Система бесперебойного электропитания

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания ответственных потребителей. Цель изобретения повышение КПД и надежности системы бесперебойного электропитания путем расширения диапазона параллельной работы регулируемого и нерегулируемого источников переменного напряжения. Фазные зажимы регулируемого и нерегулируемого 2 источников переменного тока через обмотки уравнительных трансформаторов 8 и 9 подсоединены к потребителю 3 переменного тока. Регулируемый источник 1 переменного напряжения включает в себя регулируемый источник 25 опорного напряжения, вход которого связан с выходом элемента сравнения 23 напряжения на выводах потребителя 3 с номинальным уровнем. Новым является снабжение системы узлом, состоящим из двухпороговых компараторов 44 и 45, источников 48 и 49 напряжения смещения и управляемых ключей 46 и 47, которые позволят так изменять напряжение регулируемого источника 1, что при включении источников 1 и 2 переменного напряжения на параллельную работу отклонение напряжения на потребителе 3 не превышает предельно допустимую норму. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания ответственных потребителей.

Цель изобретения повышение КПД и надежности системы бесперебойного электропитания путем расширения диапазона параллельной работы регулируемого и нерегулируемого источников переменного напряжения.

На чертеже представлена система бесперебойного электропитания.

Система бесперебойного электропитания содержит регулируемый 1 и нерегулируемый 2 источники переменного напряжения, имеющие общий нулевой зажим, предназначенный для подключения одного вывода потребителя 3 переменного тока, другой вывод которого предназначен для подключения к фазному выходу каждого источника 1 или 2 через замыкающие контакты 4 и 5 магнитных линейных контакторов 6 и 7, а также через первичные обмотки силовых уравнительных трансформаторов 8 и 9, вторичные обмотки которых соединены параллельно. Одни выводы катушек 10 и 11 магнитных линейных контакторов 6 и 7 подключены к общему нулевому зажиму. Одни выводы катушек 12 и 13 шунтирующих контакторов 14 и 15, а также другие выводы катушек 10 и 11 линейных контакторов 6 и 7 через ключи 16 и 17 управления регулируемого и нерегулируемого источников 1 и 2 соединены с фазными выходами соответствующих источников 1 и 2, а другие выводы катушек 12 и 13 шунтирующих контакторов 14 и 15 через размыкающие контакты 18 и 19 линейных контакторов 7 и 6 другого источника с общим нулевым зажимом. Замыкающие контакты 20 и 21 шунтирующих контакторов 14 и 15 подключены параллельно первичным обмоткам силовых уравнительных трансформаторов 8 и 9.

Регулируемый источник 1 переменного напряжения содержит регулятор 22 выходного напряжения, первый элемент 23 сравнения, датчик 24 обратной связи по напряжению, регулируемый источник 25 опорного напряжения, встроенные блок 26 защиты и контактор 27 защиты. Выход регулятора 22 выходного напряжения, являющийся фазным выходом регулируемого источника 1 переменного напряжения подключен к входу датчика 24 выходного напряжения, выход которого соединен с инверсным входом первого элемента 23 сравнения, прямой вход которого соединен с выходом регулируемого источника 25 опорного напряжения, а выход с управляющим входом регулятора 22 выходного напряжения. Вход регулируемого источника 25 опорного напряжения образует регулирующий вход, а сигнальный выход встроенного блока 26 защиты образует сигнальный выход защиты регулируемого источника 1. Второй выход блока 26 защиты соединен с управляющим входом контактора 27, установленного на силовом входе регулятора 22 выходного напряжения.

Нерегулируемый источник 2 переменного напряжения содержит встроенный блок 28 защиты и контактор 29 защиты, выход блока 28 защиты соединен с управляющим входом контактора 29, установленного на выходе нерегулируемого источника 2.

