Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. Учебное пособие. Курс лекций
.pdf
141
Общим недостатком рассмотренных УБП (ЭПУ) является необходимость применения на каждый номинал выходного напряжения постоянного
тока отдельную АБ, т.е. в УБП на выходные напряжения -24, -48 и -60 В
следует устанавливать три АБ, каждая из которых рассчитана на свой номинал. Возможно использование на объекте одной АБ (на один номинал
выходного напряжения), а другие номиналы выходного напряжения получать с помощью дополнительно устанавливаемых преобразователей, как,
например, показано на рисунке 1. Но такое решение приводит к снижению
КПД системы в целом, а также к снижению его надёжности.
В комплекс аппаратуры связи входят устройства, требующие для
своей работы электрическую энергию переменного тока. Относительно
низкая надежность промышленных сетей переменного тока и качество
электрической энергии зачастую не удовлетворяющее требованиям ГОСТ
13109 не позволяют осуществлять электропитание компьютеров и серверов
непосредственно от сети переменного тока. В этом случае обычно применяют устройства гарантированного или бесперебойного питания переменного тока. В настоящее время получили распространения два вида
устройств, а именно так называемые off-line и on-line системы.
На рисунке 4 показана функциональная схема устройства off-line системы. В нормальном режиме функционирования системы нагрузка получает питание от сети переменного тока-через сглаживающий фильтр (переключатель коммутирующего устройства находится в положение 1), а выпрямительное устройство В обеспечивает непрерывный подзаряд (содержание) АБ. При отключении сети коммутирующее устройство переводит
питание нагрузки на инвертор И (при этом имеет место коммутационный
перерыв в подаче электропитания), который в свою очередь получает энергию от АБ. Причем в устройствах данного типа энергии АБ хватает чаще
всего на 5... 7 минут работы инвертора, т.е. только на время, позволяющее
корректно закончить работу на ПК без потери информации. В подобных
устройствах выходное напряжение инвертора, как правило, имеет прямоугольную форму с меандром, обеспечивающим только частичное ослабление третьей и пятой гармоник. После восстановления сети нагрузка вновь
переводится на сеть, а В обеспечивает заряд АБ и последующее ее содер-
жание. Понятно, что данное УГП нельзя применять, если: сеть имеет
142
Рисунок 4 - Функциональная схема устройства off-line
колебания напряжения, превышающие пределы, допустимые для питаемой
аппаратуры. При плохом качестве сети происходят частые переключения
нагрузки на работу от АБ, что резко уменьшает ее срок службы. Кроме того,
серьезным недостатком системы off-line является то, что при переключении
УГП с режима работы от батареи на режим работы от сети, на выходе УГП
могут возникать скачки напряжения, которые могут вызвать сбой в работе
питаемой аппаратуры. Достоинством данного УГП является его простота и,
как следствие, низкая стоимость по сравнению с другими УГП переменного
тока.
От многих недостатков системы off-line свободна система line- inter-
activ, функциональная схема которой приведена на рисунке 5. Отличие
схемы на рисунке 5 от схемы на рисунке 4 состоит прежде всего в приме-
нении автотрансформатора, который включается между входным и выход-
ным помехоподавляющими фильтрами, и микропроцессорного блока
управления.
В УГП line- interactiv в нормальном режиме работы нагрузка получает
электроэнергию по основной цепи от сети переменного тока через помехоподавляющий фильтр и автотрансформатор. Параллельная цепь, содержащая выпрямитель, инвертор и аккумуляторную батарею, является резервной. При отключении или выходе за допустимые пределы, напряжения
сети нагрузки автоматически подключается к резервной цепи. Время переключения с основной цепи на резервную составляет 5...7 мс. После восстановления напряжения сети нагрузка бесперебойно получает питание от
143
Рисунок 5 - Функциональная схема УГП типа line- interactiv
основной цепи, а выпрямитель обеспечивает заряд аккумуляторной батареи
и последующее ее содержание. Блок управления контролирует форму и ам-
плитуду напряжения сети. В случае, когда напряжение сети становится
слишком низким или слишком высоким, блок анализа сети пытается скорректировать величину напряжения, переключая отводы автотрансформатора так, чтобы приблизить напряжение на выходе устройства к номинальному значению. Если напряжение становится настолько низким, что переключение отводов уже плохо помогает, то УГП переключается на работу от
АБ. Если на вход УГП поступает напряжение искаженной формы, блок
управления также переключает УГП на режим работы от батареи.
