СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ
UNINTERRUPTIBLE POWER SYSTEM

Назначение
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей как при наличии, так и при отсутствии централизованной системы электроснабжения. В частности используется для питания потребителей постоянного и переменного тока, не допускающих перерыва питания при выходе из строя основного источника питания сети переменного тока, путем преобразования электроэнергии постоянного тока, сохраненной в накопителе (в аккумуляторной батарее) в энергию переменного тока или подключением автономного генератора переменного тока, обеспечивая, при этом, качество напряжения на шинах потребителей постоянного и переменного тока при переключении входных источников питания, а также кратковременных нарушениях переменного напряжения сети или автономного генератора.
Уровень техники
В настоящее время известно использование различных систем бесперебойного электропитания:
• бесперебойное электропитание различных классов потребителей, и может быть использована для энергоснабжения частных домохозяйств в случае стихийных бедствий, в составе структурных подразделений МЧС как основной источник энергоснабжения при развертывании передвижных госпиталей, как основной источник энергоснабжения геологоразведывательных и поисковых партий, как основной источник энергоснабжения систем электрохимзащиты, систем телемеханики, станций радиорелейной связи при добыче и транспортировке полезных ископаемых (см.. например, патент, РФ, №2524355);
• бесперебойного питание, в преобразователях напряжения, которые являются фундаментальными частями многих электрических систем, таких как системы электроснабжения для ЭВМ и серверов в дата-центрах (см., например, патент, РФ, №2529017);
• бесперебойное питание системы собственных нужд электростанций, а также в ответственных приводах постоянного и переменного тока (см., например, патент, РФ.
• бесперебойное электропитание потребителей особой группы первой категории надежности электроснабжения, не допускающих перерыва питания (см., например, патент. РФ. 2692468) и т.д.
Система бесперебойного питания должна обеспечиваться электроэнергией от двух независимых источников переменного напряжения - основного и резервного, а также резервного источника постоянного напряжения (см., например, патент, РФ, №2426215), при этом, резервным источником постоянного напряжения является аккумуляторная батарея, которая является наиболее критичным звеном в эксплуатации.
При этом, выдвигаются повышенные требования к устройствам бесперебойного питания по гальванической развязке между независимыми источниками переменного напряжения и аккумуляторной батареей.
На сегодня наиболее широкое применение получили аккумуляторные батареи: никель-водородные, никель-кадмиевые, никель-металлогидридные, литий-ионные или литий-полимерные, отличающиеся друг от друга типом используемого электролита (см, например, патент, РФ, №2689887), а также кислотные и щелочные (см, например, патент, РФ, №2729913).
Для увеличения срока службы аккумуляторных батарей важнейшим условием является обеспечение требуемых зарядных и разрядных характеристик (см. Д.А. Хрусталев. Аккумуляторы. Москва, 2003 г.) в диапазоне допустимых значений тока и напряжения. В устройствах бесперебойного питания трехфазные источники переменного напряжения промышленной частоты используют в основном для питания потребителей большой мощности (см., например, патент, РФ, №2426215), при этом, в целях уменьшения массы и габаритов используют аккумуляторную батарею с более низким напряжением по отношению к напряжению источника переменного напряжения промышленной частоты. Следует отметить, что наиболее широко для этих целей в энергетике используют так называемые малообслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, которые обладают высокой надежностью и неприхотливы в эксплуатации, а также обеспечивают длительные сроки эксплуатации в буферном режиме - 20 лет и более (см. например, " Сравнение различных типов аккумуляторных батарей". На сайте: http://ess-asimut.ru/upload/iblock74a9/4a9febfa61b389513f277fc7b0d6b32f.pdf).
В импульсных преобразователях используются основные компоненты в виде дросселей, конденсаторов, ключей с малым сопротивлением в замкнутом состоянии и трансформаторов, имеющие малые потери. Коэффициент полезного действия η данных устройств составляет не менее 0,8 и может достигать 0,9 и более (см. Импульсные регуляторы напряжения. На сайте: https://studfile.net/preview/6445693/). В современных импульсных преобразователях широкое применение нашли полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET), а также высоковольтные быстродействующие силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), работающие в ключевом режиме, позволяющем обеспечить большие мощности и высокий КПД преобразователя, которые управляются широтно-импульсным модулированным (ШИМ) сигналом через драйвер от микроконтроллера (см., например, "Транзисторы IGBT" на сайте: https://drives.ru/stati/modul-igbt/; патенты, РФ: №2513547, №2481691).
Следует отметить, что полностью отечественные IGBT модули, которые можно использовать для реализации импульсных преобразователей приведены на сайте: https://www.angstrem.ru/company/articles/silovaya_ekb_lineyka_polnostyu_otechestvennykh_igbt_moduley/.
Известен источник бесперебойного питания потребителей переменного тока (патент РФ 2426215), выполненный в виде обратимого преобразователя и обеспечен двумя портами входа-выхода силовых цепей, один из которых выполнен в виде порта зажимов постоянного тока с подключенной к нему на входе аккумуляторной батареей, и который является входным портом для работы в инверторном режиме, а другой порт выполнен в виде зажимов для переменного тока и является выходным портом в инверторном и входным в выпрямительном режимах работы. Для электрической связи между зажимами постоянного и переменного тока указанных портов через автоматические выключатели включены два звена, последовательно соединенные между собой, одно из которых является звеном высокой частоты, а другое звеном автономного инвертора промышленной частоты, при этом звенья снабжены драйверами для управления силовыми модулями. Оба звена используются с помощью средств управления в инверторном и выпрямительном режимах. При этом в выпрямительном режиме и при нормальном функционировании сети переменного тока ответственные потребители подключены непосредственно к основной сети переменного тока через автоматический выключатель.
