УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ВО ВСЕХ РЕЖИМАХ ЗАРЯДА-РАЗРЯДА С ФУНКЦИЕЙ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

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.со.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 НИЛОМ 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 новое схемотехническое решение для организации надежного электропитания потребителей постоянного тока, способное решать комплекс мер по обеспечению стабильного напряжения на шинах постоянного тока во всех режимах работы различных типов АБ.
Указанная задача решается устройством для автоматического обслуживания аккумуляторной батареи во всех режимах заряда-разряда с функцией бесперебойного питания потребителей постоянного тока, включающим транзисторный, гальванически связанный повышающий стабилизатор напряжения постоянного тока, микропроцессорную плату управления с драйвером и плату индикации, отличающееся тем, что дополнительно содержит параллельно установленный транзисторный гальванически связанный понижающий стабилизатор и последовательно установленный транзисторный двунаправленный DC/DC преобразователь.
Заявляемая полезная модель (далее - Устройство, заявленное Устройство) поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена структурная схема заявленного Устройства; на фигг. 2, 3 показаны соответственно традиционная схема СПТ и схема СПТ с предлагаемым Устройством. Заявленное Устройство состоит из:
- IGBT-транзисторные модули VT1 (понижающий стабилизатор (понижающий DC/DC преобразователь)), VT2 (повышающий стабилизатор (повышающий DC/DC преобразователь)), VT3 (двунаправленный DC/DC преобразователь);
- дроссели L1, L2, L3;
- конденсаторы C1, С2, С3;
- разрядный резистор R1;
- плата управления с драйвером А1;
- плата индикации А2.
IGBT-транзисторы располагаются на радиаторе. Способ охлаждения - принудительный. Для повышения надежности работы целесообразно установить два вентилятора, включающиеся в режимах перегрузки.
Описание работы заявленного устройства.
1) Работа Устройства в прямом направлении.
Входное напряжение с выпрямителя находится в допустимых пределах, а ток нагрузки не превышает тока ограничения.
под.эл.
Заявленное Устройство находится в режиме заряда АБ. При этом работают транзисторные модули VT2 и VT3. На выходе стабилизируется напряжение равное установленному оператором, исходя из типа АБ, согласно формуле U*n, где:
под.эл.
U - напряжение подзаряда на элементе,
n - количество элементов АБ.
2) Работа заявленного Устройства в обратном направлении.
min.эл.
min.эл.
При величине входного напряжения ниже установленного значения Устройство переходит в режим разряда АБ. При этом работают транзисторы VT3 и VT1. Стабилизация напряжения на шинах производится до заданного уровня минимального напряжения на АБ, согласно формуле U*n, где U - минимальное напряжения разряда АБ.
Наличие в схеме Устройства транзисторного модуля VT3, у которого верхний ключ -понижающий, а нижний ключ - повышающий, обусловлено необходимостью конвертирования напряжения с аккумуляторной батареи на шины гарантированного питания без потери времени. Полученный благодаря такой схеме двунаправленный DC/DC преобразователь позволяет по определенной уставке моментально переключаться из режима заряда АБ на режим разряда АБ на шины гарантированного питания со стабилизацией напряжения на заданном уровне.
3) Состояние защиты.
Заявленное Устройство 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, Устройство обеспечивает стабильность тока на выходе на уровне тока ограничения. При этом величина выходного напряжения не нормируется. 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 КЗ.
Заявленное Устройство предпочтительно должно иметь функцию «байпас» - обеспечение питания нагрузки, минуя стабилизаторы. Подключение нагрузки через «байпас» происходит только при срабатывании защит Устройства или отключении его выключателя автоматического Q1. Устройство может иметь схему построение силовой части N+1 для увеличения надежности.
Описание схемы на фиг. 1 относится к заявленному Устройству на 100А, дальнейшее увеличение мощности стабилизатора происходит путем параллельного соединения силовых стоамперных блоков.
Основные технические характеристики представлены в таблице 1.
Разработанное Устройство обеспечивает:
1. автоматическое выполнение в соответствии с программой управляющего контроллера следующих режимов работы для заряда АБ:
- поддерживающий заряд АБ стабилизированным напряжением и заряд разряженной после аварийного включения батареи методом U;
- ускоренный заряд разряженной после аварийного включения батареи методами IU, IUI;
- уравнительный заряд элементов (банок) батареи;
- заряд глубоко разряженной батареи;
2. разряд АБ на нагрузку в рабочем режиме до установленного предела.
3. коррекцию величины напряжения поддерживающего заряда в зависимости от температуры АБ;
4. управление вытяжной вентиляцией помещения аккумуляторной батареи в зависимости от напряжения АБ;
5. тренировку АБ путем разряда и заряда стабильным током на нагрузку по заранее сконфигурированной программе;
6. контроль состояния АБ по величине разрядного тока, напряжению половины АБ, температуре и емкости АБ, рассчитываемой в автоматическом режиме при циклах разряда-заряда;
7. стабилизацию заданного уровня напряжения на нагрузке в аварийном режиме путем повышения или понижения напряжения с АБ;
8. защиту АБ от глубокого разряда;
9. ограничение выходного тока в случае КЗ на нагрузке;
10. светодиодную индикацию о готовности к работе, работе в режиме подзаряда АБ, стабилизации напряжения на нагрузке, а также о наличии предупреждений и неисправностей, с детализацией всех параметров и указаний на центральном дисплее;
11. ведение журнала событий с занесением в него всех необходимых параметров режимов заряда, разряда, а также аварий и предупреждений;
12. автоматическое включение байпаса при аварии с выдачей дискретного и цифрового сигнала;
13. срабатывание защит при:
- коротком замыкании на стороне нагрузки (ограничение тока КЗ на заданном уровне);
- коротком замыкании на стороне АБ;
- перенапряжении на стороне нагрузки в режиме разряда АБ;
- внутренней неисправности.
