СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО И ГАРАНТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
UNINTERRUPTED AND GUARANTEED POWER SUPPLY SYSTEM FOR ELECTRIC POWER CONSUMERS

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности, к области электроснабжения ответственных потребителей электроэнергии. К ответственным потребителям можно отнести следующие основные группы: оборудование локальной вычислительной сети; системы специальной связи; технические средства спутниковой сети передачи данных; системы охраны и работа оборудования стратегических объектов и аналогичное оборудование, не допускающее разрыва синусоиды в момент включения резервного источника.
Известны системы АВР (автоматического ввода резерва), которые обеспечивают переключение нагрузки с одного независимого источника питания на другой, осуществляя тем самым электропитание потребителей. Недостаток АВР в том, что на время переключения коммутационными аппаратами (выключателями, контакторами и т.п.) рабочего и резервного источника питания электроснабжение потребителей прерывается.
Известны статические агрегаты бесперебойного питания, основанные на преобразовании постоянного тока от выпрямителя или аккумуляторной батареи в трехфазный переменный ток. Основным узлом такого агрегата является инвертор тока или напряжения. Форма выходного напряжения инвертора содержит дополнительные гармоники тока и напряжения.
Известна система бесперебойного электропитания потребителей переменного тока и напряжения (патент RU 2208285, МПК H02J 9/04, Н02Н 5/10, Н02Н 7/06. Опубликован 10.07.2003). Эта система бесперебойного электропитания потребителей переменного тока построена с использованием асинхронных машин. Имеется схема управления системой, выполненная на контакторах.
По нашему мнению, известная система имеет малую надежность и следующие существенные недостатки:
1. При аварии, например, на линии 1 (по схеме патента), если асинхронный двигатель 9 быстро автоматически возбуждается от конденсаторов 5, то в этой линии будет постоянно присутствовать напряжение, и контактор 13 не отключится от сети, и нарушится режим работы.
2. При аварии в этой же линии в момент возбуждения двигателя 9 в нагрузке 3 будет выполняться пуск асинхронного двигателя, то процесс самовозбуждения не произойдет.
3. При работе двух асинхронных машин, например, 10 - в режиме приводного двигателя, а 9 - в режиме асинхронного генератора, частота тока за счет скольжения резко снизится.
Известна «Система бесперебойного и гарантированного электроснабжения для наиболее ответственных потребителей электроэнергии» (прототип, патент RU 2518907, МПК H02J 9/04. Опубликован 10.06.14. Бюл №16).
Система содержит асинхронный генератор с ротором и специальными статорными обмотками с выводами, конденсаторы возбуждения и дополнительные конденсаторы возбуждения, регулятор-стабилизатор напряжения, устройство контроля и регулирования частоты, двигатель постоянного тока с обмоткой возбуждения, регулирующий элемент (транзистор), аккумуляторную батарею, трехфазный управляемый выпрямитель с функциями зарядного устройства, питающую сеть, быстродействующий автоматический выключатель, реле направления активной мощности.
Недостатком известной системы является:
1. Сложная схема обмотки асинхронного генератора.
2. Недостаток известной обмотки в том, что она характеризуется повышенным коэффициентом дифференциального рассеяния из-за наличия нечетных и четных высших гармоник магнитодвижущей силы (МДС), что снижает эксплуатационные характеристики генератора.
Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик асинхронного генератора за счет уменьшения коэффициента дифференциального рассеяния обмотки, повышение качества выходного напряжения и обеспечение коммутации нагрузки в аварийных режимах без разрыва  синусоиды питающего напряжения.
