Источник бесперебойного питания с возможностью рекуперации энергии

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в системах электроснабжения предприятий и транспорта, предусматривающих рекуперацию энергии приемниками электроэнергии.
Известен источник бесперебойного питания комплекса для испытания вторичных источников электропитания постоянного тока с рекуперацией энергии в сеть постоянного тока [RU 129263, МПК G01R 31/40 опубл. 20.06.2013 Бюл №17], содержащий источник бесперебойного питания, работающий в режиме двойного преобразования энергии, испытываемый источник вторичного электропитания и несколько модулей нагрузочного устройства рекуперативного типа, причем их энергия возвращается в цепи постоянного тока и заряжает аккумуляторную батарею источника бесперебойного питания.
Недостатками источника бесперебойного питания являются: необходимость использования специального источника бесперебойного питания, позволяющего подключить к нему нагрузочное устройство рекуперативного типа, сложность и удорожание источника, а также его низкая надежность и эффективность.
Наиболее близким к заявленной полезной модели является источник бесперебойного питания с возможностью рекуперации энергии [RU 166567 U1, МПК H02J 9/00, Н02Н 3/00 опубл. 10.12.2016 Бюл №34], выбранный в качестве прототипа, работающий в режиме двойного преобразования электроэнергии и содержащий двунаправленный выпрямительно-инверторный преобразователь напряжения, входные клеммы которого подключены к сети переменного тока, а его выходные клеммы подключены посредством шины постоянного тока к входу инвертора и через первое зарядно-разрядное устройство к аккумуляторной батарее, выход инвертора подключен к нагрузке, отличающийся тем, что в него введены конденсаторная батарея и второе зарядно-разрядное устройство, входные клеммы которого соединены с шиной постоянного тока, а его выходные клеммы подключены к конденсаторной батарее.
Недостатком данного источника бесперебойного питания с возможностью рекуперации энергии является низкая энергетическая эффективность из-за значительных потерь электроэнергии в блоке балластных резисторов при рекуперации электроэнергии нагрузкой и при невозможности принять эту электроэнергию аккумуляторной батареей.
Задачей полезной модели является повышение энергетической эффективности источника бесперебойного питания путем аккумулирования в конденсаторной батарее рекуперируемой нагрузкой электроэнергии и дальнейшего ее использования нагрузкой, а также при зарядке аккумуляторной батареи.
Поставленная задача решается тем, что в источнике бесперебойного питания с возможностью рекуперации энергии, работающем в режиме двойного преобразования электроэнергии и содержащем двунаправленный выпрямительно-инверторный преобразователь напряжения, входные клеммы которого подключены к сети переменного тока, а его выходные клеммы подключены посредством шины постоянного тока к входу инвертора и через первое зарядно-разрядное устройство к аккумуляторной батарее, выход инвертора подключен к нагрузке, введены конденсаторная батарея и второе зарядно-разрядное устройство, входные клеммы которого соединены с шиной постоянного тока, а его выходные клеммы подключены к конденсаторной батарее.
Далее сущность предлагаемой полезной модели поясняется с помощью рисунка, на котором представлена блок-схема источника бесперебойного питания с возможностью рекуперации энергии от рекуперирующей нагрузки.
Источник бесперебойного питания содержит сеть переменного тока 1, к которой подключены последовательно соединенные двунаправленный выпрямительно-инверторный преобразователь напряжения 2, шина постоянного тока 3, инвертор 4 и нагрузка 5. Шина постоянного тока соединена через первое зарядно-разрядное устройство 6 с аккумуляторной батареей 7, а также соединена через второе зарядно-разрядное устройство 8 с конденсаторной батареей 9.
Источник бесперебойного питания может работать как при наличии, так и отсутствии напряжения в сети переменного тока 1. Нагрузка 5 может быть активной и рекуперирующей.
Работа предлагаемого источника бесперебойного питания производится следующим образом.
Первый режим. Все элементы источника бесперебойного питания находятся в нормальном состоянии, нагрузка 5 активная, имеется напряжение в сети переменного тока 1, которое подводится к двунаправленному выпрямительно-инверторному преобразователю напряжения 2 и преобразуется в постоянное выпрямленное и стабилизированное напряжение на его выходе. Это напряжение посредством шины постоянного тока подводится к входу инвертора 4 и преобразуется в переменное стабилизированное напряжение на выходе инвертора 4. Следовательно, это напряжение подводится к приемникам переменного напряжения нагрузки 5. Активная мощность, потребляемая нагрузкой, передается из сети переменного тока 1 через преобразователь 2, шину постоянного тока 3 и инвертор 4.
