УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Полезная модель относится к электроснабжению различных объектов, в частности, средств железнодорожной автоматики и телемеханики.
Известно устройство автоматического включения резервного источника питания, содержащее реле напряжения, размыкающий контакт которого через последовательно соединенные обмотку реле времени и размыкающий с выдержкой времени контакт дополнительного реле времени подключен к источнику питания схемы. Параллельно размыкающему контакту реле напряжения подключен замыкающий контакт реле времени. Замыкающий с выдержкой контакт того же реле времени через последовательно соединенную цепочку, состоящую из соленоида отключения выключателя основного источника питания и второго размыкающего контакта реле напряжения подключен к источнику питания схемы, причем параллельно указанной цепочке подключена обмотка дополнительного реле времени. Блок контакт выключателя основного источника питания соединен с обмоткой соленоида включения выключателя резервного источника питания и эта цепочка также подключается к источнику питания схемы, SU 512539.
Данное устройство имеет низкую надежность питания потребителей из-за отсутствия достаточного контроля параметров напряжения основного источника, поскольку реле напряжения контролирует лишь одно из трех линейных напряжений. Кроме того, в данном устройстве отсутствует возможность индикации состояния коммутационных элементов и напряжений на входах контакторов и на их выходах - шине
гарантированного питания, что существенно затрудняет контроль и диагностику при эксплуатации устройства.
Известно также устройство автоматического включения резервного источника питания, содержащее, контактор включения основного источника питания, его размыкающий блок контакт, контактор включения резервного источника питания, его размыкающий блок контакт, реле контроля исправности основного контактора, его замыкающий и размыкающий контакты, первое реле напряжения и его замыкающий контакт, второе реле напряжения и его замыкающие контакты, промежуточное реле и его размыкающий контакт, SU 1474760.
Недостатками этого устройства являются:
- осуществление электроснабжения потребителя только от двух источников: сетевого ввода и ввода от резервного источника питания (электростанции), в то время, как для некоторых особо ответственных потребителей, в частности, для железной дороги, требуются два сетевых ввода и ввод от резервной электростанции;
- отсутствие индикации состояния коммутационных элементов и напряжений на входах контакторов и на их выходах - шине гарантированного питания;
- отсутствие возможности отключения контакторов от шины гарантированного питания при их техническом обслуживании, ремонте или замене.
Известно также устройство для автоматического переключения источников питания, содержащее первый контактор включения электропитания от первого фидера трехфазной питающей электросети, второй контактор включения электропитания от второго фидера трехфазной питающей электросети, а также содержащее первый выключатель, вход которого соединен с силовым выходом первого контактора, второй выключатель, вход которого соединен с силовым выходом второго контактора, при этом силовые выходы первого и второго
выключателей соединены с шиной гарантированного электропитания, см. Коган Д.А., Молдавский М.М. «Аппаратура электропитания железнодорожной автоматики» - М.: ИКЦ «Академкнига», 2003, с.285-289, копия ссылки прилагается.
Данное техническое решение принято за прототип настоящей полезной модели.
Недостатками прототипа являются:
- низкая надежность устройства, а также сложность его технического обслуживания из-за большого количества релейно-контактных приборов;
- отсутствие собственных средств отключения от источников питания (выключателей); отключение может осуществляться только непосредственно на самих источниках питания, что неудобно ввиду отдаленности этих источников и опасно для персонала при осуществлении технического обслуживания устройства-прототипа без такого отключения;
- отсутствие контроля параметров резервного источника электропитания, а также состояния собственных элементов устройства автоматического переключения электропитания;
- малая надежность устройства в условиях воздействия мощных импульсных помех во внешней электрической сети, которые могут быть обусловлены короткими замыканиями в этой сети, включением или выключением потребителей с высокой реактивной мощностью, разрядами атмосферного электричества и т.п., в результате возможен выход из строя как самого устройства, так и связанных с ним потребителей;
- отсутствие возможности дистанционного контроля.
Задачей настоящей полезной модели является повышение надежности устройства, безопасности его эксплуатации, обеспечение
контроля параметров резервного источника электропитания, как местного, так и дистанционного.
