Построение электропитающей установки с отделенной аккумуляторной батареей в режиме буфера

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) по своей физической сущности являются преобразователями вида и качества электрической энергии. Преобразователи электрической энергии широко используются в наземных стационарных установках, на автомобилях, кораблях и летательных аппаратах.

В современной радиоэлектронной аппаратуре широкое применение находят импульсные источники электропитания с импульсным регулированием выходного напряжения. Применение ИБП В РЭА объясняется высокими энергетическими и объемно-массовыми показателями. Коэффициент полезного действия в ИБП достаточно высокий (з =0,8−0,85) при низких входных напряжениях, при этом их удельная мощность составляет 120−150 Вт/дм³). (В источниках непрерывного действия этот показатель не превышает 30 Вт/дм³). Импульсные источники питания стоятся на базе однотактных и двухтактных транзисторных преобразователях напряжения. Транзисторы в преобразователях напряжения работают в режиме электронных ключей, что значительно уменьшает потери мощности на них. Двухтактные преобразователи позволяют получить значительно большую выходную мощность при высоком КПД. Они делятся на несколько групп, характеризующихся способом возбуждения выходных ключевых транзисторов и схемой включения их в цепь первичной обмотки трансформатора преобразователя. Если говорить о способах возбуждения, то можно выделить две группы: с самовозбуждением и внешним возбуждением. Первые пользуются меньшей популярностью из-за трудностей в налаживании. Преобразователи с внешним возбуждением хорошо подходят для создания ИБП повышенной мощности. Основными компонентами в мощных преобразователях напряжения считаются система управления и ключевое устройство. Для реализации принципа импульсного регулирования, согласования уровней питающего напряжения и напряжения на нагрузке, гальванической развязки силовых цепей и построения силовых фильтров остаются необходимыми трансформаторы, дроссели и конденсаторы. Поэтому различные элементы преобразователя электрической энергии нельзя рассматривать отдельно. Для осуществления процессов преобразования энергии одинаково необходимы силовые транзисторы и диоды, специализированные микросхемы, конденсаторы, дроссели и трансформаторы. Элементная база ИВЭП должна рассматриваться, оцениваться и совершенствоваться в комплексе.

Установлено, что при увеличении удельных нагрузок уменьшается суммарный объем деталей, увеличивается требуемая поверхность теплоотвода. При некоторой совокупности удельных нагрузок конструкция ИВЭП имеет минимальный объем, соответствующий оптимальному КПД. Кроме того КПД в сильной степени зависит от удаления ИВЭП от нагрузки, особенно в низковольтных источниках. Поэтому разрабатываемый низковольтный источник питания следует размещать совместно с нагрузкой потребления электрической энергии.

1. Системы электропитания АТС

1.1 Общие сведения о системах электропитания

Современная аппаратура электросвязи строится на базе микроэлектронике с широким применением микросхем. Поэтому требования к качеству и надежности подачи электрической энергии достаточно высокие. Все электроприемники предприятия и сооружений в зависимости от требований к надежности подачи электрической энергии разделяют на первую, вторую и третью категории.

К первой категории отнесены электроприемники перерыв в подаче электрической энергии которых может повлечь за собой перерыв связей и вещания и, как следствие, нарушение передачи важной информации. К первой категории отнесены технологические электроприемники центральных усилительных станций, ГТС емкостью от 500 до 3000 номеров включительно, районных узлов связи для сельскохозяйственных районов (РУС СХ). Остальные технологические приемники отнесены ко второй и третьей категориям.

Предприятия электросвязи подключаются к электрическим сетям энергосистем, как правило, через линии электропередач (ЛЭП) и собственные трансформаторные подстанции, преобразующие высокое напряжение 10 или 6 кВ в напряжение 0,4 кВ трехфазного переменного тока с частотой 50 Гц. Однако надежность электрических сетей недостаточна для обеспечения высокой надежности подачи электрической энергии к электроприемникам. Поэтому электроснабжение предприятий связи осуществляется от нескольких независимых друг от друга источников электрической энергии, в том числе и от собственных автоматизированных электростанций. Кроме того, на предприятиях электросвязи предусматривается резервирование электрической энергии с помощью аккумуляторных батарей.

Для преобразования электрической энергии, получаемой от источников электроснабжения, ее регулирования и стабилизации в заданных аппаратурой пределах, резервирование с помощью аккумуляторных батарей (АБ) и агрегатов бесперебойного питания (АПБ), а также распределения и защиты на предприятии электросвязи оборудуется электропитающая установка (ЭПУ), являющаяся частью электроустановки.

Таким образом, системы электропитания должны удовлетворить следующим основным требованиям [1]:

— обеспечить надежное и бесперебойное электропитание аппаратуры электрической энергией требуемого качества;

— иметь достаточно высокие энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности и удельные объемно-массовые показатели);

— быть максимально автоматизированными;

— иметь большой срок службы с возможностью его модернизации.

1.2 Агрегаты бесперебойного электроснабжения

Как показано в разделе 1.1, предприятия электросвязи должны обеспечиваться электроэнергией без перерыва в течение заданного времени. В зависимости от продолжительности этого времени и требуемой мощности применяются различные агрегаты бесперебойного электроснабжения (АБП). За рубежом для обеспечения АБП используется аббревиатура UPS (Uninterruptible Power Supply). В зависимости от рода выходного тока различают АБП переменного и постоянного тока.

