Способы электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы
LIGHTING POWER SUPPLY METHODS IN NORMAL AND EMERGENCY OPERATION MODES

Изобретение относится к области производства, преобразования и распределения электрической энергии, а именно к способам электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы, и может быть применено для штатного и аварийного электропитания светодиодных модулей в помещении.
Известно техническое решение по российскому патенту на полезную модель №180664 (дата приоритета 30.05.2017) «Источник бесперебойного энергоснабжения». Данное техническое решение характеризуется тем, что представляет собой источник бесперебойного энергоснабжения, содержащий основную линию питания для соединения внешнего источника питания с нагрузкой, зарядное устройство, соединенное с аккумуляторной батареей, соединенной с разрядным устройством, отличающийся тем, что зарядное и разрядное устройства электрически параллельно подключены к основной линии питания, причем зарядное и разрядное устройства подключены соответственно ко входу и выходу управляемого ключа, имеющего возможность замыкания основной линии питания при питании нагрузки от сети нормального напряжения и размыкания основной линии питания при заряде аккумуляторной батареи от сети пониженной мощности с переведенным в режим ожидания разрядным устройством. Следующие существенные признаки данного технического решения совпадают с заявляемым техническим решением «Способы электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы»: данное решение представляет собой способ осуществления энергоснабжения в нормальном и аварийном режимах работы.
Известно техническое решение по российскому патенту на полезную модель №166567 (дата приоритета 04.07.2016) «Источник бесперебойного питания с возможностью рекуперации энергии». Данное техническое решение характеризуется тем, что представляет собой источник бесперебойного питания с возможностью рекуперации энергии, работающий в режиме двойного преобразования энергии и содержащий преобразователь переменного тока, подключенный к сети переменного тока, инвертор, подключенный к нагрузке, шину постоянного тока между указанным преобразователем и инвертором, которая при этом соединена с зарядно-разрядным устройством, связанным с аккумуляторной батареей, отличающийся тем, что указанный преобразователь переменного тока выполнен в виде двунаправленного преобразователя тока, а шина постоянного тока дополнительно соединена с блоком балластных резисторов.. Следующие существенные признаки данного технического решения совпадают с заявляемым техническим решением «Способы электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы»: данное решение представляет собой способ осуществления энергоснабжения в нормальном и аварийном режимах работы, причем источником электропитания в аварийном режиме работы выступает именно аккумуляторная батарея.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является техническое решение по российскому патенту на полезную модель №167946 (дата приоритета 26.04.2016) «Источник бесперебойного питания». Данное техническое решение характеризуется тем, что представляет собой источник бесперебойного питания, содержащий выпрямитель, подключенный к питающей сети переменного тока, последовательно соединенный с ним инвертор, шину постоянного тока между указанными выпрямителем и инвертором, соединенным с нагрузкой, при этом шина постоянного тока соединена также с зарядно-разрядным устройством, связанным с аккумуляторной батареей, и байпасный диод, присоединенный встречно-параллельно зарядно-разрядному устройству, анодом - к аккумуляторной батарее, а катодом - к шине постоянного тока, отличающийся тем, что в него введен ключ, образующий байпасную цепь между питающей сетью и выходом инвертора. Следующие существенные признаки данного технического решения совпадают с заявляемым техническим решением «Способы электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы»: представляет способ осуществления энергоснабжения в нормальном и аварийном режимах работы, причем источником электропитания в аварийном режиме работы выступает именно аккумуляторная батарея.
Таким образом, общими с заявляемым техническим решением существенными признаками аналогов являются то, что все они представляют собой реализацию способов осуществления энергоснабжения в нормальном и аварийном режимах работы, при этом в решениях по патентам на полезные модели №№166567, 167946 источником электропитания в аварийном режиме работы выступает аккумуляторная батарея, а также в целом решения по патентам на полезные модели №№180664, 166567, 167946 характеризуются стремлением к упрощению схем электроснабжения в нормальном и аварийном режимах работы.
