Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве установки гарантированного питания переменным током трехфазных потребителей, недопускающих перерыва в электроснабжении.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used as an installation of guaranteed alternating current power supply for three-phase consumers, which do not allow interruptions in power supply.
Известна установка гарантированного питания, содержащая трехфазную сеть, выпрямитель, автомат включения резерва, аккумуляторную батарею, коммутатор тока, электромашинный агрегат, содержащий синхронный генератор и двигатель постоянного тока, объединенные общим валом и трехфазные потребители, причем автомат включения резерва содержит замкнутый контактор, подключенный к трехфазной сети и разомкнутый контактор, подключенный к синхронному генератору, выпрямитель подключен входом к указанной сети, а выходом к аккумуляторной батарее непосредственно и к двигателю постоянного тока через коммутатор тока, при этом выходы замкнутого и разомкнутого контура соединены и к точкам их соединения подключены трехфазные потребители [1]. Данная установка имеет простую схему, работоспособна в любом диапазоне мощностей, имеет сравнительно невысокую стоимость и обеспечивает потребителей электроэнергией заданного качества, причем она обладает увеличенным временем непрерывной работы при отсутствии напряжения сети за счет непрерывного подзаряда аккумуляторной батареи от выпрямителя. Однако, несмотря на то, что установка работоспособна в двух режимах: при наличии напряжения сети и при пропадании напряжения сети, ее основной недостаток - значительный перерыв в электроснабжении потребителей во время перехода от сети на аккумуляторную батарею, составляющий 2…3 с. Введение в электромашинный агрегат установки трехфазного асинхронного двигателя, подключаемого к трехфазной сети с помощью пускателя, обеспечивает уменьшение перерыва в электроснабжении потребителей до 0,3…0,5 с., что составляет от 15 до 20 периодов промышленной частоты, что для большинства ответственных потребителей автономных объектов недопустимо.A known installation of guaranteed power supply, comprising a three-phase network, a rectifier, an automatic transfer switch, a battery, a current switch, an electric machine unit containing a synchronous generator and a DC motor, combined by a common shaft and three-phase consumers, the transfer switch contains a closed contactor connected to a three-phase network and an open contactor connected to a synchronous generator, the rectifier is connected by an input to the specified network, and by the output to the battery directly to the DC motor through the current commutator, while the outputs of the closed and open circuit are connected and three-phase consumers are connected to the points of their connection [1]. This installation has a simple circuit, is operable in any power range, has a relatively low cost and provides consumers with electricity of a given quality, and it has an increased continuous operation time in the absence of mains voltage due to the continuous charging of the battery from the rectifier. However, despite the fact that the installation is operable in two modes: in the presence of mains voltage and when the mains voltage disappears, its main drawback is a significant interruption in power supply to consumers during the transition from the mains to the battery, which amounts to 2 ... 3 s. The introduction of a three-phase induction motor, connected to a three-phase network using a starter, into the machine’s machine unit reduces the interruption in the power supply of consumers to 0.3 ... 0.5 s, which is from 15 to 20 periods of industrial frequency, which for most responsible consumers are autonomous objects are not allowed.
Техническим результатом изобретения является снижения перерыва в электроснабжении потребителей при переходе от сети к аккумуляторной батарее.The technical result of the invention is to reduce the interruption in power supply to consumers during the transition from the network to the battery.
