RU50349U1 - Устройство бесперебойного питания - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, а именно, к устройствам бесперебойного питания нагрузки, подключенной через преобразователи к двум источникам переменного тока. Устройство позволяет повысить надежность питания потребителей за счет бесперебойного электроснабжения, в том числе при переключениях с основного источника на резервный и обратно, и исключить гальваническую связь между источниками. Это достигается тем, что устройство содержит два источника питания переменного тока, два выпрямителя, два электромагнитных реле, блок управления с двумя датчиками напряжения, инвертор с подключенной к нему нагрузкой. Выпрямители подключены ко входу инвертора через разделительные диоды. При снижении напряжения основного источника происходит переключение питания нагрузки на резервный источник с помощью электромагнитных реле. При этом в течение времени переключения питания нагрузка обеспечивается энергией, запасенной в конденсаторах входного фильтра инвертора и накопительного конденсатора.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, а именно, к устройствам резервного электроснабжения нагрузки, подключенной к источникам питания переменного тока через преобразовательные устройства.

Известен «Источник питания, работающий при кратковременном перерыве подачи электроэнергии» (см. Патент 6133651 США, МПК⁷ H 02 J 7/00, заявл.11.12.1998, опубл.17.10.2000, или РЖ «Электротехника», 02.05-21.Ю.39П), который содержит (см. фиг.1П Приложения) 3-фазный управляемый выпрямитель 21, выходное напряжение которого подается на сглаживающий конденсатор 20 через тиристор 24, шунтированный резистором 22, 3-фазный инвертор 31 с конденсатором 30 фильтра на входе и накопительный конденсатор 10 большой емкости, который заряжается от сглаживающего конденсатора 20 через последовательно соединенные переключающий элемент 11, резистор 12 и диод 13.

В процессе работы источника отслеживается напряжение на сглаживающем конденсаторе 20, и, если оно снижается вследствие кратковременного перерыва подачи электроэнергии, накопительный конденсатор 10 отдает энергию инвертору 31 через предусмотренный для этой цели дополнительный тиристор 14.

Однако это устройство обеспечивает питание нагрузки 5 только при кратковременных перерывах питания и не обеспечивает питание нагрузки при длительном отсутствии напряжения в сети питания.

Известно другое устройство (см. Патент 5638264 США, МКИ⁶ Н 02 М 7/155) заявл.17.10.97, опубл.10.06.97, приоритет от 27.12.93, №5-331022-Япония, или РЖ «Электротехника», 1998, 8Ю24П, «Система параллельно включенных источников, обеспечивающая непрерывную работу»), включающее в себя (см. Фиг.2П Приложения) один источник питания переменного тока и некоторое число импульсных преобразователей 64, 65, 66, каждый из которых соединен с выключателем SW, подключенным

к источнику питания. Каждый импульсный преобразователь включает в себя релейное контактное устройство 70, имеющее контакты и катушку и соединенное с выключателем, преобразователь переменного напряжения в постоянное 2, подключенный через диод 13 к общей нагрузке.

Рассмотренное устройство позволяет обеспечить питание нагрузки при отказе любого из параллельно работающих преобразователей, но не обеспечивает этого при отказе источника питания.

Наиболее близким к предлагаемому является другое техническое решение (см. Патент 63301176 США, МПК⁷ Н 02 М 1/10, заявл.15.11.2000, опубл.11.12.2001, или РЖ «Электротехника», 2003 г., 03.09-21 Ю.50П, «Передача энергии по нескольким входам, источник бесперебойного питания и принцип работы источника»), которое включает в себя (см. Фиг.3П Приложения) два электромагнитных реле с включающими катушками 612а, 612b, выпрямитель 622, инвертор 624, питающий нагрузку, аккумуляторную батарею 630, подключенную через зарядный преобразователь 626 к выходу выпрямителя, схему переключения 610 с датчиками напряжения, контролирующую напряжение двух питающих сетей V_AC1, V_AC2 и обеспечивающую включение реле в зависимости от уровня напряжения в сетях, при этом исключается одновременное включение контактов реле. В штатном режиме нагрузка получает питание от одной из сетей, например, через контакты реле 612а (контакты реле 612b разомкнуты), выпрямитель, инвертор. В случае отказа сети V_AC1 размыкаются контакты реле 612а, затем замыкаются контакты реле 612b и питание нагрузки возобновляется от сети - V_AC2. На время перерыва питания при переключении инвертор и нагрузка получают питание от аккумуляторной батареи.

