ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ЗАРЯДНЫХ МОДУЛЕЙ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
TEMPERATURE-COMPENSATED SYSTEM OF CONTROLLED RECTIFIER-CHARGING MODULES OF UNINTERRUPTED POWER SUPPLY TO CONSUMERS WITH DIRECT CURRENT

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для бесперебойного электропитания ответственных потребителей постоянным током.
Для обеспечения бесперебойного электропитания ответственных потребителей постоянным током, применяются системы бесперебойного электропитания, обеспечивающие питание нагрузки при наличии сетевого напряжения от выпрямительных модулей, а при его отсутствии - от аккумуляторных батарей. При этом системы бесперебойного электропитания включают в себя выпрямительные модули и аккумуляторную батарею, соединенные параллельно и питающие нагрузку.
При наличии сетевого напряжения, выпрямительные модули преобразуют напряжение сети в необходимое для питания нагрузки постоянное напряжение и обеспечивают питание нагрузки и заряд аккумуляторов. При отсутствии сетевого напряжения нагрузку питают аккумуляторы. При включении сетевого напряжения выпрямительные модули обеспечивают заряд батареи и питание нагрузки одновременно. Продолжительность срока службы аккумуляторной батареи во многом определяется режимами циклов заряд-разряд.
Известно устройство питания постоянного напряжения и зарядки аккумуляторных батарей (Патент на полезную модель №: 64824, H02J 7/00, Н02М 7/12).
Устройство содержит коммутатор, коммутирующий входы n преобразователей напряжения по сети питания. На выходе каждого преобразователя напряжения включено устройство слежения, образуя n параллельно соединенных цепочек из последовательно включенных преобразователей и устройств слежения, выходы которых соединены со входом датчика тока, входы управления подключены к контроллеру, выходы устройств слежения к входам управления соответствующих преобразователей, а выходы сигналов выравнивания токов объединены шиной. Блок защиты от переполюсовки аккумуляторных батарей (АБ) подключен к выходу датчика тока, соединенного с измерителем выходного напряжения и является выходом устройства для подключения (АБ) или нагрузки. Выходы управления датчика тока и измерителя напряжения соединены с контроллером. Панель управления и индикации представляет собой автономную микропроцессорную систему с многофункциональным жидкокристаллическим графическим индикатором, связанную с контроллером через порт интерфейса RS-485. Блок контроля тепловых процессов выходом подключается к исполнительному устройству вентиляции, а вход подключен к контроллеру, сигналы на который поступают через блок от датчиков температуры, установленных на корпусах радиаторов преобразователей. Блок дистанционного контроля состояния АБ подключен входом напряжения к выходу устройства, управляющим входом через интерфейс к контроллеру, а выход его является клеммами для подключения АБ. Устройство содержит вторую выносную панель управления и индикации, включенную и выполненную аналогично первой панели. Устройство слежения включает низкоомный шунт, блок выравнивания токов, блок слежения напряжения и сумматор.
В известном устройстве отсутствует возможность раздельного управления напряжением выпрямителей нагрузки и напряжением выпрямителей батареи, что снижает эксплуатационные возможности системы и гарантии бесперебойности электропитания. Нет возможности автоматического подключения резервных источников переменного напряжения, что также снижает вероятность бесперебойности электропитания.
При глубоком разряде аккумуляторной батареи вследствие длительного отсутствия электроэнергии ток ее заряда будет высоким, что разрушительно для аккумуляторной батареи. Для ограничения зарядного тока введен известный блок дистанционного контроля состояния аккумулятора и автоматического управления зарядным током, основанный на элементах, резко увеличивающих свое сопротивление при увеличении тока, однако это неэффективно, так как теряется энергия на нагрев, а большие мощности рассеивать невозможно, что снижает максимально достижимую выходную мощность устройства.
Контроллер по сигналам с блока дистанционного контроля состояния аккумулятора и автоматического управления зарядным током управляет параметрами выпрямителей. Но аккумуляторная батарея и нагрузка гальванически связаны между собой, а параметры необходимого тока нагрузки и необходимого тока заряда аккумуляторной батареи не всегда совпадают. При больших мощностях нагрузки возникают трудности с ограничением тока заряда, что снижает максимально достижимую выходную мощность устройства.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является «Модульная система бесперебойного электропитания потребителей постоянным током» (Патент на изобретение №:2533204, H02J 7/00, H02J 7/35), принятая за прототип.