Система бесперебойного электропитания также содержит три датчика 30, 31, 32 напряжения, два пороговых элемента 33 и 34, нерегулируемый источник 35 опорного напряжения, второй элемент 36 сравнения, измерительные уравнительные трансформаторы 37 и 38, блок 39 управления, имеющий три входа и два выхода. Выход первого датчика 31 напряжения, вход которого подключен к выводам потребителя 3 переменного тока, соединен с прямым входом второго элемента 36 сравнения, инверсный вход которого соединен с выходом нерегулируемого источника 35 опорного напряжения. Выход второго датчика 30 напряжения, вход которого подключен к выходу регулируемого источника 1, связан через первый пороговый элемент 33 с первым входом блока 39 управления. Входы третьего датчика 32 напряжения подключены к объединенным началам первичных обмоток измерительных трансформаторов 37 и 38, а также к общему нулевому зажиму. Концы первичных обмоток этих трансформаторов подключены к фазному выходу регулируемого источника 1 переменного напряжения и измерительному выходу нерегулируемого источника 2, а вторичные обмотки соединены параллельно. Выход третьего датчика 32 напряжения через второй пороговый элемент 34 связан со вторым входом блока 39 управления. Сигнальный выход защиты регулируемого источника 1 подключен к третьему входу блока 39 управления. Первый и второй выходы блока 39 соединены управляющими входами ключей управления 17 и 16, соответственно. Блок 39 управления содержит D-триггер 40, двухвходовые элементы И 41 и ИЛИ 42. Информационный вход и вход установки 0 D-триггера 40 объединены и образуют третий вход блока 39 управления. Объединенные вход синхронизации D-триггера 40 и одни из входов элемента И 41 образуют второй вход блока 39 управления. Выход элемента И 41 и инверсный выход D-триггера 40 подключены к входам элемента ИЛИ 42, выход которого образует первый выход блока 39 управления. Прямой выход D-триггера 40 образует второй выход блока 39 управления.

Система бесперебойного электропитания содержит также четвертый датчик 43 напряжения, первый и второй двух пороговые компараторы 44 и 45, два управляемых ключа 46 и 47, источник 48 положительного смещения и источник 49 отрицательного смещения. Ключ 17 управления снабжен замыкающим 50 и размыкающим 51 блок-контактами. Входы четвертого датчика 43 напряжения подключены к выходу нерегулируемого источника 2 переменного напряжения, а выход соединен с объединенными входами компараторов 44 и 45, выходы которых подключены к управляющим входам первого и второго управляемых ключей 46 и 47 соответственно. Регулирующий вход регулируемого источника 25 опорного напряжения через замыкающий 50 и размыкающий 51 блок-контакты подключен к выходу второго блока 36 сравнения и объединенным выходам двух управляемых ключей 46 и 47 соответственно. Вход первого управляемого ключа 46 соединен с источником 48 положительного смещения, а вход второго управляемого ключа 47 с источником 49 отрицательного смещения.

Источниками первичной электроэнергии являются первый и второй источники ЭДС 52 и 53, подключенные к контакторам 27 и 29 защиты и входящие в состав регулируемого и нерегулируемого источников 1 и 2.

Система работает следующим образом.

В номинальном режиме напряжения на выходе регулируемого и нерегулируемого источников 1 и 2 равны номинальному. Контакты контакторов 27 и 29 замкнуты, а с выхода блока 26 защиты поступает сигнал логической "1" на информационный вход D-триггера 40. В этом же режиме второй пороговый элемент 34 срабатывает, на его выходе появляется сигнал логической "1", поступающий на вход синхронизации D-триггера 40 и на один из входов элемента И 41.

На прямом выходе D-триггера 40 возникает сигнал логической "1", замыкающий ключ 16. На первый вход блока 39 управления поступает сигнал логической "1" с выхода первого порогового элемента 33. Сигнал проходит через элемент И 41, а также через элемент ИЛИ 42 и включает ключ 17.

При замыкании ключей 16 и 17 включаются контакторы 6 и 7 и обеспечивается питание потребителей 3 от источников 1 и 2.

От источников 1 и 2 потребляется одинаковый ток, поэтому ампервитки силовых уравнительных трансформаторов 8 и 9 равны между собой и взаимно компенсируются за счет встречного включения вторичных обмоток, осуществляющих электрическую связь между уравнительными трансформаторами 8 и 9.

Если напряжение нерегулируемого источника 2 переменного напряжения увеличится, то изменится соотношение токов, потребляемых от источников 1 и 2, суммарные ампервитки силовых уравнительных трансформаторов 8 и 9 будут отличаться от нуля и на их обмотках возникает напряжение разбаланса, определяемое разностным током вторичных обмоток, которое вычитается из напряжения нерегулируемого источника 2 и складывается с напряжением регулируемого источника 1.

