RU203769U1

RU203769U1 - Uninterruptible Power Supply

Info

Publication number: RU203769U1
Application number: RU2020141657U
Authority: RU
Inventors: Николай Сергеевич Сватов; Роман Сергеевич Сидоров; Андрей Александрович Карпов; Андрей Юрьевич Лугачев; Владимир Викторович Карпенко; Аркадий Валериевич Железняк; Андрей Николаевич Дубровин; Михаил Николаевич Кириченко; Сергей Васильевич Хлыст; Алексей Геннадьевич Иванов; Андрей Николаевич Шестаков; Павел Александрович Пшеничников
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2021-04-21

Abstract

Полезная модель относится к источникам бесперебойного электропитания электронного, электрического или электромеханического оборудования с заряжаемым от сети накопителем энергии. Источник бесперебойного электропитания содержит основную линию питания для соединения внешнего источника питания с нагрузкой, зарядное устройство для заряда аккумуляторной батареи, электрически параллельно подключенное к основной линии питания. Выход аккумуляторной батареи последовательно соединен с нагрузкой через управляемый ключ и диод в его прямом направлении. Полезная модель решает задачу энергоэффективной работы источника бесперебойного электропитания оборудования, в том числе оборудования повышенной мощности.

The utility model relates to uninterruptible power supplies of electronic, electrical or electromechanical equipment with an energy storage device rechargeable from the network. The uninterruptible power supply contains a main power line for connecting an external power source to the load, a charger for charging the battery, electrically connected in parallel to the main power line. The output of the storage battery is connected in series with the load through a controlled switch and a diode in its forward direction. The utility model solves the problem of energy efficient operation of an uninterruptible power supply for equipment, including equipment of increased power.

Description

Полезная модель относится к источникам бесперебойного электропитания электронного, электрического или электромеханического оборудования с заряжаемым от сети накопителем энергии и может быть использована для бесперебойного электропитания упомянутого оборудования, в том числе удаленно установленного оборудования трубопроводного транспорта. The utility model relates to uninterruptible power supplies for electronic, electrical or electromechanical equipment with a network-rechargeable energy storage device and can be used for uninterrupted power supply of the aforementioned equipment, including remotely installed pipeline transport equipment.

Известно устройство для энергоснабжения электронного, электрического или электромеханического оборудования по патенту РФ 2441307 (опубл. 27.01.2012). Устройство содержит заряжаемый источник питания для предоставления энергии оборудованию, блок управления заряжаемым источником питания, соединенный через разъем с внешним источником питания и имеющий возможность мониторинга и обеспечения контролируемой зарядки заряжаемого источника питания, и соединенный с заряжаемым источником питания блок управления оборудованием для управления передачей энергии от заряжаемого источника питания к оборудованию. Заряжаемый источник питания предоставляет энергию оборудованию во время его работы. A device for power supply of electronic, electrical or electromechanical equipment is known according to RF patent 2441307 (publ. 27.01.2012). The device contains a rechargeable power source for providing energy to the equipment, a control unit for a rechargeable power source connected through a connector to an external power source and having the ability to monitor and provide controlled charging of a rechargeable power source, and an equipment control unit connected to a rechargeable power source to control the transfer of energy from the rechargeable power source. power supply to the equipment. A rechargeable power supply provides energy to the equipment while it is running.

Основным недостатком устройства является то, что в нем не предусмотрено энергоснабжение оборудования непосредственно от внешнего источника питания. Поэтому заряжаемый источник питания постоянно работает при работе оборудования, что сокращает срок службы заряжаемого источника питания и снижает эффективность работы устройства.The main disadvantage of the device is that it does not provide for power supply of equipment directly from an external power source. Therefore, the rechargeable power supply is constantly running while the equipment is operating, which shortens the life of the rechargeable power supply and reduces the efficiency of the device.

