Система безперебійного електропостачання споживачів змінного струму

Система безперебійного електропостачання споживачів змінного струму, що містить випрямляч напруги зовнішньої мережі, комутатор режимів роботи, акумуляторну батарею й зарядний пристрій, яка відрізняється тим, що додатково містить стабілізований по частоті генератор синусоїдальної напруги із частотою, рівною номінальному значенню частоти зовнішньої мережі, підсилювач потужності, вхід якого з'єднаний з виходом генератора, силовий трансформатор з однією первинною й двома вторинними обмотками, і енергетичний модуль, що містить ротор-маховик і два статори, виконані у вигляді U-подібних магнітопроводів з намотаними на них секціонованими руховою й генераторною обмотками, при цьому первинна C2 2 (19) 1 3 83736 тоти. Наявність вищих гармонік погіршує якість електроенергії й породжує проблему електромагнітної сумісності джерела й споживача, а також призводить до додаткового нагрівання, до механічних пошкоджень і порушення номінального режиму функціонування асинхронних двигунів [Технічна електродинаміка, 1997, №4, С.44-47]. Зазначені недоліки частково усунуті в електроенергетичній установці, що містить приводний електродвигун змінної швидкості, асинхронний генератор, ротор якого приєднаний до вала приводного електродвигуна, і регулятор швидкості приводного двигуна [а.с. СРСР №721878 Н02J9/0, опубл. 18.03.80. БВ №10], а також у пристрої одержання змінного струму напругою 220 або 380В при використанні джерела постійного струму напругою 12 або 24В, що містить акумуляторну батарею, електродвигун постійного струму, підключений до акумуляторної батареї й обертаючий генератор змінного струму, що виробляє електроенергію змінного струму напругою 220 або 380В, і комп'ютерну систему керування [Заявка Франції №2846162, МПК7 Н02J3/00, опубл. 23.04.04]. Істотним недоліком зазначених пристроїв є можливість функціонування їх тільки в автономному режимі, у них не передбачається відключення споживачів від промислової електромережі у випадку відсутності в ній напруги й зворотне підключення. Найбільш близьким по технічній сутності й по результату, що досягається, до винаходу, що заявляється (прототипом) є генераторний агрегат, що містить генератор змінного струму з валом обертання генератора змінного струму, перемикач режимів роботи, три стабілізатори, три випрямних блоки, три електронних регулятори напруги, два конденсатори (іонистори), вимикач і приводний електродвигун постійного струму, вал обертання якого через механічний привід з'єднаний з валом обертання генератора змінного струму. Установлена в генераторному агрегаті приводна обмотка через стабілізатори, випрямні блоки, регулятори напруги й перемикач режимів роботи живить приводний електродвигун, обмотку збудження генератора й, таким чином, підзаряжає зовнішнє джерело енергії [пат. РФ. №2253932 Н02J9/06, опубл. 10.06.05. БВ №16]. Недоліком устрою-прототипу є те, що приводний електродвигун і генератор змінного струму представлені як роздільні складові елементи системи, що приводить до зниження надійності й значних втрат електроенергії при її перетворенні в механічну з наступним перетворенням в електричну, а, отже, до зниження ККД і надійності системи в цілому, а якість електроенергії не детерміновано. В основу пропонованого винаходу поставлене завдання підвищення експлуатаційних характеристик системи безперебійного електропостачання споживачів змінного струму, у якому за рахунок введення нових вузлів й організації нових зв'язків між вузлами усун уті втрати електроенергії на її перетворення в механічну й навпаки, забезпечена стабілізація частоти й амплітуди напруги в мережі споживачів, забезпечене демпфірування коливань 4 електроенергії при зміні величини навантаження й при коливаннях потужності зовнішньої мережі, що підвищує ККД системи і її надійність, підвищує якість електроенергії, що надходить у мережу споживачів. Поставлене завдання вирішується тим, що система безперебійного електропостачання споживачів змінного струму, що містить випрямляч напруги зовнішньої мережі, комутатор режимів роботи, акумуляторну батарею й зарядний пристрій, відповідно до винаходу додатково містить стабілізований по частоті генератор синусоїдальної напруги із частотою, рівною номінальному значенню частоти зовнішньої мережі, підсилювач потужності, вхід якого з'єднаний з виходом генератора, силовий трансформатор з однієї первинної й двома вторинними обмотками, і енергетичний модуль, що містить ротор-маховик і два статори, виконані у вигляді U-подібних магнітопроводів з намотаними на них секціонованими руховою й генераторною обмотками, при цьому первинна обмотка силового трансформатора з'єднана з виходом підсилювача потужності, ланцюги живлення генератора синусоїдальної напруги й підсилювача потужності з'єднані з виходом випрямляча напруги зовнішньої мережі, рухова обмотка енергетичного модуля підключена до першої вторинної обмотки силового трансформатора, друга вторинна