Поставленный технический результат достигается тем, что в установке гарантированного питания, содержащей трехфазную сеть, пускатель, автомат включения резерва, содержащий замыкающий контактор и размыкающий контактор, выпрямитель, аккумуляторную батарею, коммутатор тока, электромашинный агрегат, содержащий первый двигатель, второй двигатель и синхронный генератор, объединенные общим валом, и трехфазные потребители, причем пускатель подключен к трехфазной сети, выход замыкающего контактора автомата включения резерва соединен с выходом размыкающего контактора автомата включения резерва, вход выпрямителя соединен с трехфазной сетью через пускатель, а его первый выход подключен к аккумуляторной батарее непосредственно и к второму двигателю через коммутатор тока, трехфазные потребители соединены с трехфазной сетью через размыкающий контактор указанного автомата, замыкающие и размыкающие контакторы автомата включения резерва выполнены на трех тиристорных коммутирующих элементах с встречно-параллельными включенными тиристорами; в автомат включения резерва введено трехфазное реле контроля напряжения, подключенное к трехфазной сети и содержащее три размыкающих контакта, управляющих работой тиристоров размыкающего контактора и три замыкающих контакта, управляющих работой тиристоров замыкающего контактора, при этом указанные тиристорные коммутирующие элементы замыкающего и размыкающего контакторов автомата включения резерва выполнены по идентичным схемам и каждый из них содержит три соединенные параллельно ветви, причем первая ветвь образована цепью: узел входа, анод тиристора прямого включения, катод тиристора, узел выхода; вторая ветвь образована цепью: узел входа, анод диода прямого включения, катод указанного диода, соответствующий контакт трехфазного реле контроля напряжения, резистор, катод диода обратного включения, анод указанного диода узел выхода, причем управляющий электрод тиристора первой ветви соединен с катодом диода обратного включения второй ветви; третья ветвь образована цепью: узел выхода, причем управляющий электрод тиристора третьей ветви соединен с катодом диода прямого включения второй ветви; выпрямитель установлен между пускателем и первым двигателем и снабжен двумя раздельными выходами, первый из которых подключен к аккумуляторной батареи, а второй - соединен с первым двигателем; коммутатор тока выполнены на диоде и установлен в плюсовом проводе аккумуляторной батареи, при этом катод указанного диода соединен с плюсовым проводом второго выхода выпрямителя; первый и второй двигатели электромашинного аппарата выполнены вентильными, а синхронный генератор выполнен с постоянными магнитами.The technical result is achieved by the fact that in the installation of guaranteed power supply containing a three-phase network, a starter, an automatic transfer switch containing a closing contactor and a disconnecting contactor, a rectifier, a battery, a current switch, an electric machine unit containing a first motor, a second motor and a synchronous generator, combined by a common shaft, and three-phase consumers, and the starter is connected to a three-phase network, the output of the closing contactor of the transfer switch is connected to the output m of the opening contactor of the automatic transfer switch, the input of the rectifier is connected to the three-phase network through the starter, and its first output is connected to the battery directly and to the second motor via the current switch, three-phase consumers are connected to the three-phase network through the opening contactor of the specified machine, closing and opening contactors of the machine switching on the reserve is made on three thyristor switching elements with on-parallel connected thyristors; a three-phase voltage monitoring relay connected to a three-phase network and containing three NC contacts controlling the operation of the thyristors of the NC contactor and three NC contacts controlling the operation of the thyristors of the NC contactor, the indicated thyristor switching elements of the NC and NC contactors of the AC switch according to identical schemes and each of them contains three branches connected in parallel, and the first branch is formed by a chain: a node in stroke, direct thyristor anode, thyristor cathode, output node; the second branch is formed by a circuit: input node, direct anode diode anode, cathode of the specified diode, corresponding contact of a three-phase voltage control relay, resistor, reverse switching diode cathode, anode of the indicated diode output node, and the thyristor control electrode of the first branch is connected to the cathode of the reverse switching diode of the second branches the third branch is formed by a circuit: an output node, wherein the control electrode of the thyristor of the third branch is connected to the cathode of the direct connection diode of the second branch; a rectifier is installed between the starter and the first motor and is equipped with two separate outputs, the first of which is connected to the battery, and the second is connected to the first motor; the current switch is made on the diode and installed in the positive wire of the battery, while the cathode of the specified diode is connected to the positive wire of the second output of the rectifier; the first and second motors of the electric machine are made by valve, and the synchronous generator is made with permanent magnets.
На фиг.1 представлена структурная схема установки гарантированного питания. На фиг.2 показана принципиальная электрическая схема автомата включения резерва.Figure 1 presents the structural diagram of the installation of guaranteed power. Figure 2 shows a circuit diagram of a machine for switching on a reserve.
