Энергоснабжение телекоммуникационных систем для специальности МТС
учебно-методический материал

Преобразователи постоянного напряжения

Для функционирования аппаратуры связи иногда возникает необходимость преобразования постоянного напряжения одного номинала в постоянное напряжение другого номинала. Эту задачу выполняют различные преобразователи постоянного тока, а именно: электромашинные, электромеханические, электронные и полупроводниковые.

В полупроводниковом преобразователе энергия постоянного тока превращается в энергию прямоугольных импульсов с помощью переключающего устройства. В качестве основных элементов этого устройства используются транзисторы и тиристоры.

 Преобразователи с выходом на переменном токе называются инверторами. Если выход инвертора, соединить с выпрямителем, включающим сглаживающий фильтр, то на выходе устройства, называемого конвертором, можно получить постоянное напряжение Uвых, которое может существенно отличаться от напряжения на входе UBX,, т.е. конвертор — это своеобразный трансформатор постоянного напряжения.

При высоком значении питающего напряжения, а также при отсутствии ограничений по массе и объему преобразователи рационально выполнять на тиристорах. Полупроводниковые преобразователи на транзисторах и тиристорах подразделяются на нерегулируемые и регулируемые, причем последние используются и как стабилизаторы постоянного и переменного напряжения.

По способу возбуждения колебаний в преобразователе различают схемы с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Схемы с самовозбуждением представляют собой импульсные автогенераторы. Схемы с независимым возбуждением состоят из задающего генератора и усилителя мощности. Импульсы с выхода задающего генератора поступают на вход усилителя мощности и управляют им.

1)Преобразователи с самовозбуждением:

Преобразователи с самовозбуждением выполняются на мощности до нескольких десятков ватт. В радиоустройствах они нашли применение как маломощные автономные источники, электропитания и как задающие генераторы мощных преобразователей, Структурная схема преобразователя с самовозбуждением приведена на рис. 1.

Рис. 1 - Структурная схема преобразователя напряжения с самовозбуждением

На вход преобразователя подается постоянное питающее напряжение UBX. В автогенераторе постоянное напряжение преобразуется в напряжение, имеющее форму прямоугольных импульсов. Прямоугольные импульсы с помощью трансформатора изменяются по амплитуде и поступают на вход выпрямителя, после которого на выходе преобразователя (конвертора) получим требуемое по величине и напряжение постоянного тока Uвых. При прямоугольной форме импульсов выпрямленное напряжение по форме близко к постоянному, вследствие чего упрощается сглаживающий фильтр выпрямителя.

2) Однотактный преобразователь напряжения:

В основе работы схемы (рис. 2), как и большинства преобразователей, лежит принцип прерывания постоянного тока в первичной обмотке импульсного трансформатора с помощью транзистора, работающего в ключевом режиме.

Рис. 2 - Однотактный полупроводниковый преобразователь напряжения с самовозбуждением

В коллекторную цепь транзистора включена первичная обмотка трансформатора ωк, в эмиттерно-базовую цепь — обмотка обратной связи ωб. Поскольку обмотки ωк и ωб размещаются на одном магнитопроводе, то существующая между ними магнитная связь и порядок подключения концов обмоток обеспечивают в итоге положительную обратную связь в автогенераторе.

При подключении источника постоянного тока UBX в цепи коллектора транзистора VT и в обмотке ωк начинает: протекать ток, который вызывает нарастающий магнитный поток в магнитопроводе импульсного трансформатора. Этот поток, воздействуя на обмотку обратной связи ωб, наводит в ней ЭДС самоиндукции, причем обмотка ωб включается, относительно обмотки ωк таким образом, чтобы ЭДС, наведенная в ней, еще больше открыла транзистор (для р-п-р транзистора на базе относительно эмиттера создается дополнительное отрицательное напряжение). Когда магнитный поток достигнет насыщения, исчезнут ЭДС и токи в обмотках, появится противо-ЭДС, запирающая транзистор, и процесс начнется сначала. Необходимо отметить, что при открытом транзисторе VT вследствие небольшого значения его внутреннего сопротивления весьма небольшим будет падение напряжения на нем, даже при токе, равном току насыщения. Поэтому в этом случае практически все входное напряжение UBX приложено к первичной коллекторной обмотке трансформатора ωк.

В результате периодического включения транзистора по первичной обмотке трансформатора ωк потечет ток, импульсы которого будут иметь почти прямоугольную форму. Во вторичную обмотку трансформатора ωвых трансформируются импульсы той же формы, частоты следования и полярности; эти импульсы используются для получения выпрямленного напряжения с помощью однополупериодного выпрямителя. Резистор RБ в базе транзистора ограничивает ток базы.

Преобразователи описанного типа целесообразно применять при высоком значении выходного напряжения UBЫX и малых токах, в частности, для питания высоковольтного анода в электронно-лучевых трубках. Основным недостатком однотактной схемы автогенератора является постоянное подмагничивание магнитопровода, обусловленное тем, что ток по коллекторной (первичной) обмотке трансформатора течет только в одном направлении, Постоянное подмагничивание ухудшает условия передачи мощности из первичной обмотки трансформатора во вторичную, и поэтому однотактные автогенераторы используют при малых мощностях (несколько ватт), когда невысокий КПД не является определяющим фактором.

3) Двухтактный преобразователь напряжения:

Этот недостаток отсутствует в двухтактных схемах автогенераторов, которые позволяют не только увеличить КПД преобразователя, но и получить импульсы напряжения, по форме более близкие к прямоугольной, что упрощает сглаживающий фильтр и обеспечивает большее постоянство выпрямленного напряжения. В этих схемах целесообразно использовать схемы выпрямления, в которых отсутствует постоянное вынужденное подмагничивание магнитопровода (двухфазная двухполупериодная с выводом средней точки и однофазная мостовая).

В схемах двухтактных автогенераторов роль переключателей выполняют транзисторы, которые поочередно открываются и закрываются подобно транзисторам в схемах симмертичного мультивибратора. Такие схемы могут быть собраны с общим эмиттером, с общей базой и общим коллектором. Наибольшее распространение находит схема с общим эмиттером, которая при малых напряжениях источника Uвх позволяет получить высокий КПД.

Двухтактный преобразователь напряжения, собранный по схеме с общим эмиттером (рис. 3), состоит из двух транзисторов VT1 VT2 и трансформатора, имеющего три обмотки: коллекторную (состоит из двух полуобмоток ωК1 и ωК2), базовую (состоит из двух полуобмоток ωБ1 и ωБ2) и выходную ωВЫХ. Как и в однотактном преобразователе, коллекторная обмотка является первичной, а базовая — обмоткой обратной связи.

Рис. 3 - Двухтактный полупроводниковый преобразователь напряжения, собранный по схеме с общим эмиттером

Магнитопровод трансформатора выполняется из материала с прямоугольной петлей гистерезиса (рис. 4, а).

Рис. 4 - К принципу действия двухтактного преобразователя напряжения:

а — петля гистерезиса магнитопровода импульсного трансформатора;

б — диаграммы напряжений, магнитного потока и токов в схеме

В качестве материала для магнитопровода используется пермаллой и ферриты различных марок. Делитель напряжения R1R2 обеспечивает запуск преобразователя, поскольку при включении питающего напряжения Uвх на резисторе R1 (рис. 3) появляется небольшое падение напряжения (в среднем 0,7 В), минус которого приложен к базам транзисторов. Это напряжение выводит рабочую точку транзистора в область больших токов, обеспечивая самовозбуждение генератора. Конденсатор С1 повышает надежность процесса самовозбуждения. Емкость С1 подбирается экспериментально; значение ее находится в пределах от 0,1 до 2 мкФ.

Принцип работы схемы двухтактного преобразователя состоит в следующем. При включении напряжения питания Uвх падение напряжения на R1 откроет оба транзистора VT1 и VT2, при этом вследствие разброса параметров транзисторов токи iК1 и iК2, протекающие по ним, не могут быть совершенно одинаковыми. Допустим iК1 > iК2 при этом в магнитопроводе трансформатора возникнет магнитный поток, направление которого определяется преобладающим током коллектора iК1 (рис. 3, направление iК1 показано сплошными стрелками). Этот поток наводит ЭДС на всех обмотках трансформатора (рис. 3, знаки без скобок), причем ЭДС, наводимая в базовых полуобмотках ωБ1 и ωБ2, создаст на базе VT1 «минус», а на базе VT2 «плюс», что приведет к еще большей разнице в токах iК1 и iК2. Благодаря положительной обратной связи в схеме процесс открытия VT1 и закрытия VT2 протекает лавинообразно и весьма быстро приводит транзистор VT1 в режим насыщения. К полуобмотке ωБ1 окажется приложенным напряжение

(1)

где Uкэ1нас —падение напряжения на открытом транзисторе VT1.

Транзистор VT1 будет открыт до тех пор, пока магнитный поток трансформатора не достигнет значения Фs (поток насыщения). Как видно из рис. 4, а при прямоугольной петле гистерезиса трансформатора магнитный поток далее почти не изменяется, оставаясь практически постоянным, а, как известно из теории трансформаторов (гл. 1), при постоянном магнитном потоке в обмотках трансформатора ЭДС наводиться не может. По этой причине в момент достижения магнитным потоком значения Фs исчезают (или становятся весьма малы) ЭДС во всех обмотках трансформатора, а соответственно и токи в этих обмотках.

Резкое уменьшение токов в обмотках вызывает появление в них ЭДС противоположной полярности (рис. 3, знаки в скобках), т.е. на базе VT1 появится положительное напряжение по отношению к эмиттеру и транзистор VT1 закроется, а на базе транзистора VT2 появится отрицательное напряжение по отношению к эмиттеру, что приводит к отпиранию VT2 и к появлению тока iК2 в полуобмотке ωК2 (направление iК2 показано пунктиром). Это вызывает увеличение отрицательного напряжения в базе VT2 и дальнейший рост тока iК2; этот процесс протекает лавинообразно и весьма быстро приводит транзистор VT2 в режим насыщения. В результате (при открытом VT2) к полуобмотке ωк2 окажется приложенным напряжение:

(2)

Таким образом, напряжение на каждой из полуобмоток ωк1 и ωк2 определяется формулами (1) и (2) и имеет форму прямоугольных импульсов (рис. 4, б, график ик).