Известно устройство для заряда аккумулятора по патенту РФ 2238608 (опубл. 20.10.2004). Устройство содержит внешний источник питания постоянного тока, соединенный с нагрузкой основной линией питания. Аккумулятор связан с нагрузкой резервной линией питания, включающей в себя преобразователь напряжения, ключевой элемент, генератор импульсов управления зарядом, блок определения наличия аккумулятора, схему индикации переполюсовки, первый и второй резисторы.A device for charging a battery is known according to RF patent 2238608 (publ. 20.10.2004). The device contains an external DC power supply connected to the load by a main power line. The battery is connected to the load by a backup power line, which includes a voltage converter, a key element, a charge control pulse generator, a battery detection unit, a polarity reversal indication circuit, the first and second resistors.

Основным недостатком устройства является наличие в резервной линии питания множества энергозатратных блоков, что увеличивает потери энергии и снижает КПД работы устройства.The main disadvantage of the device is the presence of many energy-consuming units in the backup power line, which increases energy losses and reduces the efficiency of the device.

Кроме того, устройство имеет два выхода, один из которых служит для снабжения нагрузки основным напряжением питания, а другой – резервным напряжением питания. В результате подключаемая нагрузка должна иметь два входа, что ограничивает применение широкого ряда нагрузок, имеющих один вход. In addition, the device has two outputs, one of which is used to supply the load with the main supply voltage, and the other - with the reserve supply voltage. As a result, the connected load must have two inputs, which limits the use of a wide range of loads having one input.

Известен источник бесперебойного электропитания по патенту РФ 114564 (опубл. 27.03.2012). Данный источник содержит выпрямитель, подключенный к питающей сети переменного напряжения. Выпрямитель соединен с нагрузкой через последовательно включенные в линию основного питания зарядное устройство и разрядное устройство. Зарядное устройство обеспечивает заряд аккумуляторной батареи, разрядное устройство служит для обеспечения питания нагрузки от аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея подключена к разрядному устройству через блок защиты от глубокого разряда и блокирующий диод в его прямом направлении. Known uninterruptible power supply according to RF patent 114564 (publ. 03/27/2012). This source contains a rectifier connected to an AC mains supply. The rectifier is connected to the load through a charger and a discharge device connected in series to the main power line. The charger supplies the battery, the discharger supplies power to the load from the battery. The battery is connected to the discharge device through a deep discharge protection unit and a blocking diode in its forward direction.

Основным недостатком источника является последовательное включение в линию основного питания зарядного устройства и разрядного устройства. Это приводит к тому, что указанные устройства, в схему которых входят энергозатратные элементы, постоянно работают и при наличии, и при отсутствии в сети нормального напряжения, что снижает энергоэффективность источника бесперебойного электропитания и надежность его работы.The main disadvantage of the source is the serial connection of the charger and the discharge device to the main power line. This leads to the fact that these devices, the circuit of which includes energy-consuming elements, constantly work both in the presence and in the absence of normal voltage in the network, which reduces the energy efficiency of the uninterruptible power supply and the reliability of its operation.

В данном источнике величина напряжения на аккумуляторной батарее не превышает величину напряжения в основной линии питания, т.к. в противном случае блокирующий диод в режиме работы от сети откроется, и батарея будет разряжаться в сеть. Это не позволяет увеличить напряжение батареи, и следовательно, обеспечить питанием мощную нагрузку.In this source, the voltage on the battery does not exceed the voltage in the main power line, because otherwise, the blocking diode in mains mode will open and the battery will be discharged into the mains. This does not allow the battery voltage to be increased, and therefore supply power to the powerful load.

Известен источник бесперебойного энергоснабжения по патенту РФ 180664 (опубл. 20.06.2018), который содержит основную линию питания для соединения внешнего источника питания с нагрузкой, зарядное устройство, соединенное с аккумуляторной батареей, соединенной с разрядным устройством. Зарядное и разрядное устройства электрически параллельно подключены к основной линии питания. При сбое питающего напряжения разрядное устройство берет питание с аккумуляторной батареи и повышает напряжение до соответствующего уровня, необходимого для питания нагрузки.Known uninterruptible power supply according to RF patent 180664 (publ. 20.06.2018), which contains a main power line for connecting an external power source to the load, a charger connected to a battery connected to a discharge device. The charger and discharger are electrically connected in parallel to the main power line. In the event of a power failure, the discharger takes power from the battery and raises the voltage to the appropriate level to power the load.