Требования по согласованию АБП с нагрузкой регламентируют параметры качества электроэнергии на выходе агрегата. К этим требованиям относятся: значение, нестабильность и пульсации выходного напряжения; диапазон изменения выходного тока; значение и нестабильность частоты выходного тока. Нагрузкой АБП служит электронная АТС, на входе которой устанавливается источник электропитания. В случае сети переменного тока источники в большинстве случаев содержат во входной цепи нерегулируемы выпрямитель с емкостным фильтром, поэтому форма потребляемого ими тока значительно отличается от синусоидальной.

По принятой терминологии различают два класса АБП: «офф-лайн» и «он-лайн». У агрегата «офф-лайн» осуществляется прямая подача электроэнергии сети потребителю в нормальном режиме и подключение генератора синусоидального напряжения при авариях в электросети за время 2…10 мс. У агрегатов «он-лайн» при любых режимах функционирования сети электроэнергия поступает на нагрузку от генератора синусоидального напряжения со стабильными значениями напряжения, частоты, синусоидальности.

Оба класса АБП содержат инвертор, преобразующий выпрямленное напряжение в синусоидальное выходное. К сетевому выпрямителю подключается аккумуляторная батарея. Но если в АБП класса «офф-лайн» инвертор подключается только при снижении напряжения сети ниже заданного уровня, то в АБП класса «он-лайн» инвертор работает постоянно, благодаря чему обеспечивается гальваническая развязка от сети, защита от перенапряжений и провалов сетевого напряжения, ограничивается утечка информации по цепям электроснабжения. В дипломном проекте будут рассмотрены АБП с постоянным выходным напряжением (рисунок 1.1).

На рисунке 1.1, а, представлена схема АБП при нормальном электроснабжении и отключенной АБ от нагрузки (коммутатор К выключен). Нагрузка получает электрическую энергию от выпрямителя В1. Аккумуляторная батарея находится в режиме содержания, получает подзаряд от электрической сети через выпрямитель В2. При аварийном режиме в сети коммутатор подключает нагрузку в АБ.

Для компенсации электрической энергии при разряде АБ она может быть выполнена секционированной, т. е. состоять из основных элементов ОЭ и дополнительных ДЭ (рисунок 1.1, б). В нормальном режиме работы основные элементы подзаряжаются от сети через выпрямитель В1, дополнительные элементы — через выпрямитель В2. При этом коммутатор К1 — выключен, а коммутатор К2 включен. Нагрузка получает энергию от сети через выпрямитель В1. В случае снижения напряжения сети ниже заданного уровня коммутатор К2 выключается, а коммутатор К1 включается и нагрузка получает напряжение от последовательно включенных основных и дополнительных элементов.

Рисунок 1.1 — АБП электроснабжения с выходным постоянным напряжением Для стабилизации выходного напряжения АБП в переходных режимах используется регулирующее вольтодобавочное устройство РВДУ (рисунок 1.1, в). Регулирующее вольтодобавочное устройство преобразует напряжение постоянного тока. В нормальном режиме выпрямитель В через включенный коммутатор К подает напряжение на нагрузку Н и одновременно подзаряжает аккумуляторную батарею АБ. При отключении внешнего электроснабжения коммутатор К выключается и одновременно включается РВДУ. Последнее обеспечивает стабильность напряжения на нагрузке при работе от АБ, напряжение которой снижается в процессе разряда. Диод VD, который служит для безобрывной коммутации, закрывается напряжением РВДУ.

При появлении внешнего электроснабжения выпрямитель В включается в режиме стабилизации тока и обеспечивает энергией нагрузку и аккумуляторную батарею. После заряда АБ выпрямитель переходит в режим стабилизации напряжения и АБП возвращается в исходное состояние.

1.3 Система электропитания с отделенной от нагрузки аккумуляторной батареей

К недостаткам буферной системы электропитания с регулированием выходного напряжения коммутацией дополнительных элементов АБ следует отнести: ступенчатое регулирование напряжения, невозможность блочного наращивания установки; сложность вопросов резервирования устройства АКАБ (автоматическая коммутация аккумуляторной батареи) и автоматического заряда дополнительных элементов батареи.

На рисунке 1.2, изображена функциональная схема системы электропитания (СЭП) с отключенной от нагрузки АБ и с комбинированными выпрямителями на напряжение — 60 В. В состав ЭПУ входят: аккумуляторная батарея из 28 элементов; зарядный выпрямитель, основной и резервный комбинированные выпрямители; распределительные автоматическими выключателями, с тиристорными ключами VS1, отделяющие АБ от входов конверторов комбинированных выпрямителей, и тиристорные ключи VS2, подключающие в аварийных режимах работы ЭПУ шины РЩ непосредственно к шинам АБ.

Комбинированный выпрямитель представляет собой нерегулируемый выпрямитель (НУВ) и постоянно работающий конвертор. Конвертор обеспечивает стабилизацию выходного напряжения ЭПУ. В нормальном режиме работы ЭПУ тиристорные ключи VS1 и VS2 выключены. Питание аппаратуры осуществляется от комбинированных выпрямителей. В установившемся режиме напряжение на выходе ЭПУ (на шинах РЩ) поддерживается стабильным с точностью ±2% установленного значения. В нормальном режиме работы ЭПУ зарядный выпрямитель (ЗВ) работает в буфере с АБ, обеспечивая ее подзаряд стабильным напряжением на уровне 2,2 В/эл. В случае отказа основного выпрямителя, выходное напряжение на шинах РЩ (при токе нагрузке превышающем номинальный ток) снижается, автоматически подключается АБ к нагрузке через тиристор VS2 и тем самым резервирует вышедший из строя выпрямитель. Аналогичная операция происходит при отключении сети переменного тока. Такое аварийное подключение АБ с ЗВ позволяет обеспечить быстрое срабатывание элемента защиты в цепи короткого замыкания.