Согласно полезной модели устройство для автоматического переключения источников электропитания: первого фидера, второго фидера и резервного источника электропитания, содержащее первый контактор, второй контактор, первый выходной выключатель, второй выходной выключатель и шину гарантированного электропитания потребителей, при этом выход первого контактора соединен со входом первого выходного выключателя, выход которого соединен с шиной гарантированного электропитания, которая соединена с выходом второго выходного выключателя, вход которого соединен с выходом второго контактора дополнительно содержит первый, второй и третий входные выключатели, первый, второй, третий блоки индикации, первый, второй, третий блоки управления, третий контактор, третий выходной выключатель и блок обмена данными, при этом первый фидер подключен ко входу первого входного выключателя, второй фидер подключен ко входу второго входного выключателя, резервный источник электропитания подключен ко входу третьего входного выключателя, первый выход которого подключен к первому входу третьего контактора, первый выход которого соединен со входом третьего выходного выключателя, первый выход которого соединен с шиной гарантированного электропитания потребителей, а второй его выход соединен с пятым входом третьего блока управления, первый вход которого соединен со вторым выходом третьего входного выключателя, второй вход третьего блока управления соединен с первым входом третьего контактора, третий вход третьего блока управления соединен со вторым выходом третьего контактора, первый выход которого соединен с четвертым входом третьего блока управления, первый выход которого соединен со вторым входом третьего контактора, второй его выход соединен со входом третьего блока индикации, первый выход первого входного выключателя соединен с первым входом первого
контактора и вторым входом первого блока управления, первый выход которого соединен со вторым входом первого контактора, второй выход которого соединен с третьим входом первого блока управления, четвертый вход которого соединен с первым выходом первого контактора, а его пятый вход соединен со вторым выходом первого выходного выключателя, второй выход первого входного выключателя соединен с первым входом первого блока управления, второй выход которого соединен со входом первого блока индикации, а его третий выход соединен с первым входом блока обмена данными, первый выход которого соединен с шестым входом первого блока управления, второй его выход соединен с шестым входом второго блока управления, третий выход которого соединен со вторым входом блока обмена данными, третий выход которого соединен с шестым входом третьего блока управления, третий выход которого соединен с третьим входом блока обмена данными, первый выход второго входного выключателя соединен с первым входом второго контактора, который соединен со вторым входом второго блока управления, первый вход которого соединен со вторым выходом второго входного выключателя, его второй выход соединен со входом второго блока индикации, а его первый выход соединен со вторым входом второго контактора, второй выход которого соединен с третьим входом второго блока управления, четвертый вход которого соединен с первым выходом второго контактора, а его пятый вход соединен со вторым выходом второго выходного выключателя, второй выход резервного источника электропитания подключен к седьмому входу третьего блока управления, пятый выход которого подключен ко входу резервного источника электропитания; устройство может дополнительно содержать первый и второй блоки подавления мощных импульсных помех, выходы которых заземлены, при этом вход первого блока подавления мощных импульсных помех соединен с первым выходом первого входного выключателя, а вход второго блока подавления мощных импульсных помех соединен с первым
выходом второго входного выключателя; устройство может также дополнительно содержать первый, второй и третий блоки интерфейса, входы которых соединены с четвертыми выходами соответственно первого, второго и третьего блоков управления, а выходы соединены с персональным компьютером.
Заявителем не выявлены технические решения, тождественные заявленной полезной модели, что позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема устройства. Наименования элементов устройства приведены на отдельном листе.
Устройство предназначено для автоматического переключения источников электропитания: первого 1 фидера, второго 2 фидера и резервного источника 3 электропитания и содержит первый 4 контактор, второй 5 контактор, первый 6 выходной выключатель, второй 7 выходной выключатель и шину 8 гарантированного электропитания потребителей. Резервный источник 3 электропитания имеет один вход (управляющий) и два выхода, из которых первый является силовым, а второй сигнальным. Выход первого 4 контактора соединен со входом первого 6 выходного выключателя. Выход первого 6 выходного выключателя соединен с шиной 8 гарантированного электропитания, которая соединена с выходом второго 7 выходного выключателя. Вход второго 7 выходного выключателя соединен с выходом второго 5 контактора.
