Статья также доступна для скачивания по ссылке
СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ
БЕСПЕРЕБОЙНОГО ГАРАНТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Рябов Александр Сергеевич, начальник отдела разработки
Веригин Олег Сергеевич, инженер-конструктор по электромеханике 1 категории
АО «Системы управления и приборы» (АО «СУП»)
Ключевые слова: статический преобразователь, бесперебойное электропитание, аккумуляторные батареи, емкостный накопитель, инвертор, выпрямитель, агрегатированная система.
Уровень развития современного оборудования, применяемого в различных областях промышленности, обеспечивает постоянное повышение степени сложности и ответственности технологических процессов, выполняемых данным оборудованием. Это устанавливает весьма жесткие требования к снабжению указанных объектов энергией, главным образом - электрической. Следует отметить, что в настоящее время при разработке и внедрении систем и средств электроснабжения все большее значение приобретает бесперебойная подача электрической энергии потребителям. Бесперебойное обеспечение потребителя электроэнергией позволяет исключить негативное влияние возможных неполадок, отказов и нестационарных режимов работы питающей сети как на само электрооборудование, так и на технологический процесс, выполняемый этим электрооборудованием. Таким образом, решаются задачи непрерывности выполняемых технологических процессов и их безопасности.
В настоящей статье представлены современные концепции построения систем и агрегатов бесперебойного и гарантированного электропитания, разрабатываемые и реализуемые АО «Системы управления и приборы».
На рисунке 1 представлена структурная схема принципа обеспечения бесперебойности электропитания при наличии двух входных сетей и автоматического переключателя сети (АПС).
Система бесперебойного и гарантированного электропитания, построенная по структуре, показанной на рисунке 1, представляет собой инвертор напряжения со звеном постоянного тока. Функции звена постоянного тока выполняет выпрямитель.
Система совмещает в себе два принципа резервирования электропитания. При возникновении каких-либо неполадок в основной сети на входе системы при помощи АПС происходит переключение на резервную входную сеть. В данном случае не изменяется режим работы силовой полупроводниковой схемы, которая продолжает структурно представлять собой инвертор напряжения со звеном постоянного тока. При этом, в штатном режиме происходит поддержание необходимого уровня заряда элементов накопления электроэнергии: емкостного накопителя или системы аккумуляторных батарей (АКБ). Таким образом, реализовано резервирование электропитания по входной сети.
Рис. 1 Структурная схема принципа обеспечения бесперебойности при наличии двух входных сетей и автоматического переключателя сети
При возникновении отказов основной и резервной сетей система переходит в режим работы от схемы накопления электрической энергии, которая в зависимости от схемотехнического исполнения может быть реализована в виде емкостного накопителя или АКБ. В случае применения емкостного накопителя рассматриваемая система рассчитана на те случаи, когда для потребителя не требуется длительного промежутка времени обеспечения бесперебойного электропитания. Например, для штатной остановки оборудования при исчезновении сетевого напряжения. Следует отметить, что АПС представляет собой электромагнитный коммутационный аппарат, который, соответственно, имеет конечное время срабатывания. Поэтому, весьма эффективным является применение емкостного накопителя в качестве буфера для стабилизации выходного напряжения системы при срабатывании АПС.
Для обеспечения бесперебойного электропитания на длительный промежуток времени применяется система АКБ. Такое исполнение схемы накопления электрической энергии целесообразно в тех случаях, когда остановка технологического процесса, обеспечиваемого оборудованием, питаемым от рассматриваемой системы, недопустима. Совокупная емкость системы АКБ определяется помимо требуемого времени обеспечения бесперебойного электропитания также и мощностью питаемых потребителей. В свою очередь, совокупная емкость системы АКБ является одним из факторов, определяющих массо-габаритные показатели системы бесперебойного электропитания в целом.
На рисунке 2 представлена структурная схема резервирования входных сетей повышенной надежности.
Рис. 2 Структурная схема резервирования входных сетей повышенной надежности
Система бесперебойного электропитания, построенная по структуре, показанной на рисунке 2, имеет два независимых канала преобразования электрической энергии. Каждый канал состоит из двух полупроводниковых преобразователей (выпрямитель и инвертор) и, в сущности, представляет собой, как и в предыдущем случае, инвертор напряжения со звеном постоянного тока.
Преимуществом систем бесперебойного электропитания, построенных по данной структуре является полная идентичность каналов преобразования и передачи электрической энергии. Это позволяет системе оставаться полностью работоспособной как в случае отказа основной сети путем перехода на работу от резервной сети, так и в случае отказа компонентов одного из каналов преобразования и передачи электрической энергии.
Возможна реализация двух алгоритмов работы данной системы. При первом варианте для подключения каналов преобразования и передачи электрической энергии применяется релейно-контакторная коммутационная аппаратура, например, АПС. При такой схеме переключения канал, работающий от резервной сети в нормальном режиме работы всей системы отключен от нагрузки и электропитание потребителя осуществляется только от основного канала. Переключение на резервный канал производится автоматически при возникновении отказа основного канала. Описанный вариант следует применять, внимательно учитывая специфику потребителя, для которого обеспечивается электропитание. Применение релейно-контакторного переключения каналов преобразования и передачи электрической энергии целесообразно, главным образом, для потребителей, допускающих временную потерю электропитания при оперативном переключении с основного на резервный канал.
