Источник бесперебойного электропитания

Полезная модель относится к источникам бесперебойного электропитания электронного, электрического или электромеханического оборудования с заряжаемым от сети накопителем энергии и может быть использована для бесперебойного электропитания упомянутого оборудования, в том числе удаленно установленного оборудования  трубопроводного транспорта.
Известно устройство для энергоснабжения электронного, электрического или электромеханического оборудования по патенту РФ 2441307 (опубл. 27.01.2012). Устройство содержит заряжаемый источник питания для предоставления энергии оборудованию, блок управления заряжаемым источником питания, соединенный через разъем с внешним источником питания и имеющий возможность мониторинга и обеспечения контролируемой зарядки заряжаемого источника питания, и соединенный с заряжаемым источником питания блок управления оборудованием для управления передачей энергии от заряжаемого источника питания к оборудованию. Заряжаемый источник питания предоставляет энергию оборудованию во время его работы.
Основным недостатком устройства является то, что в нем не предусмотрено энергоснабжение оборудования непосредственно от внешнего источника питания. Поэтому заряжаемый источник питания постоянно работает при работе оборудования, что сокращает срок службы заряжаемого источника питания и снижает эффективность работы устройства.
Известно устройство для заряда аккумулятора по патенту РФ 2238608 (опубл. 20.10.2004). Устройство содержит внешний источник питания постоянного тока, соединенный с нагрузкой основной линией питания. Аккумулятор связан с нагрузкой резервной линией питания, включающей в себя преобразователь напряжения, ключевой элемент, генератор импульсов управления зарядом, блок определения наличия аккумулятора, схему индикации переполюсовки, первый и второй резисторы.
Основным недостатком устройства является наличие в резервной линии питания множества энергозатратных блоков, что увеличивает потери энергии и снижает КПД работы устройства.
Кроме того, устройство имеет два выхода, один из которых служит для снабжения нагрузки основным напряжением питания, а другой – резервным напряжением питания. В результате подключаемая нагрузка должна иметь два входа, что ограничивает применение широкого ряда нагрузок, имеющих один вход.
Известен источник бесперебойного электропитания по патенту РФ 114564 (опубл. 27.03.2012). Данный источник содержит выпрямитель, подключенный к питающей сети переменного напряжения. Выпрямитель соединен с нагрузкой  через последовательно включенные в линию основного питания зарядное устройство и разрядное устройство. Зарядное устройство обеспечивает заряд аккумуляторной батареи, разрядное устройство служит для обеспечения питания нагрузки от аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея подключена к разрядному устройству через блок защиты от глубокого разряда и блокирующий диод в его прямом направлении.
Основным недостатком источника является последовательное включение в линию основного питания зарядного устройства и разрядного устройства. Это приводит к тому, что указанные устройства, в схему которых входят энергозатратные элементы, постоянно работают и при наличии, и при отсутствии в сети нормального напряжения, что снижает энергоэффективность источника бесперебойного электропитания и надежность его работы.
В данном источнике величина напряжения на аккумуляторной батарее не превышает величину напряжения в основной линии питания, т.к. в противном случае блокирующий диод в режиме работы от сети откроется, и батарея будет разряжаться в сеть. Это не позволяет увеличить напряжение батареи, и следовательно, обеспечить питанием мощную нагрузку.
Известен источник бесперебойного энергоснабжения по патенту  РФ 180664 (опубл. 20.06.2018), который содержит основную линию питания для соединения внешнего источника питания с нагрузкой, зарядное устройство, соединенное с аккумуляторной батареей, соединенной с разрядным устройством. Зарядное и разрядное устройства электрически параллельно подключены к основной линии питания. При сбое питающего напряжения разрядное устройство берет питание с аккумуляторной батареи и повышает напряжение до соответствующего уровня, необходимого для питания нагрузки.
В данном источнике снижены электрические потери за счет параллельного подключения к основной линии питания разрядного и зарядного устройств. Однако наличие в схеме разрядного устройства, в состав которого входят энергозатратные элементы, снижает энергоэффективность источника питания. Кроме того, разрядное устройство является импульсным и коммутирует на высокой частоте,  что приводит к нежелательным электромагнитным помехам, снижающим надежность работы источника.
