Вентили с неполным управлением.Вентили с полным управлением.

ФГОУ ВПО «АКАДЕМИЯ ГРАЖДАНСКОЙ ЗАЩИТЫ МЧС РОССИИ» Кафедра инфокоммуникационных технологий и систем связи УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой №35 С.В. Папков "_____" _________________ 2014 г. Автор к.т.н., доцент Ляпин В.Г. ЛЕКЦИЯ по дисциплине "Электропитание устройств и систем телекоммуникаций" Тема "Преобразователи " Обсуждена на заседании кафедры "____" ________________ 2014 г. протокол № ___ Химки 2014 г. I. Учебные и воспитательные цели: 1. Изучить основные положения элементной базы устройств и систем электропитания. 2. Ознакомить слушателей с современной элементной базой электропитающих устройств и систем телекоммуникаций; 3. Формирование у слушателей ответственности за применение современной элементной базы преобразователей электрической энергии. II. Учебно-материальное обеспечение: 1. ПЭВМ; 2. Видеопроектор; 3. Документкамера. III. Расчет учебного времени: Время 2 часа. Содержание занятия Время, мин. Вступительная часть 5 Учебные вопросы: Электромагнитные устройства. Управляемые и неуправляемые полупроводниковые диоды. Работа биполярных, полевых и ЮВТ транзисторов в режиме переключения. Конденсаторы. Контроллеры 80 1.Вентили с неполным управлением 35 2. Вентили с полным управлением 45 Заключительная часть 5 IV. Литература для самостоятельной работы обучающихся [1], с. 55-122: 1. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов/В.М Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. - М.: Горячая линия-Телеком, 2011. – 384 с. 2. Калугин, Н.Г. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: учебник для студ. учреждений высш. проф. образования/Н.Г. Калугин; под ред. Е.Е. Чаплыгина. - М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 192 с. 3. Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем/А.Ю. Воробьев. - М.: Эко-Трендз, 2002. – 280 с. 4. Источники вторичного электропитания. Учебное пособие для вузов/Е.Н. Гейтенко. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. – 448 с. 5. Источники вторичного электропитания. Практикум. Учебное пособие для вузов/В.В. Подгорный, Е.С. Семенов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2013. - 150 с. 6. Ляпин, В.Г. Электротехника и электроника. Элементы, схемы, систе­мы. Учебное пособие. - 2-е изд., перераб. и доп./В.Г. Ляпин, В.А. Аксютин, Г.С. Зиновьев, Е.В. Ляпин; Новосиб. гос. аграр. ун-т. - Новосибирск, 2013. - 454 с. ТЕКСТ ЛЕКЦИИ Введение Все преобразователи выполняются на силовых полупроводниковых вентилях: неуправляемых (диодах) и управляемых (тиристорах, транзисторах). Управляемые вентили подразделяются на два класса: с неполным управлением, с полным управлением. 1-й учебный вопрос Вентили с неполным управлением 2-й учебный вопрос Вентили с полным управлением Заключение Разработал доцент Ляпин В.Г. "29" августа 2014 г. 14.1. Виды и параметры агрегатов бесперебойного питания В настоящее время существует множество типов и разновидностей агрегатов бесперебойного электропитания (АБП). Принципы работы АБП могут различаться очень сильно, однако в любом АБП всегда присутствуют основные структурные элементы, а именно: • входной фильтр; • аккумуляторная батарея; • зарядное устройство; • выходной преобразователь напряжения; • переключающее устройство. Входной фильтр необходим для снижения влияния электромаг­нитных помех в сети на защищенного АБП потребителя. Сеть элек­троснабжения предприятия связи является основным источником электроэнергии, аккумуляторная батарея — резервным. Зарядное устройство заряжает аккумуляторную батарею при наличии напря­жения в питающей сети. Выходной преобразователь напряжения осуществляет согласование параметров напряжения аккумуляторной батареи с требованиями защищаемой АБП нагрузки. Переключающее устройство подключает потребителя к основному или резервному источнику электроэнергии. Есть несколько критериев, по которым можно классифицировать АБП: по мощности, по типу и номиналу входного и выходного на­пряжения, по способу переключения питания с основного источни­ка энергии на резервный, по числу фаз. По мощности АБП можно разделить на маломощные с мощно­стями менее 1 кВт, АБП средней мощности (1 — 10 кВТ) и АБП боль­шой мощности (10 кВт и более). По способу организации переключения между основным и резерв­ным источником электропитания АБП разделяют на оффлайновые (резервные), линейно-интерактивные и онлайновые (двойного пре­образования). Большинство производимых и продаваемых в мире АБП пред­назначены для защиты потребителей синусоидального напряжения, поэтому в настоящей главе, если это специально не оговорено, речь идет об АБП, чье входное и выходное напряжение синусоидаль­ное. Наибольшее распространение получили резервные (часто назы­ваемые оффлайновые, от англ, off-line)АБП, чья структурная схема приведена на рис. 14.1. Напряжение питающей сети попадает на входной фильтр Ф, где происходит очищение его от помех. Если на­пряжение питающей сети удовлетворяет требованиям к его качеству (для сетей переменного напряжения это действующее значение и частота первой гармоники), то переключатель Sподключает нагруз­ку непосредственно к сети. Если напряжение в сети не удовлетворя­ет требованиям к его параметрам, то переключатель Sподключает нагрузку к выходному инвертору напряжения И. Инвертор напряже­ния И получает энергию от аккумуляторной батареи АБ. Для заряда аккумуляторной батареи используется зарядное устройство ЗУ, по­лучающее энергию от первичной сети. Типовое значение напряжения аккумуляторной батареи АБ — 12 В, поэтому необходим повышающий преобразователь постоянного напряжения ППН, который повышает напряжения с 12 В до требуемого уровня (для однофазного выхода 350 — 400 В). Задержка времени переключения потребителя с основ­ного источника энергии на аккумуляторную батарею для резервных АБП составляет от 2 до 15 мс. Эта задержка необходима, чтобы ис­ключить хаотичные переключения как реакцию на помехи. Совре­менные ЭВМ (основной потребитель энергии от резервных АБП) работают без сбоев при пропадании питающего напряжения на 10 — 20 мс, таким образом, в работу ЭВМ резервные АБП сбоев не вносят. Если же нагрузка не терпит даже столь кратковременных про­валов напряжения, то следует выбирать иные типы АБП. Достоин­ствами резервных АБП являются их низкая стоимость и высокая