УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электроснабжения ответственных потребителей, не терпящих перерывов в обеспечении электроэнергией.

Известно устройство для автоматического резервирования источника питания, содержащее стабилизатор переменного напряжения, подзарядное устройство, выходной трансформатор, аккумуляторную батарею и схему управления. Устройство имеет высокую степень автоматизации, при которой потребитель обеспечен электроэнергией при одной неисправной сети, при двух неисправных источниках энергии, при этом качество электроэнергии остается высоким, что достигается введением в стабилизатор трех тиристорных ключей, выполняющих роль второго узла регулирования при общих узле коммутации и схеме управления. Устройство нашло широкое применение в нашей стране из-за непрерывности электроснабжения и высокой надежности [1].

Однако можно отметить, что стоимость его является высокой, а настройка и регулировка предопределяют необходимость иметь высококвалифицированный обслуживающий персонал.

Известно устройство для автоматического резервирования источника питания, содержащее три реле минимального напряжения и четыре контактора, трехфазное реле напряжения, подключенное к шинам основного источника питания, а также компенсирующие конденсаторы. При исчезновении напряжения в одной из фаз сети срабатывает трехфазное реле напряжения, обесточивая катушки контакторов, после чего реле минимального напряжения включается таким образом, что катушки контакторов получают питание и замкнут свои контакты, при этом напряжение на зажим электродвигателя, ранее подключенный к рассматриваемой фазе сети, подается с другой фазы через компенсирующий конденсатор и электродвигатель продолжает работать. Достоинством данного устройства является то, что оно обеспечивает резервирование при пропадании одной фазы питающей сети [2].

Однако такое устройство не может обеспечить электроэнергией электродвигатель при обрыве двух любых фаз сети, что приводит к его остановке, а следовательно, и к нарушению процесса функционирования оборудования, которое он обеспечивал вращающимся моментом.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для автоматического резервирования источника питания, содержащее три реле минимального напряжения с размыкающими и замыкающими контактами, компенсирующий конденсатор, фазосдвигающий дроссель и трехфазный асинхронный двигатель. Реле минимального напряжения каждой фазы включено последовательно с размыкающим контактом реле смежной фазы. Компенсирующий конденсатор включен в первую неисправную фазу между источником питания и одноименной фазой двигателя последовательно с замыкающими контактами реле минимального напряжения неповрежденной фазы, а во вторую неисправную фазу между источником питания и соответствующей фазой двигателя введен фазосдвигающий дроссель, соединенный последовательно с указанными контактами.

Положительный эффект в предлагаемом устройстве достигается тем, что при обрыве двух любых фаз сети электроэнергия оставшейся фазы поступает на первую неисправную фазу с помощью компенсирующего конденсатора, а на вторую неисправную фазу - с помощью фазосдвигающего дросселя, подключенные между источником питания и соответствующими фазами электродвигателя, последовательно соединенными с замыкающими контактами реле минимального напряжения неповрежденной фазы [3].

Однако применение этого устройства сопровождается снижением выходной мощности на валу электродвигателя на 40-50% из-за конструктивных особенностей применяемой элементной базы (конденсатора и дросселя).

К таким особенностям относятся:

большие величины сопротивлений фазосдвигающего дросселя (десятки Ом) и компенсирующего конденсатора (сотни Ом), в сравнении с сопротивлением обмоток электродвигателя (единицы Ом), обуславливают уменьшение тока, подаваемого в электродвигатель, и падение напряжения на них. В результате мощность, отдаваемая в электродвигатель через фазосдвигающий дроссель, в сравнении с исправной фазой, уменьшается на 20-30%, а через компенсирующий конденсатор - на 30-40%;

дискретность номинального ряда применяемой элементной базы (конденсатор, дроссель) не позволяет создать точные фазовые сдвиги на -120 град. и +120 град, что также приводит к снижению мощности электродвигателя на 10-20% в зависимости от величины отклонения фактического фазового сдвига от требуемого (120 град.).

Кроме того, из-за разных величин сопротивлений фазосдвигающего дросселя и компенсирующего конденсатора, а они отличаются на порядок, в обмотках электродвигателя возникает неравномерное распределение электромагнитного поля, что и обуславливает нестабильность вращения его вала.

Цель предлагаемого изобретения - поддержание номинальной выходной мощности на валу трехфазного электродвигателя при обрыве двух любых фаз сети и повышение стабильности его вращения.

