СОВМЕЩЕННАЯ ПИТАЮЩАЯ УСТАНОВКА С ШИНОЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к схемам аварийного или резервного энергоснабжения без автоматического переключения фидеров энергоснабжения для питания нагрузок различными напряжениями постоянного тока, однофазным или трехфазным напряжениями переменного тока, и может быть использована в системах с повышенными и особыми требованиями к устойчивости электропитания, таких, как средства автоматики на железных дорогах, компьютерные центры и центры обработки и хранения данных, узлы связи, оборудование для управления производственными процессами, медицинское оборудование, системы вещания и спутниковой связи, системы передачи данных, аварийные системы освещения, системы безопасности, финансовые системы и другие низковольтные потребители электроэнергии от нескольких независимых однофазных/трехфазных фидеров энергоснабжения переменного тока.
Известна совмещенная питающая установка бесперебойного электроснабжения (СПУ) (Патент РФ №101280 от 10.01.2011), содержащая входные фидеры, вводные устройства фидеров с устройствами защиты от импульсных перенапряжений (по одному на каждый вход) с дистанционным управлением со щита аварийного отключения, первый блок контроля и коммутации фидера с защитой схем контроля состояния фидера от длительных перенапряжений, имеет блок анализа и выбора приоритетного фидера с управлением от микро-ЭВМ, контактор и устройство гальванической развязки, резервированные устройства бесперебойного питания (УБП), второй блок контроля и коммутации УБП (выполнен на базе современных интелектуальных систем управления самих УБП, обладающих высочайшими техническими характеристиками), блока выбора внешней синхронизации резервированных УБП, выходы первого и второго блоков контроля и коммутации источников питания являются входами для третьего блока контроля и коммутации источников питания, блок распределения электроэнергии, устройства, блоков индикации текущего состояния фидеров, индикации статистики, задания приоритетов фидеров, задания задержки переключения фидеров, блоков ручного управления, аппаратно-программный комплекс диагностики и управления СПУ с аппаратными средствами измерения и контроля состояния основных элементов и цепей установки.
Недостатками такой установки являются:
- применение дорогостоящих УБП, эксплуатация которых возможна только при положительных температурах окружающей среды;
- применение вводных фидеров, в основном, трехфазного напряжения для обеспечения работы основной массы современных УБП;
- отсутствие возможности работы установки от двух однофазных фидеров или от одного трехфазного фидера, а второго однофазного;
- производимые в настоящее время УБП не дают возможности построения питающих установок широкого спектра исполнений с различными техническими характеристиками, что не позволяет покрыть имеющиеся потребности рынка энергопотребления;
- провалы выходного напряжения первой ступени энергоснабжения при коммутациях входных фидеров, что при работе второй ступени энергоснабжения от байпаса или при подключенном выходе третьей ступени энергоснабжения к выходу первой ступени энергоснабжения вызывает провалы выходного напряжения установки, что может быть неприемлемо для ряда потребителей электроэнергии;
- применение в установке электромеханических устройств коммутации фидеров, что сопровождается интенсивными переходными процессами в силовых цепях установки, возникновением электрической дуги при коммутациях нагрузок, повышенной пожароопасностью установки;
- применение в первой ступени энергоснабжения устройства контроля и коммутации,
построенного по схеме автоматического ввода резерва (АВР) приводит к быстрому износу контактных групп дорогостоящих электромеханических устройств коммутации, так как нестабильность параметров входных фидеров приводит к частым переключениям контакторов. Электромеханические устройства коммутации имеют низкую
ремонтопригодность и небольшие сроки службы, так как эти устройства имеют ограниченное количество циклов срабатывания;
- высокая стоимость эксплуатации установки, вызванная частой заменой электромеханических устройств коммутации;
- невозможность подключения устройств к шине постоянного тока УБП.