надежность. Однако качество напряжения на выходе АБП практиче­ски такое же, как и в питающей сети, выходное напряжение может пропадать на время задержки переключения. В основном резервные АБП выпускаются для бытовых потребителей; как следствие, мощ­ность большинства резервных АБП лежит в пределах 0,3 — 2 кВт, выполнены они по однофазной схеме. В линейно-интерактивном АБП, чья структурная схема приведена на рис. 14.2, напряжение питающей сети после входного фильтра Ф Рис. 14.1. Структурная схема резервного агрегата бесперебойного питания 168 Рис. 14.2. Структурная схема линейно-интерактивного агрегата бесперебой­ного питания попадает на стабилизатор переменного напряжения СН. Стабилиза­тор переменного напряжения представляет собой автотрансформатор (реже трансформатор) с несколькими отводами обмотки (вторичной обмотки). Если частота питающей сети лежит в требуемых пределах, то при изменениях напряжения питающей сети (повышение или по­нижение действующего значения) стабилизатор переключает отводы автотрансформатора так, чтобы значение напряжения на нагрузке оставалось неизменным. Если напряжение в сети выходит за пределы возможностей стабилизатора или пропадает вовсе, то нагрузку под­ключают к инвертору напряжения и энергия поступает от аккумуля­торной батареи. Качество напряжения на выходе линейно-интер­активных АБП выше, чем у резервных за счет работы стабилизатора. Вместе с тем введение дополнительного звена стабилизатора пере­менного напряжения ведет к удорожанию АБП и увеличивает его массогабаритные параметры. Стабилизатор переменного напряжения в линейно-интерактивных АБП способен в известных пределах ста­билизировать только действующее значение напряжения сети; ис­кажения его формы или отклонения частоты от номинальной не корректируются. В онлайновых АБП (от англ, on-line)качество выходного напря­жения не зависит от качества напряжения в сети. В штатном режиме онлайновый АБП, чья структурная схема приведена на рис. 14.3, питает нагрузку от выходного инвертора напряжения И. Источником энергии для инвертора может быть либо выпрямитель В, работающий от питающей сети, либо аккумуляторная батарея АБ. Источник энер­гии для инвертора определяется системой управления АБП в зави­симости от параметров напряжения в питающей сети. Дополнитель­ный переключатель S2(байпас) применяют для того, чтобы потре­битель мог получать электропитание непосредственно от сети. Байпас необходим для проведения профилактических работ с АБП или при аварии в цепях АБП. В отличие от двух предыдущих схем, где инвер­тор начинал работать только при пропадании напряжения в питаю­щей сети, в онлайновом АБП инвертор работает постоянно. Таким образом, качество выходного напряжения АБП не зависит от качества напряжения в сети. Рис. 14.3. Структурная схема онлайнового агрегата бесперебойного питания Как уже упоминалось выше, большинство выпускаемых АБП работают с переменными входным и выходным напряжениями. Такой тип АБП наиболее универсален, так как практически все современное оборудование работает от сети переменного тока. Несколько меньшее распространение получили АБП с переменным входным напряжени­ем и постоянным выходным и с постоянными входным и выходным напряжениями. Два последних типа АБП, как правило, совмещают в себе сразу две функции: источника вторичного электропитания и агрегата бесперебойного питания. Достаточно часто сами произво­дители таких АБП характеризуют их как источники вторичного электропитания с функциями гарантированного электропитания. АБП с постоянным выходным напряжением строятся только по он­лайновой схеме. В отсутствие аккумуляторной батареи эти АБП ра­ботают просто как источники вторичного электропитания. 14.1. Основные технические характеристики источников бесперебойного питания Параметры выходного напряжения. Выходной инвертор на­пряжения может формировать выходное напряжение различными способами. В наиболее дешевых АБП (выполненных по резервной схеме) выходное напряжение может формироваться прямоугольными импульсами, сглаженными выходным фильтром инвертора. Такая форма напряжения не вносит помех в работу ЭВМ с импульсными блоками питания, не содержащими 50 Гц входных трансформаторов. Вместе с тем желательно, чтобы выходное напряжение АБП форми­ровалось на основе ШИМ по синусоидальному закону. АБП с пере­менным выходным напряжением могут поддерживать только одно стандартное выходное напряжение (220 В/50 Гц или 110 В/60 Гц) или же позволять настраивать этот параметр. АБП с постоянным выход­ным напряжением могут иметь один или несколько уровней выход­ного напряжения, для нужд телекоммуникации чаще всего применя­ют АБП с выходным напряжением 24, 48 или 60 В. Мощность. Для АБП с переменным выходным напряжением следует разделять полную, активную и реактивную мощности. Полная мощность обозначается буквой S,единица измерения — вольт- амперы. Параметр рассчитывается как произведение действующих (среднеквадратичных) значений тока и напряжения. Значение полной мощности указывается изготовителем источника питания. При вы­боре АБП следует учитывать возможные значения коэффициента мощности нагрузки (подробнее о коэффициенте мощности см. главу 12). Кроме того, так как на выходе инвертора стоит /.С-фильтр, то с ростом тока нагрузки выходной фильтр инвертора может вносить реактивную составляющую в выходную мощность АБП. Как правило, для АБП с постоянным выходным напряжением производители указывают максимальную выходную мощность в ват­тах (киловаттах) и значение максимального выходного тока. Диапазон допустимых параметров входного питающего на­пряжения. Если входное питающее напряжение лежит в диапазоне допустимых параметров, то нагрузка получает энергию от питающей сети. Для АБП с синусоидальным входным напряжением определяю­щими являются действующее значение напряжения, его частота и коэффициент несинусоидальности. Для некоторых АБП диапазон допустимых значений параметров питающего напряжения может за­висеть от нагрузки. Например, при 100%-й нагрузке диапазон допу­стимого действующего значения входного напряжения может состав­лять +30/-10 % номинального, а при 50%-й нагрузке — ±30 % номи­нального. Онлайновые АБП могут работать в режиме универсального входа, т. е. получать энергию от сети действующим значением напря­жения от 87 до 250 В и частотой от 47 до 63 Гц. Время переключения