Установка гарантированного питания содержит (фиг.1) трехфазную сеть 1, пускатель 2, аккумуляторную батарею 3, выпрямитель 4,снабженный входом 4-1, первым выходом 4-2 и вторым выходом 4-3, автомат включения резерва 5, содержащий тиристорный замыкающий контактор 6, снабженный входом 6-1 и выходом 6-2, размыкающий контактор 7, снабженный входом 7-1 и выходом 7-2, потребители 8, коммутатор тока 9 и электромашинный агрегат 10, содержащий первый вентильный двигатель 11, второй вентильный двигатель 12 и синхронный генератор 13, объединенные общим валом, причем трехфазная сеть 1, пускатель 2, выпрямитель 4 и первый вентильный двигатель 11 соединены последовательно, при этом вход выпрямителя 4 подключен к пускателю 2, а второй выход 4-3 выпрямителя 4 соединен с первым и вторыми вентильными двигателями 11 и 12 электромашинного агрегата 10; аккумуляторная батарея 3 подключена ко второму вентильному двигателю 12 через коммутатор тока 9, установленным в плюсовой провод указанной батареи; вход 6-1 замыкающего контактора 6 автомата включения резерва 5 соединен с трехфазной сетью 1, выход 6-2 замыкающего контактора 6 указанного автомата соединен с потребителями 8 и выходом 7-2 размыкающего контактора 7 автомата включения резерва 5, вход 7-1 которого подключен к синхронному генератору 13 электромашинного агрегата 10.The guaranteed power supply contains (Fig. 1) a three-phase network 1, a starter 2, a rechargeable battery 3, a rectifier 4, equipped with an input 4-1, a first output 4-2 and a second output 4-3, an automatic transfer switch 5 containing a thyristor closing contactor 6, provided with an input 6-1 and an output 6-2, an opening contactor 7, equipped with an input 7-1 and an output 7-2, consumers 8, a current switch 9 and an electric machine unit 10 comprising a first valve motor 11, a second valve motor 12 and synchronous generator 13, combined by a common shaft, moreover trifa knowing the network 1, the starter 2, the rectifier 4 and the first valve motor 11 are connected in series, the input of the rectifier 4 is connected to the starter 2, and the second output 4-3 of the rectifier 4 is connected to the first and second valve motors 11 and 12 of the electric machine unit 10; the battery 3 is connected to the second valve motor 12 through the current switch 9 installed in the positive wire of the specified battery; the input 6-1 of the closing contactor 6 of the transfer switch 5 is connected to a three-phase network 1, the output 6-2 of the closing contactor 6 of the specified transfer machine is connected to consumers 8 and the output 7-2 of the opening contactor 7 of the transfer switch 5, the input 7-1 of which is connected to synchronous generator 13 of the electric machine unit 10.
Автомат включения резерва 5 (фиг.2) помимо замыкающего 6 и размыкающего 7 тиристорных контакторов содержит трехфазное реле контроля напряжения 14 подключенное к трехфазной сети 1 и содержащее три замыкающих контакта 14-4, 14-5, 14-6 (по числу фаз), управляющих работой тиристорных коммутирующих элементов замыкающего контактора 6 и три размыкающих контакта 14-1, 14-2 и 14-3, управляющих работой тиристорных коммутирующих элементов размыкающего контактора 7. Схемы тиристорных коммутирующих элементов обоих контакторов идентичны, при этом каждый тиристорный коммутирующий элемент содержит три параллельные ветви замкнутые между собой на входе (узел входа) и выхода элемента (узел выхода), так для фазы А замыкающего контактора 6 первая ветвь образована цепью: узел входа 6-9, анод диода прямого включения 6-7, катод диода, замыкающий контакт 14-4 трехфазного реле контроля напряжения 14, резистор 6-6, катод диода обратного включения 6-5, анод диода, узел выхода 6-4, при этом управляющий электрод тиристора 6-3 первой ветви соединен с катодом диода 6-5 обратного включения второй ветви; третья ветвь образована цепью: узел входа 6-9, катод тиристора обратного включения 6-8, анод тиристора, узел выхода 6-4, при этом управляющий электрод тиристора 6-8 третьей ветви соединен с катодом диода 6-7 прямого включения второй ветви; для той же фазы разомкнутого контактора 7 первая ветвь образована цепью: узел выхода 7-9, анод тиристора прямого включения 7-3, катод тиристора, узел входа 7-4; вторая ветвь образована цепью: узел выхода 7-9, анод диода прямого включения 7-7, размыкающий контакт 14-1 трехфазного реле контроля напряжения 14, резистор 7-6, катод диода обратного включения 7-5, анод диода, узел входа 7-4, при этом управляющий электрод тиристора 7-3 первой ветви соединен с катодом диода обратного включения 7-5 второй ветви; третья ветвь образована цепью: узел входа 7-9, катод тиристора обратного включения 7-8, анод тиристора, узел входа 7-4, при этом управляющий электрод тиристора 7-8 соединен с катодом диода прямого включения 7-7 второй ветви; причем выходы трех тиристорных коммутирующих