УСТРОЙСТВО БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

Устройство бесперебойного питания (УБП) относится к электротехнике и предназначено для обеспечения электропитанием нагрузок различных устройств контроля, автоматики и т.п., в частности устройств железнодорожной автоматики и может применяться для питания рельсовых цепей, светофоров, стрелочных электроприводов, реле, АРМ, устройств УВК и других нагрузок.
В железнодорожной автоматике УБП относятся к постовым устройствам и представляют собой централизованный комплекс устройств, в состав которых входят полупроводниковые микропроцессорные изделия.
Известно УБП (RU 42711, с приоритетом от 15.07.2004, МПК7 - H02J 9/06), содержащее выпрямитель, входом подключенный к питающей сети, а выходом через последовательно соединенные накачивающий и зарядный преобразователи и согласующий трансформатор к входу инвертора, выход которого через последовательно соединенные второй согласующий трансформатор и выходной фильтр к нагрузке. Устройство содержит блок управления накачивающего и зарядного преобразователей и блок управления инвертором. К входам клемм инвертора подключена аккумуляторная батарея.
Недостатком такого УБП является ограниченность использования, например, только для однофазной сети; питание только одной нагрузки; повышенный контроль электробезопасности.
УБП согласно предложенному техническому решению является проектно-компонуемым изделием, состоящим из базовой и компонуемой части. Состав компонуемой части определяется при проектировании в зависимости от сетей питания, нагрузок, входных и выходных параметров, назначения, конкретного применения и т.п.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного УБП, является:
- возможность устанавливать УБП в различных местах, в том числе, существующих системах электропитания ЖАТ с минимальными затратами на установку, которая достигается модульной конструкцией, компактностью устройства, простоте изготовления и установки;
- возможность легко и быстро по времени сформировать необходимую конфигурацию системы питания (увеличить мощность и/или емкость аккумуляторных
батарей и т.п.) за счет простой, удобной, быстрой компоновки и «горячей замены» всех силовых модулей без выключения устройства;
- расширение функциональности УБП за счет возможности питания отдельных нагрузок (ЦАБ, маневровые посты, и др.) от различных сетей постоянного тока при простоте и надежности работы устройства;
- 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 за счет использования топологии двойного преобразования с единой шиной постоянного тока;
- устройство бесперебойного питания выполнено таким образом, что выходное переменное напряжение стабилизировано по частоте и амплитуде, за счет построения основных функциональных элементов.
Данные и другие технические результаты достигаются конструкцией базового модуля предложенного УБП, который 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.
Все основные функциональные элементы - выпрямители и инверторы соединены между собой параллельно.
В предпочтительном варианте осуществления устройства бесперебойного питания, оно выполнено с возможностью полного резервирования данных выпрямителей и инверторов, за счет наличия в каждом модуле избыточного числа выпрямителей или инверторов N+1.
Устройство бесперебойного питания может иметь функцию автоматического и/или ручного БАЙПАСов обеспечивающих прямое подключение нагрузки к входной сети.
Устройство бесперебойного питания в предпочтительном варианте выполнено по принципу компонуемой модульной конструкции с переменным составом основных функциональных элементов - выпрямителей и инверторов.
Каждый из выходов рассчитан на полную нагрузку системы, при условии, что суммарная мощность не превышает номинальную.
Предложенное техническое решение будет описано в предпочтительном варианте исполнения - см. Фиг.1, на которой изображена функциональная схема выполнения предпочтительного варианта УБП и Фиг.2, на которой изображена структурная схема УБП.
Специалисту в данной области техники очевидно, что предпочтительный вариант исполнения УБП является частным случаем и зависит от компонуемой части в то время, как базовая часть УБП остается постоянной.