В данном источнике снижены электрические потери за счет параллельного подключения к основной линии питания разрядного и зарядного устройств. Однако наличие в схеме разрядного устройства, в состав которого входят энергозатратные элементы, снижает энергоэффективность источника питания. Кроме того, разрядное устройство является импульсным и коммутирует на высокой частоте, что приводит к нежелательным электромагнитным помехам, снижающим надежность работы источника.In this source, electrical losses are reduced due to the parallel connection of the discharge and charger to the main power line. However, the presence of a discharge device in the circuit, which includes energy-consuming elements, reduces the energy efficiency of the power supply. In addition, the discharge device is pulsed and switches at a high frequency, which leads to unwanted electromagnetic interference, which reduces the reliability of the source.

За ближайший аналог выбран источник бесперебойного электропитания по патенту РФ 167946 (опубл. 13.01.2017), в котором основная линия питания для соединения внешнего источника питания с нагрузкой содержит выпрямитель, подключенный к питающей сети переменного тока, последовательно соединенный с ним инвертор, шину постоянного тока между указанными выпрямителем и инвертором, соединенным с нагрузкой. Шина постоянного тока через зарядно-разрядный блок соединена с аккумуляторной батареей. Встречно-параллельно зарядно-разрядному блоку подсоединен байпасный диод для питания инвертора при отказе зарядно-разрядного блока.For the closest analogue, an uninterruptible power supply was chosen according to the RF patent 167946 (published on 01/13/2017), in which the main power line for connecting an external power source to the load contains a rectifier connected to the AC mains, an inverter connected in series with it, a DC bus between said rectifier and an inverter connected to the load. The DC bus is connected to the storage battery via a charging-discharge unit. A bypass diode is connected counter-parallel to the charge-discharge unit to power the inverter in the event of a charge-discharge unit failure.

Сетевое напряжение переменного тока преобразуется в напряжение постоянного тока, а затем происходит обратное преобразование постоянного напряжения в переменное, которым и питают нагрузку. Если в сети происходит сбой, инвертор начинает питаться от аккумуляторной батареи через зарядно-разрядный блок и шину постоянного тока.The AC mains voltage is converted to DC voltage, and then the reverse conversion of DC voltage to AC occurs, which is used to power the load. If the mains failure occurs, the inverter begins to power from the battery through the charging and discharging unit and the DC bus.

Недостатком источника питания является его низкая энергоэффективность. Это обусловлено использованием технологии двойного преобразования электрической энергии в штатных режимах работы как от сети, так и от аккумулятора. А также использованием энергозатратного зарядно-разрядного блока в штатном режиме работы от аккумулятора, что увеличивает потери и снижает КПД источника. The disadvantage of the power supply is its low energy efficiency. This is due to the use of the technology of double conversion of electrical energy in normal operating modes, both from the network and from the battery. And also the use of an energy-consuming charging and discharging unit in the normal mode of operation from a battery, which increases losses and reduces the efficiency of the source.

В данном источнике невозможно увеличить напряжение аккумуляторной батареи до величины, превышающей напряжение сети, т.к. в этом случае батарея будет разряжаться в сеть через шину постоянного тока при работе источника от сети. В результате аккумуляторная батарея имеет небольшой запас энергии, который не позволяет обеспечить питанием мощную нагрузку.In this source, it is impossible to increase the battery voltage to a value exceeding the mains voltage, because in this case, the battery will be discharged to the network via the DC bus when the source is operating on the network. As a result, the rechargeable battery has a small amount of energy, which does not allow supplying power to a powerful load.

Таким образом, актуальна проблема разработки надежного и энергоэффективного источника бесперебойного электропитания, имеющего высокую выходную мощность.Thus, the urgent problem of developing a reliable and energy efficient uninterruptible power supply with high output power.

Технической задачей полезной модели является энергоэффективная работа источника бесперебойного электропитания оборудования, в том числе оборудования повышенной мощности, за счет обеспечения максимального КПД при передаче увеличенного запаса энергии батареи в нагрузку.The technical task of the utility model is the energy efficient operation of an uninterruptible power supply unit for equipment, including equipment of increased power, by ensuring maximum efficiency when transferring an increased supply of battery energy to the load.

