Способ и устройство бесперебойного электропитания потребителя

Способ и устройство бесперебойного электропитания потребителя

Реферат

Изобретение относится к энергетике, в частности, к способу и устройству бесперебойного электропитания потребителей как подключенных, так и не подключенных к централизованной электросети. Изобретение может быть использовано при организации бесперебойного снабжения электричеством многоквартирных жилых домов.

Известны способ и устройство снабжения потребителей электричеством от централизованной электросети с помощью трансформаторных подстанций, понижающих напряжение с 6 кВ до фазового 380 В и далее распределяющих электричество индивидуальным потребителям через счетчик расхода электричества и электрические предохранители, (см. кн. Н.Ф.Молоснов, Ф.М.Ихтейман и др. «Электричество в крестьянском (фермерском) хозяйстве», М. Колос, 1994 г., стр.26-55). Мощность трансформаторной подстанции, сечение электрического кабеля и внутренней электропроводки выбираются из расчета ожидаемой предельно потребляемой мощности, величина которой многократно превышает усредненную за сутки реальную мощность потребления электроэнергии. Поэтому недостатком известного способа и устройства электропитания, например, жилых домов является высокая стоимость трансформаторной подстанции, кабеля электропитания и внутренней электропроводки, а также отсутствие защиты потребителя от перебоев в подачи электроэнергии от электросети. Кроме этого используемая сейчас система распределения электроэнергии не позволяет решить проблему пиковых нагрузок (суточных и сезонных), что является причиной аварий в электросистеме населенных пунктов.

Частично перебои в электропитании устраняются в случае использования потребителем системы бесперебойного электропитания, выбранной нами в качестве прототипа, которая состоит из накопителя электроэнергии в виде электрохимических аккумуляторов (АБ), зарядного устройства АБ от электросети или другого источника, например солнечной батареи, инвертора напряжения (преобразующего постоянный ток АБ в переменный ток) и устройства защиты АБ от глубокого разряда (патент РФ №2257656 от 06.04.2004). Однако использование известной системы бесперебойного электропитания только еще в большей мере увеличивает общую стоимость системы электропитания жилых домов.

Задачей и техническим результатом предлагаемого способа и устройства бесперебойного электропитания является уменьшение стоимости, снижение пиковой нагрузки и увеличение надежности электропитания.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе бесперебойного электропитания потребителя от централизованного источника электричества, включающем преобразование переменного тока в постоянный, передачу и накопление электроэнергии в накопителе, преобразование и питание электроаппаратуры потребителя от накопителя через инвертор напряжения, при преобразовании переменного тока в постоянный ограничивают величину предельно передаваемой мощности и устанавливают эту мощность в 2-10 раз меньше предельной мощности, отдаваемой инвертором.

Дополнительный технический результат (бесперебойная работа системы освещения) достигается тем, что в способе бесперебойного электропитания потребителя от централизованного источника электричества, при аварийном отключении источника электричества снижают предельно отдаваемую мощность инвертора и сигнализируют об этом потребителя в звуковой или световой форме.

Указанный технический результат достигается также тем, что в устройстве бесперебойного электропитания потребителя от централизованного источника электричества, содержащем выпрямитель, накопитель электроэнергии, контроллер заряда-разряда накопителя и инвертор напряжения, выпрямитель подключен к источнику электричества через ограничитель мощности при величине этой мощности в 2-10 раз меньше мощности инвертора, а все потребители, имеющие индивидуальный счетчик расхода электроэнергии, подключены к источнику электричества через систему бесперебойного электропитания.

Дополнительный технический результат (повышение надежности электропитания) достигается тем, что устройство бесперебойного электропитания содержит включенный параллельно собственный источник электричества.

Предложенный способ и устройство системы бесперебойного электропитания поясняется блок-схемой на чертеже. Стрелки на блок-схеме указывают направление передачи электричества. Система бесперебойного электропитания действует следующим образом.

От централизованного источника электропитания 1 электричество поступает индивидуальному потребителю на электрощит 2 с электросчетчиком и автоматом защиты и далее в систему бесперебойного электропитания, состоящую из выпрямителя с ограничителем мощности 3, блока управления (контроллер) 4 зарядом и разрядом накопителя электричества 5, инвертора напряжения 6, возможного использования автономного дополнительного источника электричества 7, нагрузки 8 и 9, которая может быть разделена на осветительные приборы и остальное электрооборудование. Переменный ток от источника 1 превращается в выпрямителе 3 в постоянный и поступает через контроллер 4 на заряд в накопитель 5.

При включении нагрузки 8 или 9 электропитание поступает из накопителя 5 через инвертор 6. В зависимости от степени заряженности накопителя 5, ток, превышающий заряд накопителя, идет напрямую через инвертор 6 в нагрузку 8 или 9. В зависимости от типа используемого электрооборудования и площади помещения (квартиры в жилом доме) выбирается соответствующая ей величина мощности инвертора 6 и емкость накопителя 5, чтобы обеспечить работу самой мощной нагрузки в течение минимально необходимого промежутка времени.

Величина ограничителя мощности выбирается из расчета обеспечения среднесуточного потребления электроэнергии, при этом предельная величина мощности, поступающей от централизованного источника электричества 1, в несколько раз меньше номинальной мощности инвертора 6. В ночное время происходит запасание электроэнергии в накопителе 5 до уровня полного заряда, после чего потребляемая из источника 1 мощность снижается до минимального уровня, необходимого для компенсации тока саморазряда накопителя 5. В остальное время суток при включенной нагрузке 8 или 9 с величиной мощности, превышающей предельную мощность ограничителя 3, нехватка мощности восполняется из накопителя 5.

