ЭНЕРГОУСТАНОВКА НА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
POWER PLANT OPERATING ON FUEL ELEMENTS

Изобретение относится к энергоустановкам на топливных элементах.
Известна энергоустановка на топливных элементах (патент США №2006/0280977, МПК H01M 8/04, 2006), содержащая генератор на топливных элементах, инвертор, датчик напряжения генератора, систему автоматического управления и контроля, аккумуляторные батареи и коммутационные элементы. Недостаток энергоустановки заключается в ее неспособности работать совместно с внешней электрической сетью в режиме источника бесперебойного питания.
Известно устройство сервисного байпаса (патент США №2010/0187908, МПК H02J 9/04, 2010), повышающее безопасность и эффективность работы источника бесперебойного питания. Оно содержит источник питания, нагрузку, управляемые коммутационные элементы и источник бесперебойного питания, включающий в себя аккумулятор, зарядное устройство, инвертор, интерфейс дистанционного управления, развязывающие диоды, согласующие преобразователи AC-DC, DC-DC. Недостаток устройства заключается в ограниченности времени работы источника бесперебойного питания при пропадании внешней сети, а также в необходимости согласующих преобразователей.
За прототип взята энергоустановка на топливных элементах (патент RU 2382445, МПК H01M 8/04, 2009), содержащая генератор на топливных элементах, инвертор, датчик напряжения генератора, систему автоматического управления и контроля, блок аккумуляторных батарей, зарядное устройство, развязывающие диоды, три контактора, кнопку включения и коммутационные элементы. Недостатком устройства является невозможность работы энергоустановки совместно с внешней электрической сетью в режиме источника бесперебойного питания при длительных пропаданиях внешней сети.
Предлагаемая энергоустановка обладает универсальными характеристиками и может работать длительное время как в режиме источника бесперебойного питания, так и в режиме автономного источника без внешней сети.
Энергоустановка, схема которой представлена на фиг.1, содержит генератор на топливных элементах 1, инвертор 2, датчик выходного напряжения генератора 3, подключенный к входу системы автоматического управления и контроля 4, блок аккумуляторных батарей 5, зарядное устройство 6, два развязывающих диода 7, 8, объединенный катод которых подключен к входу инвертора 2, и три контактора 9,10, 11. Контакты на замыкание 12 контактора 9 включены между генератором 1 и анодом диода 7. Входы контактов на замыкание 13 и контактов на размыкание 14 контактора 10 подключены к блоку 5, а выходы - соответственно к аноду диода 8 и к выходу устройства 6, вход которого связан с входами контактов на замыкание 15 контактора 11. С выходами контактов 15 соединена внешняя нагрузка 16. Управляющие катушки контакторов 9, 11 через соответствующие коммутационные элементы на замыкание 17,18 подключены к входам контактов 15 контактора 11. Управляющая катушка контактора 10 через параллельно-последовательно соединенные кнопку включения энергоустановки 19, вспомогательный контакт 20 контактора 10, третий коммутационный элемент на замыкание 21 и коммутационный элемент на размыкание 22 подсоединена к блоку 5. Управляющие входы элементов 17, 18, 21, 22 и потребителей собственных нужд генератора на топливных элементах 23 (электромагнитные клапаны, нагреватели, насосы, вентиляторы, датчики и т.д.) связаны с выходами системы 4.
Энергоустановка снабжена клеммами 24 для подключения внешней электрической сети, подсоединенными через тумблер 25 к датчику напряжения сети 26, четвертым контактором 27 с двумя группами контактов на переключение 28, четвертым коммутационным элементом на замыкание 29 и маломощным источником бесперебойного питания 30.
Управляющая катушка контактора 27 через элемент 29 подключена к выходу инвертора 2. Питающий вход системы 4 соединен с выходом источника 30, вход которого подключен к входам контактов 15 контактора 11. Входы контактов 15 соединены с выходами групп контактов 28 контактора 27. Входные нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты 28 контактора 27 подключены соответственно к тумблеру 25 и выходу инвертора 2. Управляющий вход элемента 29 и выход датчика 26 подсоединены к системе 4.