режимов. Время переключения режимов характеризует инерционность источника бесперебойного питания; для разных источников это время составляет приблизительно до 2 — 15 мс. Допустимая нагрузка. Допустимая нагрузка характеризует устой­чивость источника бесперебойного питания при перегрузках по мощности; измеряется в процентах по отношению к номинальной мощности. Этот параметр определяет устойчивость ИБП к неста­ционарным перегрузкам, например, производитель может указать, что АБП способен в течение 1 с отдавать мощность, равную 110 % номинальной, без срабатывания встроенной защиты от перегрузки. Время автономной работы. Время автономной работы опреде­ляется емкостью аккумуляторной батареи и размером нагрузки. Для типовых источников бесперебойного питания небольшой мощности, питающих персональные ЭВМ, оно составляет 5 — 10 мин. Это время рассчитано на то, чтобы пользователь мог закрыть все работающие приложения с сохранением информации и выключить ЭВМ в нор­мальном режиме. Для АБП, обеспечивающих гарантированное электропитание серверов или предприятий связи, это время может достигать 1 ч или более. Как правило, время автономной работы рас­считывается исходя из необходимости поддерживать аварийноеэлектроснабжение до восстановления нормального электроснабжения или запуска аварийного дизель-генератора. Крест-фактор — отношение пикового значения потребляемого от АБП тока к действующему. Величина зависит от формы питающе­го напряжения и относится только к АБП с переменным выходным напряжением. Эта величина определяет, с каким предельным значе­нием крест-фактора может работать АБП без срабатывания защи­ты. Срок службы аккумуляторной батареи. Срок службы аккуму­ляторных батарей составляет 3 — 5 лет и сильно зависит от условий эксплуатации: частоты переключений в автономный режим, условий зарядки, окружающей среды. Как правило, производитель АБП ука­зывает, на какой режим работы рассчитан срок службы аккумулятор­ных батарей. Кроме того, производитель АБП или аккумуляторных батарей для него может указать периодичность тренировки батарей, т.е. прохождение батарей одного полного цикла разряд—заряд. Наличие холодного старта. Под холодным стартом понимают включение источника бесперебойного питания при отсутствии на­пряжения в питающей сети. Такая функция полезна, когда необхо­димо срочно выполнить какие-либо действия независимо от наличия напряжения в электросети. Возможность подключения дополнительных аккумуляторных батарей. Эта функция нужна для увеличения емкости аккумулятор­ных батарей и увеличения времени автономной работы АБП. Возможность параллельной работы АБП. Параллельное под­ключение к одной нагрузке двух преобразователей напряжения с независимым управлением недопустимо. Из-за разброса внутренних параметров преобразователей напряжения их выходные напряжения не будут равны друг другу, как следствие возникнет ток компенсации, который может достигать очень больших значений и привести к сра­батыванию защиты от перегрузки одного из АБП. В АБП с перемен­ным выходным напряжением также необходимо синхронизировать между собой фазу выходного напряжения, т. е. обеспечить отсутствие фазового сдвига между выходными напряжениями параллельно ра­ботающих АБП. Как правило, в таких системах существует основной АБП, к которому подключаются ведомые, синхронизирующие свое выходное напряжения с основным. Для АБП с постоянным выходным напряжением вопрос синхро­низации фазы не существует, следовательно, для АБП с постоянным выходным напряжением можно организовать равномерное распре­деление токов между параллельно включенными агрегатами без центрального контролирующего устройства. Распространенным ре­шением для АБП с постоянным выходным напряжением стало вве­дение искусственного наклона в выходную характеристику АБП. Это означает, что с ростом выходного тока АБП его выходное напряжение снижается, тогда происходит автоматическое выравнивание токовой загрузки параллельно включенных АБП. Для пояснения этого режи­ма взглянем на рис. 14.4, где приведены внешние характеристики двух АБП. У первого АБП (АБП1), чья внешняя характеристика обозна­чена цифрой 1, выходное напряжение незначительно выше, чем у второго (АБП2, характеристика 2). Если подключить эти два АБП к нагрузке параллельно, то выходное напряжение установится на уров­не UH,при этом АБП1 и АБП2 будут отдавать в нагрузки токи /н1 и /-2 соответственно. Суммарный ток, потребляемый от двух АБП, будет равен току нагрузки. При этом распределение токов через АБП будет неравномерным, но для современных АБП разница не будет превышать 10 %. Дополнительные сервисные функции. Современные АБП даже малой мощности могут выполнять дополнительные сервисные функ­ции. Как правило, это контроль напряжения первичной сети и кон­троль состояния батареи. АБП может информировать ЭВМ или операторов о пропадании питания от первичной сети, снижении емкости батареи, снижении заряда батареи и даже выдать команду на выключение персонального компьютера или сервера при снижении заряда в аккумуляторной батареи ниже безопасного уровня. Послед­няя функция важна для предотвращения аварийного выключения ЭВМ и серверов, вызванного разрядом батареи и отключением АБП. Для мощных АБП важна возможность интеграции с дизель-генера- торными установками. Тогда, через определенное время после про­падания электроэнергии в основной сети АБП подаст команду на запуск дизель-генераторной установки. Интеграция АБП и дизель- генераторной установки позволяет создавать системы гарантирован­ного электроснабжения, не требующие присутствия оператора для выполнения переключений между источниками электроэнергии. 