К недостаткам указанного обратимого преобразователя следует отнести невысокую стабилизацию напряжения звена постоянного тока при широком изменении напряжений на входе порта постоянного тока.
Кроме того, постоянное питание потребителей постоянного тока от аккумуляторной батареи приводит к сокращению ее срока службы из-за частых циклов «разряд-заряд». Следует учитывать, что необратимое снижение емкости аккумуляторной батареи происходит в основном из-за количества зарядно-разрядных циклов.
Известна система бесперебойного питания (патент РФ №2692468) основными составляющими которой являются трехфазная сеть, подключаемая через два ввода к трехфазным выпрямителям, выходы которых подключены к шинам бесперебойного питания. К входам трехфазных выпрямителей через блоки автоматического переключения питания подключается трехфазный дизель-генератор, а к шинам бесперебойного питания - аккумуляторная батарея и молекулярный накопитель энергии. К шинам бесперебойного питания подключаются инверторы для формирования переменных напряжений для потребителей переменного тока, и также преобразователи постоянного напряжения для формирования постоянных напряжений для потребителей постоянного тока.
Два трехфазных выпрямителя представляют собой резервируемый трехфазный выпрямитель, работающий в горячем режиме, при этом, выпрямитель с наибольшим входным напряжением является основным, а с наименьшим - резервным. При питании от сети они имеют два раздельных ввода, а в случае питания их от дизель-генератора - один общий, которым является выход дизель-генератора. При изменении напряжения на выходе дизель-генератора (например, в виде "провалов") напряжения на выходах трехфазных выпрямителей изменяются пропорционально, поэтому в качестве уточнения в описании патента следует отнести то, что всегда работает основной выпрямитель в резервируемом трехфазном выпрямителе и работу резервного выпрямителя следует рассматривать только при выходе из строя основного. В системе при кратковременных нарушениях электроснабжения на входе резервируемого трехфазного выпрямителя защиту от кратковременных нарушений выходных напряжений обеспечивает молекулярный накопитель энергии и аккумуляторная батарея. Недостатки системы:
• при кратковременных нарушениях электроснабжения на входе резервируемого трехфазного выпрямителя в виде "дребезга" (последовательность из нескольких провалов) не обеспечивается защита от кратковременных нарушений выходных напряжений, т.к. молекулярный накопитель энергии имеет большой ток разряда в течение короткого времени (в течении 250 мс) и медленный заряд через резистор, ограничивающий ток заряда, а подключение аккумуляторной батареи к шинам бесперебойного питания имеет ограничение по минимальному времени срабатывания силового контактора цепи разряда;
• непрерывная подача напряжения с выхода аккумуляторной батареи непосредственно на шины бесперебойного питания существенно ограничивается по времени (время разряда аккумуляторной батареи (до 1 мин) определяется ее емкостью и суммарной длительностью кратковременных нарушения электроснабжения за весь период эксплуатации) из-за снижения напряжения аккумуляторной батареи при ее разряде;
• выбор аккумуляторной батареи по номинальному напряжению должен соответствовать требуемому значению напряжения шин бесперебойного питания, т.к. соединяется к ним напрямую;
• возможны нарушения выходных напряжений при переключении "работы" с аккумуляторной батареи на трехфазный дизель-генератор, т.к. запуск дизель-генератора осуществляется при разряженной батарее и требует определенного времени при запуске;
• используется фиксированное время (до 1 мин) разряда аккумуляторной батареи. Зарядная емкость аккумуляторной батареи с течением времени уменьшается, и кроме того, нарушения сетевого электроснабжения имеют неопределенный случайный характер.
Известен статический преобразователь (см. патент, РФ, №2780724), который является наиболее близким к предлагаемому изобретению и взятый авторами за прототип.
Данный прототип включает в себя источник питания трехфазного переменного напряжения и аккумуляторную батарею, первый и второй контакторы, фазные дроссели, разделительные диоды, основной выпрямитель, выход которого соединен параллельно с фильтрующим конденсатором, а также последовательно соединенные с аккумуляторной батареей дополнительный инвертор, трансформатор и дополнительный выпрямитель, при этом, выходы источника питания трехфазного переменного напряжения через контакты первого контактора соединены с катодами разделительных диодов и через фазные дроссели с входом основного выпрямителя, выполненного по мостовой схеме в виде транзисторных ключей с параллельно и последовательно соединенными диодами, обеспечивающим выпрямление переменного и преобразование со стабилизацией постоянного напряжений, а также датчик напряжения, преобразователь постоянного напряжения, выходной диод, диод опорного напряжения и система управления, при этом, положительный вывод дополнительного выпрямителя через контакты второго контактора соединен с анодами разделительных диодов и одним входом преобразователя постоянного напряжения, второй вход которого соединен с отрицательным выводом дополнительного выпрямителя, отрицательной шиной основного инвертора и отрицательной шиной основного выпрямителя, выход которого через выходной диод прямого включения соединен с выходом преобразователя постоянного напряжения через диод опорного напряжения обратного включения и с входом основного инвертора, выход которого соединен с потребителями переменного тока; система управления по сигналу с источника переменного напряжения обеспечивает управление работой контакторов, основного выпрямителя, основного и дополнительного инверторов, преобразователя постоянного напряжения.
