УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике, к системам постоянного (в том числе оперативного) тока подстанций и электростанций, а именно к способам организации стабилизированного питания постоянным током и системам для его осуществления.
Одной из характерных особенностей систем постоянного тока (далее - СПТ) является наличие напряжения на шинах аккумуляторной батареи (далее - АБ), значительно превышающего величину номинального напряжения системы при проведении ускоренного и уравнительного зарядов АБ, а для ряда потребителей критичным уровнем напряжения является и напряжения поддерживающего заряда АБ. Обеспечение номинальной величины напряжения на нагрузке достигается при этом подключением последовательно с нагрузкой балластного сопротивления. Решение проблемы таким способом обладает рядом существенных недостатков и снижает КПД системы.
Для ряда потребителей постоянного тока в аварийном режиме критичным является уровень напряжения, особенно при толчковых токах. Толчковые токи масляных выключателей и электродвигателей маслонасосов приводят к кратковременному снижению напряжения на аккумуляторной батарее. Для гарантированного срабатывания чувствительной к пониженному напряжению и провалам напряжения аппаратуры необходимо стабилизировать напряжение на шинах щита постоянного тока (далее - ЩПТ) равным 220/110/27 В±10% вплоть до минимального напряжения разряда АБ.
Известные технические решения.
1. Решение проблемы высокого напряжения на шинах АБ в режимах поддерживающего и ускоренных зарядов путем гашения напряжения подключением балластного сопротивления последовательно с нагрузкой.
Недостатки данного подхода:
- используемые с этой целью гасящие диоды приходится устанавливать на радиаторе, обдуваемом вентиляторами для отвода выделяющегося тепла;
- поддержание постоянства напряжения на нагрузке при изменении уровня напряжения заряда АБ или тока потребления (сопротивления) нагрузки требует соответствующего изменения числа диодов в цепи и, следовательно, использования дополнительной управляемой по напряжению коммутационной аппаратуры;
- получающаяся громоздкая конструкция гасящего блока требует значительного пространства для своего размещения в шкафу ЩПТ, увеличивая его габаритные размеры;
- возникают непроизводительные потери электроэнергии;
- появляется необходимость в дополнительных временных и трудовых ресурсах на монтаж ЩПТ, усложняется его обслуживание.
2. Решение проблемы провала напряжения на АБ в аварийном режиме при толчковых нагрузках.
2.1 Применение элементного коммутатора хвостовых элементов АБ.
Известные технические решения:
http://www.rza.org.ua/elteh/read/208--Elementnie-kommutatori--pereklyuchateli-_208.html;
http://leg.co.ua/knigi/oborudovanie/obsluzhivanie-istochnikov-operativnogo-toka-4.html.
Системы с применением элементного коммутатора включают зарядный двигатель-генератор и подзарядное выпрямительное устройство. Элементный коммутатор обеспечивает постоянство напряжения на шинах постоянного тока при заряде и разряде аккумуляторов. Он состоит из изолирующей плиты с расположенными на ней контактными пластинами, к которым подсоединены отводы от соединительных полос аккумуляторов. По пластинам и соответствующим шинам скользят разрядная и зарядная щетки. Они приводятся в движение вручную или от небольшого электродвигателя, управляемого дистанционно или с помощью устройства регулирования напряжения (АРН). Изменение числа подключенных к шинам постоянного тока аккумуляторов (регулирование напряжения) происходит без разрыва цепи тока и закорачивания аккумуляторов благодаря особой конструкции коммутаторов. В нормальном режиме работы при наличии подзарядного устройства разрядная щетка коммутатора устанавливается на заданном элементе, чем обеспечивается на шинах необходимое напряжение. Концевые аккумуляторы не подзаряжаются. Они используются только в случае исчезновения напряжения на шинах подстанции и отключения подзарядного устройства.
Для формирования пластин и глубоких перезарядов предусматривают передвижной двигатель-генератор, который при необходимости доставляют на подстанцию.
Недостаток известных технических решений заключается в различных условиях заряда и разряда основной и дополнительной части АБ, вследствие чего возможны глубокие разряды и заряды отдельных элементов АБ, снижающие срок службы АБ.
2.2 Применение двухканального зарядно-подзарядного устройства или отдельного блока для подзаряда аккумуляторной батареи с хвостовыми элементами.
