ЭНЕРГОУСТАНОВКА НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
POWER PLANT OPERATING ON FUEL ELEMENTS

Предложение относится к энергоустановкам на топливных элементах.
Известна энергоустановка на топливных элементах (патент США №2006/0280977, МПК H01M 8/04, 2006), содержащая генератор на топливных элементах, инвертор, датчик напряжения генератора, подключенный к системе автоматического управления и контроля, аккумуляторную батарею, зарядное устройство и коммутационные элементы. Недостатком энергоустановки является ее полная автономность и неспособность к совместной работе с внешней электрической сетью в режиме источника бесперебойного питания.
Известно большое количество источников бесперебойного питания ИБП/UPS (журнал "Современные технологии автоматизации" №3, 2005 г., с.66-72), где в качестве резервного источника питания используются аккумуляторные батареи. Недостатком известных ИБП является весьма ограниченное время работы от аккумуляторов при пропадании внешней сети.
За прототип взята энергоустановка на топливных элементах (патент RU 2382445, МПК H01M 8/04, 2009), содержащая генератор на топливных элементах, инвертор, датчик напряжения генератора, систему автоматического управления и контроля, блок аккумуляторных батарей, зарядное устройство, развязывающие диоды, три контактора, кнопку включения и коммутационные элементы.
Недостаток энергоустановки заключается в отсутствии цепей, позволяющих обеспечить совместную работу энергоустановки с внешней электрической сетью в режиме источника бесперебойного питания с длительным временем работы при пропадании внешней сети.
Предлагаемая энергоустановка позволяет получить универсальный резервный источник электроэнергии, способный работать как в режиме источника бесперебойного питания при наличии внешней электрической сети, так и в режиме автономного источника без внешней сети, и обладающий большим временным ресурсом.
Энергоустановка, схема которой представлена на рисунке 1, содержит генератор на топливных элементах 1, инвертор 2, датчик выходного напряжения генератора 3, подключенный к входу системы автоматического управления и контроля 4, блок аккумуляторных батарей 5, зарядное устройство 6, два развязывающих диода 7, 8, объединенный катод которых подключен к входу инвертора 2, три контактора 9, 10, 11. Обмотки контакторов 9, 11 через коммутационные элементы на замыкание 12, 13 подключены к выходу инвертора 2. Обмотка контактора 10 через параллельно-последовательно соединенные кнопку 14, вспомогательный контакт 15 контактора 10, коммутационный элемент на замыкание 16 и коммутационный элемент на размыкание 17 подсоединена к блоку 5. Контакты на замыкание 18 контактора 9 включены между генератором 1 и анодом диода 7.
Контакты на замыкание 19 контактора 11 включены между выходом инвертора 2 и нагрузкой 20. Основные контакты на замыкание 21 и контакты на размыкание 22 контактора 10 подключены между блоком 5 и соответственно анодом диода 8 и выходом зарядного устройства 6, вход которого связан с выходом инвертора 2. Управляющие входы коммутационных элементов 12, 13, 16, 17 и потребителей соответственных нужд энергоустановки (электромагнитные клапаны, нагреватели, насосы, вентиляторы, датчики и т.д.) 23 связаны с выходами системы 4.
Энергоустановка снабжена клеммами 24 для подключения внешней электрической сети, связанными через тумблер 25 с датчиком напряжения сети 26 и входом выпрямительного моста 27 с электролитическим конденсатором 28 на выходе, и четвертым контактором 29. Обмотка контактора 29 через коммутационный элемент на замыкание 30 подключена к выходу инвертора 2, а контакты на размыкание 31 контактора 29 подсоединены между выходом выпрямительного моста 27 и входом инвертора 2. Управляющий вход элемента 30 подключен к системе 4.
Энергоустановка работает следующим образом.
При наличии внешней электрической сети, подключенной к клеммам 24, и замыкании тумблера 25 на выходе моста 27 появляется постоянное напряжение, запускающее инвертор 2. На выходе инвертора 2 появляется стабильное переменное напряжение 220 В, запитывающее систему 4 и зарядное устройство 6, осуществляющее подзаряд блока 5. По команде от системы 4 замыкается элемент 13 и срабатывает контактор 11, подключающий контактами 19 выход инвертора 2 к нагрузке 20.