элементов замыкающего контактора 6 образует его вход 6-1, а выходы указанных элементов образуют выход 6-2 замыкающего контактора 6; входы трех тиристорных коммутирующих элементов размыкающего контактора 7 образуют его вход 7-1, а выходы указанных элементов образуют выход 7-2 размыкающего контактора 7. Механизм работы каждого тиристорного коммутирующего элемента идентичен, причем импульсы управления формируются из анодных напряжений тиристоров. Если на аноде тиристора 6-3 положительная полуволна на напряжения, то при замыкании контакта 14-4 через диод 6-7 и резистор 6-6 пройдет импульс тока управления тиристором 6-3. В результате тиристор 6-3 включится, анодное напряжение упадет до нуля, сигнал управления исчезнет, но тиристор 6-3 остается в проводящем состоянии до конца полупериода, пока анодный ток не пройдет через нуль. В другой полупериод, при противоположной полярности напряжения сети, аналогично включается тиристор 6-8 и пока контакт 14-4 будет замкнут, тиристоры каждого элемента замыкающего контактора 6 будут автоматически поочередно включаться, обеспечивая прохождения тока от трехфазной сети 1 к трехфазным потребителям 8.The power switch 5 (Fig.2) in addition to the closing 6 and opening 7 of the thyristor contactors contains a three-phase voltage monitoring relay 14 connected to a three-phase network 1 and containing three make contacts 14-4, 14-5, 14-6 (according to the number of phases), controlling the operation of the thyristor switching elements of the closing contactor 6 and three opening contacts 14-1, 14-2 and 14-3, controlling the operation of the thyristor switching elements of the opening contactor 7. The circuits of the thyristor switching elements of both contactors are identical, with each thyristor the switching element contains three parallel branches closed to each other at the input (input node) and the output of the element (output node), so for phase A of the closing contactor 6, the first branch is formed by a circuit: input node 6-9, anode of the direct-on diode 6-7, cathode diode, make contact 14-4 of the three-phase voltage monitoring relay 14, resistor 6-6, cathode of the reverse switching diode 6-5, diode anode, output node 6-4, while the control electrode of the thyristor 6-3 of the first branch is connected to the cathode of diode 6 -5 reverse inclusion of the second branch; the third branch is formed by the circuit: input node 6-9, the cathode of the reverse thyristor 6-8, the thyristor anode, the output node 6-4, while the control electrode of the thyristor 6-8 of the third branch is connected to the cathode of the diode 6-7 direct connection of the second branch; for the same phase of the open contactor 7, the first branch is formed by a circuit: the output node 7-9, the anode of the thyristor direct connection 7-3, the cathode of the thyristor, the input node 7-4; the second branch is formed by a circuit: the output node 7-9, the anode of the direct-on diode 7-7, the breaking contact 14-1 of the three-phase voltage monitoring relay 14, the resistor 7-6, the cathode of the reverse-on diode 7-5, the anode of the diode, the input node 7- 4, wherein the control electrode of the thyristor 7-3 of the first branch is connected to the cathode of the reverse switching diode 7-5 of the second branch; the third branch is formed by the circuit: input node 7-9, the cathode of the reverse thyristor 7-8, the thyristor anode, the input node 7-4, while the control electrode of the thyristor 7-8 is connected to the cathode of the direct connection diode 7-7 of the second branch; moreover, the outputs of the three thyristor switching elements of the closing contactor 6 forms its input 6-1, and the outputs of these elements form the output 6-2 of the closing contactor 6; the inputs of the three thyristor switching elements of the opening contactor 7 form its input 7-1, and the outputs of these elements form the output 7-2 of the opening contactor 7. The operation mechanism of each thyristor switching element is identical, and the control pulses are formed from the anode voltages of the thyristors. If the anode of thyristor 6-3 has a positive half-wave for voltage, then when contact 14-4 is closed, a current pulse of control of thyristor 6-3 will pass through diode 6-7 and resistor 6-6. As a result, thyristor 6-3 turns on, the anode voltage drops to zero, the control signal disappears, but thyristor 6-3 remains in the conducting state until the end of the half-cycle, until the anode current passes through zero. In another half-cycle, with the opposite polarity of the mains voltage, the thyristor 6-8 turns on similarly and while the contact 14-4 is closed, the thyristors of each element of the closing contactor 6 will automatically turn on alternately, ensuring current flow from the three-phase network 1 to the three-phase consumers 8.
