Устройство бесперебойного питания с автоматическим включением резервного питания

Предлагаемое техническое решение относится к электротехники, в частности к устройствам бесперебойного питания (УБП) с автоматическим включением резервного питания (АВР) и предназначено для бесперебойного электроснабжения различных потребителей. Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного УБП, является: отсутствие необходимости установки дополнительных устройств для формирования сборной шины и подключения резервных источников питания; возможность легко и быстро по времени сформировать необходимую конфигурацию системы питания (увеличить мощность и/или емкость аккумуляторных батарей и т.п.); расширение функциональности УБП за счет возможности питания отдельных нагрузок от различных сетей переменного тока при простоте и надежности работы устройства. Указанные и другие технические результаты достигаются предложенным устройством бесперебойного питания, которое содержит, по меньшей мере, 2 входа для подключения линий однофазного и/или трехфазного переменного тока. При этом УБП содержит устройство контроля фидера, которое управляет работой контакторов, через которые каждый из входов для подключения линий однофазного и/или трехфазного переменного тока соединен со сборной шиной, которая в свою очередь соединяется, как минимум, с двумя выпрямителями, а выходы выпрямителей соединены параллельно и подключаются к шине постоянного тока напряжением 48 В, которая подключается, как минимум, к одной аккумуляторной батарее и системе инверторов, содержащей, по меньшей мере, один модуль инверторов, который состоит из, по меньшей мере, двух инверторов для питания однофазной нагрузки или, по меньшей мере, трех инверторов для питания трехфазной нагрузки, переменное напряжение от каждого из которых подается к потребителям переменного тока на выходы устройства, гальванически развязанных от входных линий. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к электротехники, в частности к устройствам бесперебойного питания (УБП) с автоматическим включением резервного питания и предназначено для бесперебойного электроснабжения различных потребителей.

Известно УБП (RU 79218 U1, с приоритетом от 15.05.2008), содержащее по меньшей мере, 2 входа для подключения линий однофазного или трехфазного переменного тока, каждый из которых соединен со своим модулем выпрямителей, содержащим не менее 2х выпрямителей при подключении к однофазной линии, или не менее 3х выпрямителей при подключении к трехфазной линии, а выходы модулей выпрямителей соединены параллельно и через устройство питания постоянного тока с, как минимум, одной аккумуляторной батареей, подключены к системе инверторов, содержащей, по меньшей мере, 2 модуля инверторов, соединенных параллельно и каждый из которых состоит из, по меньшей мере, 2х инверторов для питания однофазной нагрузки, или, по меньшей мере, 3х инверторов для питания трехфазной нагрузки, переменное напряжение от каждого из которых подается к потребителям переменного тока на выходы устройства, гальванически развязанных от входных линий. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Недостатком такого УБП является ограниченность использования, например, подключение к источникам питания только однофазной или трехфазной сети; отсутствует возможность подключения резервного источника ДГА (дизель-генераторный агрегат); увеличенное число выпрямителей; отсутствует выход для подключения гарантированных нагрузок.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного УБП, является:

- возможность устанавливать УБП в различных местах, в том числе, существующих системах электропитания ЖАТ (Железнодорожная автоматика и телемеханика) с минимальными затратами на установку, которая достигается модульной конструкцией, компактностью устройства, простоте изготовления и установки;

- отсутствует необходимость установки дополнительных устройств для формирования сборной шины и подключения резервных источников питания;

- возможность питания нагрузок не требующих бесперебойного питания (гарантированные нагрузки);

- возможность легко и быстро по времени сформировать необходимую конфигурацию системы питания (увеличить мощность и/или емкость аккумуляторных батарей и т.п.) за счет простой, удобной, быстрой компоновки и «горячей замены» всех силовых модулей без выключения устройства;

- расширение функциональности УБП за счет возможности питания отдельных нагрузок от различных сетей переменного тока при простоте и надежности работы устройства;

- снижается необходимость в применении дополнительных мер по электробезопасности из-за низкого напряжения шины постоянного тока (48 В), которая используется одна, но при топологии двойного преобразования;

- возможность питания трехфазных устройств при питании от однофазной сети за счет использования топологии двойного преобразования с единой шиной постоянного тока;

- устройство бесперебойного питания выполнено таким образом, что выходное переменное напряжение стабилизировано по частоте и амплитуде, за счет построения основных функциональных элементов.

Указанные технические результаты достигаются предложенным устройством бесперебойного питания, которое содержит, по меньшей мере, два входа 1, 2 для подключения линий однофазного и/или трехфазного переменного тока. При этом УБП содержит устройство контроля фидера (УКФ) 14, которое управляет работой контакторов KM1, KM2, KM3, через которые каждый из входов для подключения линий однофазного и/или трехфазного переменного тока соединен со сборной шиной 5, которая в свою очередь соединяется, как минимум, с двумя выпрямителями 6, а выходы выпрямителей соединены параллельно и подключаются к шине постоянного тока 7 напряжением 48 В, которая подключается, как минимум, к одной аккумуляторной батарее 12 и системе инверторов 8, содержащей, по меньшей мере, один модуль инверторов, который состоит из, по меньшей мере, двух инверторов для питания однофазной нагрузки или, по меньшей мере, трех инверторов для питания трехфазной нагрузки, переменное напряжение от каждого из которых, подается к потребителям переменного тока на выходы устройства 11, гальванически развязанных от входных линий.