Технический результат полезной модели заключается в обеспечении электропитания нагрузки повышенной мощности.The technical result of the utility model is to provide power to the load of increased power.

Технический результат достигается тем, что источник бесперебойного электропитания, как и ближайший аналог, содержит основную линию питания, выполненную с возможностью соединения внешнего источника питания с нагрузкой, зарядное устройство для заряда последовательно соединенной с ним аккумуляторной батареи, электрически параллельно подключенное к основной линии питания, датчик напряжения для измерения напряжения в основной линии питания и блок управления. В отличие от ближайшего аналога, выход аккумуляторной батареи последовательно соединен с нагрузкой через управляемый ключ и диод в его прямом направлении, и блок управления выполнен с возможностью управления работой управляемого ключа по сигналу датчика напряжения. The technical result is achieved by the fact that the uninterruptible power supply, like the closest analogue, contains a main power line configured to connect an external power source to the load, a charger for charging a battery in series with it, electrically connected in parallel to the main power line, a sensor voltage to measure the voltage in the main power line and the control unit. Unlike the closest analogue, the output of the storage battery is connected in series with the load through the controlled switch and the diode in its forward direction, and the control unit is configured to control the operation of the controlled switch according to the voltage sensor signal.

В отличие от ближайшего аналога, выход аккумуляторной батареи последовательно соединен с нагрузкой через управляемый ключ и диод в его прямом направлении. Unlike the closest analogue, the output of the storage battery is connected in series with the load through a controlled switch and a diode in its forward direction.

Кроме того, составляющие батарею аккумуляторы могут быть разделены на две ячейки аккумуляторов, с возможностью питания нагрузки от одной или двух указанных ячеек аккумуляторов, в зависимости от мощности нагрузки.In addition, the batteries that make up the battery can be divided into two battery cells, with the ability to power the load from one or two of the specified battery cells, depending on the load power.

Кроме того, зарядное устройство выполнено с возможностью дозаряда батареи до ее полного заряда, производимого постоянным током меньшей величины в течение более длительного времени.In addition, the charger is configured to recharge the battery to its full charge, produced by a lower constant current for a longer time.

Кроме того, основная линия питания может быть снабжена управляемым ключом, своим выходом соединенным через датчик тока с нагрузкой. In addition, the main power line can be equipped with a controllable switch, its output connected through a current sensor to the load.

Сущность полезной модели поясняется с помощью блок-схемы предлагаемого источника бесперебойного энергоснабжения.The essence of the utility model is illustrated using a block diagram of the proposed uninterruptible power supply.

Позициями на схеме обозначены: 1 - источник бесперебойного электропитания; 2 - основная линия питания; 3 - внешний источник питания; 4 - нагрузка; 5 - зарядное устройство; 6 - аккумуляторная батарея; 7 - выпрямитель; 8 - датчик тока; 9 - датчик напряжения; 10 - блок управления. The positions on the diagram indicate: 1 - uninterruptible power supply; 2 - main power line; 3 - external power supply; 4 - load; 5 - charger; 6 - storage battery; 7 - rectifier; 8 - current sensor; 9 - voltage sensor; 10 - control unit.

Источник бесперебойного электропитания 1 содержит основную линию питания 2 для соединения внешнего источника питания 3 с нагрузкой 4 (электронным, электрическим или электромеханическим оборудованием). К основной линии питания 2 электрически параллельно подключено зарядное устройство 5 для заряда последовательно соединенной с ним аккумуляторной батареи 6. В свою очередь аккумуляторная батарея 6 своим выходом последовательно соединена с нагрузкой 4 через управляемый ключ К1 и диод VD в его прямом направлении. Датчик напряжения 9 служит для измерения напряжения в основной линии питания 2. Блок управления 10 осуществляет управление работой источника 1. The uninterruptible power supply 1 contains a main power line 2 for connecting an external power supply 3 to a load 4 (electronic, electrical or electromechanical equipment). A charger 5 is electrically connected in parallel to the main power line 2 for charging the battery 6 connected in series with it. In turn, the battery 6 is connected in series with the load 4 through its output through the controlled switch K1 and the diode VD in its forward direction. The voltage sensor 9 is used to measure the voltage in the main power line 2. The control unit 10 controls the operation of the source 1.