Однако перечисленные выше технические решения имеют ряд недостатков:
- техническое решение по российскому патенту на полезную модель №180664 содержит в числе основных элементов схемы электропитания, помимо основного источника питания, аккумуляторной батареи и нагрузки, также служебный источник питания, отдельные зарядное и разрядное устройства для аккумуляторной батареи. В результате данная схема не является простой, так как содержит дополнительные элементы в виде служебного источника питания, отдельных зарядного и разрядного устройства, в связи с чем ее невозможно или затруднительно реализовать в рамках одного цельного компактного устройства источника бесперебойного питания, а также сам процесс установки и эксплуатации данного источника энергоснабжения сопряжен с увеличением количества времени и ресурсных затрат в связи с наличием дополнительных элементов, увеличением риска выходы из строя того или иного элемента;
- техническое решение по российскому патенту на полезную модель №166567 содержит в числе основных узлов схемы, помимо основного источника питания, аккумуляторной батареи и нагрузки, также дополнительные элементы в виде преобразователя тока, инвертора, зарядно-разрядного устройства и балластного резистора. Основные ее преимущество по сравнению с патентом на полезную модель №180664 состоят в том, что преобразователь напряжения переменного тока выполнен в виде двунаправленного преобразователя тока, и зарядно-разрядное устройство является единым и реализует обе функции. Однако данная схема также не является простой, так как функции преобразования напряжения для заряда аккумуляторной батареи, заряда данной батареи, питания нагрузки от аккумуляторной батареи в аварийном режиме выполняет сразу ряд элементов: преобразователь тока, инвертор, зарядно-разрядного устройство и балластный резистор, в связи с чем ее так же невозможно или затруднительно реализовать в рамках одного цельного компактного устройства источника бесперебойного питания, а также сам процесс установки и эксплуатации данного источника энергоснабжения сопряжен с увеличением количества времени и ресурсных затрат в связи с наличием дополнительных элементов, увеличением риска выходы из строя того или иного элемента;
- техническое решение по российскому патенту на полезную модель №167946 содержит в числе основных элементов схемы, помимо основного источника питания, аккумуляторной батареи и нагрузки, также зарядно-разрядное устройство, инвертор. Основными преимуществами реализованной в данном источнике бесперебойного питания схемы электроснабжения являются то, что она значительно проще по составу элементов, чем полезные модели по патентам №№180664 и 166567, так как зарядно-разрядное устройство является единым и реализует обе функции, отсутствует балластный резистор, но в то же время в решении присутствует байпасная сеть с байпасным диодом, что увеличивает надежность данной схемы. Однако данная схема также не является достаточно простой и не позволяет реализовать ее в рамках одного цельного компактного устройства источника бесперебойного питания, а установка, эксплуатация зарядно-разрядного устройства, инвертора и байпасной сети сопряжена с дополнительным временем и ресурсными затратами с риском выхода того или иного элемента из строя.
Таким образом, ни одно из представленных в качестве аналогов технических решений в принципе не подразумевает решения технической задачи кардинального упрощения электрической схемы источника бесперебойного питания за счет того или иного способа подключения и соединения между собой элементов схемы и обеспечения тем самым многофункциональности элементов. Представленные аналоги предлагают только отдельные улучшения для упрощения схемы электропитания, в том числе выполнение преобразователя напряжения двунаправленным или использование единого зарядно-разрядного устройство. В связи с этим представленные аналоги не позволяют реализовать схемы источников питания в нормальном и аварийном режимах работы их в рамках одного цельного компактного устройства источника питания, предельного простого по своему устройству, процессу установки и эксплуатации.
В результате перечисленные выше недостатки технических решений из уровня техники не позволяют кардинально упростить схему электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы для обеспечения экономии временных и других ресурсов в процессе установки и эксплуатации устройства - источника питания - и снизить риски выхода из строя того или иного элемента схемы электропитания.
В отличие от приведенных аналогов, заявляемое на регистрацию техническое решение «Способы электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы» позволяет значительно упростить схему электропитания освещения нормальном и аварийном режимах за счет реализации в схемах электропитания определенных способов подключения и соединения между собой таких элементов схемы, как источник электропитания, преобразователь электрического напряжения, аккумуляторная батарея и нагрузка, в качестве которой выступает светодиодный модуль, в результате чего данное упрощение системы электропитания позволяет реализовать функции электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах в рамках одного цельного компактного устройства источника питания.
В результате, заявляемое техническое решение «Способы электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы» позволяет решить такие основные технические проблемы, как излишняя сложность схем электропитания освещения, обеспечивающих нормальный и аварийный режимы работы, в связи с наличием различных дополнительных элементов, связанных с обеспечением бесперебойного электропитания нагрузки, а именно служебного источника питания, отдельных зарядного и разрядного устройства или зарядно-разрядного устройства, инвертора, преобразователя напряжения, балластного резистора, байпасной сети с байпасным диодом, и, в связи с этим, повышенные временные и иные ресурсные затраты в процессе установки и эксплуатации устройств электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы, повышенный риск выхода из строй того или иного дополнительного элемента.
