СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО И ГАРАНТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ НАИБОЛЕЕ ОТВЕТСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
UNINTERRUPTED AND SECURED POWER SUPPLY SYSTEM FOR CRUCIAL POWER CONSUMERS

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к области электроснабжения ответственных потребителей электроэнергии. К ответственным потребителям можно отнести следующие основные группы: оборудование локальной вычислительной сети; системы специальной связи; технические средства спутниковой сети передачи данных; системы охраны и работа оборудования стратегических объектов и аналогичное оборудование, не допускающее разрыва синусоиды в момент включения резервного источника.
Известны системы АВР (автоматического ввода резерва), которые обеспечивают переключение нагрузки с одного независимого источника питания на другой, осуществляя тем самым электропитание потребителей. Недостаток АВР в том, что на время переключения коммутационными аппаратами (выключателями, контакторами и т.п.) рабочего и резервного источника питания электроснабжение потребителей прерывается.
Известны статические агрегаты бесперебойного питания, основанные на преобразовании постоянного тока от выпрямителя или аккумуляторной батареи в трехфазный переменный ток. Основным узлом такого агрегата является инвертор тока - сложный и дорогостоящий узел, выполненный на силовой полупроводниковой технике, что является недостатком такой системы. Форма выходного напряжения содержит дополнительные гармоники тока и напряжения.
Известна система бесперебойного электропитания потребителей переменного тока и напряжения (патент RU 2208285, МПК H02J 9/04, Н02Н 5/10, Н02Н 7/06. Опубликован 10.07.2003). Эта система бесперебойного электропитания потребителей переменного тока и напряжения, содержащая нагрузку, два независимых источника питания с одинаковыми частотой тока и чередованием фаз, две асинхронные машины, две конденсаторные установки, при этом роторы асинхронных машин сочленены механически на одном валу, обмотки статора асинхронных машин, конденсаторные установки и по половине нагрузки подключены каждая к своему независимому источнику питания. Имеется схема управления системой, выполненная на контакторах.
Согласно описанию в режиме нормальной работы асинхронные машины работают как двигатели на холостом ходу, вращая общий вал. Конденсаторы компенсируют реактивную мощность в сети, повышая ее cosφ. Нагрузка, двигатель и конденсаторы питаются каждый от своей линии. При аварии на любой из линий снижается напряжение на ее входе и отключается контактор поврежденной линии. Асинхронная машина неповрежденной линии продолжает вращать общий вал. Машина отключенной линии переходит в генераторный режим, возбуждаясь от конденсаторной батареи и питая нагрузку отключившейся линии. Нагрузка второй линии продолжает питаться от нее. При этом третий контактор подключает нагрузку к исправной линии. Таким образом, осуществляется бесперебойное питание 100%-ной нагрузки.
По нашему мнению, известная система имеет малую надежность и следующие существенные недостатки:
1. При аварии, например, на линии 1 (по схеме патента), если асинхронный двигатель 9 быстро автоматически возбуждается от конденсаторов 5, то в этой линии будет постоянно присутствовать напряжение, и контактор 13 не отключится от сети и нарушится режим работы.
2. При аварии в этой же линии в момент возбуждения двигателя 9 в нагрузке 3 будет выполняться пуск асинхронного двигателя, то процесс самовозбуждения не произойдет.
3. При работе двух асинхронных машин, например, 10 - в режиме приводного двигателя, а 9 - в режиме асинхронного генератора - частота тока за счет скольжения резко снизится.
