Электропитание устройств и систем телекоммуникаций

Федеральное агентство связи Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» _____________________________________________________________________________ Кафедра основ конструирования и технологии радиотехнических систем Гейтенко Е.Н. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ (наименование учебной дисциплины) по направлению подготовки: 210700 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи Самара 2013 УДК629.391 К.т.н., доцент Гейтенко Е.Н. «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» (ЭПУ СТ). Конспект лекций. Самара: ПГУТИ, 2013. -46 с. Конспект лекций по дисциплине «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» (ЭПУ СТ) предназначен для студентов заочной, полной и ускоренной форм обучения направления подготовки 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». Конспект лекций составлен с учетом Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки 210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», утвержденного приказом № 785 от 22.12.2009 г. министерства образования и науки Российской Федерации. Излагаются принципы эксплуатации и построения установок и систем электропитания предприятий связи и их состав; основные источники электроснабжения; принципы преобразования электрической энергии; вопросы резервирования и надежности в системах электропитания; техникоэкономическое сравнение различных систем электропитания, их расчет и выбор. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики». Рецензент Доцент, к.т.н.__ должность __доцент _____________________Артамонова О.М._ уч. степень, уч. звание подпись фамилия, имя, отчество « ___ » _________ 200__ г. © Гейтенко Е.Н., 2013 2 Оглавление Стр 4 10 17 23 30 36 45 1 Лекция №1 2 Лекция №2 3 Лекция №3 4 Лекция №4 4 Лекция №5 4 Лекция №6 Список использованных источников 3 Лекция № 1 1.1 Введение Предметом изучения настоящего курса являются устройства электропитания систем связи и системы электропитания предприятий связи. Основные задачи курса включают изучение элементов первичных источников электроэнергии и систем электропитания предприятий связи, а также вторичных источников электрической энергии и устройств электропитания, таких как трансформаторы, выпрямительные устройства, сглаживающие фильтры, преобразовательные устройства и стабилизаторы и т.д. При изучении курса рекомендутся следующая литература: 1. Бушуев В.М. и др. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. - М.: «Горячая линия – Телеком», 2009 г. 384 с. 2. Электропитание устройств связи. /Ред. Козляев Ю.Д.–М.: Р.и С., 1998 г., 328 с. 3. Бокуняев А.А. и др. (под ред. Китаева В.Е.) “Электропитание устройств связи” -”Радио и Связь”, М., 1988 г. Дополнительная литература: 1. «Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Гейтенко Е.Н. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008 г., 446 с. 1.2. Задачи развития энергетики и преобразовательной техники. В настоящее время происходит бурное развитие новых технологий систем связи, частью которых являются системы электропитания. Среди основных направлений развития систем электропитания можно выделить следующие: 1) Повышение энергетической эффективности устройств электропитания путём применения импульсных устройств электропитания с использова4 нием ключевых режимов работы активных элементов, а также новой элементной базы; 2) Повышение качества электрической энергии и надёжности электропитания путём применения специализированных интегральных схем и алгоритмов управления; 3) Уменьшение габаритных размеров и массы устройств электропитания за счет повышения частот преобразования энергии. 1.3. Основные понятия и определения систем электропитания Основным понятием моделей систем и процессов, рассматриваемых в курсе ЭПУС, является понятие электрической энергии и её характеристик. Такие модели и их формализация в виде структур и математических соотношений отражают прежде всего энергетические свойства рассматриваемых объектов и электрическую энергию, как один из основных объектов анализа. Устройства и системы, имеющие непосредственное отношение к электрической энергии можно разделить на две наиболее общие группы: - источники электрической энергии; - приёмники электрической энергии. Источники электрической энергии подразделяются на первичные и вторичные. Первичными источниками энергии называются все непосредственные преобразователи различных видов энергии в электрическую: - электромашинные генераторы; - гальванические элементы; - топливные элементы; - солнечные батареи и так далее. Основным первичным источникам электрической энергии для предприятий связи являются, как правило, Государственная или региональная энергосистема, объединяющая ряд электростанций. В случае аварии региональной энергосистемы или её отсутствия первичным источникам электрической 5 являются стационарная электростанция или передвижной агрегат – генератор, часто называемый дизель - электростанцией, а также аккумуляторные батареи. Вторичными источниками электрической энергии принято считать преобразователи электрической энергии одного вида в электрическую энергию другого вида (трансформаторы, выпрямители, инверторы, стабилизаторы и тому подобное). Нормальное функционирование предприятий связи обеспечивается системой электропитания, которая включает систему электроснабжения и электроустановку предприятия связи. Электроустановка предприятия (ЭУ) содержит весь энергетический комплекс, обеспечивающий нормальную работу аппаратуры и персонала предприятия связи. Основой электроустановки является электропитающая установка (ЭПУ), которая включает: - устройства преобразования, регулирования и стабилизации электрической энергии; - устройства резервирования электрической энергии с помощью аккумуляторов (АБ) и агрегатов бесперебойного питания (АБП), автономных электростанций; - устройства распределения электрической энергии и защиты. Государственные и крупные акционерные предприятия связи относятся к важным стратегическим объектам и по требованиям к надежности функционирования делятся на три категории: первую, вторую и третью. Классификация систем электропитания. По условиям электроснабжения предприятий системы электропитания делятся на три группы: I, II и III, которые в свою очередь подразделяются ещё на подгруппы А и В. Предприятия связи относятся в большинстве случаев к первой группе (I), то есть системы электропитания с полным обеспечением круглосуточно6 го электроснабжения от крупных энергосистем или сторонних электростанций мощностью  1000 КВА с колебаниями напряжения  (-10  +5%). Причём, для подгруппы IA обязательна одновременная подача электроэнергии от двух независимых источников. 