Известные технические решения:
- Блок подзаряда БП-60-10 (завод Конвертор г. Москва http://www.convertor-power.ru/bp-60-10.html);
- ЗВУ (компания Системы Постоянного Тока г. Новосибирск http://www.systemct.ru/product/product_id/2/);
- УПКА (компания Техэлектро СТ Смоленский район, д. Нагать. http://www.techct.ru/product/ypka.html;
- ВЗП-ТПП (компания НИПОМ, г. Дзержинск. http://www.nipom.ru/produktsiya/2013-07-31-07-17-03/15-produktsiya/281-sistemy-garantirovannogo-pitaniya-postoyannogo-toka-3).
Схемы с подобными устройствами применяются в системах с большими толчковыми нагрузками. При этом основное зарядно-подзарядное устройство заряжает основную секцию АБ, а дополнительное устройство заряжает хвостовую часть АБ. При таком подходе основная и хвостовая части АБ находятся в одинаковых условиях. Однако сама система постоянного тока сильно увеличивается в габаритах из-за необходимости использования нескольких групп шин постоянного тока, дополнительной коммутационной аппаратуры, дополнительного зарядного устройства, что негативно сказывается на надежности и стоимости таких решений.
2.3 Применение транзисторного, гальванически связанного повышающего стабилизатора напряжения постоянного тока (наиболее близкий аналог):
- УТСП-М (завод Конвертор г. Москва http://www.convertor-power.ru/utsp.html);
- ЩПТ-С (производственная компания ЭлектроКонцепт г. Новосибирск http://vtzp.ru/products/shpts);
- УСПН (компания Системы Постоянного Тока г. Новосибирск http://www.systemct.ru/product/product_id/11/).
В приведенных технических решениях в нормальном режиме выпрямительное устройство преобразует переменное напряжение в постоянное и подзаряжает аккумуляторную батарею.
В аварийном режиме в системе питания, когда пропадает сеть переменного тока, или выпрямительное устройство не обеспечивает требуемого уровня выходного напряжения, преобразователи УТСП-М, ЩПТ-С, УСПН переходят на питание от АБ. Напряжение на элементах батареи в процессе разряда может уменьшаться до порогового значения напряжения разряда. Стабилизаторы за счет повышения напряжения поддерживают необходимый уровень напряжение на нагрузке.
Обеспечения допустимого уровня напряжения в режиме заряда АБ от зарядного устройства, решение с применением стабилизаторов повышающего типа, производится путем уменьшения количества элементов АБ (102 банки АБ и 227,5 В против 108 банок АБ и 240,8 В в классической схеме для СПТ 220 В). Обеспечение заданного времени аварийного режима при таком подходе требует увеличения емкости АБ, что приводит к повышению стоимости системы в целом.
В известных технических решениях ток короткого замыкания на выходе устройств не должен превышать номинала 15∗Iн в течение 5 секунд. Это означает, что для обеспечения селективности и защиты самого устройства в системе необходимо применять быстродействующие предохранители, которые являются однократными устройствами срабатывания, что удорожает обслуживание системы и предъявляет высокие требования к расчету селективности.
Общими недостатками известных технических решений являются:
- невысокая надежность;
- сложность и громоздкость системы;
- сложность в обслуживании;
- низкое КПД;
- отсутствие токоограничения.
Перед авторами ставилась задача разработать недорогой, гальванически связанный стабилизатор постоянного тока повышающего и понижающего типа для организации надежного электропитания потребителей постоянного тока.
Указанная задача решается устройством стабилизации постоянного напряжения (далее - УСПН), включающим гальванически связанный повышающий стабилизатор напряжения постоянного тока, микропроцессорную плату управления, плату драйвера, и плату индикации, которое, согласно предложению, дополнительно содержит последовательно установленный гальванически связанный понижающий стабилизатор, при этом каждый стабилизатор включает в себя дроссель и IGBT-транзистор.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом.
На фиг. представлена структурная схема УСПН.
УСПН состоит из последовательно соединенных повышающего и понижающего стабилизаторов. Каждый стабилизатор включает в себя дроссель (L1, L2) и IGBT-транзистор (VT1, VT2).
Так же в состав УСПН входят:
- плата драйвера A2;
- плата управления A1;
- плата индикации A3.
IGBT-транзисторы располагаются на радиаторе. Способ охлаждения - принудительный. Для повышения надежности работы необходимы два вентилятора, включающиеся в режимах перегрузки.
В конструкции УСПН имеются контакторы, обеспечивающие переключение из режима «Байпас» (KM1 - включен, KM2 - выключен) в режим стабилизации выходного напряжения (KM1 - выключен, KM2 - включен).