14.2. Организация гарантированного электропитания При разработке системы гарантированного электропитания на основе АБП необходимо одновременно обеспечить решение несколь­ких инженерных задач. Система гарантированного электропитания должна обеспечить требуемую надежность, иметь запас по мощности для подключения к системе дополнительного оборудования или иметь возможность масштабирования по мощности, обеспечивать необхо­димое время работы от батарей и быть экономически эффективной. Для решения этих задач существует несколько подходов. Надежность системы гарантированного электроснабжения должна быть выше, чем надежность телекоммуникационного оборудования, так как вы­ход из строя системы гарантированного электропитания означает выход из строя всего телекоммуникационного узла. Часто при обнов­лении, замене телекоммуникационного оборудования для увеличения его пропускной способности растет мощность, потребляемая обо­рудованием от системы электроснабжения. На этот случай необхо­димо иметь запас по мощности у системы гарантированного электро­снабжения или возможность нарастить ее мощность без замены АБП на более мощный. Время автономной работы системы гарантирован­ного электроснабжения должно быть достаточным для перевода предприятия связи на резервный источник электроснабжения (соб­ственный дизель-генератор) или выполнения ремонта на подстан­ции. Существует несколько подходов при построении системы гаран­тированного электроснабжения. Одним из таких подходов является индивидуальная защита критических элементов системы связи. Этот подход известен из бытового применения, когда каждый персональ­ный компьютер питается от своего АБП. Так как критически важное телекоммуникационное оборудование обязательно дублируется, то даже при совпадении таких событий, как пропадание электроснаб­жения и выход из строя одного из АБП, перерыва в работе связи не произойдет, так как резервное оборудование будет получать электро­питание от другого АБП. Наращивание мощности не представляет проблем: при увеличении числа единиц оборудования с каждой новой подлежащей защите единицей оборудования покупается АБП. Реше­ние оставшихся двух задач в такой системе затруднено. Определить время автономной работы системы сложно из-за большого числа АБП разной мощности, с разной емкостью батарей. Причем, даже если все батареи в АБП имеют одинаковый срок службы и одинаковую начальную паспортную емкость, из-за различия в условиях работы, технологического разброса параметров батарей и различия в потре­бляемой от каждого АБП мощности, время автономной работы агре­гатов бесперебойного питания будет разным. Кроме того, АБП малой мощности, на которых в основном строится такая система, не пред­назначены для продолжительной работы, а типовое время их авто­номной работы лежит в пределах 5—15 мин и отсутствует возмож­ность подключения дополнительных батарей, поэтому увеличить время автономной работы нельзя. При покупке АБП разной номи­нальной мощности и через разные промежутки времени между за­купками скорей всего будут закуплены АБП разных типов и, вероят­но, разных производителей, что создаст дополнительные трудности при ремонте и обслуживании АБП. Подход с индивидуальной защитой каждой единицы критически важного оборудования оправдан только при небольшом числе единиц такого оборудования. Для защиты большого числа единиц оборудования экономически целесообразно использовать один АБП большой мощности (10 кВт и более), выполненный по онлайновой схеме. Здесь также возможны варианты исполнения, например, АБП устанавливается на входной подстанции предприятия и обеспечивает гарантированным электро­питанием все предприятие. Другое возможное решение: разделить оборудование на группы по какому-либо признаку (проще всего по его местоположению) и защищать своим АБП каждую такую группу. Скажем, для предприятия связи, на территории которого находится несколько зданий с размещенной в них телекоммуникационной ап­паратурой, в каждом здании находится свой АБП, защищающий только оборудование этого здания. Несмотря на высокую цену мощ­ных АБП, такое решение, в конечном счете, окажется дешевле, чем индивидуальная защита каждого потребителя. Проблемы с разным временем работы АБП от аккумуляторных батарей при таком под­ходе не существует. Однако надежность и возможности по наращи­ванию мощности этот вариант дает наименьшие. При выборе АБП необходимо будет сразу учесть запас по мощности для возможных модернизаций, так как нарастить мощность АБП в этом случае не­возможно. Придется либо выделять дополнительную группу обору­дования и защищать ее новым АБП, либо заменять недостаточно мощный АБП на более мощный. Критически важное телекоммуникационное оборудование обяза­тельно резервируется, но так как в системе энергоснабжения при­сутствует всего один АБП, то при выходе его из строя без защищен­ного электропитания останется и основное, и резервное оборудова­ние. Таким образом, вероятность непрерывного обеспечения связи не превосходит вероятность бесперебойного электроснабжения от АБП. Для повышения надежности можно использовать два АБП, подключаемые к сети гарантированного электроснабжения через автоматическое переключающее устройство. При таком варианте получается, что фактически один из двух мощных и дорогостоящих АБП большую часть времени простаивает, а проблемы с наращива­нием мощности только усугубляются, так как вместо замены одного АБП придется менять два. Третий подход для организации гарантированного электропита­ния — это использование модульной и параллельной структур агре­гатов гарантированного электропитания. При этом подходе исполь­зуются агрегаты бесперебойного питания, поддерживающие парал­лельную работу. Очевидно, что параллельное включение двух АБП одинаковой мощности удваивает их номинальную выходную мощ­ность. Таким образом, включая параллельно однотипные АБП, мож­но получить требуемую выходную мощность. Если необходимо на- растить выходную мощность АБП, то подключается необходимое количество дополнительных АБП. Для надежной работы параллельно включенных АБП необходимо, чтобы их суммарная выходная мощность превосходила мощность, потребляемую нагрузкой. Если один из параллельно включенных АБП выходит из строя, то ток распределяется между исправными АБП. Если мощность нагрузки превосходит суммарную мощность остав­шихся исправных АБП, то произойдет их перегрузка и аварийное отключение. Таким образом, в отсутствие запаса по мощности выход из строя одного из линейки параллельно включенных АБП приводит к аварийному отключению исправных АБП. Для того чтобы избежать аварийного отключения, применяют метод, называемый резервиро­вание N+x.Поясним этот метод на примере. Пусть нам необходимо обеспечить гарантированное электроснабжение некоторой нагрузки с максимальной потребляемой мощностью Ри, для чего в нашем рас­поряжении есть АБП номинальной мощностью Pups.