обмотка якого через зарядний пристрій з'єднана з акумуляторною батареєю, що за допомогою комутатора режимів роботи підключена до виходу випрямляча напруги зовнішньої мережі, при цьому ротор-маховик, розміщений у зазорі між статорами, виконаний у вигляді диска з немагнітного матеріалу, у якому по окружності розміщені постійні магніти дископодібної форми з полюсами, що чергуються, а полюсні наконечники магнітопроводів статорів звернені до ротора-маховика і розташовані по окружності щодо вала ротора таким чином, що радіуси окружностей розташування центрів постійних магнітів і центрів полюсних наконечників магнітопроводів рівні, а відстані між центрами поруч розташованих полюсних наконечників дорівнюють відповідним відстаням між центрами постійних магнітів ротора й порівнянні з їхнім діаметром, при цьому кількість постійних магнітів ротора повинна бути парна, а число пар полюсів Ρ магнітопроводів статорів пов'язане із частотою вихідної напруги f і числом обертів роторамаховика n співвідношенням Ρ=60×f/n, причому величина накопиченої енергії ротора-маховика Wрот пов'язана з величиною енергії споживання мережею Wспож співвідношенням Wрот=(1,5...1,7)×Wспож. Уведений енергетичний модуль по функціональному призначенню поєднує в собі функції використовуваних в устрої-прототипі приводного електродвигуна й електрогенератора змінного струму, об'єднаних загальними магнітними ланцюгами, що дозволяє значно знизити втрати електроенергії, а також виконує функції інерційного маховичного накопичувача кінетичної енергії. Введення зв'язаних між собою генератора синусоїдальної напруги, стабілізованого по частоті, підсилювача потужності й силового трансформатора дозволяє забезпечити 5 83736 сталість частоти й амплітуди вихідної напруги, демпфірувати паразитні коливання електроенергії при змінах величини навантаження, частоти й величини напруги зовнішньої мережі, що в підсумку дозволяє одержати на виході системи електроенергію високої якості та забезпечити електромагнітну сумісність. На Фіг.1 наведена блок-схема системи безперебійного електропостачання споживачів змінного струму, на Фіг.2 зображений енергетичний модуль із поздовжнім розрізом В-В, а на Фіг.3 - поперечний розріз А-А енергетичного модуля на Фіг.2, на Фіг.4 - електрична схема енергетичного модуля, наведена в розгорнутому виді для випадку електроживлення від однофазної мережі напругою 220В частотою 50Гц. Система безперебійного електропостачання споживачів змінного струму складається з випрямляча 1 змінної напруги, вхід якого з'єднаний із зовнішньою електричною мережею 220В, а вихід з'єднаний з ланцюгами живлення генератора 2 синусоїдальної напруги із частотою, рівною номінальному значенню частоти зовнішньої (промислової) мережі (найчастіше 50 або 400Гц) і підсилювача потужності 3, при цьому вихід генератора 2 з'єднаний із входом підсилювача потужності 3, вихід якого з'єднаний з первинною обмоткою силового трансформатора 4, що має дві вторинні обмотки, одна з яких з'єднана з руховою обмоткою 12 енергетичного модуля 5, генераторна обмотка 13 якого підключена до мережі споживачів, а друга через зарядний пристрій 6 з'єднана з акумуляторною батареєю 7, що через комутатор режимів роботи 8 підключена до виходу випрямляча 1. Енергетичний модуль виконаний у вигляді конструктивно об'єднаних двигуна змінного струму, генератора змінного струму й маховичного інерційного накопичувача кінетичної енергії й складається з розміщених у корпусі 9 статора 10 (верхнього) і статора 11 (нижнього) з розташованими на U-подібних магнітопроводах статорів секціонованими обмотками 12 й 13, у зазорі між якими на валу 14 обертається масивний ротор-маховик 15 із вмонтованими в ньому по окружності радіусом R (Фіг.3) постійними дископодібними магнітами 16. Полюсні наконечники магнітопроводів статорів 10 й 11 також розташовані по окружності радіусом R, а відстань між центрами полюсних наконечників магнітопроводів дорівнює відстані Η між центрами поруч розташованих постійних магнітів 16 (Фіг.3). При цьому діаметр постійних магнітів дорівнює (0,9...1...1,1Н). Обмотка 12 є руховою й забезпечує обертання ротора-маховика, а обмотка 13 є генераторною й служить для забезпечення електроенергією споживачів. Кожна з обмоток виконана у вигляді секцій, які з'єднані послідовно й розташовані рівномірно на відповідних магнітопроводах статорів. Таке рішення забезпечує двигун і генератор загальними магнітними ланцюгами. Такі з'єднання забезпечують рухову й генераторну обмотки загальними магнітними ланцюгами. 