В нормальном режиме работы коэффициент полезного действия схем
off-line и line- interactiv примерно одинаковый и достигает 95...97 %. Основным достоинством схемы line- interactiv по сравнению со схемой off-line
является больший срок службы АБ, так как этот УГП реже переходит на
работу от АБ при том же качестве сети. К достоинствам схемы line- interactiv следует также отнести безобрывность перехода из режима работы от аккумуляторной батареи на сеть (при синхронизации инвертора с сетью), а
также обеспечение синусоидального напряжения и широкого набора сервисных возможностей, а именно: регистрации параметров, дистанционного
управления, поддержки протокола обмена информации, - все это при высоком КПД заметно расширяет область применения данного вида УГП.
144
Действительно бесперебойную, а не гарантированную подачу электрической энергии высокого качества обеспечивают схемы с двойным преобразованием электроэнергии или, как их еще называют, схемы on-line.
Функциональная схема УБП типа «on-line» представлена на рисунке 6.
Направление передачи потока энергии для возможных режимов работы этого УБП показаны толстыми линиями на рисунке 7. В нормальном
режиме работы УБП (рисунок 7,а) питание нагрузки осуществляется от инвертора, который в свою очередь получает электроэнергию от сети переменного тока через выпрямительное устройство. Это выпрямительное
устройство также обеспечивает непрерывный подзаряд АБ.
В отличие от выпрямителей рассмотренных ранее УГП это, как правило, мощное устройство-. Ведь выпрямитель этого УБП должен не только
подзаряжать АБ, но прежде всего обеспечивать через инвертор питание
нагрузки, т.е. должен быть рассчитан на выходной ток, равный сумме максимального зарядного тока АБ и тока, потребляемого инвертором при минимальном входном напряжении, т.е. в начале заряда батареи. Требуемая
стабильность выходного напряжения выпрямителя определяется АБ при ее
эксплуатации в режиме непрерывного подзаряда.
Рисунок 6 - Функциональная схема УБП типа on-line
145
Рисунок 7 - Направления передачи потока энергии: а) в нормальном
режиме УБП; б) при отсутствии сети; в) при отключении инвертора
При пропадании сети переменного тока или уменьшении ее напряжения ниже границы диапазона допустимых входных напряжений выпрямителя (т.е. выпрямитель уже не может стабилизировать напряжение), напряжение постоянного тока на выходе выпрямителя уменьшается и становится
ниже напряжения заряженной батареи УБП, в результате чего инвертор
начинает работать от разряжающейся АБ (рисунок 7,б). При отключении
сети переменного тока питание нагрузки осуществляется по-прежнему от
инвертора, который в этом случае получает электроэнергию от разряжающейся батареи. Переход питания с сети на АБ происходит безобрывно и
практически при отсутствии переходного процесса изменения выходного
напряжения инвертора. Работа УБП от батареи продолжается некоторое
время, определяемое емкостью аккумуляторной батареи и нагрузкой. После того, как батарея разрядится до напряжения примерно 1,7 В на элемент,
инвертор будет отключен автоматикой, защищающей батарею от недопустимо глубокого разряда. После восстановления напряжения сети выпрямитель заряжает аккумуляторную батарею и обеспечивает работу инвертора.
146
Для питания нагрузки в случае отключения инвертора из-за его длительной перегрузки или его повреждения в УБП предусмотрено автоматическое бесперебойное переключение нагрузки на питание по обходной
цепи (байпас) непосредственно от сети переменного тока (рисунок 7,в).