Скорость, с которой происходит процесс отпирания и запирания транзисторов, т. е. крутизна фронтов импульсов Uк в значительной степени зависит от собственной (паразитной) емкости транзисторов и обмоток трансформаторов, а также от индуктивности рассеяния трансформатора. Искажение прямоугольной формы напряжения Uк, вызванное перечисленными факторами, приближает ее к синусоидальной, что ухудшает условия работы транзисторов, поскольку переход схемы из одного состояния в другое происходит медленно и на транзисторах выделяется дополнительная мощность, увеличивающая их нагрев. Во вторичную обмотку ωвых трансформируются импульсы выходного напряжения Uвых, параметры которого определяются соотношением ωк и ωвых.

Частота генерации преобразователя согласно

(3)

где Uкэнас —падение напряжения на транзисторе в режиме насыщения; Ur —падение напряжения на активном сопротивлении половины первичной обмотки трансформатора, В; ωк— число витков половины вторичной обмотки (ωк=ωк1=ωк2); Bs —значение индукции насыщения, Тл; Sc — площадь сечения магнитопровода трансформатора.

Как видно из (3), частота генерации преобразования fп зависит от напряжения источника питания UBX и от тока нагрузки I0. Дело в том, что при увеличении тока нагрузки увеличивается ток на выходе инвертора (IВых), а следовательно, возрастает ток в первичной обмотке (ток Iк). Увеличение тока Iк приведет к увеличению падения напряжения на ней, т. е. Ur, и согласно формуле (3) частота fп уменьшится.

При коротком замыкании на выходе преобразователя транзисторы VT1 и VT2 выходят из режима насыщения и генерация срывается. При устранении короткого замыкания схема легко возбуждается; таким образом, данная схема нечувствительна к коротким замыканиям.

Преобразователи напряжения на тиристорах

В мощных преобразовательных устройствах для преобразования высоких питающих напряжений применяют инверторы на тиристорах, обладающих двумя устойчивыми состояниями. Тиристоры выпускаются на напряжения до нескольких киловольт и токи до сотен ампер при прямом падении напряжения в единицы вольт. Поэтому преобразователи на тиристорах обеспечивают большие мощности с высоким КПД.

Тиристорные инверторы, в которых коммутация осуществляется специальными устройствами и нагрузка которых не содержит других источников энергии переменного тока, называются автономными. Частота коммутации автономного инвертора определяется частотой работы системы управления тиристорами.

Автономные тиристорные инверторы предназначены для преобразования постоянного напряжения в переменное промышленной частоты. Они подразделяются на инверторы тока и напряжения. В инверторах тока осуществляется преобразование тока, а форма напряжения зависит от нагрузки. Для поддержания постоянства потребляемого от источника тока они подключаются к источнику инвертируемого постоянного напряжения через дроссель с большой индуктивностью, который включается в последовательную ветвь инвертора.

Инверторы напряжения подключаются непосредственно к источнику преобразуемого напряжения. При этом на выходе инвертора напряжения параллельно источнику включается конденсатор С. Коммутацию тока в тиристорных инверторах выполняют реактивные элементы — конденсаторы и дроссели.

Тиристоры в инверторе работают в ключевом режиме. Включение их осуществляется устройством управления, представляющим собой генератор импульсов — автогенератор, мультивибратор, блокинг-генератор. Причем управляющие импульсы поступают на управляющие электроды тиристоров в противофазе. Для выключения тиристора необходимо уменьшить его анодный ток до значения, меньшего тока удержания, а к промежутку анод — катод приложить отрицательное обратное напряжение на время, достаточное для восстановления управляемости тиристора (т. е. запирающих его свойств). Это достигается применением в инверторе коммутирующего конденсатора, который обеспечивает подачу на анод отрицательного напряжения относительно катода.

По способу подключения коммутирующего конденсатора Ск к нагрузке схемы тиристорных инверторов разделяют на параллельные, последовательные и последовательно-параллельные.

На рис. 1 приведена схема двухтактного параллельного тиристорного инвертора, который состоит из тиристоров VS1 и VS2, схемы управления СУ, коммутирующего конденсатора Ск, дросселя L и диодов VD1 и VD2. Первичная обмотка трансформатора TV имеет вывод от средней точки 0 и двух точек 1 и 2, к которым подключаются диоды VD1 и VD2.

Рис.1 – Схема преобразователя напряжения на тиристорах

В первый полупериод под действием управляющего импульса открыт тиристор VS1, а тиристор VS2 закрыт. При этом ток от источника питания будет протекать через верхнюю половину первичной обмотки трансформатора ТV, тиристор VS1.

Дроссель этот ток индуктирует в нижней половине обмотки трансформатора TV ЭДС, равную ЭДС в верхней половине обмотки, но противоположную по знаку, т. е. минус будет у средней точки обмотки, а плюс — на нижнем ее конце. Поэтому к конденсатору Ск оказывается приложенным напряжение двух последовательно соединенных напряжений: от источника питания U0 и с нижней половины первичной обмотки трансформатора, тоже примерно равное U0. В результате конденсатор Ск заряжается до удвоенного значения напряжения источника питания, т. е. до Uс = 2U0. Такое же напряжение будет и на аноде тиристора VS1.

Во время второго полупериода управляющий импульс открывает тиристор VS2, Тиристор VS1 еще продолжает проводить ток. Но через открывшийся тиристор VS2 коммутирующий конденсатор Ск подключается параллельно VS1. С конденсатора Ск к тиристору VS1 прикладывается обратное напряжение, равное почти 2U и тиристор VS1 запирается разрядным током конденсатора Ск. Через открывшийся тиристор VS2 протекает ток, равный сумме тока і'с перезаряда конденсатора Ск, и тока  первичной обмотки. Конденсатор Ск перезаряжается до напряжения, почти равного 2Uо, но с обратной полярностью. Преобразуемое напряжение U0 прикладывается к первичной обмотке ω1", и ток в этой обмотке имеет направление, противоположное току, протекавшему в обмотке во время предыдущего импульса. При этом во вторичной обмотке ω2 формируется вторая (отрицательная) полуволна переменного напряжения.

При подаче следующего запускающего импульса на тиристор VS1 схема возвращается в исходное состояние, и процесс повторяется.

В результате поочередного включения и выключения тиристоров в полуобмотках трансформатора ТV происходит периодическое изменение токов и во вторичной обмотке наводится переменный ток, который далее выпрямляется выпрямительной схемой ВС и через фильтр Ф поступает в нагрузку. Таким образом, на выходе преобразователя создается постоянный ток при заданном напряжении. Дроссель Др ограничивает ток источника питания в те очень короткие промежутки времени, когда оба тиристора открыты одновременно.

Диоды VD1 и VD2 предназначены для пропускания к источнику питания Uо реактивной мощности, накопленной в индуктивности нагрузки и реактивных коммутационных элементах, в те моменты коммутации, когда один из тиристоров закрыт, а второй не проводит разрядный ток индуктивности.

Мостовая схема двухтактного тиристорного преобразователя приведена на рис.2. В первый полупериод управляющего напряжения положительные импульсы поступают одновременно на тиристоры VS1  и V43. Тиристоры открываются, и через них прорекает ток в первичную обмотку трансформатора ТV. В это же время конденсатор С заряжается до напряжения источника U0.

Рисунок 2- Мостовая схема двухтактного тиристорного преобразователя

Во время второго полупериода управляющего напряжения положительные импульсы поступают на тиристоры VS2 и VSз, и они открываются. Но в этот же момент положительный потенциал с конденсатора С поступает на катод тиристора VS1 и он закрывается. А на анод VS4 поступает отрицательный потенциал с конденсатора С, и VS3 тоже закрывается.

Затем пары тиристоров включаются поочередно. При этом через первичную обмотку трансформатора ТV будут проходить импульсы тока противоположных направлений, которые будут индуктировать переменный ток во вторичной обмотке трансформатора. В дальнейшем этот переменный ток выпрямляется выпрямительной схемой, сглаживается фильтром и подается в нагрузку.

Практическая работа № __

«Расчет двухтактного преобразователя напряжения»

Цель работы: научиться рассчитывать преобразователь постоянного напряжения на транзисторах.

Задание:

1. Зарисовать схему двухтактного преобразователя напряжений на транзисторах.
2. Пояснить назначение ППН.
3. Выписать исходные данные в соответствии с заданным вариантом.

Таблица 1 – Исходные данные

4. Выполнить расчет ППН.
5. Ответить на контрольные вопросы.

Методические указания по выполнению

1. Приведем схему двухтактного преобразователя на транзисторах и обозначим на схеме все элементы (см.рис.1).

Рисунок 1 – Схема ППН

2. Для выбора транзисторов и диодов будем использовать следующие данные:

– допустимый прямой ток диодов выпрямителя должен быть больше 10А (I0), допустимый средний ток – больше 5А (I0/2), обратное напряжение Uобр– больше 2Uн. Uобр = 2·6,3 = 12,6В;

– коллекторный ток транзисторов в насыщенном состоянии Iкн должен быть Iкн=I0*Uн/Еп=10·6,3/36 = 1,75А, допустимое напряжение коллектор-эмиттер Uкэ – больше 2Eп = 72 В.

3. Выберем в качестве вентилей выпрямителя [см.справочник] диоды 2Д213А у которых Iпр = 10 А; Eобр = 200 В; τд = 0,3 мкс; Uпр = 1 В. Из вольт-амперных характеристик диода 2Д213А находим Eпор = 0,6 В; rв = 0,04 Ом.
4. Выберем для инвертора транзисторы типа КТ903А [1], имеющие Iк = 3 А; Uкн = 1 В; Iб max = 0,6 А; Uкэ = 80 В; Uб max=1,5В; 

H21Э = 15÷70 при Iк = 3 А; Uбн = 1 В; τт = 0,06 мкс; Рк = 30 Вт; с теплоотводом и rтпк = 3,3 °С/Вт.

5. ЭДС одной из вторичных полуобмоток трансформатора:

U2 max = Uн + Eпор + I0·rв = 6,3 + 0,6 + 10 · 0,04 = 7,3 В  

6. Напряжение на первичной полуобмотке трансформатора:

Е1 max = Eп - Uкн= 36 - 1 = 35 В      

7. Коэффициент трансформации силового трансформатора:

n = U2 max/E1 max = 7,3/35 = 0,208  

8. Уточненное значение тока коллектора транзистора:

Iкн = n·I0 = 0,208·10 = 2,08 А    

что меньше допустимого для выбранного транзистора.

