АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Предлагаемая полезная модель относится к электроэнергетике и может быть использовано при организации бесперебойного электроснабжения потребителей электрической энергии переменного тока.
Известны системы аккумулирования электроэнергии и электроснабжения потребителей, использующие возобновляемые источники электрической энергии (ветроэнергетические установки, солнечные и гидроэлектрические установки или их комбинации), двигатели внутреннего сгорания и электрическую сеть переменного тока (Патенты Российской Федерации RU 1511804, 2153752, 2257656, 2444105 и другие).
Наиболее близким к заявленному решению является способ бесперебойного электроснабжения (Патент на изобретение Российской Федерации RU 2355092, H02J 9/06, 2008), позволяющий обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей с использованием возобновляемых источников энергии с аккумуляторными батареями и генератора переменного напряжения, приводимого в движение двигателем внутреннего сгорания в автоматическом режиме.
Система содержит двигатель внутреннего сгорания с генератором переменного тока, аккумуляторную батарею, солнечную батарею, ветроэлектрогенератор, конвертор, устройство подачи топлива к двигателю внутреннего сгорания, инвертор напряжения накопленной энергии, силовой коммутатор, нагрузку, блок управления, стабилизатор, электросеть. Недостатком системы является необходимость использования возобновляемых источников энергии, дизель-генераторной установки и электросети.
Технический результат предлагаемой полезной модели - повышение надежности электроснабжения потребителей электрической энергии путем использования зарядных устройств, обеспечивающих особый способ зарядки аккумуляторной батареи, снижение массогабаритных показателей и минимизация состава оборудования.
Этот технический результат достигается тем, что автономная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения потребителей, содержащая аккумуляторную батарею, инвертор, нагрузку, блок управления, конвертор, силовой коммутатор, при этом клеммы аккумуляторной батареи подключены к входу блока управления и выходу конвертора, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены вторые конвертор и аккумуляторная батарея, при этом первый и второй входы силового коммутатора соединены с клеммами соответствующих первой и второй аккумуляторных батарей, а третий вход соединен с выходом блока управления, первый выход силового коммутатора подключен к входу инвертора, выход которого подключен к нагрузке, второй выход силового коммутатора подключен к входу первого конвертора, а третий выход подключен через второй конвертор к клеммам второй аккумуляторной батареи.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить, что оно отличается от последнего способами аккумулирования электрической энергии и управления режимом зарядки аккумуляторных батарей, что позволяет сделать вывод о соответствии данного решения критерию «новизна».
Проведенный поиск и последующий сопоставительный анализ с другими известными решениями в данной области техники показал, что идентичные признаки, отличающие заявленное решение от известных не обнаружены и поэтому оно соответствует критерию «изобретательский уровень».
Применение заявленной полезной модели в электроэнергетике в области электроснабжения потребителей электрической энергии в автономном режиме обеспечивает ее соответствие критерию «промышленная применимость».
Существенными признаками являются три нижеследующих, которые входят в независимый пункт формулы технического решения. Во-первых, наличие второй аккумуляторной батареи с конвертором напряжения. Это позволяет поочередно использовать аккумуляторные батареи для питания нагрузки с целью обеспечения бесперебойного питания нагрузки и исключить применение других источников энергии. Во-вторых, в качестве конверторов используются зарядные устройства, использующий специальный способ зарядки аккумуляторных батарей с применением высокочастотных индуктивных сверхкоротких импульсов напряжения, что позволяет батареям при разряде обеспечивать питание не только нагрузки, но и заряд другой аккумуляторной батареи. В-третьих, аккумуляторные батареи должны быть подготовлены к такому способу заряда/разряда путем предварительной их подготовки (20-40 циклов заряда/разряда). При зарядке таким способом у аккумуляторных батарей отсутствует нагрев и время зарядки ниже, чем время разрядки за счет использования специального способа зарядки.
В качестве аккумуляторных батарей могут быть использованы обычные свинцово-кислотные и другие аккумуляторы.
В качестве конверторов (зарядных устройств), использующих способ зарядки с использованием высокочастотных индуктивных сверхкоротких импульсов напряжения, могут быть использованы, например, зарядные устройства, разработанные John Bedim (вращающиеся или твердотельные) (США) (Patent US 2008/0129250, H02J 7/00, 2006).
Предлагаемая автономная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения потребителей приведена на фиг.1.
Она содержит нагрузку 1 переменного тока, инвертор 2 напряжения, силовой коммутатор 3, блок 4 управления, аккумуляторные батареи 5 и 6, конверторы 7 и 8 напряжений.
