Устройство бесперебойного электропитания
UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY DEVICE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электропитании ответственных приемников электроэнергии средней и большой мощности.
Известно устройство бесперебойного электропитания [RU 167946 U1, МПК H02J 9/06 опубл. 13.01.2017. Бюл. №2], содержащее выпрямитель, шину постоянного тока, соединяющую выход выпрямителя со входом инвертора, выход которого соединен с нагрузкой, шина постоянного тока соединена с зарядно-разрядным устройством, подключенным к аккумуляторной батарее, байпасный диод присоединен встречно-параллельно зарядно-разрядному устройству, анодом к аккумуляторной батарее, а катодом к шине постоянного тока, блок управления, выходы которого подключены к входам выпрямителя, зарядно-разрядного устройства, инвертора и к шине постоянного тока, ключ, образующий байпасную цепь между питающей сетью переменного напряжения и выходом инвертора.
Недостатками данного устройства бесперебойного электропитания являются: малая надежность и эффективность использования электроэнергии при аварии в зарядно-разрядном устройстве и инверторе при превышении величины напряжения в питающей сети переменного напряжения выше заданного на нагрузке и ограниченная функциональная возможность электропитания нагрузки, содержащей только приемники электроэнергии переменного напряжения.
Известно устройство бесперебойного электропитания [RU 205782 U1, МПК H02J 9/06 опубл. 11.08.2021. Бюл. №23], выбранное в качестве прототипа, содержащее выпрямитель, подключенный к питающей сети переменного напряжения, шину постоянного тока, соединяющую выход выпрямителя со входом инвертора, выход которого соединен с первым входом нагрузки, шина постоянного тока соединена с зарядно-разрядным устройством, подключенным к аккумуляторной батарее, байпасный диод присоединен встречно-параллельно зарядно-разрядному устройству, анодом к аккумуляторной батарее, а катодом к шине постоянного тока, блок управления, выходы которого подключены к шине постоянного тока и к управляющим входам выпрямителя, зарядно-разрядного устройства, инвертора и ключа, который образует байпасную цепь между питающей сетью переменного напряжения и выходом инвертора, тиристорный преобразователь напряжения, одна клемма которого подключена ко входу выпрямителя, а вторая клемма присоединена к выходу инвертора, датчик переменного напряжения, вход которого подключен к первому входу нагрузки, а выход датчика переменного напряжения подключен к первому входу первого блока сравнения сигналов, ко второму входу которого подключен первый выход блока задания напряжений, выход первого блока сравнения сигналов подключен к управляющим входам тиристорного преобразователя напряжения и блока управления.
Недостатком данного устройства бесперебойного электропитания является ограниченная функциональная возможность электропитания нагрузки, содержащей только приемники электроэнергии переменного напряжения.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства бесперебойного электропитания нагрузки, содержащей приемники электроэнергии переменного и постоянного напряжения.
Поставленная задача решается тем, что в устройство бесперебойного электропитания, содержащее выпрямитель, подключенный к питающей сети переменного напряжения, шину постоянного тока, соединяющую выход выпрямителя со входом инвертора, выход которого соединен с первым входом нагрузки, шина постоянного тока соединена с зарядно-разрядным устройством, подключенным к аккумуляторной батарее, байпасный диод присоединен встречно-параллельно зарядно-разрядному устройству, анодом к аккумуляторной батарее, а катодом к шине постоянного тока, блок управления, выходы которого подключены к шине постоянного тока и к управляющим входам выпрямителя, зарядно-разрядного устройства, инвертора и ключа, который образует байпасную цепь между питающей сетью переменного напряжения и выходом инвертора, тиристорный преобразователь напряжения, одна клемма которого подключена ко входу выпрямителя, а вторая клемма присоединена к выходу инвертора, датчик переменного напряжения, вход которого подключен к первому входу нагрузки, а выход датчика переменного напряжения подключен к первому входу первого блока сравнения сигналов, ко второму входу которого подключен первый выход блока задания напряжений, выход первого блока сравнения сигналов подключен к управляющим входам тиристорного преобразователя напряжения и блока управления, введены преобразователь постоянного напряжения, второй блок сравнения сигналов и датчик постоянного напряжения, вход которого подключен ко второму входу нагрузки и к выходу преобразователя постоянного напряжения, а выход датчика постоянного напряжения подключен к первому входу второго блока сравнения сигналов, ко второму входу которого подсоединен второй выход блока задания напряжений, выход второго блока сравнения сигналов подключен к управляющему входу преобразователя постоянного напряжения, вход которого соединен с шиной постоянного тока.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется с помощью рисунка, на котором показана блок-схема устройства бесперебойного электропитания.