Задачей полезной модели является создание совмещенной питающей установки с шиной постоянного тока без переключения фидеров в первой ступени энергоснабжения
Техническим результатом от использования разработанной полезной модели является повышение надежности работы установки.
Надежность работы обеспечивается за счет создания установки, позволяющей при питании от нескольких однофазных/трехфазных источников энергоснабжения переменного тока обеспечивать бесперебойное электропитание установок с различными техническими характеристиками.
Совмещенная питающая установка с шиной постоянного тока характеризуется тем, что она содержит основной и резервный фидеры для первичного энергоснабжения, каждый из которых подсоединен к вводному устройству фидера, дизель-генераторный агрегат подсоединенный к вводному устройству дизель-генераторного агрегата, выходы вводных устройств фидеров подсоединены к входам пороговых устройств контроля превышения допустимого напряжения фидеров, выходы которых подсоединены к входам фильтров напряжения фидеров, выходы которых подсоединены к входам AC/DC преобразователей напряжения по одному AC/DC преобразователю напряжения на каждую фазу, выходы которых подсоединены к шине постоянного тока по схеме горячего резервирования, выход вводного устройства дизель-генераторного агрегата подсоединен к входам AC/DC преобразователей напряжения по одному AC/DC преобразователю напряжения на каждую фазу, выходы которых подсоединены к шине постоянного тока по схеме горячего резервирования. Щит аварийного отключения фидеров, подсоединен к вводным устройствам фидеров, к вводному устройству дизель-генераторного агрегата и расцепителю постоянного тока, пороговые устройства контроля превышения допустимого напряжения фидеров и AC/DC преобразователи напряжения двух входных фидеров подсоединены к вводному устройству дизель-генераторного агрегата. Устройство также характеризуется наличием аккумуляторной батареи, подсоединной к расцепителю постоянного тока, подсоединного к выходу устройства автоматического заряда аккумуляторной батареи и через развязывающие диоды подсоединного к шине постоянного тока, при этом вход упомянутого устройства автоматического заряда аккумуляторной батареи подсоединен к выходу вводного устройства основного фидера, DC/DC преобразователи напряжения, подсоениненные входами к шине постоянного тока, а выходами по схеме горячего резервирования к нагрузкам постоянного тока, DC/AC преобразователи напряжения, подсоениненные входами к шине постоянного тока, а выходами по схеме горячего резервирования или по схеме резервирования замещением к входам устройства автоматического ввода резерва, выход которого подсоединен к устройству защиты от импульсных и коммутационных перенапряжений и ко входам преобразователей переменного напряжения, выходы которых подсоединены к нагрузкам переменного тока.
Установка дополнительно снабжена устройством сбора, обработки и отображения контрольной и диагностической информации которое своими входами подсоединено к датчикам состояния элементов питающей установки и датчикам контроля параметров электроэнергии основных цепей питающей установки, выходы устройства подсоединены к входам устройства управления и обмена информацией с системами диспетчеризации и удаленного мониторинга, которое своими выходами подсоединено к системам диспетчеризации и удаленного мониторинга.
Совмещенная система включает вводные устройства фидеров, вводное устройство дизель-генераторного агрегата или вводное устройство фидера, щит аварийного отключения фидеров, пороговые устройства контроля превышения допустимого напряжения фидера, отдельные AC/DC преобразователи напряжения, отдельную аккумуляторную батарею (АКБ), отдельное устройство автоматического заряда аккумуляторной батареи, расцепитель постоянного тока, разделительные диоды, шину постоянного тока (ШПТ), отдельные несинхронизированные (синхронизированные) DC/AC преобразователи напряжения, генерирующие однофазное/трехфазное напряжение, устройства автоматического ввода резерва (в случае применения несинхронизированных DC/AC преобразователей напряжения), преобразователи переменного напряжения, отдельные DC/DC преобразователи напряжения, устройства защиты от импульсных и коммутационных перенапряжений (УЗИП), устройство сбора, обработки и отображения контрольной и диагностической информации о состоянии элементов установки, параметров входных фидеров и выходов установки, устройство управления и обмена информацией с системами диспетчеризации (СД), удаленного мониторинга (УМ) и управления.