В случае отключения сети переменного тока тиристорные ключиVS1 замыкают цепь питания нагрузки от АБ через конвертор комбинированных выпрямителей. Этот режим работы будет иметь место до тез пор, пока не будет восстановлено сетевое питание или пока АБ не разрядится до напряжения 1,75…1,8 В/эл.

При восстановлении сетевого питания ЗВ начинает заряжать АБ в режиме стабилизация тока. Через установленный интервал времени питание конвертора переводится на НУВ (тиристорный ключ VS1 выключается). После достижения напряжения 2,3…2,35 В/эл. АБ зарядного выпрямителя переводится в режим стабилизации напряжения на уровне 2,2 В/эл.

Рисунок 1.2 — Функциональная схема ЭПУ с отделенной от нагрузки АБ

1.4 Общий подход при построении ЭПУ

Электропитание предприятий связи осуществляется от внешних источников переменного тока, частотой 50 Гц., напряжением 380/220 В. Аппаратура, значительная ее часть, питается напряжением постоянного тока различных номиналов. Для преобразования электрической энергии, регулирования, распределения и резервирования различных номиналов напряжения постоянного и переменного токов, необходимых для нормальной работы аппаратуры, на предприятиях связи оборудуются электропитающие установки (ЭПУ).

В зависимости от характера электроснабжения, мощности, потребляемой аппаратурой, а также от степени рассредоточения нагрузок по каждому из номиналов напряжений могут применяться различные принципы построения ЭПУ. Наиболее широкое применение получил однобатарейный принцип построения ЭПУ.

При многобатарейном принципе построения ЭПУ для каждого номинала напряжения постоянного тока строится отдельная выпрямительно-аккумуляторная установка, т. е. применяется ценрализованная система электропитания аппаратуры. В отличии от индивидуальной системы, которая предполагает наличие отдельных источников для каждого узла, блока, стойки и т. д., при централизованной системе все потребители каждого из напряжений постоянного тока получают питание от одной выпрямительно-аккумуляторной установки. В отдельных случаях, когда нагрузка по отдельным напряжениям не может быть обеспечена выпускаемыми выпрямительными устройствами и аккумуляторами, допускается применение двух и более выпрямительно-аккумуляторных установок этого напряжения. Централизованная система более экономична, чем индивидуальная как по стоимости, так и по энергетическим и габаритным показателям, однако она требует прокладки распределительных сетей постоянного тока с малыми потреяи напряжения и поэтому невыгодна при большой степени рассредоточения нагрузок по площади, особенно при низких напряжениях. Еще одним недостатком централизованной системы является также наличие непосредственной электрической связи между блоками аппаратуры по цепям питания.

При однобатарейном принципе построения ЭПУ оборудуется аккумуляторно-выпрямительная установка (опорная) только на одно напряжение.

При наличии потребителей с несколькими номиналами напряжения постоянного тока они объединяются в отдельные группы, каждая на свой номинал напряжения, питание которых осуществляется от индивидуальных источников, т. е. реализуется однобатарейный принцип с индивидуальными источниками питания.

Этот принцип полностью реализуется при электропитании цифровых АТС. Опорная выпрямительно-аккумуляторная установка строится на выходное постоянное напряжение 60 или 48 В и размещается внепосредственной близости от АТС. Необходимые номиналы напряжений, для питания микросхем, получают с помощью индивидуальных стабилизированных конверторов, размещаемых непосредственно в блоках самой АТС.

Структурная схема однобатарейной ЭПУ с индивидуальными конверторами показана на рисунке 1.3.

В состав ЭПУ входят: опорная выпрямительно-аккумуляторная установка с основным и резервным бестрансформарными выпрямителями, зарядный выпрямитель, работающий в буфере с аккумуляторной батареей и индивидуальные конверторы, на определенные номиналы постоянного напряжения. Поскольку выпрямительные устройства бестрансформаторные, то для получения типовых номиналов 60 или 48 В на выходе выпрямителей ставятся преобразователи напряжения.

Для питания цифровой АТС емкостью до 500 номеров опорная выпрямительно-аккумуляторная установка может размещаться в шкафу самой АТС, как это выполнено в ЭПУ типа ПС-60/48 (рисунок 1.4).

Бестрансформаторные выпрямители, как правило, работают на емкостную нагрузки, напряжение, до которого заряжается конденсатор примерно равно амплитудному напряжению сети переменного тока, т. е.

Рисунок 1.3 — ЭПУ цифровой АТС Рисунок 1.4 — Установка бесперебойного электропитания ПС-60/48У

Комбинированный выпрямитель включает: помехоподавляющий фильтр; сетевой бестрансформаторный выпрямитель; емкостной фильтр; преобразователь постоянного напряжения в переменное; выходной выпрямитель с LC фильтром.

Зарядный выпрямитель имеет структуру аналогичную основному комбинированному выпрямителю. В цепи аккумуляторной батареи стоит управляемый преобразователь напряжения, который обеспечивает постоянное выходное напряжение в процессе разряда АБ.