Объяснение актуальности выбранного решения.
Основными компонентами при построении СПТ являются:
- аккумуляторная батарея (АБ);
- распределительный щит с устройствами защиты (ЩПТ);
- выпрямитель (один или несколько) для питания потребителей и заряда-подзаряда АБ (ВЗП).
К дополнительным компонентам, некоторые из которых в последнее время претендуют на роль основных, следует отнести системы измерения сопротивления изоляции и устройства стабилизации напряжения.
Рассмотрим упрощенные структурные схемы, включающие одну секцию ЩПТ, одну АБ и один ВЗП. Типовая схема - фиг. 2. Предлагаемая схема - фиг. 3.
Рассмотрим различные варианты построения СПТ на основе приведенных структурных схем.
Для начала определим, какие защитные устройства возможно применить в ЩПТ при условии соблюдения селективного надежного отключения при перегрузках и возникновении короткого замыкания (КЗ) в системе.
Наиболее привлекательным и дешевым вариантом было бы применение в качестве защиты фидеров автоматических выключателей вместо предохранителей, отлично зарекомендовавшим себя при перегрузках, но в случае КЗ существует ряд ограничений. Ввиду ограниченной величины разрывного тока (не более 10 кА), применение автоматических выключателей возможно при емкости АБ, не превышающей 1500 Ач (ток КЗ ≈ 10 кА), если, конечно, не имеется устройства ограничения тока. Применение автоматических выключателей со стандартными характеристиками в качестве вводных и секционных защитных устройств при больших токах КЗ также не может обеспечить селективности, но уже по той причине, что время срабатывания становится меньше, чем время отключения. Поэтому, например, два автоматических выключателя с номиналами 16А и 100А при токе выше 2000А отключатся одновременно (время отключения (разрыва дуги) автоматического выключателя на 16А больше, чем время срабатывания защиты у выключателя на 100А при данном токе). Применение в данных цепях автоматических выключателей возможно только при использовании электронных систем защиты с независимыми расцепителями, желательно объединенными в единую систему с установленными приоритетами отключения, либо при использовании устройств ограничения, препятствующих возникновению тока выше значения отсечки у вводного или секционного выключателя.
Из вышесказанного видно, что оптимальным решением при проектировании системы защиты в ЩПТ является ограничение тока в источнике, т.е. стабилизатор напряжения с возможностью токоограничения (в типовой схеме - фиг. 2).
В функцию выпрямителей по типовой схеме (фиг. 2) построения СПТ входит заряд и подзаряд АБ. Если в режиме подзаряда достаточно точности поддержания напряжения 1%, то при заряде разряженной АБ с параллельной работой на нагрузку ввиду низкого динамического сопротивления АБ для поддержания тока заряда в 1% точность поддержания напряжения должна составлять 0.05%! Для обеспечения возможности заряда с указанной степенью точности заряд проводят либо отдельным выпрямителем без нагрузки, либо выпрямителем, имеющим отдельный канал измерения тока АБ.
Следует отметить, что выпрямитель, обладающий такими показателями точности поддержания напряжения и тока, алгоритмами заряда аккумуляторов весьма дорог, особенно если учесть, что на нагрузке такая точность не нужна, а ток подзаряда значительно меньше тока нагрузки.
Предлагаемая схема (фиг. 3) характеризуется тем, что подключение выпрямителя происходит непосредственно к нагрузке, а АБ - через специальное Устройство. Заявленное Устройство представляет собой усовершенствованное устройство стабилизации напряжения - УСН реверсивного типа, позволяющее производить стабилизацию напряжения (как повышение, так и понижение) в любом направлении. При разряде АБ работа заявленного Устройства ничем не отличается от работы УСН, и структура системы сохраняется, как и в типовой схеме: АБ - УСН - ЩПТ. В режиме нормальной работы заявленное Устройство обеспечивает необходимые процессы обслуживания АБ: подзаряд, заряд, разряд (в типовой схеме для разряда АБ используется отдельное устройство). Выпрямитель работает на нагрузку и может быть выполнен по более простой схеме, не имеющей алгоритмов обслуживания АБ, высокой точности поддержания напряжения. При больших мощностях это существенно сказывается на стоимости выпрямителя. В режиме подзаряда АБ ток АБ мал, и потери в Устройстве незначительны. Ток нагрузки минует заявленное Устройство и не вызывает потерь, поэтому Устройство в нормальном режиме может работать с естественным охлаждением при любых токах нагрузки и емкостях АБ. Принудительное охлаждение требуется только в некоторых режимах разряда или ускоренного заряда повышенными токами. Применение предлагаемой перспективной схемы на больших мощностях нагрузки приводит к значительному снижению потерь, увеличению КПД системы, снижению ее стоимости без какого-либо снижения надежности. Так как при работе с заявленным Устройством батарея не находится в буферном режиме, то существует возможность применения АБ разных типов: кислотных, щелочных, литий-ионных и других с характерными для них режимами заряда - разряда. Особенно это относится к современным типам литий-ионных батарей с количеством циклов заряда-разряда до 3000, в отличие от 250-400 циклов у герметизированных кислотных батарей. Так как литий-ионные батареи не предназначены для работы в буферном режиме, применение их в типовой схеме включения приводит их к быстрому выходу из строя из-за перезаряда постоянно протекающим током подзаряда, или из-за постоянного нахождения в состоянии 60-70% заряда время работы от АБ значительно меньше, чем у АБ другого типа.
Исходя из вышесказанного, можно утверждать, что решение с применением Заявленного Устройства является перспективным для обеспечения организации надежного электропитания потребителей постоянного тока.