Устройство гарантированного питания повышенной надежности

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве устройства гарантированного питания в системах электроснабжения объектов, потребители которых предъявляют повышенные требования к надежности электроснабжения.
Известно устройство гарантированного питания объектов, потребители которых требовательны к перерывам в электроснабжении, содержащее трехмашинный агрегат, образованный двигателем постоянного тока, двигателем переменного тока и синхронным генератором, объединенными общим валом, источник постоянного тока, источник переменного тока и шины гарантированного питания, к которым подключены потребители, а также вспомогательные устройства: схема защиты от разноса, блок регулирования частоты, блок токовой защиты, блок регулирования напряжения и узел управления [1]. Данное устройство широко применимо из-за простоты схемы и технологичности изготовления. При наличии напряжения сети, синхронный генератор вращается от асинхронного двигателя, однако, при отключении сети или возникновении неисправности в трехфазном асинхронном двигателе, автоматически подключается двигатель постоянного тока и вращение синхронного генератора продолжается, при этом переход от одного привода к другому осуществляется в течении интервала, равного 1.0…1.25 с. Во многих системах электроснабжения применяется повышенное число указанных трехмашинных агрегатов: от двух до трех [2]. Однако ввиду того, что двигатели постоянного тока, снабженные коллекторно-щеточным узлом, асинхронные двигатели, характеризуются сложностью устройств пуска, и синхронные генераторы с электромагнитным возбуждением, характеризуются сравнительно низкой надежностью, то, помимо указанного интервала, к недостаткам названного агрегата относится низкая надежность электроснабжения, что ограничивает его применение на объектах с потребителями, относящимися к элементам вычислительной техники.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности электроснабжения устройства.
Поставленный технический результат достигается тем, что в устройстве гарантированного питания повышенной надежности, содержащем источник постоянного тока, источник переменного тока, трехмашинный агрегат, содержащий первый бесконтактный двигатель постоянного тока и синхронный генератор с постоянными магнитами, объединенные общим валом, и шины гарантированного питания для подключения потребителей переменного тока, предъявляющих повышенные требования к качеству напряжения, причем двигатель постоянного тока подключен к источнику постоянного тока. Введены шины постоянного тока, соединяющие источник постоянного тока и трехмашинный агрегат, шины переменного тока, подключенные к последовательно соединенным источникам переменного тока и выпрямительным устройствам и соединяющие источник переменного тока с трехмашинным агрегатом, указанный агрегат выполнен из трех идентичных каналов, каждый из которых содержит выключатель, шины источника постоянного тока, выключатель выпрямительного устройства, разделительный диод, первый бесконтактный двигатель постоянного тока, второй бесконтактный двигатель постоянного тока, синхронный генератор с постоянными магнитами, блок контроля напряжения, снабженный тремя замыкающими контактами, выводные провода указанного генератора, соединяющие его с шинами гарантированного питания, при этом к шинам источника постоянного тока подключен первый бесконтактный двигатель постоянного тока, в плюсовом проводе которого установлен, последовательно разделительному диоду, выключатель аккумуляторной батареи, а его минусовой провод подключен к указанному двигателю непосредственно, к шинам источника переменного тока подключен второй бесконтактный двигатель постоянного тока, причем в его плюсовом проводе установлен выключатель выпрямительного устройства, а его плюсовой вывод соединен с катодом разделительного диода, минусовой провод шин источника переменного тока подключен к указанному двигателю непосредственно, к выводным проводам синхронного генератора с постоянными магнитами первого канала подключен блок контроля напряжения, замыкающие контакты которого соединяют его с шинами гарантированного питания.
На чертеже представлена структурная схема устройства гарантированного питания повышенной надежности.
Устройство содержит аккумуляторную батарею 1, к которой подключены шины аккумуляторной батареи 1-1, источник переменного тока (не показан), к которому подключено выпрямительное устройство 2, соединенное с шинами выпрямительного устройства 2-1 и три включенных параллельно идентичных друг другу трехмашинных агрегата 3, 4 и 5, в каждом из которых установлены выключатель аккумуляторной батареи 3-1 (4-1, 5-1), выключатель выпрямительного устройства 3-2 (4-2, 5-2), разделительный диод 3-3 (4-3, 5-3), соединяющий положительные выводы аккумуляторной батареи 1-1 и выпрямительного устройства 2-1, первый бесконтактный двигатель постоянного тока канала 3-4 (4-4, 5-4), второй бесконтактный двигатель постоянного тока канала 3-5 (4-5, 5-5), синхронный генератор с постоянными магнитами 3-6 (4-6, 5-6), блок контроля напряжения канала 3-7 (4-7, 5-7), провода, отходящие от синхронного генератора с постоянными магнитами 3-8 (4-8, 5-8), замыкающие контакты соответствующего канала 3-9 (4-9, 5-9) блоков контроля напряжения соответствующего канала 3-7 (4-7, 5-7) и шины гарантированного питания 6, при этом выключатели 3-1 и 3-2 обеспечивают запуск трехмашинного агрегата первого канала 3, а выключатели 4-1 и 4-2 - запуск указанного агрегата второго канала 4 и 5-1 и 5-2- запуск агрегата третьего канала 5, причем указанные выключатели осуществляют подачу напряжений шин аккумуляторной батареи 1-1 на первые бесконтактные двигатели постоянного тока 3-4 (4-4, 5-4) и шин выпрямительного устройства 2-1 на вторые бесконтактные двигатели постоянного тока 3-5 (4-5, 5-5).
