УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ИСТОЧНИКА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники и электроники и может быть использована для защиты источников бесперебойного питания (ИБП) и другой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) от недопустимых перенапряжений в сети электроснабжения переменного тока, присутствующих в виде высокоэнергетических высоковольтных импульсов и повышенного уровня напряжения сети.
Известны аналоги – устройства защиты от сетевых перенапряжений, приводящих к сбоям и отказам РЭА – В.А. Колосов, «Электропитание стационарной радиоэлектронной аппаратуры», М.: Радио и связь 1992 г., с. 23…26, 34…62, В.А. Колосов, «Защитные устройства от перенапряжений в сетях электроснабжения информационных систем // Вопросы радиоэлектроники» 2015 г., №7, с. 158-165. Недостатком аналогов является низкая эффективность устройств защиты.
Известен аналог – сетевое защитное устройство – RU2533184, дата приоритета 31.05.2013, содержащее модуль ограничения напряжения, силовые ключи, входную плавкую вставку, модуль контроля и управления, содержащий сигнал «выжигание плавкой вставки», приходящий на промежуточный силовой ключ, и сигнал «вкл/выкл», приходящий на выходной силовой ключ.
Недостатком аналога является необходимость использования в модуле ограничения напряжения варисторов с классификационным напряжением свыше 0,5кВ для исключения открытия варисторов в модуле ограничения напряжения при повышенном, но допустимом уровне напряжения сети. При этом напряжение ограничения сетевых импульсов при токе в десятки - сотни ампер, проходящем через такие варисторы, получается свыше 0,7кВ, что противоречит требованию о напряжении ограничения не более 0,5кВ по ГОСТ Р 56115-2014. Указанное требование по данному стандарту, в дополнение к требованиям стандартов по средствам защиты от атмосферных и коммутационных сетевых перенапряжений, необходимо учитывать при создании устройств защиты ИБП (УЗИБП), обеспечивающих электропитанием ответственную РЭА, выполняемую по стандартам для автоматизированных системам в защищённом исполнении (АСЗИ).
Известен аналог – устройство защиты источника бесперебойного питания – статья В.А. Колосова «Ограничение преднамеренных силовых импульсных перенапряжений в сетях электропитания автоматизированных систем в защищённом исполнении», Вопросы радиоэлектроники 2018 г., №5, с. 120-125, принятое в качестве прототипа, содержащее два варисторных модуля ограничения напряжения (МОН1, МОН2), два тиристорных ключа (КТ1, КТ2), модуль защиты коммутирующего типа (МЗК), модуль индикации и сигнализации (МИС), пороговый модуль открытия ключей (ПМОК),  пороговый модуль напряжения импульсов (ПМНИ), пороговый модуль напряжения сети (ПМНС), коммутатор (К), сигнал отключения коммутатора (СО), шины фазы (L), нейтрали (N), защитного заземления (PE), соединяемого с корпусами изделий и модулем защиты коммутирующего типа (МЗК), включённым между шинами N и PE. Наличие двух тиристорных ключей, последовательно соединённых с модулем ограничения напряжения МОН2, позволяет использовать варисторы с низким классификационным напряжением, обеспечивая напряжение ограничения не более 0,5кВ.
Недостатком аналога является отсутствие пороговых модулей, контролирующих недопустимые превышения энергии, рассеиваемой в варисторах МОН2 при сетевых перенапряжениях, приводящих к выходу варисторов из строя.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении надёжности устройства защиты источника бесперебойного питания и безопасности функционирования источника бесперебойного питания за счет снижения до допустимых уровней сетевых перенапряжений в виде высокоэнергетических высоковольтных импульсов и превышений сетевого напряжения на входе ИБП, с отключением сети электроснабжения от ИБП и устройства защиты ИБП (УЗИБП) при параметрах перенапряжений, достигающих предельно допустимые значения, а также отключение сети при недопустимых уровнях энергии, рассеиваемой в варисторах модуля  МОН2.
