Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ГАРАНТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано для бесперебойного питания ответственных потребителей трехфазного переменного тока: собственных нужд атомных электростанций, средств связи, компьютерных систем.

По схемным решениям и типу используемого оборудования различают две основные группы трехфазных устройств гарантированного электропитания. К первой группе относятся комбинированные устройства гарантированного электропитания, в схемных решениях которых используются одновременно электромашинные и статические преобразователи. Вторая группа объединяет устройства, выполненные с использованием только статических преобразователей. Выбор конкретного типа устройства гарантированного электропитания осуществляется в соответствии с предъявляемыми к нему требованиями по: энергетическим характеристикам, необходимости защиты потребителей от утечки конфиденциальной информации, необходимости резервирования и способу ввода резерва, надежности, сроку службы, уровню шума.

Известно устройство бесперебойного питания по патенту RU 2346373 C1 (H02J 9/04, 2009). Известное устройство содержит статический преобразователь, подключенный к электросети и состоящий из выпрямителя, инвертора, для подачи переменного напряжения потребителям, не нуждающимся в гальванической развязке, и накопителя энергии постоянного тока, переменное напряжение также подается на электромашинный преобразователь, состоящий из асинхронного двигателя, соединенного общим валом с возбудителем и генератором, обмотки которых расположены на совмещенном статоре, и автоматического регулятора напряжения, который через дополнительную обмотку возбудителя изменяет ток возбуждения генератора в соответствии с законом изменения тока потребителя.

Недостатком известного устройства бесперебойного питания является необходимость двойного преобразования электроэнергии в статическом преобразователе, в том числе и электроэнергии для потребителей, нуждающихся в гальванической развязке, что существенно снижает энергетические характеристики устройства.

В агрегатах бесперебойного питания со статическими преобразователями питание ответственных потребителей осуществляется в нормальном режиме от сети напряжением переменного тока путем преобразования его вначале в напряжение постоянного тока с последующим преобразованием в напряжение переменного тока. При временном отключении напряжения сети трехфазного переменного тока питание ответственных потребителей осуществляется от накопителя энергии постоянного тока (электролитические конденсаторы, молекулярные накопители, аккумуляторы) путем преобразования посредством инвертора напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока.

Известен агрегат бесперебойного питания с трехфазной сетью, трехфазным выпрямителем, дизель-генераторным агрегатом, переключателем входа, аккумуляторной батареей, шинами постоянного тока, первым и вторым инверторами и шинами переменного тока (RU 2225668 C1, H02J 9/06, 2004). Также агрегат снабжен стабилизатором постоянного напряжения и дополнительным трехфазным выпрямителем. Аккумуляторная батарея выполнена с первым и вторым выходами. Первый выход соединен с плюсовым зажимом трехфазного выпрямителя через первый и второй электронные ключи, второй выход соединен с плюсовой шиной постоянного напряжения через третий электронный ключ, выход которого соединен с плюсовой шиной постоянного тока и плюсовым выводом стабилизатора постоянного напряжения. Выход первого инвертора соединен с обоими входами второго инвертора с помощью трансформатора тока, выпрямителя, Г-образного фильтра, состоящего из дросселя и конденсатора. При этом к выходам обоих инверторов подключены шины переменного тока. Второй инвертор подключен к плюсовой шине постоянного тока через четвертый электронный ключ, а к минусовой шине непосредственно. Указанные электронные ключи выполнены диодными.

Однако известное устройство является достаточно сложным и имеет низкие энергетические характеристики.

Известно устройство бесперебойного автоматического включения резерва по патенту RU 2503114 C1 (H02J 9/00, H02J 9/06, 2013). Известное устройство содержит выводы для подключения основной и резервной трехфазной сети, два трехфазных трансформаторно-выпрямительных устройства, своими выходами подключенных на шины постоянного тока, от которых через два трехфазных инвертора и соответствующие трехфазные тиристорные ключи запитаны шины переменного тока, и выполненных по многомостовой схеме выпрямления (выпрямительные мосты), при этом многомостовая схема выпрямления содержит трехобмоточный трансформатор с двумя вторичными обмотками, соединенными по схемам «звезда» и «треугольник», которые своими входами подключены к двум вводам основной и резервной трехфазной сети постоянно, молекулярный накопитель энергии, своим зарядно-разрядным выводом подключенный к шинам постоянного тока, а благодаря тиристорным ключам обеспечивается синхронизация трехфазных инверторов при включении (отключении) неисправного трехфазного инвертора от шин переменного тока.