Энергоустановка работает следующим образом. При наличии внешней электрической сети, подключенной к клеммам 24, и замыкании тумблера 25 к датчику 26, входам зарядного устройства 6, источника бесперебойного питания 30 и к потребителям собственных нужд 23 прикладывается напряжение внешней сети. Одновременно с этим начинается подзаряд блока аккумуляторных батарей 5 от устройства 6. При нажатии кнопки включения на источнике 30 от него на систему автоматического управления и контроля 4 поступает гарантированное напряжение питания. Датчик 26 информирует систему 4 о наличии внешней сети. После этого система 4 замыкает элемент 18, вызывая срабатывание контактора 11, замыкающего контакты 15 и подключающего нагрузку 16 к сети.
При пропадании внешней сети датчик 26 подает в систему 4 соответствующий сигнал, под действием которого она замыкает элемент 21, вызывая срабатывание контактора 10, отключающего контактами 14 от устройства 6 блок 5 и подключающего его контактами 13 через диод 8 к входу инвертора 2. На выходе инвертора 2 появляется переменное напряжение. После этого система 4 замыкает элемент 29, вызывая срабатывание контактора 27, переключающего контактами 28 нагрузку 16 с внешней электрической сети на выходное напряжение инвертора 2. Источник 30 на время указанных переключений обеспечивает надежное питание системы 4. Одновременно с этим по заданному алгоритму система 4 начинает поэтапное подключение потребителей собственных нужд 23, обеспечивающих перевод генератора 1 из холодного состояния в рабочее. По завершении перевода датчик 3 сигнализирует системе 4 о наличии номинального напряжения генератора 1. Система 4 замыкает элемент 17, вызывая срабатывание контактора 9, подключающего своими контактами 12 через диод 7 генератор 1 к входу инвертора 2. С небольшой задержкой система 4 размыкает элемент 22, выключающий контактор 10, который контактами 13 отключает блок 5 от входа инвертора 2, а контактами 14 возвращает его в режим подзаряда от устройства 6. При этом произошедшие переключения на выходном напряжении инвертора 2 никак не отражаются. Длительность работы энергоустановки от генератора 1 во много раз превосходит длительность ее работы от блока 5, что позволяет резервировать нестабильные сети с большими перерывами в работе. Возникающий в выходном напряжении энергоустановки перерыв при переключении с внешней сети на инвертор 2 составляет доли секунды и для большинства видов нагрузок не существенен. Для системы 4, наиболее чувствительной к сбоям в питании, бесперебойное питание обеспечивается маломощным источником 30, не реагирующим на кратковременные перерывы в питании.
При возобновлении питания от внешней сети датчик 26 сигнализирует об этом, а система 4 размыкает элемент 29, отключая контактор 27, контакты 28 которого переключают нагрузку 16 с выхода инвертора 2 на внешнюю сеть. После этого система 4 размыкает элемент 17, обесточивая контактор 9, и отключает его контактами 12 генератор 1 от входа инвертора 2. По заданному алгоритму, управляя потребителями 23, система 4 переводит генератор 1 из рабочего состояния в холодное.
Энергоустановка может эксплуатироваться и в автономном режиме без внешней электрической сети. При этом ее включение осуществляется нажатием кнопки 19 и кнопки включения на источнике 30.
К достоинствам рассмотренной энергоустановки относится ее способность работать при любых соотношениях величин напряжения внешней сети и генератора 1, а также высокий КПД, обусловленный тем, что инвертор 2 работает только в режимах без внешней сети.
Для повышения быстродействия переключения энергоустановки из одного режима в другой вместо контактора 27 может быть применено твердотельное реле.
Таким образом, предлагаемая энергоустановка обеспечивает длительную автономную работу при отсутствии внешней сети, характеризуется повышенной экономичностью и обладает универсальным принципом построения.