Технический результат достигается в УЗИБП, содержащем два модуля ограничения напряжения (МОН), два ключа тиристорных (КТ), модуль защиты коммутирующего типа (МЗК), пороговый модуль открытия ключей (ПМОК), пороговый модуль напряжения импульса (ПМНИ), пороговый модуль напряжения сети (ПМНС), ПМОК связан сигналами управления с каждым из КТ, пороговые модули ПМНИ и ПМНС имеют выходы для передачи сигнала отключения коммутатора (СО), ПМНИ и ПМНС связаны информационными сигналами с модулем индикации и сигнализации (МИС), имеются пороговые модули предельных уровней энергии от воздействия импульсов (ПМЭИ) и  предельных уровней энергии от перенапряжения в сети (ПМЭС), причем ПМЭИ и ПМЭС соединены линией сигнала запрета от ПМОК, первый МОН, первый КТ, а также ПМОК, связаны с линией для подключения фазы L1 коммутатора, пороговые модули ПМНИ и ПМНС связаны с линией для подключения фазы L2 коммутатора и имеют выходы для передачи сигнала отключения коммутатора, информационные выходы ПМЭИ, ПМЭС соединены с входами МИС, сигнальные выходы ПМНИ, ПМЭИ, ПМНС, ПМЭС связаны с линией подключения управляющего входа коммутатора.
На фиг.1 представлена  структурная схема устройства защиты источника бесперебойного питания.
На фиг.2 представлена электрическая схема пороговых модулей ПМЭИ и ПМЭС.
Устройство защиты источника бесперебойного питания содержит два модуля ограничения напряжения (МОН) 1, 2, два ключа тиристорных (КТ) 3, 4, модуль защиты коммутирующего типа (МЗК) 5, пороговый модуль открытия ключей (ПМОК) 6, пороговый модуль напряжения импульса (ПМНИ) 7, пороговый модуль напряжения сети (ПМНС) 8, ПМОК 6 связан линиями сигнала управления с каждым из КТ 3, 4, пороговые модули напряжения импульса ПМНИ 7 и ПМНС 8 имеют выходы, связанные с линией 9 для подключения управляющего входа коммутатора 10 для его отключения сигналом СО, ПМНИ 7 и ПМНС 8 связаны линиями информационных сигналов с модулем индикации и сигнализации (МИС) 11, имеются пороговые модули предельного уровня энергии импульса (ПМЭИ) 12 и предельного уровня энергии перенапряжения в сети (ПМЭС) 13, причем ПМЭИ 12 и ПМНС 13 соединены линией сигнала запрета (СЗ) от ПМОК 6, первый МОН 1, первый КТ 3, а также ПМОК 6, связаны с линией 14 для подключения фазы L1 коммутатора 10, а ПМНИ 7, ПМЭИ 12, ПМНС 8, ПМЭС 13 связаны с линией 15 для подключения фазы L2 коммутатора 10,  информационные выходы ПМЭИ 12, ПМЭС 13 соединены с входами МИС 11,  сигнальные выходы ПМНИ 7, ПМЭИ 12, ПМНС 8, ПМЭС 13 связанны с линией 9 подключения управляющего входа коммутатора 10, соединённого по силовому входу с линией 16 и силовому выходу с ИБП 17.
Рассмотрим пример конкретной реализации УЗИБП.
Повышение надёжности функционирования УЗИБП достигается отключением сети электроснабжения 16 от источника бесперебойного питания 17 при недопустимых значениях энергии, рассеиваемой в варисторах второго МОН 2, с помощью пороговых модулей ПМЭИ 12 и ПМЭС 13, определяющих предельные значения энергии от импульсов и повышенного напряжения сети соответственно.  Повышение надежности является также следствием предложенного варианта исключения коммутатора 10 из состава устройства защиты источника бесперебойного питания с разделением на две шины фазных сетевых входов (L1, L2) , обеспечивающих функционирование ПМНИ 7, ПМЭИ 12, ПМНС 8, ПМЭС 13 и МИС 11 после отключения коммутатором 10 сети от МОН 1, 2,  КТ 3, 4, ПМОК 6.
При мощности нагрузки ИБП 17 менее 5кВт возможен вариант установки коммутатора 10 в устройство защиты источника бесперебойного питания.
Включение в состав устройства защиты источника бесперебойного питания модуля ПМЭИ 12 необходимо из-за возможного появления сетевых импульсов с повышенной длительностью или в виде некоторой их последовательности – пачки импульсов. При амплитуде таких импульсов с уровнем, при котором напряжение ограничения ниже 500В, ПМНИ 7 не срабатывает, сеть не отключается, и значение энергии, рассеиваемой устройством МОН 2, может достигать уровня разрушения варисторов. Слежение за уровнем энергии и формирование сигнала отключения сети выполняет ПМЭИ 12.