Устройство бесперебойного питания, на конкретном примере (Фиг.1) выполнено по принципу модульной конструкции с переменным составом основных функциональных (силовых) блоков и элементов - выпрямителей и инверторов и возможностью полного резервирования данных основных функциональных (силовых) устройств (выпрямителей и инверторов), за счет наличия в каждом блоке избыточного числа указанных функциональных (силовых) устройств (выпрямителей и инверторов) N+1, и состоит из:
- Секции входных подключений, имеющей, по меньшей мере, 2 входа, преимущественно 3 - для подключения 3 разделенных сетевых линий питания - трехфазного переменного тока или однофазной сети переменного тока 380/220 В 50 Гц к изделию. Секция входных подключений состоит из клеммных соединителей и 9 токовых трансформаторов на 40 А (10 А), предназначенных для оценки состояния входных сетевых линий.
- Секции выпрямителей, состоящей из выпрямительных модулей. В каждом модуле при подключении к трехфазной сети не менее 3 выпрямителей, выхода которых соединены параллельно. При подключении к однофазной или двухфазной сети не менее 2 выпрямителей. Общее количество выпрямителей определяется мощностью нагрузки потребителя. На каждый из модулей поступает входное переменное напряжение 380/220 В 50 Гц. Каждый модуль питается своим напряжением, т.е. каждый модуль подключен к своему входу. В обычных условиях (при наличии напряжения) выпрямитель (секция
выпрямителей) преобразует переменное напряжение сети в постоянное напряжение, которое поступает на инвертор (секции инверторов) и аккумуляторные батареи. Такая схема построения выпрямительных устройств позволяет питать нагрузки (секции инверторов) при плохом качестве входной сети.
- Секции инверторов, для питания однофазных нагрузок состоят из, по меньшей мере, 2х блоков инверторов, с по меньшей мере, 2-мя инверторами, соединенными параллельно в блоке. Для питания трехфазных нагрузок секции инверторов состоят из, по меньшей мере, 3х инверторов, синхронизированных между собой. Секция выпрямителей через устройство питания постоянного тока с, по меньшей мере, одной аккумуляторной батареей, подключена к секции инверторов. Инвертор преобразовывает постоянное напряжение обратно в стабилизированное по частоте и амплитуде выходное переменное напряжение, которое далее подается к потребителям переменного тока - на выходы устройства. При отсутствии входного напряжения питание инвертора производится от аккумуляторной батареи. После восстановления питания выпрямитель автоматически принимает на себя питание инвертора и заряжает батарею.
- Секции контроллера, управления и индикации, предназначеной для общего управления работой систем электропитания. Она может состоять из блока контроллера, блока коммутации, блока индикации и блока контроля и управления входных и выходных параметров. Она осуществляет непрерывный контроль и передачу данных в систему мониторинга.
- Секции подключения потребителей, содержащей, по меньшей мере, два выхода для подключения нагрузки, гальванически развязанных от входных линий переменного тока (количество выходов соответствует количеству блоков инверторов). Каждый выходов рассчитан на полную нагрузку потребителя, при условии, что суммарная мощность не превышает номинальную.
УБП может работать как автономно (самостоятельно) так и в параллели с другими устройствами аналогичного типа. Максимальное количество выпрямителей, подключаемых в параллель без потери функциональных качеств 30 шт.
Секцию выпрямителей, состоит из 3 одинаковых модулей. В каждом модуле по 3 выпрямителя. На каждый из модулей через секцию входного распределения поступает входное переменное напряжение 380/220 В 50 Гц. При этом каждый модуль питается своим напряжением. Секция входного распределения состоит из 3 групп однополюсных автоматов на 25 А и кпеммных соединителей. В каждой группе по 3 автомата.
Далее постоянное напряжение поступает в следующие секции:
- через устройство постоянного питания на секцию инверторов;
- секцию контроллера, управления и индикации;
- секцию обслуживания аккумуляторных батарей.
Секция инверторов А, состоит из 3 инверторов, а секция инверторов В, состоит из 2 инверторов.
Устройство питания постоянного тока (УППТ) представляет собой источник постоянного тока.
Секция контроллера, управления и индикации PSC200 предназначена для общего управления работой систем электропитания на основе силовых модулей.