Байпас - это специальная линия, которая позволяет в случае необходимости
питать нагрузку непосредственно от сети. Для переключения на работу через байпас служит статический (т.е. не имеющий движущихся элементов)
электронный переключатель, силовая часть которого обычно выполняется
на тиристорах, как показано на рисунке 6. Следует отметить, что в УБП
малой мощности в качестве устройства переключения на практике достаточно часто применяются быстродействующие реле.
ВОПРОС 5 Комбинированные системы бесперебойного питания
Применение на объектах связи, аппаратура которых требует бесперебойной подачи электрической энергии постоянного и переменного тока,
рассмотренных УБП постоянного и УБП переменного тока приводит к
необходимости иметь в каждом из этих УБП свою аккумуляторную батарею, являющуюся наиболее дорогостоящим элементом любого из этих
УБП. Поэтому в настоящее время на объектах связи все более широкое применение находят УБП постоянного тока, дополненные инверторными системами [4]. В состав инверторной системы входят инверторы, вырабатывающие электрическую энергию однофазного переменного тока с синусоидальной формой кривой напряжения, статический байпас, байпас обслуживания инверторной системы и распределительное устройство. Инверторы включаются между собой по входу и выходу параллельно. Общее
число инверторов в системе выбирается обычно по формуле п + 1. Схема
управления обеспечивает синхронизацию частоты выходных напряжений
отдельных инверторов между собой и с сетью переменного тока, что позволяет, как было показано в предыдущем вопросе, обеспечивать безобрывность перевода питания аппаратуры с инверторов на сеть и обратно. Функциональная схема такой комбинированной системы электропитания приведена на рисунке 8.
147
Система электропитания содержит УБП постоянного тока на выходное напряжение - 60 В, режимы работы которой и назначение элементов
достаточно подробно изложены в вопросе 4. Инверторы инверторной системы подключены через автоматический выключатель АЗ к выходу УБП
постоянного тока (к выходу выпрямительно- аккумуляторной установки).
Компьютеры, серверы и другое технологическое оборудование, требующее
электрической энергии однофазного переменного тока, подключаются к
выходу инверторной системы через компьютерные щиты ЩК1,2. В нормальном режиме работы электроустановки потребители, требующие бесперебойной подачи электрической энергии переменного напряжения, получают ее от инверторов через тиристоры VS1 статического байпаса. Сами
инверторы получают электрическую энергию от выпрямительных
устройств УБП постоянного тока. Переключатель байпаса обслуживания
находится в положении «0», как показано на рисунке 8.
При отключении сети переменного тока питание потребителей электроэнергии переменного тока по-прежнему осуществляется от инверторов
Рисунок 8 - Функциональная схема комбинированной системы
электропитания с использованием преобразователей постоянного
и переменного тока
148
через тиристоры VS1, При этом сами инверторы и все потребители элек-
трической энергии постоянного тока с номинальным напряжением - 60 В
питаются от двухгруппной аккумуляторной батареи АБ № 1 и АБ № 2. При
выходе из строя нескольких инверторов так, что оставшиеся исправными
не в состоянии обеспечить питание нагрузки, инверторная система с помощью тиристоров VS 2 переводит питание аппаратуры на сеть переменного
тока без какого- либо перерыва в подаче электрической энергии. В целом
установка представляет собой ИБП типа on-line, в которой вместо встроенных аккумуляторов и собственных выпрямителей используются стационарные аккумуляторы и выпрямители УБП (электропитающей установки)
постоянного тока. Поэтому аккумуляторы и выпрямительные устройства
должны рассчитываться исходя из суммарной мощности, потребителей постоянного и переменного тока с учетом потерь в инверторной системе. В
случае необходимости ремонта или профилактического обслуживания статического байпаса питание аппаратуры переводится с помощью байпаса
обслуживания непосредственно на инверторы, для чего переключатель байпаса обслуживания должен быть переведен в положение 2. При необходимости ремонта самих инверторов питание аппаратуры переводится на сеть
переменного тока, для чего переключатель байпаса обслуживания должен
быть переведен в положение 1. В рассмотренной системе отсутствует, резервирование статического байпаса, поэтому средняя наработка на отказ
системы в целом не может быть выше средней наработки на отказ самого
статического байпаса. С целью повышения надежности системы в целом в
последнее время фирмы изготовители начали выпускать инверторные системы, в которых каждый инвертор с микропроцессорным управлением
(так называемый цифровой инвертор) имеет свой отдельный статический
байпас. Работа отдельных инверторов и байпасов синхронизируется схемой
управления.