1.4 Энергосистема. Основные понятия Энергосистема включает совокупность электростанций и подстанций, связанных между собой линиями электрической сети. В общем случае энергосистема содержит ряд подсистем, из которых наиболее значительной является генерирующая подсистема, а также распределительные устройства, подстанции, линии электрической сети. С целью снижения потерь передача на расстояние электрической энергии производится на высоких уровнях напряжения. Например, линии электропередачи (ЛЭП) 220 кВ или 110 кВ, а также 35 кВ. В городских и районных электросетях используются кабельные сети 10 или 6 кВ. От распределительной сети также через понижающую подстанцию питаются электросети с напряжением 380/220 В. С целью экономии технических средств и электрической энергии её передача на расстояние и преобразование осуществляется в форме трёхфазной системы напряжений. Трехфазная электрическая цепь может быть представлена совокупностью трех однофазных, в которых действуют ЭДС с одинаковой частотой, сдвинутые относительно друг друга на одну треть периода (на угол 120° или 2/3 радиан). Источником трехфазной ЭДС является специальная электрическая машина - синхронный генератор, который превращает механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию. Сдвиг по фазе между ЭДС достигается пространственным разнесением на статоре трех обмоток генератора. С помощью синхронного генератора формируется ЭДС синусоидаль- 7 ной формы и достаточно просто реализуется задача автоматического поддержания уровня генерируемого напряжения и его частоты повторения. Обычно фазные обмотки генератора электрически соединены друг с другом (например, в «звезду»), образуя связанную трехфазную цепь. По аналогии с цепями генератора нагрузки также могут соединяться «треугольником» и «звездой». Напряжения и токи симметричных связанных систем характеризуются фазными и линейными значениями. Напряжения и токи каждой из обмоток генератора (или нагрузки) называют фазными и обозначают ЕФ, UФ, IФ. Напряжения между линейными проводами и токи в них называют линейными и обозначают UЛ, IЛ. Для симметричных трехфазных цепей при соединении «звездой» фазные токи равны линейным. А линейные напряжения отличаются от фазных в З раз: UЛ=З UФ, например UФ=220 В, тогда UЛ=380 В. При соединении фаз «треугольником» фазное напряжение равно линейному. Для токов в схеме соединения «треугольником»: IЛ=З IФ. Полная мощность системы и ее составляющие (активная и реактивная) равняются сумме фазных мощностей: S  3UФ IФ  3U Л I Л , где полная или кажущаяся мощность SФ=UФIФ=(PФ2+QФ2)0,5. Активная составляющая мощности: Р  3UФ IФ cos   3U Л I Л Реактивная составляющая мощности: Q  3U Л I Л sin  , здесь: - сдвиг (фазы) кривой тока относительно напряжения; cosφ – коэффициент мощности в цепях синусоидального тока. Действующее значение напряжения переменного тока (смотри рисунок 1.1) равно эквивалентной величине напряжения постоянного тока, которое приводит к выделению такого же количество тепла. Т 1 Uд  (U m sin t ) 2 dt  U m / 2  T0 8 Рисунок 1.1 Сдвиг фазы тока относительно напряжения при линейной резистивно - индуктивной нагрузке 1.5 Химические источники тока Аккумулятором называют химический источник тока многократного действия. Номинальное напряжение аккумулятора – это напряжение на выводах полностью заряженного аккумулятора в течение первого часа разряда током 10 - часового режима разряда при температуре электролита 20 С (для свинцово - кислотного аккумулятора UЭлНом=2 В). Под номинальной емкостью (Ач) аккумулятора понимают то количество электричества, которое он может отдать при 10 - часовом режиме разряда (С10), неизменном токе и температуре электролита +25° С (для аккумуляторов типа СН принята температура +20° С) CH = 10· IH Ач Номинальная емкость аккумулятора, приведенная к условному 10 -часовому режиму разряда при температуре среды 20 оС, зависит от ряда факторов: тока разряда IР, времени разряда tР и соответствующего ему коэффициента отдачи по емкости Q, температуры окружающей среды tСр 0С: C10  I p tp Q (1  0,008(tср  20 o C)) , где: Q находится в пределах от 0,51…1,0. Кислотные аккумуляторы. Электродвижущая сила Е полностью заряженного свинцово - кислотного аккумулятора, зависящая от плотности электролита, составляет 2,06 ... 2,15 В и не зависит от размеров и конструкции самих электродов. 9 Предельное напряжения, до которого можно разряжать свинцово - кислотный аккумулятор, составляет 1,75 - 1,8 В для режимов разряда не короче одночасового. Герметичные кислотные аккумуляторы. Аккумуляторы, называемые на отечественном рынке «гелевыми» являются герметичными и, потому, необслуживаемыми. Электролит в таких аккумуляторах находится в желеобразном состоянии. В настоящее время нашли широкое применение (например, в переносной аппаратуре связи) щелочные никель-кадмиевые (HK) и никель - марганцевые аккумуляторы, которые в отличие от кислотных могут эксплуатироваться при низких отрицательных температурах окружающей среды. Электродвижущая сила щелочных аккумуляторов ниже, чем у кислотных. У полностью заряженного НК - аккумулятора ЭДС составляет 1,30... 1,35 В. Удельная энергия НК - аккумуляторов 16...23 Втч/кг. Лекция №2 2.1 Трансформаторы Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий посредством электромагнитной индукции электрическую энергию переменного тока с одними параметрами в электроэнергию переменного тока с другими параметрами (напряжением, током и так далее). Классификация трансформаторов. В зависимости от мощности трансформаторы подразделяются на мощные (более 1 Квт) и маломощные трансфоматоры. По величинам используемых напряжений трансформаторы называются низковольтными или высоковольтными (одно из напряжений превышает 1000 В). По числу фаз напряжения трансформаторы делят на однофазные, трехфазные, многофазные. 10 В импульсных источниках питания используются трансформаторы с прямоугольной формой напряжения, которые разделяются по частоте преобразования на: - низкочастотные (до 1000 Гц); - среднечастотные (до 20 кГц); - высокочастотные (более 20 кГц). По конструкции трансформаторы делят на стержневые (с двумя стержнями и катушками) и броневые (три стержня и одну катушку на центральном стержне (рис. 2.1)). Сердечники трансформаторов собираются из тонких пластин или ленты электротехнической стали (ленточные, тороидальные), прокатанной и с повышенным содержанием кремния, необходимого для повышения удельного сопротивления материала пластин. Сердечники трансформаторов импульсных преобразователей электроэнергии (используемых на высоких частотах) выполняют из сплавов, например, пермалоя (ленточные) или ферритов. Рисунок 2.1 Однофазные трансформаторы Конструктивно трансформатор представляет собой совокупность жестко расположенных на сердечнике катушек с обмотками, выполненными из медного или алюминиевого провода. Сердечник имеет форму, например тора, проходящего внутри одной или нескольких катушек. Часть или одна из обмоток трансформатора, называется первичной и подключается к источнику 11 переменного тока. Другие обмотки трансформатора, к которым подключается нагрузка называются вторичными. Принцип действия трансформатора основан на электромагнитном взаимодействии нескольких гальванически несвязанных между собой обмоток, неподвижно расположенных друг относительно друга. Если одну из обмоток подсоединить к сети переменного тока, то в