Технический результат изобретения достигается тем, что в системе бесперебойного и гарантированного электроснабжения для потребителей электроэнергии, содержащая двигатель постоянного тока с обмоткой возбуждения, соединенный с валом асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором и обмотками статора с выводами, конденсаторы возбуждения и регулирования, регулятор-стабилизатор напряжения, устройство контроля и регулирования частоты, регулирующий транзистор, аккумуляторную батарею, трехфазный управляемый выпрямитель с функциями зарядного устройства, питающую сеть, быстродействующий автоматический выключатель, реле направления активной мощности согласно изобретению асинхронный генератор выполнен с автотрансформаторной обмоткой статора, которая состоит из восемнадцати катушечных групп, соединенных последовательно во внешний треугольник, с первыми выводами: (19), (20), (21) взятыми от вершин внешнего треугольника из объединенных начала первой и конца пятнадцатой катушечной группы, из объединенных начала седьмой и конца семнадцатой катушечной группы, из объединенных начала тринадцатой и конца пятой катушечной группы, со вторыми выводами: (22), (23), (24) взятыми от вершин внутреннего треугольника из объединенных начала десятой и конца двенадцатой катушечной группы, из объединенных начала шестнадцатой и конца восемнадцатой катушечной группы, из объединенных начала четвертой и конца шестой катушечной группы, при этом конец первой катушечной группы соединен с концом десятой, начало двенадцатой катушечной группы соединено с концом восьмой, начало восьмой катушечной группы соединено с началом третьей, конец третьей катушечной группы соединен с началом с началом семнадцатой, конец седьмой катушечной группы соединен с концом шестнадцатой, начало восемнадцатой катушечной группы соединено с концом четырнадцатой, начало четырнадцатой катушечной группы соединено с началом девятой, конец девятой катушечной группы соединен с началом пятой, конец тринадцатой катушечной группы соединен с концом четвертой, начало шестой катушечной группы соединено с концом второй,
д
начало второй катушечной группы соединено с началом одиннадцатой, конец одиннадцатой катушечной группы соединен с началом пятнадцатой, при этом автотрансформаторная обмотка статора имеет коэффициент дифференциального рассеяния равный R=0,0038 и своими первыми выводами через быстродействующий автоматический выключатель соединена с питающей сетью, с реле контроля направления активной мощности, конденсаторрами возбуждения и конденсаторами регулирования реактивной мощности, в нулевой точке которых своим выходом соединен регулятор-стабилизатор напряжения, а входом со вторыми выводами обмотки статора, взятыми от вершин внутреннего треугольника, к которым также подключены выходные контакты для подключения нагрузки и вход устройства контроля и регулирования частоты, а его выход с базой и эмиттером регулирующего транзистора, якорь двигателя постоянного тока параллельно, а его обмотка возбуждения через регулирующий транзистор соединена с положительным и отрицательным выводами аккумуляторной батареей, к которой параллельно присоединен выход трехфазного управляемого выпрямителя с функциями зарядного устройства, вход которого соединен с питающей сетью.
д
Новизна заявляемого предложения обусловлена тем, что за счет конструктивных особенностей, а именно асинхронный генератор выполнен с автотрансформаторной обмоткой статора которая состоит из восемнадцати катушечных групп соединенных во внешний треугольник, с первыми выводами: девятнадцать, двадцать, двадцать один взятыми от вершин внешнего треугольника из объединенных начала первой и конца пятнадцатой катушечной группы, из объединенных начала седьмой и конца семнадцатой катушечной группы, из объединенных начала тринадцатой и конца пятой катушечной группы, со вторыми выводами: двадцать два, двадцать три, двадцать четыре взятыми от вершин внутреннего треугольника из объединенных начала десятой и конца двенадцатой катушечной группы, из объединенных начала шестнадцатой и конца восемнадцатой катушечной группы, из объединенных начала четвертой и конца шестой катушечной группы, при этом конец первой катушечной группы соединен с концом десятой, начало двенадцатой катушечной группы соединен с концом восьмой, начало восьмой катушечной группы соединен с началом третьей, конец третьей катушечной группы соединен с началом с началом семнадцатой, конец седьмой катушечной группы соединен с концом шестнадцатой, начало восемнадцатой катушечной