Однако время перерыва питания, которое складывается из суммы собственных времен срабатывания реле и времени гашения дуги на контактах отключаемого реле, достаточно велико (0,3÷1,0 с), что требует значительной емкости аккумуляторной батареи. Кроме того, использование батареи и зарядного преобразователя к ней экономически не оправдано, особенно в случае значительных напряжений (110÷500 В).

Техническая задача состоит в повышении надежности работы потребителей при переключениях источников питания путем усовершенствования схемы питания.

Указанная задача решается тем, что устройство бесперебойного питания содержит два источника питания переменного тока, один инвертор, который подключен к нагрузке, а параллельно его входам подключен накопитель энергии, и два электромагнитных реле. Каждое из них включает в себя втягивающую катушку и нормально разомкнутые контакты. Первые зажимы последних у каждого реле подключены к выходам своего соответственно первого и второго источников питания. Вторые зажимы контактов первого реле подключены к входам выпрямителя. Кроме того, устройство содержит блок управления, включающий в себя два датчика напряжения, подключенные каждый к выходам соответствующего источника питания, два переключателя, зажимы каждого из которых включены в цепь втягивающих катушек соответствующего реле, и управляющий контроллер. Дополнительно в него включены второй выпрямитель, своими входами подключенный ко вторым зажимам контактов второго реле, и четыре разделительных диода. Первые два из них каждый своим анодом подключены к плюсовому выходу соответствующего выпрямителя, а их катоды, объединенные в общую точку, подключены к плюсовому зажиму LC-фильтра инвертора. Два других диода каждый своим катодом подключены к минусовому выходу соответствующего выпрямителя, а их аноды, объединенные в общую точку, подключены к минусовому входу инвертора, а накопителем энергии последнего является дополнительный конденсатор.

Кроме того, управляющий контроллер каждым своим входом подключен к выходу соответствующего датчика напряжения, а каждый его выход подключен к управляющему входу соответствующего переключателя.

Новым в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом является то, что в него дополнительно включены второй выпрямитель, своими входами подключенный ко вторым зажимам контактов второго реле, и четыре разделительных диода, включенные в выходные цепи выпрямителей. А в качестве накопителя энергии использован дополнительный конденсатор. Это позволяет:

- в штатных режимах обеспечивать питание нагрузки от одного (основного) источника при разомкнутых контактах второго реле, что исключает гальваническую связь основной и резервной сетей. Тем самым обеспечивается нормальная работа систем контроля изоляции в каждой из сетей питания;

- при снижении или потере напряжения в основной сети с максимальным быстродействием включить второе реле, не ожидая размыкания контактов первого реле, и тем самым ускорить подачу питания от второго (резервного) источника;

- обеспечить бесперебойное питание нагрузки в момент переключения за счет энергии накопительного конденсатора и конденсатора входного LC-фильтра при минимальной емкости накопительного конденсатора.

При этом гальваническая связь источников (сетей), возникающая при переключении в момент, когда замкнуты контакты обоих реле, кратковременна (доли секунды) и не нарушает работу систем контроля изоляции.

Сказанное позволяет сделать вывод о соответствии рассматриваемого технического решения критерию новизна, а также о том, что между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.

На фигуре показана принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства.

Работу его рассмотрим на конкретном примере при использовании трехфазных источников (сетей).

Устройство бесперебойного питания (см. фиг.) содержит два источника 1, 2 питания переменного тока, один выпрямитель 3 и один инвертор 4, который подключен к нагрузке 5. Параллельно входам инвертора подключен накопительный конденсатор 6. Кроме того, устройство содержит два электромагнитных реле 7, 8, включающих в себя каждый втягивающую катушку, соответственно 9 и 10, и нормально разомкнутые контакты, соответственно 11, 12, 13 и 14, 15, 16. Первые зажимы 17, 18, 19 и 20, 21, 22 каждого из указанных контактов подключены к выходам А1, В1, С1 и А2, В2, С2 своего соответственно первого и второго источников (1 и 2) питания. Вторые зажимы 23, 24, 25, контактов 11, 12, 13 первого реле 7 подключены к одноименным входам выпрямителя 3.