В нормальном режиме работы резервный комбинированный выпрямитель может быть отключен от нагрузки с помощью диодной сборки ДС и резервный выпрямитель может работать совместно с основным на общую нагрузку. Подключение резервного выпрямителя осуществляется изменением напряжения на катоде диодной сборки. В нормальном режиме работы зарядный выпрямитель подзаряжает АБ, а при отключении сети переменного тока, АБ через регулируемый преобразователь напряжения и тиристор VS1 обеспечивает электрической энергией нагрузку.

1.5 Устройства стабилизации тока и напряжения в импульсных блоках питания (ИБП)

Стабилизаторами напряжения или тока называются устройства, автоматически поддерживающие напряжение или ток на стороне потребителя с заданной степенью точности.

Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими изменение напряжения или тока на стороне потребителя, являются: колебания питающих напряжений; изменения тока нагрузки; колебания частоты тока питающей сети; изменения температуры окружающей среды и др. Большая часть потребителей питается от промышленной сети переменного тока, имеющей частоту 50 Гц. Колебания напряжения в такой сети могут достигать −15…+10% от номинального значения. Изменение мощности, потребляемой аппаратурой, вызывает изменения тока потребителя. Изменение тока приводит к изменению падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника и сопротивлении соединительных проводов. Чем больше внутреннее сопротивление источника и сопротивление соединительных проводов, тем больше будут изменения напряжения на стороне потребителя с изменением тока нагрузки.

Основным назначением стабилизаторов тока или напряжения является уменьшение влияния дестабилизирующих факторов. Стабилизаторы разделяют в зависимости от рода тока на стабилизаторы переменного напряжения или тока и стабилизаторы постоянного напряжения или тока. В свою очередь они делятся на стабилизаторы параметрические и компенсационные.

Компенсационные стабилизаторы напряжения или тока представляют собой систему автоматического регулирования, содержащие цепь отрицательной обратной связи (рисунок 1.5). Эффект стабилизации в данных устройствах достигается за счет изменения параметров управляемого прибора, называемого регулирующим элементом, при воздействии на него сигнала обратной связи. В компенсационных стабилизаторах напряжения сигнал обратной связи является функцией выходного напряжения, а в стабилизаторах тока — функцией выходного тока.

В зависимости от вида регулирования они, в свою очередь, подразделяются на непрерывные и импульсные. В схеме (рисунок 1.5, а) стабилизатор питается от сети постоянного тока, регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.

Измерительный элемент (ИЭ) сравнивает выходное напряжение с опорным, в результате чего на его выходе выделяется сигнал рассогласования. Сигнал рассогласования усиливается усилителем (У) и воздействует на регулирующий элемент (РЭ). Напряжение на регулирующем элементе изменяется и компенсирует изменением выходного напряжения с определенной степенью точности.

Рисунок 1.5 — схемы структурные последовательных компенсационных стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием В схеме (рисунок 1.5, б) РЭ включен в цепь переменного тока последовательно с первичной обмоткой трансформатора.

Напряжение вторичной обмотки трансформатора U2 выпрямляется выпрямителем, фильтруется и поступает на нагрузку. Измерительный элемент сравнивает выходное напряжение с опорным, выделенный сигнал рассогласования усиливается усилителем и через устройство согласования (УС) воздействует на РЭ, в результате чего напряжение на выходе схемы поддерживается неизменным с определенной степенью точности. Устройство согласования обеспечивает гальваническую развязку цепей переменного и постоянного тока. Недостатком непрерывных компенсационных стабилизаторов напряжения является низкий КПД. Значительно большим КПД обладают импульсные стабилизаторы напряжения. В зависимости от способа управления импульсные стабилизаторы напряжения делятся на широтно-импульсные; амплитудно-импульсные и релейные. Отличительной особенностью импульсных стабилизаторов является работа регулирующего элемента в ключевом режиме, что позволяет уменьшить рассеиваемую на нем мощность, повысить КПД схемы и улучшить массогабаритные показатели источника электропитания. Наибольшее распространение получили стабилизаторы с широтно-импульсным способом управления (рисунок 1.6).

Регулирующий элемент управляется широтно-импульсным модулятором (ШИМ). На вход регулирующего элемента с постоянной частотой поступают импульсы определенной длительности. Регулирующий элемент периодически подключает источник постоянного тока ко входу фильтра. Напряжение на входе фильтра представляет собой последовательность однополярных прямоугольных импульсов определенной длительности, имеющих постоянную частоту. Фильтр отфильтровывает переменную составляющую, и на его выходе выделяется постоянная составляющая напряжения. При изменении выходного напряжения, вследствие изменения напряжения на входе или тока нагрузки, на выходе ИЭ появляется сигнал рассогласования. Сигнал рассогласования, усиленный усилителем, воздействует на ЩИМ, что вызывает изменение длительности импульсов на его выходе, а следовательно, и на входе фильтра. В результате постоянная составляющая напряжения на выходе стабилизатора возвращается к своему первоначальному состоянию.

Рисунок 1.6 Схема структурная импульсного стабилизатора ШИМ Импульсные стабилизаторы напряжения обладают более высоким КПД, имеют меньшую массу и объем, чем стабилизаторы с непрерывным регулированием. Однако если импульсные стабилизаторы питаются от сети, имеющей частоту 50 Гц, то наличие в схеме низкочастотного силового трансформатора в большой степени увеличивает его объем и массу и миниатюризация источника электропитания становится проблематичной. Одним из наиболее эффективных способов, с помощью которого может быть реализована задача миниатюризации при низких выходных напряжениях и больших токах нагрузки, является применение схем источников с бестрансформаторным входом. В стабилизаторах с бестрансформаторным входом вместо силового низкочастотного трансформатора используется сетевой выпрямитель, фильтр и высокочастотный статический преобразователь.

