УСТРОЙСТВО СБАЛАНСИРОВАННОГО СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
DEVICE FOR BALANCED STABILISED POWER SUPPLY TO HIGH-DUTY CONSUMERS

Область техники
Изобретение относится к области энергетики, и предназначено для электропитания потребителей постоянного тока большой мощности, и позволяет высокоэффективно с максимальным КПД (на уровне современных преобразователей) осуществлять прецизионное регулируемое питание потребителей постоянного тока.
Данная разработка может быть реализована в сложных технологических комплексах большой мощности, связанных с одновременной работой большого числа мощных двигателей постоянного и переменного тока, амплитудно-частотных регуляторах разного назначения, нагревателях, электродуговых испарителях, высокочастотных индукционных печах и нагревателях, вентиляционных и обдувочных устройствах, узлах регулировки температуры различных объектов, устройствах формирования магнитных и электрических полей, работающих в таких энергоемких отраслях производства, как металлургия, энергетика, металлопрокатное производство, ускорительная техника и др.
В настоящее время электроснабжение промышленных предприятий ведется на переменном трехфазном токе. Зачастую, с целью достижения бесперебойности питания (БП) в энергосистему включена дизельная установка, аккумуляторная батарея, которая обеспечивает и оперативное питание потребителей постоянного тока, причем мощности потребителей, преобразователей, двигателей-генераторов, механических выпрямителей могут отличаться в десятки раз. Например, выпрямители - по потребляемой нагрузкой мощности - делятся на маломощные - единицы кВт, средней мощности - десятки кВт и большой мощности - более 100 кВт [5]. В отношении источников бесперебойного питания (ИБП) к маломощным принято относить устройства от 250 до 3000 вт, к средней мощности - от 3 до 30 кВт, большой мощности - от 10 до нескольких сотен кВт. В предлагаемом изобретении речь идет о прецизионном питании десятков потребителей суммарной мощностью выше верхнего приведенного диапазона с использованием одного регулируемого выпрямителя.
Уровень техники
Известны энергетические комплексы сопоставимой, чаще меньшей, мощности с близкими по назначению и требованиям к параметрам.
В приведенных ниже аналогах в качестве основного элемента энергообмена, либо источника энергии фигурирует аккумуляторная батарея (АБ), хотя могут использоваться, с разной степенью эффективности, и другие накопители - сверхпроводящие, криогенные, механические, теплые индуктивные, экзотические, емкостные и пр. Последний из перечисленных способов накопления энергии - конденсаторная батарея - по мощностным (мегаватный уровень) и экономическим параметрам максимально приближен к решаемым в предложенной заявке задачам.
Так, например, в изобретении [1] содержится один источник постоянного тока, который питает разными токами несколько потребителей. При этом разница в токах отдельных потребителей возникает при подключении разного числа АБ, либо секций внутри отдельной АБ. Один - основной источник, он же является зарядным агрегатом (выпрямитель) - служит лишь для предварительного заряда АБ. Результат достигается переключением разного числа батарей и секций по отношению к каждому потребителю в отдельности. Переключения осуществляются механическими коммутаторами - по командам с управляющего устройства. Количество таких сборок-источников - соответствует числу потребителей. В изобретении [1] нагрузки по отношению к источнику питания подключены параллельно, хотя основных источников один, но число сборок АБ соответствует числу нагрузок; при этом каждая сборка АБ, фактически, является, как и в обычной системе, автономным источником питания своего потребителя.
Недостатками изобретения являются:
- отсутствует возможность плавного регулирования подводимой к потребителю мощности, регулирование осуществляется дискретно с шагом секции, с шагом элемента АБ;
- работающее в ручном режиме «управляющее устройство» не обеспечивает разнообразие требований, предъявляемых к современным преобразователям, связанное с точностью регулирования выбранного параметра мощности, поддержанием оптимального режима эксплуатации, реверсом тока на каждом потребителе и др;
- дополнительный фактор нестабильности, вызванный падением напряжения на потребителе, обусловленным падением напряжения на элементах батареи в процессе разряда, которое может достигать десятка процентов;
- стационарная кабельная сеть соединений с потребителями состоит из кабелей с избыточным сечением (каждый кабель может, при определенном сочетании коммутаторов, оказаться в режиме максимального тока, тогда как другие обесточены), в таком устройстве затраты на кабельную сеть максимальны.