В предпочтительном варианте осуществления устройства бесперебойного питания, для подключения резервного источника питания предусмотрен вход ДГА 3 который соединяется непосредственно со сборной шиной 5.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления устройства бесперебойного питания, к сборной шине 5 через контактор KM3 и шину гарантированного питания 9 подключается выход питания гарантированных нагрузок 10.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления устройства бесперебойного питания, оно содержит аварийно-восстановительный байпас Q1, цепи питания которого подключаются непосредственно к источникам питания инверторам 8, входу ДГА 3, и через входные автоматические выключатели QF1 и QF2 к входам 1, 2, и к выходу устройства 11.

Все основные функциональные элементы - выпрямители и инверторы соединены между собой параллельно.

Устройство бесперебойного питания согласно предложенному техническому решению выполнено с возможностью подключения двух независимых источников питания и одного резервного, полного резервирования выпрямителей и инверторов, за счет наличия в каждом модуле избыточного числа выпрямителей или инверторов N+1.

Устройство бесперебойного питания может иметь функцию автоматического и/или ручного байпасов, обеспечивающих прямое подключение нагрузки к сборной шине.

Устройство бесперебойного питания в предпочтительном варианте выполнено по принципу компонуемой модульной конструкции с переменным составом основных функциональных элементов - выпрямителей и инверторов.

Каждый из входов рассчитан на полную нагрузку системы, при условии, что суммарная мощность не превышает номинальную.

Сущность устройства бесперебойного питания поясняется функциональной схемой на Фиг.1, где

1, 2 - входы для подключения линий однофазного или трехфазного переменного тока,

3 - вход ДГА,

4 - схема управления,

5 - сборная шина,

6 - выпрямители,

7 - шина постоянного тока,

8 - система инверторов,

9 - шина гарантированного питания,

10 - выход питания гарантированных нагрузок,

11 - выход устройства,

12 - аккумуляторные батареи,

13 - вводно защитное устройство (ВЗУ),

14 - устройство контроля фидера (УКФ),

QF1, QF2 - входные автоматические выключатели,

KM1, KM2, KM3 - контакторы,

Q1 - аварийно-восстановительный байпас,

Q2 - автоматический и ручной байпас,

Устройство бесперебойного питания на Фиг.1 выполнено по принципу модульной конструкции с переменным составом основных функциональных (силовых) блоков и элементов - выпрямителей и инверторов и возможностью полного резервирования данных основных функциональных (силовых) устройств (выпрямителей и инверторов), за счет наличия в каждом блоке избыточного числа указанных функциональных (силовых) устройств (выпрямителей и инверторов) N+1, и состоит из:

- Входных автоматических выключателей QF1 и QF2 с функцией дистанционного выключения предназначенных для подключения внешних источников, вводно защитного устройства (ВЗУ) 13 предназначенного для защиты от внешних помех, устройства контроля параметров фидера (УКФ) 14 которое управляет работой контакторов через схему управления 4, выходы которых соединены параллельно и образуют сборную шину 5.

- К сборной шине 5 подключаются выпрямители 6, выхода которых соединены параллельно, а также через контактор КМ3 выход питания гарантированных нагрузок 10. Общее количество выпрямителей определяется мощностью нагрузки потребителя. В обычных условиях (при наличии напряжения) выпрямители преобразуют переменное напряжение сети в постоянное напряжение, которое поступает на инверторы 8 и аккумуляторные батареи 12.

- Инверторы 8 преобразовывают постоянное напряжение обратно в стабилизированное по частоте и амплитуде выходное переменное напряжение, которое далее подается к потребителям переменного тока - на выходы устройства 11. При отсутствии входного напряжения питание инвертора производится от аккумуляторной батареи. После восстановления питания выпрямитель автоматически принимает на себя питание инвертора и заряжает батарею.

- Схема управления предназначена для общего управления работой систем электропитания. Она может состоять из блока контроллера, блока коммутации, блока индикации и блока контроля, и управления входных и выходных параметров. Она осуществляет непрерывный контроль и передачу данных в систему мониторинга.

УБП имеет функцию автоматического и ручного байпасов (Q2) обеспечивающих прямое подключение нагрузки к сборной шине при неисправности инверторов. Автоматическими переключателями байпаса служат быстродействующие ключи, размещенные внутри инверторов. Ручными переключателями байпаса служат кулачковые переключатели с дополнительными слаботочными контактами, которые отражают истинное положение этих переключателей.

Для аварийного восстановления питания бесперебойного питания предусмотрен аварийно-восстановительный байпас Q1 обеспечивающий прямое подключение нагрузки к входной сети. Ручными переключателями байпаса служат кулачковые переключатели с дополнительными слаботочными контактами, которые отражают истинное положение этих переключателей.