результате прохождения переменного тока в этой обмотке возникает электромагнитное поле, которое в свою очередь наводит напряжение в других обмотках, расположенных на магнитопроводе трансформатора, изготовленного из ферромагнитного материала. Анализ работы трансформатора базируется на законе электромагнитной индукции e1L= L1di1/dt= w1dФdt, законе полного тока F= w1i1+ w2i2 и законах Кирхгофа. На рисунке 2.2 изображен двухобмоточный трансформатор, U1,I1,w1 напряжение, ток, число витков первичной обмотки; U2,I2,w2 -напряжение, ток и число витков вторичной обмотки трансформатора. При подключении к первичной обмотке, имеющей w1 витков, переменного напряжения синусоидальной формы u1= U1msinωt в ней появится переменный ток i1(t) и в результате возникнет магнитодвижущая сила F1=i1w1 и магнитный поток Ф1(t). Этот поток в основном будет замыкаться через магнитопровод и пронизывать как витки первичной обмотки, так и вторичной, имеющей w2 витков. В результате этого в первичной обмотке индуцируется ЭДС e1(t) с действующим значением Е1= 4kФfw1Фm10–4, а во вторичной e2(t) с Е2= 4kФfw2Фm10–4. Здесь коэффициент формы kФ=1,11 для синусоидального напряжения, Фm=ВmSC – амплитудное значение магнитного потока, равное произведению магнитной индукции Вm на площадь SC поперечного сечения магнитопровода. Наличие ЭДС e2(t) обуславливает ток i2(t) во вторичной обмотке и в нагрузке, на которой выделяется напряжение u2(t). 12 I1 0 I2 I1 U1 U1 U2 W1 W2 I2 U2 Rн  S1 Рисунок 2.2 Эквивалентная схема однофазного трансформатора Ток i2(t) создаёт магнитный поток Ф2(t), направленный навстречу потоку Ф1(t), поэтому в магнитопроводе устанавливается результирующий магнитный поток Ф0(t)= Ф1(t)– Ф2(t). Незначительная часть потока, создаваемого током i1(t), замыкается через воздух, минуя вторичные обмотки, и называется потоком рассеяния ФS1(t). Точно также существует поток рассеяния ФS2(t) вторичной обмотки. Изменение нагрузки i2(t) приводит к соответствующему изменению потока Ф2(t) и, значит потока Ф1(t), при этом поток (холостого хода) Ф0(t)= Ф1(t)– Ф2(t) остаётся практически неизменным. 2.2 Режим холостого хода трансформатора Режим (опыт) холостого хода трансформатора используется при проведении облегчённых испытаний трансформатора для определения его характеристик, в частности потерь в сердечнике. В режиме холостого хода ток во вторичных обмотках трансформатора равен нулю (все вторичные обмотки разомкнуты). Поскольку режим холостого хода характеризуется сравнительно малыми значениями тока в трансформаторе, мощность Р0 холостого хода определяется потерями в сердечнике (в стали). Это потери обусловлены наличием потока рассеяния и вихревыми токами, а также перемагничиванием стали (которая не является абсолютно магнито - мягкой): В результате опыта холостого хода определяются следующие параметры трансформатора: U1хх, I0хх, Z0= U1·/I1 – напряжение, ток и сопротивление 13 (полное) холостого хода первичной обмотки трансформатора, а также U2хх, n= U2/U1 - напряжение холостого хода вторичной обмотки, коэффициент трансформации и РСт= Р0 - мощность, потребляемую на холостом ходу (мощность потерь в стали). 2.3 Режим короткого замыкания трансформатора В режиме (опыте) короткого замыкания трансформатора сопротивление нагрузки в цепях вторичных обмоток равно нулю, а ток в первичной обмотке устанавливается равным номинальному при номинальной температуре трансформатора (750С). При этом напряжение первичной обмотки трансформатора оказывается равным (2- 10)% от номинального. Так как напряжение U1 мало, то мал ток намагничивания I и потери в сердечнике, следовательно ими можно пренебречь. Вместе с этим ток I1 в первичной и вторичных обмотках трансформатора равны номинальным значениям, поэтому решающую роль играют потери в проводниках обмоток. По результатам измерений (в режиме короткого замыкания) можно определить следующие параметры трансформатора: - РМ= РК - потери в проводах обмоток (в меди) трансформатора; - Zк= U1к/ Iн , Rк= Pк/ Iн2 , Xк= Z Ê2  RÊ2 - полное, активное и реактивное сопротивления трансформатора в режиме короткого замыкания. 2.4 Внешние характеристики и рабочие свойства трансформатора Внешние характеристики и рабочие свойства трансформатора, необходимые для его практического использования можно определить по результатам испытаний холостого хода и короткого испытания. На рисунке 2.3 приведены зависимости потерь в магнитопроводе (стали) Р0 и потерь в проводниках (меди) РК, полученные на основании опытов х.х. и к.з., а также же зависимость коэффициента полезного действия  от коэффи14 циента = I/IНом загрузки трансформатора. С ростом величины нагрузки (тока) потери в стали трансформатора остаются неизменными, а потери в меди растут. Максимальный КПД max будет при равенстве указанных составляющих, то есть при P0= m2Pк.      Рисунок 2.3 Зависимости потерь в магнитопроводе Р0 , потерь в проводниках РК и зависимость коэффициента полезного действия  от коэффициента м загрузки трансформатора Параметры трансформаторов малой мощности выбираются, как правило, таким образом, что номинальная нагрузка = 1 превышает m и соответствует значению КПД, меньшему чем его максимальное значение max, что обусловлено среднестатистическим показателем загрузки трансформаторов. 2.5 Система трёхфазного тока Системы трёхфазного тока используют для передачи и преобразования электрической энергии средней и большой мощности. На рисунке 2.4 показана диаграмма системы трёхфазных напряжений: UmA= UmB= UmC= UmФ= 220 В 310 В, что соответствует действующему значению Uф=220В. Векторы фазных напряжений сдвинуты относительно друг друга на величину 2/3 рад= 1200 . В результате вращения векторов (против часовой стрелки) проекции их концов на ось ординат будут изменяться во времени по синусоидальному закону. Период синусоидального напряжения промышленной частоты 50 Гц составляет 1/50 Гц= 20 mсек. 15 Для трансформации электрической энергии трёхфазного тока используются трёхфазные трансформаторы трехстержневой конструкции (либо три однофазных), первичные и вторичные обмотки которых соединены по определённой схеме (звезда, треугольник и другие). Рисунок 2.4 Передача электрической энергии трёхфазного напряжения производится по кабелю (фидеру), состоящему из четырёх (как правило) проводов: красного, зелёного (синего), жёлтого (белого) и белого с цветными полосами. Последний провод (жила) используется в качестве нулевого и может быть тоньше других по сечению в 1,5 раза, так как несет токовую нагрузку меньшую, чем другие провода. 