8.8. Установка бесперебойного электропитания

ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОЮ ТОКА

Назначение. Структурная схема. Установкой бесперебойного питания (УБП) называют совокупность устройств и источников электропитания, обеспечивающих бесперебойную подачу электроэнергии к аппаратуре как при исправном состоянии и сети питания, так и при их отказе.

В состав установки бесперебойного питания входят:

преобразователь электроэнергии;

резервный источник электропитания кратковременного действия;

устройства взаимодействия элементов УБП как между собой, так и с установкой электропитания предприятия связи.

В установке бесперебойного питания резервный источник питания включается мгновенно без перерыва питания.

В отличие от УБП в установках гарантийного питания (УГП) допускается перерыв на время ввода в действие источника резервного питания, например дизельной электростанции.

В настоящее время пригодным для УБП источником резервною питания является только аккумуляторная батарея.

Выпрямительно-аккумуляторная установка бесперебойного питания постоянного тока УБП-ВА. Простейшая установка бесперебойного питания содержит выпрямитель В - основной источник и аккумуляторную батарею А - резервный источник питания. Такая схема приведена на рис. 8.11. Работает она так. При наличии напряжения от внешнего источника выпрямитель работает, обеспечивает питание аппаратуры связи и одновременно с этим подзаряд резервной аккумуляторной батареи.

При отключении внешнего переменного напряжения или повреждении выпрямителя нагрузка бесперебойно получает питание от аккумуляторной батареи. Время разряда батареи должно быть достаточным для восстановления работы выпрямителя. После восстановления напряжения на выходе выпрямителя питание аппаратуры и подзаряд аккумуляторной батареи происходят от выпрямителя одновременно. После окончания заряда батарея переводится в режим непрерывного подзаряда, а аппаратура получает стабилизированное питание от выпрямителя. Установка экономична, надежна, но допускает изменения напряжения при разряде аккумуляторной батареи. Уменьшить колебания напряжения можно введением в схему стабилизирующих противоэлементов (рис. 8.12), функцию которых могут выполнять диоды VD1 и VD2. При нормальном режиме аппаратура получает питание от выпрямителя U1. При отключении выпрямителя питание аппаратуры осуществляется от

аккумуляторной батареи через диоды VD1 и VD2. Часть напряжения падает на диодах. С уменьшением напряжения батареи по мере разряда устройство контроля напряжения УКН замыкает контакты K1, закорачивает диод VD1. При дальнейшем уменьшении напряжения аккумуляторной батареи УКН закорачивает VD2. Число диодов и их параметры подбираются в зависимости от требований к стабильности напряжения. Но введение диодов в схему ухудшает ее экономичность и надежность.

Хорошие эксплуатационные качества имеет установка бесперебойного питания УБП-ВА, в которой стабилизация напряжения осуществляется автоматическим подключением или отключением групп аккумуляторов (рис. 8.13). В нормальном режиме работы аппаратура получает питание от выпрямителей U1-U3 и через замкнутые контакты Q1, Q2 - от основных элементов аккумуляторной батареи АБ1 и АБ2. При отключении выпрямителей аппаратура питается только от аккумуляторов. По мере разряда напряжение аккумуляторов уменьшается и устройство контроля напряжения подключает последовательно с основной группой элементом дополнительные группы АБ3 и АБ4. Во время переключения контактов 1-3 К1 питание аппаратуры производится через диод VD2. При дальнейшем разряде батареи контактами 1-3 К2 подключается вторая дополнительная группа элементов АБ5, АБ6. При восстановлении напряжения от выпрямителей аккумуляторная батарея заряжается. Сначала заряжается вторая группа дополнительных элементов от зарядного выпрямителя U6 и отключается. Затем заряжается первая ступень дополнительных элементов. Основная группа элементов заряжается до напряжения 2,3 В на элемент и в дальнейшем переводится в режим непрерывною подзаряда.

Достоинства такой схемы:

высокий КПД;

простота схемных решений силовой части.

Но при высоких требованиях к качеству напряжения питания сказываются недостатки такой схемы:

ступенчатость изменения напряжения;

неполное использование емкости аккумуляторов;

отсутствие различных градаций напряжений.

Структурная схема УБП с вольтодобавочным преобразователем приведена на рис. 8.14. В нормальном режиме работы напряжение на аппаратуру подается от выпрямителя U1, к которому подключена аккумуляторная батареи АБ, работающая в режиме непрерывного подзаряда. При отключении выпрямителя аппаратура питается от аккумуляторной батареи. В это время напряжение на нагрузке будет меньше напряжения батареи на величину падения напряжения на диоде VD1. Через очень малое время (около 10 мс) включается вольтодобавочный преобразователь ВДП U3. Он формирует постоянное напряжение, равное разности между напряжением, необходимым для питания аппаратуры, и напряжением аккумуляторной батареи. По мере разряда батареи напряжение на выходе ВДП постепенно увеличивается. При восстановлении напряжения от выпрямителя и заряда аккумуляторной батареи до требуемого значения ВДП отключается. Вольтодобавочный преобразователь, предназначенный для устройства бесперебойного питания на напряжение 60 В, имеет следующие параметры: номинальная выходная мощность 1200 Вт, максимальный выходной ток 10 А, частота преобразования 20 кГц, КПД 0,65.

