ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (ВАРИАНТЫ)

Группа предлагаемых полезных моделей является отдельным видом источников бесперебойного электропитания потребителей переменного тока, использующих в качестве резервного источника энергии аккумуляторные батареи и электросеть переменного тока в качестве основного источника энергии и источника энергии для заряда аккумуляторных батарей и может использоваться в электроэнергетике.
Известен источник бесперебойного питания, описанный в патенте РФ №125408, в состав которого входит выпрямитель, ко входу которого подсоединена входная сеть, а выход соединен с аккумулятором для его заряда, при этом аккумулятор питает через блок ключей высокочастотный инвертор напряжения, а преобразованная энергия передается с высокочастотного инвертора напряжения на тороидальный выходной трансформатор.
Недостатком известного источника является наличие в нем трансформатора для преобразования напряжения аккумулятора, что ухудшает массогабаритные характеристики и КПД устройства.
Известен источник бесперебойного питания постоянного включения, описанный в патенте РФ №2501152 по кл. H02M 3/00, 3/158, H02J 9/04, включающий в себя выпрямитель/повышающий преобразователь, высокочастотный инвертор, контроллер, аккумуляторную батарею и устройство заряда батареи. Недостатком известного устройства является то, что для зарядки аккумуляторной батареи внедрен дополнительный узел - зарядное устройство, что усложняет схему, уменьшает надежность, увеличивает массу и габариты устройства.
Известно устройство бесперебойного электроснабжения, описанное в патенте РФ №2457598 по кл. H02J 9/06, з. 07.06.2011, оп. 27.07.2012 и выбранное в качестве прототипа.
Известное устройство бесперебойного электроснабжения содержит резервный источник питания, выпрямитель, подключенный к трехфазной сети, инвертор, шины постоянного и переменного тока, и отличается тем, что содержит инверторные блоки с инверторами в каждом, силовые ключи, входные фильтры и систему управления, а в качестве резервного источника питания использован аккумуляторный блок, причем к первой шине постоянного тока подключены положительный выход выпрямителя, первые выводы аккумуляторного блока, первого силового ключа, первого входного фильтра, через четвертый и пятый силовые ключи положительные входы первого и второго инверторов первого инверторного блока и первый вход системы управления, ко второй шине постоянного тока подключены отрицательный выход выпрямителя, второй вывод аккумуляторного блока, первые выводы третьего силового ключа, второго входного фильтра, отрицательные входы первого и второго инверторов второго инверторного блока и второй вход системы управления, ко второму выводу первого силового ключа подключен первый вывод второго силового ключа, второй вывод второго входного фильтра и через шестой и седьмой силовые ключи положительные входы первого и второго инверторов второго инверторного блока, ко второму выводу третьего силового ключа подключены второй вывод второго силового ключа, второй вывод первого входного фильтра, отрицательные входы первого и второго инверторов первого инверторного блока, первые выходы инверторов инверторных блоков объединены и подключены ко второй шине переменного тока, к которой так же подключены второй выход устройства бесперебойного электроснабжения и четвертый вход системы управления, вторые входы инверторов инверторных блоков объединены и подключены к первой шине переменного тока, к которой так же подключены первый выход устройства бесперебойного электроснабжения и третий вход системы управления, первый, второй, третий и четвертый выходы системы управления подключены к третьим управляющим входам инверторов инверторных блоков, соответственно.
Известное устройство лишено возможности управления зарядом аккумуляторной батареи, что является его недостатком. Также недостатком известного устройства является отсутствие возможности формирования синусоидальной формы выходного напряжения, что снижает качество выходной электроэнергии.
Задачей является обеспечение возможности управления зарядом аккумуляторных батарей и повышение качества энергии путем формирования выходного напряжения синусоидальной формы.
