АССИМЕТРИЧНЫЙ СУПЕРКОНДЕНСАТОРНЫЙ ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

Полезная модель относится к области источников электрического  питания и может быть использована при проектировании новых и оснащении/модернизации находящихся в эксплуатации систем электроснабжения промышленных и иных объектов напряжением 220В/380В с резкопеременной нагрузкой, включая электродвигатели, с нестабильной входной сетью (глубокие просадки или скачки напряжения, кратковременные прерывания напряжения), в том числе, для эксплуатации в необслуживаемом режиме в широком диапазоне температур (-40°С...+65°С).
Влияние сравнительно небольших по мощности потребителей электроэнергии, вызывающих колебания мощности/напряжения, на уровне энергосистемы в целом не всегда ощутимо, но в точках присоединения к трансформаторным подстанциям и/или распределительным пунктам такие колебания, как  правило, не допустимы. Особенно остро данный вопрос встает в связи с тем, что подобные колебания способны вызвать сбои в работе микропроцессорных устройств и систем автоматики, отключение осветительных устройств, привести к сокращению сроков службы электрооборудования и т.п.
Для обеспечения поддержания резкопеременных нагрузок в настоящее время применяется большое количество аппаратных средств и организационных мероприятий. Так, для кратковременного поддержания нагрузки во время перерывов в электроснабжении на время переключения автоматического ввода резерва с основной трансформаторной подстанции на резервную или на аварийный источник электроснабжения, применяются так называемые источники бесперебойного питания (ИБП), оснащенные аккумуляторными батареями (АКБ). В числе конструкций подобных источников может быть упомянуто, в частности, устройство по патенту РФ на полезную модель №167946, содержащее выпрямитель, подключенный к питающей сети переменного тока, инвертор, подключенный к нагрузке, шину постоянного тока между указанным выпрямителем и инвертором, соединенную, также, с зарядно-разрядным устройством, связанным с аккумуляторной батареей, и ключ, образующий байпасную цепь между питающей сетью и выходом инвертора.
Недостатки применения традиционных ИБП с АКБ напрямую связаны с недостатками, присущими традиционным АКБ, и заключаются в обеспечении климатических условий эксплуатации, повышенных требованиях к взрывобезопасности и необходимости периодической замены АКБ.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое решение, состоит в дальнейшем совершенствовании средств обеспечения стабильности электроснабжения в условиях нестабильности питающей электросети, при этом технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в возможности повышения стабильности  параметров электросети, повышении  компенсации импульсной мощности резкопеременной нагрузки (и, как следствие, в снижении требуемой мощности питающих сетей и аварийных источников энергии, снижении или исключении влияния резкопеременной нагрузки на питающие сети), а также в возможности поддержания нагрузки на время переключения с основного источника электроэнергии на вспомогательный или аварийный.
Для достижения поставленного результата предлагается источник бесперебойного питания (ИБП), содержащий по меньшей мере вход для внешнего электроснабжения и выход на нагрузку, и параллельно расположенный между ними двунаправленный инвертор, последовательно связанный с суперконденсатором, при этом между входом и инвертором последовательно расположен блок отключения внешнего электроснабжения.
Практические варианты реализации заявленного ИБП предполагают использование в качестве суперконденсаторов суперконденсатора двойного слоя (EDLC), наличие аварийного ключа (байпаса), параллельно расположенного между входом и выходом, опциональное наличие в составе ИБП трансформатора, последовательно расположенного между блоком отключения внешнего электроснабжения и инвертором.
Сущность полезной модели поясняется принципиальной электрической схемой заявленного ИБП (фиг.1). Для целей понимания, ИБП, построенный по заявленной схеме, может иметь как одинаковые мощности на входе и выходе, так и различные. В последнем случае подобная условная ассиметричность позволяет авторам в рамках настоящего описания применительно к заявленному ИБП ввести понятие «ассиметричный» (ИБП).
Основными составными элементами заявленного источника бесперебойного питания (ИБП) являются суперконденсатор (суперконденсаторный накопитель) 1 и двунаправленный инвертор 2. Последний параллельно расположен между входом и выходом ИБП с одной стороны и последовательно связан с суперконденсатором – с другой. Для специалиста, тем не менее, очевидно, что исходя из технической сущности составных элементов заявленного ИБП, подобная комбинация может быть также описана как параллельное расположение суперконденсатора через инвертор к соответственно выходу и входу устройства.   Поддержание нагрузки при полном пропадании электроснабжения и на время переключения с основного источника электроэнергии на вспомогательный или аварийный, включая дизель-генераторы, обеспечивается суперконденсаторным накопителем 1, который осуществляет электроснабжение нагрузки через инвертор 2. Между входом и инвертором последовательно расположен блок отключения внешнего электроснабжения 3 для исключения перегрузки внешней сети, срабатывающий в момент превышает номинальной мощности нагрузки для последующей компенсации от накопителя.
Возможность стабилизации параметров электрической сети при использовании заявленного ИБП обусловлена способностью суперконденсаторного накопителя 1 мгновенно заряжаться/разряжаться. Так, в случае превышения напряжения входной сети выше номинального (пик) суперконденсаторный накопитель 1, заряжаясь через двунаправленный инвертор 2, берет на себя часть избыточной мощности, тем самым стабилизируя напряжение на нагрузке. В случае понижения напряжения входной сети ниже номинального, суперконденсаторный накопитель 1 разряжается через двунаправленный инвертор 2, тем самым также стабилизируя напряжение на нагрузке. Следует также отметить, что в данном случае обеспечивается значительно большийдиапазон работы с провалами или пиками напряжения входной сети, по сравнению с традиционными ИБП.
Возможность компенсации импульсной мощности резкопеременной нагрузкии, как следствие, снижение требуемой мощности питающих сетей и аварийныхисточников энергии, снижение или исключение влияния резкопеременной нагрузкина питающие сети обусловлена тем, что мощности инвертора 2 и накопителя 1 рассчитывают (определяют) исходя из пиковой мощности резкопеременной нагрузки. Непосредственно компенсация импульсной мощности обеспечивается за счет способности накопителя 1 практически мгновенно отдавать требуемую нагрузкой мощность, разряжаясь через инвертор 2.
Опционально в составе заявленного ИБП могут применятьсяследующие элементы:
аккумуляторная батарея 4, применяемая для увеличениявремени автономной работы ИБП;
трансформатор 5 гальванической развязки, который позволяет обеспечитьбезопасность персонала, обслуживающего оборудование, подключенное черезИБП и, кроме того, работающий как дополнительный фильтр и позволяющий обеспечить выделенную нейтраль;
аварийный ключ (байпас) 6, применяемый для полного ручногоотключения ИБП при проведении ремонтных и профилактических работ.
Входное электроснабжение может обеспечиваться как городскойэлектрической сетью, так и автономными источниками питания, такими как дизель-генераторы, а также альтернативными источниками энергии, такими как солнечныебатареи и/или ветрогенераторы.
Заявленный ИБП помимо обеспечения основных функций позволяет также обеспечить КПД на уровне 95-98% за счет за счет того, что преобразованию подвергается только та часть энергии, которая поступает в суперконденсаторный накопитель и выходит из него,  гарантировать работу в широком диапазоне температур (от –40°С до +65°С) не требуя наличия специальных систем обеспечения климатических условий, включая уличное применение, обеспечить длительный срок эксплуатации за счет срока службы суперконденсаторного накопителя 1 млн. циклов заряда/разряда (10 лет), обеспечить возможность масштабирования до мощности (МВт) за счет параллельного соединения унифицированных устройств.