Автономная установка бесперебойного электропитания

 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в устройствах для обеспечения бесперебойного электропитания ответственных потребителей с непрерывным технологическим циклом. Техническим результатом является обеспечение компактности и повышение надежности установки. Установка бесперебойного электропитания содержит обратимую синхронную машину, разобщительную муфту, первичный двигатель с пусковым реле, автоматический и управляемый выключатели, шины сетевого питания, шины гарантированного питания, датчик контроля параметров сети и привод управляемого выключателя. Выходы датчика контроля параметров сети соединены с входам пускового реле первичного двигателя и привода управляемого выключателя. В установку введена свободная силовая турбина с газогенератором, соединенная с валом обратимой синхронной машины, и блок поджига газогенератора, вход которого подключен к выходу датчика контроля параметров сети, а выход – к соответствующему входу газогенератора. В установке бесперебойного электропитания уменьшается реактивная мощность в дежурном режиме за счет увеличения cos ϕ при работе обратимой синхронной машины в режиме синхронного компенсатора, а также повышается эффективность установки в дежурном режиме за счет снижения вентиляционных потерь при холостом вращении свободной силовой турбины путем вакуумирования ее рабочей полости. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к устройствам для обеспечения бесперебойного электропитания ответственных потребителей с непрерывным технологическим циклом.

Известно устройство бесперебойного электропитания, содержащее в качестве резервного источника аккумуляторную батарею, подключенную к нагрузке через регулирующее звено, которое срабатывает при падении напряжения питания ниже установленного уровня [1]. Основным недостатком известного устройства является обусловленное применением аккумуляторной батареи ограничение по величине полезной электрической мощности и времени функционирования в автономном режиме.

Наиболее близкой к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является автономная установка бесперебойного электропитания, содержащая обратимую синхронную машину, вал которой через разобщительную муфту соединен с валом первичного (дизельного) двигателя, и пусковое реле, а статорные цепи синхронной электрической машины через автоматический и управляемый выключатели подключены к шинам сетевого питания и через автоматический выключатель - к шинам гарантированного питания, а также датчик контроля параметров сети и привод управляемого выключателя, причем выходы датчика соединены с входами пускового реле первичного двигателя и привода управляемого выключателя [2]. Известное устройство на базе дизельного двигателя в принципе позволяет обеспечить бесперебойное электропитание потребителей мощностью на уровне сотен кВт, однако применение разобщительной муфты между валами совместно вращающихся инерционного накопителя и обратимой синхронной машины и валом первичного двигателя приводит к снижению надежности и ресурса работы устройства, поскольку инерционный накопитель имеет большую массу и, соответственно, диаметр и длину, что приводит к необходимости установки мощных подшипников, а несинхронное сцепление валов инерционного накопителя и первичного двигателя - к повышенным нагрузкам на разобщительную муфту, опорные болты и подшипники.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности электропитания ответственных потребителей на уровне мощности от сотен кВт до десятков МВт при длительных паузах сетевого электропитания, улучшение ресурсных и массогабаритных показателей устройства и снижение энергозатрат.

Указанная задача решается таким образом, что в состав автономной установки бесперебойного электропитания, содержащей обратимую синхронную машину, вал которой через разобщительную муфту соединен с валом первичного двигателя с пусковым реле, а статорные цепи обратимой синхронной машины через автоматический и управляемый выключатели подключены к шинам сетевого питания и через автоматический выключатель - к шинам гарантированного питания, а также датчик контроля параметров сети и привод управляемого выключателя, причем выходы датчика контроля качества параметров сети соединены с входами пускового реле первичного двигателя и привода управляемого выключателя, дополнительно введена свободная силовая турбина (ССТ), жестко соединенная с валом обратимой синхронной машины, с газогенератором (ГГ) и блок поджига ГГ, вход которого подключен к выходу датчика контроля, а выход - к соответствующему входу ГГ. Кроме того, установка дополнительно оснащена вакуумным насосом, воздушной заслонкой, датчиком скорости вращения вала первичного двигателя и блоком управления воздушной заслонкой, причем воздушная заслонка установлена в выхлопном патрубке ССТ таким образом, что в закрытом положении она полностью перекрывает выхлопной патрубок, а в открытом положении обеспечивает минимальные газодинамические потери при выбросе продуктов сгорания из турбины, тракт вакуумного насоса через отсечной клапан соединен с рабочей полостью ССТ, вход блока управления воздушной заслонкой подключен к выходам датчика скорости вращения вала первичного двигателя и блока поджига ГГ, а выход - к приводу воздушной заслонки. При этом воздушная заслонка выполнена либо в виде поворотных жалюзи, изготовленных из температуростойкого конструкционного материала, либо в виде мембраны из легкоплавкого материала на опорном каркасе.