Заявляемое устройство иллюстрируют следующие графические материалы:
На Фиг.1 приведена структурная схема совмещенной питающей установки с шиной постоянного тока СПУШП, где фидер основной - 1, фидер резервный - 2, дизель-генераторный агрегат (ДГА) или фидер дополнительный - 3, вводные устройства фидеров (ВУФ) - 4, водное устройство ДГА (ВУФ-ДГА) или ВУФ дополнительный - 5, щит аварийного отключения (ЩАО) - 6, пороговые устройства контроля превышения допустимого напряжения фидеров (ПУ) - 7, фильтры напряжения фидеров (Ф) - 8, AC/DC преобразователи напряжения фидера 1-9, AC/DC преобразователи напряжения фидера 2. - 10, AC/DC преобразователи напряжения ДГА - 11, устройство автоматического заряда АКБ. - 12, DC/DC преобразователи напряжения - 13, DC/AC преобразователи напряжения - 14, устройство автоматического ввода резерва АВР - 15, устройство защиты от импульсных и коммутационных перенапряжений (УЗИП) - 16, преобразователи переменного напряжения - 17, устройство сбора, обработки и отображения контрольной и диагностической информации - 18, устройство управления и обмена информацией с системами диспетчеризации и удаленного мониторинга - 19, расцепитель постоянного тока.
На Фиг.2 приведена структурная схема устройства автоматического ввода резерва 15, где устройство контроля качества электроэнергии фидера - 21, схема логики управления коммутацией вводов - 22, коммутатор вводов - 23.
Фидеры 1, 2 предназначены для первичного энергоснабжения СПУШП, при этом фидер 1 является основным, а фидер 2 - резервным.
Дизель-генераторный агрегат (ДГА) или фидер дополнительный 3 предназначен для первичного энергоснабжения СПУШП от ДГА или от дополнительного фидера. При использовании в качестве третьего источника энергоснабжения ДГА в питающей установке применяют ВУФ-ДГА 5.
При использовании в качестве третьего источника энергоснабжения дополнительного фидера вместо ВУФ-ДГА в установке применяют допонительный ВУФ, дополнительное ПУ и дополнительный Ф.
Базовой схемой СПУШП считается схема с двумя фидерами энергоснабжения и ДГА согласно Фиг.1.
Вводные устройства фидеров 4 предназначены для подключения подводящих фидеров, защиты установки от грозовых и коммутационных импульсных перенапряжений, контроля изоляции электрических кабелей, учета потребленной электроэнергии, дистанционного аварийного отключения фидера с помощью ЩАО 6. ВУФ позволяет с помощью перемычек выбрать тип ввода (однофазный или трехфазный) в зависимости от типа фидера первичного энергоснабжения.
Вводное устройство фидера ВУФ-ДГА 5 (для варианта подключения к третьему вводу энергоснабжения ДГА) предназначено для подключения ДГА, управления пуском/остановом ДГА, в зависимости от состояния пороговых устройств 7 контроля превышения допустимого напряжения фидера и состояния AC/DC преобразователей напряжения 9, 10 двух фидеров, контроля изоляции электрических кабелей, учета потребленной электроэнергии, дистанционного аварийного отключения фидера с помощью ЩАО 6.
Щит аварийного отключения ЩАО 6 предназначен для ручного дистанционного отключения входных фидеров 1, 2, ДГА 3 и АКБ одновременно при возникновении пожароопасной ситуации. Отключение фидеров производится с помощью ВУФ 4, отключение ДГА производится с помощью ВУФ-ДГА 5, отключение АКБ производится с помощью расцепителя постоянного тока 20.