Устройство дополнительно содержит первый 9, второй 10 и третий 11 входные выключатели, первый 12, второй 13, третий 14 блоки индикации, первый 15, второй 16, третий 17 блоки управления, третий 18 контактор, третий 19 выходной выключатель и блок 20 обмена данными. Входные и выходные выключатели имеют один вход (силовой) и два выхода, из которых первый является силовым, а второй сигнальным. Контакторы имеют два входа и два выхода, при этом первый вход и
первый выход являются силовыми, второй вход является управляющим, а второй выход - сигнальным. Понятия входов и выходов выключателей и контакторов являются условными и приняты по направлению потока энергии. Первый 12, второй 13, третий 14 блоки индикации в данном примере представляют собой панели со светодиодами и зуммером. Светодиодами отображаются следующие состояния устройства: «Фидер - норма», «Неисправность контактора», «Напряжение фидера выше нормы», «Напряжение резервного источника выше нормы», «Фидер включен», «Фаза А», «Фаза В», «Фаза С», «Неисправность блока управления», «Обратное чередование фаз», «Неисправность» (общий световой сигнал неисправности). Зуммер предназначен для выдачи звукового сигнала при возникновении неисправности, срабатывании защиты или при аварии. Первый 15, второй 16 и третий 17 блоки управления представляют собой контроллеры на основе микропроцессоров фирмы ATMEL семейства AVR и выполняют следующие функции:
- управление контакторами (включение/выключение и их взаимную блокировку);
- измерение линейных и фазных напряжений на входах и выходах контакторов и сравнение их значений с целью диагностики качества контактов;
- измерение токов в фазах и частоты питающих напряжений;
- измерение суммарного времени многократных кратковременных прерываний (недопустимых провалов) и недопустимых кратковременных превышений питающего напряжения на входах контакторов. На этой основе блок управления принимает решение переключении питания на источник, параметры напряжений которого находятся в допустимых пределах;
- прием, обработку и отображение на дисплее контроллера информации о состоянии коммутационных элементов устройства;
- управление работой блоков индикации.
Блок 20 обмена данными представляет собой промышленный интерфейс обмена данными типа CAN и обеспечивает синхронизацию работы контроллеров блоков управления.
Первый 1 фидер подключен ко входу первого 9 входного выключателя, второй 2 фидер подключен ко входу второго 10 входного выключателя, резервный источник 3 электропитания подключен первым (силовым) выходом ко входу третьего 11 входного выключателя. Первый выход третьего 11 выключателя подключен к первому входу третьего 18 контактора, первый выход которого соединен со входом третьего 19 выходного выключателя. Первый выход третьего 19 выключателя соединен с шиной 8 гарантированного электропитания потребителей, а второй его выход соединен с пятым входом третьего 17 блока управления. Первый вход третьего 17 блока управления соединен со вторым выходом третьего 11 входного выключателя, второй вход третьего 17 блока управления соединен с первым входом третьего 18 контактора. Третий вход третьего 17 блока управления соединен со вторым выходом третьего 18 контактора, первый выход которого соединен с четвертым входом третьего 17 блока управления. Первый выход третьего 17 блока управления соединен со вторым входом третьего 18 контактора, а второй его выход соединен со входом третьего 14 блока индикации. Первый выход первого 9 входного выключателя соединен с первым входом первого 4 контактора и вторым входом первого 15 блока управления, первый выход которого соединен со вторым входом первого 4 контактора. Второй выход первого 4 контактора соединен с третьим входом первого 15 блока управления, четвертый вход которого соединен с первым выходом первого 4 контактора. Пятый вход первого 15 блока управления соединен со вторым выходом первого 6 выходного выключателя. Второй выход первого 9 входного выключателя соединен с первым входом первого 15 блока управления, второй выход которого соединен со входом первого 12 блока индикации. Третий выход первого 15 блока управления соединен с
первым входом блока 20 обмена данными, первый выход которого соединен с шестым входом первого 15 блока управления, второй его выход соединен с шестым входом второго 16 блока управления, третий выход которого соединен со вторым входом блока 20 обмена данными. Третий выход блока 20 обмена данными соединен с шестым входом третьего 17 блока управления, третий выход которого соединен с третьим входом блока 20 обмена данными. Первый выход второго 10 входного выключателя соединен с первым входом второго 5 контактора, который соединен со вторым входом второго 16 блока управления. Первый вход второго 16 блока управления соединен со вторым выходом второго 10 входного выключателя, а его второй выход соединен со входом второго 13 блока индикации. Первый выход второго 10 входного выключателя соединен со вторым входом второго 5 контактора, второй выход которого соединен с третьим входом второго 16 блока управления. Четвертый вход второго 16 блока управления соединен с первым выходом второго 5 контактора, а его пятый вход соединен со вторым выходом второго 7 выходного выключателя, второй выход резервного источника 3 электропитания подключен к седьмому входу третьего 17 блока управления, пятый выход которого подключен ко входу резервного источника 3 электропитания.