9. Разрядка конденсатора выпрямителя через еще не запертые диоды происходит по цепи, содержащей вторичную обмотку трансформатора. Так как первичная обмотка трансформатора в это время разомкнута, то он оказывает току разрядки большое индуктивное сопротивление, а ток разрядки конденсатора (обратный ток диода) крайне мал. Можно считать, что после запирания транзистора инвертора ток диода спадает, стремясь к нулевому значению, т. е:

Tрд ≈ 3τд = 3 · 0,3 = 0,9 мкс      

10. Коммутационные потери мощности при таком режиме запирания диода практически отсутствуют. Поэтому считаем, что:

Рд = 0,5(Eпор + rвI0) I0 = 0,5(0,6 + 0,04·10)·10 = 5 Вт  

Pтр = 0,5 Uкн ·Iкн = 0,5·1·2,08 = 1,04 Вт  

11. Оценим время рассасывания заряда неосновных носителей в базах транзисторов КТ903А (VT1 и VT2):

Tрт = τт ·ln[3kф/(2kф+ 1)] = 0,6·ln[3·6,73/(2·6,73+ 1)] = 0,02 мкс

 где kФ = Iб max·H21Э max / Iкн = 0,2·70/2,08 = 6,73

12. Считая время задержки равным 0,1 от длительности импульса коллекторного тока полупериода, определим частоту переключения f = 50 кГц.
13. В рассчитанном инверторе габаритная мощность силового трансформатора

PТ габ = 0,5(2E1I1 + 2E2I2) =

= 0,5·(2 · 35 · 2,08 · 0,707 + 2 · 7,3 · 10 · 0,707) = 83,2 В·А    

14. Зная мощность трансформатора можно рассчитать сечение сердечника по эмпирической формуле:

Sс =Pтгаб /100  

15.  Из таблицы 1 выберем (с запасом) магнитопровод из феррита марки М2000НМ-1 типа К 15х6х20, у которого наружный диаметр составляет 15 мм, внутренний – 6 мм, высота – 20 мм, SС = 83,96 мм2 , где SС – площадь сечения магнитопровода.

Таблица 1 – Геометрические и эффективные параметры кольцевых сердечников

16. Зададимся плотностью тока в обмотках трансформатора J = 5 А/мм2, амплитудой магнитной индукции в магнитопроводе Bm = 0,12 Тл (феррит) и коэффициентами заполнения окна медью δ = 0,15 (кольцевой магнитопровод).
17. Найдем число витков во вторичной полуобмотке :

18. Принимаем W2 = 4. Тогда для первичной полуобмотки:

19. Оценим КПД преобразователя. Мощность, потребляемая от источника Eп1, равна сумме мощностей, выделяющихся на транзисторах VТ1 и VT2, трансформаторе и диодах выпрямителя. Таким образом, полная мощность, потребляемая от источника Eп2, становится равной:

Pпол = Рн + Ртр + Рд +Рт = 63+2+10+1,6 =76,68 Вт.

где Рн=Uн⋅I0 ;

Ртр - потери мощности в силовых транзисторах составляют 2 Вт;

Рд – потери мощности в диодах, Рд = Uпр⋅I0;

Рт – потери в трансформаторе, складываемые из потерь в стали и меди, Рт=Рс+Рм = 1,1+0,5 = 1,6 Вт.

20.   КПД определим по формуле:

η = Рпол/Рпотр

где Рпотр= Рн= Uн*I0 =6,3*10 =63Вт,

η = 63/76,6 = 0,822 = 82,2%

Контрольные вопросы:

1. Для чего нужен диодный мост в схеме ППН?
2. Расшифруйте обозначение магнитопровода М2000НМ-1 типа К 15х6х20.
3. В каком случае применяются ППН на тиристорах?

Структурная схема энергоснабжения  предприятия связи

По степени надёжности электроснабжения все электроприёмники подразделяются на три категории.

Предприятия электросвязи относятся к потребителям первой категории, и их энергоснабжение должно обеспечиваться от трех независимых источников. Два внешних ввода должны быть от отдельных электростанций, а третий – от собственной дизельной электростанции.

Система электроснабжения – 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.

Рисунок 1 - Структурная схема электроснабжения предприятия связи

Схема включает в себя такие устройства:

· трансформаторные подстанции (ТП1 и ТП2);

· дизель-генераторную установку (ДГУ);

· автомат ввода резерва (АВР);

· шкаф вводный распределительный  переменного тока (ШВР);

· электропитающую установку (ЭПУ);

· систему вентиляции и кондиционирования (СВиК);

· электросети освещения;

· систему мониторинга и управления (СМиУ).

ТП обеспечивают понижение напряжения от (6…10) кВ до 220/380 В трехфазного переменного тока промышленной частоты 50 Гц. Вторичные цепи трансформаторов подстанций должны быть включены по схеме «звезда» с нулевым проводом и иметь систему заземления.

АВР осуществляет переключение на резервный ввод 2 (фидер) в случае пропадания напряжения на основном вводе 1 (фидере). При пропадании напряжения на обоих фидерах осуществляется подключение ДГУ. Ее запуск выполняется автоматически сжатым воздухом или с помощью электрического стартера. Запуск дизеля должен произойти за 1…3 мин. Разрешается запускать его с помощью стартера до трех раз (по 5…6 с). Это обусловлено возможностью выхода из строя стартерных аккумуляторов. Мощность ДГУ лежит в пределах от 8 до 1500 кВт. Дизель по сравнению с бензиновым двигателем более экономичен, больше срок службы, но более тяжёл при запуске. Из холодного состояния дизель запускается 10…15 минут. Если поддерживать определённую температуру масла и охлаждающей жидкости, то длительность пускового режима сокращается до 20…30 сек.

В системах электроснабжения чаще всего используется два ДГУ: один основной, другой резервный.

ШВР обеспечивает ввод и распределение энергии по потребителям с помощью различных токоведущих шин, а также защиту потребителей от перегрузок по напряжению и токов короткого замыкания. На передней панели ШВР расположены измерительные приборы для контроля коэффициента мощности (cos j) и полной потребляемой мощности (S), а также автоматы защиты. Иногда в ШВР монтируют и АВР.

СВиК обеспечивает нормальное функционирование (что также повышает надежность системы) ЭПУ, ДГУ, аккумуляторных батарей. СВиК регулирует температурный режим отдельных устройств. При зарядке аккумуляторной батареи выделяются газы в окружающую среду, поэтому необходимо производить очистку воздуха для обеспечения нормальной жизнедеятельности персонала. СВиК обеспечивает циркуляцию воздуха и его очистку от вредных примесей.

СМиУ осуществляет контроль состояния всех основных узлов и передачу информации о них в сервисный центр. Для этого используется контроллер (устройство логического управления) и модем для передачи информации по телефонным каналам.

ЭПУ – это комплекс устройств, предназначенных для распределения электрической энергии, регулирования, резервирования, стабилизации и контроля качества питающих напряжений. Она включает в себя основное и резервное выпрямительные устройства (ВУ), инверторы (И) и конверторы (К) напряжения, аккумуляторную батарею (АБ), токораспределительную сеть (ТРС) и систему заземления.

ВУ преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока и может состоять из нескольких параллельно включенных выпрямителей для увеличения тока нагрузки. ВУ могут работать в двух режимах: в режиме стабилизации напряжения для питания аппаратуры связи и подзарядки АБ (нормальный режим); в режиме стабилизации тока заряда АБ после их разряда на нагрузку в условиях отсутствия напряжения переменного тока  (аварийный режим).

Инвертор напряжения преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока заданной частоты прямоугольной или синусоидальной формы и обеспечивает его стабилизацию.

Конвертор напряжения преобразует постоянное напряжение одного уровня в постоянное напряжение другого уровня. Конвертор напряжения включает в себя инвертор напряжения и выпрямитель. Промежуточным звеном служит высокочастотный трансформатор. Конвертор напряжения может выполнять одну из двух функций в системе электропитания:

· формировать дополнительные градации (уровни) напряжения;

· обеспечивать вольтодобавку к аккумуляторной батарее при ее разряде в аварийном режиме работы.

Аккумуляторная батарея – химический источник постоянного тока, используется в качестве резервного источника энергии в аварийном режиме до момента запуска ДГУ. После аварии происходит восстановление элементов АБ в режиме стабилизации тока от одного из источников переменного тока.

Гарантированное электроснабжение допускает пропадание напряжения на время до 30 секунд. Для электросвязи это недопустимо много. Поэтому предприятия связи должны быть обеспечены бесперебойным электроснабжением, что достигается постановкой на выходе выпрямителя аккумуляторной батареи, которая при пропадании сети (аварийный режим работы) обеспечивает нагрузку электроэнергией (буферные схема электропитания и источники бесперебойного питания будут рассмотрены в след.лекциях).

Категории приемников электроэнергии по степени надежности

По  надежности электроснабжения  приемники электроэнергии разделяют на три категории:

Электроприемниками первой категории  являются  электроприемники, перерыв в работе которых может привести к тяжелым последствиям: угрозе жизни людей,  крупному материальному ущербу, порче технологического оборудования, массовому браку в производимой продукции, сбою  в сложном технологическом процессе, срывам в работе коммунального хозяйства. К особой группе внутри первой категории электроснабжения относятся электроприемники, постоянная работа которых нужна для штатной остановки производства при спасении людей, предотвращении взрывов, возгораний и порчи дорого оборудования.  

Электроприемниками второй категории являются электроприемники, перерыв в работе которых ведет к сбоям в отгрузке продукции, простоям персонала, машин и механизмов, сбою нормальной жизнедеятельности населения.

 К электроприемникам третьей категории относятся все прочие электроприемники.

Электроприемники 1 категории электроснабжения надо обеспечивать электричеством от двух независимых источников питания. Два ввода взаимно страхуют друг друга и создают резерв электроснабжения. В случае отказа одного ввода, моментально автоматически подключается другой. Перебой в питании допустим лишь на время автоматического переключения вводов. Для особой группы первой категории электроснабжения должен быть предусмотрен третий независимый источник электропитания (аккумулятор, дизельный генераторы и т.п.).

Электроприемники 2 категории электроснабжения также рекомендуется запитывать от двух независимых источников питания. При отсутствии напряжения на первом вводе второй ввод включается вручную дежурным или членом аварийной бригады. Для воздушной линии допустимо использовать одну линию с возможностью ремонта в течении 24 часов. Для второй категории электроснабжения возможно  питание по одной кабельной линии из нескольких кабелей от одного аппарата. При возможности замены трансформатора за 24 часа допустима запитка от одного трансформатора.

Электроприемники 3 категории электроснабжения могут обеспечиваться электроэнергией от одного источника питания при возможности ремонта вышедших из строя узлов за сутки.