Поставленная задача решается тем, что:
- в первом варианте выполнения в источнике бесперебойного электроснабжения потребителей переменного тока, содержащем вход источника, связанный с резервным источником питания, представляющим собой аккумуляторный блок, а также коммутирующее устройство и инвертор, связанный с блоком управления, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, вход источника питания подключен к цепи из последовательно соединенных между собой коммутирующего устройства, блока управления, аккумуляторного блока, инвертора и выхода, при этом инвертор соединен вторым входом с блоком управления, коммутирующее устройство вторым своим выходом соединено с выходом источника, а аккумуляторный блок представляет собой несколько последовательно соединенных между собой аккумуляторных узлов, каждый из которых содержит аккумуляторную батарею, к плюсовому и минусовому выводам которой подсоединено по одному полупроводниковому ключу, управляющие входы которых связаны с блоком управления, при этом первые выводы ключей соединены между собой и служат входом аккумуляторного узла, второй вывод второго ключа, соединенный с отрицательным полюсом аккумуляторной батареи, служит выходом этого аккумуляторного узла и связан с последующим аккумуляторным узлом.
При этом перед коммутирующим устройством, перед инвертором и перед выходом в последовательную цепь могут быть включены фильтры.
Кроме того, в аккумуляторном блоке в каждом аккумуляторном узле параллельно аккумуляторной батарее может быть включен конденсатор, а также дополнительный блок управления.
- во втором варианте выполнения в источнике бесперебойного электроснабжения потребителей переменного тока, содержащем вход источника, связанный с резервным источником питания, представляющим собой аккумуляторный блок, а также коммутирующее устройство и блок управления, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, вход источника подключен к цепи из последовательно соединенных между собой коммутирующего устройства, блока управления, аккумуляторного блока и выхода источника, при этом коммутирующее устройство вторым своим выходом соединено с выходом источника, а аккумуляторный блок представляет собой несколько последовательно соединенных между собой аккумуляторных узлов, каждый из которых содержит аккумуляторную батарею, к положительному и отрицательному полюсам которой подсоединено по два последовательно соединенных между собой полупроводниковых ключа таким образом, что положительный и отрицательный полюсы аккумуляторной батареи включены между соответствующими парами этих ключей, связанных управляющими входами с блоком управления, при этом первые выводы ключей из каждой пары соединены между собой и служат входом аккумуляторного узла, а вторые выводы этих ключей также соединены между собой и служат выходом аккумуляторного узла.
При этом перед коммутирующим устройством и после аккумуляторного блока в последовательную цепь могут быть включены фильтры.
Кроме того, в аккумуляторном блоке в каждом аккумуляторном узле параллельно аккумуляторной батарее может быть включен конденсатор, а также дополнительный блок управления.
В первом варианте выполнения соединение в последовательную цепь между входом источника электроснабжения и его выходом коммутирующего устройства, блока управления, аккумуляторного блока и инвертора, также связанного с блоком управления, в совокупности с выполнением аккумуляторного блока из нескольких последовательно соединенных между собой аккумуляторных узлов, каждый из которых содержит аккумуляторную батарею, к полюсам которой подключены полупроводниковые ключи, связанные с блоком управления, обеспечивает возможность индивидуального управления зарядом и разрядом каждой аккумуляторной батареи, и дает возможность при весьма простой схеме получить качественное напряжение.
Во втором варианте выполнения соединение в последовательную цепь между входом источника электроснабжения и его выходом коммутирующего устройства, блока управления и аккумуляторного блока в совокупности с выполнением аккумуляторного блока из нескольких последовательно соединенных аккумуляторных узлов, каждый из которых содержит аккумуляторную батарею с подключенными к ее полюсам четырьмя полупроводниковыми ключами, связанными с блоком управления, дает возможность индивидуального управления зарядом и разрядом каждой аккумуляторной батареи и получения качественного напряжения при весьма простой схеме.
Технический результат в обоих вариантах - обеспечение управления зарядом и разрядом каждой из батарей, получение качественной электрической энергии на выходе источника.