2.6 Трёхфазные трансформаторы Конструкции трёхфазных трансформаторов аналогичны конструкциям однофазных, содержат три стержня и три фазные катушки. В трёхфазных трансформаторах обмотки подразделяются на две группы: - группа обмоток высокого (высшего) напряжения ВН, выводы которых обозначаются прописными буквами А, В, С - начала обмоток и X, Y, Z -концы обмоток; 16 - группа обмоток низкого (низшего) напряжения НН, выводы которых обозначаются строчными буквами соответственно а, b, c и x, y, z. Обмотки одноимённой фазы (например А) располагаются на одном стержне трансформатора. Наиболее широко применяются три схемы соединения между собой обмоток трансформатора: соединение звездой (Y), соединение треугольником () и реже соединение зигзаг. А В С A B C X Y Z X Y x y z a b c x y z a b c Z Рисунок 2.5 Схема трехфазного трансформатора Лекция №3 3.1 Выпрямительные устройства Выпрямителями называют устройства преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. Выпрямители содержат три основных элемента (рис.3.1): силовой (входной) трансформатор, несколько вентилей (диодов) и сглаживающий фильтр. Основными параметрами выпрямителей являются величина выходного напряжения, максимальная выходная мощность, коэффициент полезного действия и коэффициент пульсаций выходного напряжения. Основным функциональным элементом выпрямителей является вентиль или диод, обладающий свойством односторонней проводимости. Среди ос17 новных эксплуатационных характеристик выпрямительного диода следует выделить максимальный прямой ток Imax и максимальное обратное напряжение UОбр.max, а также прямое напряжение и обратный ток. Классификация выпрямителей. 1) Выпрямители делят на однополупериодные и двухполупериодные по числу полупериодов прохождения тока. Кроме того принято различать однотактные выпрямители, в которых каждая обмотка работает за период только раз и двухтактные (два раза). 2) По числу фаз переменного напряжения выпрямители подразделяют на однофазные, многофазные, трёхфазные и так далее. При расчётах принято определять число импульсов выпрямленного напряжения за период сетевого напряжения (коэффициент пульсности) по соотношению p = m n, где m число фаз выпрямляемого напряжения, n - число полупериодов фазного тока (n = 1 для однополупериодного выпрямителя). Рисунок 3.1 Однофазные схемы выпрямления а) однотактная, однополупериодная; б) однотактная, двухполупериодная; в) двухтактная 3) Выпрямители делят на низковольтные (<100В), среднего напряжения (100 - 1000 В) и высоковольтные (> 1000 В) по значению выпрямленного напряжения. 4) Существуют управляемые и неуправляемые выпрямители. Управляемые выпрямители позволяют регулировать энергию выходного выпрямлен18 ного напряжения и строятся на основе управляемых вентилей - тиристоров и других элементов. 3.2 Работа выпрямителя на активную нагрузку Рассмотрим простейший выпрямитель на основе однофазного трансформатора Т, диода VD и активной нагрузки RН (рис. 3.2). В течение времени (Т/2), когда потенциал анода выше потенциала катода вентиля последний открыт и пропускает ток, а напряжение на нагрузке повторяет входное напряжение (u0 = u2). В течение остального времени (Т/2) диод заперт. Iср U2 ср t Рисунок 3.2 Для входного напряжения синусоидальной формы U1 = U1m sin(t) и активной нагрузки рассмотрим два характерных интервала [0,T/2] и [T/2, T] напряжения на нагрузке. Найдём среднее за период выпрямленное напряжение путем интегрирования по формуле для постоянного члена преобразования Фурье (с учётом того факта, что на интервале ( - 2) значение подинтегральной функции равно нулю): T 2 Uср=(1/T)  u0 dt  1 / 2  U 2 m sin tdt  ( 1 / 2 )U 2 m cos t 0  ( 1 / 2 )U 2 m ( 2)  U 2 m /   здесь: U2m - амплитудное значение u2, Uср - среднее выпрямленное напряжение или его постоянная составляющая. 19 Максимальное обратное напряжение на запертом диоде будет равно: Uобр. max= U2m= Uср Среднее значение тока в нагрузке находится аналогично Iср= I2m/, Подобным образом амплитуда первой гармоники пульсации равна Um1= 1,57Ucр Действующее значение тока через диод находится как среднеквадратическое за период значение:  Iд= 1 / 2  i02 dt = I0m/2  3.3 Работа выпрямителя на индуктивную нагрузку В выпрямителях с индуктивной реакцией нагрузки с увеличением величины индуктивности дросселя форма тока в первичной обмотке трансформатора стремится к прямоугольной. Это обусловлено последовательным включением нагрузки и индуктивности, которая препятствует изменению тока в нагрузке. При этом на индуктивности выделяется вся переменная составляющая выпрямленного напряжения, которое меняется скачкообразно и равно разности напряжений на выходе вентилей и на нагрузке. Индуктивной можно считать нагрузку, для которой |ХL| (5 10) R. В случае прямоугольности тока первичной обмотки анализ процессов в выпрямителе упрощается, при этом амплитуда первой гармоники тока равна: Im1= Um1 /pСL или Im1= 2UСр /pcL(р2- 1), где для мостовой и двухполупериодной схемы со средней точкой р=2. Отсюда следует, что амплитуда тока первой гармоники не зависит от величины нагрузки (так как сопротивление дросселя много больше). Ток через дроссель равен сумме двух составляющих: постоянной составляющей тока нагрузки IСр и тока первой гармоники Im1. Если ток Im1 ока20 жется по амплитуде больше тока постоянной составляющей, то возникнет интервал времени, в течение которого тока в дросселе нет. Это явление называется разрывностью тока дросселя и характеризуется возрастанием пульсаций выходного напряжения. Условие безразрывности тока: L> Lкр= 2Uср/ [p(p2- 1)c·Iср.min] , при выполнении которого величина индуктивности будет больше критического значения, и режим разрывности тока дросселя исключается. 3.4 Работа выпрямителя на емкостную нагрузку Выпрямители с емкостной нагрузкой применяются на малых и средних мощностях, в однофазных системах электропитания. Диаграммы напряжений и токов в выпрямителе с емкостной нагрузкой приведены на рис. 3.3. В установившемся режиме работы выпрямителя, в течение времени t1 - t2, напряжение на анодах вентилей VD1, VD2 выпрямителя оказывается больше напряжения на конденсаторе С и происходит заряд конденсатора. В результате уменьшения по синусоидальному закону напряжения на анодах вентилей выпрямителя в течение времени t2 - t3 последние оказываются закрытыми. При этом напряжение на конденсаторе превышает напряжение на анодах вентилей и конденсатор разряжается в нагрузку. Далее процесс повторяется. Интервал времени t1 - t2 - протекания токов через вентили и заряда конденсатора принято обозначать в виде угла 2, а угол  называть углом отсечки. На интервале времени t1  t  t2 в течение периода, который можно обозначить как интервал 1  t  2, ток вентиля равен сумме токов сопротивления нагрузки и конденсатора iвен(t) = iR(t) + ic(t). В течение следующего интервала времени 2  t   + 1 ток вентилей равен нулю а напряжение равно:  (t  2 )/CRН uc(t) = U2m sin 2 e 2  t   + 1 21 Анализируя последнее выражение можно сделать вывод о том, что с уменьшением нагрузки (то есть увеличением сопротивления Rн) или с увеличением величины емкости конденсатора С значение 2 стремится к 90O, а значение  соответственно приближается к 0. При этом напряжение на конденсаторе приближается к амплитудному значению напряжения на вторичной обмотке трансформатора и, в значительной мере, возрастает ток заряда конденсатора. u2 (t) u0(t) U t1 I1,4 I2,3 2 t2 I2m I0 2 2 t t t 2 I1 2 2 t Рисунок 3.3 Работа выпрямителя на резистивно – емкостную нагрузку При больших значениях RH и С, применяемых на практике, фазовый угол , называемый углом