Собственные электростанции предприятий связи

Основным типом собственных электростанций (ЭС) предприятия связи  (ПС) являются дизель-генераторные станции. ЭС ПС могут занимать как отдельные здания, так и часть помещения технического здания, внутри которого находятся электроустановки. В состав дизель-генераторной установки (ДГУ) входят дизельные двигатели с системами охлаждения и запуска, синхронные генераторы, устройства контроля и автоматики, устройства отбора и распределения электроэнергии и АВР, а также топливная система с необходимыми емкостями.

Режимы работы ДГУ зависят от степени автоматизации устройств управления. На ПС в основном применяются установки с так называемой третьей степенью автоматизации, при которой автоматически обеспечивается поддержание частоты вращения, температуры охлаждающей жидкости, остановка с выдачей сигнала при повышении допустимой температуры и скорости вращения, снижении давления масла, пуск двигателя с выполнением необходимых предпусковых работ, прием нагрузки, пополнение расходных емкостей, управление работой вентиляции и отопления помещения электростанции. Кроме того, автоматически поддерживаются в заданных пределах такие электрические выходные параметры, как напряжение и частота переменного тока.

Собственная ЭС должна обеспечивать электроснабжением аппаратуру связи, сеть общего аварийного освещения, электродвигатели систем отопления и вентиляции и заряд аккумуляторных батарей устройств бесперебойного электропитания. Выбор мощности ДГУ следует проводить с учетом особенностей потребления устройств бесперебойного электропитания, в том числе коэффициента спроса нагрузки. Применение в электроустановке ПС устройств бесперебойного электропитания с «плавным стартом» позволяет заметно уменьшить установочную мощность дизель-генератора и улучшает качество переходного процесса при замещении сети переменного тока.

Дистанционное питание аппаратуры систем передачи

Установленные на АТС системы передачи (СП), применяемые для повышения пропускной способности соединительных линий, также питаются от ЭПУ, в состав которых входят устройства дистанционного питания (ДП).

Аппаратура СП может размещаться на станциях, в которых постоянно присутствует эксплуатационный персонал, или на полностью автоматизированных усилительных пунктах без постоянного присутствия персонала, называемых необслуживаемыми усилительными пунктами (НУП) или регенерационными пунктами (НРП).

В соответствии с принятыми принципами построения СП по коаксиальным и симметричным кабелям с медными жилами аппаратура НУП и НРП получает электроэнергию из обслуживаемых станций ОУП (ОРП) с помощью аппаратуры ДП по тем же проводам, по которым передаются информационные сигналы.

Дистанционное питание (ДП) аппаратуры линейного тракта в СП позволяет на магистрали автоматизировать до 98... 99 % всех станций, причем из общей мощности, потребляемой аппаратурой линейного тракта, примерно 90 % требуется для ДП. Отсюда следует, что в аппаратуре линейного тракта, устанавливаемой на ОУП (ОРП), заметная доля отводится устройствам ДП.

К основным особенностям этих устройств нужно отнести их способность работать в условиях резких изменений нагрузки и гарантировать высокую надежность. Нагрузки НУП (НРП), провода и устройства ДП объединяются в цепь ДП. Обычно аппаратура НУП (НРП) одной СП питается от одной цепи ДП. Указанное положение позволяет получать полную независимость каждой системы, что наряду с повышением живучести обеспечивает также большую их помехозащищенность.

Участок магистрали между двумя соседними ОУП (ОРП) называется секцией ДП. Аппаратура НУП (НРП) секции ДП может получать электроэнергию либо с одного ОУП (ОРП) (ДП по секциям), либо с двух соседних ОУП (ОРП), ограничивающих эту секцию (ДП по полусекциям). Во втором случае обычно в середине секции устанавливаются два шлейфа по ДП.

Рисунок 1 – Секция (а) и полусекция (б) ДП

Практическое занятие №13

«Изучение функциональной схемы ЭПУ-60В»

Цель работы: изучить принцип работы ЭПУ-60В.

Задание:

1. В соответствии с вариантом задания начертить схему ЭПУ-60В.

2. Пояснить назначение блоков схемы.

3. Рассмотреть работу схемы в буферном, аварийном и послеаварийном режимах.

4. Ответить на контрольные вопросы.

Исходные данные:

Контрольные вопросы:

1. Для чего предназначена ЭПУ-60В?

2. Что такое буферный режим работы?

3. Назначение АБ?

Методические указания по выполнению:

1. ЭПУ с применением блоков БВ и БАЗ.

ЭПУ с номинальным напряжением 60В для АТС, УАК ДАТС и телеграфных станций. Функциональная схема ЭПУ для максимального тока до 25 А с применением блоков БВ и БАЗ приведена на рисунке 1. В состав блока автоматики и заряда БАЗ входит выпрямитель подзаряда ПЗВ, вольтодобавочный выпрямитель ВДВ.

Буферный режим. 

При включении ключа в положение 1БВ электроснабжение переменного тока напряжением 220 В подается на первый выпрямитель 1БВ. В результате срабатывает реле P2 не показанное на схеме т.к. оно входит в состав выпрямителя и переводит свои контакты давая возможность для работы всех оставшихся в схеме реле Рп, Рд, Ра1, Рз, Ра2. Через замкнутый контакт реле Р2 срабатывают реле Ра1 и Ра2. Те в свою очередь замыкают цепь срабатывания реле Рп, которое самоблокируется своим же контактом и подключают к аккумуляторным батареям выпрямитель подзаряда. Далее обесточенное контактом реле Рп реле Рд отпускает и отключает вольтодобавочный выпрямитель. Последним срабатывает реле РЗ, подключая оставшийся вне работы выпрямитель 2 БВ. В этом режиме производится подзаряд батарей и питание нагрузки.

Цепь питания нагрузки следующая: плюс БВ, нагрузка, переведенный в положение 1 БВ ключ, минус БВ. Подзаряд аккумуляторных батарей производится от ПЗВ по цепи: плюс ПЗВ, аккумуляторные батареи, предохранитель, минус ПЗВ.

В случае, когда необходимо увеличить напряжение, подаваемое на аккумуляторные батареи, реле Рп отпускает, а реле Рд срабатывает, подключая своим контактом вольтодобавочный выпрямитель. Теперь питание батарей будет осуществляться от последовательно включенных выпрямителей БВ и ВДВ.

Рисунок 1 - Функциональная схема ЭПУ-60 В с применением блоков БВ и БАЗ

Аварийный режим. В случае перерыва в энергоснабжении контакты реле Р2 возвращаются в исходное состояние. Срабатывает реле Рб по цепи: плюс батареи, замкнутый в 1БВ контакт реле Р2, переведенный в положение 1БВ ключ, реле Рб, предохранитель, минус батареи и подключает своим контактом батарею на нагрузку. Время коммутации составляет 0,5 с.

Послеаварийный режим. При появлении напряжения в сети схема переходит в буферный режим. Нагрузка снова получает питание от выпрямителей БВ, а аккумуляторные батареи становятся на подзаряд.

2. ЭПУ с применением блока ШК-60/150.

ЭПУ для АТС с Iчнн от 25 до 140 А выполнена по буферной схеме с секционированной одногрупповой аккумуляторной батареей (28+3+2) (рис. 2). В состав ЭПУ входят выпрямительные устройства ВУК на номинальное напряжение 67 В и шкаф автоматической коммутации и заряда дополнительных элементов ШК -60/150.

В ЭПУ - 60 с применением ШК - 60/150 возможна коммутация в зависимости от режимов работы.

Рисунок 2- Функциональная схема ЭПУ-60 В со шкафом ШК-60/150

Буферный режим. Питание нагрузки осуществляется от рабочего БВ, который одновременно содержит основную аккумуляторную батарею ( ОЭ - 28 элементов ) при напряжении 2,2 В ±2% на элемент. Дополнительные элементы (1 гр. ДЭ - З элемента, 2гр. ДЭ - 2 элемента) подключены к выпрямителям содержания 1ВС и 2ВС. Цепь питания нагрузки следующая: плюс БВ, плюс на нагрузку, нагрузка, минус нагрузки, параллельно включенные предохранители, минус БВ. По цепи: плюс БВ, замкнутый контакт реле Р14, замкнутый контакт реле Р10, плюс основных элементов ОЭ аккумуляторных батарей, минус ОЭ аккумуляторных батарей, предохранитель Пр1, замкнутый контакт 4-5 ключа В1, минус БВ происходит подзаряд аккумуляторных батарей. Ключ В1 предназначен для перевода схемы в раздельное питание т. е., если замкнуты контакты 2-3 и 5-6 то БВ питает нагрузку и цепи управления и сигнализации, а РЗВ поддерживает ОЭ в заряженном состоянии. Если замкнуты контакты 1-2 и 4-5 ключа В1, то БВ и РЗВ включены в параллель и взаимодополняют друг друга при питании нагрузки и заряда ОЭ.

Аварийный режим. При пропадании напряжения сети батарея ОЭ разряжается на нагрузку: плюс ОЭ аккумуляторных батарей, замкнутый контакт реле Р10, замкнутый контакт реле Р14, плюс нагрузки, нагрузка, минус нагрузки, предохранители, замкнутый контакт 1-2 ключа В1, замкнутый контакт 4-5 ключа В1 , предохранитель Пр1, минус ОЭ. Реле РВ1 и РВ2 следят за напряжением на нагрузке. При снижении напряжения на нагрузке до 59 В реле РВ1 срабатывает в результате чего реле Р10 размыкает, а реле Р11 замыкает свои контакты в результате чего к ОЭ дополнительно подключается первая группа дополнительных элементов ДЭ, состоящая из 3 аккумуляторных элементов: плюс ОЭ, замкнутый контакт реле Р11, минус 1-ой группы ДЭ, плюс ДЭ, замкнутый контакт реле Р14, нагрузка, предохранители, замкнутые контакты 1-2 и 4-5 ключа В1, предохранитель Пр1, минус ОЭ. При последующем понижении напряжения на нагрузке до 59 В срабатывает реле РВ2 в следствии чего реле Р14 разомкнет свой контакт, а реле Р15, напротив, замкнет свой контакт и подключится 2-ая группа ДЭ: плюс ОЭ, замкнутый контакт реле Р11, минус 1-ой гр. ДЭ, плюс 1-ой гр. ДЭ, минус 2-ой гр. ДЭ, плюс 2-ой гр. ДЭ, нагрузка, предохранители, замкнутые контакты 1-2 и 4-5 ключа В1, предохранитель Пр1, минус ОЭ. Если и этих элементов оказалось недостаточно, то к выпрямительным устройствам подключается дизель-генератор.

