СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ПИТАНИЯ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF STABILISED DC POWER SUPPLY ARRANGEMENT AND SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Техническое решение относится к электротехнике, к системам оперативного постоянного тока подстанций и электростанций, а именно к способам и системам организации стабилизированного питания постоянным током.
Потребителями постоянного тока в аварийных режимах с наибольшими толчковыми токами являются масляные выключатели и электродвигатели маслонасосов. Толчки потребителей сопровождаются снижением напряжения на аккумуляторной батарее.
Диапазон рабочих напряжений масляных выключателей определяется РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытаний электрооборудования», согласно которым диапазон срабатывания выключателей составляет 187…242 В.
Максимальную толчковую нагрузку маслонасосов следует принимать в переходном режиме как сумму установившихся токов аварийных маслонасосов и пускового тока одного наиболее крупного насоса.
Рабочий диапазон напряжений электродвигателей резервных маслонасосов может быть определен на основании данных заводов-изготовителей.
Для нормального запуска маслонасосов в аварийном режиме на шинах постоянного тока должно быть напряжение (-10%) от номинального напряжения 220 В, т.е. 198 В, т.е. это то напряжение, при котором электродвигатель маслонасоса гарантированно запустится.
Известны технические решения, в которых для организации стабилизированного питания в системах оперативного постоянного тока подстанций и электростанций используют аккумуляторные батареи, зарядно-выпрямительные устройства и транзисторного устройства стабилизации напряжения постоянного тока (далее - УТСП-М) (http://www.convertor-power.ru/4.html) или шкафа стабилизаторов постоянного тока (далее - ЩПТ-С) (http://www.electroconcept.ru/products/shpts) повышающего типа, устанавливаемые в цепь питания аккумуляторной батареи.
УТСП-М, ЩПТ-С представляют собой высокочастотные транзисторные преобразователи постоянного напряжения на выходе выпрямительного устройства в постоянное напряжение нагрузки. Конструктивно УТСП-М, ЩПТ-С представляют собой совокупность коммутационных аппаратов, устройств управления, измерения, защиты и регулирования, полупроводниковых приборов, собранных в металлических шкафах одностороннего обслуживания.
В известных 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 или ЩПТ-С переходят на питание от аккумуляторной батареи (далее АБ). Напряжение на элементах батареи в процессе разряда может уменьшаться до порогового значения напряжения разряда. Устройство УТСП М за счет повышения напряжения поддерживают нормальное напряжение на нагрузке.
В режиме заряда происходит заряд АБ от выпрямительного устройства.
В способе организации стабилизированного питания постоянным током с использованием преобразователей УТСП-М или ЩПТ-С исключают необходимость использования дополнительной части в аккумуляторной батареи, однако при выборе АБ необходимо учитывать потребление УТСП-М или ЩПТ-М от аккумуляторной батареи, что приводит к увеличению емкости АБ.
Недостатками известного технического решения является то, что для осуществления способа используется сложные, дорогостоящие и потенциально ненадежные устройства УТСП-М или ЩПТ-С, ввиду большого количества полупроводниковых элементов в схеме устройств. Кроме того, при использовании стабилизаторов напряжения типа УТСП М или ЩПТ-С при выборе аккумуляторной батареи для системы оперативного постоянного тока подстанций и электростанций необходимо использовать повышающие коэффициенты, что приводит к увеличению емкости аккумуляторной батареи на 25%. Повышение емкости АБ приводит к увеличению себестоимости способа организации стабилизированного питания в системах оперативного постоянного тока подстанций и электростанций.
Известно техническое решение, выбранное в качестве прототипа, в котором для организации стабилизированного питания постоянным током используют основную и дополнительную части АБ, выпрямительное устройство, мотор-генератор, и элементный коммутатор, представляющий собой переключатель, при помощи которого осуществляют подключение отдельных элементов дополнительной части АБ к нагрузке для поддержания напряжения питания нагрузки в рабочих пределах в аварийном режиме. (http://leg.co.ua/knigi/oborudovanie/obsluzhivanie-istochnikov-operativnogo-toka-4.html, http://www.rza.org.ua/eiteh/a-208.htmi)
Элементный коммутатор состоит из изолирующей плиты с расположенными на ней контактными пластинами. Переключения осуществляют щетками, скользящими по пластинам, к которым присоединяют отдельные элементы дополнительной части АБ. Для регулирования напряжения на шинах служит разрядная щетка, которую перемещают вручную или небольшим электродвигателем, управляемым устройством регулирования напряжения или устройством дистанционного управления. Во время заряда АБ используют зарядную щетку.