6 Постійні магніти 16 (виконані переважно з рідкоземельних металів), вмонтовані в немагнітний диск ротора-маховика 15, розташовані з полярністю, яка чергується, при цьому число постійних магнітів повинне бути парним, кількість пар полюсів магнітопроводів у кожному зі статорів пов'язане із числом обертів ротора й частотою вихідної напруги співвідношенням Ρ=60×f/n, де f - частота напруги генератора; n - число обертів ротора-маховика. Система безперебійного електропостачання споживачів змінного струму працює в такий спосіб. Напруга змінного струму промислової мережі надходить на вхід випрямляча 1, з виходу якого надходить на ланцюги живлення високостабільного генератора 2 синусоїдальної напруги із частотою, рівною номінальному значенню частоти живильної мережі (50 або 400Гц) і підсилювача потужності 3 зі стабілізованим по амплітуді ви хідною напругою. З виходу підсилювача потужності 3 напруга синусоїдальної форми подається на первинну обмотку силового трансформатора 4, що має дві вторинні обмотки, одна з яких з'єднана з руховими обмотками енергетичного модуля 5, а друга з'єднана із зарядним пристроєм 6, вихід якого підключений до акумуляторної батареї 7, що через вихід комутатора 8 режимів роботи з'єднана з виходом випрямляча 1. При подачі напруги живлення Uж на рухову обмотку 12 у магнітопроводах статорів 10 й 11 наводиться магнітний потік, що взаємодіє з постійними магнітами 16, розміщеними в диску ротора-маховика 15. Тому що постійні магніти 16 розташовані із чергуванням полюсів, то при зміні напрямку індукції магнітного потоку в зазорі між статорами й ротором-маховиком за період коливання синусоїдальної напруги в руховій обмотці 12 постійні магніти, що перебувають у зоні взаємодії з полюсними наконечниками статорів, виштовхуються із цієї зони при збігу полюсів магнітів і полюсних наконечників магнітопроводів статорів, а наступні за ними по ходу обертання роторамаховика постійні магніти із протилежними полюсами втягуються в зону взаємодії з полюсними наконечниками магнітопроводів статорів, приводячи диск ротора-маховика в обертання до швидкості обумовленою частотою напруги мережі споживачів. Тобто, обертання ротора-маховика здійснюється за рахунок втягування в зону взаємодії частини постійних магнітів з різнойменними стосовно наконечників полюсами при одночасному виштовхуванні із зони взаємодії іншої частини постійних магнітів, що мають однойменні полюси стосовно наконечників магнітопроводів статорів. При цьому в генераторній обмотці 13 наводиться ЕРС, струм якої надходить в мережу споживача («Вихід в мережу споживача ~ 220В»). Комутатор режимів роботи 8 перебуває в положенні «Зовнішня мережа». При обертанні ротора-маховика 15 у ньому накопичується кінетична енергія. Запасена кінетична енергія ротора-маховика повинна забезпечити компенсацію втрат на перетворення, демпфірування коливань електроенергії в мережі при зміні навантаження, а також бути джерелом додаткової енергії для зарядки акумуляторної батареї під час відсутності електроенергії в зовнішній електроме 7 83736 режі. Тому параметри ротора-маховика, тобто його маса, радіус і число обертів вибираються таким чином, щоб величина кінетичної енергії, запасена в роторі-маховику, була більше енергії, споживаною мережею споживачів, саме Wрот=p2×М2r 2n2=(1,5...1,7)×Wспож, де Μ - маса ротора-маховика, r - його радіус, n - число обертів, Wcnoж. - енергія споживання мережею споживачів. При зникненні напруги в зовнішній мережі ротор-маховик 15 продовжує обертовий рух за рахунок інерції, при цьому магнітний потік, створюваний постійними магнітами 16, вмонтованими в диск ротора-маховика, замикається через магнітопроводи статорів 10 й 11, і наводить у їхніх обмотках 12 й 13 ЕРС, що надходить у мережу споживачів. Комутатор режимів роботи 8 переходить у положення «Автономна мережа» і підключає акумуляторну батарею 7 до виходу випрямляча 1, забезпечуючи напругою живлення генератор 2 і підсилювач потужності 3. Подальша робота системи безперебійного електроживлення споживачів відбувається як й у режимі «Зовнішня мережа», за винятком того, що заряд акумуляторної батареї7 8 відбувається за рахунок додаткової енергії, запасеної ротором-маховиком 15. Таким чином, за рахунок сполучення в одній конструкції функцій приводного двигуна й генератора змінного струму усуваються втрати електроенергії на її перетворення в механічну й навпаки, що дозволяє підвищити ККД системи і її надійність, дозволяє підвищити якість електроенергії в мережі споживачів за рахунок стабілізації частоти й амплітуди напруги в мережі, забезпечити розв'язки мережі навантаження від зовнішньої мережі, і тим самим виключити взаємовплив ланцюгів «мережанавантаження» і появу вищи х складових напруги й забезпечити електромагнітну сумісність, а також здійснити демпфірування коливань електроенергії при змінах величини навантаження або при нестабільності потужності зовнішньої мережі. Безперебійне електроживлення споживачів забезпечується за рахунок використання енергії акумуляторної батареї, зарядка якої виробляється від зовнішньої мережі або додатковою енергією, запасеною в роторі-маховику при відсутності енергії в зовнішньому ланцюзі. Потенційні споживачі системи безперебійного електропостачання, що заявляється, - обчислювальні комплекси, автоматичні телефонні станції, хірургічні кабінети й ін. 9 83736 10 11 Комп’ютерна в ерстка Л.Литв иненко 83736 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601