Послеаварийный режим. При появлении напряжения в сети оба ВУК включаются параллельно в режиме стабилизации тока для заряда всей батареи и нагрузки. При увеличении напряжения на нагрузке до 66В реле РВ2 отпускает вследствие чего контакт реле Р14 замыкается, а Р15 размыкается. 2-я гр. ДЭ при этом отключается от нагрузки и подключается к зарядному блоку 23Б. При вторичном повышении напряжения реле РВ2 отпускает, следовательно, Р10 замкнут и Р11 разомкнут и 1-ая гр. ДЭ подключается к зарядному блоку 13Б. Напряжение на нагрузке становится равным 60,5 В и ВУК переводятся в режим стабилизации напряжения. ДЭ обоих групп дозаряжаются от ЗБ до напряжения 2,3 - 2,7 В на элемент после чего к ним подключаются выпрямители содержания ВС. При снижении тока нагрузки РЗВ отключается.

3. ЭПУ с применением АКАБ-60/800.

ЭПУ для АТС с Iчин от 140 до 800 А выполнена по буферной системе с секционированной двухгрупповой аккумуляторной батареей (28+3+2). В состав ЭПУ, кроме выпрямительных устройств ВУК (рис.3) на номинальное напряжение 67 В, входит устройство автоматической коммутации аккумуляторных батарей АКАБ-60/800. Оно предназначено для работы с выпрямителями ВУК, двумя зарядными устройствами ЗВ (ВУК-8/300) и двумя выпрямителями содержания ВС-6/8. Выпрямители ВС-6/8 входят в комплект АКАБ-60/800. В ЭПУ с применением АКАБ-60/800 возможна коммутация в зависимости от режимов работы.

Буферный режим. Питание нагрузки производится от буферных выпрямителей БВ, работающих параллельно с 28 аккумуляторными батареями в режиме постоянного подзаряда: плюс БВ, нагрузка, параллельно включенные предохранители, амперметр, замкнутый рубильник В2, минус БВ. Подзаряд аккумуляторных батарей осуществляется через замкнутые контакты реле Р3 и Р4: плюс БВ, замкнутый контакт 7 - 8 реле Р4, замкнутый контакт 7 - 8 реле Р3, плюс аккумуляторных батарей, минус аккумуляторных батарей, предохранители, замкнутый рубильник В2 или В1, минус БВ. На каждом элементе поддерживается напряжение 2,2 В ±2% . Дополнительные элементы ДЭ подзаряжаются от выпрямителей содержания ВС. Резервно-зарядный выпрямитель РЗВ по постоянному току подключен параллельно БВ через замкнутый рубильник В1 и при выходе из строя одного из БВ автоматически заменяет его.

Рисунок 3 - Функциональная схема ЭПУ-60В с коммутирующим устройством АКАБ-60/800

Аварийный режим. При отключении напряжения сети питание нагрузки в первый момент времени осуществляется от 28 основных элементов ОЭ батареи через замкнутые контакты реле Р3 и Р4: плюс ОЭ, нормально замкнутый контакт 7 - 8 реле Р3, нормально замкнутый контакт 7 - 8 реле Р4, нагрузка, параллельно включенные предохранители, амперметр, предохранители, минус ОЭ. Когда напряжение на нагрузке понизится до 59 В реле РВ1 отпустит и сработает реле Р3, которое подключит к нагрузке дополнительно первую группу ДЭ: плюс ОЭ, замкнутый контакт 7 - 9 реле Р3, минус ДЭ первой группы, плюс ДЭ первой группы, замкнутый контакт 7 - 8 реле Р4, нагрузка, предохранители, амперметр, предохранители, минус ОЭ. В случае, если реле РВ1 откажет, то при понижении напряжения на нагрузке до 58 В сработает реле РВ3, которое также обеспечивает подключение ДЭ 1 гр. Если после подключения 1 гр. ДЭ напряжение на нагрузке снова уменьшится до 59 В, то срабатывает реле РВ2, обеспечивая подключение 2 гр. ДЭ: плюс ОЭ, замкнутый контакт 7 - 9 реле Р3, 1 гр. ДЭ, 2 гр. ДЭ, замкнутый контакт 7 - 9 реле Р4, нагрузка, предохранители, амперметр, предохранители, минус ОЭ. Контакт 7 - 8 реле Р4 при этом будет разомкнут. В момент переключения контактов реле Р3 и Р4 разряд батарей осуществляется через Д8 и Д9.

Послеаварийный режим. При появлении напряжения сети БВ и РЗВ включаются в режиме стабилизации тока для заряда всей батареи и питания нагрузки. Когда напряжение на нагрузке увеличится до 66 В, отключается реле РВ2 и переводит свои контакты в первоначальное положение, отключая от нагрузки 2 гр. ДЭ, которые продолжают свой Подзаряд от зарядного выпрямителя 23В. При напряжении 59,5 В на ОЭ отпускает реле РВ3. Реле Р3 также отпускает и 1 гр. ДЭ отключается от нагрузки. В момент отключения контакта реле Р3 зарядный ток протекает через вентиль Д7. БВ и РЗВ продолжают заряжать ОЭ до напряжения 2,3 В на каждом элементе, после чего сработает реле переключения режимов Рр и БВ переходит в режим стабилизации напряжения, а РЗВ отключается. ЗВ дополнительных элементов заряжают их до напряжения 2,35 В в режиме стабилизации тока, после чего отключаются. В дальнейшем Подзаряд ДЭ осуществляют выпрямители содержания ВС.

Преподаватель ________ Н.В.Никулина

Практическое занятие №14

«Расчет электропитающей установки ЭПУ-60В»

Цель работы: научиться выполнять расчет ЭПУ-60В.

Задание: Рассчитайте электропитающую установку ЭПУ-60В для питания АТС по следующим пунктам:

1. Рассчитайте ток аварийного разряда аккумуляторной батареи 60В, состоящей из свинцовых стационарных аккумуляторов.

2. Рассчитайте емкость аккумуляторной батареи - 60В.

3. Определите тип и количество свинцовых стационарных аккумуляторов в батарее.

4. Выберите тип и количество выпрямительных устройств типа ВУТ для ЭПУ- 60В.

5. Рассчитайте энергетические параметры выпрямительно-аккумуляторной установки.

Данные для расчета в десяти вариантах приведены в табл.1.

Таблица 1 - Исходные данные

Методические указания по выполнению:

1. Расчет тока аварийного разряда аккумуляторной батареи - 60В.

Ток аварийного разряда АБ того или иного напряжения при отсутствии напряжения в сети переменного тока определяется по формуле, А:

Iав = Iап + Iав.осв                              

где Iап - ток, потребляемый АТС в час наибольшей нагрузки, А. Для расчетов берут 5 А на 100 NN;

Iав.осв  - ток аварийного освещения, А:

Iав.осв= Рав.осв / U

где  Рав.осв  - мощность аварийного освещения (задана в табл.1);

U – напряжение питания, для ЭПУ-60 равное 60В.

2. Расчет емкости аккумуляторной батареи ЭПУ.

Необходимая емкость АБ того или иного напряжения, приведенная к номинальным условиям разряда, определяется по формуле, А•ч:

,

где        IАВ - ток аварийного разряда АБ 60 В (определяется в п.1), А;

tр     - расчетное время разряда одной группы АБ, ч;

  - температура электролита аккумуляторов, принимается для расчетов + 15º С;

ŋq   -   коэффициент отбора емкости, зависящий от времени разряда tp, при tp =0,5ч  ŋq =0,34.

3. Определение типа и количества свинцовых аккумуляторов в батарее.

3.1. Номер аккумулятора определяется по формуле:

N = Q / (36•nБ),

где  Q - емкость АБ, А • ч;

36 - емкость аккумулятора С1;

nБ - число групп АБ.

Округление N следует проводить в большую сторону до существующего типа аккумулятора. В Приложении 1 приведены существующие типы аккумуляторов. Если tp 1 ч, то берут аккумуляторы для коротких разрядов типа «СК», если tp> 1 ч, то берут аккумуляторы для длительных разрядов типа «С».

3.2. Количество элементов в АБ определяется по формуле:

,

где    Umin -    наименьшее допустимое напряжение на зажимах питаемой аппаратуры, равное 58 В;

∆Uпр - допустимые потери напряжения в токораспределительной проводке и коммутационно-защитной  аппаратуре, равное 2,0 В;

Ukp -   конечное разрядное напряжение одного аккумулятора;

           Ukp = 1,75 В, если взят аккумулятор типа «СК»,

           Ukp = 1,80 В, если взят аккумулятор типа «С».

В типовых схемах автоматизированных ЭПУ батареи секционируются, т.е. делятся на основные и дополнительные элементы.

Количество элементов в основной группе АБ определяется по формуле:

nосн = (Umin + Umax + ∆Uпр) / 2Uнп

где Umax – наибольшее допустимое напряжение на зажимах питаемой аппаратуры, 66 В;

Uнп – напряжение на одном элементе АБ в режиме подзаряда, 2,2 В.

Число элементов в дополнительной группе определяют как разность общего количества элементов и количества элементов в основной группе.

4. Выбор выпрямительных устройств.

По нормам технологического проектирования число рабочих выпрямительных устройств (ВУТ), работающих параллельно в буферной электропитающей установке, не должно превышать четырех.

Все рабочие выпрямительные устройства, как правило, должны иметь 100% резерв, однако при параллельной работе нескольких одинаковых выпрямительных устройств разрешается устанавливать одно резервное выпрямительное устройство.

Для ЭПУ-60В следует выбирать из Приложения 2 ВУТ с максимальным выпрямленным напряжением 67 В, исходя из условия:

КВУ * I0 > IАП,

где       КВУ - число параллельно включенных ВУТ, входящих в рабочий комплект;

I0 - максимальный выпрямленный ток одного ВУТ, А;

Iап - ток, потребляемый аппаратурой, А.

Причем ВУТ необходимо подбирать с меньшими значениями тока I0 предусматривая их параллельную работу, но не более четырех в параллель, и только в том случае, если четыре параллельно включенные выпрямительные устройства не обеспечивают требуемую величину тока нагрузки, следует переходить на следующий тип выпрямительного устройства, с большим значением тока I0.

К выбранному комплекту рабочих выпрямительных устройств добавляют одно резервное того же типа, которое используется также для заряда батареи

Для выбранного типа ВУТ из Приложения 2 необходимо выписать для дальнейших расчетов следующие параметры: КПД, коэффициент мощности cos φ.