Недостатки статического преобразователя (прототипа):
• при длительном отсутствии основного режима работы (при длительном отсутствии напряжения на выходе источника питания трехфазного переменного напряжения) потребители переменного тока питаются за счет накопленной энергии в аккумуляторной батарее, что может приводить к ее глубокому разряду и снижению ресурса работы, что в целом снижает надежность статического преобразователя. Глубокий разряд аккумуляторной батареи недопустим и глубина разряда не должна быть ниже определенного значения напряжения (см. Д.А. Хрусталев. Аккумуляторы. Москва, 2003 г., стр. 124-125), позволяющего сохранить рабочие характеристики аккумуляторной батареи в течение как можно большего периода времени, т.е. позволяющего обеспечить длительный срок службы аккумуляторной батареи;
• статический преобразователь не позволяет обеспечить широкий диапазон формируемых мощностей для потребителей электроэнергии в режиме питания от аккумуляторной батареи из-за ограниченной мощности, формируемой дополнительным однофазным инвертором, что в целом снижает эффективность работы статического преобразователя;
• статический преобразователь не позволяет формирование электроэнергии для потребителей при разряженной аккумуляторной батарее и отсутствии напряжения на выходе источника питания трехфазного переменного напряжения. Как было показано выше (см. аналог, приведенный в патенте, РФ, 2692468), в данном случае для увеличения длительности непрерывной работы системы бесперебойного питания используется дополнительный автономный генератор.
Однако, при этом, для обеспечения высокой эффективности и надежности работы системы бесперебойного питания требуется:
разработка алгоритма совместной работы источника питания трехфазного переменного напряжения, аккумуляторной батареи и автономного генератора;
обеспечение длительного ресурса работы аккумуляторной батареи и защиты от нарушений выходных напряжений для потребителей переменного и постоянного тока.
Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности и надежности работы системы бесперебойного питания.
Раскрытие изобретения
Сущность предлагаемого устройства бесперебойного питания заключается в повышении эффективности и надежности работы путем использования в качестве первичных источников источника трехфазного напряжения, аккумуляторной батареи и автономного генератора с обеспечением алгоритмов их работы, позволяющими увеличение длительности непрерывной работы системы с обеспечением выходных напряжений без каких-либо нарушений (например, в виде "провалов'") для потребителей переменного и постоянного тока при нарушениях в первичном источнике переменного напряжения и автономном генераторе, а также при переключении первичных источников через контакты контакторов, служащих для гальванической развязки.
Кроме того, обеспечивается формирование выходных напряжений для потребителей постоянного и переменного тока в широком диапазоне мощностей, а также обеспечиваются оптимальные условия заряда и разряда аккумуляторной батареи, позволяющие увеличить срок ее службы.
Система бесперебойного питания включает в себя источник питания трехфазного переменного напряжения, аккумуляторную батарею, первый и второй контакторы, фазные дроссели, разделительные диоды, основной выпрямитель, фильтрующий конденсатор, преобразователь постоянного напряжения, содержащий последовательно соединенные однофазный инвертор, трансформатор и выпрямитель с фильтром на выходе, первый контактор, разделительные диоды, фазные дроссели, основной выпрямитель, выполненного по мостовой схеме в виде транзисторных ключей с параллельно и последовательно соединенными диодами, первый датчик напряжения, опорный преобразователь постоянного напряжения, выходной диод, диод опорного напряжения, систему управления, трехфазный инвертор и потребители переменного тока.
Введение в систему бесперебойного питания вторичного источника питания, автономного генератора, третьего контактора, второго датчика напряжения, импульсного стабилизатора с ШИМ управлением, датчика тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла, второго датчика напряжения, датчика температуры, устройства управления силовым ключом чоппера, транзисторного ключа чоппера, дросселя чоппера, конденсатора чоппера, диода чоппера, преобразователя постоянного напряжения, состоящего из n (n≥1) параллельно соединенных дискретных преобразователей постоянного напряжения, выходного однофазного инвертора, выходного преобразователя постоянного напряжения, позволяет повысить эффективность и надежность работы системы бесперебойного питания.
Введением вторичного источника питания, подключаемого непосредственно к аккумуляторной батарее, обеспечивается надежное непрерывное электропитание низковольтных устройств системы бесперебойного питания.
Введением автономного генератора и третьего контактора обеспечивается увеличение времени и надежность непрерывной работы системы бесперебойного питания, а также гальваническая развязка автономного генератора и включение его в соответствии с установленным алгоритмом работы.
Введением второго датчика напряжения, импульсного стабилизатора с ШИМ управлением, датчика тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла, второго датчика напряжения, датчика температуры, устройства управления силовым ключом чоппера обеспечивается требуемый алгоритм процесса заряда аккумуляторной батареи постоянным оптимальным током и постоянным напряжением с температурной корректировкой, в результате чего достигается повышение надежности и увеличение длительности срока службы аккумуляторной батареи.
Введением преобразователя постоянного напряжения, состоящего из n (n≥1) параллельно соединенных дискретных преобразователей постоянного напряжения обеспечивается расширение диапазона мощности формируемых выходных напряжений для потребителей постоянного и переменного тока.
Введением выходного однофазного инвертора и выходного преобразователя постоянного напряжения обеспечивается расширение функциональных возможностей системы бесперебойного питания ввиду подключения к системе потребителей переменного однофазного напряжения, например, 220 В, 50 Гц, а также потребителей постоянного напряжения с требуемыми значениями напряжений.