В устройстве [2] предполагается включение в систему энергоснабжения инвертора, который запитывается от аккумулятора постоянного тока и подключен своим выходом параллельно с основным электроснабжением потребителя, с измерительным устройством, включенным в цепь подключения потребителя и управляющим устройством. Оператор в случае прогнозируемого превышения энергопотребления, может инициировать подпитку электроэнергией от предварительно заряженной АБ через инвертор. Рассматривается большое число заявленных изобретением режимов работы системы, разнообразные свойства потребителей и источников энергии, недостатком устройства является осуществление оператором ручного управления и контроля параметров.
Изобретение [3] представляет ряд способов размещения конденсаторов по отношению к одному или нескольким источникам энергии, потребителям и группам потребителей электроэнергии средней и большой мощности и с разным ее качеством и бесперебойностью. В основе схем лежит конденсатор (или группа), имеющий относительно высокую мощность накопления энергии, подключенный к указанному источнику и к потребителю (потребителям) через систему распределения электроэнергии, тракт передачи части электроэнергии от указанного источника в указанный конденсатор для накопления энергии в период низкого ее потребления, устройство для преобразования электроэнергии переменного тока от указанного источника в электроэнергию постоянного тока для хранения в конденсаторе, инвертор преобразования и передачи накопленной конденсатором энергии в систему распределения электроэнергии в период высокого ее потребления, контрольно-измерительную аппаратуру для обеспечения автоматического подключения конденсатора к источнику электроэнергии и к системе распределения электроэнергии. При этом накопительный конденсатор и оборудование энергообмена могут:
а) располагаться на источнике электроэнергии или поблизости от него,
б) быть выполнены на подвижном средстве с возможностью зарядки в одном месте и разрядки здесь же или в других местах,
в) подключаться в моменты просадок основной питающей сети,
г) подключаться на время удорожания стоимости энергии.
Недостатком использования конденсаторного накопителя энергии, в отличие от АБ, следует считать относительно резкое падение напряжения на конденсаторах при длительном отборе мощности, что снижает устойчивость работы преобразователей и усложняет их конструкцию. На аккумуляторной батарее напряжение меняется в значительно меньшем диапазоне за все время отдачи ее мощности (режима критического разряда исключается). Кроме того, накопители на конденсаторах, ионисторах, обладая энергоемкостью на уровне десятков мегаджоулей, представляют из себя объемные, сложные в техническом отношении, дорогостоящие сооружения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению, является устройство [4], включающее регулируемый источник постоянного тока, аккумуляторную батарею, датчики контроля параметров электроэнергии, потребители электроэнергии, снабженные широтно-импульсными модуляторами (ШИМ)-преобразователями, каждый из которых включает высокочастотный трансформатор, ШИМ-контроллер, узел быстродействующей защиты, силовые коммутаторы и драйверы. Авторы изобретения [4] предлагают повысить КПД и уменьшить массогабаритные характеристики системы путем создания нескольких стабилизированных, гальванически развязанных каналов питания потребителей постоянным током, без двойного преобразования. В каждом канале - по числу потребителей - запитанном от одного общего выпрямителя, имеется ШИМ преобразователь (инвертор), управляющее устройство, коммутатор импульсов, высокочастотный трансформатор мощности выпрямитель. Трансформатор намотан с двумя первичными обмотками, по которым независимо может производиться передача высокочастотной мощности с последующим выпрямлением потребителю данного канала. При этом зарядно буферное устройство (ЗБУ) аккумуляторной батареи, устроенное также принципу ШИМ преобразователя, является маломощным, обеспечивающим заряд АБ только при отключенных потребителях системы. В нормальном режиме ЗБУ обеспечивает только подзаряд АБ, а потребители питаются от одного общего выпрямителя через индивидуальный преобразователь. Авторы [4] исключили двойное преобразование, дополнительно повысив КПД.