5. Расчет энергетических параметров выпрямительно-аккумуляторной установки.

5.1.Активная мощность, потребляемая установкой от сети с учетом КПД выбранного типа выпрямительного устройства, рассчитывается по формуле, кВт:

Р= Pн/ŋ,

где   РH - мощность, потребляемая аппаратурой при наличии сети переменного тока, кВт;

Рн = IАП • U

 η - КПД выбранного типа ВУТ.

5.2. Полная мощность, потребляемая установкой от сети переменного тока, рассчитывается по формуле, кВ*А:

где cos φ - коэффициент мощности выбранного типа ВУТ.

5.3.Ток,  потребляемый выпрямительно-аккумуляторной установкой от сети, рассчитывается по формуле. А:

где Uл - линейное напряжение сети, 380 В.

Для расчетов берут  Uл  = Uc.

По рассчитанному значению тока I выбирают щит переменного тока.

В ЭПУ-60В применяются щиты типов: ЩПТА 4/200 и ЩПТА 4/600 соответственно на токи 200 А и 600 А.

Преподаватель ________ Н.В.Никулина

Приложение 1

Типы аккумуляторов

В аппаратуре связи получили широкое применение стационарные аккумуляторы типов С, СК, СН.

Выпускается не менее 45 разновидностей аккумуляторов типов С и СК емкостью от 36 до 5328 А•ч. В условном обозначении буква «С» означает стационарный, «К» - пригодность аккумулятора для коротких режимов разряда большими токами. Число, стоящее вслед за буквами, указывает номер аккумулятора, умножение которого на число 36 дает значение номинальной емкости при 10-часовом режиме разряда.

В аккумуляторах СН буква «Н» - пластины пастированной (намазной) конструкции. Они выпускаются емкостью от 40 до 800 А•ч. Число после букв СН указывает номер аккумулятора, получающийся как частное от деления номинальной емкости на число 40.

Типы аккумуляторов приведены в таблице П.1.

Таблица П.1 – Типы аккумуляторов.

\

Приложение 2

Тип выпрямителя

Практическое занятие №15

«Изучение функциональной схемы ЭПУ-24В»

Цель работы: изучить принцип работы ЭПУ-24В.

Задание:

1. Начертить схему ЭПУ-24В.

2. Пояснить назначение блоков схемы.

3. Рассмотреть работу схемы в буферном, аварийном и послеаварийном режимах.

4. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Для чего предназначена ЭПУ-24В?

2. К какой категории надежности электропитания относятся предприятия связи? Ответ пояснить.

3. Для чего в составе ЭПУ-24В 11 GBосн ?

Методические указания по выполнению:

На рисунке 1 представлена электрическая функциональная схема автоматизированной ЭПУ-24В с двухгруппной секционированной аккумуляторной батареей.

Рисунок 1 – Функциональная схема ЭПУ-24В

Назначение блоков:

ЩПТА – щит переменного тока автоматический, осуществляет ввод питающих фидеров от внешних источников электроснабжения (ТП) и собственной электростанции (СЭС), а также распределение электроэнергии по фидерам (вводам) потребителей и защиту фидеров от перегрузок и коротких замыканий.

ВУТ – выпрямительные устройства тиристорные, буферные, рабочие (основные) и резервное.

GB – аккумуляторные батареи (АБ), каждая группа которых состоит из 11 основных (GBосн) и 2 дополнительных элементов (GBдоп).

ЗВ – зарядный выпрямитель для GBдоп типа ВУК 8/300 (выпрямительное устройство на кремниевых диодах с номинальным значением выпрямленного напряжения 8 В и номинальным выпрямленным током 300 А).

УКН 1, УКН 2 – устройства контроля напряжения.

АКАБ – устройство автоматической коммутации АБ, которое обеспечивает поддержание на аппаратуре связи постоянного напряжения в заданных пределах при пропадании и восстановлении внешней сети переменного тока и автоматический подзаряд GBдоп.

В состав АКАБ входят: К1 – контактор, VD1, VD2 – силовые диоды, панель автоматического управления, элементы защиты, элементы оптической и звуковой сигнализации (на схеме не показаны) и выпрямитель содержания дополнительных элементов ВС 6/8 (на напряжение 6 В и ток 8 А).

Буферный режим. 

При наличии напряжения сети рабочие ВУТ работают в режиме стабилизации напряжения и одновременно с питанием аппаратуры подзаряжают основные элементы GBосн. На нагрузке и  GBосн поддерживается напряжение 24,2 В (2,2·11 = 24,2 В).

Аварийный режим.

При пропадании напряжения сети GBосн аккумуляторной батареи разряжаются на нагрузку через контакты (7-9) К1. Когда напряжение в точке подключения УКН2 достигнет 21,6 В, через промежуточное реле включается К1. Контакты 7-9 К1 размыкаются, а контакты 7-8 К1 замыкаются и подключают к нагрузке GBдоп. На время подключения силовых контактов контактора К1 GBосн разряжаются на нагрузку через диод VD2, с помощью которого осуществляется безобрывность переключения контактора.

Разряд полностью подключенной АБ будет продолжаться до тех пор, пока выходное напряжение ЭПУ-24В не достигнет заданного минимального значения. Если до этого момента напряжение на выходе выпрямителей не восстановится, то произойдет отключение ЭПУ.

Практически до такого состояния АБ не доводится, поскольку на предприятиях связи применяются резервные источники переменного тока.

Послеаварийный режим.

При восстановлении напряжения сети включаются рабочие и резервные ВУТ в режиме стабилизации тока, которые питают нагрузку и заряжают GBосн и GBдоп. АБ при этом подключается к нагрузке через контакт 7-8 К1.

Когда напряжение в точке подключения УКН2, т.е. на первой стойке первого ряда аппаратуры ЛАЦ, достигает 26,4 В, через промежуточное реле (на схеме не показано) срабатывает К1, его контакты 7-8 размыкаются, а 7-9 замыкаются и  GBдоп отключается от цепи нагрузки и от цепи заряда.

На время переключения контактов контактора К1 ток заряда АБ протекает через диод VD1, что предотвращает резкое увеличение напряжения на выходе ВУТ при кратковременном обрыве зарядного тока батареи. К отключившимся от нагрузки GBдоп подключается ЗВ (ВУК 8/300).

Основные элементы GBосн продолжают заряжаться от рабочих и резервного ВУТ до напряжения 2,3·11 = 25,3 В. При напряжении 25,3 В на GBосн выпрямители переходят из режима стабилизации тока в режим стабилизации напряжения, и резервное ВУТ включается.

ЗВ заряжает GBдоп до напряжения 4,6 В, после чего отключается. Включается ВС-6/8 для подзаряда GBдоп. Схема ЭПУ приходит в исходное состояние.  

Преподаватель ________ Н.В.Никулина

Практическое занятие №16

«Расчет электропитающей установки ЭПУ-24В»

Цель работы: научиться выполнять расчет ЭПУ-24В.

Задание: Рассчитайте электропитающую установку ЭПУ-24В для питания аппаратуры ЛАЦ узла связи по следующим пунктам:

1. Рассчитайте ток аварийного разряда аккумуляторной батареи - 24В.

2. Рассчитайте емкость аккумуляторной батареи - 24В, состоящей из свинцовых стационарных аккумуляторов.

3. Определите тип и количество свинцовых стационарных аккумуляторов в батарее.

4. Выберите тип и количество выпрямительных устройств для ЭПУ- 24В.

5. Рассчитайте энергетические параметры выпрямительно-аккумуляторной установки.

Данные для расчета в десяти вариантах приведены в табл.1.

Таблица 1 - Исходные данные

Примечание: ток, потребляемый аппаратурой ЛАЦ от ЭПУ-24 В складывается из токов, потребляемых аппаратурой по напряжениям -24В и -21,2В.

Методические указания по выполнению:

1. Расчет тока аварийного разряда аккумуляторной батареи - 24В.

Ток аварийного разряда АБ того или иного напряжения при отсутствии напряжения в сети переменного тока определяется по формуле, А:

Iав = Iапп + Iав.осв                              

где Iапп - ток, потребляемый аппаратурой ЛАЦ от ЭПУ-24В;

Iав.осв  - ток аварийного освещения, А:

Iав.осв= Рав.осв / U

где  Рав.осв  - мощность аварийного освещения (задана в табл.1);

U – напряжение питания, для питания аппаратуры ЛАЦ равное 24В.

2. Расчет емкости аккумуляторной батареи ЭПУ.

Необходимая емкость АБ того или иного напряжения, приведенная к номинальным условиям разряда, определяется по формуле, А•ч:

,

где        IАВ - ток аварийного разряда АБ (определяется в п.1), А;

tр     - расчетное время разряда одной группы АБ, ч;

  - температура электролита аккумуляторов, принимается для расчетов + 15º С;

ŋq   -   коэффициент отбора емкости, зависящий от времени разряда tp, при tp =0,5ч  ŋq =0,34.

3. Определение типа и количества свинцовых аккумуляторов в батарее.

3.1. Номер аккумулятора определяется по формуле:

N = Q / (36•nБ),

где  Q - емкость АБ, А • ч;

36 - емкость аккумулятора С1;

nБ - число групп АБ.

Округление N следует проводить в большую сторону до существующего типа аккумулятора. В Приложении 1 приведены существующие типы аккумуляторов. Если tp 1 ч, то берут аккумуляторы для коротких разрядов типа «СК», если tp> 1 ч, то берут аккумуляторы для длительных разрядов типа «С».

3.2. Количество элементов в АБ определяется по формуле:

,

где    Umin -    наименьшее допустимое напряжение на зажимах питаемой аппаратуры, равное 21,6 В;

∆Uпр - допустимые потери напряжения в токораспределительной проводке и коммутационно-защитной  аппаратуре, равное 1,5 В;

Ukp -   конечное разрядное напряжение одного аккумулятора;

           Ukp = 1,75 В, если взят аккумулятор типа «СК»,

           Ukp = 1,80 В, если взят аккумулятор типа «С».

В типовых схемах автоматизированных ЭПУ батареи секционируются, т.е. делятся на основные и дополнительные элементы.

Количество элементов в основной группе АБ определяется по формуле:

nосн = (Umin + Umax + ∆Uпр) / 2Uнп

где Umax – наибольшее допустимое напряжение на зажимах питаемой аппаратуры, 26,4 В;

Uнп – напряжение на одном элементе АБ в режиме подзаряда, 2,2 В.

Число элементов в дополнительной группе определяют как разность общего количества элементов и количества элементов в основной группе.