Тогда N = PJPUPS дает нам минимальное число АБП, которое необходимо для защиты нагрузки. Если отношение PJPVPSбудет нецелым числом (что чаще всего и бывает на практике), то в качестве ./V принимают результат деления, округленный в большую сторону. После этого к числу Nмы добавляем положительное целое число jc,которое создает нам запас по мощности. В этом случае одновременный выход из строя jcАБП не приводит к аварийному отключению системы, так как оставших­ся 7УАБП достаточно для питания нагрузки. Очевидно, что мини­мальное значение х = 1. Но в этом случае на время ремонта или про­филактических работ с одним из АБП выход из строя одного из оставшихся приводит к аварийному отключению АБП. При х = 2 до­пустимо отключить один из них для проведения профилактических работ, технического обслуживания и т. п., при этом останется N + 1 АБП, чего достаточно для гарантированного питания нагрузки. При этом все АБП загружены равномерно и работают в одном и том же режиме, т.е. оборудование не простаивает и изнашивается одинако­во. Наибольшее распространение получило резервирование по схеме N+1, резервирование по схеме N+2 встречается реже. Для облегчения конфигурирования параллельной системы при­меняют модульный подход. При модульном подходе выпускаются не готовые АБП, а законченные функциональные узлы, из которых на­бирают систему бесперебойного питания. Такими узлами могут быть инверторы и преобразователи напряжения, наборы аккумуляторных батарей, контроллеры заряд батарей, управляющие модули и т.п. Для системы с постоянным выходным напряжением модульная система оказывается очень простой и удобной. Для построения полноценной системы бесперебойного питания достаточно трех ти­пов узлов: преобразователь напряжения, аккумуляторная батарея и контроллер заряда батарей. Преобразователи напряжения должны иметь два входа: один вход для основной питающей сети и один до- полнительный вл„д для подключения аккумуляторной батареи. Тогда при выходе параметров напряжения первичной сети за допустимые пределы и при наличии подключенной аккумуляторной батареи пре­образователь напряжения автоматически должен перейти на питание от батареи. Контроллер заряда должен определять состояние батареи, авто­матически подзаряжать ее от напряжения первичной сети и отключать от преобразователя напряжении для предотвращения сверхразряда батареи. Использование искусственного наклона выходной характе­ристики преобразователя напряжения позволяет осуществлять авто­матическое выравнивание токовой загрузки преобразователей на­пряжения. Увеличение времени работы от аккумуляторных батарей достигается подключением дополнительных батарей к контроллеру заряда, контроллер при этом должен обеспечить выравнивание токов и напряжений между аккумуляторными батареями. Для систем с переменным выходным напряжением необходимо добавить модуль центрального управляющего устройства, которое синхронизирует фазу выходного напряжения у всех инверторов и равномерно распределяет токовую нагрузку между ними. При этом для устройств с переменным выходным напряжением необходима дополнительная информационная шина, к которой подключены все инверторы и центральный управляющий модуль. Функции централь­ного управляющего модуля могут быть совмещены с функциями системы управления инвертором напряжения. Тогда один из парал­лельно включенных инверторов становится ведущим, остальные — ведомыми. Работу инверторов необходимо организовать так, чтобы при вы­ходе из строя ведущего инвертора один из ведомых брал на себя его функции. Для облегчения ремонта, обслуживания и профилактики моду­ли АБП выполняют поддерживающими так называемую «горячую замену». При «холодной замене» для извлечения из прибора неис­правного модуля необходимо отключить питание прибора, тем са­мым остановив его работу, заменить неисправный модуль и снова подать питание на прибор. В сетях бесперебойного электроснабже­ния такой подход неприемлем, так как он означает перерыв в рабо­те оборудования связи. Поддержка «горячей замены» означает, что модуль можно подключить к работающей сети гарантированного электропитания или отключить от нее без последствий для сети или модуля. Таким образом, применение параллельного резервирования в формате N+ 1 и модульной системы построения АБП с поддержкой «горячей замены» позволяет строить системы бесперебойного элек­тропитания с высокой надежностью, легким обслуживанием, простым и быстрым наращиванием мощности или времени работы от акку­муляторных батарей. 14.1. Алгоритм выбора «6П Приведем алгоритм расчета системы бесперебойного питания и выбора АБП. Вначале следует определиться, какой из трех подходов к построению системы бесперебойного питания будет применен: индивидуальная защита, центральная защита на основе одного АБП или АБП с резервированием, центральная защита на основе парал­лельной схемы включения АБП. Следующий этап заключается в составлении списка защищаемого оборудования. Если выбрана индивидуальная схема защиты, то не­обходимо предусмотреть автономное электропитание для системы аварийного освещения. Если выбрана схема на основе центрального АБП (интегрального или модульного), то необходимо отделить от­ветственное оборудование от неответственного или разделить обо­рудование по уровням ответственности. Например, розетки, к кото­рым подключают настольное освещение, бытовые приборы (электро­чайники и пр.) в защите не нуждаются. Большой класс оборудования, такой как принтеры, ксероксы и т. п., может потреблять большую мощность, но при этом не относиться к классу оборудования, отве­чающего за непрерывность работы связи. Следовательно, на пред­приятии связи желательно разделить сеть на две: сеть для электро­снабжения неответственных потребителей, не защищенную АБП; и защищенную АБП сеть для электроснабжения ответственных по­требителей. После этого определяют тип напряжения в защищаемой сети. При этом защищаемых сетей тоже может быть несколько, например, трех­фазная сеть переменного напряжения 380 В/50 Гц и сеть постоянно­го напряжения 24 В. Далее необходимо определить максимальную потребляемую обо­рудованием мощность и необходимое время автономной работы. Это время должно быть достаточным либо для безопасного сохранения данных и выключения оборудования, либо для перехода на электро­снабжение от альтернативной сети. Такой альтернативной сетью может быть дополнительная подстанция или аварийный дизель- генератор. Обычно дизель-генератор запускают не сразу после про­падания напряжения в первичной сети, а после некоторой задержки. Процессы запуска и остановки дизель-генератора занимают до не­скольких минут, поэтому перед запуском дизель-генератора вносят задержку, чтобы исключить ситуацию, при которой дизель-генератор запускается и тут же снова останавливается. Определившись со всеми вышеперечисленными параметрами, приступают к выбору оборудования. Время автономной работы и мощность АБП должны выбираться с небольшим запасом, учиты­вающим возможное снижение емкости батареи со временем; запас по времени автономной работы и мощности оптимально выбирать на уровне 10—20%. 