При пропадании или снижении ниже допустимого уровня напряжения внешней сети датчик 26 информирует о произошедшем систему 4.
Система 4 замыкает элементы 16 и 30, вызывая срабатывание контакторов 10 и 29. При этом блок 5 через контакты 22 и диод 8 подключается к входу инвертора 2, а мост 27 контактами 31 отключается от него. Одновременно с этим блок 5 контактами 21 отключается от устройства 6. В свою очередь, система 4 по заданному алгоритму осуществляет перевод генератора 1 из холодного состояния в рабочее.
При появлении на выходе генератора 1 напряжения заданной величины датчик 3 информирует систему 4 о готовности генератора 1 к работе. Система 4 замыкает элемент 12, вызывая срабатывание контактора 9. При этом генератор 1 через контакты 18 и диод 7 подключается к входу инвертора 2. После этого от системы 4 посредством кратковременного размыкания элемента 17 формируется сигнал на отключение контактора 10. В результате выход блока 5 отключается от входа инвертора 2 и подключается к выходу зарядного устройства 6. Дальнейшая работа энергоустановки осуществляется от генератора 1. Переход к данному режиму происходит без прерываний и скачков напряжения на нагрузке 20.
При появлении напряжения внешней электрической сети на выходе датчика 26 появляется соответствующий информационный сигнал, по которому система 4 замыкает элемент 16, включает контактор 10, подключая блок 5 через контакты 22 и диод 8 к входу инвертора 2, а контактами 21 отключает его от зарядного устройства 6. С небольшой задержкой система 4 размыкает элемент 12, выключает контактор 9 и отключает контактами 18 выход генератора 1 от входа инвертора 2. После чего по заданному алгоритму начинается перевод генератора 1 из рабочего состояния в холодное. По завершении перевода система 4 замыкает элемент 30 и включает контактор 29, подключающий своими контактами 31 выход моста 27 к входу инвертора 2. С небольшой задержкой система 4 посредством кратковременного размыкания элемента 17 выключает контактор 10, отключая тем самым блок 5 от входа инвертора 2 и подключая его к выходу зарядного устройства 6. Таким образом работа энергоустановки от внешней электрической сети полностью восстанавливается без перебоев питания нагрузки 20.
Помимо работы в режиме источника бесперебойного питания энергоустановка может функционировать и как автономный независимый от внешней сети источник переменного напряжения. При этом первоначальный запуск установки осуществляется нажатием кнопки 14, вызывающей срабатывание контактора 10 и подключение блока 5 к инвертору 2, запитывающего систему 4. Система 4 обеспечивает перевод генератора 1 в рабочее состояние, после чего подключает его к инвертору 2 с одновременным отключением блока 5 и переводом его в режим подзаряда от устройства 6. Отключение энергоустановки происходит в обратной последовательности.
Рассмотренная схема построения энергоустановки возможна при достаточно близких значениях выпрямленного напряжения сети и напряжений генератора 1 и блока аккумуляторов 5, укладывающихся в допустимый диапазон входных напряжений инвертора 2.
Примененное в энергоустановке двойное преобразование (AC-DC, DC-AC) внешней электрической сети обеспечивает высокую стабильность выходного напряжения установки во всех режимах ее работы.
Емкость блока аккумуляторов 5 определяется временем перевода генератора 1 из холодного состояния в рабочее и величиной мощности, потребляемой нагрузкой и потребителями собственных нужд.
Для повышения быстродействия переключения силовых контактов 18, 19, 21, 22, 31 энергоустановки возможна замена соответствующих контакторов на твердотельные реле. В качестве зарядного устройства 6 может быть использован также преобразователь DC-DC, при этом его вход подключается параллельно входу инвертора. В результате несколько повышается КПД энергоустановки.
Таким образом предлагаемая энергоустановка обеспечивает большой временной ресурс работы при жестком соблюдении экологическим норм. Ее характеризует широкая универсальность, необходимая для применения в самых различных областях техники, требующих надежного и длительного резервного электропитания.