НИР-3 Шерстюк з-66

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра промышленной электроники

Источник бесперебойного питания для системы радиационного контроля УИМ-3Д производства НПП "Доза"

ОТЧЕТ

ПО РЕЗУЛЬТАТАМ производственной практики: научно-исследовательская работа

Томск 2021

1 Введение

На сегодняшний день невозможно представить жизнь человека без электричества. Жизнь большинства людей зависит от его наличия в сети. Без электричества невозможно существование современной медицины, поддержание общественного порядка, горячее и холодное водоснабжение. Если представить, что электрическая энергия неведомым образом перестала поступать во все электросети в мире, то жизнь исчезнет с поверхности Земли из-за многочисленных техногенных катастроф. Поэтому надёжность электроснабжения - один из жизненно важных аспектов существования общества. Этой цели служат источники бесперебойного питания (далее - ИБП).

Основным элементом ИБП, без которого он просто не мог быть изобретён, является аккумулятор.

Точкой отсчёта истории аккумуляторов принято считать 1791 год. Тогда, работая в Болонском университете, Луиджи Гальвани открыл, что мышцы лягушки сокращаются при контакте с металлическими предметами. Этот феномен стал известен как «животное электричество» (позже теория «животного электричества» была опровергнута как неверная). Вдохновлённый этими исследованиями, Вольта инициировал проведение серии экспериментов с использованием цинка, свинца, олова и железа в качестве положительного электрода. Медь, серебро, золото и графит были использованы в качестве отрицательного электрода.

Следующим этапом в получении электричества было использование для этого электролиза. В 1800 году Вольта открыл, что можно генерировать постоянный поток электричества, используя определённые жидкости как проводники для обеспечения химической реакции между металлами электродов. Это привело к изобретению «элемента Вольты», известного нам теперь как гальванический элемент или электрическая батарея. Позже Вольта открыл, что электрическое напряжение можно увеличить, если гальванические элементы поместить друг над другом. Это изобретение было названо «Вольтов столб».

Новые открытия были сделаны, когда сер Хемфри Дэви, изобретатель безопасной шахтёрской лампы, установил самую большую и мощную на то время электрическую батарею в подвалах Королевского института в Лондоне. Он присоединил к батарее угольные электроды и получил с их помощью первый электрический свет. Как говорили свидетели, его электрическая дуговая лампа излучала «самое яркое свечение, когда-либо виденное».

Самое важное исследование Дэви было посвящено электрохимии. После экспериментов Гальвани и изобретения гальванического элемента, интерес к электричеству был всеобщим. В 1800 году Дэви начал исследования химических эффектов электричества. Вскоре он обнаружил, что если пропустить электрический

4

ток через некоторые вещества, то они разлагаются. Позже этот процесс был назван электролизом. Производимое в электрической батарее электричество напрямую связанно с химической реакцией электродов с электролитом. Очевидно, Дэви понимал, что процессы, происходящие при электролизе и в гальваническом элементе, одни и те же.

В1802 году Вильям Крукшенк сконструировал первую электрическую батарею пригодную для массового производства. Крукшенк соединял квадратные медные пластины с пластинами из цинка такого же размера. Эти пластины помещались в длинный прямоугольный деревянный ящик, который герметизировался цементом. В нужном положении металлические пластины удерживались канавками в стенках ящика. Затем ящик заполнялся электролитом – рассолом или кислотой, разбавленной водой.

Третий метод производства электричества, открытый позже – электричество, получаемое посредством магнетизма. В 1820 году Андре-Мари Ампер (1775-1836) заметил, что проводники, через который проходит электрический ток, могут либо притягиваться друг к другу, либо отталкиваться.

В1831 году Майкл Фарадей (1791-1867) продемонстрировал, что медный диск производит непрерывный поток электричества, если он вращается в сильном магнитном поле. Фарадей, который был ассистентом в исследовательской команде Деви, добился успеха в получении электрического тока, который был непрерывным всё то время, когда происходило движение между магнитом и катушкой из провода. Так был изобретён электрический генератор. Процесс взаимодействия между катушкой и магнитом оказался обратимым и это привело к изобретению электрического мотора. Вскоре после этого был создан трансформатор, который мог преобразовывать электричество до необходимого напряжения. В 1833 Фарадей установил основы электрохимии, открыв закон Фарадея, который определяет количество вещества, выделяемого или теряемого на электродах в зависимости от количества проходящего через них электричества.

В1936 английский химик Джон Даниэль, работая в области исследования электрохимических батарей, разработал улучшенный гальванический элемент, который более устойчиво производил электричество, чем элемент Вольта. До той поры, все электрические батареи состояли из первичных электрических элементов, которые не могли быть заряжены повторно. В 1859 году французский физик Гастон Планте изобрёл первую перезаряжаемую батарею. Эта вторичная электрическая батарея была основана на химических процессах, происходящих между свинцом и кислотой. Такие аккумуляторные батареи до сих пор находят широкое применение.

