ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

Источник бесперебойного питания (ИБП) относится к электротехнике и предназначен для обеспечения электропитанием различных устройств, в частности устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), устройств метрополитенов, в том числе существующих.
Известно устройство бесперебойного питания (патент на полезную модель №79218, с приоритетом 15.05.2008, МПК H02J 9/00), которое содержит, по меньшей мере, 2 входа для подключения линий однофазного или трехфазного переменного тока, каждый из которых соединен со своим модулем выпрямителей, содержащим не менее 2х выпрямителей при подключении к однофазной линии, или не менее 3х выпрямителей при подключении к трехфазной линии, а выходы модулей выпрямителей соединены параллельно и через устройство питания постоянного тока с, как минимум, одной аккумуляторной батареей, подключены к системе инверторов, содержащей, по меньшей мере, 2 модуля инверторов, соединенных параллельно и каждый из которых состоит из, по меньшей мере, 2х инверторов для питания однофазной нагрузки, или, по меньшей мере, 3х инверторов для питания трехфазной нагрузки, переменное напряжение от каждого из которых подается к потребителям переменного тока на выходы устройства, гальванически развязанных от входных линий.
Недостатком такого устройства бесперебойного питания является схемное решение с отдельными функционально разделенными модулями выпрямления и инвертирования напряжения бесперебойного питания, что приводит к снижению качества и эффективности процессов преобразования электроэнергии.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного ИБП, является:
- высокий КПД работы;
- высокое качество переменного напряжения бесперебойного питания со стабилизацией по частоте и амплитуде;
- возможность устанавливать ИБП в различных местах, для обеспечения электропитанием различных устройств, в частности устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), устройств метрополитенов, в том числе существующих;
- возможность быстрой «горячей замены» всех силовых модулей без выключения ИБП;
- снижается необходимость в применении дополнительных мер по электробезопасности из-за низкого напряжения шины постоянного тока (48 В), которая используется одна, но при топологии двойного преобразования;
- возможность питания трехфазных устройств при питании от однофазной сети.
Результаты достигаются за счет применения модулей инвертора (МИ), объединяющих в себе функции выпрямления напряжения электропитания переменного тока, инвертирования напряжения постоянного тока в напряжения электропитания переменного тока, фильтрации входных и выходных цепей электропитания модуля, контроля, мониторинга и управления составными частями модуля, в том числе переключения электропитания модуля между входами переменного и постоянного тока в зависимости от наличия и качества переменного тока на входе, а также модульной конструкции ИБП с возможностью горячей заменой составных частей.
Предложенное техническое решение будет описано в предпочтительном варианте исполнения - см. Фиг. 1, на которой изображена структурная схема ИБП.
Источник бесперебойного питания, содержащий вход однофазного или трехфазного переменного тока подключенного не менее чем к двум или не мене чем к трем, соответственно, выпрямительно-зарядным устройствам, которые обеспечивают заряд не менее одной аккумуляторной батареи, подключенной к параллельно соединенным выходам выпрямительно-зарядных устройств и входам постоянного тока блока модулей инверторов, которые входами переменного тока подключены к однофазному или трехфазному переменному току, входа источника бесперебойного питания, не менее чем по два параллельно для каждой фазы (одна пара для одной фазы, три пары для трех) и формируют на своих выходах и далее к потребителям бесперебойное питание гальванически развязанное от входа.
На вход АС (1 Фиг. 1) ИБП подается трехфазный или однофазный переменный ток. АС подается на выпрямительно-зарядные устройства (ВЗУ) 5.1…5.4 и на входы АС МИ 4.1…4.6. Батареи аккумуляторов (АКБ) подключены к выходам ВЗУ и входам DC МИ. Выход 3 ИБП подключается через байпас 2 к входу 1 или к выходам МИ. Управление работой ВЗУ, зарядом АКБ и взаимодействие с контроллером управления МИ осуществляется контроллером 7 (КЗ). Управление работой МИ и взаимодействие с контроллером управления зарядом осуществляется контроллером 8 (КИ). Связь контроллеров 7 и 8 с внешним компьютером 10 (ПК) для мониторинга, изменения параметров и управления производится по каналу 9.