На рисунке 9 показана функциональная схема универсального УБП,
позволяющего при наличии на объекте связи одной аккумуляторной батареи обеспечивать бесперебойную подачу потребителям электрической
энергии как переменного, так и постоянного тока нескольких номиналов
напряжения при относительно высоком КПД электроустановки.
149
Устройство содержит сетевой выпрямитель (В), зарядно-буферный
преобразователь (ЗБП), аккумуляторную батарею (АБ) и преобразователи
напряжения ПН1 и ПН2 по числу требуемых независимых выходов постоянного и переменного тока.
Сетевой выпрямитель 1 собран по схеме с бестрансформаторным входом: и содержит входной помехоподавляющий фильтр, выпрямительный
мост и корректор коэффициента мощности. Выпрямитель не содержит высокочастотного преобразователя. ЗБП представляет собой высокочастотный преобразователь с широтно-импульсным (ШИМ) регулированием выходного напряжения и предназначен для заряда и содержания АБ 19. Высокочастотные преобразователи ПН1 и ПН2 с ШИМ регулированием обеспечивают получение бесперебойной подачи электроэнергии постоянного
Рисунок 9 - Функциональная схема универсальной УБП
(ПН1) и переменного (ПН2) тока для питания нагрузок. АБ 19 обеспечи-
вает питание нагрузок при отключении внешней сети переменного тока 2.
Устройство работает следующим образом. Напряжение внешней сети
2 подается на входные зажимы сетевого выпрямителя 1, с выхода которого
напряжение постоянного тока 3 подается на коммутаторы импульсов КИУ
9 и 14, а также на инверторы И 10 и 15, преобразователей ПН1 и ПН2. Если
150
напряжение сети 2 находится в заданных пределах, то КИУ 9 вырабатывает
сигнал, коммутирующий импульсы управления с выходов узлов управления УУ 8 и 13 на входы инверторов И 10 и 15, которые и преобразуют электрическую энергию постоянного тока с уровнем напряжения порядка 400 В
в переменное напряжение повышенной частоты прямоугольной формы.
Это напряжение поступает на одну из первичных обмоток трансформатора
выпрямителя В 12 и далее выпрямляется для питания нагрузки преобразователя ПН1.
Для нагрузки переменного тока предназначается преобразователь
ПН2, который отличается от ПН1 наличием инвертора И 18 на выходе. Одновременно выходное напряжение выпрямителя 1 подается на вход ЗБП 4,
к выходу которого подключается АБ 19 и инверторы 11 и 16. При отключении сети переменного тока или повреждении выпрямителя В 1 КИУ 9 и 14
подключают устройства управления УУ 8 и13 к инверторам 11 и 16 и преобразователи ПН1 и ПН2 продолжают бесперебойно выдавать электроэнергию.
Отличие данной схемы от ранее рассмотренных состоит в том, что в
ней подсистема заряда и содержания резервной АБ выделена в отдельную
структуру только на выходную мощность необходимую для заряда АБ, а
преобразователи напряжения выходных каналов постоянного тока выполнены с двумя входными выводами. В данной УБП отсутствует двойное преобразование энергии, выходные напряжения не зависят от напряжения АБ,
а их нестабильность - от режима заряда-разряда АБ.
Эта схема по существу представляет собой СЭП с отделенной от
нагрузки АБ И позволяет получить действительно несколько более высокий
КПД электроустановки по сравнению со схемой на рисунке 8. Однако подобные УБП характеризуются худшим качеством вырабатываемой электрической энергии постоянного тока в динамических режимах работы
электроустановки поскольку аккумуляторная батарея с ее прекрасными
фильтрующими свойствами непосредственно не подключается к аппаратуре.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]