Напряжение у потребителя 3 переменного тока равно полусумме напряжений нерегулируемого источника 2 и регулируемого источника 1, поэтому оно увеличивается на величину, равную половине отклонения напряжения нерегулируемого источника 2 oт номинального.

Напряжение от потребителя 3 переменного тока поступает на вход первого датчика 31 напряжения, выходное напряжение которого сравнивается с напряжением нерегулируемого источника 35 опорного напряжения в элементе 36 сравнения. Так как напряжение у потребителя 3 переменного тока превышает заданное, то на выходе второго элемента 36 сравнения возникает напряжение рассогласования, которое через замыкающий блок-контакт 50 ключа 17 поступает на вход регулируемого источника 25 опорного напряжения и уменьшает его выходное напряжение. Напряжение на выходе регулируемого источника 1 переменного напряжения, а, следовательно, и на выходе датчика 24 было равно заданному, а напряжение на выходе регулируемого источника 25 опорного напряжения уменьшилось. Поэтому на выходе первого элемента 23 сравнения возникает сигнал рассогласования, который воздействуя на регулятор 22 выходного напряжения, уменьшает его выходное напряжение до тех пор, пока напряжение на потребителе 3 не станет равным номинальному с заданной точностью.

При уменьшении выходного напряжения нерегулируемого источника 2 процессы регулирования протекают аналогично, но при этом выходное напряжение регулируемого источника 1 увеличивается.

Выходное напряжение регулируемого источника 1 переменного напряжения, измеренное вторым датчиком 30 напряжения, подается на первый пороговый элемент 33. При достижении выходным напряжением регулируемого источника 1 уровня, определяемого допустимым отклонением напряжения ΔU у потребителя 3, с выхода первого порогового элемента 33 выдается сигнал уровня логического "0" на вход элемента И 41 блока 39 управления. Этот сигнал через элемент ИЛИ 42 блока 39 управления отключает ключ 17 управления. При размыкании ключа 17 контактор 7 размыкает свои контакты 5, отключая источник 2 от потребителя 3 и замыкает контакт 19. Срабатывает контактор 14 и замыкает свои контакты 20, которые закорачивают первичную обмотку трансформатора 8. Теперь потребитель 3 питается номинальным напряжением от регулируемого источника 1.

Для подключения нерегулируемого источника 2 к потребителю 3 переменного тока установлены маломощные измерительные уравнительные трансформаторы 37 и 38, принцип действия которых аналогичен силовым уравнительным трансформаторам 8 и 9. Когда напряжение, измеренное третьим датчиком 32 напряжения между точкой соединения первичных обмоток измерительных уравнительных трансформаторов 8 и 9 и нулевым зажимом, равное полусумме выходных напряжений регулируемого 1 и нерегулируемого 2 источников переменного напряжения, войдет в пределы допустимого для потребителей 3 переменного тока, то с выхода второго порогового элемента 34 подается сигнал логической "1" на вход синхронизации D-триггера и на вход элемента И 41 блока 39 управления. Так как сигнал на выходе элемента И 41 соответствует логической "1", то через элемент ИЛИ 42 поступает сигнал на включение ключа управления 17 и подключение 1 и 2 переменного напряжения к потребителю 3 переменного тока на параллельную работу через силовые уравнительные трансформаторы 8 и 9.

При возникновении аварийной ситуации в регулируемом источнике 1 встроенный блок 26 защиты выдает сигнал на отключение источника 1 с помощью встроенного контактора 27 и сигнал логического "0" на информационный вход и вход установки "0" D-триггера 40. Сигнал логического "0" с прямого выхода D-триггера 40 поступает на отключение ключа 16 и одновременно сигнал логической "1" с инверсного выхода D-триггера 40 через элемент ИЛИ 42 на включение ключа 17. Контакт 18 линейного контактора 6 замыкается. Включается линейный контактор 15 и закручивает своим контактом 21 первичную обмотку трансформатора 9. Потребитель 3 будет обеспечиваться энергией только от нерегулируемого источника 2.