Заявляемый источник бесперебойного электроснабжения в первом варианте выполнения обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как подключение входа источника к цепи из последовательно соединенных между собой коммутирующего устройства, блока управления, аккумуляторного блока, инвертора и выхода источника, соединение инвертора вторым входом с блоком управления, а коммутирующего устройства вторым выходом - с выходом, выполнение аккумуляторного блока из нескольких последовательно соединенных между собой аккумуляторных узлов, каждый из которых содержит аккумуляторную батарею, к плюсовому и минусовому полюсам которой подсоединено по одному полупроводниковому ключу, управляющие входы которых связаны с блоком управления, при этом первые выводы ключей соединены между собой и служат входом аккумуляторного узла, второй вывод второго ключа, соединенный с отрицательным полюсом аккумуляторной батареи, служит выходом этого аккумуляторного узла и связан с последующим аккумуляторным узлом, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемый источник бесперебойного электроснабжения во втором варианте выполнения обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как подключение входа источника к цепи из последовательно соединенных между собой коммутирующего устройства, блока управления, аккумуляторного блока и выхода источника, соединение коммутирующего устройства вторым своим выходом с выходом источника, выполнение аккумуляторного блока из нескольких последовательно соединенных между собой аккумуляторных узлов, каждый из которых содержит аккумуляторную батарею, к положительному и отрицательному полюсам которой подсоединено по два последовательно соединенных между собой полупроводниковых ключа таким образом, что положительный и отрицательный полюсы аккумуляторной батареи включены между соответствующими парами этих ключей, связанных управляющими входами с блоком управления, при этом первые выводы ключей из каждой пары соединены между собой и служат входом аккумуляторного узла, а вторые выводы этих ключей также соединены между собой и служат выходом аккумуляторного узла, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемый источник бесперебойного электроснабжения потребителей переменного тока в обоих вариантах его выполнения может найти широкое применение в электроэнергетике, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на:
- фиг. 1 - функциональная схема источника бесперебойного электроснабжения по первому варианту выполнения (пунктиром показано возможное включение в схему фильтров);
- фиг. 2 - функциональная схема аккумуляторного блока для первого варианта выполнения источника бесперебойного электроснабжения (пунктиром показано возможное включение в схему конденсатора и дополнительного блока управления);
- фиг. 3 - функциональная схема источника бесперебойного электроснабжения по второму варианту выполнения (пунктиром показано возможное включение в схему фильтров);
- фиг. 4 - функциональная схема аккумуляторного блока для второго варианта выполнения источника бесперебойного электроснабжения (пунктиром показано возможное включение в схему конденсатора и дополнительного блока управления).
В первом варианте источник бесперебойного электроснабжения потребителей переменного тока (фиг. 1) содержит вход 1 источника электроснабжения, последовательно соединенные между собой коммутирующее устройство 2, блок 3 управления, аккумуляторный блок 4, инвертор 5 и выход 6 источника. При этом в последовательную цепь могут быть дополнительно включены перед коммутирующим устройством 2 входной фильтр 7, перед инвертором 5 - фильтр 8 аккумуляторного блока 4 и перед выходом 6 источника - промежуточный фильтр 9. Блок 3 управления соединен вторым своим входом со вторым выходом инвертора 5, а второй выход коммутирующего устройства 2 связан со вторым входом промежуточного фильтра 9.
Назначение и выполнение элементов следующее.
Фильтр 7 предназначен для улучшения параметров входного напряжения, а также для сглаживания резких изменений входного напряжения для того, чтобы успело сработать коммутирующее устройство 2.
Коммутирующее устройство 2 может быть выполнено с использованием реле, контактора или полупроводниковых элементов. Оно обеспечивает отключение входа 1 при пропадании напряжения или при выходе параметров входного напряжения за допустимые пределы и подключение входа 1 при возвращении параметров входного напряжения в приемлемый диапазон.
Блок 3 управления контролирует напряжение на входе, выходе источника, напряжение на аккумуляторном блоке 4, входной, выходной токи, ток заряда (разряда) аккумуляторных батарей и управляет работой коммутирующего устройства 2, инвертора 5 и элементов, коммутирующих каждую аккумуляторную батарею для обеспечения стабильного выходного напряжения с требуемыми параметрами.
Фильтр 8 аккумуляторного блока и промежуточный фильтр 9 предназначены для сглаживания резких изменений выходного тока, а также для сглаживания ступенчатого изменения напряжения на аккумуляторном блоке 4.
Наличие или отсутствие фильтров 7, 8, 9 определяется качеством входного напряжения, а также характеристиками нагрузки, подключаемой к выходу источника.
Инвертор 5 выполнен обратимым, благодаря чему в режиме заряда аккумуляторного блока 4 он выпрямляет подающееся на него переменное напряжение, а в режиме разряда аккумуляторного блока 4 инвертирует напряжение аккумуляторного блока с частотой выходного напряжения.
Аккумуляторный блок 4 в первом варианте выполнен по следующей схеме (фиг. 2).