4. Выбор выпрямительных устройств.

По нормам технологического проектирования число рабочих выпрямительных устройств (ВУТ), работающих параллельно в буферной электропитающей установке, не должно превышать четырех.

Все рабочие выпрямительные устройства, как правило, должны иметь 100% резерв, однако при параллельной работе нескольких одинаковых выпрямительных устройств разрешается устанавливать одно резервное выпрямительное устройство.

Для ЭПУ-24В следует выбирать из Приложения 2 ВУТ с максимальным выпрямленным напряжением 31 В, исходя из условия:

КВУ * I0 > IАПП,

где       КВУ - число параллельно включенных ВУТ, входящих в рабочий комплект;

I0 - максимальный выпрямленный ток одного ВУТ, А;

Iап - ток, потребляемый аппаратурой, А.

Причем ВУТ необходимо подбирать с меньшими значениями тока I0 предусматривая их параллельную работу, но не более четырех в параллель, и только в том случае, если четыре параллельно включенные выпрямительные устройства не обеспечивают требуемую величину тока нагрузки, следует переходить на следующий тип выпрямительного устройства, с большим значением тока I0.

К выбранному комплекту рабочих выпрямительных устройств добавляют одно резервное того же типа, которое используется также для заряда батареи

Для выбранного типа ВУТ из Приложения 2 необходимо выписать для дальнейших расчетов следующие параметры: КПД, коэффициент мощности cos φ.

5. Расчет энергетических параметров выпрямительно-аккумуляторной установки.

5.1.Активная мощность, потребляемая установкой от сети с учетом КПД выбранного типа выпрямительного устройства, рассчитывается по формуле, кВт:

Р= Pн/ŋ,

где   РH - мощность, потребляемая аппаратурой при наличии сети переменного тока, кВт;

Рн = IАП • U

 η - КПД выбранного типа ВУТ.

5.2. Полная мощность, потребляемая установкой от сети переменного тока, рассчитывается по формуле, кВ*А:

где cos φ - коэффициент мощности выбранного типа ВУТ.

5.3.Ток,  потребляемый выпрямительно-аккумуляторной установкой от сети, рассчитывается по формуле. А:

где Uл - линейное напряжение сети, 380 В.

Для расчетов берут  Uл  = Uc.

По рассчитанному значению тока I выбирают щит переменного тока.

В ЭПУ-24В применяются щиты типов: ЩПТА 4/200 и ЩПТА 4/600 соответственно на токи 200 А и 600 А.

Преподаватель ________ Н.В.Никулина

Приложение 1

Типы аккумуляторов

В аппаратуре связи получили широкое применение стационарные аккумуляторы типов С, СК, СН.

Выпускается не менее 45 разновидностей аккумуляторов типов С и СК емкостью от 36 до 5328 А•ч. В условном обозначении буква «С» означает стационарный, «К» - пригодность аккумулятора для коротких режимов разряда большими токами. Число, стоящее вслед за буквами, указывает номер аккумулятора, умножение которого на число 36 дает значение номинальной емкости при 10-часовом режиме разряда.

В аккумуляторах СН буква «Н» - пластины пастированной (намазной) конструкции. Они выпускаются емкостью от 40 до 800 А•ч. Число после букв СН указывает номер аккумулятора, получающийся как частное от деления номинальной емкости на число 40.

Типы аккумуляторов приведены в таблице П.1.

Таблица П.1 – Типы аккумуляторов.

\

Приложение 2

Тип выпрямителя

Практическое занятие №19

«Организация ДП для системы передачи»

Цель работы: изучить организацию дистанционного питания (ДП) для системы передачи (СП).

Задание:

1. Рассчитайте напряжение дистанционного питания (ДП) для СП, заданной для вашего варианта.

2. Начертите структурную схему организации ДП для заданной СП.

3. Дайте общую характеристику ДП заданной СП.

Данные для расчета в десяти вариантах приведены в табл.1.

Таблица 1 - Исходные данные

Методические указания по выполнению:

1. Расчет напряжения ДП.

1.1. Напряжение ДП для регенераторов необслуживаемых регенерационных пунктов (НРП) рассчитывается по формулам, В:

Для ИКМ-120:

UДП = UНРП • n + r • IДП • n • lр 

Для ИКМ-480:

UДП = UНРП • n + 2r • IДП • n • lр 

где UНРП – падение напряжения на одном НРП (см.табл.2);

IДП – ток дистанционного питания (см.табл.2);

r – километрическое сопротивление жилы кабеля, равное 15,8 Ом/км;

n – число необслуживаемых регенерационных пунктов, питаемых дистанционно;

lр – длина регенерационного участка.  

Таблица 2

1.2. Напряжение ДП линейных усилителей НУП системы передачи К-300 рассчитывается по формуле, В:

UДП = ∆Uуу·2n + Uтру·2nтру + Uкч·2nкч + Uкор·2nкор + 2Uгк

∆Uуу = IДП · (r·lуу + rф дп)

где n – общее число НУП в полусекции ДП;

nкч – число НУП с АРУ по контрольной частоте;

nкор – число НУП с коррекцией;

nтру – число НУП с АРУ без контрольной частоты по температуре грунта (ТРУ), равное nтру = n – nкч – nкор .

∆Uуу – падение напряжения на усилительном участке;

Uтру – падение напряжения на НУП с ТРУ, равное 12,5 В;

Uкч – падение напряжения на приемнике тока контрольной частоты, равное 35 В;

Uкор – падение напряжения на НУП с коррекцией, равное 24,5 В;

Uгк – падение напряжения на генераторе контроля, равное 15 В;

IДП – ток дистанционного питания, равный 0,035 А;

lуу – длина усилительного участка, равная 6 км;

r – километрическое сопротивление жилы кабеля, равное 15,8 Ом/км;

rфдп – сопротивление фильтра ДП постоянному току, равное 1 Ом.

1.3. Напряжение ДП линейных усилителей НУП системы передачи К-3600 рассчитывается по формуле, В:

UДП = 2n0·Uнуп-0 + 2nр·Uнуп-р + 2nк·Uнуп-к + 2n·IДП·r·lуу

где n – общее число НУП в полусекции ДП;

n0 – число основных НУП в полусекции ДП, равное n0 = n – nр – nк;

nр – число НУП регулирующих;

nк – число НУП корректирующих;

r – километрическое сопротивление центральной жилы коаксиальной пары, равное 3,7 Ом/км;

IДП – ток дистанционного питания, равный 0,34 А;

lуу – длина усилительного участка , равная 3 км;

Uнап-р – падение напряжения на регулирующем НУП, равное 54 В;

Uнуп-к – падение напряжения на корректирующем НУП, равное 90 В;

Uнуп-0 – падение напряжения на основном НУП, равное 21 В.

2. При составлении структурной схемы ДП для систем передачи (СП) К-3600, К-300 в качестве образца можно использовать структурную схему, представленную на рис.1.

Рисунок 1 – Структурная схема ДП

Электропитание НУП СП К-3600 и К-1920П осуществляется дистанционно с ОУП постоянным стабилизированным током по центральным проводникам коаксиальных пар. Усилители НУП включены в цепь ДП последовательно. Электропитание секции ОУП-ОУП производится с двух смежных ОУП по полусекциям. Максимальная длина полусекции питания в системе К-3600 составляет 93 км при 31 НУП и в системе К-1920П – 120 км при 20 НУП. Аппаратура ДП размещена на стойке СДП-4.

Система передачи К-300 работает по кабелю МКТ-4. Устройство ДП позволяет питать до 20 НУП, установленных вдоль линии через 6 км.

 При составлении структурной схемы ДП для систем передачи (СП) ИКМ-120, ИКМ-480 в качестве образца можно использовать структурную схему, представленную на рис.2.

Рисунок 2 – Структурная схема ДП ИКМ-120

СП ИКМ-120 предназначена для работы по кабелям МКС. Питание НРП подается по симметричным парам двух кабелей от обслуживаемых пунктов по полусекциям. Длина полусекции может достигать 100 км, что позволяет питать до 20 НРП с каждой стороны.

ДП оборудования НРП системы ИКМ-480 организовано по центральным проводам двух коаксиальных пар. Максимальное расстояние между двумя смежными питающими пунктами составляет 200 км. Длина усилительного участка 3 км. Регенераторы включаются в цепь ДП последовательно. Максимальное число НРП в полусекции равно 33.  

3. Междугородная связь осуществляется с помощью систем передачи.

В состав аппаратуры СП входят источники вторичного электропитания и устройства дистанционного питания. Для обеспечения междугородной многоканальной связи на сравнительно большие расстояния требуется большое количество промежуточных усилительных пунктов (УП). Оборудование каждого усилительного пункта собственным источником питания экономически невыгодно. Поэтому большинство из них делается необслуживаемыми (НУП) и питаются дистанционно.

Дистанционным питанием (ДП) называется передача электрической энергии для электропитания аппаратуры связи НУП с использованием тех же цепей, по которым организуется связь.

УП, имеющие собственные ЭПУ с постоянным дежурством обслуживающего персонала, называются обслуживаемыми регенерационными пунктами (ОРП).

УП, не имеющие собственных ЭПУ и обслуживающего персонала, называются необслуживаемыми (НУП или НРП).

Участок магистрали связи между двумя соседними опорными УП (ОУП или ОРП) называется секцией дистанционного питания. На одной секции размещается несколько НУП. Передачи энергии с ОУП при дистанционном питании осуществляется, как правило, на половину длины секции. НУП другой половины секции получают питание со следующего ОУП. Таким образом, аппаратура НУП и НРП может получать питание либо по секции ДП, либо по двум полусекциям ДП. Во втором случае обычно в середине секции устанавливаются два шлейфа по ДП.

Система ДП постоянным током упрощает ЭПУ на ОУП и НУП, исключает влияние токов ДП на каналы связи, упрощает защиту каналов связи от наводимых ЭДС в цепях ДП, но при этом имеют небольшую длину секции, значительные падения напряжения в проводах, сложность преобразования постоянного тока для получения различных напряжений, гальваническую связь между цепями высокого и низкого напряжений, что усложняет обслуживание.

Система ДП переменным током за счет применения трансформаторов дает возможность повысить напряжение до 1000….2000 В и этим увеличить дальность передачи ДП, а также легко получить необходимые градации напряжения. Но при этом имеет недостатки: сложные ЭПУ на ОУП, сложность питания на НУП из-за наличия трансформаторов на каждом НУП, выпрямителей с фильтрами и стабилизаторов напряжения, сложность устранения влияния переменного тока ДП на каналы НЧ связи.  