При изменениях выходного напряжения нерегулируемого источника 2 переменного напряжения, не превышающих ±3 ΔU, где ΔU допустимое отклонение напряжения на потребителе 3, последний получает питание от параллельно работающих источников 1 и 2, а напряжение на потребителе находится в допустимых пределах U_н + ΔU, где U_н номинальное напряжение, так как U_н± ΔU Очевидно, что напряжение на выходе регулируемого источника 1 переменного напряжения никогда не должно превышать величину ± ΔU, иначе при аварии в нерегулируемом источнике 2 переменного напряжения напряжение у потребителя 3 выйдет за допустимые пределы. Поэтому напряжение с выхода регулируемого источника 1 переменного напряжения поступает через второй датчик напряжения 30 на первый пороговый элемент 33. Если отклонение этого напряжения превысит величину ± ΔU, а это произойдет в том случае, если отклонение напряжения нерегулируемого источника 2 переменного напряжения превышает величину ∓ 3ΔU, на выходe первого порогового элемента 33 появляется сигнал, которым размыкается ключ управления 17 и его замыкающий блок-контакт 50. Теперь потребители 3 переменного тока питаются только от регулируемого источника 1 переменного напряжения, выходное напряжение которого становится номинальным, так как на его регулируемый вход не поступает никакого сигнала. Допустим, что отклонения напряжения нерегулируемого источника 2 переменного напряжения превышало величину + 3ΔU. Это напряжение через четвертый датчик 43 напряжения поступает на компараторы 44 и 45. При уменьшении отклонения напряжения нерегулируемого источника 2 переменного напряжения до величины + 3ΔU на выходе второго компаратора 45, который срабатывает в диапазоне от U_н + 2 ΔU до U_н + 3 ΔU, появится сигнал, включающий второй управляемый ключ 47. В результате с источника отрицательного смещения 49 через управляемый ключ 47 и размыкающий блок-контакт 51 ключа управления 17 поступает на регулирующий вход регулируемого источника 1 переменного напряжения отрицательное напряжение смещения такой величины, что напряжение на выходе регулируемого источника 1 переменного напряжения уменьшается на величину ΔU. Теперь полусумма напряжений регулируемого 1 и нерегулируемого 2 источника переменного напряжения будет иметь значение = U_н+ ΔU т.е. входит в допустимые для потребителей 3 переменного тока пределы. Это напряжение, измеренное между точкой соединения первичных обмоток измерительных уравнительных трансформаторов 37, 38, поступает через третий датчик 32 напряжения на второй пороговый элемент 34, который срабатывает в диапазоне от U_н ΔU до U_н + ΔU, и на его выходе появляется сигнал, включающий ключ управления 17, после чего потребитель 3 переменного тока вновь начинает питаться от двух источников.

Если же напряжение нерегулируемого источника 2 переменного напряжения было меньше величины U_н 3ΔU, а затем стало равным величине -3ΔU, то на выходе первого двухпорогового компаратора 44, который срабатывает в диапазоне от U_н 3ΔU до U_н 2ΔU, появится сигнал, включающий первый управляемый ключ 46. В результате с источника 48 положительного смещения через первый управляемый ключ 46 и размыкающий блок-контакт 51 ключа управления 17 поступает на регулируемый вход регулируемого источника 1 переменного напряжения увеличится на величину ΔU. Теперь полусумма выходных напряжений регулируемого 1 и нерегулируемого 2 источников переменного напряжения будет иметь значение: U_н- ΔU т.е. входит в допустимые для потребителя 3 переменного тока пределы, после чего, как показано выше, включается ключ управления 17, и потребитель 3 переменного тока снова начинает питаться от двух источников.

Таким образом, предлагаемая система бесперебойного электропитания обеспечивает высокое качество электроэнергии и позволяет получить высокий КПД и надежность устройства электропитания даже при длительных значительных колебаниях напряжения нерегулируемого источника переменного напряжения, в качестве которого может использоваться промышленная сеть переменного тока, дизельные и другие электрогенераторы. Это достигается тем, что потребители переменного тока питаются от двух источников во всех случаях, когда отклонение напряжения нерегулируемого источника переменного напряжения не превышает утроенного допустимого отклонения напряжения для потребителей переменного тока.