Постоянное выпрямленное и стабилизированное напряжение на шинах 3 также подводится к первому зарядно-разрядному устройству 6, которое обеспечивает, в соответствии с заданным алгоритмом, заряд или подзаряд аккумуляторной батареи 7. В этом же режиме напряжение на шинах постоянного тока 3 подводится ко второму зарядно-разрядному устройству 8, которое обеспечивает подзаряд конденсаторной батареи 9 до заданного значения запасенной энергии постоянного напряжения.
Второй режим. Питающая сеть переменного тока 1 работает нормально. Отличие от первого режима заключается в том, что нагрузка 5 является рекуперирующей. Электрическая мощность переменного напряжения, рекуперируемая нагрузкой 5, преобразуется инвертором 4 в электрическую мощность постоянного напряжения и подводится посредством шины постоянного тока 3 к двунаправленному выпрямительно-инверторному преобразователю 2, который преобразует ее в режиме инвертирования в электрическую активную мощность переменного напряжения и рекуперирует ее в сеть переменного тока 1. При этом первое 6 и второе 8 зарядно-разрядные устройства, аккумуляторная батарея 7 и конденсаторная батарея 9 работают аналогично их работе в первом режиме.
Третий режим. Питающая сеть переменного тока 1 отключена, и, следовательно, она из работы источника бесперебойного питания выведена. Характер нагрузки 5 активный и вся мощность, потребляемая нагрузкой 5, обеспечивается аккумуляторной батареей 7, предварительно заряженной во время нормальной работы питающей сети переменного тока 1, например, первый или второй режимы. Мощность постоянного напряжения аккумуляторной батареи 7 поступает через первое зарядно-разрядное устройство 6 и шину постоянного тока 3 на вход инвертора 4, который преобразует ее в мощность переменного напряжения и передает приемникам электроэнергии переменного напряжения нагрузки 5.
Четвертый режим. Питающая сеть переменного тока 1 выведена из работы, как и в третьем режиме. Характер нагрузки 5 активный, аккумуляторная батарея 7 выведена из работы из-за разрядки, неисправности или необходимости технического обслуживания. В этом случае вся мощность, потребляемая нагрузкой 5, обеспечивается конденсаторной батареей 9, предварительно заряженной во время нормальной работы питающей сети переменного тока 1. Мощность постоянного напряжения конденсаторной батареи 9 поступает через второе зарядно-разрядное устройство 8 и шину постоянного тока 3 на вход инвертора 4, который преобразует ее в мощность переменного напряжения и передает в нагрузку 5.
Пятый режим. Питающая сеть переменного тока 1 выведена из работы, как и в третьем режиме. Характер нагрузки 5 активный, аккумуляторная батарея 7 и конденсаторная батарея 9 заряжены. Мощность, потребляемая нагрузкой 5, обеспечивается одновременно аккумуляторной 7 и конденсаторной 9 батареями через, соответственно, первое 6 и второе 8 зарядные устройства, шину постоянного тока 3 и инвертор 4.
Шестой режим. Питающая сеть переменного тока 1 выведена из работы, как и в третьем режиме. Характер нагрузки 5 рекуперирующий. Электрическая мощность переменного напряжения, рекуперируемая нагрузкой 5, преобразуется инвертором 4 в электрическую мощность постоянного напряжения и подводится посредством шины постоянного тока 3 к первому 6 и второму 8 зарядно-разрядным устройствам. Эта мощность с шины постоянного тока 3 передается посредством первого 6 и второго 8 зарядных устройств, соответственно, аккумуляторной батарее 7 или конденсаторной батарее 9 или одновременно обеим батареям 7 и 9 в зависимости от их предварительного заряда.
В результате рекуперируемая нагрузкой 5 вся электрическая энергия за исключением незначительных потерь в элементах 3, 4, 6 и 8 источника бесперебойного питания накапливается в аккумуляторной 7 и конденсаторной 9 батареях и используется приемниками электроэнергии переменного напряжения при переходе нагрузки 5 в активный режим. Это позволит существенно повысить энергетическую эффективность источника бесперебойного питания с возможностью рекуперации энергии нагрузкой с приемниками электроэнергии переменного напряжения.