Устройство автоматического включения резервного источника
AUTOMATIC SWITCHING BACKUP SOURCE

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам противоаварийной автоматики, и может быть использовано для питания потребителей переменного тока особой группы первой категории надежности электроснабжения, не допускающих перерыва питания.
Известны устройства автоматического включения резерва (АВР), содержащие выключатели рабочего и резервного источников питания, которые срабатывают при исчезновении напряжения на шинах потребителя и с заданной выдержкой времени отключают выключатель рабочего источника, а затем включают выключатель резервного источника [1], при этом возникает перерыв питания, соответствующий выдержке времени отключения выключателя рабочего источника. Выдержка времени необходима для исключения срабатывания на не отключенные короткие замыкания, а также для согласования действия с другими устройствами противоаварийной автоматики.
Недостатками таких устройств, обладающих относительно высоким быстродействием, является кратковременное нарушение электроснабжения на шинах потребителей при аварийных режимах сети при переключении неисправного ввода на резервный.
Известно также устройство, содержащее дешифратор, исполнительный элемент и два идентичных блока контроля качества электроэнергии, каждый из которых содержит два канала контроля напряжения, состоящих из последовательно включенных датчика напряжения, порогового элемента, элемента задержки исчезновения и элемента задержки появления, и канал контроля частоты, состоящий из последовательно включенных схемы контроля частоты, элемента задержки исчезновения и элемента задержки появления; выходы элементов задержки появления являются выходами блоков контроля качества электроэнергии. При этом в состав каждого блока контроля качества электроэнергии дополнительно введен канал контроля провалов напряжения, состоящий из последовательно включенных схемы контроля провалов напряжения, элемента задержка исчезновения и элемента задержки появления, выход которого является четвертым выходом блока контроля качества электроэнергии. Дополнительно введенные схема контроля провалов напряжения, реагирующая на провалы напряжения более 50% от номинального значения, и четвертый элемент задержки исчезновения, длительность формируемой задержки которого зависит от величины емкости конденсаторов в фильтрах питания ответственного потребителя и его тока потребления, в совокупности с восьмивходовым дешифратором позволяют обеспечить при аварийных режимах в электрической сети бесперебойное снабжение электроэнергией ответственных потребителей [2].
Недостатком такого устройства является отсутствие возможности улучшения показателей качества электрической энергии, таких как несимметрия напряжения, несинусоидальность формы кривой напряжения, исходя из оценки суммарного фактического вклада источников электрической энергии и потребителей в ухудшение показателей качества электрической энергии.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, содержащее две идентичные цепи, каждая из которых имеет источник переменного тока, соединенный с входом датчика напряжения и с входными силовыми клеммами механического ключа с электроприводом, при этом выходы датчиков напряжения соединены с соответствующими входами блока управления, одни из выходов которых подключены к электроприводу, датчик тока и нагрузку, снабженное активным фильтром, выход которого соединен с соединенными вместе выходными силовыми клеммами механических ключей, а его вход подключен к третьему выходу блока управления, датчиком напряжения, соединенным с силовым входом датчика тока и точкой соединения выходных силовых клемм механических ключей, а выход датчика напряжения подключен к третьему входу блока управления, при этом силовой выход датчика тока является выходом устройства и подключен к нагрузке, а его выход соединен с четвертым входом блока управления [3].
Недостатками такого устройства, помимо малого быстродействия, обусловленного наличием в устройстве механических ключей, являются также отсутствие возможности осуществления переключения с одного источника переменного тока на другой на основании оценки суммарного вклада источников переменного тока и потребителя в ухудшение таких показателей качества электрической энергии, как несимметрия напряжения, несинусоидальность формы кривой напряжения, провалы напряжения и перенапряжения.
Целью изобретения являются создание устройства, исключающего перерывы питания при осуществлении переключения питания с одного источника переменного тока на другой, а также улучшение качества электрической энергии в сети.
Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве применены тиристорные коммутационные аппараты, выполненные на базе двух силовых электронных ключей на основе встречно включенной тиристорной пары без демпфирующей цепочки в одном из тиристоров, время срабатывания которых не превышает 10 мкс, применены блоки контроля показателей качества электрической энергии для снятия параметров электрической энергии и обработки их в блоке управления с целью определения фактических вкладов потребителей и источников переменного тока в ухудшение показателей качества электрической энергии по существующему способу выявления фактического вклада субъектов электрических сетей в искажение качества электрической энергии, определения суммарного фактического вклада нагрузки с каждым источником отдельно, сравнения их между собой и с допустимым вкладом в искажение качества электрической энергии и осуществления переключения питания нагрузки на источник, суммарный фактический вклад с которым будет наименьшим, согласно изобретению в устройство дополнительно введены линии связи с автоматизированной системой управления технологическим процессом, блоки задания допустимых показателей качества электрической энергии и контроля линий связи с автоматизированной системой управления технологическим процессом.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1, 2).
Устройство содержит:
1 - источник переменного тока;
2 - источник переменного тока;
3 - ответственный потребитель (аппаратура связи и управления);
4 - ответственный потребитель (осветительная нагрузка);
5 - ответственный потребитель (двигательная нагрузка);
6 - блок контроля показателей качества электрической энергии;
7 - блок контроля показателей качества электрической энергии;
8 - блок контроля показателей качества электрической энергии;
9 - блок контроля показателей качества электрической энергии;
10 - активный фильтр;
11 - тиристорный коммутационный аппарат;
12 - тиристорный коммутационный аппарат;
13 - шины переменного тока;
14 - шины переменного тока ответственных потребителей;
15 - блок управления;
16 - блок задания допустимых показателей качества электрической энергии;
17 - блок контроля линий связи с автоматизированной системой управления технологическим процессом;
18 - линии связи с автоматизированной системой управления технологическим процессом.
Устройство работает следующим образом.
Питание ответственных потребителей 3, 4 и 5 осуществляется от источника переменного тока 1 через тиристорный коммутационный аппарат 11, шины переменного тока 13 и шины ответственных потребителей 14.
При пропадании питания с источника переменного тока 1 по каким-либо причинам блок управления 15 подает сигнал на выключение тиристорного коммутационного аппарата 11 и подает сигнал на включение тиристорного коммутационного аппарата 12. Для выравнивания параметров электрической энергии с источника переменного тока 1 до параметров с источника переменного тока 2, а также для компенсации перерыва электроснабжения ответственных потребителей на время выключения тиристорного коммутационного аппарата 11 и включения тиристорного коммутационного аппарата 12 блок управления 15 подает сигнал на активный фильтр 10, выход которого соединен с шинами переменного тока 13, а его вход подключен к блоку управления 15, позволяющему осуществлять переключение питания ответственных потребителей 3, 4, и 5 между источниками переменного тока 1 и 2 без разрыва питающей кривой напряжения, при этом его параметры также контролируются блоком контроля показателей качества электрической энергии 9 и записываются в память блока управления 15. Когда параметры источника переменного тока 2 сравняются с параметрами на шинах ответственных потребителей, блок управления 15 отключает активный фильтр 10, питание ответственных потребителей осуществляется от источника переменного тока 2 через тиристорный коммутационный аппарат 12, шины переменного тока 13 и шины ответственных потребителей 14.
При возобновлении питания на источнике переменного тока 1 схема приходит в исходное состояние, блок управление 15 подает сигналы на выключение тиристорного коммутационного аппарата 12, включение тиристорного коммутационного аппарата 11, а также включение активного фильтра 10 для компенсации перерыва электроснабжения на время переключения и выравнивания параметров на шинах ответственных потребителей от источника переменного тока 2 до параметров источника переменного тока 1.
Параметры с блока контроля показателей качества электрической энергии 6 в блоке управления 15 сравниваются с допустимыми. Параметры с блока контроля показателей качества электрической энергии 7 в блоке управления 15 сравниваются с допустимыми, и, если они совпадают, блок управления 2 сравнивает его с блоком контроля показателей качества электрической энергии 6. Если оба сигнала имеют одинаковые параметры, то при отклонении хотя бы одного из параметров с блока контроля показателей качества электрической энергии 6 от допустимых устройство переключает питание ответственных потребителей 3, 4, и 5 с источника переменного тока 1 на источник переменного тока 2.
При возвращении параметров с блока контроля показателей качества электрической энергии 6 к допустимым, если при этом произошло отклонение хотя бы из одного из параметров с блока контроля показателей электрической энергии 7 от допустимых, устройство возвращает питание ответственных потребителей 3, 4 и 5 с источника переменного тока 2 на источник переменного тока 1.