Система содержит n выпрямителей, входы управления которых подключены к контроллеру, датчик тока нагрузки, измеритель напряжения нагрузки, подключенный к входу контроллера, аккумуляторную батарею, основную и выносную панели индикации, подключенные к контроллеру, блок контроля температуры, подключенный к вентиляторам, блок автоматического ввода резерва, к входам которого подключены вводы источников переменного напряжения, а к выходу подключены силовые входы выпрямителей и блока контроля температуры, а выпрямители разделены на два блока, имеющие модульную конструкцию, один из которых выполняет функцию питания нагрузки, а другой функцию контроля и поддержания параметров состояния батареи. Выходы выпрямителей нагрузки подключены через выключатель выпрямителей нагрузки к катоду диода, соединенного с входом измерителя напряжения нагрузки, а анод диода через выключатель выпрямителей батареи подключен к выходам выпрямителей батареи. Катод диода через датчик тока нагрузки подключен к первому входу блока защиты первичных потребителей, к силовому входу блока отключения вторичных потребителей и к входу блока контроля изоляции. В систему введены датчики тока заряда и разряда батареи, включенные встречно, а анод диода через оба датчика подключен к выключателю батареи, к входам блоков питания автоматики и к входу блока питания датчиков тока. Другим выводом выключатель батареи подключен к аккумуляторной батарее и к входу измерителя напряжения батареи. Входы питания датчиков тока подключены к выходу блока питания датчиков тока, а выходы блоков питания автоматики подключены к соответствующему входу контроллера, к контактной группе и к входу блока режимов заряда батареи, выходы которого подключены к входам контроллера, а выходы контактной группы подключены к второй группе блока индикаторов и к соответствующим входам контроллера, а первая группа индикаторов подключена к соответствующим выходам контроллера. Входы панелей управления подключены к выходу контроллера по интерфейсу RS-485. В систему введены измерители токов нагрузки, заряда батареи и разряда батареи, выходы которых подключены к входам контроллера, а входы к соответствующим выходам датчиков тока нагрузки, тока заряда батареи и тока разряда батареи. Силовой выход блока отключения вторичных потребителей соединен с входом блока защиты вторичных потребителей, а вход управления с соответствующим выходом контроллера. В систему введен выключатель-байпас, один вывод которого соединен с вторым входом блока защиты первичных потребителей, а другой вывод соединен с аккумуляторной батареей. Сетевой выход контроллера через концентратор подключен к рабочей станции.
К недостаткам системы относятся:
- отсутствие нагревателей и блока управления ими сужает температурный диапазон работоспособности системы, что снижает вероятность бесперебойности электроснабжения потребителей;
- отсутствие возможности подключения к сети питания, при неисправности блока АВР, снижает вероятность бесперебойности электроснабжения потребителей;
- наличие двух датчиков тока батареи (заряда и разряда, так как контроллер Овен не позволяет измерять отрицательные значения) усложняет систему, что снижает вероятность бесперебойности электроснабжения потребителей;
- отсутствие звуковой сирены при аварийных сигналах снижает вероятность бесперебойности электроснабжения и безопасность работы системы;
- отсутствие автоматического отключения аккумуляторной батареи, при аварийных ситуациях, снижает безопасность работы системы;
- отсутствие температурного контроля аккумуляторной батареи не позволяет поддерживать оптимальные параметры работы аккумуляторной батареи, что приводит к уменьшению емкости батареи, уменьшению срока службы и возможности аварии батареи. Эти факторы снижают вероятность бесперебойности электроснабжения потребителей и безопасность работы системы;
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение вероятности бесперебойного электроснабжения потребителей постоянным током и безопасности работы системы.