Второй вариант предусматривает параллельную работу основного и резервного канала системы бесперебойного электропитания на подключенную нагрузку. При этом, каждый канал рассчитан на номинальную мощность потребителя. При возникновении отказа в одном из каналов всю нагрузку принимает оставшийся исправный канал без необходимости переключения. Таким образом, в данном случае реализуется резервирование мощности каналов преобразования и передачи электроэнергии, в отличии от первого варианта, когда реализуется именно аппаратное резервирование.
На рисунке 3 представлена структурная схема принципа обеспечения бесперебойности электропитания за счет аккумуляторной поддержки.
Рис. 3 Структурная схема принципа обеспечения бесперебойности при аккумуляторной поддержке
Особенностью системы бесперебойного электропитания, построенной по представленной структуре, является адаптированность под объекты, не имеющие в своем составе двух независимых электрических сетей. В данной системе реализовано два канала, получающих первичное электропитание от одной входной сети. Основной канал, как и в рассмотренных выше структурах, представляет собой инвертор напряжения со звеном постоянного тока, реализованным в виде выпрямителя. Резервный канал представляет собой электрическую цепь заряда аккумуляторных батарей АКБ, для чего в составе данного канала предусмотрено зарядное устройство.
Несмотря на наличие всего одной входной сети, представленная система осуществляет несколько уровней резервирования электропитания в зависимости от характера возникающего отказа.
При возникновении отказа во входной сети происходит переключение на резервный канал, который от АКБ обеспечивает электропитание инвертора, продолжающего обеспечивать напряжением нагрузку. При этом, длительность работы системы определяется совокупной емкостью АКБ.
В случае отказа выпрямителя, т. е. при выходе из строя звена постоянного тока основного канала также происходит переключение на АКБ и продолжается штатная работа инвертора. Однако в данном случае остается работоспособной входная сеть и, соответственно, возможно осуществление непрерывного заряда АКБ. Таким образом, время работы от АКБ может быть значительно увеличено.
На рисунке 4 показана структурная схема модульного принципа бесперебойного и гарантированного электропитания.
Рис. 4 Структурная схема модульного принципа бесперебойного и гарантированного электропитания
Как видно из представленной структурной схемы, для резервирования электропитания предусмотрен принцип аккумуляторной поддержки, рассмотренный выше. Это дает возможность применять данную систему бесперебойного электропитания на объектах, оборудованных только одной сетью первичного электропитания. Специфика модульного принципа заключается в том, что выпрямитель во входной электрической цепи работает на шину бесперебойного питания ШБП, которая обеспечивает входным напряжением комплекс статических преобразователей, обеспечивающих электропитание отдельных потребителей, входящих в состав объекта, для которого решается задача бесперебойного и гарантированного электропитания. Преобразователи (1...N) формируют выходное напряжение под индивидуальные требования потребителя, подключенного к выходу соответствующего преобразователя. Таким образом, для каждого потребителя в отдельности, независимо от других потребителей формируется требуемые параметры (амплитудные, действующие значения, частоты и т. д.) и показатели качества (коэффициент мощности, гармонический состав токов и напряжения и т. д.). При этом, отказ одного из выходных каналов не оказывает негативного влияния на остальные выходные каналы, что позволяет не просто обеспечить бесперебойное и гарантированное электропитание, но и повысить такой показатель надежности работы судового оборудования, как живучесть.
Система бесперебойного и гарантированного электропитания, построенная по модульному принципу, является, также, наиболее приемлемым решением для тех случаев, когда объект, для которого обеспечивается электропитание, состоит из большого количества компонентов с различными требованиями к подводимой электрической энергии. В этом случае применение модульной системы бесперебойного электропитания позволяет исключить дополнительные источники вторичного питания, т. к. данная задача уже решена в модульном агрегате. Следует отметить, что модульная система бесперебойного электропитания позволяет реализовать возможность аппаратного дооснащения на случай расширения номенклатуры питаемых потребителей. Для этого необходимо предусмотреть запас мощности во входной электрической цепи, запас емкости комплекта АКБ и места для механического и электрического монтажа дополнительных преобразователей.
Представленные в настоящей статье принципы построения систем бесперебойного и гарантированного электропитания реализованы АО «Системы управления и приборы» в рамках проектов по созданию систем и агрегатов электроснабжения для подводных лодок и надводных кораблей и судов. Опыт эксплуатации показывает их высокую эффективность в обеспечении бесперебойного и гарантированного электропитания бортовых систем, в том числе и систем безопасности и жизнеобеспечения.
Учитывая жесткие требования, предъявляемые к аппаратуре и электрооборудованию, создаваемым для указанной выше области применения, представленные в настоящей статье концептуальные решения могут быть успешно применены и во многих других отраслях оборонного комплекса наземного базирования, а также, в составе критически важного оборудования специальных объектов.
В настоящее время вопрос расширения областей применения накопленного опыта по созданию современных систем бесперебойного и гарантированного электропитания является одним из приоритетных направлений развития деятельности АО «Системы управления и приборы».