Система бесперебойного электропитания

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электроснабжения ответственных потребителей переменного тока. Цель - повышение надежности электроснабжения путем уменьшения провалов напряжения на нагрузке при переключении сетей. Аварийное переключение с основной сети на резервную протекает в два этапа. Первый этап - переключение неисправной сети 1 на предварительно засинхронизированный инвертор 18, при этом в течение времени отключения основной сети происходит параллельная работа инвертора с сетью на нагрузку через индуктивный делитель тока, выполненный в виде уравнительного автотрансформатора . Так как напряжение на нагрузке в этом случае равно полусумме выходных напряжений основной сети и ин

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 02 J 9/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4405991/07 (22) 07.04,88 (46) 07.11.91. Бюл. М 41 (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) Г.И,Цветков (53) 621,316.925 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

hh 316154, кл. Н 02 J 9/06, 1968.

Авторское свидетельство СССР

М 568115, кл. Н 02 J 9/06, 1975. (54) СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО

ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ (57) Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для

„„5U, Ä 1690080 А1 электроснабжения ответственных потребителей переменного тока. Цель — повышение надежности электроснабжения путем уменьшения провалов напряжения на нагрузке при переключении сетей. Аварийное переключение с основной сети на резервную протекает в два этапа. Первый этап-переключение неисправной сети 1 на предварительно засинхронизированный инвертор 18, при этом в течение времени отключения основной сети происходит параллельная работа инвертора с сетью на нагрузку через индуктивный делитель тока, выполненный в виде уравнительного автот0ансформатора. Так как напряжение на нагрузке в этом. случае равно полусумме выходных напряжений основной сети и ин1690080

45 вертора, то оно во время переключения не имеет недопустимых отклонений (15 — 20 Д) в течение одного периода). Второй этап — переключение с инвертора на резервную сеть„

Уравнительный трансформатор в это время шунтируется и не оказывает влияния на процессы переключения. Но так как происходит переключение с источника ограниченной мощности (инвертора) с большим внутренним

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электроснабжения ответственных потребителей переменного тока.

Цель изобретения — повышение надежности электроснабжения путем уменьше ния провалов напряжения на нагрузке при переключении сетей.

На фиг.1 приведена схема предлагаемой системы бесперебойного электропитания; на фиг,2 — диаграммы, поясняющие работу системы; на фиг.3 — схема формирователя управляющих сигналов, Система бесперебойного электропитания содержит основную сеть 1, резервную сеть 2, выключатель 3 основной сети 1 с обмоткой 4 управления размыкающими контактами 5 и 6 и замыкающим контактом

7, выключатель 8 резервной сети 2 с обмоткой 9 управления, замыкающим контактом

10 и размыкающим контактом 11, блок 12 контроля напряжения и частоты основной сети 1, блок 13 контроля напряжения и частоты резервной сети 2, логический элемент ЗАПРЕТ 14, датчик 15 напряжения основной сети 1, датчик 16 напряжения резервной сети 2, блок 17 синхронизации, инвертор 18, тиристорный ключ 19, формирователь 20 управляющих сигналов, уравнительный автотрансформатор 21, шунтирующий ключ 22, реле 23 с замкнутым контактом и нагрузку 24, Нагрузка 24 подключена к средней точке уравнительного автотрансформатора 21.

Одна. полуобмотка уравнительного автотрансформатора 21 зашунтирована ключом

22 и подключена к общему зажиму выключателя 3 основной сети 1 и выключателя 8 резервной сети 2, Вторая полуобмотка уравнительного автотрансформатора 21 подключена через тиристорный ключ 19 к инвертору 18, управляющий вход которого подключен к выходу блока 17 синхронизации. Первый вход блока 17 синхронизации подключен к выходу датчика 15 напряжения основной сети 1, второй вход — к выходу

30 сопротивлением на источник значительно большей мощности (сеть) с малым внутренним сопротивлением, а напряжения сети и инвертора синхронны, синфазны и близки по величине, то существенных отклонений напряжения на нагрузке не происходит (57, в течение полупериода). Переключение с резервной сети на основную происходит аналогично. 1 з. и, ф лы, 3 ил, датчика 16 напряжения резервной сети 2, третий вход — к выходу инвертора. Первый вход датчика 15 напряжения подключен к основной сети 1, второй вход объединен с инверсным входом элемента ЗАПРЕТ и подключен к выходу блока 12 контроля основной сети 1, первый вход датчика 16 напряжения подключен к резервной сети 2, второй вход — к выходу логического элемента ЗАПРЕТ 14, прямой вход которого подключен к выходу блока 13 контроля резервной сети 2.