Пороговые устройства контроля превышения допустимого напряжения фидеров ПУ 7 предназначены для непрерывного контроля уровня напряжения фидера, отключения фидера от AC/DC преобразователей напряжения при повышении напряжения фидера свыше максимально допустимого и подключения фидера к AC/DC преобразователям напряжения при понижении напряжения фидера до установленного допустимого уровня, ПУ также передают информацию о своем состоянии в ВУФ ДГА.
Фильтры напряжения входных фидеров Ф 8 предназначены для фильтрации помех, всплесков напряжения входных фидеров и предотвращения возможного разрушающего воздействия на AC/DC преобразователи напряжения со стороны вводов энергоснабжения.
AC/DC преобразователи напряжения 9, 10, 11 предназначены для преобразования напряжения переменного тока входных фидеров и ДГА в постоянное напряжение шины постоянного тока.
При этом AC/DC преобразователи напряжения подключены входами к каждой из фаз подводящих фидеров, все их выходы подключены к шине постоянного тока ШПТ по схеме горячего резервирования без применения устройства АВР и элементов коммутации с механической и электрической блокировками. Построение первой ступени энергоснабжения без элементов коммутации с механической и электрической блокировками позволяет значительно повысить надежность питающей установки, так как при нестабильных параметрах входных фидеров возможны частые переключения фидеров в первой ступени энергоснабжения, приводящие к быстрому износу дорогостоящих устройств коммутации и выходу установки из строя. Электрическая мощность AC/DC преобразователей напряжения выбирается из условия поддержания заданной мощности питающей установки при работе от любых двух AC/DC преобразователей напряжения. Глубокое резервирование питания ШПТ обеспечивает высокую надежность электропитания нагрузок установки. Применение современных AC/DC преобразователей напряжения позволяет отказаться от отключения входных фидеров при отклонениях их напряжений свыше нормируемых 10%, так как современные AC/DC преобразователи напряжения поддерживают выходное напряжение с высокой точностью даже при многократных превышениях указанного диапазона отклонений входного напряжения, необходимым остается только контроль превышения допустимого напряжения фидера, способный привести к повреждению AC/DC преобразователей напряжения. AC/DC преобразователи напряжения обеспечивают гальваническую развязку ШПТ от напряжения входных фидеров питающей установки.
Аккумуляторная батарея (АКБ) через расцепитель постоянного тока и развязывающие диоды подключена к ШПТ и обеспечивает автономное питание ШПТ в течение заданного времени в случае полного отсутствия питания ШПТ со стороны AC/DC преобразователей напряжения.
Устройство автоматического заряда АКБ 12 питается от выхода ВУФ первого ввода и обеспечивает заряд и постоянный подзаряд АКБ электроэнергией основного фидера.
DC/DC преобразователи напряжения 13 предназначены для преобразования напряжения постоянного тока ШПТ в напряжения постоянного тока, необходимые для питания нагрузок постоянного тока СПУШП. DC/DC преобразователи напряжения 13 обеспечивают гальваническую развязку нагрузок постоянного тока питающей установки от ШПТ. DC/DC преобразователи напряжения могут быть включены по схеме горячего резервирования.
DC/AC преобразователи напряжения 14 предназначены для преобразования напряжения постоянного тока ШПТ в однофазное/трехфазное напряжение переменного тока, необходимое для питания нагрузок постоянного тока СПУШП. DC/AC преобразователи напряжения с возможностью внешней синхронизации могут быть включены по схеме горячего резервирования. управления без внешней синхронизации могут быть включены по схеме резервирования замещением с помощью устройства АВР 15, при этом переключение вводов в данном АВР происходит только в случае выхода из строя одного из DC/AC преобразователей напряжения. DC/AC преобразователи напряжения также обеспечивают гальваническую развязку нагрузок переменного тока питающей установки от ШПТ.
Устройство АВР 15 предназначено для контроля качества электроэнергии вводов переменного тока (выходов DC/AC преобразователей напряжения 14) и подключения к нагрузке одного из вводов, отвечающего установленным требованиям качества электроэнергии.