Преподаватель ________ Н.В.Никулина

СИСТЕМЫ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НА СТОРОНЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Получение бесперебойного энергоснабжения на стороне постоянного тока может быть обеспечено различными способами.

На предприятиях связи используются пять модификаций системы:

• буферная система электропитания
• буферная система электропитания с вольтодобавочным конвертором
• буферная система с конвертором
• система с отделенной от нагрузки АБ
• безаккумуляторная система

 Они представлены на рисунках 2 – 6.

1.1 Буферная система электропитания

В нормальном режиме работы СЭП на аппаратуру подается стабилизированное напряжение от ВУ, параллельно выходу которых подключена АБ, содержащаяся в режиме постоянного подзаряда. При таком включении используются как фильтрующие свойства батареи, обладающей малым внутренним сопротивлением, так и ее стабилизирующие свойства, особенно проявляющиеся при импульсном характере нагрузки. Таким образом, преимуществом буферных систем электропитания является использование сглаживающих и стабилизирующих свойств АБ, что улучшает качество электропитания аппаратуры.

Недостатком данной системы является снижение срока службы закрытых (герметичных и негерметичных) аккумуляторов при импульсных воздействиях со стороны нагрузки во время работы ВУ. При перерывах в электроснабжении оборудования связи переменным током, а также при отключении ВУ вследствие появления неисправности, т.е. в аварийном режиме, питание аппаратуры принимает на себя АБ. В процессе разряда батареи происходит снижение уровня напряжения питания, поэтому в данной СЭП по мере необходимости устанавливают дополнительные стабилизирующие устройства (рис. 2).

Рисунок 1 - Буферная система электропитания

1.2Буферная система электропитания с вольтодобавочным конвертором.

При применении ВДК с плавным регулированием выходом напряжения на шинах питания аппаратуры связи можно поддерживать стабильным. Существует два способа подключения ВДК. Вход ВДК подключается параллельно АБ, а выход - в разрез между батареей и нагрузкой (рис. 3 а), либо между батареей и буферным выпрямительным устройством (рис. 3 б).

В первом варианте выход ВДК подключен к полупроводниковому диоду VD, падение напряжения на котором составляет около 1        В, что снижает коэффициент полезного действия (КПД) системы, т.к. диод выбирается из расчета суммарного тока нагрузки. Функциональное назначение диода – обеспечить непрерывное протекание тока в момент срабатывания контактора К1. Во втором варианте выход ВДК коммутируется контактором К2. Наличие двух контакторов снижает надежность системы.

Рисунок 2 Буферная система электропитания с ВДК

Построение ВДК по схеме с преобразованием электрической энергии повышает КПД СЭП; широтно-импульсный способ регулирования напряжения позволяет плавно увеличивать уровень выходного напряжения по мере снижения напряжения АБ. При разряде АБ ВДК добавляет недостающую долю напряжения для обеспечения постоянства напряжения на нагрузке. Это иллюстрируется графиком на рисунке 4. В нормальном режиме контакторы К1, К3 разомкнуты, а К2 – замкнут, элементы АБ поддерживаются в нормальном состоянии от ВУ. Одновременно обеспечивается питание основного оборудования от выпрямителя. В аварийном режиме замыкаются контакторы К1, К3, размыкается контактор К2 и выход ВДК соединяется последовательно с АБ, вход ВДК при этом подключается к АБ.

1.3 Буферная система электропитания с конвертором.

Рисунок 4 Буферная система электропитания с конвертором

Конвертор предназначен для плавного регулирования (либо стабилизации) напряжения питания (U0) аппаратуры связи и компенсации изменения напряжения на АБ в процессе ее разряда. Отсутствие контакторов в СЭП повышает ее надежность. Т.к конвертор рассчитывается на полную мощность нагрузки, то это увеличивает материальные затраты и эксплуатационные расходы. Использование такой системы оправдывается при более высоких требованиях к качеству электропитания аппаратуры связи , чем требования к выпрямителю содержания АБ.

1.4 Система с отдельной от нагрузки АБ

В нормальном режиме работы питание аппаратуры обеспечивается за счет ВУ. АБ подзаряжается от дополнительного выпрямителя содержания (ВС). Устройство управления (УУК) контролирует напряжение на нагрузке. При его снижении ниже допустимой нормы срабатывает электронный ключ ЭК (тиристорный или транзисторный), а затем контактор К1. Преимуществом этой системы является отсутствие влияния импульсной нагрузки на работу АБ. К недостаткам можно отнести: низкий КПД основного выпрямителя (ВУ) за счет больших габаритных размеров сглаживающих фильтров и дополнительного выпрямителя – ВС

Рисунок 5 Система электропитания с отделенной от нагрузки АБ

1.5 Безаккумуляторная 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%. При пропадании напряжения на одном из фидеров замыкается К2 и выпрямители подключаются к другому фидеру. Преимуществом этой системы является простота схемы построения, дешевизна системы. Но по ряду, в основном организационных причин, схема не нашла широкого применения.

СИСТЕМЫ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НА СТОРОНЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Существуют следующие модификации систем электропитания в цепи переменного тока:

1) С переключателем (offline)

2) Линейно - интерактивная (line interactive)

3) С гальванической развязкой цепей (online)

4) С дельта - преобразованием (online) 

1) 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, то есть не предусматривает защиту АБ от глубокого разряда.

2) Линейно-интерактивная (line interactive)

Рисунок 2 – Структурная схема ИБП линейно-интерактивная

В нормальном режиме работы аппаратуры получает питание через помехоподавляющий фильтр (ФП), устройство коррекции (УК), ключ S1 находится в замкнутом 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 offline.

3) С гальванической развязкой цепей (online)

В данной схеме отсутствует гальваническая связь, что упрощает выполнение техники безопасности. 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, то есть байпасом. Статический переключатель включает в себя электронные ключи (выполненные на транзисторах или паре встречно-параллельных тиристоров, а также контакторов).

Рисунок 3 – Структурная схема ИБП с гальванической развязкой

4) С дельта–преобразованием (online)

Система с "дельта-преобразованием" состоит из двух инверторов (дельта-инвертор и основной инвертор). Оба инвертора соединены с общей батареей и в зависимости от состояния напряжения в магистрали принимают на себя функции или инвертора, или выпрямителя.

Рисунок 4 – Структурная схема ИБП с дельта-преобразованием

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. То есть преобразователи в структуре являются обратимыми устройствами и они оказывают воздействие на входной трансформатор. Особенностью данной схемы является тот факт, что процессу преобразования подвергается только та часть электрической энергии, которую необходимо преобразовать для получения на нагрузке качественных параметров.

Достоинством данной системы является высокое качество питающего напряжения, высокий КПД системы. За счет высокого КПД система с “дельта - преобразованием” имеет высокую производительность. При эксплуатации такой системы происходит значительная экономия электроэнергии и средств.

Практическая работа №18

«Расчет мощности источника бесперебойного питания»

Цель работы: научиться рассчитывать и выбирать ИБП для локальной компьютерной сети предприятия.

Задание:

1. Выполнить расчет мощности ИБП.
2. Выбрать модель ИБП в зависимости от мощности.
3. Ответить на контрольные вопросы.

Таблица 1 - Исходные данные

Методические указания по выполнению:

 Важным критерием выбора является мощность ИБП. Она измеряется в вольт-амперах (В·А), обозначаются VA. Чтобы перевести их в более привычный показатель ватты (Вт), необходимо вольт-амперы умножить на 0,9.

Например, мощность ИБП составляет 100 кВ·А. В таком случае активная мощность нагрузки составит 90 кВт. Таким образом, суммарная мощность нагрузки не должна превышать 90 кВт, а лучше если она будет несколько меньше.

По мощности ИБП подразделяются на три класса:

• компактные – до 1000VA;
• средние – 1000–5000VA;
• большие – более 5000VA.

Соответственно для загородного дома и квартиры лучше выбрать первые два типа, последний больше подходит для предприятий, где необходимо обеспечить стабильным электрическим питанием большое количество техники.

По количеству фаз ИБП делятся на три основных вида:

- однофазные;

- трехфазные.

Однофазные ИБП условно считаются домашними и применяются для обеспечения непрерывного электроснабжения газовых котлов, насосов, сетей охранной сигнализации и видеонаблюдения и т.п. Как правило, однофазные ИБП выпускаются мощностью от 0,5 до 10кВА. Для обеспечения бесперебойной работы и качественного электропитания IT-систем (небольшой группы серверов, сетевого оборудования или сетевых хранилищ) рекомендуется использовать однофазные ИБП мощностью от 1 до 10 кВА.

Трёхфазные ИБП относят к профессиональному оборудованию и применяются на крупных предприятиях для обеспечения непрерывного питания IT-оборудования серверных комнат, центров обработки данных, телекоммуникационного оборудования. Как правило, источники питания с мощностью от 10 кВА устанавливают в одной из 2 конфигураций:

3:3 - три фазы — на входе в устройство и три фазы — на выходе ИБП;

3:1 - три фазы — на входе и одна фаза — на выходе источника резервного питания.

Для защиты промышленного оборудования применяют трехфазные ИБП мощностью от 100 до 300 кВА.

Итак, для выбора ИБП, необходимо подсчитать суммарную мощность нагрузки бытовых приборов и техники, которые планируется подключить к ИБП, и добавить к ней 20–40%.

Например, посчитаем суммарную мощность нагрузки компьютерной сети, состоящей из 10 ПК мощностью 450 Вт с мониторами мощностью 60 Вт, одного коммутатора мощностью 20 Вт, одного сервера мощностью 1000 Вт и одного роутера мощностью 20 Вт:

Рсумм = 10·450 +10·60 + 1·20 + 1·1000 + 1·20 =  6140 Вт, = 6,14 кВт

С учетом запаса 20%:

Рсз = 6,14 +6,14*20% = 7,368 кВт

Для суммарной мощности, рассчитанной с учетом запаса, необходимо выбрать модель ИБП. Воспользуемся интернет-источниками (http://www.bespereboynik.ru, https://www.atsconvers.ru и т.п.) и выберем однофазный ИБП APC Smart-UPS SRT 8000VA RM 230V SRT8KRMXLI на 8 кВт, выполненный по схеме on-line, стоимостью 469 280 рублей.

Контрольные вопросы:

1. Чем отличаются однофазные ИБП от трехфазных?
2. Поясните принцип действия ИБП с двойным преобразованием. Где применяются такие ИБП?
3. Поясните режимы работы ИБП: сетевой, автономный и байпас.