Поставленная цель достигается тем, что вместо фазосдвигающего дросселя и компенсирующего конденсатора предлагается использовать две электрические цепи, каждая из которых состоит из делителя напряжения, осуществляющего понижение напряжения исправной фазы; фазовращателя, построенного на основе операционного усилителя и обеспечивающего фазовый сдвиг исправной фазы на -120 град. в первой электрической цепи, а во второй - на +120 град. Сдвинутый по фазе сигнал затем усиливается по мощности в усилителе мощности и подается на соответствующую обмотку электродвигателя. Оба фазовращателя и усилителя мощности запитываются двуполярным постоянным напряжением ±27 В и ±220 В соответственно, которое формируется с помощью выпрямителя от исправной фазы. Использование в предлагаемом устройстве активных элементов (усилителя мощности) взамен пассивных (компенсирующего конденсатора и фазосдвигающего дросселя) позволяет компенсировать потери электроэнергии в процессе формирования двух любых отсутствующих фаз из исправной фазы, а применение в обеих электрических цепях фазовращателей, на основе операционных усилителей с RC-фильтрами, обеспечивает точный сдвиг фаз напряжений питания электродвигателя. В результате в обмотках электродвигателя формируется симметричное трехфазное напряжение с необходимыми параметрами (амплитудой, фазой), которое обеспечивает номинальную мощность на валу электродвигателя и стабильность его вращения.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства автоматического резервирования источника питания трехфазного электродвигателя от одной фазы (на примере фазы A сети). На фиг.2 - электрическая схема формирования фаз в устройстве автоматического резервирования источника питания. На фиг.3 - электрическая схема фазовращателей устройства автоматического резервирования источника питания.

Предлагаемое устройство автоматического резервирования источника питания (фиг.1) содержит:

схему коммутации 1-18, предназначенную для автоматического обнаружения обрыва двух любых фаз сети и подключения электроцепей 19-21, 22-24 между исправной фазой и соответствующей обмоткой электродвигателя 26, 27, 28;

делители напряжения 19, 22, предназначенные для понижения величины напряжения исправной фазы до уровня, обеспечивающего нормальное функционирование фазовращателей 20, 23;

фазовращатель -120 град. 20 и фазовращатель +120 град. 23, построенные на основе операционных усилителей, с входными RC-фильтрами, и предназначенные для обеспечения точного фазового сдвига исправной фазы соответственно на -120 град и +120 град.;

усилители мощности 21, 24, предназначенные для усиления сдвинутых по фазе на -120 град. и +120 град. гармонических сигналов по напряжению и току;

выпрямитель 25, который преобразует переменное напряжение исправной фазы в постоянное двуполярное напряжение ±27 В, необходимое для питания фазовращателей 20, 23 и ±220 В - для питания усилителей мощности 21, 24;

обмотки электродвигателя 26, 27, 28, которые обеспечивают создание крутящегося момента для ротора электродвигателя.

Электрическая схема формирования фаз в предлагаемом устройстве автоматического резервирования источника питания (фиг.2) содержит:

три реле 1-3 минимального напряжения, контролирующие напряжение в фазах A, B и C сети, относительно нейтрали O, с размыкающими 4-6 и замыкающими 7-18 контактами. Размыкающие контакты 4-6 реле 1-3 предназначены для отключения устройства при наличии всех трех фаз сети, при этом контакт 4 принадлежит реле 2, контакт 5 - реле 3, а контакт 6 - реле 1. Замыкающие контакты 7-12 обеспечивают коммутацию первой неисправной фазы на неповрежденную фазу с помощью электрической цепи 19, 20, 21, а замыкающие контакты 13-18 реле 1-3 - коммутацию второй неисправной фазы на неповрежденную фазу посредством электрической цепи 22, 23, 24. Электрическая цепь 19, 20, 21 обеспечивает одну из фаз трехфазного электродвигателя, например фазу 27, а электрическая цепь 22, 23, 24 - электроэнергией фазу 28 трехфазного электродвигателя;

делители напряжения 19, 22 выполняются на резисторах с расчетными номиналами сопротивлений и мощности;

фазовращатели +120 град. 23 (фиг.3, а) и -120 град. 20 (фиг.3, б) построены на операционных усилителях с RC-фильтрами на неинверсных входах. Их передаточные функции имеют следующий вид:

, ,

где s=jω - комплексная переменная; τ=RC - постоянная времени фильтра; R - сопротивление фильтра; C - емкость фильтра; ω - круговая частота фазы. Величины фазовых сдвигов для фазовращателей 23 и 20 рассчитываются по формулам

.