Он содержит несколько (N) аккумуляторных узлов 10i (i=1…N) последовательно соединенных между собой. Количество N аккумуляторных узлов в первом и втором вариантах выполнения источника определяется, исходя из минимально допустимого амплитудного значения выходного напряжения и напряжения полного разряда аккумуляторных батарей так, чтобы выполнялось следующее условие:
mini
где U - напряжение разряда i-той аккумуляторной батареи
Пi
U- - падение напряжения в i-том аккумуляторном узле вследствие тепловых потерь
П0
U - падение напряжения в цепи от аккумуляторного блока до выхода источника вследствие тепловых потерь
0min
1
N
U - минимально допустимое амплитудное значение выходного напряжения. При этом каждый узел 10i содержит аккумуляторную батарею (далее АБ) 11i, подсоединенный к ее отрицательному полюсу, полупроводниковый ключ 12i и, подсоединенный к ее положительному полюсу, полупроводниковый ключ 13i. Ключи 12i и 13i связаны с блоком 3 управления. Во всех узлах 10i полупроводниковые ключи выводами подключены к положительному полюсу аккумуляторного блока или следующему аккумуляторному узлу. Первый аккумуляторный узел 10 соединен с положительным полюсом 14 аккумуляторного блока, а последний аккумуляторный узел 10 - с отрицательным полюсом 15 аккумуляторного блока. В каждом из аккумуляторных узлов 10i параллельно батарее 11i может быть включен конденсатор 16i и дополнительный блок 17i управления, также связанный с ключами 12i и 13i.
Назначение и выполнение элементов аккумуляторного блока следующее.
Полупроводниковые ключи 12i и 13i представляют собой транзисторы или транзисторные сборки, имеющие закрытое и открытое состояния. Открытое состояние ключа 12i обеспечивает включение конкретной АБ 11i в последовательную цепь, а открытое состояние ключа 13i обеспечивает замыкание тока через него и исключение конкретной АБ 11i из последовательной цепи.
Дополнительный блок 17i управления, контролируя электрические параметры АБ 11i, в случае необходимости подает дополнительные управляющие сигналы ключам 12i и 13i, для предотвращения в исключительных ситуациях выхода из строя элементов схемы.
Конденсатор 161 позволяет увеличить максимальные импульсные токи заряда и разряда АБ 11i.
Во втором варианте выполнения (фиг. 3) источник бесперебойного электроснабжения с учетом возможного включения фильтров содержит последовательно соединенные вход 1′, коммутирующее устройство 2′, блок 3′ управления, аккумуляторный блок 4′ и выход 5′ источника. При этом в схему могут быть дополнительно включены перед коммутирующим устройством 2′ - входной фильтр 6′, а перед выходом 5′ источника -промежуточный фильтр 7′.
Назначение узлов источника во втором варианте выполнения совпадает с назначением соответствующих (по названию) узлов в первом варианте.
В этом варианте каждая аккумуляторная батарея в цепи должна иметь возможность включения в цепь в обратном направлении, помимо включения в цепь в прямом направлении и исключения из нее.
N
Функциональная схема аккумуляторного блока 4′ (фиг. 4) содержит несколько (N) аккумуляторных узлов 8′i (i=1…N), каждый из которых содержит аккумуляторную батарею 94, к отрицательному полюсу которой подключены с разных сторон два последовательно соединенных между собой полупроводниковых ключа 10′i и 11′i, а к плюсовому полюсу аналогичным образом - два полупроводниковых ключа 12′i и 13′i. Все ключи 10′i-13′i связаны с блоком 3′ управления. Первый аккумуляторный узел  соединен с первым полюсом 14′ аккумуляторного блока, а последний узел 8 - со вторым полюсом 15′ цепи. Полюса 14′ и 15′ во втором варианте не являются положительным и отрицательным, т.к. напряжение на аккумуляторном блоке в этом случае переменное.
Для включения конкретной АБ 9′i в цепь в условно прямом направлении открываются ключи 10′i и 13′i, для включения в условно обратном направлении открываются ключи 11′i и 12′i, для исключения АБ из цепи открываются одновременно либо ключи 12′i и 13′i, либо 10′i и 11′i.