Недостатком известного устройства являются его невысокие энергетические показатели, обусловленные необходимостью двойного преобразования электроэнергии и необходимостью использования ряда устройств: фильтры, устройства обмена электроэнергии в инверторе.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является устройство бесперебойного питания ответственных потребителей трехфазного переменного тока, приведенное в описании изобретения по патенту RU 2540966 C1 (H02J 9/06, H02J 9/00, H02M 5/451, 2015). Известное устройство включает в себя входные клеммы для подвода трехфазного переменного тока, тройной контактор для включения/отключения цепи переменного тока, входные клеммы для подвода постоянного тока (положительную и отрицательную), двойной контактор для включения/отключения цепи постоянного тока, а также фазные дроссели, стоящие в цепи каждой фазы, основной выпрямитель, фильтрующий конденсатор и инвертор. Положительная входная клемма подвода постоянного тока через двойной контактор и разделительные диоды подключена к точкам соединения каждого фазного дросселя с тройным контактором, отрицательная клемма подключена через двойной контактор к общей минусовой точке выпрямителя. Выпрямитель выполнен на базе транзисторных чопперов (IGBT-транзисторах и диодах), обеспечивающих регулирование напряжения при питании от сети постоянного тока. Напряжение с выпрямителя фильтруется конденсатором и поступает на вход инвертора, преобразующего постоянный ток в трехфазный переменный ток, поступающий к нагрузке. Входные клеммы постоянного тока также подключены к группе гальванической развязки из последовательно соединенных: высокочастотного инвертора, трансформатора и дополнительного нерегулируемого выпрямителя. При этом выходы дополнительного выпрямителя подключены к выходам основного выпрямителя, соответственно плюс с плюсом, минус с минусом. Таким образом, группа гальванической развязки подключена непосредственно к источнику постоянного тока, а по выходу - к выходным клеммам основного выпрямителя. Группа гальванической развязки включается только на короткое время, определяемое временем переключения силовых контакторов питающих цепей.

К недостаткам известного устройства можно отнести необходимость двойного преобразования электроэнергии, наличие фильтров на входе и выходе основного выпрямителя, а также неустойчивую работу при работе от сети переменного тока на емкостную нагрузку, что связано с наличием трехфазного выпрямителя.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства гарантированного электропитания с улучшенными энергетическими характеристиками на основе непосредственного преобразователя частоты (циклопреобразователя), обеспечивающего преобразование как переменного трехфазного тока, так и постоянного тока в трехфазный переменный ток с требуемыми частотой и напряжением.

Указанная задача решается тем, что предложено устройство гарантированного электропитания, содержащее устройство автоматического переключения источников электропитания и преобразователь частоты, включающий входные зажимы A, B, C, которые выполнены с возможностью подключения через устройство автоматического переключения источников электропитания к питающей сети трехфазного переменного тока или к питающей сети постоянного тока, причем один из входных зажимов выполнен с возможностью подключения к плюсовому выводу питающей сети постоянного тока, а два других - к минусовому выводу последней, выходные зажимы для подключения трехфазной нагрузки, три одинаково выполненных трехфазных трансформатора. Каждый из трехфазных трансформаторов включает первую и вторую входные и выходную трехфазные обмотки. Начальные выводы фазных обмоток первой входной трехфазной обмотки и концы фазной обмотки второй входной трехфазной обмотки подключены к соответствующим входным зажимам A, B, C. Другие выводы каждой из входных трехфазных обмоток подключены к соответствующему этой обмотке коммутирующему элементу в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом в цепи постоянного тока. Фазные обмотки входных трехфазных обмоток одного трехфазного трансформатора последовательно подключены к входным зажимам A, B, C, а фазные обмотки входных трехфазных обмоток двух других трехфазных трансформаторов последовательно подключены соответственно к входным зажимам B, С, А и C, А, В. При этом одноименные фазные обмотки выходных трехфазных обмоток упомянутых трехфазных трансформаторов соединены последовательно в три ветви, которые объединены в схему звезда и образуют трехфазный выход.