УСПН работает следующим образом.
Входное напряжение постоянного тока поступает на клеммы XT1:1, 2 УСПН и далее через автоматический выключатель на повышающий и понижающий стабилизаторы. Выходное напряжение снимается с клемм XT1:3, 4.
С помощью «сухих» контактов УСПН XT2:1, 2 в АСУ СПТ подается сигнал о состоянии выключателя автоматического Q1, контактов XT2:3, 4 - сигнал о включении/выключении функции «байпас».
УСПН может находиться в двух состояниях, в каждом из которых имеет два режима работы.
Состояние нормального функционирования.
Входное напряжение находится в допустимых пределах, а ток нагрузки не превышает тока ограничения.
При величине входного напряжения выше заданного значения выходного напряжения УСПН находится в режиме понижения напряжения. При этом понижающий стабилизатор работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
При величине входного напряжения ниже заданного значения выходного напряжения УСПН находится в режиме повышения напряжения. Повышающий стабилизатор работает в режиме ШИМ, а понижающий стабилизатор находится в режиме «открытого ключа».
Состояние защиты.
Стабилизатор находится в данном состоянии при токе нагрузки, достигшем значения установленного тока ограничения или при снижении входного напряжения ниже установленного минимального значения.
При достижении током нагрузки значения, равного току ограничения, стабилизатор обеспечивает стабильность тока на выходе на уровне тока ограничения. При этом величина выходного напряжения не нормируется. Нахождение стабилизатора в данном режиме сигнализируется светодиодом «Ограничение тока» на лицевой панели блока УСН. Устройство находится в таком режиме, ожидая снижения тока, после чего восстанавливает нормальный режим работы.
Примечание: в СПТ при этом должны сработать защиты в отходящих линиях, находящихся в условиях перегрузки или короткого замыкания (КЗ).
При снижении входного напряжения до установленного минимального значения напряжения АБ загорается светодиод «Защита АБ от глубокого разряда» на лицевой панели блока УСН. Это сделано для заблаговременной сигнализации о срабатывании защиты. Защита срабатывает при снижении входного напряжения ниже значения минимального напряжения АБ на 6 В - стабилизатор уменьшает ток разряда АБ. Напряжение на АБ при этом будет поддерживаться на минимально допустимом уровне. Величина же выходного напряжения при данном режиме работы не нормируется. Стабилизатор может длительно находиться в таком режиме, ожидая повышения входного напряжения, после чего восстанавливает нормальный режим работы.
УСПН имеет функцию «байпас» - обеспечение питания нагрузки, минуя стабилизаторы. Подключение нагрузки через «байпас» происходит только при срабатывании защит УСПН или отключении его выключателя автоматического Q1. Включение функции «байпас» обеспечивается автоматически, путем отключения контактора КМ2 и включением контактора KM1.
Описание схемы на рисунке 1 относится к стабилизатору на 100 А, дальнейшее увеличение мощности стабилизатора происходит путем параллельного соединения силовых стоамперных блоков.
Основные технические характеристики представлены в таблице 1.
Преимущества разработанного устройства обеспечивают достижение следующего технического результата:
- стабилизация выходного напряжения постоянного тока на заданном уровне путем как понижения, так и повышения входного напряжения (нет необходимости отключать чувствительных к повышенному напряжению потребителей во время ускоренных режимов заряда АБ, а также компенсация провалов напряжения в аварийном режиме);
- защита аккумуляторных батарей от разряда ниже установленного предела (нет необходимости дополнительно устанавливать контактор постоянного тока и систему управления им для защиты АБ от разряда ниже установленного предела);
- обеспечение селективного отключения аппаратов защиты в системе постоянного тока (достигается за счет стабилизации тока КЗ на уровне 2-х, 3-х крат от номинала. Следовательно, пропадает необходимость применять плавкие вставки, появляется возможность выстроить селективность на автоматических выключателях, что упрощает и удешевляет обслуживание СПТ);
- отсутствие жесткого ограничения количества банок АБ (имеется возможность варьировать количество элементов и емкость АБ для выбора оптимального соотношения по стоимости);
- возможность прямого подключения аккумуляторной батареи к системе постоянного тока в случае выхода стабилизатора из строя;
- совместная работа с системами контроля изоляции (т.к. является гальванически связанным);
- возможность построения резервирования по схеме N+1 для повышения надежности.