Кроме того, устройство содержит блок 26 управления, включающий в себя два датчика 27 и 28 напряжения, подключенные каждый зажимами 28, 29 и 30, 31 к выходам соответствующего источника 1 и 2 питания; два переключателя 32, 33, зажимы 34, 35 и 36, 37 каждого из которых включены в цепь втягивающей катушки, соответственно 9 и 10, своего реле 7 и 8; и управляющий контроллер 38.

Дополнительно в него включены второй выпрямитель 39, своими входами 40, 41, 42 подключенный ко вторым одноименным зажимам контактов 14, 15, 16 второго реле 8, и четыре разделительных диода 43, 44 и 45, 46. Первые два 43 и 44 из них каждый своим анодом подключены к плюсовому выходу соответствующего выпрямителя 3 и 39. А их катоды, объединенные в общую точку 47, подключены к плюсовому зажиму LC-фильтра 48 инвертора 4. Два других диода 45 и 46, каждый своим катодом подключены к минусовому выходу соответствующего выпрямителя 3, 39, а их аноды, объединенные в общую точку 49, подключены к минусовому входу инвертора 4.

Управляющий контроллер 38 своим входом 50 подключен к выходу датчика 27, а входом 51 - к выходу датчика 28. А его выходы 52 и 53 подключены каждый к своему одноименному управляющему входу соответствующего переключателя 32 и 33.

В качестве датчиков 27, 28 напряжения могут быть использованы любые датчики, приведенные, например, в справочнике «Изолированные датчики тока и напряжения» - Тверь, «Твелем» 2002.

В качестве реле 7 и 8 могут быть использованы любые исполнения электромагнитных реле или контакторов, параметры которых соответствуют конкретным условиям по напряжению, току и быстродействию, например, приведенные в справочнике «Типовые элементы систем автоматического управления», Келим Ю.М., Издательство «Форум», 2002.

В качестве переключателей 32, 33 могут быть использованы слаботочные реле, в том числе полупроводниковые, например, указанные в книге «Протон-Импульс: оптоэлектронные компоненты коммутации и контроля» Библиотека электронных компонентов. Вып.26 Издательство «Додека», 2001.

Контроллер 38 может быть реализован, например, на микроконтроллере фирмы «ATMEL», приведенном справочнике «Микроконтроллеры AVR семейства Tiny и Меда фирмы ATMEL», Издательство «Додека-XXI», 2004. Устройство работает следующим образом. Допустим, что основным источником питания является источник 1, а резервным - источник 2.

В штатных режимах на выходах А1, В1, С1 и А2, В2, С2 обеспечивается номинальное напряжение. При этом выходной сигнал датчика 27 напряжения по входу 50 управляющего контроллера 38 обеспечивает на его выходе 52 такой сигнал, который приводит к включенному состоянию переключателя 32.

При этом аналогичное состояние датчика 28 напряжения обеспечивает на выходе 53 управляющий сигнал, который обеспечивает выключенное состояние переключателя 33. В результате цепь питания (С1-32-35-18) втягивающей катушки 9 первого реле замкнута, реле 7 включено, его контакты 11, 12, 13 замкнуты и на входы 23, 24, 25 выпрямителя 3 подано напряжение источника 1, которое преобразуется выпрямителем 3 и инвертором 4, и на нагрузку 5 поступает напряжение заданного уровня и частоты.

Одновременно, так как переключатель 33 разомкнут, цепь втягивающей катушки 10 и контакты реле 8 разомкнуты, выпрямитель 39 отключен от резервного источника 2 питания.

Рассмотрим работу устройства при отказе основного источника 1.