Система питания [4] устроена по принципу параллельного питания потребителей от общего источника по индивидуальной кабельной трассе для каждого потребителя, причем мощность преобразователя соответствует мощности потребителя. Недостатком [4] является ограничение мощности потребителя на уровне средней, т.е., на сегодня, ограничена десятками киловатт, причем цена за каждый кВт при ШИМ преобразовании примерно в 2-3 раза выше в сравнении с тиристорными аналогичной мощности. Кроме того, [4] не предусматривает возможности регулировки выбранного параметра энергопотребления.
Раскрытие изобретения
Изобретение решает задачу получения максимального КПД устройства при соблюдении режима точного регулирования передачи электроэнергии потребителям в режиме автоматического управления агрегатами большой мощности, обеспечивая современное качество энергопотребления.
Техническая задача решается тем, что предлагаемое устройство включает регулируемый источник постоянного тока, аккумуляторную батарею, датчики контроля параметров электроэнергии, потребители электроэнергии. Потребители электроэнергии снабжены широтно-импульсными модуляторами (ШИМ)-преобразователями, каждый из которых включает высокочастотный трансформатор, ШИМ-контроллер, узел быстродействующей защиты, силовые коммутаторы и драйверы. Потребители электроэнергии подключены к источнику постоянного тока последовательно, а параллельно каждому потребителю подсоединен индивидуальный универсальный реверсивный управляемый ШИМ-преобразователь с возможностью стабилизации выбранного параметра электроэнергии каждого отдельного потребителя. ШИМ-преобразователь дополнительно включает индивидуальные датчики обратной связи, узел регулятора, индивидуальную плату цифрового преобразования, подключенную к линии цифрового обмена компьютера.
Отличительными признаками изобретения являются:
- потребители электроэнергии подключены к источнику постоянного тока последовательно, что позволяет пропускать средний ток от общего для всех потребителей управляемого нестабилизированного выпрямителя (например, тиристорного) большой мощности;
- параллельно каждому потребителю подсоединен индивидуальный универсальный реверсивный управляемый ШИМ-преобразователь, который осуществляет регулируемый токоотбор, либо токодобавку до требуемого уровня выбранного параметра стабилизации энергопотребления;
- индивидуальные датчики обратной связи с узлом регулятора входят вместе с реверсивным ШИМ-преобразователем в систему автоматического регулирования выбранного параметра стабилизации энергопотребления;
- индивидуальная универсальная плата цифрового преобразования (ИКЦП) подключена к линии цифрового обмена компьютера, которая встроена в узел реверсивного преобразователя и, помимо функции цифрового преобразования измеряемых сигналов, призвана вырабатывать общий перечень функций - включение, отключение, отклики, задание опорных уровней сигналов управления агрегатом. Все платы ИКЦП включены параллельно через линию связи с компьютером, который устанавливает и поддерживает выбранный режим системы, последовательно опрашивая датчики агрегатов, потребителей системы, аккумуляторной батареи.
Схема устройства представлена на Фиг.1, где
1-1, 1-2, 1-n - потребители электроэнергии,
2 - канал последовательно соединенных потребителей,
3 - общий кабель,
4 - регулируемый, нестабильный источник большой мощности,
5 - реверсивные преобразователи,
6 - аккумуляторная батарея,
7 - датчик электроэнергии,
8 - индивидуальные платы цифрового обмена,
9 - линия цифровой связи,
10 - компьютер,
11 - регулятор стабилизации параметра,
12 - высокочастотный трансформатор.
Потребители 1-1, 1-2, … 1-n энергии постоянного тока соединены последовательно и образуют канал - 2 последовательно соединенных потребителей. Канал одним для всех потребителей общим кабелем - 3 подключен к регулируемому, нестабильному источнику большой мощности - 4. Параллельно с каждым потребителем тока основного источника включены реверсивные преобразователи - 5-1, 5-2, … 5-n (по числу потребителей), способные осуществлять реверсивный обмен энергией с аккумуляторной батареей - 6. Датчик электроэнергии - 7-1 связан через индивидуальную плату цифрового обмена - 8 по линии цифровой связи - 9 с компьютером - 10. Реверсивный преобразователь включает в себя регулятор 11 стабилизации параметра, драйверы, силовые коммутаторы, высокочастотный трансформатор - 12.