Соответственно, технический результат заявляемого технического решения «Способы электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы» состоит в том, что оно в целом упрощает, по сравнению с аналогами, схему электропитания освещения нормальном и аварийном режимах за счет того, что представленные в техническом решении способы подключения и соединения между собой элементов структурных схем позволяют преобразователю электрического напряжения выполнять одновременно функции зарядно-разрядного устройства для аккумуляторной батареи, инвертора, балластного резистора и регулятора электрического напряжения, в результате чего данное упрощение схемы электропитания позволяет реализовать функции электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы в рамках одного цельного компактного устройства источника питания, что уменьшает временные и ресурсные затраты в процессе установки и эксплуатации устройства источника.
Технический результат достигается тем, что способы электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы характеризуются тем, что:
первый способ реализуется с помощью структурной схемы электропитания освещения, которая включает в себя источник электропитания, преобразователь электрического напряжения, аккумуляторную батарею и нагрузку, в качестве которой выступают светодиодные модули, отличающийся тем, что аккумуляторная батарея, преобразователь электрического напряжения и нагрузка подключены к положительному и отрицательном выходам источника электропитания, при этом аккумуляторная батарея и нагрузка соединены друг с другом электрически последовательно, а преобразователь напряжения подключен к точке соединения аккумуляторной батареи и нагрузки, причем в результате такого способа соединения источника электропитания, преобразователя электрического напряжения, аккумуляторной батареи и нагрузки в нормальном режиме электропитания освещения при наличии тока на выходе источника электропитания преобразователь электрического напряжения осуществляет ограничения напряжения заряда, поступающего на аккумуляторную батарею, до допустимого уровня для заряда аккумуляторной батареи, а в аварийном режиме электропитания освещения при отсутствии тока на выходе источника электропитания преобразователь электрического напряжения увеличивает напряжение, поступающее от аккумуляторной батареи на нагрузку, до достаточного уровня для нормальной работы нагрузки;
второй способ реализуется с помощью структурной схемы электропитания освещения, которая включает в себя источник электропитания, аккумуляторную батарею, преобразователь электрического напряжения и нагрузку, в качестве которой выступают светодиодные модули, отличающийся тем, что нагрузка подключена к положительному и отрицательном выходам источника электропитания, преобразователь электрического напряжения подключен только к нагрузке и аккумуляторной батарее, аккумуляторная батарея подключена только к преобразователю электрического напряжения, причем в результате такого способа соединения источника электропитания, преобразователя электрического напряжения, аккумуляторной батареи и нагрузки в нормальном режиме электропитания освещения при наличии тока на выходе источника электропитания преобразователь электрического напряжения осуществляет понижение напряжения с ограничением тока, поступающего на аккумуляторную батарею через преобразователь электрического напряжения, до допустимого уровня для заряда аккумуляторной батареи, а в аварийном режиме электропитания освещения при отсутствии тока на выходе источника электропитания преобразователь электрического напряжения осуществляет увеличение напряжения, поступающего от аккумуляторной батареи на нагрузку, до достаточного уровня для нормальной работы нагрузки.
Заявляемое техническое решение поясняется структурными схемами электропитания освещения согласно заявленному техническому решению, где на фиг. 1 и 2 представлены структурные схемы электропитания освещения согласно первому и второму способам, поясняющие состав и способы подключения и соединения между собой элементов структурной схемы, а именно источника электропитания (1), преобразователя электрического напряжения (2), аккумуляторной батареи (3) и нагрузки (4).
Для получения технического результата изобретение может быть осуществлено следующим образом.