Функциональные устройства ИБП - ВЗУ, АКБ и МИ соединены между собой параллельно, т.о. выполнена возможность полного резервирования за счет избыточности числа элементов.
Функция ручного байпаса ИБП обеспечивается за счет рубильника 2.
ВЗУ обеспечивает выпрямление переменного тока поступающего от трехфазного входа 1 - лини А-В-С или однофазного- линии В-С, заданного значения тока, самодиагностику и индикацию состояния, самоблокировку, запись диагностической информации, а также взаимодействие с КЗ.
АКБ накапливает электрическую энергию из ВЗУ и передает ее МИ, формирует и передает электрические сигнала об уровне заряда, токах и состояние своих элементов на КЗ.
КЗ контролирует состояние АКБ и ВЗУ в случае необходимости производит изменения режимов работы ВЗУ считывание диагностической информации и взаимодействует с ПК.
КИ контролирует состояние МИ и в случае необходимости производит изменения режимов работы и взаимодействует с ПК.
ПК обеспечивает удаленное полный мониторинг работы ИБП, ведение протокола работы его составных частей, визуализации протоколов и управление режимами его работы.
ИБП выполнено по принципу компонуемой модульной конструкции с переменным составом основных функциональных элементов ВЗУ, АКБ, МИ.
В ИБП используются АКБ напряжением 48 В, что обеспечивает безопасность при горячей замене элементов.
МИ имеет три силовых порта, где вход 1 (Фиг. 2) вход переменного тока (далее по тексту АС), вход 2 - постоянного тока (далее по тексту DC), выход 9 - АС. На фигуре 1 также изображены: 3, 4, 8 - фильтры; 5 - выпрямитель; 6 - преобразователь напряжения DC, 7 - инвертор; 10 - цифровой сигнальный процессор; 11 - контроллер мониторинга; 12 - шина связи между модулями.
Инверторы обеспечивают стабильное выходное синусоидальное напряжение при питании по АС входу и (или) по DC входу. МИ работает с активной, реактивной, смешанной и нелинейной нагрузками.
В режиме улучшенного преобразования энергии инвертор питается от сети по АС входу, а источник по DC входу служит резервным источником. Время переключения между АС входом и DC входом, и обратно, составляет 0 мс. Независимо от источника питания инвертора, на его выходе всегда будет стабильное синусоидальное напряжение с низким коэффициентом нелинейных искажений.
МИ обеспечивает 10-кратный номинальный выходной ток модуля в течение 20 мс при КЗ в одной из нагрузок. Данная функция предназначена для ускорения срабатывания автоматического выключателя только той нагрузки, в которой произошло КЗ.
КПД инвертора при питании от сети составляет 96%, что снижает общее потребление электроэнергии. При работе от источника постоянного тока, инвертор имеет КПД>92%.
МИ предусматривает шину связи 12 между модулями, с возможностью установки и отслеживания индивидуальных уровней отключения поврежденного модуля.
Все функции по преобразованию энергии, защите и др. имеются в каждом модуле. Модули работают параллельно, образуя при этом безотказную модульную систему, обеспечивающую стабильное выходное напряжение, высокий КПД, безобрывный (0 мс) переход между источниками питания, и ускорение срабатывания индивидуального автоматического выключателя нагрузки при КЗ в ней.
В режиме питания от источника постоянного тока по DC входу, а сеть по АС входу является резервным источником. Выходное напряжение инвертора синхронизировано с сетевым напряжением. Время переключения с DC входа на АС вход равно 0 мс. Независимо от источника питания инвертора, на его выходе всегда будет стабильное синусоидальное напряжение с низким коэффициентом нелинейных искажений.
В режиме питания от источника постоянного тока по DC входу применяется в исключительных случаях, когда напряжение сети имеет слишком высокие помехи и нестабильность. В этом режиме инвертор питается по DC входу, а АС вход находится в режиме "ожидания". Время перевода питания инвертора от DC входа на АС вход составляет 10 мс.
При параллельном соединении МИ можно расположить в количестве 32 штуки. Если в системе замечается неполадка, то она способна поддерживать нормальную работу, так как сохраняет данные о своих процессах в памяти. Это шина, которая может хранить собственные данные вне зависимости от количества подобных изделий в одном изделии.