В штатных режимах нормальным является напряжение, которое отличается от номинального на ±5%. Правила эксплуатации электротехнических устройств в целом ряде систем, например, в электроэнергетических системах судов и кораблей, требуют сохранения работоспособности потребителей в переходных процессах при снижении напряжения питания до 0,75 от номинального значения. Это означает, что требование бесперебойности питания потребителей выполняется, если в процессе переключения питания напряжение на зажимах потребителей не снизится ниже 0,75 от номинального. В конкретном случае условие бесперебойности выполняется, если резервный выпрямитель будет подключен к резервному источнику раньше, чем напряжение на зажимах потребителей снизится ниже уровня 0,75 Uн. Чем меньше время подключения, тем меньше емкость накопительного конденсатора. В отличие от прототипа включение в устройство разделительных диодов позволяет подключать резервный выпрямитель до отключения основного и исключить из периода переключения питания собственное время отключения первого реле и выдержки времени до включения второго реле. Практически время переключения складывается из времени срабатывания блока управления (2÷5 мс) и времени включения второго реле. В зависимости от типа силового элемента (реле или контактора) это время составляет 5÷30 мс.

При снижении напряжения источника 1 до уровня (0,95÷0,9) Uн управляющий контроллер 38 обеспечивает по выходу 53 замыкание переключателя 33, в результате чего замыкается цепь питания втягивающей

катушки 10 реле 8, его контакты 14, 15, 16 замыкаются и выпрямитель 39 подключается к резервному источнику 2 питания.

С момента исчезновения напряжения на зажимах источника 1 до подключения резервного источника 2 работа инвертора 4 и питание нагрузки 5 обеспечиваются за счет энергии, накопленной в конденсаторе Сф фильтра 48 и в накопительном конденсаторе 6.

После включения реле 8 управляющий контроллер 38 блока 26 управления с выдержкой времени, например 0,3 с, отключает переключатель 32. В результате обесточивается втягивающая катушка 9 реле 7, его контакты 11, 12, 13 размыкаются, и выпрямитель 3 отключается от неисправной сети (источника 1).

При восстановлении номинального напряжения на зажимах основного источника 1 блок 26 управления восстанавливает включенное состояние переключателя 32, замыкается цепь питания включающей катушки 9 реле 7, и выпрямитель 3 подключается к зажимам А1, В1, С1 источника 1 (основной сети). После этого также с выдержкой времени в блоке 26 управления отключается переключатель 33, и выпрямитель 39 отключается от источника 2 (резервной сети). Это переключение с резервной сети на основную сеть происходит без снижения напряжения на входных зажимах инвертора.

В процессе переключении имеет место период времени, когда включены одновременно оба реле 7 и 8 и оба выпрямителя 3 и 39, то есть основная и резервная сети питания гальванически связаны через обратные сопротивления разделительных диодов 43-46. Но длительность этого состояния составляет всего (0,1÷0,5) с и не нарушает работу систем контроля сопротивления изоляции сетей.

Таким образом, выполняется условие бесперебойности питания, а значит повышение надежности работы потребителей.

При использовании однофазных источников питания все процессы и режимы работы аналогичны, и так же обеспечивается бесперебойное питание потребителей.

Claims (2)

1. Устройство бесперебойного питания, содержащее два источника питания переменного тока, один выпрямитель, один инвертор, который подключен к нагрузке, а параллельно его входам подключен накопитель энергии, два электромагнитных реле, каждое из них включает в себя втягивающую катушку и нормально разомкнутые контакты, первые зажимы которых у каждого из них подключены к выходам своего соответственно первого и второго источников питания, а вторые зажимы контактов первого из них подключены к входам выпрямителя, и блок управления, включающий в себя два датчика напряжения, каждый из них подключен к выходам соответствующего источника питания, два переключателя, зажимы каждого из которых включены в цепь втягивающей катушки соответствующего реле, и управляющий контроллер, отличающееся тем, что в него дополнительно включены второй выпрямитель, своими входами подключенный ко вторым зажимам контактов второго реле, и четыре разделительных диода, первые два из которых каждый своим анодом подключены к плюсовому выходу соответствующего выпрямителя, а их катоды, объединенные в общую точку, подключены к плюсовому зажиму входного LC-фильтра инвертора, два других диода каждый своим катодом подключен к минусовому выходу соответствующего выпрямителя, а их аноды, объединенные в общую точку, подключены к минусовому зажиму инвертора, а накопителем энергии является дополнительный конденсатор.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляющий контроллер каждым своим входом подключен к выходу соответствующего датчика напряжения, а каждый его выход подключен к управляющему входу соответствующего переключателя.