Заявляемая термокомпенсированная система управляемых выпрямительно-зарядных модулей бесперебойного электропитания потребителей постоянным током содержит блок выпрямителей нагрузки и блок выпрямителей батареи имеющих модульную конструкцию, выходы выпрямителей каждого блока соединены между собой, а входы управления выпрямителей подключены к интерфейсу контроллера, вентиляторы, датчик тока нагрузки, измеритель напряжения нагрузки, подключенный к входу контроллера, аккумуляторную батарею, основную и выносную панели индикации, блок автоматического ввода резерва, выключатель выпрямителей нагрузки, выключатель выпрямителей батареи, диод, блок контроля изоляции, блок защиты первичных потребителей, блок защиты вторичных потребителей, блок отключения вторичных потребителей, выключатель-байпас выхода, выключатель аккумуляторной батареи, измеритель тока нагрузки, измеритель тока батареи, датчик тока батареи, два блока питания автоматики, соединенных параллельно, блок питания датчиков тока, измеритель напряжения батареи, контактную группу, блок индикаторов, разделенный на две группы индикаторов, блок режимов заряда батареи, концентратор, рабочую станцию, причем к входам блока автоматического ввода резерва подключены вводы источников переменного напряжения, а к выходу подключены силовые входы выпрямителей, а выходы выпрямителей нагрузки подключены через выключатель выпрямителей нагрузки к катоду диода, а выходы выпрямителей аккумуляторной батареи подключены через выключатель выпрямителей батареи к аноду диода, подключенному через датчик тока батареи к выключателю аккумуляторной батареи, который другим выводом соединен с выключателем-байпас выхода, аккумуляторной батареей и входом измерителя напряжения батареи, выход которого подключен к соответствующему входу контроллера, а катод диода через датчик тока нагрузки подключен к первому входу блока защиты первичных потребителей, к силовому входу блока отключения вторичных потребителей, к блоку контроля изоляции и к входу измерителя напряжения нагрузки, а выходы датчиков тока нагрузки и тока батареи подключены соответственно к входам измерителя тока нагрузки и измерителя тока аккумуляторной батареи, а входы питания датчиков тока соединены с выходом блока питания датчиков тока, вход которого подключен к входам блоков питания автоматики; другой вывод выключателя-байпас выхода соединен с вторым входом блока защиты первичных потребителей, а силовой выход блока отключения вторичных потребителей подключен к блоку защиты вторичных потребителей; причем выходы: измерителя тока нагрузки, измерителя тока аккумуляторной батареи, блока режимов заряда аккумуляторной батареи, контактной группы и блоков питания автоматики - подключены каждый к соответствующему входу контроллера, причем выход блоков питания автоматики подключен также к входу блока режимов заряда батареи и к входу контактной группы, а выходы контактной группы подключены к индикаторам второй группы блока индикаторов, а индикаторы первой группы блока индикаторов подключены к соответствующим выходам контроллера, а к другому выходу контроллера подключен вход управления блока отключения вторичных потребителей, а сетевой выход контроллера через концентратор подключен к рабочей станции.
В отличие от прототипа в систему дополнительно введены: выключатель-байпас входа, нагревательный элемент, реле высокой температуры, выходом подключенное к вентиляторам, реле низкой температуры, блок питания вентиляторов, звуковая сирена, блок отключения батареи, блок ручной блокировки отключения батареи, преобразователь интерфейса, датчик температуры шкафа, датчики температуры батареи, выходы которых соединены по интерфейсу между собой, с датчиком температуры шкафа и с входом преобразователя интерфейса, выходом подключенного к интерфейсу контроллера, а блок отключения батареи первым входом соединен с входами блоков питания автоматики, вторым входом - с выходом контроллера, третьим входом - с выходами блоков питания автоматики, а выходом подключен к входу контроллера, силовые контакты блока включены последовательно с элементами аккумуляторной батареи, причем параллельно контактам блока отключения батареи включены контакты блока ручной блокировки отключения батареи, звуковая сирена подключена к выходу контактной группы, а входы блоков питания автоматики подключены к первому входу блока защиты первичных потребителей, входы выключателя-байпас входа подключены к входам блока автоматического ввода резерва, а выходы - с первым входом реле низкой температуры, выход которого подключен к нагревательному элементу, а второй вход подключен к выходу контроллера, первый вход реле высокой температуры подключен к выходу блока питания вентиляторов, входом подключенного к выходу блока автоматического ввода резерва, причем выход вентиляторов соединен с входом контроллера, а вход управления реле высокой температуры соединен с соответствующим выходом контроллера, причем основная и выносная панели индикации подключены к выходу концентратора.