Графические иллюстрации
На фигуре 1 приведена структурная схема статического преобразователя, содержащая составляющие с обозначенными цифрами позициями:
1 - ИПН (источник переменного напряжения);
2 - первый контактор;
3 - фазные дроссели (три дросселя);
4 - основной выпрямитель;
5-1, 5-2, 5-3 - транзисторные ключи;
6-1, 6-2, 6-3, 7-1, 7-2, 7-3 - диоды;
8 - фильтрующий конденсатор;
1
9 - И (трехфазный инвертор);
10 - выходной диод;
2
11- И (выходной однофазный инвертор);
12 - разделительные диоды;
13 - аккумуляторная батарея;
3
14 - И (однофазный инвертор);
15 - трансформатор;
16 - выпрямитель с фильтром на выходе;
17 - второй контактор;
18 - третий контактор;
19 - диод опорного напряжения;
20 - СУ (система управления);
21 - преобразователь постоянного напряжения;
1
2
n
21, 21…21 - соответственно первый, второй…n-й преобразователь постоянного напряжения;
22 - опорный преобразователь постоянного напряжения;
23 - устройство управления силовым ключом чоппера;
24 - ДТХ (датчик тока без разрыва цепи с использование датчика Холла);
1
25 - ДН (первый датчик напряжения);
2
26 - ДН (второй датчик напряжения);
27 - импульсный стабилизатор с ШИМ управлением; 27-1 - транзисторный ключ чоппера;
27-2 - дроссель чоппера;
27-3 - конденсатор чоппера;
27-4 - диод чоппера;
28 - датчик температуры;
29 - ВИП (вторичный источник питания);
30 - потребители переменного тока;
31 - выходной преобразователь постоянного напряжения;
32 - потребители постоянного тока;
33 - АГ (автономный генератор).
Осуществление изобретения
Система бесперебойного питания включает в себя источник переменного напряжения 1 и аккумуляторную батарею 13, первый 2 и второй 17 контакторы, фазные дроссели 3, разделительные диоды 12, основной выпрямитель 4, выход которого соединен параллельно с фильтрующим конденсатором 8, а также последовательно соединенный с аккумуляторной батареей 13 преобразователь постоянного напряжения 21, содержащий последовательно соединенные однофазный инвертор 14, трансформатор 15 и выпрямитель с фильтром на выходе 16, при этом, выходы источника переменного напряжения 1 через контакты первого контактора 2 соединены с катодами разделительных диодов 12 и через фазные дроссели 3 с входом основного выпрямителя 4, выполненного по мостовой схеме в виде транзисторных ключей 5-1, 5-2, 5-3 с параллельно 6-1, 6-2, 6-3 и последовательно 7-1, 7-2, 7-3 соединенными диодами, обеспечивающим выпрямление переменного и преобразование со стабилизацией постоянного напряжений; кроме того, включает в себя первый датчик напряжения 25, опорный преобразователь постоянного напряжения 22, выходной диод 10, диод опорного напряжения 19 и систему управления 20, при этом, положительный вывод преобразователя постоянного напряжения 21 через контакты второго контактора 17 соединен с анодами разделительных диодов и одним входом опорного преобразователя постоянного напряжения 22, выход основного выпрямителя 4 через выходной диод 10 прямого включения соединен с выходом опорного преобразователя постоянного напряжения 22 через диод опорного напряжения 19 обратного включения и с входом трехфазного инвертора 9, выход которого соединен с потребителями переменного тока 30; вход системы управления 20 через первый датчик напряжения 25 соединен с контрольным выводом источника переменного напряжения 1, а выходы с цепями управления первого 2 и второго 17 контакторов, управляющими входами основного выпрямителя 4, трехфазного инвертора 9 и однофазного инвертора 14, опорного преобразователя постоянного напряжения 22
1
2
n
В систему бесперебойного питания дополнительно введены вторичный источник питания 29, соединенный с шинами питания низковольтных устройств системы бесперебойного питания, автономный генератор 33, третий контактор 18, второй датчик напряжения 26, импульсный стабилизатор с ШИМ управлением 27, устройство управления силовым ключом чоппера 23, датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла 24, второй датчик напряжения 26, датчик температуры 28, при этом, датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла 24 гальванически развязанным способом соединен с проводом, идущим к положительной клемме аккумуляторной батареи 13; импульсный стабилизатор с ШИМ управлением 27 состоит из транзисторного ключа чоппера 27-1, дросселя чоппера 27-2, конденсатора чоппера 27-3 и диода чоппера 27-4, причем, катод диода чоппера 27-4 соединен с одним выводом транзисторного ключа чоппера 27-1 и одним выводом дросселя чоппера 27-2, второй вывод которого соединен с положительной шиной аккумуляторной батареи 13 и одним выводом конденсатора чоппера 27-3, второй вывод которого соединен с анодом диода чоппера 27-4, с отрицательной шиной основного выпрямителя 4 и с отрицательной шиной аккумуляторной батареи 13, являющейся землей, второй вывод транзисторного ключа чоппера 27-1 соединен с катодом выходного диода 10, а управляющий вход - с выходом устройства управления силовым ключом чоппера 23, первый, второй и третий входы которого соединены, соответственно, с выходами второго датчика напряжения 26, датчика тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла 24 и датчика температуры 28; преобразователь постоянного напряжения 21, состоит из n (n≥1) параллельно соединенных дискретных преобразователей постоянного напряжения 21, 2l…21, отрицательный выход которого соединен с землей, а вторичный источник питания 29 соединен параллельно с аккумуляторной батареей 13; кроме того, введены выходной однофазный инвертор 11 и выходной преобразователь постоянного напряжения 31, входы которых подключены к катоду выходного диода 10, а выходы - соответственно, к потребителям переменного 30 и постоянного 32 тока, при этом управляющие их входы соединены с системой управления 20, которая соединена с входом управления автономного генератора 33.