Внешний источник питания 3 может быть выполнен в виде сети постоянного или переменного тока. В случае с внешним источником 3 переменного тока, показанным на блок-схеме, основная линия питания 2 содержит выпрямитель 7, подключенный к питающей сети переменного тока. External power supply 3 can be made in the form of a DC or AC network. In the case of an external AC source 3 shown in the block diagram, the main supply line 2 contains a rectifier 7 connected to the AC supply.

Аккумуляторная батарея 6 выполнена в виде последовательно соединенных аккумуляторов. Для увеличения запаса энергии количество аккумуляторов может быть увеличено. В этом случае составляющие батарею аккумуляторы могут быть разделены на две ячейки аккумуляторов, с возможностью питания нагрузки 4 от одной или двух указанных ячеек аккумуляторов, в зависимости от мощности нагрузки 4.The storage battery 6 is made in the form of batteries connected in series. To increase the energy reserve, the number of batteries can be increased. In this case, the batteries that make up the battery can be divided into two battery cells, with the ability to power the load 4 from one or two of the indicated battery cells, depending on the load power 4.

Основная линия питания 2 может быть снабжена управляемым ключом К2, своим выходом соединенным через датчик тока 8 с нагрузкой 4. Ключ К2 выполнен с возможностью замыкания основной линии питания 2 при нормально работающей нагрузке 4, и размыкания линии 2 при возникновении в нагрузке 4 короткого замыкания, для защиты выпрямителя 7 и аккумуляторов от ударных электрических импульсов тока со стороны нагрузки 4 в режимах работы от сети и от батареи соответственно.The main power line 2 can be equipped with a controllable key K2, its output connected through the current sensor 8 to the load 4. The key K2 is configured to close the main power line 2 when the load 4 is working normally, and to open the line 2 when a short circuit occurs in the load 4, to protect the rectifier 7 and batteries from electric shock pulses of current from the load side 4 in operating modes from the network and from the battery, respectively.

Работа источника бесперебойного питания осуществляется следующим образом.The operation of the uninterruptible power supply is carried out as follows.

При работе от сети переменного тока и наличии в сети нормального напряжения питающее напряжение поступает на выпрямитель 7, который преобразует переменное напряжение электрической сети в постоянное напряжение. При этом управляемый ключ К1 закрыт и диод VD заперт. Питающее напряжение поступает в нагрузку 4, а также поступает на вход зарядного устройства 5, которое обеспечивает стабилизацию напряжения и тока на заданном уровне, необходимом для заряда аккумуляторной батареи 6.When operating from an alternating current network and there is a normal voltage in the network, the supply voltage is supplied to the rectifier 7, which converts the alternating voltage of the electrical network into direct voltage. In this case, the controlled key K1 is closed and the diode VD is closed. Supply voltage is supplied to the load 4, and is input to the charger 5, which stabilizes the voltage and current at a predetermined level necessary to charge the battery umulyatornoy ak to 6.

После заряда батареи 6 может быть произведен дозаряд батареи 6 до ее полного заряда. Дозаряд батареи 6 зарядное устройство 5 производит постоянным током меньшей величины в течение более длительного времени. По окончании дозаряда аккумуляторной батареи 6 блок управления 10 переводит зарядное устройство 5 в режим ожидания. При этом полностью заряженная батарея 6, имеющая увеличенный ресурс, переходит в энергосберегающий режим сохранения заряда. After charging the battery 6, the battery 6 can be recharged until it is fully charged. The battery 6 is recharged by the charger 5 with a lower constant current for a longer time. At the end of recharging the battery 6, the control unit 10 puts the charger 5 into standby mode. In this case, a fully charged battery 6, having an increased resource, goes into an energy-saving mode of saving a charge.