На фиг.1 представлена блок-схема автономной установки бесперебойного электропитания, выполненной согласно данному изобретению; на фиг.2 – блок-схема варианта реализации установки, предусматривающего создание разряжения в рабочей полости ССТ, на фиг.3 - один из возможных вариантов реализации блока поджига ГГ, на фиг.4 - один из возможных вариантов реализации блока управления воздушной заслонкой, на фиг.5 - варианты выполнения воздушной заслонки, на фиг.6 - циклограммы работы основных узлов установки.

Автономная установка бесперебойного электропитания (фиг.1) содержит шины сетевого 1 и гарантированного 2 питания, обратимую синхронную машину (турбогенератор) 3, статорные цепи которой подключены к шинам 2 гарантированного питания через автоматический выключатель 4, а к шинам 1 сетевого питания - через автоматический выключатель 4 и управляемый выключатель 5. На общем валу обратимой синхронной машины 3 установлены свободная силовая турбина (ССТ) 6 с присоединенным к ней газогенератором (ГГ) 7 и - через разобщительную муфту 8 -первичный двигатель 9 с пусковым реле 10. Датчик 11 контроля параметров сети имеет три выхода, первый из которых подключен к входу привода 12 управляемого выключателя, второй - к входу блока 13 поджига ГГ 7, а третий - к пусковому реле 10.

Блок 14 управления воздушной заслонкой имеет два входа (фиг.2), один из которых подключен к выходу блока 13 поджига ГГ 7, а второй - к выходу датчика 15 скорости вращения вала первичного двигателя 9. Блок 13 поджига ГГ (фиг.3) содержит триггер 16, подключенный входом к выходу датчика 11 контроля параметров сети, а выходом - к входу усилителя 17, выход которого подключен к входу управления коммутатора 18, подключенного между аккумуляторной батареей 19 и входом поджига ГГ 7. Блок управления воздушной заслонкой (фиг.4) содержит триггер 20, вход которого подключен к выходу датчика 15 скорости вращения вала первичного двигателя 9, а выход - к первому входу элемента ИЛИ 21, второй вход которого подключен ко второму выходу триггера 16 блока 13 поджига ГГ, а выход - к входу усилителя 22, выход которого подключен к входу управления коммутатора 23, подключенного между аккумуляторной батареей 24 и входом привода 25 воздушной заслонки 26 и отсечного клапана 31. Воздушная заслонка 26 (фиг.5) установлена в выхлопном патрубке 27 ССТ 6, соединенном через отсечной клапан 31 с вакуумным насосом 29 и выполнена либо в виде поворотных жалюзи 26а, изготовленных из температуростойкого конструкционного материала, либо в виде мембраны 26б из легкоплавкого материала на опорном каркасе 30.

Установка работает следующим образом. В дежурном режиме статорные цепи обратимой синхронной машины (турбогенератора) 3 подключены параллельно к шинам 1 сетевого (через автоматический выключатель 4 и замкнутый управляемый выключатель 5) и 2 гарантированного (через автоматический выключатель 4) питания, при этом обратимая синхронная машина работает в режиме синхронного компенсатора (СК), что позволяет повысить cos ϕ и снизить реактивную мощность сети, а ССТ 6, жестко соединенная с валом обратимой синхронной машины 3, вращается в холостом режиме (ГГ 7 выключен). При отклонении в момент времени t₀ (см. фиг.6а) контролируемого датчиком 11 параметра сети (например, частоты f), от заданного значения, формируется командный сигнал, поступающий параллельно на привод 12 управляемого выключателя 5, пусковое реле 10 первичного двигателя 9 и входной триггер 16 блока 13 поджига ГГ 7. Указанный командный сигнал вызывает размыкание управляемого ключа 5, запуск ГГ 7, обеспечивающего подачу рабочего тела в ССТ 6, и пускового реле 10 первичного двигателя 9. После запуска ГГ 7 ССТ 6 выходит на режим приема нагрузки N за время t₁≈ 0,5 с (в течение которого электропитание потребителя обеспечивается за счет электрической и механической энергии, накопленной в роторе обратимой синхронной машины), и в результате сжигания в ГГ одно- или многокомпонентного топлива работает в установившемся режиме в течение времени t₂≈ 100 с (см. фиг.6б, в), необходимого для выхода на рабочий режим первичного двигателя 9 (в качестве которого целесообразно использовать, например, газотурбинную установку (ГТУ)). Когда скорость вращения ГТУ 9 устанавливается равной скорости вращения ССТ 6, включается разобщительная муфта 8 и путем плавного или ступенчатого электрического нагружения ГТУ с соответствующим снижением электрической нагрузки на валу ССТ производится перевод электрической нагрузки с вала ССТ на вал первичного двигателя, который и обеспечивает в дальнейшем электропитание потребителя.