13. Система электропитания Структурная схема системы электропитания предприятия связи Предприятия многоканальной электросвязи питаются напряжением как постоянного, так и переменного тока. Существуют следующие градации напряжения: 1. Электропитание аппаратуры линейно-аппаратного цеха (ЛАЦ) узла связи, а также пунктов регенерации (промежуточных, оконечных и узловых) кабельных и воздушных магистралей связи должно осуществляться напряжением -24В±3%,±10% постоянного тока. 2. Питание накальных цепей ламповой аппаратуры осуществляется напряжением-21,2В±3%. 3. Питание анодных цепей аппаратуры дальней связи должны питаться напряжением +206В±3%. 4. Питание радиорелейных линий связи обеспечивается напряжением –24В±3%,±10%. При внедрении волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) переходят к уровням напряжения питания : ±48 В, ±400 В и структура системы питания приближается к системе электропитания автоматической электросвязи. Дистанционное питание при этом ликвидируется. В ГОСТе 5237-83 оговариваются требования по качеству питающих напряжений, основные из них: действующее напряжение пульсации в полосе до 300 Гц лежит в диапазоне от 100 до 250 мВ, в полосе частот от 300 Гц до 20 кГц пульсации лежат в диапазоне от 5 до 25 мВ. Существуют также требования к динамическим показателям: напряжение питания может отклоняться от установившегося значения в пределах до +20% за время 0,4 с., при отклонении +40% от установившегося значения за время не более 5 мс. Требования к системе электропитания Система электропитания должна • быть эффективной с точки зрения преобразования энергии (высокий к.п.д и коэффициент мощности). Для этого источники электропитания строятся с бестрансформаторным входом по импульсной технологии (высокая частота преобразования); • обеспечивать гарантированную и бесперебойную подачу электроэнергии. Для этого используются резервные источники энергии (аккумуляторные батареи, дизель- генераторные установки, солнечные установки и т.д., а также обеспечивать два ввода); • быть надежной. Это достигается применением различных способов защиты системы питания (предохранительная, контакторная, быстродействующая - электронная). Кроме того, используется резервное оборудование (преобразователи) при параллельной их работе. Внедряется микропроцессорное управление режимами работы системы питания. Для обеспечения области безопасной работы ключевых элементов преобразователей используется режим "мягкой коммутации" и т.д.. • предусматриваться возможность модернизации отдельных блоков в течение 5…10 лет без замены основного оборудования; • быть по мере возможности не обслуживаемой. Для этого вводятся компьютерные технологии: в блоке управления имеет место интерфейс и микроконтроллер с выходом на дисплей пользователя. Структурная схема электроустановки Электрическая установка – это комплекс сооружений на территории предприятия связи и в производственных помещениях, обеспечивающий функционирование предприятия связи, как в нормальных так и в аварийных режимах его работы. Электроустановка включает в себя следующее оборудование: • дизель-генераторные установки (ДГУ); • трансформаторные подстанции (ТП); • электропитающие установки (ЭПУ); • система вентиляции и кондиционирования воздуха; • электросети освещения. ЭПУ – это комплекс оборудования, предназначенного для распределения и резервирования электрической энергии, а также ее регулирование и преобразование для удовлетворения требований по качеству питающих напряжений. ЭПУ включает в себя конверторы напряжения, аккумуляторные батареи, инверторы и токораспределительную сеть (ТРС). Система питания должна предусматривать два ввода (фидера) от двух независимых трансформаторных подстанций. Трансформаторная подстанция бывает открытого и закрытого типа. Она обеспечивает понижение напряжения от (5…10) кВ до 220/380В. На трансформаторной подстанции находятся масленые выключатели, которые позволяют размыкать высоковольтные линии электропередачи без снятия нагрузки. Размыкание происходит при прохождении тока через ноль, что позволяет уменьшить уровень перенапряжения. Кожух масляного выключателя заполняется маслом, что позволяет гасить искру. Кроме того, на ТП устанавливаются разъединители, которые представляют собой рубильники с изоляторами. Трансформаторы ТП устанавливаются на изолированных опорах. Вторичные цепи трансформаторов ТП должны быть включены по схеме звезда с нулевым проводом. АВР - автоматический ввод резерва, осуществляет переключение на резервный фидер в случае проподания напряжения на основном фидере. При выходе из строя обоих фидеров осуществляется подключение дизель- генераторной установки автоматически или ручным способом при помощи размыкателя. Существуют два способа запуска ДГУ: сжатым воздухом или с помощью электрического стартера. Запуск дизеля должен произойти за (1…3) минуты. Разрешается запускать его с помощью стартера до 3-х раз (по 5…6 с). Это обусловлено возможностью выхода из строя стартерных аккумуляторов. Мощность ДГУ лежит в пределах от 8кВт до 1500кВт. В системах электропитания чаще всего используется два ДГУ, один – основной, другой резервный. ЩПТА – щит переменного тока автоматизированный, обеспечивает ввод и распределение по потребителям токоведущих шин. На передней панели ЩПТА расположены измерительные приборы (вольтметр, амперметр, ваттметр, измеритель cosj) для контроля коэффициента мощности cosj и полной мощности S. где, S – полная мощность, P – активная мощность; Q – реактивная мощность, Z - составляющая мощности, учитывающая не синусоидальное потребление тока из сети. Полный коэффициент мощности нагрузки c определяется из выражения: , где n - коэффициент, учитывающий не синусоидальность потребляемого тока и равен j - учитывает фазовый сдвиг первой гармоники тока по отношению к напряжению сети. Для обеспечения минимальной оплаты за энергопотребление необходимо, чтобы c=1 , при этом также исключается влияние на источник электроэнергии. Расчет за электрическую энергию осуществляется по показателям, снимаемым с ЩПТА по одна -, двух - или трех - ставочным тарифам в зависимости от мощности потребления и категории предприятия. Одноставочный тариф учитывает только показания ваттметра (P), т.