Нагрузка 1 подключена через инвертор 2, к первому выходу силового коммутатора 3. Первый и второй входы силового коммутатора 3 подключены соответствующими клеммам аккумуляторных батарей 5 и 6, а третий вход подключен к блоку 4 управления. Первый и второй входы блока 4 управления подключены к клеммам соответствующих аккумуляторных батарей 5 и 6, второй выход силового коммутатора 3 через конвертор 7 подключен к клеммам аккумуляторной батареи 5, а третий выход силового коммутатора 3 через конвертор 8 подключен к клеммам аккумуляторной батареи 6.
Инвертор 2 предназначен для преобразования напряжения постоянного тока от аккумуляторных батарей в однофазное или трехфазное переменное напряжение промышленной частоты.
Силовой коммутатор 3 предназначен для поочередного переключения аккумуляторных батарей 5 и 6 к инвертору 2 и поочередной подачи питания на конверторы 7 и 8 для зарядки соответствующих аккумуляторных батарей 5 и 6.
Блок 4 управления предназначен для анализа напряжений аккумуляторных батарей 5 и 6 и управления силовым коммутатором 3: измерения напряжений аккумуляторных батарей и сравнения их между собой с целью выбора одной из них при пуске системы; измерения напряжений аккумуляторных батарей и сравнения их с пороговыми минимальными и максимальными значениями с целью выбора аккумуляторной батареи, которую следует подключить к инвертору 2, а которую необходимо включить в режим подзарядки от другой аккумуляторной батареи;
анализа уровней напряжения на заряжаемой аккумуляторной батареи и ее отключения при полной зарядке; выдачи соответствующих управляющих сигналов для переключающих устройств силового коммутатора 3.
Конверторы 7 и 8 предназначены для преобразования постоянного напряжения от аккумуляторных батарей 5 и 6 в высокочастотные индуктивные сверхкороткие импульсы напряжения. Наличие двух конверторов обусловлено требованиями надежности к системе.
Автономная система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения потребителей работает следующим образом.
В момент пуска системы нагрузка 1 через инвертор 2 и силовой коммутатор (СК) 3 подключается к одной из аккумуляторных батарей (АКБ), которые были предварительно заряжены, например, 5, имеющей напряжение на клеммах, превышающее напряжение другой АКБ 6. Формирование соответствующих управляющих сигналов для СК 3 осуществляется блоком 4 управления (БУ). АКБ 6 к инвертору 2 не подключена, так как БУ 4 предусматривает подключение только одной АКБ - 5 или 6.
Если величина напряжения АКБ 6 находится в интервале от Uмин (нижнее значение порогового значения) до Uмакс (верхнее значение порогового значения), то АКБ 6 находится в режиме ожидания. При снижении напряжения на ней ниже Uмин БУ 4 подключает АКБ 6 к АКБ 5 через конвертор 8 для подзарядки. В БУ 4 в процессе зарядки того или иного аккумулятора происходит периодическое измерение напряжения заряжаемого аккумулятора и производится сравнение последующего значения с предыдущим. Если разница между этими показаниями меньше некоторого значения ΔU, то процесс подзарядки прекращается путем отключения в СК 3 конвертора заряжаемого аккумулятора.
В процессе работы по мере разрядки АКБ 5 уровень напряжения на ее клеммах снижается и при достижении им порогового уровня Uмин БУ 4 выдает соответствующие управляющие сигналы на СК 3 - переключение входа инвертора 2 с АКБ 5 на АКБ 6 и подключение АКБ 5 через конвертор 7 на подзарядку от АКБ 6.
В связи с тем, что время зарядки АКБ 5 меньше, чем время разряда АКБ 6 при ее работе на нагрузку в номинальном режиме, то к моменту достижения уровня напряжения на АКБ 6 минимально допустимого, АКБ 5 уже будет полностью заряжена и готова к работе. Далее работа системы продолжается в соответствии с описанным выше алгоритмом работы.
Таким образом, благодаря использованию способа зарядки аккумуляторных батарей высокочастотными индуктивными сверхкороткими импульсами напряжения, реализованного в конверторах, использованию регулятора напряжения, система аккумулирования электроэнергии и электроснабжения потребителей может работать в автономном режиме без применения дополнительных источников энергии с высокой эффективностью. При этом она имеет значительно меньшие массогабаритные показатели и более высокую надежность и низкую стоимость за счет снижения количества используемого оборудования и меньшего числа связей.
Предлагаемое техническое решение основано на результатах длительных исследований в лаборатории John Bedim (США), которые показали высокую эффективность использованного способа зарядки аккумуляторных батарей высокочастотными индуктивными сверхкороткими импульсами напряжения.