Устройство защиты от импульсных и коммутационных перенапряжений УЗИП 16 предназначено для защиты выхода питающей установки от импульсных и коммутационных перенапряжений со стороны нагрузок переменного тока.
Преобразователи переменного напряжения 17 предназначены для преобразования переменного напряжения с выхода устройства АВР в напряжения переменного тока, необходимые для питания нагрузок переменного тока.
Устройство сбора, обработки и отображения контрольной и диагностической информации 18 предназначено для сбора диагностической информации о состоянии элементов питающей установки. Устройство 18 подключено датчикам состояния элементов питающей установки и датчикам контроля параметров электроэнергии основных цепей питающей установки,. Устройство предназначено для анализа и обработки полученной информации, отображения информации для обслуживающего персонала, обмена информацией с устройством обработки данных и обмена информацией с системами СД (системами диспетчеризации) и УМ (удаленного мониторинга).
Устройство управления и обмена информацией 19 с системами диспетчеризации и удаленного мониторинга предназначено для управления элементами питающей установки и обмена информацией с устройством сбора, обработки и отображения контрольной и диагностической информации 18, преобразования полученной информации и обмена информацией с системами СД и УМ.
Применение устройств 18, 19 может обеспечивать как удаленный контроль и мониторинг состояния СПУШП, так и дистанционное управление отдельными элементами питающей установки.
Структурная схема устройства АВР 15 (Фиг.1) приведена на Фиг.2.
В соответствии с Фиг.2 устройство АВР может иметь устройства контроля качества электроэнергии вводов 21, схему логики управления коммутацией вводов 22, коммутатор вводов 23.
Заявляемая совмещенная питающая установка характеризуется:
1. Отсутствие переключений фидеров в первой ступени энергоснабжения.
2. Применение шины постоянного тока, обеспечивающей подключение необходимых отдельных устройств питающей установки.
3. Глубокое резервирование питания шины постоянного тока.
4. Построение питающей установки без применения УБП.
5. Построение питающей установки на отдельных устройствах электропитания:
- AC/DC преобразователи напряжения;
- АКБ;
- устройство автоматического заряда АКБ;
- DC/DC преобразователи напряжения;
- DC/AC преобразователи напряжения;
- устройства сбора, обработки и отображения контрольной и диагностической информации;
- устройство управления, обработки данных и обмена информацией с системами СД и УМ.
6. Возможность построения питающей установки в соответствии с заданными техническими характеристиками по мощности, по времени автономной работы, по устойчивости к механическому и климатическому воздействиям, по габаритам и конструтиву.
7. Возможность питания установки от однофазных фидеров энергоснабжения, трехфазных фидеров энергоснабжения, от разнородных (однофазного и трехфазного одновременно) фидеров энергоснабжения переменного тока.
8. Возможность построения питающей установки с однофазным или трехфазным, резервированным или нерезервированным выходным напряжением переменного тока.
9. Возможность организации питания нагрузок резервированным или нерезервированным напряжением постоянного тока от DC/DC преобразователей напряжения или непосредственно от шины постоянного тока.
Совмещенная питающая установка с шиной постоянного тока позволяет обеспечивать широкий спектр потребителей бесперебойным электропитанием постоянного однофазного/трехфазного переменного тока высокого качества при питании СПУШП от однофазных/трехфазных источников энергоснабжения переменного тока и значительно повысить надежность питающей установки.
Таким образом заявляемая совмещенная питающая установка с шиной постоянного тока, построенная с применением нестандартных технических решений без автоматического переключения фидеров энергоснабжения, позволяет значительно повысить надежность и качество электропитания нагрузок, имеет высокую степень живучести в условиях отказов составляющих элементов и обеспечивает высокие характеристики электропитания потребителей с повышенными и особыми требованиями к устойчивости электропитания.