Замена низкочастотного силового трансформатора преобразователем позволяет значительно улучшить массогабаритные характеристики стабилизатора. На рисунке 1.7, приведен один из возможных вариантов структурной схемы стабилизатора напряжения с бестрансформаторным входом.

Напряжение сети выпрямляется выпрямителем СВ, фильтруется емкостным фильтром Ф и поступает на вход преобразователя напряжения Пр. Постоянное напряжение, преобразованное преобразователем в переменное высокой частоты, выпрямляется, фильтруется и поступает на нагрузку. Сигнал рассогласования с выхода измерительного элемента ИЭ, усиленный усилителем У и через цепь обратной связи воздействует на устройство ШИМ, изменяя длительность выходных импульсов.

Рисунок 1.7 — Схема источника электропитания с бестрансформаторным входом

1.6 Системы бесперебойного питания предприятий связи

Электроснабжение АТС 1^го…3^го поколений в качестве источников бесперебойного питания применялись установки ВУТ, ВУК с АКАБ и ВБ. Эти установки обеспечивали предприятия связи качественной электроэнергией, имели быстродействующую защиту от перегрузок и перенапряжений на выходе и обеспечивали полностью автоматизированный заряд АБ в две ступени. Стабилизация выходного напряжения осуществлялась ступенчатым методом, путем подключения дополнительных элементов к АБ, а в последнее время за счет ВДК. Такой метод регулировки выходного напряжения не может быть использован при питании электронных АТС. Для питания электронных АТС требуется ЭПУ с главной регулировкой выходного напряжения при малых массогабаритах. На смену ВУТ, ВУК и ВБ приходят импульсные источники питания.

Одним из первых таких источников бесперебойного питания была установка УГПИ 66/18 [2], предназначенная для обеспечения электроэнергией аналого-цифровых устройств. Агрегат работает в буфере с аккумуляторной батареей, содержащей 30 кислотных аккумуляторов.

Агрегат рассчитан на входное напряжение 220 В однофазного тока частоты 50 Гц или напряжения двух фаз сети 380/220 В переменного тока частоты 50 Гц и имеет следующие выходные параметры: номинальное выходное напряжение 66 В; максимальный ток в режиме заряда батареи и работы на нагрузку 37 А, в режиме содержания батареи и работы на нагрузку 18,5 А; пульсация выходного напряжения не более 2 мВ.

Агрегат предназначен для эксплуатации при температуре окружающей среды от 5 до 40^оС и относительной влажности воздуха до 80% пи температуре 25^оС.

Электрическая структурная схема агрегата УГПИ 66/18 приведена на рисунке 1.8, где ВО — выпрямитель основной, ВР — выпрямитель резервный, УКНС — устройство контроля напряжения сети, УКНВ — устройство контроля напряжения выпрямителя, УКТБ — устройство контроля батареи, УКНБ — устройство контроля напряжения батареи, Ф — фильтр емкостной. Работает агрегат следующим образом. Когда входное напряжение находится в допустимых пределах, то выходное напряжение 69 В подается одновременно на нагрузку и на заряд аккумуляторов. Зарядный ток регулируется в пределах (0,5…2) А с точностью +/-0,5 А.

Рисунок 1.8 — Схема структурная агрегата УГПИ 66/18

При снижении зарядного тока до заданного значения заряд батареи аккумуляторов прекращается и агрегат начинает работать в режиме содержания с одновременным обеспечением нагрузки напряжением 66 В. При отсутствии батареи аккумуляторов на нагрузку подается напряжение 60 В от выпрямителей ВО и ВР. При выходе из строя рабочего выпрямителя ВО резервный выпрямитель ВР автоматически становится рабочим. Выходное напряжение агрегата при отсутствии батареи может снизиться до 48 В на время не более 0,4 С. Уменьшение входного напряжения ниже 176 В приводит к выключению выпрямителей ВО и ВР. При пропадании входного напряжения нагрузка обеспечивается электроэнергией от батареи аккумуляторов. В случае длительного отсутствия входного напряжения и снижения выходного напряжения до (53…58) В батарея аккумуляторов отключается от нагрузки. При восстановлении входного напряжения агрегат переходит в нормальный режим работы. В составе агрегата имеется защита от превышения выходного напряжения, местная и дистанционная сигнализация состояний выпрямителей, батареи аккумуляторов и агрегата в целом.

В последние годы разработаны новые системы MPSU 3000, 6000, 9000, 12 000 (3−12 kW) были специально спроектированы для снятия с устройства максимальной мощности при сохранении небольших размеров. Они используются там, где необходимы легкость расширения, обслуживания и надежность при минимальных размерах.

Системы Flatpack MPSU 3−12 Kw управляются блоком контроля и управления Flatpack MCU. Количество выпрямителей варьируется от 2 (MPSU 3000) до 8 (MPSU 12 000).

Технология высокочастотных преобразований позволяет уменьшить размеры и вес устройства и достичь высоких выходных характеристик модуля. Системы работают в широком диапазоне входного напряжения. Фактор мощности приближается к единице.

Разработана и внедряется система бесперебойного электропитания ПС-60/48У для цифровых АТС и другой аппаратуры связи. В состав системы входят:

— входной узел коммутации напряжения электропитания с функцией фильтра и защиты от перенапряжений;

— выпрямитель с номинальным выходным напряжением 60 В или 48 В максимальным выходным током от 5 до 90 А;

— устройство управления, индикации и сигнализации;

— выходной узел коммутации и защиты выходного напряжения.