Входы блоков 12 и 13 контроля подключены соответственно к основной сети 1 и к резервной сети 2. Управляющие входы шунтирующего ключа 22 через параллельно соединенные замыкающий контакт 7 выключателя 3 основной сети 1 и через замыкающий контакт 10 выключателя 8 резервной сети 2 подключены к выходу формирователя 20 управляющих сигналов, который также подключен к управляющему входу тиристорного ключа 19. Первый вход формирователя 20 через размыкающий контакт 6 выключателя 3 основной сети 1 подключен к выходу блока 12 контроля основной сети 1, второй вход через размыкающий контакт 11 выключателя 8 резервной сети 2 объединен с управляющим входом реле 23 и подключен к выходу логического элемента ЗАПРЕТ 14. Обмотка 4 управления выключателя 3 подключена к основной сети 1. Обмотка 9 управления выключателя 8 через последовательно соединенные размыкающий контакт 5 выключателя 3 и замыкающий контакт реле 23 подключена к резервной сети 2.

На диаграммах (фиг,2) обозначено:

25 — состояние выключателя 3 основной сети, 26 — напряжение синхронизации на выходе датчика 15 напряжения основной сети, 27 — напряжение на выходе блока 12 контроля основной сети, 28 — состояние выключателя 8 резервной сети, 29 — напряжение синхронизации на выходе датчика 16 напряжения резервной сети, 30 — напряже1690(ЛО ние на выходе блока 13 контроля резервной сети, 31 — напряжение на выходе элемента

ЗАПРЕТ 14, 32 — напряжение на выходе формирователя 20 управляющих сигналов, 33 — напряжение на выходе тиристорного ключа 19, 34 — состояние шунтирующего ключа 22, 35 — состояние реле

23, 36 — напряжение на нагрузке 24.

Блоки 12 и 13 контроля выполнены по одинаковым схемах, каждая из которых содержит устройство контроля напряжения и устройство контроля частоты, выполненные по известным схемам.

Датчики 15 и 16 напряжения выполнены по одной и тай же схеме, содержащей согласующий пониженный трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к блоку 17 синхронизации через контакт реле, управляемое соответственно от блока 12 контроля или от элемента ЗАПРЕТ 14, В качестве блока 17 синхронизации используется система фазовой автоподстройки частоты, содержащая соединенные в кольцо фазовый детектор, фильтр. управляемый генератор и делитель частоты. Сигналы синхронизации поступают на вход фазового детектора, выходом блока синхронизации служат выходы делителя частоты.

Инвертор может выполняться по двум принципиально отличающимся схемам.

Первая схема построена на основе инвертора напряжения и содержит регулируемый многофазный тиристарный инвертор, Г-образный выходной фильтр и систему импульсно-фазового управления. Вторая схема содержит тиристорный инвертор тока, компенсирующее устройство и систему импульсно-фазового управления, Формирователь 20 управляющих сигналов может быть выполнен на основе магнитотра <зистарнага мультивибратара (фиг,3) или на основе блакинг-генератора. Собственно мул ьтивибратар выполнен на трансформаторе 37 и транзисторах 38 и 39.

Включение мультивибратора осуществляется от двух логических устройств, Первое ла! ическое устройство содержит последовательно включенные размыкающий контакт 11 выключателя 3 и ускоритель логического сигнала, поступающего от элемента ЗАПРЕТ 14, на транзисторе 40. Второе логическое устройство содержит последовательно включенные размыкающий контакт 6 выключателя 8 и усилитель логического сигнала, поступающего от блока 12 контроля, на транзисторе 41. Резистор

42 служит для надежного запуска мультивибратора при пониженной температуре окружающей среды.

4Г

Рабочая частота мультивибрэтара выбирается не менее нескольких тысяч герц.

Шунтирующий ключ 22 переменного тока мажет выполняться как на элекгромагнитном контакторе, так и нэ полуправадни ковых элементах, например на встречно включенных тиристорах, Реле 23 может также выполняться кэк на электромагнитных элементах, так и на полупроводниковых элементах, например на диодном мосте, в диагональ которою по постоянному току включен транзистор.