Описание работы системы бесперебойного питания
Предлагаемая система бесперебойного питания обеспечивает бесперебойное питание потребителей переменного тока 30 и потребителей постоянного тока 32 от трех первичных источников электропитания:
• от сетевого источника переменного напряжения ИПН 1 (основной источник);
• от источника переменного напряжения в виде автономного генератора АГ 33 (резервный источник);
• от аккумуляторной батареи 13 - источника постоянного напряжения: который используется:
в качестве резервного источника при отсутствии напряжения на выходе ИПН 1;
в качестве формирователя опорного напряжения при нарушениях (например, "провалах" напряжений в сети ИПН 1);
при сбоях в работе автономного генератора АГ 33;
в качестве вторичного источника питания ВИП 29 для питания низковольтных устройств системы.
Вторичный источник питания ВИП 29 (например, современный уровень реализации вторичного источника питания в виде структурной схемы приведен на сайте: https://studref.com/446110/tehnika/strukturnaya_shema_sovremennogo_istochnika_vtorichnoogo_elektropitaniya) постоянно подключен к аккумуляторной батарее 13 и формирует напряжения для питания контроллеров, а также других низковольтных устройств.
В качестве примера при описании предлагаемой система бесперебойного питания можно рассматривать первичные источники питания, имеющие следующие значения напряжений:
• источник переменного напряжения ИПН 1 - трехфазный с переменным напряжением 380 В, 50 Гц;
• изменение постоянного напряжения аккумуляторной батареи 13 от разряженного до заряженного состояния находится в пределах от 175 до 320 В (см., например, патенты. РФ, №№2426215, 2481691, 2513547, 2732280).
В качестве автономного генератора АГ 33 можно рассматривать дизель-генератор, состоящий из первичного двигателя (дизеля) с выходным трехфазным синхронным генератором (см., например, патент РФ, №2692468).
1
1
2
1
В основном режиме работы системы питание потребителей переменного тока 30 и потребителей постоянного тока 32 осуществляется от источника переменного напряжения ИПН 1. Кроме того, в данном режиме обеспечивается заряд аккумуляторной батареи 13. При этом, по сигналу с первого датчика напряжения ДН 25 (напряжение присутствует), который является индикатором присутствия или отсутствия напряжения на выходе ИПН 1, система управления СУ 20 подает в цепи управления (ЦУ) первого 2, второго 17 и третьего 18 контакторов (см., например, " Электромагнитные контакторы". На сайте: http://electricalschool.info/spravochnik/apparaty/9-jelektromagnitnye-kontaktory.html) сигналы, по которым контакты K первого контактора 2 замыкаются, а контакты К второго контактора 17 и контакты К3 третьего контактора 18 размыкаются, поэтому поступление переменного трехфазного напряжения с выхода АГ 33 и постоянного напряжения с выхода аккумуляторной батареи 13 на фазные дроссели 3 отсутствует. В качестве датчика напряжения ДН 11 можно использовать, например, трансформатор с выпрямителем на выходе (см., например, ''Трансформаторы, выпрямители, фильтры". На сайте: https://www.radioradar.net/hand_book/documentation/tran.html).
Первый 2, второй 17 и третий 18 контакторы обеспечивают гальваническую развязку источника переменного напряжения ИПН 1, автономного генератора АГ 18 и аккумуляторной батареи 13.
1
бп
К входам основного выпрямителя 4 с выхода ИПН 1 через замкнутые контакты Kпервого контактора 2 и через фазные дроссели 3 подается трехфазное переменное напряжение. В данном случае основной выпрямитель 4 работает в выпрямительном режиме, при котором транзисторы 5-1, 5-2, 5-3 основного выпрямителя 4 находятся в закрытом состоянии (закрытие транзисторов и перевод их в режим управления ШИМ сигналом осуществляется системой управления СУ 20). Основной выпрямитель 4 в данном режиме работает как мостовой диодный выпрямитель с диодами 6-1, 7-1, 6-2, 7-2, 6-3, 7-3 (см., например, Трехфазный мостовой выпрямитель. На сайте: https://studref.com/601497/tehnika/trehfaznyy_mostovoy_vypryamitel). Сформированное напряжение на выходе основного выпрямителя 4 сглаживается фильтрующим конденсатором 8, и напряжение через выходной диод 10 в виде постоянного напряжения Ц поступает на шины бесперебойного питания постоянного тока (шины выделены жирной линией), которое имеет следующее значение:
бп
1
2
С шин бесперебойного питания постоянного тока постоянное напряжение U поступает на входы трехфазного инвертора И 9, выходного однофазного инвертора И 11 и выходного преобразователя постоянного напряжения 31, на выходах которых формируются стабилизированные, соответственно, трехфазное переменное напряжение, однофазное переменное напряжение для потребителей переменного тока 30 и постоянное напряжение для потребителей постоянного тока 32.
1
Трехфазный инвертор И 9 может быть выполнен по мостовой схеме с фильтром на выходе, с управлением ШИМ сигналом (см., например, 1. Патент, РФ, №2732280. 2. Трехфазный автономный инвертор.
2
На сайте: https://electric-220.ru/news/trekhfaznyj_invertor/2019-06-15-1703). Выходной однофазный инвертор И 11 может быть выполнен, например, по мостовой схеме с ШИМ управлением (см., например, Однофазный полномостовой (мостовой) инвертор напряжения. На сайте: https://helpiks.org/9-64566.html).
В качестве выходного преобразователя постоянного напряжения 31 может быть, например, преобразователь с управлением ШИМ сигналом (см., например, 1. Источник питания, приведенный на сайте: https://ozlib.com/1038388/. 2. Стабилизированный преобразователь напряжения в автономной системе электропитания, приведенный в патенте, РФ, №2689401).
1
2
бп
мин.доп.
макс.доп.