группы соединен с концом четырнадцатой, начало четырнадцатой катушечной группы соединен с началом девятой, конец девятой катушечной группы соединен с началом пятой, конец тринадцатой катушечной группы соединен с концом четвертой, начало шестой катушечной группы соединен с концом второй, начало второй катушечной группы соединен с началом одиннадцатой, конец одиннадцатой катушечной группы соединен с началом пятнадцатой, при этом коэффициент дифференциального рассеяния обмотки составляет R=0,0038, дополнительно обмотка статора своими первыми выводами через быстродействующий автоматический выключатель, соединена с питающей сетью, и к этим выводам присоединено и реле контроля направления активной мощности, конденсаторы возбуждения и конденсаторы регулирования реактивной мощности, в нулевой точке, которых своим выходом соединен регулятор-стабилизатор напряжения, а входом со вторыми выводами, взятыми от вершин внутреннего треугольника, к которым также подключены выходные контакты для подключения нагрузки и вход устройство контроля и регулирования частоты, а его выход с базой регулирующего элемента (транзистора), якорь двигателя постоянного тока непосредственно, а его обмотка возбуждения через регулирующий элемент (транзистор) соединена с выводами аккумуляторной батареей, к которой присоединен и выход трехфазного управляемого выпрямителя с функциями зарядного устройства, вход которого соединен с питающей сетью.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 показана схема обмотки статора асинхронного генератора-автотрансформатора для тридцати шести пазов в двухслойном исполнении из восемнадцати катушечных групп. На фигуре 2 - приведена форма магнитодвижущая сила (МДС) и диаграмма Гергеса (стороны катушек фазы А обозначены квадратом, фазы В - треугольником и фазы С - кругом, входящий ток обозначен «плюсом», выходящий ток - «точкой». На фигуре 3 приведена схема соединения катушечных групп и связь асинхронного генератора-автотрансформатора с сетью и нагрузкой. На фигуре «Н» и «К» - начало и конец катушечных групп с первой по восемнадцатую. На фигуре 4 приведена векторная диаграмма напряжений асинхронного генератора-автотрансформатора. На фигуре 5 приведена схема системы бесперебойного и гарантированного электроснабжения для наиболее ответственных потребителей электроэнергии.
Согласно фигуре 1 и 2 радиус основной гармоники МДС, полярный момент инерции пазовых вершин диаграммы Гергеса и значение коэффициента дифференциального рассеяния при включении обмотки асинхронного генератора-автотрансформатора в сеть 380 В:
Форма магнитодвижущей силы (МДС) и диаграмма Гергеса обмотки асинхронного генератора-автотрансформатора (стороны катушек фазы А обозначены квадратом, фазы В - треугольником и фазы С - кругом, входящий ток обозначен «плюсом», выходящий ток - «точкой».
Небольшой коэффициент дифференциального рассеяния и симметричная диаграммы Гергеса свидетельствует о высоком качестве обмотки и малой величине высших гармоник.
На фигуре 3 приведена схема соединения катушечных групп обмотки статора и связь асинхронного генератора-автотрансформатора (АГ-А) с сетью и нагрузкой.
д
Обмотка статора асинхронного генератора-автотрансформатора состоит из восемнадцати катушечных групп, соединенных во внешний треугольник, с первыми выводами: девятнадцать, двадцать, двадцать один, взятыми от вершин внешнего треугольника из объединенных начала первой и конца пятнадцатой катушечной группы, из объединенных начала седьмой и конца семнадцатой катушечной группы, из объединенных начала тринадцатой и конца пятой катушечной группы, со вторыми выводами: двадцать два, двадцать три, двадцать четыре, взятыми от вершин внутреннего треугольника из объединенных начала десятой и конца двенадцатой катушечной группы, из объединенных начала шестнадцатой и конца восемнадцатой катушечной группы, из объединенных начала четвертой и конца шестой катушечной группы, при этом конец первой катушечной группы соединен с концом десятой, начало двенадцатой с концом восьмой, начало восьмой с началом третьей, конец третьей с началом семнадцатой, конец седьмой катушечной группы соединен с концом шестнадцатой, начало восемнадцатой с концом четырнадцатой, начало четырнадцатой с началом девятой, конец девятой с началом пятой, конец тринадцатой катушечной группы соединен с концом четвертой, начало шестой с концом второй, начало второй с началом одиннадцатой, конец одиннадцатой с началом пятнадцатой, при этом коэффициент дифференциального рассеяния обмотки составляет R=0,0038.