В известной системе, выбранной в качестве прототипа, в нормальном режиме переменное напряжение преобразуется в постоянное напряжение при помощи выпрямительного устройства. Выпрямительное устройство осуществляет постоянный подзаряд только основной части АБ и обеспечивает питанием всю постоянно включенную нагрузку. Дополнительная часть АБ в нормальном режиме не подзаряжается, и элементы дополнительной части подвергаются саморазряду. Саморазряд дополнительной части АБ приводит к уменьшению срока службы АБ.
В аварийном режиме (при отсутствии переменного напряжения или отказе выпрямительного устройства) пропадает выходное постоянное напряжение выпрямительных устройств и питание нагрузки осуществляют от АБ, которая начинает разряжаться. При помощи элементного коммутатора постепенно подключают отдельные элементы дополнительной части АБ, тем самым поддерживают нормальное напряжение на нагрузке. При таком способе подключения отдельные элементы дополнительной части АБ начинают разряжаться в различные моменты времени (по мере их подключения коммутатором к нагрузке), т.е. разряд происходит неравномерно, в результате чего возможны глубокие разряды отдельных элементов АБ и их сульфатация, что существенно снижает срок службы АБ.
При восстановлении переменного напряжения заряд дополнительной и основной частей АБ осуществляют зарядным мотор-генератором, заряд отдельных элементов дополнительной части АБ происходит так же неравномерно, так как отдельные элементы АБ разрядились неодинаково, в результате чего возможны недозаряды или перезаряды отдельных элементов дополнительной части АБ. Перезаряды так же приводят к снижению срока службы АБ.
Недостатком известных технических решений является то, что дополнительная и основная часть АБ находятся в различных условиях в режиме разряда, заряда и нормальной работы, вследствие чего возможны глубокие разряды и заряды отдельных элементов АБ, что снижает срок службы АБ.
Также недостатками известных технических решений являются:
- невысокая надежность;
- сложность системы;
- сложность в обслуживании из-за наличия подвижных контактов;
- нехватка максимального выходного тока выпрямительного устройства, обеспечивающего подзаряд основной части АБ в нормальном режиме, его величины начинает не хватать из-за увеличения нагрузок нормального режима.
Перед авторами ставилась задача разработать недорогие и простые в эксплуатации способ организации стабилизированного питания постоянным током и систему для его осуществления, увеличивающие срок службы аккумуляторных батарей, обеспечивающие высокую надежность работы систем оперативного постоянного тока.