Система бесперебойного электропитания работает следующим образом.

При исправной основной сети 1 выключатель 3 включен, значит его контакты 5 и 6 разомкнуты, а контакт 7 замкнут. Выключатель 8 резервной сети выключен, так как благодаря разомкнутому контакту 5 обмотка

9 обесточена. При этом контакт 10 находится в разомкнутом состоянии, а контакт 11 в замкнутом. На выходе блока 12 контроля основной сети 1 присутствует сигнал логической "1", поэтому с выхода датчика 15 напряжения напряжение основной сети 1 поступает на первый вход блока 17 синхронизации, На выходе элемента ЗАПРЕТ 14 сигнал логической "1" будет только тогда, когда сигнал с выхода блока 12 контроля равен О, а сигнал с выхода блока 13 контроля равен 1, во всех других случаях сигнал на выходе элемента ЗАПРЕТ 14 равен О, Поскольку при исправной основной сети 1 сигнал на выходе блока 12 контроля равен 1, то сигнал на выходе элемента ЗАПРЕТ 14 равен О. Это значит, чта напряжение с датчика

16 напряжения резервной сети 2 на второй вход блока 17 синхронизации не поступает, реле 23 отключено, формирователь 20 управляющих сигналов находится в отключенном состоянии, следовательно, тиристорный ключ 19 о, кл ючен, а шунтирующий ключ 22 находится в замкнутом состоянии. Нагрузка 24 через шунтирующий ключ 22 получает питание ат основной Сети

1, минуя уравнительный автотрансформатар 21. Инвертар ".8 работает на холостом ходу синхронно и синфазно с основной сетью 1 благодаря блоку 17 синхронизации, на первый вход которого поступает напряжение основной сети 1, а на третий вход— выходное напряжение инвертара 18, Пусть в основной сети произошла авария (момент времени t>), Тогда на выходе блока 12 контроля появится сигнал логического "О", а на выходе элемента

ЗАПРЕТ 14 — сигнал логической "1", Прохождение напряжения синхронизации ат датчика 15 напряжения прекращается, теперь напряжение синхронизации посту1690080

20

55 пает на второй вход блока 17 синхронизации от датчика 16 резервной сети 2. Сигнал с выхода элемента ЗАПРЕТ 14 включает реле 23 и через замкнутый контакт 11 включает формирователь 20 управляющих сигналов, на выходе которого появляется сигнал, формирователь 20 включает тиристорный ключ 19 и через замкнутый контакт

7 выключателя 3 отключает шунтирующий ключ 22. Таким образом, как только блок 12 контроля обнаружил отклонение параметров в основной сети 1, на параллельную работу с основной сетью 1 включается инвертар 18, выходное напряжение которого синхронно и синфазно с основной сетью.

Поскольку основная сеть 1 и инвертор 18 включаются на параллельную работу через уравнительный автотрансформатор 21, являющийся индуктивным делителем тока, то токи между сетью 1 и инвертором 18 делят ся практически поровну, а напряжение на нагрузке при равном количестве витков р полуобмотках уравнительного автотрансфарматора 21 равно полусумме напряжений основной сети 1 и инвертора 18, Так как к инвертору прикладывается в момент аварии 50 нагрузки, то провал напряжения на его выходе будет меньше, чем при 100 коммутации нагрузки в известных системах, и, следовательно, провалы напряжения на нагрузке будут незначительными.

Параллельная работа инвертора 18 с основной сетью 1 продолжается до момента срабатывания выключателя 3 (момент времени tz). Как только срабатывает выключатель 3, контакт 7 разомкнется, шунтирующий контактор 22 замкнет полуобмотку уравнительного автотрансформатора 21, а нагрузка продолжает получать питание от инвертора 18, так как тиристорный ключ 19,остается включенным.

При срабатывании выключателя 3 на обмотку 9 управления выключателя 8 резервной сети 2 через замкнутый контакт реле 23 и через контаг.г выключателя 3 подается напряжение и, спустя некоторое время, выключатель 8 срабатывает. Скорость перестройки частоты на выходе блока 17 синхронизации выбирается такой, чтобы к моменту срабатывания выключателя 8 частота на выходе инвертора была равна частоте резервной сети 2.