Работа УБП.

Электропитание УБП осуществляется от четырех или пятипроводной сети трехфазного переменного тока 380 В (допустимые отклонения +30/-40%) частотой 50 Гц (допустимые отклонения +2,5/-2,5%) или от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В (допустимые отклонения +30/-40%) частотой 50 Гц (допустимые отклонения +2,5/-2,5%). При отклонении сети за пределы указанных параметров питание осуществляется от АБ, при этом при провалах питающего напряжения переход на питание нагрузки от АБ не является ухудшением качества функционирования.

УБП выдерживает без повреждения импульсные перенапряжения по каждой из фаз до 4000 В длительностью до 50 мкс.

В нормальном режиме работы УБП выпрямители 6 питают инверторы 8 постоянным током и поддерживают заряд аккумуляторных батарей 12. В случае полного пропадания питания переменного тока инверторы 8 питаются от аккумуляторной батареи 12. При частичном (одной и более фаз) пропадании питания переменного тока или понижении напряжения на фазах фидеров и отсутствии или неисправности ДГА, УБП контактором КМ3 отключает цепи выхода питания гарантированных нагрузок 10 и подключает неисправный фидер для питания выпрямителей 6. Мощности выпрямителей может не хватать для питания инверторов. В этом случае недостающая мощность берется от аккумуляторной батареи.

В зависимости от характеристик входного напряжения контакторы KM1 и KM2 подключают фидера к сборной шине 5.

При выходе значений питающего напряжения за границы нормы происходит автоматическое переключения питания, неисправный источник отключается от сборной шины, а затем подключается исправный источник питания, переменное напряжение сборной шины выпрямители УБП преобразуют в постоянное напряжение, которое поступает на инверторы и аккумуляторные батареи.

Контактор KM3 коммутирует цепи гарантированного питания в зависимости от выбранного режима питания (режим работы контактора KM3 настраивается перемычками в зависимости от фазности фидеров и схемы питания нагрузки) гарантированных нагрузок, состояния фидеров и наличия и состояния ДГА.

Если нагрузки подключены по трехфазной схеме питания и оба фидера трехфазные то KM3 работает как повторитель KM1 или KM2. Если один из фидеров однофазный то предпочтительно выбирать однофазную схему питания гарантированных нагрузок (питать гарантированные нагрузки через однофазные трансформаторы). При такой схеме питания (однофазная нагрузка) контактор КМ3 работает как повторитель KM1 или KM2 если нагрузка трех фазная, то производится настройка таким образом, что при переходе системы на питание от однофазного фидера контактор KM3 выключается (исключается возможность подключение трехфазных цепей гарантированных нагрузок к однофазному фидеру) При наличии исправного трехфазного ДГА контактор KM3 подключается к сборной шине после запуска ДГА и включения его под нагрузку. Если ДГА однофазный то контактор КМ3 работает в зависимости от выбранного режима питания нагрузки.

Инверторы преобразовывают постоянное напряжение обратно в стабилизированное по частоте и амплитуде выходное переменное напряжение, которое далее подается к потребителям переменного тока. При отсутствии входного напряжения питание инверторов производится от аккумуляторных батарей. После восстановления питания выпрямитель автоматически принимает на себя питание инвертора и кроме того заряжает снова батарею, чтобы в случае обратного исчезновения напряжения в сети питание производилось обратно батареями.

При неисправности обоих источников питания (фидеров) происходит переход на питание от резервного источника питания ДГА.

Возможность параллельного подключения позволяет конфигурировать систему с избыточностью N+1.

1. Устройство бесперебойного питания, которое содержит, по меньшей мере, два входа для подключения линий однофазного и/или трехфазного переменного тока, отличающееся тем, что оно содержит устройство контроля фидера, которое управляет работой контакторов, через которые каждый из входов для подключения линий однофазного и/или трехфазного переменного тока соединен со сборной шиной, которая в свою очередь соединяется, как минимум, с двумя выпрямителями, а выходы выпрямителей соединены параллельно и подключаются к шине постоянного тока напряжением 48 В, которая соединяется, как минимум, с одной аккумуляторной батареей и системой инверторов, содержащей, по меньшей мере, один модуль инверторов, который состоит из, по меньшей мере, двух инверторов для питания однофазной нагрузки или, по меньшей мере, трех инверторов для питания трехфазной нагрузки, переменное напряжение от каждого из которых подается к потребителям переменного тока на выходы устройства, гальванически развязанных от входных линий.

2. Устройство бесперебойного питания по п.1, отличающееся тем, что для подключения резервного источника питания предусмотрен вход ДГА, который соединяется непосредственно со сборной шиной.

3. Устройство бесперебойного питания по п.1, отличающееся тем, что к сборной шине питания через контактор подключается выход питания гарантированных нагрузок.

4. Устройство бесперебойного питания по п.1, отличающееся тем, что оно содержит аварийно-восстановительный байпас, цепи питания которого подключаются непосредственно к источникам питания и к выходу устройства.