За ближайший аналог выбран источник бесперебойного электропитания по патенту РФ 167946 (опубл. 13.01.2017), в котором основная линия питания для соединения внешнего источника питания с нагрузкой содержит выпрямитель, подключенный к питающей сети переменного тока, последовательно соединенный с ним инвертор, шину постоянного тока между указанными выпрямителем и инвертором, соединенным с нагрузкой. Шина постоянного тока через зарядно-разрядный блок соединена с аккумуляторной батареей. Встречно-параллельно зарядно-разрядному блоку подсоединен байпасный диод для питания инвертора при отказе зарядно-разрядного блока.
Сетевое напряжение переменного тока преобразуется в напряжение постоянного тока, а затем происходит обратное преобразование постоянного напряжения в переменное, которым и питают нагрузку. Если в сети происходит сбой, инвертор начинает питаться от аккумуляторной батареи через зарядно-разрядный блок и шину постоянного тока.
Недостатком источника питания является его низкая энергоэффективность. Это обусловлено использованием технологии двойного преобразования электрической энергии в штатных режимах работы как от сети, так и от аккумулятора. А также использованием энергозатратного зарядно-разрядного блока в штатном режиме работы от аккумулятора, что увеличивает потери и снижает КПД источника.
В данном источнике невозможно увеличить напряжение аккумуляторной батареи до величины, превышающей напряжение сети, т.к. в этом случае батарея будет разряжаться в сеть через шину постоянного тока при работе источника от сети. В результате аккумуляторная батарея имеет небольшой запас энергии, который не позволяет обеспечить питанием мощную нагрузку.
Таким образом, актуальна проблема разработки надежного и энергоэффективного источника бесперебойного электропитания, имеющего высокую выходную мощность.
Технической задачей полезной модели является энергоэффективная работа источника бесперебойного электропитания оборудования, в том числе оборудования повышенной мощности, за счет обеспечения максимального КПД при передаче увеличенного запаса энергии батареи в нагрузку.
Технический результат полезной модели заключается в обеспечении электропитания нагрузки повышенной мощности.
Технический результат достигается тем, что источник бесперебойного электропитания, как и ближайший аналог, содержит основную линию питания, выполненную с возможностью соединения внешнего источника питания с нагрузкой, зарядное устройство для заряда последовательно соединенной с ним аккумуляторной батареи, электрически параллельно подключенное к основной линии питания, датчик напряжения для измерения напряжения в основной линии питания и блок управления. В отличие от ближайшего аналога, выход аккумуляторной батареи последовательно соединен с нагрузкой через управляемый ключ и диод в его прямом направлении, и блок управления выполнен с возможностью управления работой управляемого ключа по сигналу датчика напряжения.
В отличие от ближайшего аналога, выход аккумуляторной батареи последовательно соединен с нагрузкой через управляемый ключ и диод в его прямом направлении.
Кроме того, составляющие батарею аккумуляторы могут быть разделены на две ячейки аккумуляторов, с возможностью питания нагрузки от одной или двух указанных ячеек аккумуляторов, в зависимости от мощности нагрузки.
Кроме того, зарядное устройство выполнено с возможностью дозаряда батареи до ее полного заряда, производимого постоянным током меньшей величины в течение более длительного времени.
Кроме того, основная линия питания может быть снабжена управляемым ключом, своим выходом соединенным через датчик тока с нагрузкой.
Сущность полезной модели поясняется с помощью блок-схемы предлагаемого источника бесперебойного энергоснабжения.
Позициями на схеме обозначены: 1 - источник бесперебойного электропитания; 2 - основная линия питания; 3 - внешний источник питания; 4 - нагрузка; 5 - зарядное устройство; 6 - аккумуляторная батарея; 7 - выпрямитель; 8 - датчик тока; 9 - датчик напряжения; 10 - блок управления.
Источник бесперебойного электропитания 1 содержит основную линию питания 2 для соединения внешнего источника питания 3 с нагрузкой 4 (электронным, электрическим или электромеханическим оборудованием). К основной линии питания 2 электрически параллельно подключено зарядное устройство 5 для заряда последовательно соединенной с ним аккумуляторной батареи 6. В свою очередь аккумуляторная батарея 6 своим выходом последовательно соединена с нагрузкой 4 через управляемый ключ К1 и диод VD в его прямом направлении. Датчик напряжения 9 служит для измерения напряжения в основной линии питания 2. Блок управления 10 осуществляет управление работой источника 1.