Структурная схема системы питания ПС-60/48У показана на рисунке -1.9.

Характеристики ПС-60/48У;

— Два программных режима управления работой системы:

местный — посредством встроенного устройства ввода и отображения;

дистанционный — посредством ПК, подключенного через оптоизолированный стык RS-232.

— Автоматический переход на режим электропитания нагрузки от АБ при пропадании (отключении) первичного напряжения электропитания и автоматическое повторное включение выпрямителя после восстановления первичного напряжения электропитания.

— Отключение АБ при ее глубоком разряде.

— АБ работает или в буферном режиме или режим отдельного содержания.

— Измерение и контроль выходного напряжения, напряжения на АБ, тока нагрузки, тока выпрямителя и тока АБ (при заряде и разряде), температуры окружающей среды и АБ, доступ к этим данным в обоих программных режимах.

— Силовые узлы (выпрямитель и зарядное устройство) реализованы по модульному принципу с «горячим» резервом. Силовые узлы имеют два режима работы: стабилизация выходного напряжения и ограничение выходного тока.

— «Горячая» замена блоков силовых узлов.

— Гибкое наращивание мощности.

Рисунок 1.9 — Схема структурная системы ПС-60/48У

2. Основные узлы импульсного блока электропитания АТС

2.1 Входные выпрямители импульсных блоков питания

электропитание стабилизация импульсный Входные выпрямители ИБП, как правило, включают:

— входной разъем; сетевой выключатель; плавкие предохранители (автоматы защиты); помехоподавляющий фильтр сетевой выпрямитель; сглаживающий фильтр; разрядный резистор. Типовые схемы входных цепей источника электропитания показаны на рисунке 2.1.

Плавкий предохранитель F1 служит для отключения источника питания от сети при неисправности (коротком замыкании или перегрузке) во входных цепях источника. Инерционность предохранителя разброс установки срабатывания по току не обеспечивают надежную защиту источника при перегрузках или коротком замыкании в нагрузке.

Терморезистор RT1 имеет отрицательный ТКС и предназначен для ограничения броска тока заряда конденсатора фильтра. При включении источника терморезистор находится в холодном состоянии и его сопротивление достаточно велико, благодаря чему ограничивается бросок тока заряда конденсатора фильтра. С нагреванием терморезистора его сопротивление уменьшается и рассеиваемая мощность на нем уменьшается. Такие ограничители пускового тока применяются в источниках питания небольшой мощности (в компьютерах, телевизорах и т. д.) В более мощных источниках электропитания применяются специальные пусковые устройства, состоящие из гасящего резистора и механического или электронного реле (рисунок 2.1б, в). На рисунке 2.1, г, показана схема ограничения пускового тока с помощью тиристора VS1, резисторов Rогр, R1, R2, конденсатора С1 и выпрямителя В2 на диодах VD5… VD8.

Отсутствие в импульсных блоках питания низкочастотного трансформатора питания и дросселя входного сглаживающего фильтра (LC) существенно улучшит массогабаритные характеристики и увеличивает КПД.

На рисунке 2.1, приведены схемы входных выпрямителей, которые наиболее часто применяются в ИБП. Общим для них является наличие резистора ограничения R_огр, который предназначен для ограничения зарядного тока конденсатора сглаживающего фильтра С_о при подключении ИБП к питающей сети.

(2.1)

где r_c — выходное сопротивление питающей сети;

r_L — активное сопротивление обмоток дросселей фильтра защиты от индустриальных помех и эквивалентное последовательное сопротивление электролитических конденсаторов r_пэ фильтра сетевого выпрямителя и внутреннее сопротивление диода на постоянном токе r_п. Сопротивления r_L, r_п, r_пэ могут быть взяты из технических условий на применяемые диоды, дроссели и конденсаторы, значение r _с определяется экспериментально и в первом приближении может быть принято равным 1 Ом.

а — m=2; б — m=6; в — m=3; г — схема ограничения пускового тока Рисунок 2.1 — схемы входных выпрямителей источников питания с бестрансформаторным входом В процессе работы ИБП на резисторе R_огр рассеивается значительная мощность. В этих случаях ограничительный резистор после заряда конденсатора фильтра необходимо шунтировать тиристором, как показано на рисунке 2.1, г, который во включенном состоянии поддерживает падение напряжения на R_огр на уровне 1,5−2 В. В схеме после подключения ИБП к питающей сети происходит заряд конденсатора С_о через ограничительный резистор R_огр, сопротивление которого выбрано в соответствии (2.1).

При этом, как правило время заряда С_о не превышает половины периода напряжения сети.

Сопротивление ограничительного резистора определяется исходя из допустимого напряжения импульса тока через диоды выпрямителя

Под действием напряжения на конденсаторе Со начинает работать преобразователь и на обмотках трансформатора Т (в том числе и на обмотке W2) появится переменное напряжение, которое выпрямляется и через ограничительный резистор R1 подается на управляющий электрод тиристора VS, в результате чего он открывается и шунтирует резистор R_огр.

Расчет амплитуды импульса тока через диоды выпрямителя с емкостным фильтром в установившемся режиме по известным методикам дает значительно заниженное значение. Для определения амплитуды импульсов тока могут быть рекомендованы эмпирические соотношения, приведенные в таблице 2.1.