Формула изобретения

СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ, содержащая регулируемый и нерегулируемый источники переменного напряжения, имеющие общий нулевой зажим, предназначенный для подключения одного вывода потребителя переменного тока, другой вывод которого связан с фазным выходом каждого источника через замыкающие контакты магнитных линейных контакторов, а также через первичные обмотки силовых уравнительных трансформаторов, вторичные обмотки которых соединены параллельно, одни выводы катушек магнитных линейных контакторов подключены к общему нулевому зажиму, одни выводы катушек шунтирующих контакторов, а также другие выводы катушек линейных контакторов через ключи управления регулируемого и нерегулируемого источников соединены с фазными выходами соответствующих источников, а другие выводы катушек шунтирующих контакторов через размыкающие контакты линейных контакторов другого источника- с общим нулевым зажимом, замыкающие контакты шунтирующих контакторов подключены параллельно первичным обмоткам силовых уравнительных трансформаторов, регулируемый источник переменного напряжения включает в себя первый источник ЭДС, регулятор выходного напряжения, первый элемент сравнения, датчик обратной связи по напряжению, регулируемый источник опорного напряжения, встроенные блок защиты и контактор защиты, выход регулятора выходного напряжения, являющийся фазным выходом регулируемого источника переменного напряжения, подключен к входу датчика обратной связи по напряжению, выход которого соединен с инверсным входом первого элемента сравнивания, прямой вход которого соединен с выходом регулируемого источника опорного напряжения, а выход- с управляющим входом регулятора выходного напряжения, вход регулируемого источника опорного напряжения образует регулирующий вход регулируемого источника переменного напряжения, сигнальный выход встроенного блока защиты образует сигнальный выход защиты регулируемого источника переменного напряжения, а второй выход блока защиты соединен с управляющим входом контактора защиты, установленного между первым источником ЭДС и регулятором выходного напряжения, нерегулируемый источник переменного напряжения содержит встроенные блок защиты и контактор защиты, а также второй источник ЭДС, выход блока защиты соединен с управляющим входом контактора защиты, установленного между вторым источником ЭДС и фазным выходом нерегулируемого источника, система содержит, кроме того три датчика напряжения, два пороговых элемента, нерегулируемый источник опорного напряжения, второй элемент сравнения, измерительные уравнительные трансформаторы, блок управления, имеющий три входа и два выхода, причем выход первого датчика напряжения, вход которого подключен к выводам потребителя переменного тока, соединен с прямым входом второго элемента сравнения, инверсный вход которого соединен с выходом нерегулируемого источника опорного напряжения, а выход второго датчика напряжения, вход которого подключен к выходу регулируемого источника, связан через первый пороговый элемент с первым входом блока управления, выходы третьего датчика напряжения подключены к объединенным началам первичных обмоток измерительных уравнительных трансформаторов, а также к общему нулевому зажиму, концы первичных обмоток первого и второго измерительных уравнительных трансформаторов подключены соответственно к фазному выходу регулируемого источника переменного напряжения и измерительному выходу нерегулируемого источника, подключенного к фазной клемме второго источника ЭДС, а вторичные обмотки соединены параллельно, выход третьего датчика напряжения через второй пороговый элемент связан с вторым входом блока управления, сигнальный выход защиты регулируемого источника подключен к третьему входу блока управления, первый и второй выходы блока управления соединены с управляющими входами ключей управления нерегулируемого и регулируемого источников соответственно, причем блок управления содержит D-триггер, двухвходовые элементы И и ИЛИ, информационный вход и вход установки нуля D-триггера объединены и образуют третий вход блока управления, объединенные вход синхронизации D-триггера и первый вход элемента И образуют второй вход блока управления, второй вход элемента И образует первый вход блока управления, выход элемента И и инверсный выход D-триггера подключены к входам элемента ИЛИ, выход которого образует первый выход блока управления, а прямой выход D-триггера образует второй выход блока управления, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД и надежности системы бесперебойного электропитания путем расширения диапазона параллельной работы регулируемого и нерегулируемого источников переменного напряжения, дополнительно введены четвертый датчик напряжения, первый и второй двухпороговые компараторы два управляемых ключа, источник положительного смещения и источник отрицательного смещения, причем входы четвертого датчика напряжения подключены к измерительному выходу нерегулируемого источника, а выход соединен с объединенными входами первого и второго двухпороговых компараторов, выходы которых подключены к управляющим входам первого и второго управляемых ключей соответственно, вход первого управляемого ключа соединен с источником положительного смещения, а вход второго управляемого ключа- с источником отрицательного смещения, ключ управления нерегулируемого источника переменного напряжения снабжен замыкающим и размыкающим блок-контактами, а регулирующий вход регулируемого источника переменного напряжения подключен к выходу второго элемента сравнения и объединенным выходам двух управляемых ключей через замыкающий и размыкающий блок-контакты ключа управления нерегулируемого источника переменного напряжения соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1