Включение в состав устройства защиты источника бесперебойного питания модуля ПМЭС 13 необходимо из-за возможного появления уровня напряжения сети в диапазоне от порога открывания ключей КТ 3, КТ 2, например, 400В (действующее значение около 280 В) до порога срабатывания ПМНС 8 и отключения сети при 500В (действующее значение около 350 В). При отмеченном диапазоне сетевого перенапряжения, действующего в течение нескольких периодов, значение энергии, рассеиваемой варисторами МОН 2, может достигать уровня разрушения варисторов. Слежение за уровнем энергии и формирование сигнала отключения сети выполняет ПМЭС 13.
Пороговые модули ПМЭИ 12 и ПМЭС 13 различаются друг от друга параметрами элементов R1, C1, VD1, указанных на фиг.2, выбираемыми таким образом, чтобы постоянная времени цепи R1, C1 и напряжение на стабилитроне VD1 формировали сигнал СУ4 от ПМЭИ 12 и сигнал СУ6 от ПМЭС 13, соответствующими моментам приближения энергии, рассеиваемой в варисторах МОН2, к предельно допустимым значениям. Цепь сигнала запрета (СЗ) в ПМЭИ 12 и ПМЭС 13 формируется от ПМОК 6 на время открытого состояния ключей КТ 3, 4. При этом повышается точность срабатывания ПМЭИ 12, ПМЭС 13 относительно уровня предельно допустимого значения энергии.
Рассмотрим устройство защиты источника бесперебойного питания в работе. При появлении сетевых высоковольтных импульсов с длительностью в микросекундном диапазоне их ограничение происходит модулем МОН 1 с уровнем ограничения не более 1000В. При появлении сетевых высоковольтных импульсов с длительностью в миллисекундном диапазоне, в течение первых 5 - 10 мкс ограничение происходит модулем МОН 1, затем по сигналам от ПМОК 6 при уровне амплитуды импульса около 400В открываются ключи КТ 3, 4 и ограничение амплитуды импульса происходит модулем МОН 2 с уровнем не более 500В.  Закрытие ключей производит ПМОК 6 при снижении импульса до уровня менее 400В. При амплитуде сетевых импульсов свыше 4 – 6 кВ возможно достижение напряжением ограничения уровня 500В. При этом ПМНИ 7 формирует сигнал  СУ3 отключения сети сигналом СО. При появлении импульса повышенной длительности (свыше 5 – 10 мс) или пачек импульсов энергия, рассеиваемая в варисторах модуля МОН 2, может достигнуть предельно допустимого уровня. При этом ПМЭИ 12 формирует сигнал отключения сети СО.
При повышении напряжения сети свыше 280В в момент достижения ординатой синусоидального напряжения значения 400В по сигналам СУ1, СУ2 от ПМОК 6 открываются КТ 3, 4 и МОН 2 осуществляет ограничение напряжения сети на входе ИБП 17. Закрытие КТ 3, 4 осуществляет ПМОК 6 при снижении напряжения сети до уровня менее 280В.  При достижении напряжением на варисторах МОН 2 значения около 350В (амплитуда около 500В) ПМНС 8 формирует сигнал отключения сети СО.   При напряжении на варисторах МОН 2 свыше 400В (сеть 280В) и менее 500В (сеть 350В) энергия, рассеиваемая в варисторах МОН 2, при нескольких периодах напряжения сети может достигнуть предельно допустимого уровня. При этом, ПМЭС 13 формирует сигнал отключения сети СО.
Включение в состав УЗИБП модулей ПМЭИ 12 и ПМЭС 13 повышает показатели надёжности за счёт исключения выходов из строя варисторов при недопустимых уровнях рассеиваемой ими энергии в модуле МОН  2.
Промышленная реализуемость заявляемой полезной модели и получение технического результата подтверждаются  модулем типа СЗМ-018 (прототип), прошедшим необходимые испытания, а также макетированием УЗИБП. Заявляемая полезная модель соответствует условиям патентоспособности «новизна», учитывая имеющиеся сведения о средствах того же назначения.
Заявляемая полезная модель соответствует условиям патентоспособности «промышленная применимость», учитывая производство прототипа – устройства типа СЗМ-018, описанного в  статье:  В.А. Колосов. Ограничение преднамеренных силовых импульсных перенапряжений в сетях электропитания автоматизированных систем в защищённом исполнении // Вопросы радиоэлектроники. 2018. №5. с. 120-125.