При срабатывании выключателя 8 (момент времени u) контакт 11 разомкнется, формирователь 20 управляющих сигналов выключит тиристорный ключ 19 и, следовательно, инвертор 18 отключится от нагрузки

24. Нагрузка 24 получит питание от резервной сети 2. Инвертор 18 продолжает работать на холостом ходу синхронно и синфазно с резервной сетью 2. При вкл ачении резервной сети 2 контакт 10 выключателя 8 замыкается, но раэмыкания шунтирующега ключа 22 не происходит, так как одновременно размыкается контакт 11 и прекращается работа формирователя 20.

Таким образам, при переключении нагрузки с инвертара 18 на резервную сеть 2 уравнительный автотрансформатар остается зашунтированным, т,е. не вступает в работу, однако качество напряжения на нагрузке остается высоким, так как в этом случае происходитт переключение нагрузки От исто ника с большим выходным сопротивлением инвертора к источнику с малым выхсдным сопротивлением (сети . Кроме тога, напряжения инвертара 18 и резервной сети 2 син-. хранны, синфаэны и близки па величине.

Пусть напряжение в основной сети 1 восстановилось (момен г времени L4). Тогда на выходе блока 12 контроля возникает сигнал логической "1", который через замкнутый контакт 6 выключателя 8 включит формирователь 20 управляющих сигналов, который в сваю очередь включит тиристарный ключ 19 и через замкнутый контакт 10 выключателя 8 разомкнет шунтирующий ключ 22, Начиная с этага момента инвертар

18 и резервная сеть 2 включены на параллельную работу через уравнительный астатрансфарматар 21, При восстановлении напряжения в основной сети 1 на выходе элемента ЗАПРЕТ 14 появигся сигнал логического "0",-который отключает реле 23, а следовательно, и резервную сеть ", а также прекращает подачу напряжения нг блок 17 синхронизации от резервной сети 2 через датчик 16 напряжения, Синхронизация инвертора 18 начинает Осуществляться ат аг: навнай сети I через датчик 15 напряжения.

При срабатывании выключателя В резервной сети 2 (момент вращения Ь) размыкается контакт 10 и шунтирующий ключ 22 замыкается, Начиная с»агрузка получает питание от инвертара 18, минуя уравнительный автотрансфор;. агар

21. Процесс переключения с реэбрвнай сети

2 на инвертор 18 протекает,;;ак следует иэ вышеэложеннога, анало;ична процессу переключения с основной сети на инвертар, поэтому качество напряжения на нагрузке высокое.

При срабатывании выключател-": 3 Основной сети 1 (момент времени и), катааае может осуществляться как вручну а, так и автоматически, контакт 6 выключателя 3 размыкается, следователь,—:-", срормираватель 20 отключается, при этом шунтиру ощий ключ 22 остается замкнутым, а инвертар 3 тиристар ым клю *!Ом 1! 9 Откл!О1690080

5

30

40

55 чается от нагрузки 24 и продолжает работать на холостом ходу. Теперь нагрузка 24 обеспечивается питанием от основной сети

1. Поскольку происходит переключение от исправного источника с большим внутренним сопротивлением (инвертора) к исправному источнику с малым внутренним сопротивлением (основной сети). а их напряжения синхронны, синфазны и близки по величине, то провалов напряжения, кэк и при переключении с инвертора на резервную сеть, не возникает, т.е, качество напряжения на нагрузке высокое, Таким образом рассмотрена работа предлагаемой системы бесперебойного электропитания при аварийном переключении с основной сети на резервную и обратное переключение с резервной сети на основную. Процесс аварийного переключения протекает в два этапа. В начале происходит переключение к неисправной основной сети 1 на предварительно засинхронизированный инвертор 18, При этом в течение времени, равного времени отключения основной сети, осуществляется параллельная работа инвертора с сетью.

Благодаря тому, что напряжение инвертора и сети синхронны и синфазны, а к инвертору в момент коммутации благодаоя индуктивному делител о тока, выполненному в виде ура внител ьног0 автотрансфо рматора, прикладываетс:;:не вся нагрузка, как в известной системе, а только часзь ее, провалы напряжения на выходе инвертора B момент коммутации незначительны. Так как напряжение на нагрузке в системе электропитания, состояшей из двух источников переменного тока, включенных на параллельную работу через уравнительный автотрансформатор, равно полусумме выходных напряжений основной сети и инвертора, то оно во воемя переключения с неисправной основ,;ой сети на инвертор не претерпевает недопустимых отклонений.

