32. Структурная схема электропитающей установки предприятия связи. Автоматизированные системы бесперебойного питания.

Электропитающая установка (ЭПУ) предприятия связи предна­значена для преобразования, регулирования, распределения и обес­печенияподачи электрической энергии постоянного и переменного тока, необходимых для нормальной работы аппаратуры связи.

В состав ЭПУ бесперебойного питания входят установки беспе­ребойного питания постоянного и переменного тока, преобразователи и стабилизаторы напряжения, коммутационное оборудование и то-кораспределительные сети, связывающие между собой оборудование электропитания и аппаратуру связи. "

ЭПУ должна быть рассчитана на работу в нормальном и аварий­ном режимах.

Нормальный режим работы обеспечивает аппаратуре связи каче­ство электроэнергии, соответствующее установленным нормам, при этом оборудование ЭПУ работает без вмешательства обслуживающе­го персонала. Аварийный режим работы не обеспечивает аппара­туре связи установленного качества электроэнергии и требует вме­шательстваэксплуатационного персонала. В этом режиме должно обеспечиваться автоматическое отключение поврежденного оборудо­вания с выдачей соответствующих сигналов. Автоматическое отклю­чение оборудования должно также обеспечиваться в том случае, ко­гда дальнейшая работа может привести к необратимому поврежде­нию оборудования (например, разряду аккумуляторной батареи ни­же допустимого уровня) или нарушению требований безопасности. В качестве примера на рис. 9.1 приведен один из возможных вариантов построения ЭПУ объекта связи, аппаратура которого требует бесперебойной подачи электроэнергии переменного тока и постоян­ного тока двух номиналов напряжения (—60 и —48 В). В состав УБП переменного тока входит выпрямитель В, инвертор И, аккумулятор­ная батарея АБ и устройство переключения с УБП на сеть перемен­ного тока и обратно (байпас). Нагрузки подключаются к УБП через распределительную панель РП переменного тока. Само УБП под­ключается через автоматический выключатель к главному распре­делительному щиту ГРЩ электроустановки объекта связи. Основ­ными элементами УБП постоянного тока являются выпрямительные устройства В и аккумуляторная батарея АБ, подключенная к выходу В. Нагрузки, требующие напряжения —60 В подключатся к выходу УБП через автоматические выключатели распределительной пане­ли РП постоянного тока. Аппаратура требующая электроэнергии с напряжением —48 В подключается через стабилизирующий преоб­разователь напряжения СПН.

ОЧЕРЕДНАЯ ВЕСЕЛАЯ СХЕМА, НИКАК НЕ ХОТЯЩАЯ СТАТЬ НОРМАЛЬНОЙ В УЧЕБНИКЕ НА СТР 321

33. Системы электропитания постоянного и переменного тока. Комбинированная схема электропитания.

Системы бесперебойного электропитания постоянного тока. Под системой бесперебойного электропитания постоянного тока подразумевается совокупность системы электроснабжения, УБП и токораспределительных сетей, объединенных общей целью — обес­печения надежной и бесперебойной подачи к аппаратуре электриче­ской энергии постоянного тока требуемого качества во всех режимах работы электроустановки. Кроме того, система должна:

• обеспечивать высокую степень автоматизации и единство центра­лизованного мониторинга и управления на основе стандартных интерфейсов и программного обеспечения;

• возможность «горячей» замены аккумуляторных батарей и пре­образовательных модулей в УБП без перебоев в электропита­нии аппаратуры;

• иметь средства отображения и индикации состояния устройств и модулей, входящих в состав системы, а также обеспечивать работу оборудования системы без постоянного присутствия экс­плуатационного персонала.

Высокая надежность систем бесперебойного электропитания по­стоянного тока обеспечивается прежде всего за счет: высокой на­дежности систем электроснабжения; применения необходимого акку­муляторного резерва; высокой надежности элементов и применения избыточного количества модулей в УБП с использованием горяче­го резервирования их.