В1899 году швед Вальдемар Юнгнер изобрёл никель-кадмиевый аккумулятор, который использовал никель в качестве положительного электрода и

кадмий для отрицательного. Двумя годами позже, Эдисон предложил

5

альтернативную конструкцию, заменив кадмий железом. Из-за высокой стоимости используемых в никель-кадмиевых и никель-железных аккумуляторах материалов (по сравнению с сухими электрическими батареями или свинцовыми аккумуляторами), практическое использование этих типов аккумуляторных батарей имеет определённые ограничения. Значительно улучшило характеристики никелькадмиевых аккумуляторов изобретение в 1932 году немецкими учёными Шлехтом и Акерманом электродов, изготовленных прессованием из порошка. Это позволило увеличить рабочие токи никель-кадмиевых аккумуляторов и увеличило строк их службы. Герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы, используемые нами в настоящее время, были разработаны в 1947 году.

С первых же дней после открытия электричества, человечество стало зависимым от изобретения, поэтому появилась необходимость в создании приборов, которые бы поставляли энергию при отключения основного источника питания.

Если развитие сотовых телефонов можно было наблюдать в быту, то источники бесперебойного питания стали известны большинству населения только во время массовой компьютеризации. ИБП для персональных компьютеров служили для обеспечения безопасного выключения и сохранения данных при незапланированных отключениях электроэнергии, и время автономной работы составляло не больше 10-ти минут. Но история развития ИБП берёт своё начало гораздо раньше.

История создания источников бесперебойного питания насчитывает порядка ста лет. Впервые их разработку начала компания «Eaton Corporation», которая занялась проектировкой создания устройств данного типа с 1930 года, и продолжает развивать эту отрасль до сих пор. Первые источники бесперебойного питания появились в 40-х годах прошлого века, но не использовались обширно из-за нестабильности электрической системы. Наиболее известно ИБП стало во время Второй Мировой войны, и только определенному кругу людей, так как данные разработки были доступны лишь секретным войскам.

Только благодаря компании «Eaton Corporation» весь мир узнал об ИБП, чье использование начинается повсеместно с 50-х годов ХХ века. Разработчики представленной корпорации создали практически спасительный прибор для всего мира, так как многие промышленные предприятия стабильно работают лишь за счет ИБП.

Первые ИБП были внушительных размеров и предназначались исключительно для защиты от перепадов напряжения на фабриках и заводах, обеспечивающих производство жизненно важных препаратов. Они могли сохранять энергию не больше часа, чего хватало только на прекращение работы и своевременное отключение техники, но это считалось уникальным прорывом, так как резкое

6

прекращение работы фабрик обычно приводило как к потере материала, так и к поломке приборов.

В дальнейшем, источники бесперебойного питания постоянно усовершенствовались. В их разработку включились многие компании со всего света, и, путем проб и ошибок, к концу прошлого века создали крупный промышленный источник бесперебойного питания, который мог работать до 5-ти часов - в то время это был настоящий прорыв всего человечества.

2 Постановка задачи

Правила устройства электроустановок предусматривают три категории электроприёмников.

Электроприемники первой категории - электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения.

Из состава электроприемников первой категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров.

Электроприемники первой категории в нормальных режимах должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания.

Для электроснабжения особой группы электроприемников первой категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания.

В качестве третьего независимого источника питания для особой группы электроприемников и в качестве второго независимого источника питания для остальных электроприемников первой категории могут быть использованы местные электростанции, электростанции энергосистем (в частности, шины генераторного напряжения), предназначенные для этих целей агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные батареи и т.п.

Если резервированием электроснабжения нельзя обеспечить непрерывность технологического процесса или если резервирование электроснабжения экономически нецелесообразно, должно быть осуществлено технологическое резервирование, например, путем установки взаимно резервирующих

7

технологических агрегатов, специальных устройств безаварийного останова технологического процесса, действующих при нарушении электроснабжения.

Электроснабжение электроприемников первой категории с особо сложным непрерывным технологическим процессом, требующим длительного времени на восстановление нормального режима, при наличии технико-экономических обоснований рекомендуется осуществлять от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, к которым предъявляются дополнительные требования, определяемые особенностями технологического процесса.

Электроприемники второй категории - электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

Электроприемники второй категории в нормальных режимах должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания.

Для электроприемников второй категории при нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады

Электроприемники третьей категории - все остальные электроприемники, не подпадающие под определения первой и второй категорий.

Для электроприемников третьей категории электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, не превышают 1 суток.

Согласно данных критериев, система радиационного контроля УИМ-3Д относится к особой группе потребителей первой категории, поскольку нарушение её электроснабжения влечёт за собой опасность для жизни и здоровья людей. Поэтому необходимо предусмотреть для неё третий независимый источник питания, в качестве которого лучше всего подходит источник бесперебойного питания.