Покажем, каким образом повышена надежность электроснабжения в данном устройстве. Пусть аккумуляторная батарея 1 разряжается на первый бесконтактный двигатель постоянного тока 3-4 при условии, что выключатель 3-1 замкнут. Указанный двигатель приходит во вращение и, благодаря общему валу (не обозначен) трехмашинного агрегата, синхронный генератор с постоянными магнитами 3-6 генерирует электроэнергию на шины гарантированного питания 6, все потребители, подключенные к названным шинам, функционируют в штатном режиме. Если включить шины 2-1 выпрямительного устройства 2, то напряжение этих шин поступит на вход второго бесконтактного двигателя постоянного тока 3-5 и он придет во вращение, при замкнутом выключателе 3-2. Благодаря разделительному диоду 3-3 аккумуляторная батарея 1 перестанет разряжаться, двигатель 3-4 остановится, а время перехода от одного электропривода к другому электроприводу составит интервал, равный времени включения диода, которое составляет 0.1…3 мкс, что повышает надежность электроснабжения. Теперь оценим изменение надежности электроснабжения устройства за счет использования в трехмашинном агрегате электрических машин других конструкций, считая, что за основу надежности выбирается вероятность безотказной работы (ВБР) при расчетном сроке службы равном 20000 ч. Пусть ВБР бесконтактного двигателя постоянного тока равна 0.93, ВБР синхронного генератора с постоянными магнитами равна 0.94, тогда ВБР агрегата будет равна:
по данным [3]…[6], в то время как ВБР трехмашинного агрегата со старыми машинами будет равна:
по данным [1], [7]. Тогда увеличение надежности устройства будет равно
т.е. надежность электроснабжения в предлагаемом устройстве увеличилась более чем на 40%, чем и достигается требуемый результат.
Устройство работает следующим образом.
Из трех трехмашинных агрегатов один является дежурным, один резервным и один запасным. Пусть трехмашинный агрегат 3 является дежурным и выключатели 3-1 и 3-2 будут замкнуты. Тогда напряжение аккумуляторной батареи 1 поступает на шины 1-1 и при замкнутом выключателе 3-1 оно поступает на вход бесконтактного двигателя постоянного тока 3-4 и он начинает вращаться. Его вращение передается по общему валу и синхронный генератор с постоянными магнитами 3-6 начинает выдавать электроэнергию. К выходу синхронного генератора 3-6 подключен блок контроля напряжения 3-7, аналогичный трехфазному реле, снабженные тремя замыкающими контактами 3-7 (не показаны) и тремя размыкающими контактами 3-7 (не показаны), при этом провода 3-8 подводят электроэнергию генератора 3-6 к шинам гарантированного питания 6 с помощью замыкающих контактов 3-7 и размыкающих контактов 4-7 блока контроля напряжения 4-7 второго канала. После появления напряжения на выходе выпрямительного устройства 2, которое через шины выпрямительного устройства 2-1 при замкнутом выключателе 3-2 подается на вход второго бесконтактного двигателя постоянного тока 3-5, который приходит во вращение. Благодаря наличию перемычки положительных проводов шин аккумуляторной батареи 1-1 и шин выпрямительного устройства 2-1 и наличию разделительного диода 3-3, аккумуляторная батарея 1 прекращает разряд, первый бесконтактный двигатель постоянного тока 3-4 останавливается, в то время, как второй бесконтактный двигатель постоянного тока 3-5 приходит в движение, синхронный генератор с постоянными магнитами 3-6 продолжает работать. Указанная батарея 1 прекращает разряд ввиду того, что диод 3-3 закрывается под действием более высокого потенциала шин выпрямительного устройства 2-1. Напряжение синхронного генератора 3-6 фиксируется блоком контроля напряжения 3-7 и, если оно соответствует требованиям, то указанный блок обеспечивает замыкание своих контактов 3-9, установленных в проводах 3-8, и тогда оно поступает на шины гарантированного питания 6. Аналогично работает любой из оставшихся каналов. Если же на шинах 6 будет отсутствовать напряжение, то оператор запускает резервный канал 4 или запасной канал 5.
Источники, принятые во внимание
[1]. Атрощенко В.А., Сингаевский Н.А., Кабанков Ю.А. Силовая преобразовательная техника систем электроснабжения. Краснодар, КВВКИУ РВ, 1994, стр. 278, рис. 1.2.
[2]. Шейкина Т.С., Ханин Ц.И., Шалашова Л.М. Эксплуатация электропитающих установок систем передачи. М, Радио и связь, 1982, стр. 82, рис. 2.1 и стр. 86 рис. 2.2.
[3]. Липай Б.Р., Соломин А.Н., Тыричев П.А. Электромеханические системы. М, МЭИ, 2008, стр. 39, рис. 2.5.
[4]. Кузнецов Н.Л. Надежность электрических машин. М., МЭИ, 2006, стр. 92…170.
[5]. Овчинников И.Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе. СПб, Корона-Век, 2012, стр. 27…43.
[6]. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. М., Энергоатомиздат, 1988, стр. 5…36.
[7]. Русин Ю.С. Энергопитание гидроакустической аппаратуры. Л., Судостроение, 1986, стр. 45, табл. 2.3.