При отказе основного питания или падении питающего напряжения ниже допустимой величины блок управления 10 по сигналу датчика напряжения 9 открывает ключ К1, и напряжение питания с аккумуляторной батареи 6 через открытые ключ К1 и диод VD передается в нагрузку 4.In the event of a main power failure or a drop in the supply voltage below the permissible value, the control unit 10, at the signal of the voltage sensor 9, opens the key K1, and the supply voltage from the battery 6 through the open key K1 and the diode VD is transferred to the load 4.

Если при работе от батареи 6 внезапно появится нормальное напряжение сети, то в течение времени размыкания ключа К1 диод VD не пропустит неконтролируемый большой ток сети к аккумуляторной батарее 6, что обеспечивает работоспособное состояние аккумуляторной батареи для последующей передачи накопленного на ней увеличенного запаса энергии в нагрузку 4. If, when operating on battery 6, a normal mains voltage suddenly appears, then during the opening time of the K1 key, the VD diode will not pass an uncontrolled large mains current to the battery 6, which ensures the operable state of the battery for the subsequent transfer of the accumulated increased energy reserve to the load 4 ...

Введение управляемого ключа К1 позволяет при работе от сети разомкнуть линию соединения аккумуляторной батареи 6 с основной линией питания 2, что исключает разряд батареи 6 в сеть при наличии величины напряжения на батарее 6, превышающей напряжение сети. Это позволяет значительно увеличить напряжение на батарее 6, тем самым обеспечив увеличенный запас накопленной энергии, которым можно снабжать нагрузку 4 повышенной мощности. За счет того, что между выходом батареи 6 и нагрузкой 4 отсутствуют потребляющие энергию элементы, напряжение батареи 6 практически без потерь поступает в нагрузку 4 в режиме работы нагрузки 4 от батареи 6. В итоге достигается практически максимальный КПД при передаче увеличенного запаса энергии батареи 6. При этом за счет работы на постоянном токе отсутствуют электромагнитные помехи. The introduction of a controlled key K1 allows, when operating from the network, to open the connection line of the battery 6 with the main power line 2, which excludes the discharge of the battery 6 into the network if the voltage on the battery 6 exceeds the voltage of the network. This makes it possible to significantly increase the voltage on the battery 6, thereby providing an increased reserve of stored energy, which can be supplied to the load 4 of increased power. Due to the fact that there are no energy-consuming elements between the output of the battery 6 and the load 4, the voltage of the battery 6 is supplied to the load 4 practically without losses in the mode of operation of the load 4 from the battery 6. As a result, practically maximum efficiency is achieved when transferring the increased energy reserve of the battery 6. At the same time, due to operation on direct current, there is no electromagnetic interference.

Таким образом, разработан надежный и энергоэффективный источник бесперебойного электропитания, имеющий высокую выходную мощность. Так, в изготовленных ООО НПП «ТЭК» источниках электропитания выходная мощность увеличена до 10 кВА, при увеличении на батарее напряжения постоянного тока до 600В и запаса накопленной энергии до 3375 Дж.Thus, a reliable and energy efficient uninterruptible power supply with high output power has been developed. So, in the power supplies manufactured by NPP TEK LLC, the output power is increased to 10 kVA, with an increase in the DC voltage on the battery to 600 V and the stock of accumulated energy up to 3375 J.

Claims

1. An uninterruptible power supply containing a main power line configured to connect an external power source to a load, a charger for charging a battery in series with it, electrically connected in parallel to the main power line, a voltage sensor for measuring the voltage in the main power line, and a control unit, characterized in that the battery output is configured to be connected in series with the load through the controlled switch and the diode in its forward direction, and the control unit is configured to control the operation of the controlled switch according to the voltage sensor signal.

2. The source of claim. 1, characterized in that the batteries constituting the battery can be divided into two battery cells, with the ability to power the load from one or two of the specified battery cells, depending on the load power.

3. The source of claim. 1, characterized in that the charger is made with the possibility of recharging the battery to its full charge, produced by a constant current of a lower value for a longer time.

4. The source of claim. 1, characterized in that the main power line can be equipped with a controllable key, its output connected through the current sensor to the load.