В варианте выполнения устройство в качестве электронного ключа содержит транзистор.

В другом варианте выполнения устройство в качестве электронного ключа содержит тиристор.

Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно обеспечивает возможность непосредственного преобразования как трехфазного переменного тока, так и постоянного тока в трехфазный переменный ток с требуемыми частотой и напряжением при использовании в обоих случаях одной и той же принципиальной схемы (по существу - одного и того же преобразователя частоты), что в конечном счете обеспечивает повышение надежности и расширяет функциональные возможности.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства гарантированного электропитания; на фиг. 2 - схема силовой части устройства; на фиг. 3 - диаграммы формирования напряжения на выходе устройства гарантированного электропитания при питании устройства от сети трехфазного переменного тока; на фиг. 4 - диаграммы формирования напряжения на выходе устройства гарантированного электропитания при регулировании напряжения (питание от сети трехфазного переменного тока); на фиг. 5 - диаграммы формирования напряжения на выходе устройства гарантированного электропитания при питании от накопителя энергии постоянного тока; на фиг. 6 - диаграммы формирования напряжения на выходе устройства гарантированного электропитания при регулировании (питание от накопителя энергии постоянного тока). На диаграммах: U_A1 - напряжение, формируемое на фазных обмотках трехфазных обмоток 8, 9 трехфазного трансформатора 5; U_B1 - напряжение, формируемое на фазных обмотках трехфазных обмоток 11, 12 трехфазного трансформатора 6; U_C1 - напряжение, формируемое на фазных обмотках трехфазных обмоток 14, 15 трехфазного трансформатора 7; U_A - суммарное фазное напряжение, формируемое в фазе A устройства гарантированного электропитания (на фазных обмотках трехфазных обмоток 10, 13, 16); ω - круговая частота; t - время; 23-28 - интервалы включения соответствующих электронных ключей.

Устройство гарантированного электропитания содержит устройство 1 автоматического переключения источников электропитания и преобразователь частоты, включающий входные зажимы A, B, С, которые выполнены с возможностью подключения через устройство 1 к питающей сети 2 трехфазного переменного тока или к питающей сети 3 постоянного тока, выходные зажимы 4 для подключения трехфазной нагрузки, три одинаково выполненных трехфазных трансформатора 5-7. Один из входных зажимов выполнен с возможностью подключения к плюсовому выводу питающей сети 3 постоянного тока, а два других - к минусовому выводу последней. Каждый из трехфазных трансформатора 5-7 включает две (первую и вторую) входные и выходную трехфазные обмотки. На трехфазном трансформаторе 5 расположены входные трехфазные обмотки 8, 9 и выходная трехфазная обмотка 10. На трехфазном трансформаторе 6 расположены входные трехфазные обмотки 11, 12 и выходная трехфазная обмотка 13. На трехфазном трансформаторе 7 расположены входные трехфазные обмотки 14, 15 и выходная трехфазная обмотка 16. Упомянутые входные и выходные трехфазные обмотки включают фазные обмотки. Начальные выводы фазных обмоток первой входной трехфазной обмотки и концы фазной обмотки второй входной трехфазной обмотки каждого трехфазного трансформатора подключены к соответствующим входным зажимам A, B, C, а другие выводы каждой из входных трехфазных обмоток трехфазного трансформатора подключены к соответствующему этой обмотке коммутирующему элементу 17-22 в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом (23-28) в цепи постоянного тока. При этом фазные обмотки входных трехфазных обмоток трехфазного трансформатора 5 последовательно подключены к входным зажимам A, B, C, а фазные обмотки входных трехфазных обмоток трехфазных трансформаторов 6 и 7 последовательно подключены соответственно к входным зажимам B, С, А и C, А, В, причем одноименные фазные обмотки выходных трехфазных обмоток 10, 13, 16 трехфазных трансформаторов 5-7 соединены последовательно в три ветви, которые объединены в схему звезда и образуют трехфазный выход.

В варианте выполнения устройство гарантированного электропитания в качестве электронных ключей содержит, например, транзисторы 23-28. В другом варианте выполнения устройство гарантированного питания в качестве электронных ключей может содержать тиристоры.