Секция контроллера, управления и индикации PSC210 состоит из платы контроллера, платы коммутации, платы индикации и управления и входных и выходных разъемов. Данные составные части секции размещены в 1U корпусе. Данная секция формирует управление, отслеживает состояние установки, состояние входных и выходных цепей, состояние аккумуляторных батарей (АБ) и формирует алгоритм их зарядки, выдает сигналы тревоги в случае сбоев или отказов, а также отображает текущую информацию.
Секция обслуживания аккумуляторных батарей состоит из 2 токовых шунтов на 200А, плавких предохранителей на 250А и 2 контакторов на 250А. Токовые шунты формируют сигналы о состоянии аккумуляторных батарей и передают их в секцию контроллера, управления и индикации. Плавкие предохранители предназначены для отключения аккумуляторных батарей в случае больших токов или к.з.
УБП имеет, по меньшей мере, два выхода для подключения нагрузки «Выход А» и «Выход В». Каждый из двух выходов рассчитан на полную нагрузку системы, при условии, что суммарная мощность не превышает номинальную.
Предусмотрена возможность ручного отключения нагрузок А и В с помощью однополюсных ручных автоматов.
УБП имеет функцию автоматического и ручного БАЙПАСов обеспечивающих прямое подключение нагрузки («Выход А» и «Выход В») к входной сети при аварийных состояниях. Автоматическими переключателями БАЙПАСа служат быстродействующие ключи, размещенные внутри инверторов. Ручными переключателями БАЙПАСа служат кулачковые переключатели с дополнительными слаботочными контактами, которые отражают истинное положение этих переключателей.
Выход А и В снабжен дополнительными ключами (электромагнитным реле) с дополнительными контактами для прямого подключения потребителей к входной сети в случае аварийной ситуации. Дополнительные контакты отражают истинное состояние ключей.
Время переключения в режим БАЙПАС составляет не более 10 мс. При выходе любого из параметров за свои пределы на время более 1,2 сек, УБП должно переключить «Выход В» в режим БАЙПАСа-В (с последующим возвратом в основной режим по команде оператора).
При превышении потребляемой мощности нагрузки максимального значения выходной мощности, УБП должно переключить нагрузку по выходу А и выходу В на БАЙПАС, с последующими 3 попытками подключения нагрузки по выходу А к инвертору с интервалом 30 сек, при условии, что потребляемый ток нагрузки находится в допустимых для инвертора пределах. Нагрузка по выходу В должна оставаться на БАЙПАСе и ее перевод на инвертор должен быть возможен только после вмешательства обслуживающего персонала.
В случаях, когда ток нагрузки превышает ток автоматических выключателей, происходит их срабатывание.
УБП содержит модуль анализа электрических параметров, предназначенный для обеспечения правильного алгоритма функционирования изделия.
Работа УБП.
Электропитание УБН осуществляется от четырех или пятипроводной сети трехфазного переменного тока 380 В (допустимые отклонения +30/-40%) частотой 50 Гц (допустимые отклонения +2,5/-2,5%) или от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В (допустимые отклонения +30/-40%) частотой 50 Гц (допустимые отклонения +2,5/-2,5%). При отклонении сети за пределы указанных параметров питание осуществляется от АБ, при этом при провалах питающего напряжения переход на питание нагрузки от АБ не является ухудшением качества функционирования.
УБП выдерживает без повреждения импульсные перенапряжения по каждой из фаз до 4000 В длительностью до 50 мкс.
В обычных условиях (при наличии напряжения), УБП (секция выпрямителей) преобразует переменное напряжение сети в постоянное напряжение, которое поступает на инвертор (секции инверторов) и аккумуляторные батареи.
Инвертор преобразовывает постоянное напряжение обратно в стабилизированное по частоте и амплитуде выходное переменное напряжение, которое далее подается к
потребителям переменного тока. При отсутствии входного напряжения питание инвертора производится от аккумуляторных батарей. После восстановления питания выпрямитель автоматически принимает на себя питание инвертора и кроме того заряжает снова батарею, чтобы в случае обратного исчезновения напряжения в сети питание производилось обратно батареями.