Требуемые стабилизированные выходные напряжения трехфазного инвертора И 9, первого однофазного инвертор И 11 и преобразователя постоянного напряжения 31 имеют допуск изменений значений (U) на входах в диапазоне от минимального (U) до максимального (U), т.е.:
оп
бп
бп.з
На выходе опорного преобразователя постоянного напряжения 22 (см, например, Источник питания, приведенный на сайте: https://ozlib.com/1038388/), питающегося от аккумуляторной батареи 13 через преобразователь постоянного напряжения 21, формируется и постоянно присутствует опорное напряжение U, значение которого выбирается в допустимом рабочем диапазоне U, описываемым выражением (2), но по величине ниже выбранного заданного напряжения (U), т.е. выполняется условие:
В основном режиме работы системы при отсутствии нарушений в сети ИПН 1 (например, скачков напряжений в виде провалов) диод опорного напряжения 19 находится в закрытом состоянии, т.к. выполняется условие, описываемое выражение (3).
б
бп
бз.з
Благодаря закрытому состоянию диода опорного напряжения 19 опорное напряжение с выхода опорного преобразователя постоянного напряжения 22 не влияет на формирование напряжения на шинах бесперебойного питания постоянного тока. Однако при сбоях в работе ИПН 1, например, при наличии определенных провалов в выходных напряжениях (недостаточных для срабатывания первого контактора 2 на размыкания контактов, который срабатывает при отсутствии напряжения на выходе ИПН 1), напряжение U на конденсаторе 8 и, соответственно, на шинах бесперебойного питания постоянного тока (U) снижается и при достижении значения ниже заданного U в соответствии с выражением (3), открывается диод опорного напряжения 19 и опорное напряжение с выхода опорного преобразователя постоянного напряжения 22 через диод опорного напряжения 19 поступает на шины бесперебойного питания постоянного тока, обеспечивая, тем самым, требуемую стабилизацию напряжений на выходах потребителей переменного тока 30 и потребителей постоянного тока 32 без каких либо провалов. При этом, выходной диод 10 находятся в закрытом состоянии и "отсекает" от шин бесперебойного питания постоянного тока, находящиеся до него цепи.
В основном режиме работы системы обеспечивается заряд аккумуляторной батареи 13. Рассмотрим процесс заряда аккумуляторной батареи 13. Как было отмечено выше в описании предлагаемого изобретения, в системах бесперебойного питания трехфазные источники переменного напряжения промышленной частоты используют в основном для питания потребителей большой мощности и наиболее широко в данных системах используют так называемые малообслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, которые обладают высокой надежностью и неприхотливы в эксплуатации, а также обеспечивают длительные сроки эксплуатации в буферном режиме - 20 лет и более.
Зависимость напряжения от остаточная емкость аккумуляторной батареи, состоящей, например, из шести аккумуляторов с номинальным напряжением 2 В, и ее напряжения представлены на фиг. 2 (см., например, сайт: https://akkumulyatoravto.ru/konstmkciya/parametry/zaryad.html).
Под остаточной емкостью аккумулятора следует понимать значение количества электрической энергии, выраженное в ампер-часах или кулонах, которое аккумулятор отдает при разряде до выбранного конечного напряжения в любом текущем его состоянии.
Для увеличения срока службы аккумуляторной батареи при ее эксплуатации должен обеспечиваться постоянный контроль уровня заряженности аккумуляторной батареи 13 и управление ее зарядным процессом (см., например, патент, РФ, №2706762). Из представленных на фиг. 3 (см., сайт: https://www.drive2.ru/l/490695822753661142/) типичных характеристик зарядного процесса свинцово-кислотного аккумулятора с номинальным напряжением 2 В видно, что для обеспечения требуемых условий для заряда аккумуляторной батареи 13 необходимы, как минимум, два датчика, - это датчик выходного напряжения и датчик выходного тока. При этом, алгоритм процесса заряда аккумуляторной батареи 13 должен быть следующим:
• в начале при разряженной аккумуляторной батареи 1 3 необходимый заряд до заданного (максимального) напряжения должен обеспечиваться постоянным током (поддержание оптимального постоянного тока);
• затем при достижении заданного (максимального) напряжения на аккумуляторной батарее 13 должен обеспечиваться ее заряд постоянным напряжением (поддержанием заданного постоянного стабилизированного напряжения).
зар.опт.
Оптимальная величина тока заряда (I) практически всех типов аккумуляторных батарей должна быть (см., например, патент, РФ, №2702758) приблизительно 0,1 номинальной емкости аккумуляторной батареи и не превышать 0,3 номинальной емкости аккумуляторной батареи. Токи менее 0,1 номинальной емкости аккумуляторной батареи также обеспечивают ее заряд, при этом, следует учитывать, что заряд током менее нижнего порога (приблизительно 0,03 номинальной емкости) практически не приводит к повышению емкости аккумуляторной батареи.
бп
Формирование зарядных условий для аккумуляторной батареи 13 осуществляется импульсным стабилизатором с ШИМ управлением 27, являющимся импульсным последовательным стабилизатором понижающего типа, выполненным по чопперной схеме, в которой совместно с устройством управления силовым ключом чоппера 23 формируются требуемые стабилизированные значения по напряжению и току для заряда аккумуляторной батареи 13. Вход импульсного стабилизатора с ШИМ управлением 27 питается от постоянного напряжения U с шин бесперебойного питания постоянного тока.