Установка работает следующим образом. В основном режиме (при наличии напряжения сети) при включении пускателя 2 трехфазное напряжение сети 1 подается на вход 4-1 выпрямителя 4, где оно преобразуется в постоянное напряжение заданной величины. Постоянное напряжение выпрямителя 4 указанной полярности с выхода 4-3 подается на первый вентильный двигатель 11 электромашинного агрегата 10 и данный двигатель приходит в движение, вращая общий вал (не обозначен), а с выхода 4-2 выпрямителя 4 оно поступает на выход (не обозначен) аккумуляторной батареи 3 для подзаряда. Поскольку катод коммутатора тока 9 имеет более высокий потенциал, то батарея 3 находиться в режиме подзаряда. Кроме того напряжение сети 1 поступает на вход 6-1 замыкающего контура 6 автомата включения резерва 5 (фиг.2) при этом срабатывает трехфазное реле контроля напряжения 14 замыкает контакты 14-4, 14-5 и 14-6 и напряжение сети 1 поступает на вход трехфазных потребителей 8. Ввиду того, что первый вентильный двигатель 11 электромашинного агрегата 10 вращается, то синхронный генератор 13 указанного агрегата 10 работает на холостом ходу и его напряжение поступает только на вход 7-1 размыкающего контактора 7 автомата включения резерва 5, так как контакты 14-1, 14-2 и 14-3 трехфазного реле контроля напряжения 14 размыкаются при его срабатывании. Данный механизм функционирования установки гарантированного питания осуществляется постоянно пока имеется напряжение в трехфазной сети 1 или каждый раз, как только оно появляется после пропадания. В резервном режиме при отсутствии напряжения сети 1 пускатель 2 выключается и напряжение на выпрямитель 4 не поступает, в результате чего первый вентильный двигатель 11 электромашинного агрегата 10 останавливается, а подзаряд аккумуляторной батареи 3 прекращается. Отсутствие напряжения на втором выходе 4-3 выпрямителя 4 приводит к понижению потенциала на катоде коммутатора тока 9, он открывается, и батарея 3 начинает разряжаться на второй вентильный двигатель 12 электромашинного агрегата 10; указанный двигатель вращает общий вал в ту же сторону, что и первый вентильный двигатель 11 указанного агрегата. Синхронный генератор 13 продолжает вырабатывать электроэнергию и напряжение с входа 7-1 размыкающего контактора 7 автомата включения резерва 5 поступает на выход 7-2 указанного контактора, откуда оно подается на трехфазные потребители, поскольку при отсутствии напряжения сети 1 трехфазное реле контроля напряжения 14 отпускает и его контакты 14-1, 14-2 и 14-3 замыкаются, а контакты 14-4, 14-5 и 14-6 размыкаются. Данный режим функционирования установки гарантированного питания осуществляется каждый раз при пропадании напряжения сети. Переход из основного режима в резервный определятся временем срабатывания коммутатора тока 9, которое составляет десятки мкс, и временем срабатывания и отпускания трехфазного реле контроля напряжения, которое составляет единицы мс, поскольку реле является сигнальным (1…5 мс).Installation works as follows. In the main mode (in the presence of mains voltage), when the starter 2 is turned on, the three-phase voltage of the network 1 is supplied to the input 4-1 of the rectifier 4, where it is converted to a constant voltage of a given value. The direct voltage of the rectifier 4 of the indicated polarity from the output 4-3 is supplied to the first valve motor 11 of the electric machine unit 10 and this motor comes into motion by rotating the common shaft (not indicated), and from the output 4-2 of the rectifier 4 it goes to the output (not indicated ) Battery 3 for recharging. Since the cathode of the current switch 9 has a higher potential, the battery 3 is in charge mode. In addition, the voltage of the network 1 is supplied to the input 6-1 of the closing circuit 6 of the automatic transfer switch 5 (Fig. 2), while the three-phase voltage monitoring relay 14 closes the contacts 14-4, 14-5 and 14-6 and the voltage of the network 1 is supplied to the input of three-phase consumers 8. Due to the fact that the first valve motor 11 of the electric machine unit 10 rotates, the synchronous generator 13 of the specified unit 10 is idling and its voltage is