Устройство также дополнительно содержит первый 21 и второй 22 блоки подавления мощных импульсных помех, представляющие собой устройства защиты «PULSAR» фирмы ASCO (США). Выходы блоков подавления мощных импульсных помех заземлены, при этом вход первого 21 блока подавления мощных импульсных помех соединен с первым выходом первого 9 входного выключателя, а вход второго 22 блока подавления мощных импульсных помех соединен с первым выходом второго 10 входного выключателя.
Устройство также дополнительно содержит первый 23, второй 24 и третий 25 блоки интерфейса, представляющие собой платы типа ОС485
CARD, которые позволяют осуществлять мониторинг устройства с помощью программ SiteScan Web или Системы Интеллектуального Здания (ВМС). Входы первого 23, второго 24 и третьего 25 блоков интерфейса соединены с четвертыми выходами соответственно первого 15, второго 16 и третьего 17 блоков управления, а выходы соединены с персональным компьютером.
Устройство работает следующим образом.
Работа может осуществляться по выбору оператора в следующих режимах:
- включение первого 1 фидера при исправности второго 2 фидера и резервного источника 3 электропитания;
- включение второго 2 фидера при исправности резервного источника 3 электропитания и неисправности первого 1 фидера;
При неисправности обоих фидеров резервный источник 3 электропитания включается автоматически.
При подготовке к работе входные 9, 10, 11 и выходные 6, 7, 19 выключатели переводятся во включенное состояние. Замыкания блок-контактов указанных выключателей являются сигналом об их включении, которые поступают в блоки управления 15, 16 и 17. При этом блок 20 обмена данными обеспечивает поступление информации о состоянии всех выключателей во все три блока 15, 16, 17. В режиме включения первого фидера при наличии напряжения с допустимыми параметрами на первом и втором фидерах первый 15 блок управления выдает команду на включение первого 4 контактора. Первый контактор 4 включается, и напряжение питания от первого фидера через замкнутые силовые контакты первого 9 входного выключателя, первого 4 контактора и первого 6 выходного выключателя поступает на шину 8 гарантированного питания и далее к потребителям. На первом 12 блоке индикации горят светодиоды: «Фидер 1 - норма», «Фидер 1 включен», «Фаза А», «Фаза В», «Фаза С». На первый 15 блок управления поступают сигналы о включенном состоянии
первого контактора, на дисплее контроллера отображается величина фазных и линейных напряжений, ток в каждой фазе и частота питающего напряжения. Блок 20 обмена данными обеспечивает поступление запрещающего сигнала (блокировки) на включение второго 5 и третьего 18 контакторов. При этом блоки управления 16 и 17 измеряют параметры напряжения второго фидера и резервного источника питания, соответственно. Благодаря блоку 20, информация об указанных параметрах поступает во все блоки управления. Кроме того, блоки управления постоянно осуществляют измерение разности напряжения на входе и выходе контакторов, что позволяет по величине этой разности проводить непрерывную диагностику качества контактов контакторов и оценивать целесообразность их дальнейшего использования. При исчезновении, недопустимом провале или превышении напряжения, либо выходе частоты первого фидера за допустимые пределы в течение заданного (программируемого) времени задержки первый 16 блок управления отключает первый 4 контактор, снимая при этом запрет на включение второго и третьего контакторов, а второй блок управления выдает команду на включение второго 5 контактора. Указанный контактор включается, и питание потребителей осуществляется от второго 2 фидера. В первом 12 блоке индикации погасают светодиоды «Фидер 1 норма», «Фидер 1 включен». При этом, в случае превышения напряжения выше нормы, на первом 12 блоке индикации загорается светодиод «Напряжение фидера 1 выше нормы». Измерение параметров питающего напряжения, а также индикация состояния устройства осуществляется аналогично, как и в случае питания потребителей от первого фидера. При отсутствии или выходе за допустимые пределы параметров напряжения на обоих фидерах третий 17 блок управления с его пятого выхода выдает команду на запуск резервного источника 3 электропитания. После запуска и выхода на номинальный режим от резервного источника 3 электропитания на седьмой вход третьего блока 17 управления со второго (сигнального)
выхода резервного источника 3 электропитания поступает сигнал «Резервный источник готов к приему нагрузки». Третий 17 блок управления выдает команду на включение третьего 18 контактора. Третий контактор включается и питание потребителей осуществляется от резервного 3 источника питания. Измерение параметров питающего напряжения, а также индикация состояния устройства осуществляется аналогично, как и в случае питания потребителей от первого фидера. При восстановлении напряжения на любом из фидеров на соответствующем блоке индикации загорается светодиод «Фидер 1 (или Фидер 2) - норма», третий 17 блок управления выдает команду на останов резервного 3 источника питания и на отключение третьего 18 контактора, а блок управления канала исправного фидера выдает команду на включение соответствующего контактора. Контактор включается и питание потребителей осуществляется от исправного фидера.