Внешний источник питания 3 может быть выполнен в виде сети постоянного или переменного тока. В случае с внешним источником 3 переменного тока, показанным на блок-схеме, основная линия питания 2 содержит выпрямитель 7, подключенный к питающей сети переменного тока.
Аккумуляторная батарея 6 выполнена в виде последовательно соединенных аккумуляторов. Для увеличения запаса энергии количество аккумуляторов может быть увеличено. В этом случае составляющие батарею аккумуляторы могут быть разделены на две ячейки аккумуляторов, с возможностью питания нагрузки 4 от одной или двух указанных ячеек аккумуляторов, в зависимости от мощности нагрузки 4.
Основная линия питания 2 может быть снабжена управляемым ключом К2, своим выходом соединенным через датчик тока 8 с нагрузкой 4. Ключ К2 выполнен с возможностью замыкания основной линии питания 2 при нормально работающей нагрузке 4, и размыкания линии 2 при возникновении в нагрузке 4 короткого замыкания, для защиты выпрямителя 7 и аккумуляторов от ударных электрических импульсов тока со стороны нагрузки 4 в режимах работы от сети и от батареи соответственно.
Работа источника бесперебойного питания осуществляется следующим образом.
к
При работе от сети переменного тока и наличии в сети нормального напряжения питающее напряжение поступает на выпрямитель 7, который преобразует переменное напряжение электрической сети в постоянное напряжение. При этом управляемый ключ К1 закрыт и диод VD заперт. Питающее напряжение поступает в нагрузку 4, а также поступает на вход зарядного устройства 5, которое обеспечивает стабилизацию напряжения и тока на заданном уровне, необходимом для заряда акумуляторной батареи 6.
После заряда батареи 6 может быть произведен дозаряд батареи 6 до ее полного заряда. Дозаряд батареи 6 зарядное устройство 5 производит постоянным током меньшей величины в течение более длительного времени. По окончании дозаряда аккумуляторной батареи  6 блок управления 10 переводит зарядное устройство 5 в режим ожидания. При этом полностью заряженная батарея 6, имеющая увеличенный ресурс, переходит в энергосберегающий режим сохранения заряда.
При отказе основного питания или падении питающего напряжения ниже допустимой величины блок управления 10 по сигналу датчика напряжения 9 открывает ключ К1, и напряжение питания с аккумуляторной батареи 6 через открытые ключ К1 и диод VD передается в нагрузку 4.
Если при работе от батареи 6 внезапно появится нормальное напряжение сети, то в течение времени размыкания ключа К1 диод VD не пропустит неконтролируемый большой ток сети к аккумуляторной батарее 6, что обеспечивает работоспособное состояние аккумуляторной батареи для последующей передачи накопленного на ней увеличенного запаса энергии в нагрузку 4.
Введение управляемого ключа К1 позволяет при работе от сети разомкнуть линию соединения аккумуляторной батареи 6 с основной линией питания 2, что исключает  разряд батареи 6 в сеть при наличии величины напряжения на батарее 6, превышающей напряжение сети. Это позволяет значительно увеличить напряжение на батарее 6, тем самым  обеспечив увеличенный запас накопленной энергии, которым можно снабжать нагрузку 4 повышенной мощности. За счет того, что между выходом батареи 6 и нагрузкой 4 отсутствуют потребляющие энергию элементы, напряжение батареи 6 практически без потерь поступает в нагрузку 4 в режиме работы нагрузки 4 от батареи 6. В итоге достигается практически максимальный КПД при передаче увеличенного запаса энергии батареи 6.  При этом за счет работы на постоянном токе отсутствуют электромагнитные помехи.
Таким образом, разработан надежный и энергоэффективный источник бесперебойного электропитания, имеющий высокую выходную мощность. Так, в изготовленных ООО НПП «ТЭК» источниках электропитания выходная мощность увеличена до 10 кВА, при увеличении на батарее напряжения постоянного тока до 600В и запаса накопленной энергии до 3375 Дж.