μ
нагр
На фигуре 4 приведена векторная диаграмма напряжений асинхронного генератора-автотрансформатора. На векторной диаграмме: I - ток намагничивания; I - ток нагрузки.
Система (фиг. 5) содержит асинхронный генератор-автотрансформатор с обмоткой статора из 1-ой по 18-ю катушечные группы, соединенные во внешний треугольник, с первыми выводами: 19, 20, 21, взятыми от вершин внешнего треугольника и вторыми выводами: 22, 23, 24, взятыми от вершин внутреннего треугольника, с ротором 25, который жестко соединен с валом двигателя постоянного тока 26, имеющий обмотку возбуждения 27, регулирующий элемент (например, транзистор) 28, аккумуляторную батарею 29, трехфазный управляемый выпрямитель с функциями зарядного устройства 30, питающую сеть 31, быстродействующий автоматический выключатель 32, реле контроля направления активной мощности 33, конденсаторы возбуждения 34, конденсаторы регулирования реактивной мощности 35, регулятор-стабилизатор напряжения 36, устройство контроля и регулирования частоты 37, выходные контакты 38 для подключения нагрузки.
Обмотка статора АГ-А, соединенная во внешний треугольник своими первыми выводами 19, 20, 21 через быстродействующий автоматический выключатель 32, соединена с питающей сетью 31. К этим выводам присоединено и реле контроля направления активной мощности 33, конденсаторы возбуждения 34, конденсаторы регулирования реактивной мощности 35, в нулевой точке, которых своим выходом соединен регулятор-стабилизатор напряжения 36, а входом со вторыми выводами 22, 23, 24, взятыми от вершин внутреннего треугольника, к которым также подключены выходные контакты 38 для подключения нагрузки и вход устройство контроля и регулирования частоты 37, а его выход с базой регулирующего элемента (транзистора) 28.
Якорь двигателя постоянного тока 26 непосредственно, а его обмотка возбуждения 27 через регулирующий элемент (транзистор) 28 соединена с выводами аккумуляторной батареей 29, к которой присоединен и выход трехфазного управляемого выпрямителя с функциями зарядного устройства 30, вход которого соединен с питающей сетью 31.
Конденсаторы возбуждения 34 выбираются из условия компенсировать реактивную составляющую АГ-А при работе на холостом ходу.
Конденсаторы регулирования реактивной мощности 35 рассчитаны на компенсацию реактивной составляющей нагрузки и генератора при автономном режиме работы.
Регулятор-стабилизатор напряжения 36 в функции величины выходного напряжения на нагрузке (вторые выводы 22, 23, 24) изменяет величину емкостного тока дополнительных конденсаторов 35, тем самым стабилизирует напряжение на нагрузке.
Устройство контроля и регулирования частоты 37 изменяет ток возбуждения в обмотке 27 двигателя постоянного тока 26 в функции частоты тока нагрузки на вторых выводах 22, 23, 24 обмотки АГ-А. При снижении частоты тока на нагрузке уменьшается ток возбуждения в обмотке 27, при постоянном напряжении на якоре двигателя 26, увеличивается его скорость (частота) вращения. Происходит регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока изменением магнитного потока.
Реле направления активной мощности может быть типа РМ-11, РМ-12 с повышенным быстродействием (время срабатывания не более 0,03 секунды).
Трехфазный управляемый выпрямитель 30 с функциями зарядного устройства имеет ограничение (по току заряда) и устройство стабилизации выходного напряжения, равного напряжению холостого хода аккумуляторной батареи 29. Это напряжение поддерживается и на зажимах якоря двигателя 26.
Система бесперебойного и гарантированного электроснабжения для потребителей электроэнергии работает следующим образом.