Таблица 2.1 — Значение амплитуды тока диода для некоторых схем выпрямителей

Выпрямленное напряжение при максимальной нагрузке для схем (рисунок 2.1) может быть определено по формуле

U_o=1/35U_c. (2.2)

Емкость конденсатора фильтра сетевого выпрямителя Со рекомендуется выбирать исходя из максимально допустимой амплитуды пульсаций на частоте следования импульсов напряжения на выходе выпрямителя

. (2.3)

Для уменьшения пульсаций, наводимых на входную цепь, на выходе двухтактного трехфазного выпрямителя рекомендуется устанавливать лакопленочные или бумажные конденсаторы.

Помехоподавляющий фильтр (ППФ) предназначен для снижения уровня высокочастотных помех из сети в источник и из источника в сеть. В состав ППФ входят дроссели и конденсаторы. Вносимое затухание в полосе пропускания характеризуется падением напряжения на фильтре, которое обычно не превышает 2% номинального напряжения сети. Конденсатор С1 оказывает значительное сопротивление для тока сети, в то же время высокочастотного тока симметричной помехи этот конденсатор имеет малое сопротивление. Обмотки дросселя L1 имеют одинаковое число витков и включены таким образом, чтобы создаваемые ими магнитные потоки компенсировались и не намагничивали магнитопровод.

В этом случае индуктивности обеих обмоток дросселя имеют максимальное значение независимо от входного тока из сети. Магнитные потоки, создаваемые высокочастотными токами взаимно компенсируются, чем достигается преимущество такого включения дросселя.

Через конденсатор С2 замыкается оставшееся после прохождения дросселя L1 часть симметричной высокочастотной помехи (рисунок 2.1, а). Кроме того, этот конденсатор снижает уровень помех от выпрямителя VD1… VD4 как в сторону сети, так и в сторону нагрузки. Высокоомный резистор R1 предназначен для разряда конденсаторов сетевого фильтра после отключения источника питания от электрической сети.

Чтобы исключить проникновение не симметричных импульсных помех от источника в сеть, применяются конденсаторы C3, C4. Несимметричные импульсные помехи могут проникать из инвертора в нагрузку через общий провод цепи выпрямленного тока. В отдельных случаях этот провод соединяется с землей через конденсатор малой емкости (единицы нанофарад). Через этот конденсатор несимметричные помехи замыкаются внутри самого источника.

2.2 Транзисторные усилители мощности

В ИБП применяются однотактные транзисторные усилители мощности (УМ), схемы которых приведены на рисунке 2.2 и двухтактные усилители мощности (рисунок 2.4).

Среди однотактных усилителей мощности выделяют УМ с прямым включением (рисунок 2.2, а) и обратным включением диода (рисунок 2.2, б).

а) б) Рисунок 2.2 — Схемы однотактных усилителей мощности Однотактный усилитель мощности с прямым включением диода VD2 и размагничивающей обмоткой W_p (рисунок 2.2, а) применяется в одноканальных ИБП небольшой мощности. В этой схеме диод VD2, включенный между выходом вторичной обмотки W2 трансформатора Т и дросселем L, отпирается при открывании транзистора VT и передает энергию в нагрузку через сглаживающий фильтр LC_ф. Для ограничения амплитуды импульса напряжения на коллекторе транзистора VT, за время открытого состояния транзистора VT, применяют размагничивающую обмотку. Число витков размагничивающей обмотки W_p определяется по формуле

. (2.4)

Максимальное значение коэффициента заполнения

. (2.5)

Амплитуда импульсного коллекторного тока

. (2.6)

Для получения в схеме на рисунке 2.2, а, <0,9 при котором улучшается использование транзистора по коллекторному току и повышается КПД, в УМ необходимо применять транзисторы с U_{кэ н. max}, в несколько раз превышающим U_{o max}.

В однотактном УМ с обратным включением диода (рисунок 2.2б) после открытия транзистора VT происходит накопление энергии в трансформаторе Т, причем диод VD в это время закрыт. После закрывания транзистора VT запасенная в трансформаторе энергия открывает диод VD, заряжает конденсатор C_ф и передается в нагрузку. При изменении напряжения питания, напряжения питания УМ нестабильность напряжений на выходах всех выпрямительных каналов с емкостными фильтрами практически одинакова. Поэтому УМ с обратным включением диода целесообразно применять в многоканальных ИБП с выходной мощностью до 100 Вт.

Максимальный коэффициент заполнения для УМ на рисунке 2.2, б, определяется по формуле

. (2.7)

Амплитуда импульса тока транзистора

. (2.8)

Импульсы тока коллектора транзистора VT в схеме на рисунке 2.2, а, имеют прямоугольную форму, а в схеме на рисунке 2.2, б — треугольную. Вследствие этого при одинаковой выходной мощности, и амплитуда коллекторного тока транзистора VT в схеме на рисунке 2.2, б, в 2 раза больше, чем в схеме на рисунке 2.2, а.

На рисунке 2.3, а, приведена сдвоенная схема однотактного УМ с прямым включением диода. Она состоит из двух однотактных УМ на транзисторах VT1, VT2 с прямым включением диодов VD3 и VD4 и размагничивающими обмотками W_p1 и W_p2.

Выходы выпрямителей обоих УМ объединены и подключены ко входу общего сглаживающего фильтра LC_ф.

При сдвиге управляющих импульсов U_у1 и U_у2 на входе каждого усилителя на Тн/2 на входе LC_ф фильтра обеспечивается режим работы двухтактных схем УМ с. В связи с этим при одинаковых выходной мощности и частоте преобразования габариты и масса LC_ф фильтра сдвоенного однотактного усилителя на 30−40% больше чем, у двухтактного рисунок 2.4, а.