отсечки равен:  = (2- 1)/2 2- /2. Функция угла отсечки А()= (tg- ) служит основой для рвыпрямителя с емкостной нагрузкой. В общем случае для m - фазной схемы выпрямителя при активно емкостной нагрузке: А= RВып·IСр/ mUСр= RВып/ mRН. Расчёт выпрямителей с емкостной нагрузкой опирается на определение расчётных параметров А, В, D, F и H, которые находятся в справочных таб22 лицах или в базах данных соответствующих программ САПР. Определение этих параметров производится по значению , который рассчитывается на основе заданных напряжения и тока нагрузки и в свою очередь задаёт значение А. Лекция №4 4.1 Трёхфазные и регулируемые выпрямители На практике наиболее распространена схема трёхфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова), изображённая на рис. 4.1. Диаграммы напряжений и токов в такой схеме (для активной нагрузки) приведены на рисунке 4.2. VD1 VD3 VD5 TV Rн Сеть ~U VD2 VD4 VD6 Рисунок 4.1 Мостовая (шестифазная) схема выпрямления трехфазного напряжения В промежутке времени Т/3 = 2/3 открыт один из вентилей выпрямителя (например VD1), на аноде которого наиболее положительное напряжение. В течение указанного интервала с другой стороны по отношению к нагрузке оказываются открытыми поочерёдно вентили VD4 и VD6, так как на их катодах будет наиболее отрицательное напряжение. 23 U Ua Ub Uc U0 U2m t T=2 I2m t T/6= /3 Рисунок 4.2 Токи в обмотках трехфазного трансформатора Ток во вторичной Ia и первичной IA обмотках трансформатора будет симметричен относительно нуля и подмагничивание магнитопровода отсутствует. Очевидно, что частота пульсаций в таком выпрямителе составит величину 300 Гц, На рисунке 4.2 ток Iа вторичной обмотки фазы “а” изображён для схемы соединения обмоток в трансформаторе по схеме Y/Y. К выпрямительным устройствам относятся управляемые выпрямители на тиристорах (рис. 4.3). Управляемыми называются выпрямители, в которых совмещаются функции выпрямления переменного напряжения и одновременного его регулирования. В таких выпрямителях используются управляемые вентили - тиристоры, которые представляют собой четырёхслойные структуры с тремя p - n - переходами, включенными последовательно. 24 U L Uв t t1 I U t2 t3 U2а U2б i T1 t4 i T2 2 Uупр t Uлин t Рисунок 4.3 Регулируемый выпрямитель на тиристорах Среднее значение выпрямленного напряжения будет равно:  U0,= (1/)  U2msin(t) dt= (1+ cos)U2m/  4.2 Сглаживающие фильтры выпрямителей Сглаживающими фильтрами выпрямителей называют устройства, предназначенные для уменьшения переменной составляющей (пульсаций) выпрямленного напряжения. По составу фильтрующих элементов фильтры называют индуктивными, емкостными и индуктивно - емкостными. Если в сглаживающем фильтре одновременно присутствуют индуктивность и ёмкость, то такой фильтр имеет собственную частоту (резонанса): ф= 1/ LC Основными показателями для расчётов фильтров являются: - kП - коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (kП1 - по первой гармонике), аналогична форма и для коэффициента пульсаций по n - ой гармонике или по амплитуде переменной составляющей; - kС = kФnkПер = UmnВхUСрН/ UmnНUCрВх - коэффициент сглаживания (UCрВх – среднее напряжение на входе фильтра, UСрН среднее напряжение на выходе). 25 Расчёт фильтров базируется на обеспечении заданного коэффициента фильтрации. Для индуктивного фильтра при kПер  1, тогда kФ1≈ kС= Um1Вх/ Um1Н=[Im1 RН2  X L2 ]/ Im1RН mL/ RН, при mL>> RН, где: m – число фаз выпрямленного напряжения. u02 ,u ~22 u02 ,u ~22 u 01 u~1 u 01 u~1 а) б) L C1 ф u 01 u~1 u02 ,u ~22 u 01 u~1 C2 u02 ,u ~22 Rн 2 1 г) в) Рисунок 4.4 Фильтры сглаживания Для Г-образного индуктивно – емкостного фильтра kC = (Пуль/ Ф)2- 1, где Ф = 1/ LC - собственная частота фильтра, которая должна быть много меньше частоты пульсаций. Для борьбы с высокочастотными помехами и высоковольтными выбросами на предприятиях связи применяются сетевые фильтры, в том числе, встроенные в удлинители и разветвители электросети (рис.4.5). Фильтры содержат конденсаторы С1, С2 и С4 подавления высокочастотных помех и С3, С5 высокочастотных синфазных помех. В составе фильтра иногда содержатся высокочастотный дроссель L2 и трансформатор L1 (проходной) подавления синфазных помех от источников с низким выходным сопротивлением. Кроме того фильтры включают варистор R1, который пробивается напряже26 нием, превышающим предельное значение (например 380 В амплитудного значения), зачастую поджигает предохранитель и таким образом ослабляет импульсы высокого напряжения в сети. После снятия напряжения варистор восстанавливает своё сопротивление. X1 Кон Цепь SX1 FU1 1 ~220 L1 C1 2 ~220 3 Защ.заз. L2 C3 C2 R1 C4 X2 Кон Цепь 1 ~220 2 ~220 3 Защ.заз. X3 Кон Цепь 1 ~220 2 ~220 3 Защ.заз. C5 Рисунок 4.5 Сетевой фильтр 4.3 Преобразователи напряжения В аппаратуре связи для получения разных по величине, частоте и форме напряжений широко используются преобразователи напряжения или статические преобразователи (DC-DC, DC-AC и другие). В них преобразование энергии производится в импульсной форме на высоких частотах в ключевом режиме работы активных элементов (например, транзисторов). Ключевой режим транзисторов характеризуется двумя квазистатическими состояниями: состояние отсечки или запертого ключа и состояние насыщения или полностью открытого ключа. При этом малыми оказываются в первом случае ток, а во втором - напряжение и, следовательно, потери мощности, на транзисторных ключах. Применение высокочастотных (до 1 МГц) импульсных преобразователей позволяет добиться высокого коэффициента полезного действия и значительно снизить вес и габариты реактивных элементов. 27 4.4 Транзисторные инверторы На рисунке 4.5 приведена схема простейшего двухтактного преобразователя постоянного напряжения в переменное (DC-AC) или транзисторного инвертора с выводом средней точки трансформатора. Инвертор построен по схеме с самовозбуждением. Инвертор содержит трансформатор, магнитопровод которого выполнен из ферромагнитного материала с прямоугольной петлёй гистерезиса. Транзисторы инвертора подбираются идентичными и работают в ключевом режиме. Обмотки трансформатора попарно одинаковы и имеют одинаковое направление намотки (на рисунке показано точками). В результате положительной обратной связи в инверторе возникают автоколебания с лавинообразным процессом запирания одного транзистора, например VT2 до состояния отсечки, и отпирания другого (VT1) до состояния насыщения. + U0 Tр VT1 Iк1 wк1 R1 R2 VT2 UH w2 Rн w к2 wб1 wб2 Рисунок 4.5 Инвертор с самовозбуждением В результате полуобмотка wк1 оказывается подключенной к источнику постоянного напряжения U0 через насыщенный транзистор. В сердечнике трансформатора возникает магнитный поток, который изменяется по линей28 ному закону. Этот процесс (напряжения на обмотках трансформатора неизменны) длится, пока в результате роста магнитного потока  не возникнет насыщение сердечника трансформатора и преобразователь переключается в противоположное состояние в результате действия положительной обратной связи (обмотки wб1 и wб2) . Далее процесс повторяется. Время перемагничивания магнитопровода определяет длительность половины периода автоколебаний. В преобразователях применяются специальные материалы с прямоугольной петлёй гистерезиса материала сердечника (например феррит 2000НМС или пермалой 79НМ). Частота автоколебаний напряжения в преобразователе равна: f = (U0- Uнас- UR)/ 4BsSw1 здесь: ВS - индукция насыщения материала сердечника, S - его сечение. Данная схема весьма проста и имеет сравнительно высокий КПД, но при переключении в инверторе возникают сквозные токи, которые ограничивают область его применения. В схемах ИВЭП чаще используются инверторы с независимым возбуждением или внешним запуском (без обмоток обратной связи wб1 и wб2). 