В чопперной схеме транзисторный ключ чоппера 27-1 управляется ШИМ сигналом с устройства управления силовым ключом чоппера 23. В качестве транзисторного ключа чоппера 27-1 может быть использован высоковольтный мощный электронный ключ, например, биполярный транзистор (IGBT) с изолированным затвором SEMiX453GAR12E4s. При подаче импульса с устройства управления силовым ключом чоппера 23 ключ чоппера 27-1 открывается, ток через него поступает через дроссель чоппера 27-2 в конденсатор чоппера 27-3, при этом в дросселе чоппера 27-2 происходит накопление энергии. При снятии управляющего импульса с ключа чоппера 27-1, он закрывается, и в контуре диод чоппера (27-4) - дроссель чоппера (27-2) - конденсатор чопппера (27-3) начинает протекать ток, вызванный высвобождением накопленной в дросселе чопппера 27-2 энергии в конденсатор чоппера 27-3. Далее цикл повторяется. Дроссель чоппера (27-2) и конденсатор чоппера (27-3) представляют собой Г-образную схему LC-фильтра. Дроссель чоппера 27-2 может быть выполнен на ферритовом сердечнике.
2
Стабилизация зарядного напряжения на аккумуляторной батарее 13 осуществляется за счет обратной связи через второй датчик напряжения ДН 26 на первый вход устройства управления силовым ключом чоппера 23, выполненного в виде контроллера, например, ST10F276Z5T3, а стабилизация зарядного тока - за счет обратной связи через датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла ДТХ 24 (см., например, "Датчики измерения тока и напряжения для систем автоматизации". На сайте: https://isup.ru/articles/l 6/1195/) на второй вход устройства управления силовым ключом чоппера 23. В качестве датчик тока без разрыва цепи с использованием датчика Холла ДТХ 24 можно использовать, например: ДТХ-100 ПИГН.411521.007ТУ (разработан и промышленно выпускается заявителем данного изобретения АО «НИИЭМ»), который через отверстие в нем "надевается" на провод, подсоединяемый к проводу, идущему к положительной клемме аккумуляторной батареи 13 (показано пунктирной линией). При этом обеспечивается полная гальваническая развязка.
Кроме того, следует учитывать температуру аккумуляторной батареи 13, зависящей от температуры окружающей среды, в связи с чем требуется корректировки заданных напряжений в процессе заряда. Более высокая температура окружающей среды требует уменьшения напряжения, а более низкая температура - увеличение напряжения заряда. Поэтому целесообразно использовать еще один датчик - это датчик температуры Дt° 28, подключаемый к третьему входу устройства управления силовым ключом чоппера 23 (к микроконтроллеру).
В качестве датчик температуры Дt° 34 могут использоваться проволочные термометры сопротивления, имеющие нормированную характеристику сопротивления от температуры окружающей среды.
1
1
2
При отсутствии напряжения на выходе источника переменного напряжения ИПН 1 по сигналу датчика напряжения ДН 25 (напряжение отсутствует) система управления СУ 20 вырабатывает в цепи управления (ЦУ) первого 2 и второго 17 контакторов сигналы, по которым контакты K контактора 2 размыкаются, а контакты К контактора 17 замыкаются. Системой управления СУ 20 основной выпрямитель 4 переводится в режим работы преобразования со стабилизацией напряжения на выходе и первичным источником питания становится аккумуляторная батарея 13.
2
Постоянное напряжения с аккумуляторной батареи 13 через преобразователь постоянного напряжения 21, через контакты К контактора 17, разделительные диоды 12 и фазные дроссели 3 подается к входам основного выпрямителя 4, который переводится системой управления СУ 20 в режим работы преобразования со стабилизацией напряжения на выходе.
В режиме работы преобразования со стабилизацией напряжения на выходе транзисторы 5-1, 5-2, 5-3 основного выпрямителя 4 работают в ключевом режиме, управляемыми ШИМ сигналами с контроллера, находящемся в СУ 20. Каждая цепь в виде диода разделительных диодов 12, дросселя фазных дросселей 3, транзистора 5-i, диода 7-i (где i - соответственно 1, 2, 3) и фильтрующего конденсатора 8 представляет собой бустерную схему импульсного стабилизатора-преобразователя (см., например, "Импульсные и бестрансформаторные сетевые источники питания". На сайте: https://ozlib.com/1038388/).
Рассмотрим работу одной цепи (две другие работают аналогично). Когда ключ на транзисторе 5-1 замкнут, ток от преобразователя постоянного напряжения 21 протекает через дроссель фазных дросселей 3, запасая в нем энергию. Диод 7-1 при этом отсекает (блокирует) фильтрующий конденсатор 8 и не позволяет ему разряжаться через замкнутый ключ. Ток в нагрузку (с шин бесперебойного питания постоянного тока к потребителям переменного тока 30 и к потребителям постоянного тока 32) в этот промежуток времени поступает только от фильтрующего конденсатора 8 через выходной диод 10. Далее, когда ключ на транзисторе 5-1 закрывается, электродвижущая сила самоиндукции дросселя фазных дросселей 3 суммируется с выходным напряжением на фильтрующем конденсаторе 8 и энергия тока дросселя отдается в нагрузку. При этом выходное напряжение основного выпрямителя 4 оказывается больше его входного на величину, определяемой индуктивностью дросселя и скважностью работы ключевого транзистора 5-1.
Для практической реализации основного выпрямителя 4 может быть использованы в IGBT модули в виде полумоста SEMIX453GD12E4C, а в качестве контроллера в СУ 20 для управления ШИМ сигналом транзисторов IGBT можно использовать микроконтроллер ST10F276Z5T3.
1
2
С учетом времени срабатывания системы управления 20. первого 2 и второго 17 контакторов на размыкание и замыкание контактов К и К и наоборот, наблюдается запаздывание появления напряжения на входе основного выпрямителя 4, поэтому с учетом времени формирования им выходных напряжений наблюдается отсутствие напряжения (наличие "провалов") на его выходе.