-1
-1
Штатный режим. При подаче напряжения на зажимы питающей сети 31 на выходе трехфазного управляемого выпрямителя 30 с функциями зарядного устройства появляется заданное напряжение, согласованное с номинальным напряжением аккумуляторной батареей 29 и номинальным напряжением якоря двигателя постоянного тока 26. Транзистор 28 открыт, и по обмотке возбуждения 27 проходит номинальный ток. Двигатель постоянного тока 26 разгоняется до скорости (частоты) вращения, например, 3000 мин (314 с). С такой же скоростью вращается и ротор асинхронного генератора-автотрансформатора 25.
Одновременно напряжение питающей сети 31 через контакты быстродействующего автоматического выключателя 32, реле направления активной мощности 33 поступает на первые выводы 19, 20, 21 вершины внешнего треугольника специальных обмоток статора АГ-А, на конденсаторы возбуждения 34 и конденсаторы регулирования реактивной мощности 35. Поскольку ротор 25 АГ-А вращается с синхронной скоростью вращения магнитного поля, по обмоткам статора проходит реактивный ток (мощность) намагничивания и активная составляющая тока, пропорциональная потерям в стали на перемагничивание. Реактивный (емкостный ток) также поступает от конденсаторов возбуждения 34 и конденсаторов регулирования реактивной мощности 35.
При подключении нагрузки ко вторым выводам 22, 23, 24 АГ-А работает как понижающий автотрансформатор, передавая мощность от питающей сети 31 к нагрузке с минимальными потерями.
Аварийный режим. Исчезает напряжение в питающей сети 31. Ротор 25 продолжает вращаться от двигателя постоянного тока 26 и АГ-А переходит в автономный режим с возбуждением от конденсаторов возбуждения 34 и конденсаторов регулирования реактивной мощности 35.
На выводах 38 и нагрузке напряжение не исчезает и не изменяется. Реле направления активной мощности 33 реагирует на изменение потока мощности (подключен трехфазный управляемый выпрямитель 30 с функциями зарядного устройства или другая нагрузка) и подает сигнал на контакты быстродействующего автоматического выключателя 32, который быстро отключает питающую сеть 31 со всеми токоприемниками. Двигатель постоянного тока 26 переходит на питание от аккумуляторной батареи 29. Частота его вращения и частота тока асинхронного генератора-автотрансформатора снижаются, устройство контроля и регулирования частоты 37 реагирует на это и изменяет ток возбуждения в обмотке 27 двигателя постоянного тока 26 в функции частоты тока нагрузки. Частота вращения двигателя и частота тока АГ-А и нагрузки стабилизируются.
При изменении величины нагрузки напряжение на контактах 38 и выводах 22, 23, 24 уменьшается. На это реагирует регулятор-стабилизатор напряжения 36, который автоматически при снижении напряжения увеличивает емкостный ток конденсаторов регулирования реактивной мощности 35. Так происходит стабилизация напряжения на нагрузке.
При появлении напряжения на питающей линии 31 от датчика контроля сети (на схеме не показан) включается быстродействующий автоматический выключатель 32 и система бесперебойного и гарантированного электроснабжения переходит в штатный режим работы.
Достоинства предлагаемого технического решения.
При работе в штатном режиме асинхронный генератор-автотрансформатор потребляет реактивный (емкостной ток) от конденсаторов возбуждения 34 и 35, тем самым разгружая питающую сеть 31. За счет этого емкостного тока, регулятор-стабилизатор напряжения 36 поддерживает неизменным напряжение на нагрузке 38 даже в штатном режиме при питании от сети 31.
Поскольку по обмоткам статора постоянно циркулирует емкостный ток, то в аварийных режимах (и при переходе в штатный режим) синусоида напряжения на нагрузке не прерывается, что очень важно для ответственных потребителей электрической энергии.
За счет симметричного ротора асинхронного генератора-автотрансформатора на нагрузке поддерживается стабильное напряжение даже при двухфазной или не симметричной нагрузке.