Устройство гарантированного электропитания работает следующим образом. В нормальном режиме устройство работает от питающей сети 2 трехфазного переменного тока. Преобразование трехфазного переменного тока в устройстве основано на принципе трехполосной модуляции, в котором модулирующая функция формирования выходной частоты и выходного напряжения в каждой фазе нагрузки реализуется путем циклических подключений трехфазных входных обмоток 8, 9, 11, 12, 14, 15 трехфазных трансформаторов 5-7 к питающей трехфазной сети 2 через равные интервалы времени одновременно по трем фазам по круговой диаграмме, а их отключение осуществляется в пределах прямой и обратной полуволн каждой из фаз входного трехфазного напряжения. Подключение трехфазных обмоток 8, 9, 11, 12, 14, 15 к сети трехфазного переменного тока осуществляется при включении ключей 23-28 в коммутирующих элементах 17-22.

Частота выходного напряжения в устройстве гарантированного электропитания при его работе от сети переменного тока определяется выражением

f_вых=f₁-f_c,

где f_c - частота сети трехфазного переменного тока, f₁ - частота следования управляющих импульсов, поступающих от блока 29 управления на электронные ключи 23-28.

Таким образом, если необходимо устройство гарантированного электропитания с частотой трехфазного переменного тока на шинах нагрузки 50 Гц, то частота следования управляющих импульсов на ключи 23-28 должна составлять 100 Гц. Если, например, необходимо устройство с частотой трехфазного переменного тока на шинах нагрузки 400 Гц, то частота следования управляющих импульсов на ключи 23-28 должна составлять 450 Гц.

Амплитуда напряжения в фазах нагрузки в устройстве гарантированного электропитания является суммой напряжений формируемых на всех трех фазных выходных обмотках трехфазных трансформаторов 5-7.

Плавное регулирование амплитуды напряжений на выходе устройства гарантированного электропитания осуществляется за счет изменения продолжительности включенного состояния ключей 23-28 (транзисторов или тиристоров).

На фиг. 3 и 4 показаны диаграммы формирования напряжения в фазе A при проводимости ключей 90° и 30° (по круговой диаграмме).

При выходе из строя питающей сети 2 переменного тока срабатывает устройство 1 автоматического переключения источников электропитания, и устройство гарантированного электропитания переходит на работу от питающей сети 3 постоянного тока (например, накопителя энергии постоянного тока). При питании устройства гарантированного электропитания от накопителя энергии постоянного тока частота трехфазного переменного напряжения на выходе устройства определяется выражением f_вых=f₁. Амплитуда напряжения в фазах нагрузки в устройстве гарантированного электропитания в этом случае является также суммой напряжений формируемых на всех трех фазных выходных обмотках трансформаторов 5-7. Плавное регулирование амплитуды напряжений на выходе устройства гарантированного электропитания также осуществляется за счет изменения продолжительности включенного состояния ключей 23-26 (транзисторов или тиристоров). На фиг. 5 и 6 показаны диаграммы формирования напряжения в фазе A при питании устройства от накопителя энергии постоянного тока. Диаграммы на фиг. 3, 4 и фиг. 5, 6 показывают, что форма (гармонический состав) напряжения на выходе устройства сохраняется и при регулировании его амплитуды.

Простота управления, возможность работать как от сети трехфазного переменного тока, так и постоянного тока, возможность построения устройств гарантированного электропитания с частотой трехфазного переменного тока желаемой частоты, а также широкий и плавный диапазон регулирования напряжения (с сохранением гармонического состава) обеспечивают устройству гарантированного электропитания высокую эффективность процесса преобразования, расширение областей использования, а также повышение коэффициента полезного действия и снижение стоимости.

Таким образом, благодаря особенности исполнения устройства гарантированного электропитания изобретение обеспечивает возможность создания устройства бесперебойного электропитания, обладающего способностью непосредственного преобразования как трехфазного переменного тока, так и постоянного тока в трехфазный переменный ток с требуемыми частотой и напряжением при использовании в обоих случаях одной и той же принципиальной схемы (по существу - одного и того же преобразователя частоты), что в конечном счете обеспечивает повышение надежности и расширение функциональных возможностей устройства.