Устройство работает следующим образом.
Вместо традиционного способа питания потребителей постоянного тока регулируемой мощностью, заключающемся, чаще всего, в независимом и раздельном питания каждого отдельного потребителя индивидуальным регулируемым источником и кабелями связи, потребители 1-1, 1-2, …, 1-n энергии постоянного тока соединены последовательно и образуют канал - 2 последовательно соединенных потребителей. Канал одним для всех потребителей общим кабелем - 3 подключен к регулируемому, нестабильному источнику большой мощности - 4 (низкие требования к источнику обуславливают и его низкую стоимость).
Параллельно с каждым потребителем тока основного источника включены реверсивные преобразователи - 5-1, 5-2, … 5-n (по числу потребителей), способные осуществлять реверсивный обмен энергией с аккумуляторной батареей - 6. Реверсивный преобразователь автоматически, с использованием сигнала с датчика электроэнергии - 7-1, связанного через индивидуальную плату цифрового обмена - 8 по линии цифровой связи - 9 с компьютером - 10, осуществляет стабилизацию напряжения АБ параллельно со стабилизацией выбранного параметра электроэнергии потребителя. Возможны два режима работы реверсивного преобразователя - режим отъема мощности, либо режим добавки мощности от (к) потребителю. Реверсивный преобразователь включает в себя регулятор 11 стабилизации параметра, формирующий управляющее широтно-импульсным модулятором напряжение, драйверы, силовые коммутаторы, высокочастотный трансформатор - 12. Стабилизация выбранного параметра потребителя осуществляется, как ив случае АБ, компьютером через обратную связь по контуру, включающего себя - датчики энергии, индивидуальные платы цифрового обмена, линии цифровой связи, узел регулятора, широтно-импульсный модулятор, драйверы, коммутаторы, высокочастотный трансформатор, коммутаторы.
В представленной заявке основная мощность для потребителя генерируется общим источником большой мощности, а стабильность достигается прецизионным реверсивным преобразователем (ШИМ) мощностью плюс, либо минус по отношению к общему источнику. При этом диапазон регулирования равен удвоенной мощности реверсивного преобразователя. Возникает новое качество системы, связанное с возможностью управления энергосистемой большой мощности, когда основная часть мощности потребителя поступает от основного - единственного источника, а обеспечивающая диапазон и точность регулирования мощность поступает от реверсивного преобразователя. При этом единственная АБ выполняет оригинальную функцию энергообмена - демпфера - накопителя энергии с последующей рекуперацией ее излишков с помощью преобразователей либо в сеть, либо потребителям с недостающей энергией, что позволяет достичь максимальной экономии электроэнергии, улучшению параметров регулирования системы. Компьютерное управляющее устройство автоматически реализует дополнительные цели, связанные с накоплением отнимаемой и излишней для нагрузок энергии. В устройстве задействованы только современные преобразователи энергии, что приводит к максимальному КПД.
Заявляемое изобретение предусматривает расширение функциональности и новое качество устройства на базе компьютера. Появилась возможность питания потребителей значительно большей мощности со стабилизацией любого выбранного параметра энергопотребления (ток, напряжение, мощность, температура и т.д.).
Литература
1. Шведюк И.П., Шумаков Н.А. Патент РФ №2028706 «Многоканальная система питания» - от 09.02.1995
2. ШВАЙГЕРТ Харальд (AT), АППЕЛЬ Вильхельм (AT) Патент РФ №2340992 «Устройство для покрытия пиковой нагрузки» - от 10.02.2005
3. ПРОВАНЗАНА Джон М. (US) и др. Патент РФ №2298867 «Система выравнивания силовой нагрузки и пакетное накопление энергии» - от 10.10.2001
4. Никитин Игорь Евгеньевич, Бушуев Владимир Михайлович Патент РФ №2221320 «Устройство бесперебойного электропитания многоканальное стабилизирующее» - от 18.12.2001
5. Материал из Интернета: http://electricalschool.info/