supplied only to input 7-1 of the opening contactor 7 of the transfer switch 5, since the contacts 14-1, 14-2 and 14-3 three-phase voltage monitoring relay 14 open when it is triggered. This mechanism of functioning of the guaranteed power supply unit is carried out continuously while there is voltage in the three-phase network 1 or each time it appears after a failure. In standby mode, in the absence of mains voltage 1, the starter 2 is turned off and the voltage to the rectifier 4 is not supplied, as a result of which the first valve motor 11 of the electric machine unit 10 is stopped, and the recharge of the battery 3 is stopped. The lack of voltage at the second output 4-3 of the rectifier 4 leads to a decrease in potential at the cathode of the current switch 9, it opens, and the battery 3 begins to discharge to the second valve motor 12 of the electric machine unit 10; the specified engine rotates the common shaft in the same direction as the first valve motor 11 of the specified unit. The synchronous generator 13 continues to generate electricity and voltage from the input 7-1 of the NC contactor 7 of the automatic transfer switch 5 to the output 7-2 of the specified contactor, from where it is supplied to three-phase consumers, since in the absence of mains voltage 1, the three-phase voltage monitoring relay 14 releases and it contacts 14-1, 14-2 and 14-3 are closed, and contacts 14-4, 14-5 and 14-6 are opened. This mode of operation of the guaranteed power installation is carried out every time when the mains voltage fails. The transition from the main mode to the standby mode is determined by the response time of the current switch 9, which is tens of microseconds, and the response and release times of the three-phase voltage monitoring relay, which is units of ms, since the relay is signal (1 ... 5 ms).
Таким образом, перерыв в электроснабжении трехфазных потребителей при переходе от основного источника (трехфазной сети) к резервному источнику (синхронному генератору электромашинного агрегата) сокращается более чем на порядок. Кроме того, применение вентильных двигателей с КПД η=0,92…0,94 и синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов с КПД η=0,95…0,96 позволяет значительно повысить КПД электромашинного агрегата: при двухмашинном агрегате (вентильный двигатель - синхронный генератор с постоянными магнитами) η2=0,87; при трехмашинном агрегате (вентильный двигатель, синхронный генератор с постоянными магнитами, вентильный двигатель) η=0,8, что превышает КПД известных агрегатов от 10 до 17%. Кроме того схема установки гарантированного питания позволяет за счет незначительных изменений исключать указанный перерыв полностью и значительно повысить надежность ее электромашинного агрегата по сравнению с надежностью известных агрегатов.Thus, the interruption in the power supply of three-phase consumers during the transition from the main source (three-phase network) to the backup source (synchronous generator of the electric machine unit) is reduced by more than an order of magnitude. In addition, the use of valve motors with an efficiency of η = 0.92 ... 0.94 and a synchronous generator with excitation from permanent magnets with an efficiency of η = 0.95 ... 0.96 can significantly increase the efficiency of an electric machine unit: with a two-machine unit (valve engine - synchronous generator with permanent magnets) η 2 = 0.87; with a three-machine unit (valve motor, permanent magnet synchronous generator, valve motor) η = 0.8, which exceeds the efficiency of known units from 10 to 17%. In addition, the guaranteed power supply installation scheme allows, due to minor changes, to eliminate the specified break completely and significantly increase the reliability of its electric machine unit compared to the reliability of known units.
Источники, принятые во внимание:Sources taken into account:
[1]. Казаринов И.А. Проектирование электропитающих установок предприятий проводной связи. М., Связь, 1976, стр.81, рис.3.1, а[one]. Kazarinov I.A. Design of power supply installations for wireline enterprises. M., Communication, 1976, p. 81, Fig. 3.1, a