Известна система автономного электропитания (прототип, патент RU 2284644, МПК Н02Р 9/02, Н02Р 9/30. Опубликован 27.09.2006), состоящая из аккумуляторной батареи, реостата, электродвигателя постоянного тока, синхронного генератора с возбудителем и потребляемых узлов, где синхронный генератор с возбудителем жестко связан с электродвигателем постоянного тока и имеет первый, второй и третий выходы, соединенные соответственно с первым, вторым и третьим входами потребляемых узлов, а выход аккумуляторной батареи соединен с входом реостата, дополнительно вводятся трехфазный выпрямитель со сглаживающим фильтром, автоматический расцепитель и блок автоматической регулировки питания, при этом первый, второй и третий выходы синхронного генератора с возбудителем соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами трехфазного выпрямителя со сглаживающим фильтром, выход которого соединен через блок автоматической регулировки питания с первым входом автоматического расцепителя, второй вход которого соединен с выходом реостата, а выход - с входом электродвигателя постоянного тока. Недостатками известной системы являются:
1. Привод генератора осуществляется двигателем постоянного тока, получающим питание через трехфазный выпрямитель от самого генератора. Таким образом, кроме потребительских узлов от генератора потребляет мощность и приводной двигатель.
2. Мощность генератора и приводного двигателя соизмеримы, поэтому предлагаемая схема управления при переменной нагрузке потребительских узлов приводит к раскачиванию системы автономного электропитания.
3. Не поддерживается стабильной частота тока генератора с известной схемой регулирования скорости приводного двигателя постоянного тока.
4. Присутствие реостата в схеме управления снижает общий КПД системы.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей системы бесперебойного и гарантированного электроснабжения, повышение надежности и обеспечение коммутации нагрузки в аварийных режимах без разрыва синусоиды питающего напряжения.
Технический результат изобретения достигается тем, что система бесперебойного и гарантированного электроснабжения для наиболее ответственных потребителей электроэнергии, состоящая из аккумуляторной батареи, электродвигателя постоянного тока, соединенного с валом генератора, трехфазного выпрямителя, имеет асинхронный генератор с ротором и специальные статорные обмотки с выводами для подключения нагрузки, взятыми от середины этих обмоток, основные и дополнительные конденсаторы возбуждения, регулятор-стабилизатор напряжения, устройство контроля и регулирования частоты, регулирующий элемент, например транзистор, реле направления активной мощности, быстродействующий автоматический выключатель, питающую сеть, причем специальные обмотки статора соединены в треугольник и вершины этого треугольника соединены с основными конденсаторами возбуждения, соединенными треугольником и дополнительными конденсаторами возбуждения, соединенными звездой, а через трехфазные входы реле направления активной мощности и быстродействующий автоматический выключатель с питающей сетью, к которой подключены входы трехфазного управляемого выпрямителя с функциями зарядного устройства, а его выходы соединены с выводами аккумуляторной батареи и якорем двигателя постоянного тока, вал которого жестко соединен с ротором асинхронного генератора, обмотка возбуждения двигателя постоянного тока через регулирующий элемент, например транзистор, также соединен с выводами аккумуляторной батареи, вход регулирующего элемента соединен с выходом устройства контроля и регулирования частоты, входы последнего соединены с выводами специальной обмотки для подключения нагрузки, к этим выводам соединен и вход регулятора-стабилизатора напряжения, выход которого соединен с нулевой точкой звезды дополнительных конденсаторов возбуждения.
Новизна заявляемого предложения обусловлена тем, что за счет конструктивных особенностей, а именно в асинхронном генераторе специальные обмотки статора соединены в треугольник, и вершины этого треугольника соединены с основными конденсаторами возбуждения, соединенными треугольником, и дополнительными конденсаторами возбуждения соединенные звездой, а через трехфазные входы реле направления активной мощности и быстродействующий автоматический выключатель с питающей сетью, к которой подключены входы трехфазного управляемого выпрямителя с функциями зарядного устройства, а его выходы соединены с выводами аккумуляторной батареи и якорем двигателя постоянного тока, вал которого жестко соединен с ротором асинхронного генератора, обмотка возбуждения двигателя постоянного тока через регулирующий элемент, например транзистор, также соединена с выводами аккумуляторной батареи, вход регулирующего элемента соединен с выходом устройства контроля и регулирования частоты, входы последнего соединены с выводами специальной обмотки для подключения нагрузки, к этим выводам соединен и вход регулятора-стабилизатора напряжения, выход которого соединен с нулевой точкой звезды дополнительных конденсаторов возбуждения, обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей системы бесперебойного и гарантированного электроснабжения, повышении надежности и обеспечении коммутации нагрузки в аварийных режимах без разрыва синусоиды питающего напряжения.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо. Опытный образец системы бесперебойного и гарантированного электроснабжения изготовлен и испытан в лаборатории кафедры ЭМ и ЭП КубГАУ.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1  представлена функциональная схема системы бесперебойного и гарантированного электроснабжения для наиболее ответственных потребителей электроэнергии.