Данные с блоков контроля показателей качества электрической энергии 6, 7 и 8 снимаются в непрерывном режиме и по линиям связи попадают на входы блока управления 15 устройства, в котором с помощью блока задания допустимых показателей качества электрической энергии 16 заданы параметры показателей качества электрической энергии, соответствующие допустимым, и заносятся в его память. По существующему способу определения фактического вклада потребителей и источников электроэнергии в ухудшение качества электрической энергии в программной части блока управления 15 осуществляется расчет фактического вклада ответственных потребителей 3, 4 и 5 и источников переменного тока 1 и 2, после чего суммируются фактические вклады от ответственных потребителей 3, 4 и 5 и источника переменного тока 1, а также суммируются фактические вклады от ответственных потребителей 3, 4 и 5 и источника переменного тока 2, а также расчет допустимого вклада, который может быть внесен в ухудшение качества электрической энергии в сети. В блоке управления 15 происходит сравнение суммарного вклада в ухудшение качества электрической энергии источника переменного тока 1 и ответственных потребителей 3, 4 и 5 и источника переменного тока 2 и ответственных потребителей 3, 4 и 5 с допустимым вкладом.
При превышении суммарного фактического вклада источника переменного тока 1 и ответственных потребителей 3, 4 и 5 допустимого, происходит сравнение суммарного фактического вклада источника переменного тока 2 и ответственных потребителей 3, 4 и 5 с допустимым и, если он меньше, устройство переводит питание ответственных потребителей 3, 4 и 5 с источника переменного тока 1 на источник переменного тока 2.
При превышении суммарного фактического вклада источника переменного тока 1 и ответственных потребителей 3, 4 и 5 суммарного фактического вклада источника переменного тока 2 и ответственных потребителей 3, 4 и 5, устройство переводит питание ответственных потребителей 3, 4 и 5 с источника переменного тока 1 на источник переменного тока 2.
Аналогично осуществляется переключение питания ответственных потребителей 3, 4 и 5 с источника переменного тока 1 на источник переменного тока 2 при превышении суммарного фактического вклада источника переменного тока 2 и ответственных потребителей 3, 4 и 5 допустимого, если суммарный фактический вклад источника переменного тока 1 и ответственных потребителей 3, 4 и 5 не превышает допустимый, или же если суммарный фактический вклад источника переменного тока 2 и ответственных потребителей 3, 4 и 5 превышает суммарный фактический вклад источника переменного тока 1 и ответственных потребителей 3, 4 и 5.
По линиям связи с автоматизированной системой управления технологическим процессом 18, состояние которых контролируется с помощью блока контроля линий связи с автоматизированной системой управления технологическим процессом 17, данные о состоянии устройства и питании нагрузки передаются в автоматизированную систему управления технологическим процессом.
Таким образом, использование коммутационных аппаратов, выполненных на базе двух силовых электронных ключей на основе встречно включенной тиристорной пары без демпфирующей цепочки в одном из тиристоров, позволяет исключить перерывы питания ответственных потребителей, применение блоков контроля показателей качества электрической энергии и выбора по суммарному фактическому вкладу источников переменного и ответственных потребителей позволяет повысить качество электрической энергии на шинах ответственных потребителей, а введение в устройство блока задания допустимых показателей качества электрической энергии и линий связи с автоматизированной системой управления технологическим процессом позволяет дистанционно изменять параметры устройства и осуществлять контроль за его работой.
Заявителям неизвестен путь решения поставленной задачи с приведенной совокупностью существенных признаков, что говорит об «изобретательском уровне» технического решения.
Авторами на основе программного продукта MATLAB SimPowerSystems проведено моделирование процессов, протекающих в данном устройстве во время его работы. Разработанная модель показывает (фиг. 2), что при применении данного устройства в системах электроснабжения ответственных потребителей переключение осуществляется без перерыва питания, а также то, что путем выбора приоритетного источника переменного тока при питании ответственных потребителей по суммарному фактическому вкладу в ухудшение показателей качества электрической энергии улучшается качество электрической энергии.
Устройство может быть выполнено на современной элементной базе промышленного изготовления.
Приведенные данные и сведения подтверждают возможность промышленного осуществления предлагаемого изобретения.
Источники информации
1. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высш. шк., 1991, рис. 10.12, с. 285.
2. RU №2025024, 1994 г.
3. RU №2304337, 2007 г.