В каждом из аккумуляторных узлов 8′i параллельно батарее 9′i может быть включен конденсатор 16′i и дополнительный блок 17′i управления, также связанный с ключами 10′i-13′i,
Источник бесперебойного электроснабжения в обоих вариантах его выполнения предназначен для обеспечения бесперебойного (независимого от наличия энергии во входной сети) питания нагрузки, подключенной к выходу источника, переменным током требуемой формы и амплитуды выходного напряжения. Источник электроснабжения в обоих вариантах работает в трех основных режимах: режим работы от входной сети и заряда (подзаряда) АБ, режим работы от АБ и режим работы от входной сети и АБ.
По первому варианту выполнения в первом режиме коммутирующее устройство 2 (фиг. 1) включено, и вход 1 соединен с выходом источника 6 через последовательно соединенные между собой входной фильтр 7 при его наличии, коммутирующее устройство 2 и промежуточный фильтр 9 при его наличии. Блок 3 управления управляет включением и отключением аккумуляторных батарей 11 (фиг 2.) из последовательной цепи аккумуляторного блока 4, меняет количество включенных в цепь АБ 11 таким образом, чтобы в каждый момент времени ток заряда (подзаряда) АБ 11 соответствовал требуемому значению (определяемому характеристиками АБ и индивидуальными настройками ИБП). Блок 3 управления также выбирает АБ для включения в цепь таким образом, чтобы обеспечить равномерный заряд каждой АБ.
При пропадании входного напряжения или при выходе его параметров за допустимый диапазон источник переходит во второй режим работы, при этом по сигналу блока 3 управления коммутирующее устройство 2 отключает вход 1, а блок 3 управления включением и исключением АБ И из цепи обеспечивает в каждый момент времени требуемое мгновенное значение выходного напряжения и обеспечивает равномерный разряд АБ 11. При появлении на входе 1 напряжения с приемлемыми параметрами, по сигналу блока 3 управления, коммутирующее устройства 2 подключает вход 1 и источник переходит в первый или третий режим работы.
В третьем режиме вход 1 соединен с выходом источника 6 через последовательно соединенные между собой входной фильтр 7 при его наличии, коммутирующее устройство 2 и промежуточный фильтр 9 при его наличии. Блок 3 управления контролирует параметры входной сети 1 и управляет разрядом АБ 11, обеспечивая совместное использование энергии АБ 11 и входной сети в соответствии с индивидуальной настройкой источника бесперебойного питания.
По второму варианту выполнения в первом режиме коммутирующее устройство 2′ (фиг. 3) включено, и вход 1′ соединен с выходом 5′ через последовательно соединенные между собой входной фильтр 6′ при его наличии и коммутирующее устройство 2′. Блок 3′ управления управляет включением в разных направлениях и отключением АБ 9′ (фиг. 4) из последовательной цепи аккумуляторного блока 4′, меняет количество включенных в цепь АБ 9′ таким образом, чтобы в каждый момент времени ток заряда (подзаряда) АБ 9′ соответствовал требуемому значению (определяемому характеристиками АБ и индивидуальными настройками ИБП). Блок 3′ управления также выбирает АБ для включения в цепь таким образом, чтобы обеспечить равномерный заряд каждой АБ.
При пропадании входного напряжения или при выходе его параметров за допустимый диапазон источник переходит во второй режим работы, при этом по сигналу блока 3′ управления коммутирующее устройство 2′ отключает вход 1′, а блок 3′ управления включением и исключением АБ 9′ из цепи обеспечивает в каждый момент времени требуемое мгновенное значение выходного напряжения и обеспечивает равномерный разряд АБ 9′.
В третьем режиме коммутирующее устройство 2′ включено, и вход 1′ соединен с выходом источника 5′ через последовательно соединенные между собой входной фильтр 6′ при его наличии и коммутирующее устройство 2′. Блок 3′ управления контролирует параметры входного напряжения и управляет разрядом аккумуляторных батарей, обеспечивая совместное использование энергии аккумуляторных батарей и входной сети в соответствии с индивидуальной настройкой источника бесперебойного питания.
В сравнении с прототипом заявляемый источник в обоих вариантах его выполнения позволяет индивидуально управлять зарядом и разрядом каждой аккумуляторной батареи, что позволяет более эффективно использовать энергию и увеличить срок эксплуатации устройства, а также дает возможность получать электроэнергию более высокого качества.