Для заданных , по формулам (1), (2) определяют постоянную времени фильтра τ, а затем подбирают величины R и C для построения фильтров фазовращателей.

Величины сопротивлений R1 и R2 и определяются из соотношений

, ,

где K_u - коэффициент усиления по напряжению фазовращателя; U_вых0 - допустимый уровень ошибки по постоянной составляющей, выбирается в пределах U_вых0=(0,01…0,2)U_вых; U_см - напряжение смещения операционного усилителя (определяется по справочнику); ΔI_вх - входной ток операционного усилителя;

усилители мощности 21, 24 усиливают фазовые сигналы, поступающие с фазовращателей 20, 23 по напряжению, а затем по току. Схемные решения их построения стандартные и могут реализовываться как на биполярных, так и на полевых мощных транзисторах;

выпрямитель 25 формирует для фазовращателей 20, 23 двуполярное постоянное напряжение питания ±27 В, а для усилителей мощности 21, 24 - ±220 В. Он запитывается от исправной фазы через контакты 7, 11, 12. Схемотехническое его построение классическое - мощный диодный выпрямитель и сглаживающий конденсатор на положительную и отрицательную полуволны фазного напряжения для формирования двуполярного напряжения;

к клеммам 26-28 подключены соответствующие фазовые обмотки электродвигателя.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При наличии всех трех фаз сети срабатывают реле 1-3, при этом их контакты 4-6 размыкаются, обесточивая все реле, поэтому контакты 7-18 не замыкаются, а фазы 26-28 электродвигателя подключены к соответствующим фазам сети. При обрыве двух любых фаз сети, например фаз B и C, срабатывает реле 1, при этом его контакт 6 размыкается, а контакты 7, 10, 13 и 16 замыкаются. При замыкании контактов 7 и 10 напряжение с исправной фазы поступает на делитель напряжения 19, где понижается до уровня обеспечивающего нормальное функционирование фазовращателя 20. Фазовращатель 20 сдвигает исправную фазу на -120 град, которая затем поступает в усилитель мощности 21. В нем она вначале усиливается по напряжению до величины 220 В, а затем по току, формируя сигнал по мощности, равный исправной фазе, который затем поступает в обмотку 27 электродвигателя.

При замыкании контактов 13 и 16 напряжение с исправной фазы поступает на делитель напряжения 22, где понижается до уровня, обеспечивающего нормальное функционирование фазовращателя 23. Фазовращатель 23 сдвигает исправную фазу на +120 град., которая затем поступает в усилитель мощности 24. В нем она вначале усиливается по напряжению до величины 220 В, а затем по току, формируя сигнал по мощности, равный исправной фазе, который затем поступает в обмотку 28 электродвигателя.

При обрыве фаз A и B, C и A механизм подключения трехфазного электродвигателя двигателя к сети аналогичный описанному. Состояния элементов устройства во всех режимах работы приведены в таблице.

Таким образом, замена пассивных элементов фазосдвигающего дросселя и компенсирующего конденсатора на две активные электрические цепи, каждая из которых состоит из делителя напряжения; фазовращателя, обеспечивающего фазовый сдвиг исправной фазы на -120 град., в первой электрической цепи, а во второй - на +120 град.; усилителя мощности, а также выпрямителя, обеспечивающего двуполярным постоянным напряжением фазовращатели и усилители мощности позволяет от одной исправной фазы формировать симметричное трехфазное напряжение с требуемыми параметрами (амплитудой, фазой) в обмотках электродвигателя, что обеспечивает на его валу номинальную мощность и стабильность вращения. Симметричность формируемого трехфазного напряжения достигается компенсацией потери энергии за счет применения активных электрических цепей, точной установкой фазовых сдвигов (-120 град. и +120 град.) с помощью фазовращателей на операционных усилителях с RC-фильтрами и идентичностью параметров активных электрических цепей.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №522536, кл. H02J 9/06, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР №633110, кл. H02J 9/06, 1977.

3. Патент РФ №2006134, кл. H02J 9/06, H02M 5/14, 1991.