Если входное напряжение падает ниже 173 В +/-5 В УБП отключается. Выпрямители перезапускаются, когда входное напряжение достигает 175 В +/-5 В.
Выходное напряжение УБП устанавливается в диапазоне от 40 В до 60 В командой по последовательному порту RS485.
Выходное напряжение поддерживается внутренним микропроцессором. Отсутствие связи по порту RS485 в течении 30 секунд приводит к тому что выходное напряжение выпрямителя становится равным 54,6 В (48 В).
Любое изменение нагрузки от 10% до 90% и от 90% до 10% приводит изменению выходного напряжения в пределах 1% от номинального значения. Время восстановления 0.4 мс.
Максимальное время нарастания выходного тока 10 с.Это время необходимо для того, чтобы выходной ток достиг максимального значения.
КПД Устройства 92% для 48 В при 230 В переменного тока при полной нагрузке.
Устройство оборудовано цепью активного распределения тока, точность деления 5%. Данное распределение организуется посредством контактов SHARE и SHARE RTN. Выпрямители оборудованы внутренним диодом для «горячего включения» и отключения вышедшего из строя выпрямителя с шины постоянного тока.
Структурная схема изделия. Фиг.2.
Входной фильтр (Фвх) обеспечивает снижение необходимого уровня пульсаций и радиопомех на входе. Ограничитель зарядного тока и коммутатор (ОЗиК) ограничивает зарядный ток входных конденсаторов и обеспечивает отключение при провалах, превышении и неверной полярности входного напряжения.
Вспомогательный источник питания (ВИП) обеспечивает питанием управляющие цепи всех узлов. Преобразователь напряжения (ПН) преобразует постоянное входное напряжение, в стабилизированное постоянное напряжение высокого уровня и обеспечивает гальваническую развязку между входом и выходом. ПН состоит из модулей выпрямителей.
Инверторный модуль (ИМ) преобразует постоянное напряжение в однофазное переменное напряжение. Выходной коммутатор (К) защищает нагрузку в случае
неисправности изделия и потери синхронизации при параллельной работе. Выходной фильтр (Ф вых) обеспечивает необходимый уровень радиопомех на выходе.
Местное управление происходит за счет панели управления и индикации.
Входной двухзвенный фильтр обеспечивает подавление высокочастотных и 100 Гц-вых составляющих. Ограничитель заряда резистивный. Коммутаторы выполнены на электромеханических реле. Преобразователь напряжения работает на частоте 40 кГц и выполнен по схеме сдвоенного мостового преобразователя. Изделие работает на частоте 25 кГц и выполнено по мостовой схеме.
Двухзвенный выходной фильтр служит для подавления высокочастотных составляющих помех.
Входное напряжение, поданное на входные клеммы, через входной фильтр поступает на ВИП и через ОЗиК на преобразователь. При правильной полярности входного напряжения и нахождении его значения в заданных пределах происходит включение преобразователя, а коммутатор шунтирует ограничитель заряда, обеспечивая возможность протекания силовых токов на вход преобразователя. После запуска преобразователя на входе инверторного модуля появляется стабилизированное постоянное напряжение. При исправной работе инверторного модуля и установлении синхронизации (при параллельной работе) выходной коммутатор подключает изделие к выходному фильтру. И через фильтр выходное напряжение поступает на выходной разъем.
Инвертор предназначен для параллельного подключения к другим идентичным устройствам и распределению нагрузки. Максимальное число инверторов, которые могут быть подключены параллельно - 6. Чтобы гарантировать исключение выходящего из строя инверторов из параллельно соединенной системы, каждый инвертор оборудован рядом реле, подключенных к выходу.
Возможность параллельного подключения позволяет конфигурировать систему с избыточностью N+1 и повышать нагрузочную мощность системы с 1.5 кВА до 9 кВА.
Первое подключенное устройство генерирует синхронизирующий сигнал для других параллельно соединенных устройств (ведомых). При включении питания системы, мастер устройство, помимо обеспечения синхронизирующего сигнала, дает команду на введение в контакт всех выходных реле каждого из параллельно соединенных инверторов.