Авария на ЧАЭС показала, что несмотря на наличие резервного питания, многие системы аварийного блока на длительный для той обстановки срок остались обесточенными из-за обрывов кабелей или коротких замыканий и срабатывания соответствующих защит. В том числе обесточенными оставались местные системы радиационного контроля типа УИМ2-2, что привело к отсутствию достоверной информации о радиационной обстановке и переоблучению персонала. Поэтому время автономного питания от ИБП должно составлять не менее четырёх часов (половина стандартной рабочей смены). Помимо времени автономной работы, ИБП для УИМ-3Д должен соответствовать следующим параметрам:

8

-выходное напряжение 220 (+17,6/-26,4) В;

-частота выходного напряжения 50 (+/-2) Гц;

-форма выходного напряжения синусоидальная.

3 Аналитический обзор

ИБП, существующие в продаже.

1. Phoenix Contact.

Немецкая компания, мировой лидер в сфере производства электротехнической продукции. Имеет производственные мощности в России.

ИБП данного производителя позволяют программно конфигурировать и контролировать систему бесперебойного питания, обладают небольшими размерами, а также очень легко собираются подключаются к другим устройствам (буферные модули, устройства коммутации и т.д.) Phoenix Contact благодаря модульной системе. Производитель заявляет, что ИБП выдаёт на выходе переменное напряжение, имеющие форму чистой синусоиды.

Основными минусами данных ИБП является высокая стоимость и то, что они производятся за границей.

Для обеспечения питанием УИМ-3Д (U=220 В, f=50 Гц, P=250 В*А) подходят следующие ИБП Phoenix Contact:

-TRIO-UPS-2G/1AC/1AC/230V/750VA;

-QUINT4-UPS/1AC/1AC/500VA/USB.

Рассмотрим подробнее их характеристики.

TRIO-UPS-2G/1AC/1AC/230V/750VA

Входные данные:

-номинальное напряжение на входе 230 В;

- диапазон допустимых входных напряжений от 184 до 264 В;

-диапазон допустимых частот от 45 до 55 Гц;

-потребляемый ток 3 A.

Общие выходные данные:

-полная мощность 750 ВА;

-эффективная мощность 600 Вт;

-коэффициент мощности 0,8;

-время переключения < 10 мс.

Выходные данные при нормальном режиме работы:

-номинальное напряжение на выходе 230 В;

-номинальный ток на выходе 3 A (750 ВA); Выходные данные при питании от аккумулятора:

-номинальное напряжение на выходе 230 В;

9

-номинальный ток на выходе 3 A (750 ВA);

-форма выходного напряжения чистая синусоида;

-частота 50 Гц.

Время автономной работы при стандартном аккумуляторе ИБП и нагрузке 300 Вт составляет 4 минуты.

Стоимость данного ИБП составляет 88 000 рублей (по данным сайта expertautomatic.ru).

QUINT4-UPS/1AC/1AC/500VA/USB

Входные данные:

-диапазон номинальных напряжений на входе 100/240 В;

-диапазон допустимых входных напряжений от 90 до 264 В;

-диапазон частот от 45 до 65 Гц;

-потребляемый ток при 100 % активной нагрузке и работе зарядного устройства 6,9 A ( 100 В) / 2,86 A (240 В);

-потребляемый ток при питании от аккумулятора 19 A (24 В пост.тока). Общие выходные данные:

-полная мощность 500 ВА;

-эффективная мощность 400 Вт;

-коэффициент мощности 0,8;

-номинальный ток на выходе (100 % нагрузка) 4,17 A(120 В) / 2,17 A (230 В);

-время переключения < 10 мс.

Выходные данные при нормальном режиме работы:

-номинальное напряжение на выходе 120/230 В;

-номинальная выходная частота 60±5 Гц / 50±5 Гц;

-КПД ( 100 % нагрузка, при заряженном аккумуляторе ) не менее 97 %. Выходные данные при питании от аккумулятора:

-номинальное напряжение на выходе 120±2 % /230±2 % В;

-номинальная выходная частота 60 Гц / 50 Гц

-допуск выходной частоты ±5 % (с управлением по сети), ±0,5 % (с собственным управлением);

-форма выходного напряжения чистая синусоида;

-допустимая перегрузка 105 % (постоянно), 120/150 % (20/5 сек, затем отключение).

Время автономной работы зависит от типа аккумулятора, который в данных ИБП является заказной, а не стандартной позицией. Максимальное время автономной работы обеспечивается при использовании аккумулятора UPS-BAT/LI- ION/24DC/924WH и составляет 105 минут при нагрузке 250 ВА.

Общая стоимость такого ИБП (вместе с аккумулятором) составляет 520 000 рублей (по данным сайта expert-automatic.ru).

10