В УБП постоянного тока применяется, как правило, аккумуля­торный резерв в двухгруппном исполнении, т.е. две аккумуляторные батареи, включенные через устройства защиты и коммутации между собой параллельно. Емкость каждой группы АБ должна обеспечи­вать электропитание аппаратуры, как правило, в течение по крайней менее 0,5 часа при ее максимальном потреблений. При недостаточ­но надежном электроснабжении объекта связи применяется аккуму­ляторный резерв на большее время. Так, в необслуживаемых регенерационных пунктах (НРП) применяется аккумуляторный резерв в двухгруппном исполнении с суммарным запасом емкости на время не менее 24 часов, что обеспечивает питание оборудования до устране­ния перерыва в электроснабжении или подъезда передвижной элек­тростанции. Рекомендуемое значение аккумуляторного резерва для объектов связи различного назначения приводится в ВСН-332. В состав УБП входит:

• комплект выпрямительных устройств, состоящий из К выпря­мителей (модулей);

• автоматические выключатели Al-1... А1-К, с помощью которых выпрямительные устройства подключаются к вводному щиту (щит вводной распределительный автоматизированный — ЩВРА);

• автоматические выключатели А2-1... А2-К, установленные в ми­нусовом полюсе каждого из выпрямителей;

• двухгруппная аккумуляторная батарея (АБ № 1, АБ № 2);

• автомат (контактор) глубокого разряда АГР;

• батарейные автоматические-выключатели АБ1, АБ2, установлен­ные в минусовом полюсе каждой из аккумуляторных батарей;

• токовые шунты, с помощью которых осуществляется измерение тока в цепи аккумуляторных батарей Ш1 и в цепи нагрузок Ш2;

• автоматические выключатели A_n-l...A_n-m, через которые ста-тивы аппаратуры подключаются к УБП;

• контроллер, обеспечивающий мониторинг и управление УБП.

НЕБОЛЬШАЯ, НО КРАЙНЕ ЗАМЕЧАТЕЛЬНАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УБП УЧЕБНИК СТР 323

В нормальных условиях работы УБП все К модулей постоян­но включены, т.е. избыточные модули обеспечивают горячий резерв. В условиях нормального электроснабжения и исправном оборудова­нии электропитание аппаратуры осуществляется от стабилизирую­щих выпрямительных устройств. Значение выходного напряжения выпрямитель­ных устройств определяется числом последовательно соединенных элементов (аккумуляторов) и требуемым напря­жением содержания одного элемента. При перерывах в электроснабжении питание аппаратуры осуществляет­ся от разряжающейся АБ (аккумуляторной батареи). При восстановлении электроснабжения выпрямительные устрой­ства должны обеспечить питание аппаратуры и заряд АБ, без от­ключения ее от нагрузки. Заряд АБ может осуществляться либо в одну ступень (при напряжении, равном напряжению содержания АБ), либо в две ступени. В последнем случае выходное напряже­ние выпрямителей на первой ступени заряда обычно выбирается из расчета 2,35 В на один элемент АБ.

Функции, выполняемые контроллером в данной СЭП, могут быть различными в зависимости от фирмы-изготовителя аппаратуры элек­тропитания. Так, в системе электропитания УЭПС-2, выпускаемой Юрьев-Польским заводом, контроллер выполняет следующие функ­ции:

• обеспечивает контроль: тока АБ и тока нагрузки; напряжения на АБ и нагрузке; текущей температуры окружающей среды; ем­кости полученной АБ при ее заряде; емкости отданной АБ при ее разряде. На дисплей контроллера выводятся значения выше перечисленных параметров, а также текущие время и дата;

• следит за состоянием автоматических выключателей: на выхо­де выпрямителей (А2-1... А2-К); аккумуляторной батареи (АБ1, АБ2) и нагрузки (Атг-1... An—ш); аварийных реле выпрямите­лей; автомата (АГР); наличием всех трех фаз питающей сети. При отключении любого из автоматов или срабатывании защи­ты на дисплее контроллера появляется соответствующая инфор­мация. Все аварийные ситуации сопровождаются звуковым сиг­налом и с помощью двух аварийных реле контроллера сигна­лы аварий 1-й и 2-й степени передаются в ЦТЭ (центр техни­ческой эксплуатации);

• обеспечивает дискретное изменение выходного напряжения вы­прямителей (напряжения содержания АБ) при отклонении тем­пературы окружающей среды от номинального значения (20 °С) на ±10 °С.