Система содержит асинхронный генератор с ротором 1 и специальными статорными обмотками 2 с выводами 3 от середины этих обмоток, основные конденсаторы возбуждения 4 и дополнительные конденсаторы возбуждения 5, регулятор-стабилизатор напряжения 6, устройство контроля и регулирования частоты 7, двигатель постоянного тока 8 с обмоткой возбуждения 9, регулирующий элемент (транзистор) 10, аккумуляторную батарею 11, трехфазный управляемый выпрямитель с функциями зарядного устройства 12, питающую сеть 13, быстродействующий автоматический выключатель 14, реле направления активной мощности 15.
Асинхронный генератор с ротором 1 и специальными статорными обмотками 2 с выводами 3 от середины этих обмоток вершинами треугольника соединен с основными конденсаторами возбуждения 4 и дополнительными конденсаторами возбуждения 5, в нулевой точке которых своим выходом соединен регулятор-стабилизатор напряжения 6, а входом с выводами 3, к которым подключена нагрузка и вход устройства контроля и регулирования частоты 7, двигатель постоянного тока 8 непосредственно, а его обмотка возбуждения 9 через регулирующий элемент (транзистор) 10 соединена с выводами аккумуляторной батареей 11, к которой присоединен и выход трехфазного управляемого выпрямителя с функциями зарядного устройства 12, вход которого соединен с питающей сетью 13, к которой через быстродействующий автоматический выключатель 14, реле направления активной мощности 15 вершинами треугольника соединены обмотки 2 статора асинхронного генератора.
Специальные статорные обмотки 2-2-2… асинхронного генератора представляют собой модулированные обмотки с шириной фазной зоны 120°. Эти обмотки можно представить в виде шестифазной обмотки, соединенной в треугольник. Соотношение ЭДС на выводах вершины треугольника к ЭДС на отпайках 3-3-3 составляет 1/1.
Основные конденсаторы возбуждения 4 выбираются из условия компенсировать реактивную составляющую асинхронного генератора при работе на холостом ходу. Дополнительные конденсаторы возбуждения 5 рассчитаны на компенсацию реактивной составляющей нагрузки и генератора при автономном режиме работы.
Регулятор-стабилизатор напряжения 6 в функции величины выходного напряжения на нагрузке (выводы 3-3-3) изменяет величину емкостного тока дополнительных конденсаторов 5, тем самым стабилизирует напряжение на нагрузке.
Устройство контроля и регулирования частоты 7 изменяет ток возбуждения в обмотке 9 двигателя постоянного тока 8 в функции частоты тока нагрузки на отпайках 3-3-3 обмотки 2-2-2 асинхронного генератора. При снижении частоты тока на нагрузке уменьшается ток возбуждения в обмотке 9, при постоянном напряжении на якоре двигателя 8, увеличивается его скорость (частота) вращения. Происходит регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока изменением магнитного потока.
Реле направления активной мощности может быть типа РМ-11, РМ-12 с повышенным быстродействием (время срабатывания не более 0,03 секунды).
Трехфазный управляемый выпрямитель 12 с функциями зарядного устройства имеет ограничение (по току заряда) и устройство стабилизации выходного напряжения, равного напряжению холостого хода аккумуляторной батареи 11. Это напряжение поддерживается и на зажимах якоря двигателя 8.