4.5 Однотактные преобразователи Принято разделять схемы однотактных инверторов на схему с обратным включением диода (рис.4.6а) и с прямым включением диода (рис. 4.6б). В схеме с обратным включением диода VD в течение первого такта, когда транзистор открыт, происходит накопление электрической энергии в трансформаторе Т. Во вторичной цепи трансформатора тока нет, так как диод VD закрыт. В течение второго такта, когда транзистор закрыт и тока в первичной цепи нет, происходит разряд энергии (через открывшийся диод VD), накопленной в трансформаторе, в нагрузку и на конденсатор фильтра. В последующий такт процессы повторяются, при этом разряд энергии конденсатора в нагрузку происходит в течение каждого первого такта. 29 В схеме с прямым включением диода (рис. 4.6б) когда транзистор открыт происходит накопление энергии в дросселе L и конденсаторе С через диод VD2. После запирания транзистора VT накопленная энергия разряжается в нагрузку через диод VD3, а энергия трансформатора рекуперируется в источник питания через диод VD1. T VD1 w3 VD _ Lф VD2 _ R w1 w2 C1 C VT w1 VD3 w2 C2 R VT + а) б) Рисунок 4.6 Схемы преобразователей с обратным включением диода а) и прямым б) Среди многих достоинств схем однотактных преобразователей можно назвать их очевидную простоту, сравнительно малое количество элементов и возможность совмещения функций преобразования, трансформации и регулирования электрической энергии. Лекция 5 5.1 Стабилизаторы напряжения и тока Стабилизаторами напряжения или тока называются устройства, преобразующие напряжение или ток и обеспечивающие их параметры с заданной степенью точности. Основные параметры стабилизаторов: 1) Нестабильность выходного напряжения UВых= UВых1– UВых2, 30 2) Относительная нестабильность выходного напряжения UВых=(UВых1– UВых2,)/ UВыСр , 3) Коэффициент стабилизации напряжения по входному напряжению стабилизатора при неизменном токе нагрузки: кСт= UвхUВых/ UВыхUВх , где  - соответствующие друг другу приращения напряжений или нестабильность. 4) Коэффициент полезного действия стабилизатора = РВых/ РВх, (отношение активных составляющих мощностей при номинальных входном и выходном напряжении и токе). 5) Удельные массогабаритные показатели v= PВых/ VСт Вт/дм3, g= PВых/ GСт Вт/кГ , где: - VСт, GСт соответственно объём и вес стабилизатора. 5.2 Параметрические стабилизаторы Параметрическими называются стабилизаторы, в которых стабилизация напряжения или тока основана на использовании особых, нелинейных параметров применяемых элементов. В диодах, называемых стабилитронами явление пробоя обратным напряжением (VD1 на рис. 5.1), используется, как рабочий режим. При этом напряжение на стабилитроне практически остается неизменным (UСт) в рамках значительного изменения тока от IСт min до IСт max, который ограничивается максимально допустимой мощностью рассеяния тепла. Рисунок 5.1 Параметрический стабилизатор 31 При изменении напряжения UВх на входе стабилизатора напряжение на его выходе UВых остаётся практически неизменным, так как система содержит два стабилизатора. Первый стабилизатор, образуемый полевым транзистором VT1 и резистором RСм, последовательно включенными нагрузке, стабилизирует ток. Второй стабилизатор выполнен на стабилитроне VD1, параллельно включенном нагрузке и балластном сопротивлении последовательной цепи RСм и VT1 стабилизирует напряжение. Общий коэффициент стабилизации по напряжению такого параметрического стабилизатора, равен: Кст= rДифUВых/ rдUВх Здесь: сопротивление полевого транзистора rдиф>> RН , а rд<< RН и поэтому коэффициент стабилизации стабилизатора больше, чем при использовании только одного из двух стабилизаторов. Коэффициент полезного действия таких стабилизаторов невелик и, поэтому они широко используются для работы в маломощных цепях чаще как источники опорного напряжения. 5.3 Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием. Структурные схемы наиболее распространённых компенсационных стабилизаторов непрерывного действия с последовательным и параллельным включением регулирующего элемента приведены на рис. 5.2а и 5.2б. Стабилизаторы содержат регулирующий элемент РЭ, следящий делитель СД, источник опорного напряжения ИОН, и сравнивающий усилитель СУ. Стабилизатор напряжения является в сущности усилителем сигнала опорного напряжения UОп с коэффициентом передачи, пропорциональным 1/, то есть UВых= UВх / 32 + Iн РЭ + + Uвых Rб + Uвых Uупр U упр Uвх Iн СД СУ ZH Uвх РЭ Uоп СД СУ ZH U оп ИОН ИОН а) б) Рисунок 5.2 Схемы компенсационных стабилизаторов с последовательным включением регулирующего элемента (а) и параллельным (б) Стабилизатор содержит цепь отрицательной обратной связи, с помощью которой отслеживаются отклонения выходного напряжения. Эти отклонения компенсируются посредством регулирующего элемента РЭ. Коэффициент стабилизации получается равным КСт= UВх UВых / UВыхUВх  К0КРЭКОУ , 5.4 Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с импульсным регулированием энергии В импульсных стабилизаторах регулирование выходной энергии осуществляется дискретно, а регулирующий элемент работает в импульсном, ключевом режиме. Ключевой режим работы заключается в том, что транзистор находится в одном из трех состояний: открытом до насыщения; закрытом до отсечки или переключения (с высокой скоростью). При этом потери мощности на транзисторе оказываются весьма малыми. На рис. 5.3, 4, 5 приведены три основных схемы импульсных стабилизаторов: понижающая, повышающая и инвертирующая. 33 VT + L A С VD Uвх - Uвых СУ ИЭ Iн + IL ИОН Iд - Рисунок 5.3 Схема импульсного стабилизатора понижающего типа В схеме понижающего стабилизатора электрическая энергия поступает в нагрузку, когда ключевой элемент, выполненный на транзисторе VT открыт до насыщения. Одновременно происходит накопление энергии в дросселе L и конденсаторе С. После запирания ключа в дросселе возникает ЭДС самоиндукции противоположной полярности, диод VD отпирается и накопленная энергия разряжается по цепи: дроссель L, диод VD, называемый возвратным, нагрузка и другой вывод дросселя. Параллельно этому процессу происходит разряд энергии конденсатора С в нагрузку. Регулирование энергии осуществляется путём изменения времени открытого состояния транзистора VT, то есть ширины импульса. Среднее выходное напряжение будет tи равно: UВых= 1/T  UВхdt= Uвхtи/ T= кзUвх. + VD L Iн + С Uвх VT ИЭ СУ - ИОН Uвых - Рисунок 5.4 Схема импульсного стабилизатора напряжения повышающего типа Выходное напряжение в таком стабилизаторе равно: UВых= UВх/ (1– kЗ) UВх 34 + VD VT С L Uвх - СУ ИЭ Uвых ИОН - + Рисунок 5.5 Инвертирующая схема импульсного стабилизатора Здесь в зависимости от величины коэффициента заполнения выходное напряжение может превышать по величине входное: Uвых = -UВхkЗ/ (1-kЗ). 