Устройство бесперебойного электропитания содержит: питающую сеть переменного напряжения 1, выпрямитель 2, шину постоянного тока 3, инвертор 4, нагрузку 5, зарядно-разрядное устройство 6, аккумуляторную батарею 7, диод 8, ключ 9, тиристорный преобразователь напряжения 10, преобразователь постоянного напряжения 11, датчик переменного напряжения 12, датчик постоянного напряжения 13, блок задания напряжений 14, первый блок сравнения сигналов 15, второй блок сравнения сигналов 16, блок управления 17.
Устройство подключается к питающей сети переменного напряжения 1 и содержит последовательно соединенные выпрямитель 2, шину постоянного тока 3 и инвертор 4, выход которого соединен с первым входом нагрузки 5. Шина постоянного тока 3 соединена с зарядно-разрядным устройством 6 аккумуляторной батареи 7, образующими резервную цепь питания приемников электроэнергии нагрузки 5 при аварии в питающей сети переменного напряжения 1. Инвертор 4 обеспечивает электропитание приемников электроэнергии переменного напряжения по первому входу нагрузки 5 от выпрямителя 2 или от аккумуляторной батареи 7. Встречно-параллельно зарядно-разрядному устройству 6 подсоединен байпасный диод 8, анод которого подключен к аккумуляторной батарее 7, а катод подключен к шине постоянного тока 3. Ключ 9 и тиристорный преобразователь напряжения 10 соединены параллельно и образуют байпасную цепь, соединяющую сеть переменного напряжения 1 с выходом инвертора 4. Вход преобразователя постоянного напряжения 11 соединен с шиной постоянного тока 3, а его выход соединен со вторым входом нагрузки 5 и со входом датчика постоянного напряжения 13. Вход датчика переменного напряжения 12 подключен к первому входу первого блока сравнения сигналов 15, ко второму входу которого подключен первый выход блока задания напряжений 14. Выход первого блока сравнения сигналов 15 подключен к управляющим входам тиристорного преобразователя напряжения 10 и блока управления 17. Выходы блока управления 17 подключены к шине постоянного тока 3 и к управляющим входам выпрямителя 2, зарядно-разрядного устройства 6, инвертора 4 и ключа 9. Выход датчика постоянного напряжения 13 подключен к первому входу второго блока сравнения сигналов 16, ко второму входу которого подключен второй выход блока заданий напряжений 14, а выход второго блока сравнения сигналов 16 подключен к управляющему входу преобразователя постоянного напряжения 11.
Устройство бесперебойного электропитания работает следующим образом.
