Система бесперебойного электропитания

(505 Н 02 Э 9/06 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники(56) Авторское свидетельство СССР ЬЬ 316154, кл. Н 02 3 9/06, 1968.Авторское свидетельство СССР М 568115, кл. Н 02 3 9/06, 1975.(54) СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ(57) Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для Ы1690080 А 1 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 автотоансформатора. Так как напряжение на нагрузке в этом. случае равно полусумме выходных напряжений основной сети и ин1690080 40 45 вертора, то оно во время переключения не имеет недопустимых отклонений (15 - 20)ь) 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 потребителейпеременного тока,Цель изобретения - повышение надежности электроснабжения путем уменьше ния провалов напряжения на нагрузке припереключении сетей.На фиг.1 приведена схема предлагаемой системы бесперебойного электропитания; на фиг,2 - диаграммы, поясняющиеработу системы; на фиг.3 - схема формирователя управляющих сигналов,Система бесперебойного электропитания содержит основную сеть 1, резервнуюсеть 2, выключатель 3 основной сети 1 собмоткой 4 управления размыкающимиконтактами 5 и 6 и замыкающим контактом7, выключатель 8 резервной сети 2 с обмоткой 9 управления, замыкающим контактом10 и размыкающим контактом 11, блок 12контроля напряжения и частоты основнойсети 1, блок 13 контроля напряжения ичастоты резервной сети 2, логический элемент ЗАПРЕТ 14, датчик 15 напряженияосновной сети 1, датчик 16 напряжениярезервной 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 5 10 15 20 25 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 (5, в течение полупериода), Переключение с резервной сети на основную происходит аналогично. 1 3, 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 - напряже 1690080ние 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 той 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 тиристорный 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 зисторного мультивибратора (фиг,3) или на основе блокинг-генератора. Собственно мул ьтивибратор выполнен на трансформаторе 37 и транзисторах 38 и 39. Включение мультивибратора осуществляется от двух логических устройств, Первое ло. 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.5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 теперь напряжение синхронизации постуРабочая частота мультивибрэтора выбирается не менее нескольких тысяч герц.Шунтирующий ключ 22 переменного тока может выполняться как на элекгромагнитном контакторе, так и нэ полупроводни 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, что 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 от основной Сети 1, минуя уравнительный автотрансформатор 21. Инвертор ":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 инвертора 18,Пусть в основной сети произошла авария (момент времени 1), Тогда на выходе блока 12 контроля появится сигнал логического "0", а на выходе элемента ЗАПРЕТ 14 - сигнал логической "1", Прохождение напряжения синхронизации от датчика 15 напряжения прекращается, 169008010 15 20 25 30 35 40 45 50 55 пает на второй вход блока 17 синхронизации от датчика 16 резервной сети 2. Сигнал с выхода элементаЗАПРЕТ 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 В полуобмотках уравнительного автотрансфарматора 21 равно полусумме напряжений основной сети 1 и инвертора 18, Так как к инвертору прикладывается в момент аварии 50 О нагрузки, то провал напряжения на его выходе будет меньше, чем при 100 О 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 т 2), 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 тз) 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 Вклачении 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 автатрансформатар остается зашунтированным, т,е. не вступает В работу, однако качество напряжения на нагрузке остается высоким, так как в этом случае происходитт переключение нагрузки ат истад ника с большим выходным сопротивлением инвертора к источнику с малым выхсдным сопротивлением сети), Кроме тога, напряжения инвертара 18 и резервной сети 2 синхранны, синфаэны и близки па величине. Пусть напряжение в основной сети 1 ВосстаноВилось (момен г Времени 14), 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 Вкаачит 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 автатрансфарматар 21, При Восстановлении напряжения в основной сети 1 на выходе элемента ЗАПРЕТ 14 появигся сигнал логического "0",-котарый отключает реле 23, а следовательно, и резервную сеть 2, а также прекращает подачу напряжения нг блок 17 синхронизации ат резервной сети 2 через датчик 16 напряжения, Синхронизация инвертора 18 начинает осуществляться ат аг: навнай сети 1 через датчик 15 напряжения.При срабатывании выключателя В резервной сети 2 момент Вращения Ь) размыкается контакт 10 и шунтирующий ключ 22 замыкается, Начиная с этого момента.нагрузка получает питание от инвсртара 18, минуя уравнительный автотрансфор;.агар 21, Процесс переключения с резервной сети 2 на инвертор 18 ггратекает, как следует иэ вышезложеннога, анало.ично процессу переключения с основной сеги на инвертар, поэтому качество напрямсеиия на нагрузке высокое.При срабатывании Вьислючателя 3 Ос новной сети 1 момент времени и), катааае может осуществляться как Вручнуа, так и автоматически, контакт 6 выключателя 3 размыкается, следовательнорармираватель 20 отключается, при эгам шунтируащий ключ 22 Остается замкнутым, а инвертар 33 тиристарым слючам 19 Отклю 1690080 10510 15 20 30 35 40 50 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 делитело тока, выполненному в виде уравнительного автотрансформаторэ, прикладывается не вся нагрузка, как в известной системе, а только часзь ее, провалы напряжения на выходе ичвертора в момент коммутации незначительны, Так как напряжение на нагрузке в системе электропитания, состояшей из двух источников переменного тока, включенных на параллельную работу через уравнительный авто- трансформатор, равно полусумме выходных напряжений основной сети и инвертора, то оно во воемя переключения с неисправной основной 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 данном случае происходит переключение с источника ограниченной мощности, т,е, с большим внутренним сопротивлением (инвертора), на источник со значительно большей 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 происходит,Экспериментально на системе бесперебойного электропитания мощностью 30 кВА 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;ь 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 так 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 электромагнитныее элементы (трансформаторы, дроссели) рассчитываются на повышенные электромагнитные нагрузки и в целом инвертор имеет небольшие массогабаритные показатели.Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить провалы напряжения нэ нагрузке при переключении с основнсй сети на резервную и обратно по сравнению 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 управления, 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 выключате 1690080 12ля резервной сети подключена к резервной сети через размыкающий контакт выквючателя 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 выключателейосновной и резервной сетей и эашунтирована 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 размыкающийконтакт выключателя резервной сети соединен с управляющим входом реле и с вторым входом датчика напряжения резервной сети, который подключен к выходу логическо го элемента ЗАПРЕТ, прямой вход которогоподключен 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 выключателяосновной сети соединен со вторым входом формирователя управляющих сигналов. 2, Система по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я 20 тем, что формирователь управляющих сигналов выполнен в виде магнитотранзисторного мультивибратора,1690080 Р . ф, 7 т с/уРфг"Л"ОгУ,1 ч актор Н, Тупиц Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 аказ 3821 ВНИИПИ Гос Составитель Н. ПантелееваТехред М,Моргентал Корректор М. Демчик Тираж Подписноерственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5