5.5 Широтно – импульсный принцип регулирования энергии Широтно – импульсное регулирование энергии осуществляется путем изменения только временных параметров импульсов (рисунок 5.6). Большей длительности импульса (tИ) соответствует большее выходное напряжение UВых, (получаемое после фильтрации). U UОШ UГЛИН t U tи tп UВХ UVT t U UВЫХ t Рисунок 5.6 На вход импульсного элемента ИЭ, который является широтно - импульсным модулятором (ШИМ), поступает напряжение управления UУпр. С помощью импульсного элемента производится сравнение UУпр с линейно из35 меняющимся напряжением UГЛИН, в результате на выходе получаются импульсы с модулируемой шириной (tИ) и неизменной амплитудой, равной напряжению питания (UВх). В соответствии с этим производится изменение фазы отпирания и запирания ключа регулирующего элемента. Среднее выходное напряжение определяется коэффициентом заполнения импульсов кЗ= tИ/ T. С помощью широтно – импульсного модулятора непрерывный сигнал преобразуется в прерывистый импульсный, который используется для управления мощным транзистором, работающем в ключевом режиме. С помощью ключевого транзистора или просто ключа осуществляется преобразование электроэнергии большой мощности при низких потерях. Мощность потерь в ключе определяется статическими потерями РКлСт и динамическими РКлДин: РКл≈РКлСт+РКлДин≈РНасtИ/ТПр+РЗtП/ТПр+РАtПЗФ/ТПр, Вт, здесь: tИ – длительность импульса; tП – длительность паузы; tПЗФ – суммарная длительность фронтов импульса; ТПр – период несущей частоты преобразования энергии; РНас=UHасIHас - мощность потерь на транзисторе в режиме насыщения; РЗ=UЗIЗ - мощность потерь на транзисторе в режиме отсечки; РА=UАIА - усреднённое значение мощности потерь на транзисторе в режиме переключения. Лекция №6 6.1 Системы электропитания постоянного тока Системы электропитания постоянного тока содержат в своем составе устройства стабилизированного питания с выходом на постоянном токе, которые по традиции называют выпрямителями, хотя в настоящее время они 36 представляют собой сложное устройство вторичного электропитания. На рисунке 6.1 изображена функциональная схема такого выпрямителя. Рисунок 6.1 Выпрямительное устройство бестрансформаторного типа Выпрямитель построен по бестрансформаторной схеме, в которой напряжение однофазной или трехфазной электросети UC поступает на сетевой фильтр ФЭС1 и затем выпрямляется с помощью выпрямителя В1. При этом пульсирующее выходное напряжение выпрямителя равно Uд=220 В. Затем с помощью корректора коэффициента мощности ККМ производится заряд емкости фильтра сглаживания током, повторяющим форму напряжения электросети (в идеальном случае – полусинусойда). В результате ток, отбираемый из электросети повторяет форму ее напряжения и коэффициент мощности такого устройства практически равен единице (≥ 0,95). В буферной системе электропитания постоянного тока аккумуляторная батарея GB1 и GB2 (двухгруппная) постоянно подключена к нагрузке (буферная схема включения рисунке 6.2). Однофазное или трехфазное напряжение переменного тока выпрямляется, понижается и стабилизируется с помощью выпрямительного устройства или нескольких параллельно включенных выпрямителей (два выпрямителя UZ1-UZ2 на рисунке 6.2а). В случае аварии, то есть отсутствия напряжения электросети питание нагрузки осуществляется от аккумуляторной батареи GB1 и GB2. После аварии заряд батареи и одновременно питание нагрузки производится от выпрямителей. Преимуществом буферных систем электропитания является отсутствие коммутаций при пропадании напряжения в электросети и его восстановлении. 37 а) б) Рисунок 6.2 Системы электропитания постоянного тока (выпрямители): а) буферная система электропитания постоянного тока с двухгруппной аккумуляторной батареей; б) буферная система электропитания со стабилизированным конвертором. Для стабилизации выходного напряжения установки бесперебойного питания постоянного тока на ее выходе устанавливают дополнительные стабилизированные конверторы UZ3, UZ4 (рисунок 6.2б). Конверторы также как и выпрямители UZ1, UZ2 можно соединять параллельно (выходами). Параллельное включение достигается путем применения дополнительного узла выравнивания выходных токов параллельно соединенных устройств (выпрямителей или конверторов). Параллельное соединение выпрямителей позволяет использовать их избыточное количество и осуществить резервирование. В случае отказа одного из выпрямителей последний отключается, а нагрузка распределяется среди остальных выпрямителей, что позволяет повысить надежность работы установки. 6.2 Системы бесперебойного питания переменного тока Основным назначением источника бесперебойного питания является обеспечение электропитания нагрузки напряжением 380/220 В переменного тока в течение времени отказа или аварии основного источника электро38 снабжения и до полного включения резервного источника (например, автономной дизельной электростанции). В тех случаях, когда автономная электростанция отсутствует, аккумуляторная батарея источника бесперебойного питания будет единственным резервным источником электроэнергии. В соответствии с традиционной классификацией можно выделить следующие основные типы структурных схем построения источников бесперебойного питания: - Источники бесперебойного питания с переключением на аккумуляторную батарею (Off Line или Standby); - Источники бесперебойного питания с постоянным включением батареи аккумуляторов (On Line или Double Conversion UPS); - Другие схемы построения источников бесперебойного питания Источник бесперебойного питания с переключением на аккумуляторную батарею (Off Line) работает в двух основных режимах (рис.6.3). Рисунок 6.3 Источник бесперебойного питания переменного тока с переключением на аккумуляторную батарею (Off Line) В штатном режиме, когда напряжение электросети находится в заданных допустимых границах, питание нагрузки осуществляется напрямую от сети. Одновременно производится подзаряд аккумуляторных батарей. При возникновении аварии (провал или пропадание сетевого напряжения) с помощью SА1 происходит переключение нагрузки на питание от аккумуляторных батарей через инвертор. Такие источники бесперебойного питания срав39 нительно просты и надежны, но имеют невысокое качество выходного напряжения (прямоугольной формы). При переключениях SА1 в выходном напряжении возникают значительные коммутационные помехи. Структурная схема источника бесперебойного питания интерактивного типа или «взаимодействующего с сетью» (Line Interactive UPS) во многом близка предшествующей схеме. Отличие заключается в дополнительном ступенчатом регулировании выходного напряжения. Рисунок 6.4 