°С до +65°С) не требуя наличия
специальных систем обеспечения климатических условий, включая уличное применение, обеспечить длительный срок эксплуатации за счет срока службы
суперконденсаторного накопителя 1 млн. циклов заряда/разряда (10 лет), обеспечить возможность масштабирования до мощности (МВт) за счет
параллельного соединения унифицированных устройств.

Claims

1. Источник бесперебойного питания (ИБП), содержащий по меньшей мере вход для внешнего электроснабжения и выход на нагрузку, последовательно расположенные между входом и выходом зарядное устройство, блок отключения внешнего электроснабжения и инвертор, при этом мощности зарядного устройства и инвертора различны, а между блоком отключения внешнего электроснабжения и инвертором параллельно расположен суперконденсатор.

2. Источник по п.1, в котором в качестве суперконденсатора использован суперконденсатор двойного слоя (EDLC).

3. Источник по п.1, дополнительно содержащий аварийный ключ (байпас), параллельно расположенный между входом и выходом.

4. Источник по п.1, в котором в качестве зарядного устройства использован AC-DC преобразователь, а в качестве инвертора - DC-AC преобразователь.

5. Источник по п.1, дополнительно содержащий трансформатор, последовательно расположенный между входом и зарядным устройством.