Для исключения данного недостатка при отсутствии напряжения на выходе основного выпрямителя 4, в соответствии с выражением (3), открывается опорный диод 19 и закрывается выходной диод 10, который отсекает (блокирует) основной выпрямитель 4 и его входные цепи от шины бесперебойного питания постоянного тока. Опорное напряжение с выхода опорного преобразователя постоянного напряжения 22 через опорный диод 19 поступает на шину бесперебойного питания постоянного тока, обеспечивая, тем самым, требуемую стабилизацию выходных напряжений для потребителей переменного тока 30 и потребителей постоянного тока 32, без каких либо провалов.
Формирование напряжения на выходе преобразователя постоянного напряжения 21 осуществляется следующим образом.
3
3
Постоянное напряжения с аккумуляторной батареи 13 поступает на вход однофазного инвертора И 14, который может быть выполнен, например, по мостовой схеме с ШИМ управлением (см., например, 1. Однофазный полномостовой (мостовой) инвертор напряжения. На сайте: https://helpiks.org/9-64566.html) и является входом преобразователя постоянного напряжения 21. Сформированное однофазным инвертором И 14 переменное напряжение с его выхода преобразуется трансформатором 15 в соответствующее значение переменного напряжения, и затем преобразуется выпрямителем с фильтром на выходе 16, который является выходом преобразователя постоянного напряжения 21.
Выпрямитель с фильтром на выходе 16 может быть выполнен в виде диодного моста с фильтром на выходе (см., например, "Диодный мост". На сайте: https://www.ruselectronic.com/diodnyj-most/).
3
1
Последовательно соединенные однофазный инвертор И 14, трансформатор 15 и выпрямитель с фильтром на выходе 16 представляют собой первый дискретный преобразователь постоянного напряжения 21.
2
1
2
n
Выходная мощность преобразователя постоянного напряжения 21 должна превышать суммарную мощность потребителей переменного тока 30 и потребителей постоянного тока 32 с учетом коэффициентов полезного действия бустерной схемы основного выпрямителя 4, трехфазного инвертора 9, выходного однофазного инвертора И 11 и выходного преобразователя постоянного напряжения. Обеспечение данной мощности достигается равномерным распределением выходной мощности преобразователя постоянного напряжения 21 между п параллельно соединенными идентичными дискретными преобразователями постоянного напряжения 21, 21, …21 (где n≥1). Идентичность преобразователей постоянных напряжений позволяет исключить токи коротких замыканий между данными преобразователями. В качестве трансформатора 15, можно использовать, например, планарные трансформаторы Payton (см.. например, Планарные трансформаторы Payton Planar Magnetics для малогабаритных высоконадежных применений. На сайте: https://power-e.ru/components/payton/).
1
2
При появлении напряжения на выходе источника переменного напряжения ИПН 1 по сигналу первого датчика напряжения ДН 25 (напряжение присутствует) система управления СУ 20 вырабатывает в цепь управления первого 2 и второго 17 контакторов сигналы, по которым контакты K контактора 2 замыкаются, а контакты К контактора 17 размыкаются. Системой управления СУ 20 основной выпрямитель 4 переводится в основной режим работы системы, описанный выше.
2
1
2
3
В случае отсутствия появления напряжения на выходе источника переменного напряжения ИПН 1 в режиме работы системы бесперебойного питания от аккумуляторной батареи 13 до достижения разряда аккумуляторной батареи допустимого нижнего значения на ней напряжения, сигнал с второго датчика напряжения ДН 26 поступает в систему управления СУ 20, которая вырабатывает сигналы в цепи управления первого 2, второго 17 и третьего 18 контакторов, по которым контакты K контактора 2 и контакты К контактора 17 размыкаются, а контакты К контактора 18 замыкаются, при этом, сигналом СУ 20, поступающим на управляющий вход автономного генератора АГ 33, он запускается и вырабатывает переменное трехфазное напряжение, аналогичное выходному напряжению ИПН 1.
3
В качестве автономного генератора можно использовать двигатель-дизель с трехфазным синхронным генератором на выходе (см., например, патент, РФ №2692468). К входам основного выпрямителя 4 с выхода автономного генератора АГ 33 через замкнутые контакты К третьего контактора 18 и через фазные дроссели 3 подается трехфазное переменное напряжение. В данном случае основной выпрямитель 4 работает в выпрямительном режиме и процессы формирования напряжений для потребителей переменного тока 30 и потребителей постоянного тока 32 аналогичны описанному выше основному режиму работы системы с питанием от первичного источника ИПН 1.
2
3
С учетом времени срабатывания системы управления 20, второго 17 и третьего 18 контакторов на размыкание и замыкание контактов К и К, наблюдается запаздывание появления напряжения на входе основного выпрямителя 4, поэтому с учетом времени формирования им выходных напряжений наблюдается отсутствие напряжения (наличие "провалов") на его выходе. Как было описано выше, опорным напряжением с выхода опорного преобразователя постоянного напряжения 22, поступающим на шину бесперебойного питания постоянного тока через опорный диод 19, обеспечивается формирование напряжений для потребителей переменного тока 30 и потребителей постоянного тока 32 без каких либо нарушений (провалов). Работа системы бесперебойного питания от автономного генератора АГ 33 с использованием в качестве резервного источника питания аккумуляторной батареи 13 (с непрерывным контролем остаточной емкости аккумуляторной батареи 13) аналогичен основному режиму, описанному выше.
1
При появлении напряжения на выходе источника переменного напряжения ИПН 1 система бесперебойного питания по сигналу с первого датчика напряжения ДН 25 системой управления СУ 20 переводится в основной режим работы, и процессы, описанные выше, повторяются.