Источник бесперебойного питания с постоянно включенной аккумуляторной батареей. В источниках бесперебойного питания с постоянным включением батареи аккумуляторов (On Line) входное напряжение выпрямляется и понижается до величины напряжения аккумуляторной батареи, включенной по буферной схеме (рис. 6.4). Это же напряжение поступает на вход инвертора, с помощью которого путем широтно – импульсной модуляции формируется стабилизированное синусоидальное напряжение. Выходное напряжение такого ИБП фильтруется и имеет высокие качественные характеристики, а процесс преобразования энергии непрерывен, так как батарея аккумуляторов оказывается постоянно включена в тракт преобразования. ИБП с постоянным включением аккумуляторной батареи более сложны, поэтому в них имеется обводной (резервный) канал для передачи энергии (By Pass), который включается с помощью переключателя SА1 во время отказа ИБП. 40 Системы бесперебойного питания относительно большой мощности Р= (3– 100) кВт строятся с применением трехфазных источников бесперебойного питания. Трехфазные ИБП в большинстве практических случаев построены по схеме с постоянным подключением аккумуляторных батарей. При расчете емкости аккумуляторных батарей источника бесперебойного питания следует пересчитывать его выходной ток с учетом напряжения батарей: IРАБ= IВыхИБП(UИБП/ UАБ)/ Инв, где: IРАБ – ток разряда аккумуляторных батарей; IВыхИБП – выходной ток ИБП во время аварии (ток нагрузки с учетом коэффициента мощности); Инв – коэффициент полезного действия инвертора ИБП (Инв≈ 0,95 – 0,98). Установившееся отклонение напряжения на выходных выводах системы бесперебойного питания переменного тока должно быть, в % от номинального значения, не более: - при питании от сети общего назначения без стабилизации выходного напряжения +10/-15 %; - при питании от входящих в состав системы бесперебойного питания устройств, обеспечивающих стабилизацию выходного напряжения.+ 3 %. На рисунке 6.5 представлена трехлучевая схема электроснабжения. На предприятиях связи широко применяются вводно - распределительные шкафы ШВРА с двумя вводами от электросети (рисунок 6.5). Важнейшим устройством систем электропитания предприятий связи являются устройства коммутации: автоматические выключатели (автоматы) и устройства автоматического включения резерва (АВР). С помощью АВР осуществляется переключение на резервный ввод 2 (фидер) в случае пропадания напряжения на основном вводе 1 (фидере). При пропадании напряжения на обоих вводах осуществляется подключение автономной дизельгенераторной электростанции АДЭС. 41 Рисунок 6.5 Схема трехлучевой системы электропитания Автономная дизельная электростанция (АДЭС) включает одну или несколько дизель-генераторных установок (ДГУ). ДГУ представляет собой дизельный двигатель внутреннего сгорания, объединенный общим валом с трехфазным электрогенератором. АДЭС предприятий связи должны иметь третью (высшую) степень автоматизации и специальные средства регулировки (стабилизации) выходного напряжения по величине, фазе и частоте. Запуск автономной электростанции выполняется автоматически с помощью стартера от аккумулятора. Запуск дизеля и установка выходных напряжений генератора производится в течение времени, меньшего 1÷3 мин. В случаях неудачного запуска его повторяют до трех раз (по 5 ÷ 6 с). Возможные неудачи запуска обусловлены, например низкой температурой масла в двигателе, состоянием стартерных аккумуляторов и другими причинами. Мощность автономной электростанции лежит в пределах от 8 до 1500 кВт. Электрогенераторы ДГУ средней и большой мощности представляет собой трехфазную электрическую машину синхронного типа. ДГУ содержит цепь отрицательной обратной связи, с помощью которой в зависимости от 42 величины нагрузки (тока) осуществляется регулирование подачи топлива, тока возбуждения и стабилизация выходного напряжения а также частоты. Ввод электроэнергии на предприятии осуществляется с помощью главного распределительного щита (ГРЩ). Как правило ГРЩ представляет собой вводный распределительный шкаф (ШВР), с помощью которого обеспечивается ввод и распределение энергии по потребителям с помощью различных токоведущих шин, а также защиту потребителей от перегрузок по напряжению и от токов короткого замыкания. На передней панели ШВР расположены измерительные приборы для контроля коэффициента мощности , активной (Р, Вт) и реактивной (Q, ВАР) мощности, трансформаторы тока, вольтметры а также автоматы защиты. Иногда в главном распределительном щите монтируют и автомат ввода резерва АВР. Устройство защитного отключения (УЗО1) устанавливается для защиты потребителей от попадания опасного для жизни напряжения На схеме не. УЗО срабатывает, то есть отключает цепи с напряжением от потребителей в случае появления тока утечки (от прикосновения человека). УЗО имеет уставку тока срабатывания (например, 30 мА), регламентируемую правилами техники безопасности в зависимости от места установки и назначения. Система вентиляции и кондиционирования воздуха, как правило, разделена на несколько частей (подсистем). С помощью технологических систем вентиляции и кондиционирования обеспечивается нормальный температурный режим и функционирование аппаратуры телекоммуникаций. В частности регулируется температурный режим отдельных устройств и производится вентиляция помещений (например, с аккумуляторной батареей). Одновременно на предприятии используются системы кондиционирования помещений с персоналом и помещений отдельных служб предприятия. Система мониторинга и управления предназначена для контроля состояния основных узлов системы электропитания и управления электропитающей установкой. Центральным устройством системы мониторинга является 43 сервер ЭПУ на котором размещен программный комплекс контроля устройств ЭПУ (SCADA – система). Сервер ЭПУ представляет собой автоматизированное рабочее место диспетчера ЭПУ и вместе с контроллерами устройств ЭПУ образуют локальную информационно – вычислительную сеть. На экране дисплея сервера размещена мнемосхема системы электропитания, на которой условно изображены устройства системы электропитания (АВР, АДЭС, токораспределительная сеть, источники бесперебойного питания и так далее) и показатели их состояния. Устройства системы электропитания содержат в своем составе контроллеры управления, то есть микроЭВМ (например, панель автоматики автономной электростанции). 44 Список использованных источников 1. Бушуев В.М. и др. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. [Текст] - М.: «Горячая линия – Телеком», 2009 г. 384 с. 2. Электропитание устройств связи. [Текст] /Ред. Козляев Ю.Д.–М.: Р.и С., 1998 г., 328 с. 3. Бокуняев А.А. и др. (под ред. Китаева В.Е.) Электропитание устройств связи. [Текст] –«Радио и Связь», М., 1988 г. 4. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. [Текст] - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008 г., 446 с. 45 К.т.н., доцент Гейтенко Е.Н. «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» (ЭПУ СТ). Конспект лекций. Самара: ПГУТИ, 2013. -46 с. 46