Первый режим. Все элементы устройства бесперебойного электропитания находятся в нормальном состоянии, и питающая сеть переменного напряжения 1 подводит к выпрямителю 2 электроэнергию в соответствии с показателями ее качества по ГОСТ 32144-2013. Электроэнергия переменного напряжения питающей сети 1 преобразуется выпрямителем 2 в электроэнергию постоянного выпрямленного напряжения, которая посредством шины постоянного тока 3 передается на входы инвертора 4, зарядно-разрядного устройства 6 и преобразователя постоянного напряжения 11. Инвертор 4 преобразует постоянное выпрямленное напряжение на входе в переменное напряжение на выходе заданной величины, как правило, близкой к номинальному напряжению приемников электроэнергии переменного напряжения нагрузки 5. Величина напряжения на выходе инвертора 4 определяется сигналом, поступающим на управляющий вход инвертора 4, от блока управления 17. Указанное переменное напряжение с выхода инвертора 4 подводится к первому входу нагрузки 5, от которого получают питание все приемники электроэнергии переменного напряжения данного устройства. Электроэнергия постоянного выпрямленного напряжения поступает также от выпрямителя 2 посредством шины постоянного тока 3 на вход преобразователя постоянного напряжения 11, в котором она преобразуется в постоянное напряжение заданной величины, как правило, близкой к номинальному напряжению приемников электроэнергии постоянного напряжения нагрузки 5. Данное постоянное напряжение с выхода преобразователя постоянного напряжения подводится ко второму входу нагрузки 5, от которого получают питание все приемники электроэнергии постоянного напряжения данного устройства. Заданные значения величины переменного и постоянного напряжения соответствующих приемников электроэнергии нагрузки 5 определяются блоком задания напряжения 14. На его первом и втором выходах формируются сигналы пропорциональные величинам заданных значений напряжений питания соответственно приемников электроэнергии переменного и постоянного напряжений нагрузки 5. Регулирование и стабилизация величин этих напряжений осуществляется в автоматическом режиме двумя контурами регулирования с помощью отрицательных обратных связей соответственно по переменному и постоянному напряжениям на входе нагрузки 5. В первом контуре производится регулирование или стабилизация величины переменного напряжения на первом входе нагрузки 5. Задающий сигнал на величину переменного напряжения, подводимого к первому входу нагрузки 5 формируется на первом выходе блока заданий напряжений 14, который сравнивается в первом блоке сравнения сигналов 15 с сигналом пропорциональным фактическому напряжению на приемниках электроэнергии переменного напряжения, которое измеряется датчиком переменного напряжения 12, подключенным к первому входу нагрузки 5.
Результат сравнения этих сигналов через блок управления 17 поступает на управляющий вход инвертора 4. При разности этих сигналов инвертор 4 изменяет фактическое значение переменного напряжения на первом входе нагрузки 5 до заданного значения. Во втором контуре автоматическое регулирование постоянного напряжения, подводимое к приемникам электроэнергии постоянного напряжения, подключенным ко второму входу нагрузки 5. производится аналогично регулированию в первом контуре. Во второй контур автоматического регулирования входят: датчик постоянного напряжения 13. измеряющий фактическую величину постоянного напряжения на втором входе нагрузки 5, второй блок сравнения сигналов 16, в котором сравнивается сигнал с выхода датчика постоянного напряжения 13 с заданным сигналом постоянного напряжения, поступающим со второго выхода блока задания напряжений 14. Результат сравнения этих сигналов поступает на управляющий вход преобразователя постоянного напряжения 11. В случае разности задающего и фактического постоянных напряжений на втором входе нагрузки 5 преобразователь постоянного напряжения 11 изменит величину постоянного напряжения на выходе преобразователя постоянного напряжения 11 до заданного значения. Следовательно, преобразователь постоянного напряжения 11 будет обеспечивать напряжение на втором входе нагрузки 5 и на приемниках электроэнергии постоянного напряжения равное заданной величине, которая определяется сигналом со второго выхода блока заданий напряжений 14. При этом преобразователь постоянного напряжения 11 преобразует в автоматическом режиме постоянное напряжение на выходе выпрямителя 2 в постоянное напряжение заданной величины на втором входе нагрузки 5. Зарядно-разрядное устройство 6 в зависимости от состояния аккумуляторной батареи 7 обеспечивает ее подзаряд частью электроэнергии постоянного напряжения, отбираемой с выхода выпрямителя 2 посредством шины постоянного тока 3 или частичный разряд аккумуляторной батареи 7 через зарядно-разрядное устройство 6, диод 8 и шину постоянного тока 3. С шины постоянного тока 3 эта электроэнергии распределяется по двум цепям. Первая цепь включает инвертор 4 и приемники электроэнергии переменного напряжения нагрузки 5. Вторая цепь включает преобразователь постоянного напряжения 11 и приемники постоянного напряжения нагрузки 5.