- Введение в систему байпаса входа, подключенного параллельно блоку автоматического ввода резерва увеличивает вероятность бесперебойной работы системы за счет возможности ручного подключения исправного ввода при выходе из строя блока автоматического ввода резерва;
- Введение в систему реле низкой температуры, управляемого контроллером и подключенного к нагревательному элементу, увеличивает вероятность бесперебойной работы системы за счет исключения возможности образования инея и улучшения климатических условий работы системы и аккумуляторной батареи;
- Наличие реле высокой температуры, управляемого контроллером и выходом подключенное к вентиляторам, а входом - к блоку питания вентиляторов и подключение выходов вентиляторов к контроллеру, для контроля частоты вращения, увеличивает вероятность бесперебойной работы системы за счет контроля системы охлаждения и улучшения климатических условий работы системы;
- Наличие датчика температуры шкафа и датчиков температуры элементов аккумуляторной батареи, выходами по интерфейсу подключенных к преобразователю интерфейса, который выходом подключен к контроллеру, позволяет контроллеру следить за температурой шкафа и аккумуляторной батареи. Это увеличивает вероятность бесперебойности и безопасность работы системы за счет исключения аварийных ситуаций при перегреве блоков системы и элементов батареи. Напряжение заряда аккумуляторной батареи корректируется в зависимости от температуры окружающей среды, что увеличивает срок службы батареи и вероятность бесперебойного электроснабжения потребителей.
- Наличие блока отключения батареи, контакты которого включены последовательно с элементами аккумуляторной батареи, позволяет автоматически разделять батарею на отдельные части при возникновении аварийных ситуаций, что увеличивает безопасность работы системы. Наличие дополнительного контакта «Отключение батареи», подключенного к входу контроллера позволяет принудительно разделять батарею на отдельные части при возникновении аварийных ситуаций и ремонте. Это увеличивает безопасность работы системы.
- Наличие блока ручной блокировки отключения батареи увеличивает вероятность бесперебойной работы системы за счет возможности вмешательства человека, когда цена отключения электроэнергии значительно превышает цену испорченной аккумуляторной батареи или при неисправности системы.
- Наличие звуковой сирены, соединенной с выходом контактной группы, увеличивает вероятность бесперебойности и безопасность работы системы за счет своевременного обнаружения неисправности.
- Использование одного датчика тока для измерения токов заряда и разряда аккумуляторной батареи (в прототипе два датчика тока батареи), за счет применения контроллера фирмы Siemens, позволяет уменьшить количество элементов системы, что увеличивает вероятность бесперебойной работы системы за счет увеличения отказоустойчивости;
- Подключение внутренних нагрузок системы к проводу питания первичных потребителей позволяет увеличивать количество выпрямителей для питания внутренних нагрузок системы и учитывать внутреннее потребление тока самой системы, что увеличивает вероятность бесперебойной работы системы за счет резервирования выпрямителей и возможности анализа распределения токов нагрузки и внутреннего потребления системы.
Таким образом, все признаки являются существенными и решают поставленную задачу.
Система представлена на чертежах.
Фиг. 1 Структурная схема системы.
Фиг. 2 График зависимости зарядного напряжения (для аккумуляторов Sonnenschein А400) от температуры окружающей среды.
Фиг. 3 Блок отключения батареи, электрическая схема.