Система бесперебойного и гарантированного электроснабжения для наиболее ответственных потребителей электроэнергии работает следующим образом.
-1
-1
Штатный режим. При подаче напряжения на зажимы питающей сети 13 на выходе трехфазного управляемого выпрямителя 12 с функциями зарядного устройства появляется заданное напряжение, согласованное с номинальным напряжением аккумуляторной батареей 11 и номинальным напряжением якоря двигателя постоянного тока 8. Транзистор 10 открыт и по обмотке возбуждения 9 проходит номинальный ток. Двигатель постоянного тока 8 разгоняется до скорости (частоты) вращения, например, 3000 (314 с). С такой же скоростью вращается и ротор асинхронного генератора 1.
Одновременно напряжение питающей сети 13 через контакты быстродействующего автоматического выключателя 14, реле направления активной мощности 15 поступает на вершины треугольника специальных обмоток 2 статора асинхронного генератора, на основные конденсаторы возбуждения 4 и дополнительные конденсаторы возбуждения 5. Поскольку ротор 1 асинхронного генератора вращается с синхронной скоростью вращения магнитного поля, по обмоткам статора проходит реактивный ток (мощность) намагничивания и активная составляющая тока, пропорциональная потерям в стали на перемагничивание. Реактивный (емкостный ток) также поступает от основных конденсаторов возбуждения 4 и дополнительных конденсаторов возбуждения 5.
При подключении нагрузки к выводам 3 статорных обмоток 2 асинхронный генератор работает как автотрансформатор, передавая мощность от питающей сети 13 к нагрузке с минимальными потерями.
Аварийный режим. Исчезает напряжение в питающей сети 13. Ротор 1 продолжает вращаться от двигателя постоянного тока 8 и асинхронного генератора переходит в автономный режим с возбуждением от основных конденсаторов возбуждения 4 и дополнительных конденсаторов возбуждения 5. На выводах 3 и нагрузке напряжение не исчезает и не изменяется. Реле направления активной мощности 15 реагирует на изменение потока мощности (подключен трехфазный управляемый выпрямитель 12 с функциями зарядного устройства или другая нагрузка) и подает сигнал на контакты быстродействующего автоматического выключателя 14, который быстро отключает питающую сеть 13 со всеми токоприемниками. Двигатель постоянного тока 8 переходит на питание от аккумуляторной батареи 11. Частота его вращения и частота тока асинхронного генератора снижаются, устройство контроля и регулирования частоты 7 реагирует на это и изменяет ток возбуждения в обмотке 9 двигателя постоянного тока 8 в функции частоты тока нагрузки. Частота вращения двигателя и частота тока асинхронного генератора и нагрузки стабилизируются.
При изменении величины нагрузки напряжение на выводах 3 специальных статорных обмоток 2 изменяется. На это реагирует регулятор-стабилизатор напряжения 6, который автоматически при снижении напряжения увеличивает емкостный ток дополнительных конденсаторов возбуждения 5. Так происходит стабилизация напряжения на нагрузке.
При появлении напряжения на питающей линии 13 от датчика контроля сети (на схеме не показан) включается быстродействующий автоматический выключатель 14 и система бесперебойного и гарантированного электроснабжения переходит в штатный режим работы.
Достоинства предлагаемого технического решения.
1. При работе в штатном режиме асинхронный генератор потребляет реактивный (емкостной ток) от конденсаторов возбуждения 4 и 5, тем самым разгружая питающую сеть 13. За счет этого емкостного тока, регулятор-стабилизатор напряжения 6 поддерживает неизменным напряжение на нагрузке 3 даже в штатном режиме при питании от сети 13.
2. Поскольку по обмоткам 2 постоянно циркулирует емкостный ток, то в аварийных режимах (и при переходе в штатный режим) синусоида напряжения на нагрузке не прерывается, что очень важно для ответственных потребителей электрической энергии.
3. За счет симметричного ротора асинхронного генератора на нагрузке поддерживается стабильное напряжение даже при двухфазной или не симметричной нагрузке.