Первый способ электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы, представленный на фигуре 1, реализуется следующим образом. В нормальном режиме работы электропитания освещения при наличии тока на выходе источнике электропитания (1) за счет того, что аккумуляторная батарея (3), преобразователь электрического напряжения (2) и нагрузка (4), в качестве которой выступает светодиодный модуль, подключены к положительному и отрицательном выходам источника электропитания (1), при этом аккумуляторная батарея (3) и нагрузка (4) соединены друг с другом электрически последовательно, а преобразователь электрического напряжения (2) подключен к точке соединения аккумуляторной батареи (3) и нагрузки (4), ток от источника питания (1), проходящий через нагрузку (4) и питающий ее, проходит и через аккумуляторную батарею (3), при этом заряжая аккумуляторную батарею (3). В связи с тем, что, как правило, напряжение нагрузки (4) выше напряжения аккумуляторной батареи (3), напряжение аккумуляторной батареи (3) начинает достигать напряжения окончания заряда аккумуляторной батареи (3). Перед достижением напряжения окончания заряда аккумуляторной батареи (3) преобразователь электрического напряжения (2), подключенный к точке соединения аккумуляторной батареи (3) и нагрузки (4), начинает выполнять функцию регулятора напряжения, понижая напряжение, т.е. сбрасывая лишний зарядный ток с аккумуляторной батареи (3) обратно на нагрузку (4). В аварийном режиме работы электропитания освещения при отсутствии тока на выходе источника электропитания (1) источником тока для нагрузки становится аккумуляторная батарея (3). Ток поступает от аккумуляторной батареи (3) на нагрузку (4), при этом, в связи с тем, что напряжение нагрузки (4) выше напряжения аккумуляторной батареи (3), а преобразователь электрического напряжения (2) подключен к точке соединения аккумуляторной батареи (3) и нагрузки (4), преобразователь электрического напряжения (2) выполняет функцию регулятора напряжения и увеличивает напряжение, поступающее от аккумуляторной батареи (3) на нагрузку (4), до достаточного уровня для нормальной работы нагрузки (4). В результате реализации вышеизложенного способа электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы для обеспечения бесперебойного питания как при наличии, так и при отсутствии тока на выходе источника питания (1) достаточно наличия в схеме электропитания определенным образом подключенных и соединенных между собой источника питания (1), преобразователя электрического напряжения (2), аккумуляторной батареи (3) и нагрузки (4) и не требуется наличие в цепи электропитания зарядного и разрядного устройств для аккумуляторной батареи, так как в нормальном режиме работы аккумуляторная батарея (3) заряжается непосредственно от тока, проходящего через нагрузку (4), и при этом преобразователь электрического напряжения (2) не дает аккумуляторной батареи (3) разрядиться. Также не требуется наличие в цепи электропитания балластного резистора, функцию которого выполняет преобразователь электрического напряжения (2), ограничивающий напряжение, поступающее от источника питания (1) на нагрузку (4) и аккумуляторную батарею (3) в нормальном режиме работы. Таким образом, в результате реализации данного способа электропитания освещения преобразователь электрического напряжения (2) выполняет функции регулятора электрического напряжения, балластного резистора и инвертора (по умолчанию), а зарядное и разрядное устройства для аккумуляторной батареи (3) не требуются.
Второй способ электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы, представленный на фигуре 2, реализуется следующим образом. В нормальном режиме работы электропитания освещения при наличии тока на выходе источнике электропитания (1) за счет того, что нагрузка (4), в качестве которой выступает светодиодный модуль, подключена к положительному и отрицательном выходам источника электропитания (1), преобразователь электрического напряжения (2) подключен только к нагрузке (4) и аккумуляторной батарее (3), аккумуляторная батарея (3) подключена только к преобразователю электрического напряжения (2), аккумуляторная батарея (3) заряжается от тока, поступающего от преобразователя электрического напряжения (2), который, в свою очередь, берет ток от нагрузки (4) и, так как напряжение нагрузки (4) выше напряжения аккумуляторной батареи (3), понижает напряжение с ограничением тока, поступающего на аккумуляторную батарею (3) через преобразователь электрического напряжения (2), до допустимого уровня для заряда аккумуляторной батареи (3). Таким образом, в нормальном режиме работы электропитания освещения преобразователь электрического напряжения (2) выполняет функции зарядно-разрядного устройства и балластного резистора для обеспечения заряда аккумуляторной батареи (3). В аварийном режиме работы электропитания освещения при отсутствии тока на выходе источника электропитания (1) источником тока для нагрузки становится аккумуляторная батарея (3). Ток поступает от аккумуляторной батареи (3) на нагрузку через преобразователь электрического напряжения (2), который в данном случае выполняет роль регулятора электрического напряжения, так как увеличивает напряжение, поступающее от аккумуляторной батареи (3) на нагрузку (4), до достаточного уровня для нормальной работы нагрузки (4). Таким образом, в результате реализации данного способа электропитания освещения преобразователь электрического напряжения (2) по сути является двунаправленным и выполняет функции регулятора электрического напряжения, балластного резистора, зарядно-разрядного устройства и инвертора (по умолчанию).
Новизна и изобретательский уровень представленного изобретения, состоит в том, что заявляемые способы электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы в значительной степени упрощают, по сравнению с аналогами, схему электропитания освещения нормальном и аварийном режимах, за счет определенных способов подключения и соединения источника электропитания, преобразователя электрического напряжения, аккумуляторной батареи и нагрузки, результате чего данное упрощение схемы электропитания позволяет реализовать функции электропитания освещения в нормальном и аварийном режимах работы в рамках одного цельного компактного устройства источника питания, что уменьшает временные и ресурсные затраты в процессе установки и эксплуатации устройства источника.