В варианте исполнения установки бесперебойного электропитания, предусматривающем создание разряжения в рабочей полости ССТ 6, в дежурном режиме работы установки воздушная заслонка 26 (см. фиг.5) закрыта и отсекает рабочую полость ССТ 6 от окружающей атмосферы, вакуумный насос 29 включен, отсечной клапан 31 открыт, давление в рабочей полости ССТ 6 составляет ~ 0,1 атм, что позволяет примерно в 10 раз снизить вентиляционные потери от вращения турбины. При отказе питающей сети по сигналу датчика 11 (см. фиг.2) срабатывает блок 13 поджига ГГ, который одновременно с формированием поджигающего импульса ГГ 7 обеспечивает подачу управляющего импульса на блок 14 управления воздушной заслонки (см. фиг.3, 4: выходной сигнал триггера 16 поступает на один из входов логического элемента 21 ИЛИ). В результате практически одновременно осуществляется поджиг ГГ 7, открытие воздушной заслонки 26 и закрытие отсечного клапана 31 откачки рабочей полости ССТ. Одновременно производится отключение вакуумного насоса 29 (на схеме не показано). После включения разобщительной муфты 8 и выхода установки на режим автономной работы сигнал с выхода датчика 15 скорости вращения вала первичного двигателя 9 через триггер 20 блока 14 управления воздушной заслонки и обеспечивает ее закрытие. Одновременно с закрытием воздушной заслонки 26 открывается отсечной клапан 31 и включается вакуумный насос 29. Таким образом, во время работы ГГ 7 (когда ССТ 6 находится под нагрузкой) воздушная заслонка 26 открыта и вакуумный насос выключен 29, а при выключенном ГГ (когда ССТ вращается вхолостую) воздушная заслонка закрыта и вакуумный насос включен.

Выполнение установки бесперебойного электропитания согласно предлагаемому изобретению позволяет обеспечить большую компактность и надежность установки в результате применения свободной силовой турбины (вместо инерционного накопителя) и разобщительной муфты, включаемой при равной угловой скорости валов первичного двигателя и турбогенератора, уменьшить реактивную мощность в дежурном режиме за счет увеличения cos ϕ при работе обратимой синхронной машины в режиме синхронного компенсатора, а также повысить эффективность установки в дежурном и автономном режимах за счет снижения вентиляционных потерь при холостом вращении ССТ путем вакуумирования ее рабочей полости.

Источники информации

1. Патент США №4313060, кл. Н 02 J 7/00, 1982 г.

2. Патент РФ №2095912, кл. Н 02 J 9/06, 1996 г. (прототип).

Формула изобретения

1. Автономная установка бесперебойного электропитания, содержащая обратимую синхронную машину, вал которой через разобщительную муфту соединен с валом первичного двигателя с пусковым реле, статорные цепи через автоматический и управляемый выключатели подключены к шинам сетевого питания и через автоматический выключатель – к шинам гарантированного питания, а также датчик контроля параметров сети и привод управляемого выключателя, причем выходы датчика контроля соединены с входами пускового реле первичного двигателя и привода управляемого выключателя, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит свободную силовую турбину с газогенератором и блок поджига газогенератора, причем вал свободной силовой турбины соединен с валом обратимой синхронной машины, вход блока поджига газогенератора соединен с выходом датчика контроля параметров сети, а его выход – с соответствующим входом газогенератора.

2. Автономная установка бесперебойного электропитания по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит воздушную заслонку, вакуумный насос, датчик числа оборотов разобщительной муфты и блок управления воздушной заслонкой, причем воздушная заслонка установлена в выхлопном патрубке свободной силовой турбины с возможностью полного перекрытия со стороны атмосферы в закрытом положении, а в открытом положении – с возможностью обеспечения минимальных газодинамических потерь при выхлопе продуктов сгорания из турбины, при этом тракт вакуумного насоса соединен с рабочей полостью свободной силовой турбины, вход датчика управления воздушной заслонкой подключен к выходам датчика оборотов разобщительной муфты и блока поджига газогенератора, а выход – к приводу воздушной заслонки.

3. Автономная установка бесперебойного электропитания по п.2, отличающаяся тем, что воздушная заслонка выполнена в виде поворотных жалюзи и изготовлена из температуростойкого конструкционного материала.

4. Автономная установка бесперебойного электропитания по п.2, отличающаяся тем, что воздушная заслонка выполнена в виде мембраны на опорном каркасе и изготовлена из легкоплавкого материала.

РИСУНКИ