При однократном кратковременном прерывании или выходе параметров питающего напряжения за допустимые пределы, если время нарушения питания меньше заданного времени, переключения источников питания не происходит. В случае многократных кратковременных прерываний (программируемое число) электропитания устройство переключает питание потребителей на исправный источник.
В случае возникновения неисправности контактора или блока управления в любом из каналов питание автоматически переключается на питание от исправного фидера или от резервного источника питания. На блоке индикации канала, в котором возникла неисправность, загорается светодиод «Неисправность контактора» или «Неисправность БУ», на третьем 14 блоке индикации загорается светодиод общей неисправности «Неисправность» и звучит сигнал зуммера. При срабатывании защиты по перегрузке или короткому замыканию в цепях питания потребителей или цепях управления устройства звучит сигнал зуммера, а в блоки управления
поступает информация о срабатывании автоматов защиты, которую можно считать с помощью клавиш навигации по меню контроллеров.
При воздействии мощной импульсной помехи блоки 21 и 22 защиты от мощных импульсных помех срабатывают и шунтируют входы контакторов 4, 5 и блоков управления 15, 16, предотвращая тем самым проход помех на входы указанных блоков управления и к шине гарантированного питания, предотвращая возможность выхода из строя блоков управления и потребителей. После прекращения действия помехи блоки 21 и 22 автоматически отключают шунтирование входов контакторов и блоков управления, и устройство в целом продолжает работать в нормальном режиме.
Блоки интерфейса 23, 24 и 25 позволяют осуществлять удаленный мониторинг устройства автоматического переключения источников питания устройства с помощью персонального компьютера. При этом могут контролироваться текущие параметры электропитания потребителей (напряжение, ток, частота, расход электроэнергии) и текущее состояние устройства. Порт интерфейса RS485 поддерживает протоколы передачи данных IGM Net и Modbus/Jbus.
Заявленная полезная модель благодаря реализации ее признаков обеспечивает достижение важных технических результатов:
- повышение надежности устройства и упрощение его технического обслуживания, благодаря существенному уменьшению количества релейно-контактных;
- уменьшение опасности поражения обслуживающего персонала электрическим током при техническом обслуживании, ремонте и замене контакторов устройства, так как позволяет разъединить контакторы с выходами источников питания и с шиной гарантированного питания с помощью дополнительно введенных собственных входных и выходных выключателей;
- повышение надежности в условиях мощных импульсных помех, воздействие которых практически полностью устраняется, что предотвращает выход из строя потребителей электропитания;
- обеспечение не только местного, но и дистанционного контроля параметров источника резервного электропитания
Для реализации полезной модели использованы известные элементы, материалы и заводское оборудование. Данное обстоятельство, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии настоящего технического решения критерию «промышленная применимость».
Наименование элементов устройства, обозначенных на чертеже
1 - первый фидер;
2 - второй фидер;
3 - резервный источник питания;
4 - первый контактор;
5 - второй контактор;
6 - первый выходной выключатель;
7 - второй выходной выключатель;
8 - шина гарантированного электропитания;
9 - первый входной выключатель;
10 - второй входной выключатель;
11 - третий входной выключатель;
12 - первый блок индикации;
13 - второй блок индикации;
14 - третий блок индикации;
15 - первый блок управления;
16 - второй блок управления;
17 - третий блок управления;
18 - третий контактор;
19 - третий выходной выключатель;
20 - блок обмена данными;
21 - первый блок защиты от мощных импульсных помех;
22 - второй блок защиты от мощных импульсных помех;
23 - первый блок интерфейса;
24 - второй блок интерфейса;
25 - третий блок интерфейса.