е.расчет производится за 1 кВт электроэнергии по показаниям счетчика. Двухставочный тариф учитывает помимо P расходы за полную мощность S. Трехставочный тариф учитывает три составляющие мощности P,S и Q. Блок выпрямительного устройства - преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока и допускает параллельную работу для увеличения тока нагрузки. Существует два режима работы выпрямительного устройства: • режим стабилизации напряжения для питания аппаратуры связи и подзарядки аккумуляторных батарей; • режим стабилизации тока для заряда аккумуляторных батарей после аварии. Инвертор напряжения - преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока прямоугольной или синусоидальной формы и обеспечивает его стабилизацию. Конвертор напряжения (или преобразователь постоянного напряжения) – это преобразователь постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня. Конвертор напряжения включает в себя инвертор напряжения и выпрямитель. Промежуточным звеном является - высокочастотный трансформатор. Конвертор напряжения может выполнять одну из двух функций в системе электропитания: • формировать дополнительные градации напряжения; • обеспечивать вольтодобавку к напряжению аккумуляторной батареи при ее саморазряде в аварийном режиме работы системы электропитания. Аккумуляторная батарея (АБ) – химический источник постоянного тока. Используется в качестве резервного источника энергии в аварийном режиме работы системы электропитания до момента запуска ДГУ. Контроллер следит за скоростью вращения генератора ДГУ, уровнем напряжения, наличием воздуха, топлива и воды, масла, за давлением масла, которое используется для смазки ДГУ, за повышением температуры воды и т.д. Контроллер также обеспечивает выравнивание токов на выходе выпрямителей для повышения надежности системы, и переход из режима стабилизации тока в режим стабилизации напряжения по информации поступающей от устройств контроля состояния АБ. Система вентиляции и кондиционирования воздуха (СВ и К) обеспечивает нормальное функционирование (что также повышает надежность системы) преобразователей напряжения, ДГУ, аккумуляторных батарей. СВ и К регулирует процессом охлаждения или подогрева отдельных устройств. При зарядке аккумуляторной батареи происходит выделение газов в окружающую среду, поэтому необходимо производить очистку воздуха для обеспечения нормальной жизнедеятельности персонала. СВ и К обеспечивает циркуляцию воздуха и очистку от вредных примесей. Модем предназначен для передачи на обработку, информации о состоянии системы электропитания в сервисный центр обслуживания по телефонным каналам. Режимы работы системы электропитания Нормальный режим: электропитание аппаратура связи получает по цепи: основной фидер, замкнутый контакт (К1), АВР, ЩПТА, выпрямители и ответвления на конвертор напряжения, инвертор напряжения и аккумуляторную батарею. Если нестабильность сети выходит за нормы допустимые для питающего оборудования или аппаратура связи предъявляет высокие требования к питающим напряжениям переменного тока, то инвертор напряжения включается и в нормальном режиме работы. В этом режиме происходит подзаряд АБ от выпрямителя. Аварийный режим: до момента запуска ДГУ питание основного оборудования осуществляется от АБ постоянным током. Аппаратура, питающаяся переменным током подключается к инвертору напряжения. При пропадании питания от одного из фидеров сразу же происходит запуск ДГУ. После окончания его запуска питание аппаратуры связи протекает по тому же пути, как и в нормальном режиме (только вместо K1 или K2 замыкается КЗ). После запуска ДГУ происходит отключение АБ. После аварийный режим: происходит восстановление элементов АБ в режиме стабилизации тока при подключении одного из фидеров. Модификации системы электропитания в цепи постоянного тока На предприятиях связи используются три модификации системы электропитания на стороне постоянного тока: 1. Буферная система электропитания. 2. С отделенной от нагрузки АБ. 3. Безаккумуляторная система электропитания. Буферная система электропитания Преимуществом буферных систем электропитания является: использование сглаживающих свойств АБ, что значительно уменьшает габаритные размеры сглаживающих фильтров, установленных на выходе БВ. Недостатком данной системы является воздействие импульсной нагрузки на АБ, что снижает срок службы и, особенно, герметичных аккумуляторов. Диод (VD), установленный во внешюю цепь необходим для обеспечения непрерывного протекания тока в момент срабатывания контактора К1. Недостатком использования является увеличение потерь в схеме конвертора напряжения. Существуют схемы подключения конвертора напряжения без использования диода, но с двумя контакторами. В такой схеме имеет место более высокий КПД, но при этом снижается надежность системы. При саморазряде АБ ВДК добавляет недостающую долю напряжения для обеспечения стабилизации напряжения в нагрузке. В нормальном режиме работы контактор К1 разомкнут, элементы АБ поддерживают нормальное состояние от БВ, одновременно обеспечивается питание основного оборудования от выпрямителя. В аварийном режиме замыкается контактор К1 и выход ВДК соединяется последовательно с АБ, вход ВДК при этом подключается к выходу АБ. С отделенной от нагрузки АБ Достоинством данной системы электропитания является отсутствие влияния импульсной нагрузки на работу АБ. К недостаткам можно отнести: низкий КПД основного выпрямителя (ОВ) за счет больших габаритных размеров сглаживающих фильтров и дополнительного выпрямителя- выпрямителя содержания (ВС) элементов АБ. В нормальном режиме работы системы электропитание аппаратуры обеспечивается за счет ОВ, элементы АБ подзаряжаются от ВС. Устройство управления ключом (УУК) контролирует напряжение в нагрузке. При снижении его ниже допустимой нормы срабатывает электронный ключ (тиристорный или транзисторный) и