Поставленная задача решается тем, что в способе организации стабилизированного питания постоянным током, включающем использование хотя бы одного основного выпрямительного устройства, основной части АБ, дополнительной части АБ, первого ключа, соединенного с основным выпрямительным устройством (далее ВУ) и основной частью АБ, осуществление в нормальном режиме подзаряда основной части АБ от основного ВУ через замкнутый первый ключ и подачи постоянного напряжения к нагрузке в режиме нормальной работы, в аварийном режиме подключения дополнительной части АБ, подачи постоянного напряжения к нагрузке от основной части АБ и дополнительной части АБ, дополнительно используют автоматически коммутируемые второй и третий ключи, хотя бы одно дополнительное ВУ, блок управления, полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью, а основное ВУ выполняют дополнительно осуществляющим заряд АБ в режиме заряда, первый ключ выполняют автоматически коммутируемым, при этом блок управления выполняют управляющим последовательностью включения и выключения первого, второго, третьего ключей и соединяют его с последними, второй ключ соединяют с дополнительным ВУ блоком управления и дополнительной частью АБ, третий ключ соединяют с блоком управления, дополнительной частью АБ, полупроводниковым прибором и нагрузкой, полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью соединяют с нагрузкой, основной частью АБ и дополнительной частью АБ, где АБ - аккумуляторная батарея, ВУ - выпрямительное устройство. Кроме того в режиме заряда дополнительно осуществляют заряд дополнительной части АБ дополнительным ВУ и основной части АБ основным ВУ, в нормальном режиме дополнительно осуществляют подзаряд дополнительной части АБ от дополнительного ВУ, а подачу постоянного напряжения к нагрузке осуществляют через полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью. В аварийном режиме подключение дополнительной части АБ осуществляют одновременным присоединением всех ее элементов, подачу постоянного напряжения к нагрузке осуществляют от соединенных между собой основной части АБ и дополнительной части АБ через третий ключ, при этом полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью используют для предотвращения короткого замыкания дополнительной части АБ. При этом качестве первого ключа используют либо автоматический выключатель с мотор-редуктором, либо рубильник с мотор-редуктором, либо контактор, либо полупроводниковый прибор. В качестве второго и третьего ключа используют автоматические выключатели с мотор-редуктором, в качестве блока управления используется логическая схема, устанавливаемая в выпрямительном устройстве, выполненная на реле контроля, в качестве полупроводникового прибора с односторонней проводимостью используют силовой диод.
А система для организации питания постоянным током, включающая хотя бы одно основное ВУ, основную часть АБ, дополнительную часть АБ, первый ключ, соединенный с основным ВУ и основной частью АБ, дополнительно снабжена автоматически коммутируемыми вторым и третьим ключами, хотя бы одним дополнительным ВУ, соединенным через нормально замкнутый второй ключ с дополнительной частью АБ, выполненным осуществляющим заряд дополнительной части АБ в режиме заряда и подзаряд дополнительной части АБ в нормальном режиме, блоком управления, соединенным с первым, вторым, третьим ключами, выполненным управляющим последовательностью включения и выключения последних, полупроводниковым прибором с односторонней проводимостью, соединенным с основной частью АБ, дополнительной частью АБ и нагрузкой. Основное ВУ выполнено дополнительно осуществляющим заряд АБ в режиме заряда и подзаряда основной части АБ в нормальном режиме. Кроме того, второй ключ соединен с дополнительным ВУ, дополнительной частью АБ и блоком управления. Третий ключ соединен с дополнительной частью АБ, блоком управления, полупроводниковым прибором с односторонней проводимостью, нагрузкой. А первый ключ соединен с блоком управления и выполнен автоматически коммутируемым последним. В качестве первого ключа используется либо автоматический выключатель с мотор-редуктором, либо рубильник с мотор-редуктором, либо контактор, либо полупроводниковый прибор В качестве второго и третьего ключа используются автоматические выключатели с мотор-редуктором, в качестве блока управления используется логическая схема, устанавливаемая в выпрямительном устройстве, выполненная на реле контроля, в качестве полупроводникового прибора с односторонней проводимостью используется силовой диод.
Технический эффект заявляемого изобретения заключается в увеличении срока службы аккумуляторной батареи, увеличении надежности, упрощении схемы и снижении себестоимости организации питания постоянным током, что ведет к увеличению эффективности.
На фиг.1 приведена блок-схема, поясняющая осуществление заявляемого способа организации стабилизированного питания постоянным током и работы системы для его осуществления, где 1 - первый ключ; 2 - второй ключ; 3 - третий ключ; 4 - основное ВУ; 5 - дополнительное ВУ; 6 - основная часть АБ; 7 - дополнительная часть АБ; 8 - блок управления; 9 - полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью; 10 - нагрузка.
Заявляемый способ организации стабилизированного питания постоянным током осуществляется следующим образом.
При помощи блока управления контролируют наличие напряжения на выходе основного ВУ 4 и дополнительного ВУ 5. При наличии напряжения при помощи блока управления замыкают первый ключ 1 и второй ключ 2, тем самым присоединяют основную часть АБ 6 и дополнительную часть АБ 7 к основному ВУ 4 и дополнительному ВУ 5 и подзаряжают основную часть АБ 6 и дополнительную часть АБ 7, а ключ 3 размыкают, обеспечивая нагрузку 10 напряжением питания от основного ВУ.