Структурная схема вольтодобавочного преобразователя приведена на рис. 8.15. В нем выходное напряжение регулируется с помощью широтно-импульсной модуляции на частоте 20 кГц.

Принцип его работы состоит в следующем. Напряжение, снимаемое с нагрузки, сравнивается с опорным. Сигнал рассогласования суммируется с пилообразным напряжением. В результате формируются импульсы управления различной длительности. На выходе устройства управления создаются две последовательности импульсов, сдвинутых

между собой на 180°. Эти импульсы усиливаются и подаются на инвертор. Двухполупериодный выпрямитель преобразует двухполярные импульсы в однополярные, которые интегрируются фильтром низкой частоты.

Достоинства этой схемы:

высокая стабильность выходного напряжения;

отсутствие резких отклонений выходного напряжения;

высокая надежность.

Недостаток: низкий КПД.

На рис. 8.16 приведена структурная схема установки бесперебойного питания (БП) на 60 В с постоянно работающим стабилизатором. Принцип ее работы следующий. В нормальном режиме питание аппаратуры осуществляется от нестабилизированного выпрямителя U1 через отдельный стабилизатор напряжения. Аккумуляторная батарея отключена от нагрузки тиристором VS1 и диодом VD1 и находится в режиме содержания. Контакт К2 замкнут. При отключении выпрямителя U1 устройство управления подключает батарею к стабилизатору через тиристор. Замыкающийся контакт К1 шунтирует тиристор. Выпрямитель U2 отключается, по мере разряда батареи напряжение на нагрузке поддерживает стабилизатор. Когда напряжение внешней сети включается, аккумуляторная батарея отключается и переходит в режим заряда от выпрямителя U2. Диод VD1 служит для подключения батареи к нагрузке при неисправности стабилизатора или коротком замыкании в нагрузке.

Достоинства этой схемы: высокое качество выходного напряжения как в статическом, так и в динамическом режиме.

Установка бесперебойного питания напряжением переменного тока. Для обеспечения бесперебойным питанием аппаратуры связи напряжением переменного тока применяются:

установки с трехмашинными преобразователями;

установки с инверторами;

электромашины с инерционными маховиками.

В состав установки с трехмашинным преобразователем УБП-ТМП входят асинхронный электродвигатель, двигатель постоянного тока, синхронный генератор.

Питание аппаратуры осуществляется от синхронного генератора, который приводится в действие электродвигателями.

Установка бесперебойного питания с трехмашннным преобразователем с выходной мощностью 24 кВт (рис. 8.17) состоит из двух рабочих ПР1 и ПР2 и одного резервного ПР_рез преобразователей, управляющего устройства и аккумуляторной батареи. Каждый преобразо-

ватель состоит из синхронного генератора, двигателя постоянного тока и асинхронного двигателя. Напряжение внешней сети приводит в действие асинхронный двигатель, от которого работает синхронный генератор постоянного тока. Напряжение от синхронного генератора через панели управления ПУ1 и ПУ2 подается на распределительную панель ПУ3, откуда поступает в нагрузку. При этом машина постоянного тока отключена и аккумуляторная батарея АБ находится в режиме содержания.

При отключении внешней сети двигатель постоянного тока подключается к аккумуляторной батарее, после чего асинхронный двигатель отключается. Двигатель постоянного тока включается не более чем через 60 мс после отключения внешней сети.

После восстановления напряжения внешней сети преобразователь приводится в действие от асинхронного двигателя.

Резервный преобразователь включается вручную без перерыва в подаче питания с помощью устройства на панели ПУ_рез.

Выпускается два варианта УБП с выходной мощностью 50 кВт:

с двумя рабочими и одним резервным преобразователями;

с одним рабочим и одним резервным преобразователями.

Управление преобразователями осуществляется с помощью оборудования, размещенного в шкафах.

Структурная схема УБП с выходной мощностью 50 кВт приведена на рис. 8.18.

Здесь напряжение от внешней сети поlается на шкаф ШРС и разветвляется на шкафы ШПГ и ШН, выпрямители содержания U1 и заряда U2. Напряжение от синхронных генераторов подается к шкафам ШН, каждый из которых имеет четыре однофазных вывода на 50 А и два трехфазных на 100 А.

Процессы работы в БП-50 кВт и УБП-24 кВт в основном одинаковы.