Второй этап заключается в переключении с инвертора на резервную сеть, Уравнительный автотрансформатор во время переключения с инв-.ртора на резервную часть зашунтирован и не оказывает никакого влияния на процессы переключения.

Ио так как в „ . àí,íîì случае происходит переключение с источника ограниченной мощности, т.е, с большим внутренним сопротивлением (инвертора), на источник со значительно боль .ней мощностью, т.е. с малым внутренним сопротивлением (сеть), а напряжения сети и инвертора синхронны, синфазны и близки по величине. то существенных отклонений напряжения на нагрузке не происход iò.

Экспериментально на системе бесперебойного электропитания мощностью 30 кВЛ установлено, что провалы напряжения на нагрузке при переключении с неисправной сети на инвертор составляют 15 - 20% длительностью один период, а при переключении с инвертора на сеть не более 5% в течение полупериода.

Переключение с резервной сети на основную происходит также в два этапа. Вначале происходит переключение с.резервной сети на инвертор, а затем с инвертора на основную сеть. Процессы протекают тэк же, как и.при переключении с основной сети на резервную, но так как резервная сеть неисправна, то при переключении с резервной сети на инвертор провалы напряжения на нагрузке будут меньше, чем при переключении с неисправной основной сети на инвертор, Так как инвертор работает непродолжительное время (единицы секунд), то его электромагнитные элементы (трансформаторы, дроссели) рассчитываются на повышенные электромагнитные нагрузки и в целом инвертор имеет небольшие массогабаритные показатели.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позвогяет уменьшить провалы напряжения нэ нагрузке при переключении с основнсй сети на резервную и обратно по сравнени о с известной системсй и тем самым повысить надежность электропитания.

Предлагаемую систему бесперебойного электропитания целесообразно использо,, вать для наиболее ответственных потребителей переменного тока, не допускающих не только перерывов в питании, но и существенных провалов и искажений.

Формула изот ретения

, Система бесперебойного электропитания, содержащая нагрузку, выключатели основнсй и резервной сетей с катушками упраьления, инвертор с источником питания, тиристорный ключ, формирователь управляющих сигналов, блок синхронизации, два олокэ контроля напряжения и частоты и два датчика напряжения, первые входы которых обьединены и подключены к основной и резервной сетям соответственно, выходы датчиков напряжения подключены к первому и второму входам блока синхронизации, выход которого подключен к управляющему входу инвертора, выход которого соединен с третьим входом блока синхронизации и тиристорным ключом, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя управляющих сигналов, а катушка управления выключате1690080

12 ля резервной сети подключена к резервной сети через размыкающий контакт выключателя основной сети, отл и ч а ю ща я с я тем, что, с целью повышения надежности электроснабжения путем уменьшения провалов напряжения на нагрузке при переключении сетей, она дополнительно снабжена уравнительным автотрансформатором, шунтирующим ключом, логическим элементом ЗАПРЕТ, реле с замыкающим контактом, включенным последовательно с катушкой управления выключателя резервной сети, а каждый выключатель сети дополнительно снабжен замыкающим и раэмыкающим контактами, при этом нагрузка подключена к средней точке обмотки уравнительного автотрансформатора, одна полуобмотка которого соединена с выходом тиристорного ключа, а вторая полуобмотка — с общей точкой выключателей

° основной и резервной сетей и зашунтирована ключом, имеющим два управляющих входа, каждый иэ которых через замыкающий контакт выключателя соответственно основной и резервной сетей йодключен к входу формирователя управляющих сигналов, 5 первый вход которого через размыкающий контакт выключателя резервной сети соединен с управляющим входом реле и с вторым входом датчика напряжения резервной сети, который подключен к выходу логическо10 го элемента ЗАПРЕТ, прямой вход которого подключен к выходу блока контроля резервной сети, а инверсный объединен с вторым входом датчика напряжения основной сети и с выходом блока контроля основной сети

15 и через размыкающий контакт выключателя основной сети соединен со вторым входом формирователя управляющих сигналов.

2, Система поп.1, отл ич а юща я ся

20 тем, что формирователь управляющих сигналов выполнен в виде магнитотранзисторного мультивибратора, 1690080

9 ч

О апе

Составитель Н. Пантелеева

Техред М.Моргентал Корректор M. Демчик

Редактор Н, Тупица

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3821 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5