К достоинствам рассмотренной СЭП, называемой часто буфер­ной модульной СЭП, следует отнести:

• высокое качество вырабатываемой электрической энергии, так как во всех режимах работы СЭП АБ остается подключенной к нагрузке;

• минимальное количество устройств, входящих в состав ЭПУ, что объясняет ее относительно низкую стоимость и высокую надеж­ность;

• высокий КПД (практически равный КПД выпрямителей может достигать 91... 94 %) и высокий коэффициент мощности (в слу­чае применения выпрямителей с корректором коэффициента мощности).

К недостаткам данной системы обычно относят широкие преде­лы изменения выходного напряжения.

Децентрализация СЭП. В настоящее время все более широ­кое применение в практике электропитания аппаратуры связи на­ходят децентрализованные системы электропитания с радиальными токораспредёлительными сетями ТРС постоянного тока. В случае радиальной ТРС от УБП к каждому стативу оборудования прокла­дывается индивидуальная пара токонесущих проводников (от плю­сового и минусового полюсов УБП). Применение децентрализован­ной системы позволяет размещать УБП в непосредственной близости к питаемой аппаратуре, что значительно сокращает длину токорас-пределительной сети постоянного тока и тем самым снижает потери в ней, позволяя на 3...5 % повысить КПД СЭП в целом, а также уменьшает помехи и динамические изменения напряжения на зажи­мах аппаратуры связи. С другой стороны, децентрализация ограни­чивает зону влияния повреждений в оборудовании самого УБП на функционирование аппаратуры связи, что приводит к увеличению живучести сети связи.

Важным экономическим фактором, отличающим децентрализо­ванную систему, является возможность снижения первоначальных капитальных затрат при ее применении и ускорения отдачи вложен­ных средств. Все это приводит к тому, что при более высокой надежности де­централизованных систем их суммарная стоимость становится ниже по отношению к централизованным, при повышении качества вы­ходных характеристик.

Следует отметить еще одну важную особенность децентрализо­ванной системы, которая заключается в возможности создания уни­версальных УБП. В этих УБП конструктивно могут быть объедине­ны устройства постоянного и переменного тока, а также устройства с различными выходными напряжениями.

Системы электропитания переменного тока

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 рис. 9.4 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 содержание. Понятно, что данное УГП нельзя при­менять, если сеть имеет 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 of-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-interactive. В УГП line-interactive 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 основной цепи, а выпрямитель обеспечивает заряд аккумуляторной батареи и по­следующее ее содержание. Блок управления контролирует форму и амплитуду 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. Основным достоинством схемы line-interactive 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-interactive следует также отнести безоб-рывность 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. УБП с двойным преобразованием имеют более широкий диапа­зон мощностей по сравнению с другими УБП, который изменяется от сотен ВА до сотен киловольт-ампер. При выходной мощности 10 кВА и выше УБП рассчитываются на работу от трехфазной се­ти переменного тока.

УБП с двойным преобразованием энергии имеют меньший КПД, по сравнению с устройствами других типов. Он составляет примерно 90 % при полной нагрузке. При уменьшении отдаваемой в нагрузку мощности КПД уменьшается. Например, при работе УБП с 50%-ной нагрузкой КПД может снижаться до 70 %. К положительным свой­ствам УБП с двойным преобразованием следует отнести хорошую за­щиту от шумов и импульсов напряжения, защиту от искажений фор­мы кривой напряжения, возможность работы в сетях с нестабильной частотой, стабилизацию напряжения с высокой точностью и возмож­ность наращивания емкости аккумуляторной батареи.

Комбинированная схема электропитания. 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. 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 разделе, обеспечивать безобрывность перевода питания аппаратуры с инверторов на сеть и обратно. Функциональная схема такой комбинированной системы электропитания приведена на рис. 9.8.

Система электропитания содержит УБП постоянного тока на вы­ходное напряжение —60 В, режимы работы которой и назначение элементов достаточно подробно изложены в разд. 9.1.4. Инверторы инверторной системы подключены через автоматический выключа­тель A3 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 ЩК. В нормальном режиме ра­боты электроустановки потребители, требующие бесперебойной пода­чи электрической энергии переменного, 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 рис. 9.8. При отключении сети переменного тока питание потребителей электроэнергии переменного тока по-прежнему осуществляется от инверторов через тиристоры VS1. При этом сами инверторы и все потребители электрической энергии постоянного тока с номинальным напряжением —60 В питаются от двухгруппной аккумуляторной батареи АБ № 1 и АБ N² 2.

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 ин-верторной 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.