подготавливается замыкание контактора К1. Преимуществом данной системы является содержание элементов АБ от отдельного выпрямителя, что предоставляет возможность перехода в режим стабилизации по току не только в после аварийном режиме , но и при работе системы на нагрузку. Безаккумуляторная система электропитания Данная система электропитания требует наличие не менее трех независимых источников энергии, один из которых дизель- генератор. В этой системе всегда работает парное число выпрямителей (при этом улучшается форма потребляемого тока) и они должны быть загружены не более чем на 50%. Преимуществом данной системы является простота схемы построения, дешевизна системы. При выходе из строя одного из фидеров замыкается К2 и выпрямители подключаются к другому фидеру. Модификации систем питания в цепи переменного тока (АБП – агрегаты бесперебойного питания) Существуют следующие модификации систем электропитания в цепи переменного тока: 1. С переключателем (off line). 2. Линейно – интерактивная (line interactive). 3. С гальванической развязкой цепей (on line). 4. С дельта – преобразованием (on line). С переключателем (off line) Преимуществом данной структуры является: низкая стоимость, простота конструкции. К недостаткам можно отнести: низкое качество питающих напряжений из-за отсутствия стабилизаторов напряжения в цепи переменного тока. В нормальном режиме работы питание осуществляется через фильтры помех ФП1 и ФП2. ФП1 защищает от высоких "бросков" напряжения, возникающих при воздействии молний и переходных процессов при "коротких замыканиях". ФП2 улучшает гармонический состав напряжения (обеспечивает фильтрацию высокочастотных помех). В нормальном режиме АБ подзаряжается от выпрямителя. При прекращении подачи электроэнергии от основного источника напряжения переменного тока U1 аппаратура получает питание от резервного источника энергии - АБ через инвертор напряжения. Переключатель S1 в этом режиме переходит в нижнее положение. Эта система не предусматривает отключение АБ при достижении минимально допустимого уровня напряжения на элементе АБ, т.е. не предусматривает защиту АБ от глубокого разряда. Линейно – интерактивная (line interactive) В нормальном режиме работы аппаратуры получает питание через помехоподавляющий фильтр (ФП), устройство коррекции (УК), ключ S1 находится в разомкнутом положении. УК представляет собой автотрансформатор с отводами, которые переключаются механическими контактами, либо электронными ключами, регулируя тем самым выходное напряжение. УК выполняется иногда в виде феррорезонансного стабилизатора. Аварийный режим совпадает со структурой off line. С гальванической развязкой цепей (on line) В нормальном режиме аппаратура получает питание через фильтр помех, выпрямитель, инвертор напряжения и статический переключатель. В данной структуре повышено качество питающего напряжения за счет стабилизации методом широтно- импульсного преобразования в звене инвертора напряжения. Аварийная цепь обеспечивает резервирование основной цепи. Дополнительная цепь, коммутируемая ключом S1 в случае выхода из строя преобразователей или при глубоком разряде АБ, называется обходным путем, т.е. байпасом. Статический переключатель включает в себя электронные ключи (выполненные на транзисторах или паре встречно-параллельных тиристоров, а также контакторов). С дельта – преобразованием (on line) При понижении питающего напряжения U1 дельта-инвертор работает как выпрямитель, основной инвертор напряжения выполняет функции инвертора. При повышении напряжения U1 наоборот, блок основного инвертора напряжения работает как выпрямитель, а блок дельта- инвертора как инвертор. Т.е. преобразователи в структуре являются обратимыми устройствами и они оказывают воздействие на входной трансформатор. Достоинством данной системы является высокое качество питающих напряжения, высокий к.п.д. системы. 11 ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ Генераторы синусоидальных колебаний Генераторы синусоидальных колебаний – это устройства, преобразующие энергию постоянного тока в энергию электрических колебаний синусоидальной формы. Генератор представляет собой резонансный усилитель, охваченный положительной обратной связью (рисунок 11.1). Рисунок 11.1 – Генератор синусоидальных колебаний В рассматриваемой схеме обратная связь осуществляется с помощью катушки , индуктивно связанной с катушкой колебательного контура . При подаче питающих напряжений в коллекторной цепи транзистора возникает нарастающий ток. В результате появится ЭДС самоиндукции и в колебательном контуре возникнут собственные колебания с частотой , которые затухли бы через некоторое время из-за потери мощности на активном сопротивлении контура. Но, благодаря наличию катушки обратной связи, часть переменного напряжения подаётся на участок база-эмиттер транзистора. В результате колебания усиливаются и суммируются в фазе с колебаниями контура и поддерживаются незатухающими. В начальный период колебания будут нарастать по амплитуде, но благодаря нелинейности входных и выходных характеристик транзистора, наступает стационарный колебательный процесс с постоянной амплитудой. Однако генератор может и не возбудиться, если не будут выполнены два условия: 1 – баланс фаз; 2 – баланс амплитуд. Смысл первого условия состоит в том, что трансформируемые колебания из контура в цепь обратной связи после их усиления транзистором должны совпадать по фазе с возникшими колебаниями в контуре. Необходимо напомнить, что усилитель с общим эмиттером изменяет фазу входного сигнала на 180°. Смысл второго условия состоит в том, что обратная связь должна быть достаточной, чтобы скомпенсировать потери в колебательном контуре. Аналитически это записывается так , (11.1) где - модуль коэффициента обратной связи; – модуль коэффициента усиления усилителя. Это значит, что напряжение собственных колебаний, пройдя цепь обратной связи и усилитель, должно превосходить первоначальное значение. В установившемся режиме . (11.2) Условие баланса фаз обеспечивается правильностью подключения концов катушки обратной связи . При неправильном её включении генератор не возбудится. Баланс амплитуд обеспечивается за счёт геометрического расположения относительно , числом её витков, а также параметрами транзистора. Кроме рассмотренной схемы существуют ряд других.