C
Второй режим. Параметры напряжения в питающей сети переменного напряжения существенно отличаются от нормируемых ГОСТ 32144-2013: потеря напряжения (U=0), глубокая длительная посадка напряжения, отклонение напряжения вниз от номинального более 10%. Указанные нарушения могут быть вызваны аварийными режимами в питающей сети, например, короткими замыканиями и перегрузками. Результатом этих режимов является нарушение работы выпрямителя 2, который перестает быть источником электроэнергии для преобразователя постоянного напряжения 11 и, соответственно, для приемников электроэнергии переменного и постоянного напряжения нагрузки 5. В этом режиме источником электроэнергии становится аккумуляторная батарея 7, от которой электроэнергия постоянного напряжения поступает на две электрические цепи. По первой цепи электроэнергия постоянного напряжения поступает через зарядно-разрядное устройство 6 и шину постоянного тока 3 на вход инвертора 4, который преобразует ее в энергию переменного напряжения заданной величины и подает на первый вход нагрузки 5, к которому подключены приемники электроэнергии переменного напряжения. По второй цепи электроэнергия постоянного напряжения поступает через зарядно-разрядное устройство 6 и шину постоянного тока 3 на вход преобразователя постоянного напряжения 11, который ее преобразует в электроэнергию постоянного напряжения заданной величины и подает на второй вход нагрузки 5, к которому подключены приемники электроэнергии постоянного напряжения. Если в этом режиме произойдет отказ зарядно-разрядного устройства 6, то блок управления 17 выводит из работы зарядно-разрядное устройство 6, а электроэнергия от аккумуляторной батареи 7 поступает через байпасный диод 8 и шину постоянного тока 3 на входы инвертора 4 и преобразователя постоянного напряжения 11 и, соответственно, они питают приемники электроэнергии переменного и постоянного напряжения нагрузки 5.
Третий режим. Выход из строя или перегрузка инвертора 4. Блок управления 17 выводит инвертор из работы и цепь «выход инвертора 4 - первый вход нагрузки 5» размыкается. В этом случае питание приемников электроэнергии переменного напряжения нагрузки 5 осуществляется от питающей сети переменного напряжения 1 по одной из двух параллельных цепей. Первая цепь предусматривает подключение первого входа нагрузки 5 к питающей сети переменного напряжения 1 через ключ 9, который замыкается от сигнала поступающего от блока управления 17 на управляющий вход ключа 9. Питание по этой цепи производится при напряжении в питающей сети переменного напряжения 1 в диапазоне от 0,9 до 1,0 номинального напряжения. Вторая цепь предусматривает подключение первого входа нагрузки 5 к питающей сети переменного напряжения 1 через тиристорный преобразователь напряжения 10, который ограничивает напряжение на его выходе до номинального значения, в случае превышения величины напряжения в питающей сети переменного напряжения 1 больше номинального значения. В результате обеспечивается нормальный режим работы приемников электроэнергии переменного напряжения нагрузки 5. Питание приемников электроэнергии постоянного напряжения нагрузки 5 осуществляется аналогично нормальному режиму работы устройства бесперебойного электропитания, а именно, по цепи: питающая сеть переменного напряжения 1, выпрямитель 2, шина постоянного тока 3, преобразователь постоянного напряжения 11, второй вход нагрузки 5, к которому подключены приемники электроэнергии постоянного напряжения.
Устройство бесперебойного электропитания обладает расширенными функциональными возможностями, обусловленными бесперебойным снабжением электроэнергией нагрузки 5, содержащей приемники электроэнергии переменного и постоянного напряжения, как в нормальном, так и в аварийных режимах.