В случае аварии, ведущей к отключению источника 1, предусмотрено снижение выходной (номинальной) мощности инвертора до уровня, необходимого для работы в нагрузке системы аварийного освещения 8, и подается звуковой или световой сигнал об аварийной ситуации и необходимости перехода на режим экономии электроэнергии в накопителе 5. Блок управления 4 следит за степенью заряженности накопителя 5 и при глубоком разряде накопителя отключает его от инвертора 6, тем самым, увеличивая срок службы накопителя 5. В аварийной ситуации вручную предусмотрена возможность на короткое время подключить инвертор 6 к накопителю 5 для питания светильника.

Для увеличения надежности системы бесперебойного электропитания необходимо использовать в нагрузке 8 или 9 энергосберегающее оборудование, увеличивать емкость накопителя 5, выбирать тип накопителя (аккумулятора) и использовать автономный источник электричества 7, в качестве которого может быть солнечная батарея, ветроэлектрический генератор или электрогенератор на тепловом двигателе внутреннего либо внешнего сгорания топлива. При наличии солнца или ветра солнечная батарея и ветроэлектрический генератор постоянно передают электричество в накопитель 5 и инвертор 6, а избыток мощности (обозначено пунктирной линией) могут передавать через счетчик 2 в централизованный источник электричества 1, при этом счетчик 2 будет соответственно уменьшать величину расхода электричества. Автономный источник 7, работающий от сгорания какого-либо топлива, включается только по сигналу блока управления 4 в случае недостатка электроэнергии в накопителе 5.

Рассмотрим пример исполнения системы бесперебойного электропитания одной из квартир в жилом доме. Двухкомнатная квартира на двух человек имеет следующую бытовую электроаппаратуру с указанием мощности: холодильник 300 Вт, телевизор 70 Вт, СВЧ-печь 800 Вт, стиральная машина 1,5 кВт, светильники 60 Вт и в месяц расходует в среднем по 90 кВт·ч или по 3 кВт·ч/сутки. Для системы бесперебойного электропитания достаточно применить инвертор с номинальной мощностью 3 кВт, поскольку стиральная машина используется не чаще двух раз в месяц. Ограничитель мощности установить величиной 300 Вт. Накопитель в виде электрохимического аккумулятора емкостью 200 А·ч напряжением 12 В и максимальным зарядным током 20 А. Мощности 300 Вт, постоянно пропускаемой ограничителем мощности, достаточно для работы холодильника, который обычно находится во включенном состоянии половину времени суток, и на освещение. Пиковая утренняя и особенно вечерняя перегрузка (до 500 Вт·ч) полностью покрывается накопленной в аккумуляторе энергией.

Таким образом, использование в системе бесперебойного электропитания ограничителя предельной мощности, передаваемой из централизованного источника, позволяет в несколько раз уменьшить мощность трансформаторной подстанции, снизить сечение питающего кабеля и внутренней электропроводки, исключить чрезмерное потребление электроэнергии из сети и предотвратить аварийные ситуации. В сочетании с накопителем и инвертором напряжения предлагаемая система позволяет перераспределить поступление электроэнергии от централизованного источника, обеспечив возможность ее запасания в ночное и дневное время, а во время пиков потребления утром и вечером обеспечить работу электроаппаратуры с величиной мощности, соответствующей мощности инвертора. Причем, если инвертор содержит функцию стабилизатора напряжения и создает на выходе чистую синусоиду, то это обеспечивает нормальную работу бытовой электроаппаратуры без ремонта в течение длительного времени.

Индивидуальный потребитель получает возможность исходя из собственных возможностей обеспечить необходимый уровень электропитания, сам выбирая емкость аккумулятора и устанавливая собственный автономный источник электропитания требуемой мощности. В результате в перспективе индивидуальный потребитель может превратиться и в производителя электроэнергии. Запасаемая ночью электроэнергия обходится потребителю дешевле, чем в остальное время суток.

Применение заявленного изобретения в электропитании жилых домов может принести огромный экономический эффект, стимулировать проведение мероприятий по энергосбережению и в целом повысить надежность электропитания.

1. Способ бесперебойного электропитания потребителя от централизованного источника электричества, включающий преобразование переменного тока в постоянный, передачу и накопление электроэнергии в накопителе, преобразование и питание электроаппаратуры объекта от накопителя через инвертор напряжения, отличающийся тем, что при преобразовании переменного тока в постоянный ограничивают величину предельно передаваемой мощности и устанавливают эту мощность в 2-10 раз меньше предельной мощности отдаваемой инвертором.

2. Способ бесперебойного электропитания потребителя от централизованного источника электричества по п.1, отличающийся тем, что при аварийном отключении источника электричества снижают предельно отдаваемую мощность инвертора и сигнализируют об этом потребителя в звуковой или световой форме.

3. Устройство бесперебойного электропитания потребителя от централизованного источника электричества, содержащее выпрямитель, накопитель электроэнергии, контроллер заряда-разряда накопителя и инвертор напряжения, отличающийся тем, что выпрямитель подключен к источнику электричества через ограничитель мощности при величине этой мощности в 2-10 раз меньше мощности инвертора, а все потребители, имеющие индивидуальный счетчик расхода электроэнергии, подключены к источнику электричества через систему бесперебойного электропитания.

4. Устройство бесперебойного электропитания потребителя от централизованного источника электричества по п.3, отличающееся тем, что оно содержит включенный параллельно собственный источник электричества.