При помощи блока управления 8 обнаруживают момент исчезновения напряжения, затем замыкают третий ключ 3, подключая одновременно все элементы дополнительной части АБ 7 к нагрузке 10, а первый ключ 1 и второй ключ 2 размыкают и начинают разряжать основную часть АБ 6 и дополнительную часть АБ 7, питая нагрузку 10. Разряд продолжают до порогового значения напряжения разряда АБ.
При помощи блока управления 8 обнаруживают момент восстановления напряжения на выходе основного ВУ 4 и дополнительного ВУ 5, размыкают третий ключ 3, отсоединяя дополнительную часть АБ 7 от нагрузки, и только после этого замыкают ключ 1 и ключ 2, начиная заряжать основную часть АБ 6 и дополнительную часть АБ 7.
Система для организации стабилизированного питания постоянным током работает следующим образом.
В нормальном режиме работы присутствует переменное напряжение, питающее основное ВУ 4 и дополнительное 5 ВУ. Основное ВУ 4 и дополнительное ВУ 5 преобразуют переменное напряжение в постоянное напряжение, которым постоянно подзаряжают одновременно основную часть АБ 6 и дополнительную часть АБ 7, при этом обеспечивает нагрузку 10 питанием от основной части ВУ 6 в рабочем диапазоне (третий ключ 3 в разомкнутом состоянии).
Блок управления 8 контролирует наличие выходного напряжения основного ВУ 4 и дополнительного ВУ 5 и подает команду первому ключу 1 и второму ключу 2 на включение, а третьему ключу 3 на выключение.
В нормальном режиме через полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью 9, соединенному с основной частью АБ 6 и дополнительной частью АБ 7, третьим ключом 3 и нагрузкой 10, течет ток нагрузки.
В аварийном режиме (при отсутствии переменного напряжения или отказе ВУ), пропадает выходное постоянное напряжение ВУ. Блок управления 8 обнаруживает момент пропадания напряжения, выдает команду на включение третьего ключа 3, и питание нагрузки осуществляется одновременно от основной части АБ 6 и дополнительной части АБ 7, что позволяет поддерживать нормальное напряжение на нагрузке. При этом происходит одновременный равномерный разряд основной части АБ 6 и дополнительной части АБ 7. Разряд может продолжаться до достижения напряжением основной части АБ 6 и дополнительной части АБ 7 порогового значения разряда.
При аварийном режиме к полупроводниковому прибору с односторонней проводимостью 9 прикладывается обратное напряжение дополнительной части АБ 7, что защищает дополнительную часть АБ 7 от токов короткого замыкания.
При восстановлении переменного напряжения блок управления 8 подает команду на отключение дополнительной части АБ 7 от нагрузки, и только после этого замыкает ключ 1 и ключ 2, таким образом, предотвращают превышение напряжения на нагрузке. Основное ВУ 4 и дополнительное 5 ВУ начинают заряжать основную часть АБ 6 и дополнительную часть АБ 7 в режиме заряда.
Таким образом, в нормальном режиме обеспечивается равномерный подзаряд всех элементов основной часть АБ 6 и дополнительной часть АБ 7, в аварийном режиме происходит равномерный разряд всех элементов основной часть АБ 6 и дополнительной часть АБ 7, в режиме заряда - равномерный ускоренный заряд всех элементов основной часть АБ 6 и дополнительной часть АБ 7, т.е. исключается возможность глубоких зарядов и разрядов, что предотвращает сульфатацию и увеличивает срок службы основной часть АБ 6 и дополнительной часть АБ 7.
При этом во всех режимах осуществляется поддержание напряжения питания на нагрузке в требуемых рабочих диапазонах.
Преимущества заявляемого способа организации стабилизированного питания постоянным током и системы для его осуществления:
- простота и надежность системы ввиду малого количества дополнительных элементов и полной автоматизации способа;
- значительное снижение стоимости в сравнении с УТСП М и ЩПТ-С;
- увеличение срока службы АБ;
- выдержаны требуемые диапазоны напряжения на нагрузке согласно действующим в РФ нормам и правилам.