Термокомпенсированная система управляемых выпрямительно-зарядных модулей бесперебойного электропитания потребителей постоянным током, фиг. 1, включает в себя блок автоматического ввода резерва 1, например щит автоматического включения резерва ЩАВР2-25-3-2; блок выпрямителей нагрузки 2 и блок выпрямителей батареи 3, имеющих модульную конструкцию; контроллер 4; реле высокой температуры 5; вентиляторы 6; выключатель выпрямителей нагрузки 7; датчик тока нагрузки 8; блок защиты первичных потребителей 9; блок защиты вторичных потребителей 10; блок отключения вторичных потребителей 11; аккумуляторную батарею 12; выключатель аккумуляторной батареи 13; датчик тока батареи 14; датчик температуры шкафа 15 (например микросхема DS18b20); диод 16; измеритель напряжения батареи 17 (резистивный делитель); панель индикации 18 (SIMATIC KР300 Basic mono PN с монохромным 3.6′′ дисплеем); выносную панель индикации 19; измерители, выполненные, например, в виде резистивных делителей напряжения: измеритель тока нагрузки 20, измеритель тока батареи 21; звуковую сирену 22; светосигнальные индикаторы блока индикаторов 23, разделенные на две группы; контактную группу 24, в которую входят вспомогательные контакты аппаратов защиты, сигнальные контакты блоков питания, устройств контроля состояния сети и контроля изоляции; блоки питания автоматики 25 и 26; блок питания датчиков тока 27; измеритель напряжения нагрузки 28 (резистивный делитель); блок режимов заряда батареи 29; блок контроля изоляции 30 (реле контроля изоляции CM-IWN-DC); выключатель (байпас выхода) 31; выключатель выпрямителей батареи 32; концентратор 33; рабочую станцию 34; датчики температуры элементов аккумуляторной батареи 35 (например, микросхемы DS18b20), подключенные к датчику температуры шкафа 15 и к входу преобразователя интерфейса 36 (например, «Универсальный адресуемый преобразователь интерфейсов 1Wire - RS485» http://www.rlda.ru/NL-1W485.pdf. или может быть выполнен на микросхеме STM 32); блок отключения батареи 37, контакты которого включены последовательно с секциями батареи; блок ручной блокировки отключения батареи 38; блок питания вентиляторов 39; реле низкой температуры 40; нагреватель 41; байпас входа 42.
Устройство работает следующим образом.
Блок автоматического ввода резерва 1 принимает электрическую энергию от двух или более независимых вводов переменного напряжения, осуществляет непрерывный контроль параметров напряжения и автоматическое переключение на заведомо исправный ввод.
С выхода блока 1 переменное напряжение поступает на силовые входы управляемых выпрямительных модулей нагрузки 2 и выпрямительно-зарядных модулей батареи 3. Режим работы блоков выпрямителей задается контроллером 4 (используется программируемый логический контроллер Simatic S7-1200 CPU 1214С) по последовательному интерфейсу RS-485. К выходу блока 1, через блок питания вентиляторов 39 и контакты реле высокой температуры 5, подключены вентиляторы 6. Контроль температуры осуществляется датчиком температуры 15 (например, микросхема DS18B20), который через преобразователь интерфейса 36, передает информацию в контроллер 4. При увеличении температуры окружающей среды выше заданного уровня, контроллер 4 подает сигнал на обмотку реле высокой температуры 5 и напряжение от блока питания вентиляторов 39, через контакты реле высокой температуры 5, поступает на блок вентиляторов 6. В системе используются вентиляторы с контролем частоты вращения (например, вентилятор 140×140 Scythe Slip Stream 140ХТ (SM1425XT12M), 3 pin). Выход блока вентиляторов подключен к контроллеру, который осуществляет постоянный контроль частоты вращения, что позволяет своевременно выявлять неисправность блока и предотвращать перегрев системы. При снижении температуры окружающей среды ниже заданного уровня контроллер 4 подает сигнал на обмотку реле низкой температуры 40 и напряжение от блока АВР 1, через контакты реле низкой температуры 40, поступает на нагревательный элемент 41. Датчики температуры элементов аккумуляторной батареи 35 установлены на отдельных элементах батареи и через преобразователь интерфейса 36, передают информацию в контроллер 4. Наличие информации о температуре элементов аккумуляторной батареи позволяет контроллеру 4 корректировать напряжение выпрямителей в" зависимости от температуры и оптимально управлять током заряда аккумуляторной батареи. Зарядное напряжение корректируется согласно графику (для аккумуляторов Sonnenschein А400) в зависимости от температуры окружающей среды, рис. 2.
При критической температуре (например, при пожаре или аварии батареи) по сигналу с контроллера отключается реле К2 блока отключения батареи 37. Контактор КМ3 блока отключается и разрывает свои контакты, включенные последовательно с элементами батареи. Схема блока приведена на рис. 3. Отключение батареи может быть произведено принудительно, нажатием кнопки SB3 «Отключение батареи» блока 37, подключенной к входу контроллера. При необходимости, оператор системы может заблокировать отключение батареи. Блок ручной блокировки отключения батареи 38 содержит разомкнутые контакты, которые позволяют оператору блокировать силовые контакты блока 37 при замыкании.