Недостатки УВП-ТМП:

большие затраты по обслуживанию электромашинных преобразователей и устройств управления;

низкая надежность из-за наличия вращающихся элементов и прижимных контактов.

Установки переменного тока с инверторами УБП-ВИ. Простейшая структурная схема установки бесперебойного питания УБП-ВИ приведена на рис. 8.19, а. Она состоит из выпрямителя U1, инвертора U2 и аккумуляторной батареи АБ. При нормальном режиме питания напряжение на инвертор подается от выпрямителя. Аккумуляторная батарея отключена.

При выключении напряжения внешней сети переменного тока инвертор получает питание от аккумуляторной батареи. После восстановления напряжения внешней сети инвертор снова получает питание от выпрямителя.

Применение полупроводниковых выпрямителей и инверторов значительно повышает технико-экономические показатели УБП переменного тока.

В установках УБП могут быть применены унифицированные выпрямители, инверторы и полупроводниковые коммутационные устройства.

Унифицированный выпрямитель серии ТППС (рис 8 19, б) состоит из:

нестабилизированного выпрямителя U1 по мостовой трехфазной схеме (Ларионова);

ключа Q1 для подключения аккумуляторной батареи;

устройства контроля напряжения сети и управления ключом Q1.

Ключ Q1 (рис. 8.19, в) составлен из диода VD1, тиристора VS1 и контактора К. При уменьшении напряжения сети переменного тока на 15…20% устройство управления включает тиристор VS1 и контактор К. При восстановлении напряжения сети происходит обратное переключение.

Недостаток ТППС: отсутствие контроля напряжения на их выходе.

Инверторы унифицированной серии ТПС выполняются по схеме трехфазного параллельного инвертора. Они обеспечивают стабильное выходное напряжение при стабильной частоте, снабжены устройствами сигнализации, контроля и дистанционного управления.

Отключающее устройство ТКИ обеспечивает автоматическое отключение нагрузки при недопустимых отклонениях напряжения или тока (рис. 8.20). Оно содержит:

тиристорный ключ Q1;

устройство контроля напряжения и тока нагрузки;

устройство управления ключом;

вспомогательный выпрямитель U1 для заряда конденсаторов.

Устройство работает так. Через каждый полупериод тиристоры открываются (VS1 и VS3), и переменный ток поступает в нагрузку. Когда отклонения напряжения на нагрузке достигнут ±25% или ток станет больше в 1,7…2 раза номинального значения, включается тиристор VS2, конденсатор С разряжается через один из тиристоров VS1 или VS3, после чего открытый тиристор закрывается. Устройство ТКИ пропускает токи 50 и 100 А.

Устройство автоматического переключения нагрузки от неисправного источника переменною тока на резервный ТКЕ (рис. 8.21) содержит электрические ключи из встречно-параллельно включенных тиристоров, а также устройство по току и напряжению.

При нормальных условиях напряжение питания к нагрузке подается от основного источника через тиристоры VS1-VS2, VS3-VS4, VS5-VS6.

При отключении напряжения основного источника за допустимые пределы тиристоры запираются. Устройство управления подключает нагрузку к резервному источнику через тиристоры VS7-VS12.

В УБП-ВИ можно применять однофазный инвертор с питанием от постоянного напряжения 60 В типа ОИТС-60(220)16 на мощность 3,5 кВА. На выходе инвертора получается стабилизированное синусоидальное однофазное напряжение 220±2% В.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие системы называют системами электроснабжении?

2. Что называют электроустановкой?

3. Какие источники называют источниками первичного электропитания, а какие - источниками вторичного электропитания?

4. Что такое токораспределительные сети предприятий связи?

5. Назовите особенности магистрально-рядовой токораспределительной сети.

6. Какие преимущества имеет радиальная токораспределительная сеть?

7. Назовите особенности магистрально-полурадиальной токораспределительной сети.

8. По каким признакам классифицируют элсктроприемники предприятии связи?

9. Поясните назначение трансформаторных подстанций.

10. Перечислите оборудование трансформаторных подстанций.

11. Поясните необходимость иметь собственные электростанции.

12. Что называют системами электропитания предприятий связи?

13. По каким признакам классифицируют системы электропитания?

14. Нарисуйте структурную схему буферной системы электропитания.

15. Нарисуйте структурную схему ЭПУ-60 и поясните принцип ее работы.

16. Нарисуйте структурную схему однобатарейной системы вторичного электропитания.

17. Нарисуйте структурную схему двухлучевой безаккумуляторной системы электропитания.

18. Поясните достоинства и недостатки двухлучевой безаккумуляторной системы электропитания.

19. Поясните структурную схему установки бесперебойного электропитания постоянного тока.

20. Поясните работу структурной схемы установки бесперебойного питания напряжением переменного тока.