Постоянное напряжение с выхода блока выпрямителей нагрузки, через выключатель выпрямителей нагрузки 7 и датчик тока нагрузки 8, поступает на первый вход блока защиты первичных потребителей 9. На блок защиты вторичных потребителей 10 напряжение поступает через блок отключения вторичных потребителей 11, вход управления которого соединен с выходом контроллера 4. При продолжительном отсутствии сетевого напряжения и снижении напряжения аккумуляторной батареи 12 ниже заданного уровня на выходе контроллера 4 вырабатывается сигнал, по которому блок отключения вторичных потребителей 11 отключает менее ответственные потребители.
При отсутствии переменного напряжения на вводах питание потребителей осуществляется от аккумуляторной батареи 12 через выключатель батареи 13, датчик тока батареи 14, диод 16. Контроллер 4, через измеритель напряжения батареи 17, обеспечивает контроль состояния аккумуляторной батареи, сбор и хранение необходимой информации, которая через концентратор 33 выводится по каналу Ethernet на панель индикации 18. При необходимости может быть подключена выносная панель индикации 19.
Контроль состояния аккумуляторной батареи производится путем кратковременного снижения выходного напряжения выпрямителей батареи 3, предназначенных для ее заряда и проверки наличия на батарее более высокого напряжения.
Параметры тока нагрузки, тока заряда и разряда аккумуляторной батареи 12 контролируются по сигналам с выходов измерителя тока нагрузки 20, измерителя тока батареи 21, которые предназначены для согласования сигналов датчиков с входами контроллера 4.
Светосигнальные индикаторы блока индикаторов 23, разделенные на две группы, позволяют визуально определить состояние сети, режим работы системы и наличие аварии. Первая группа индикаторов срабатывает непосредственно по сигналам с выхода контроллера 4 и отображает режимы работы системы (заряд, разряд и т.п.). Вторая группа индикаторов срабатывает по сигналам от контактной группы 24, которая запитана от блоков питания автоматики 25, 26. Система постоянно контролирует исправность блоков 25 и 26. При выходе из строя одного из них система, работая на исправном блоке питания автоматики, выдает сигнал-«Неисправность ИП24», по которому ремонтный персонал срочно принимает меры.
При переключении любого контакта группы 24 напряжение с блока питания автоматики поступает на индикатор второй группы блока индикаторов 23 и на вход контроллера 4, который фиксирует параметры и время переключения контактов. Аварийные сигналы с выхода контактной группы 24 поступают на звуковую сирену 22, что позволяет своевременно приступить к анализу неисправности.
Питание датчиков тока 8 и 14 осуществляется от блока питания датчиков тока 27. Контроль выходного напряжения для питания потребителей осуществляется контроллером 4 через измеритель напряжения 28.
Режимы заряда аккумуляторной батареи 12 можно принудительно изменить кнопками SB1, SB2 блока режимов заряда батареи 29. По сигналам с кнопок контроллер 4 по интерфейсу RS-485 переводит выпрямители 2 и 3 в режим непрерывного подзаряда или в режим ускоренного заряда.
Блок контроля изоляции 30 осуществляет контроль сопротивления изоляции силовых проводов выходного напряжения относительно «Земли».
При отказе системы или ремонте выключателем 31 (байпас выхода) подключают напряжение аккумуляторной батареи 12 напрямую к первичным потребителям 9.
Выключателями 7, 32, 13 и общим выключателем 1QF0 блока защиты первичных потребителей 9 можно полностью обесточить на время ремонта аппараты, находящиеся под опасным напряжением.
Через концентратор 33 контроллер 4 связан с рабочей станцией 34. По сети Ethernet к системе можно подключить дополнительные рабочие станции, при необходимости.
Для повышения вероятности бесперебойной работы в систему введен байпас входа 42, состоящий из автоматических выключателей, подключенных параллельно блоку автоматического ввода резерва 1. Блок 42 обеспечивает возможность ручного подключения исправного ввода при выходе из строя блока автоматического ввода резерва.