Рисунок 2.3 — Схема однотактного сдвоенного УМ Полумостовой УМ (рисунок 2.4, б) наиболее часто применяется в ИБП. Транзисторы VT1 и VT2 открываются поочередно, в случае чего на первичной обмотке W1 трансформатора Т действует переменное напряжение с амплитудой, близкой к Uо/2. При равных при амплитуде и длительности полуволнах напряжения на обмотке W1 напряжение в точке соединения конденсаторов С1 и С2 равно Uо/2.

Основными преимуществами схемы являются отсутствие насыщения сердечника трансформатора из-за разбросов по длительности и амплитуде импульсов разной полярности, простой и надежный способ исключения сквозных токов за счет дополнительного управления транзисторами в зависимости от мгновенного значения и знака напряжения на обмотках трансформатора, минимальные габариты и масса трансформатора. Максимальное напряжение на коллекторах транзисторов в полумостовой схеме ровно напряжению питания Uo. Амплитуда импульсов тока транзисторов при заданной выходной мощности Рн определяется по формуле

. (2.9)

Конденсаторы С1, С2 следует применять лакопленочные или бумажные, допускающие работу на частоте fn со значительной амплитудой пульсаций. минимальная емкость конденсаторов

. (2.10)

Электролитические конденсаторы допускают значительно меньшую амплитуду пульсаций, чем лакопленочные, поэтому при их применении увеличиваются габариты фильтра. С целью уменьшения пульсаций с частотой преобразования на конденсаторе Со (рисунок 2.4, б) на выходе сетевого выпрямителя между Со и конденсаторами С1, С2 включают дроссель L1, который обеспечивает также значительное уменьшение напряжения помех на выходных зажимах ИБП.

Полумостовой УМ целесообразно применять в одноканальных ИБП с выходной мощностью до 500 Вт при питании от сетей с напряжением 380 В.

В мостовом УМ (рисунок 2.4, в) вместо конденсаторов делителя напряжения установлены транзисторы VT1, VT2, переключение которых осуществляется так, что через первичную обмотку трансформатора Т протекает переменный ток.

Амплитуда напряжения на первичной обмотке трансформатора в мостовом УМ в 2 раза больше, чем у полумостового, вследствие чего при использовании транзисторов одинакового типа мостового УМ обеспечивает в 2 раза большую выходную мощность, чем полумостовой. Амплитуда импульсов коллекторного тока транзисторов определяется по формуле 2.6. Сквозные токи в мостовом УМ нельзя устранить (как это делается в полумостовом УМ), поскольку уменьшение до нуля напряжения на первичной обмотке трансформатора Т может произойти при запирании только одного из двух ранее открытых транзисторов. Для устранения сквозных токов в мостовом УМ вводится фиксированная пауза в управляющем напряжении.

Рисунок 2.4 — Двухтактные усилители мощности Длительность паузы должна превышать максимальное время запирания транзисторов. При несимметрии полуволн напряжения на обмотках выходного трансформатора последний может работать с насыщением, что приведет к увеличению импульсов коллекторного тока транзисторов усилителя и потерь в них. Для исключения этого необходимо или применить специальные схемы ограничения насыщения трансформатора или ввести последовательно с первичной обмоткой трансформатора лакопленочный или бумажный конденсатор с минимальной емкостью

. (2.11)

При подключении УМ к электролитическим конденсаторам фильтра сетевого выпрямителя амплитуда пульсаций на конденсаторах, как правило, превышает допустимое значение. Для уменьшения амплитуды пульсаций с частотой f_n необходимо электролитическими конденсаторами фильтра C_o и УМ включить, как показано на рисунке 2.4 В пунктирной линией, L₁C₁ — фильтр, в котором С₁ — лакопленочный или бумажный конденсатор, его минимальная емкость

. (2.12)

Минимальная индуктивность дросселя

. (2.13)

Мостовые усилители обычно применяют в одноканальных ИБП с выходной мощностью более 500 Вт и питанием от сети переменного тока с напряжением до 380 В. Для обеспечения запаса по коллекторному напряжению используется последовательное включение усилителей по питающему напряжению. На рисунке 2.5, приведены электрические схемы такого включения двух полумостовых УМ с автоматическим выравниванием питающих напряжений на каждом из них. В схеме на рисунке 2.5, а, один полумостовой УМ выполнен на транзисторах VT1, VT2, конденсаторах C1, C2 и диодах VD1… VD4, а второй — на элементах VT3, VT4, C3, C4 и VD5… VD8. Оба УМ включены последовательно по отношению к источнику входного питающего напряжения U_o и работают на общий трансформатор Т с двумя первичными обмотками и, каждая из которых подключена к соответствующему УМ. Автоматическое выравнивание напряжения питания на каждом УМ достигается за счет того, что конденсаторы с большим напряжением, например С1 и С2 верхнего по схеме УМ, разряжаются под действием коллекторных токов транзисторов VT1 и VT2, а конденсаторы с меньшим напряжением С3 и С4 нижнего по схеме УМ заряжаются через диоды VD5 b VD6. Последнее объясняется тем, что амплитуда напряжения на обмотках и, имеющих равное число витков, превышает в рассматриваемом случае напряжение на конденсаторах С3 или С4 вследствие чего через диоды VD3 или VD4 протекают импульсы выравнивающего тока. Поскольку импульсы выравнивающего тока протекают через первичную обмотку трансформатора являются частью импульсов коллекторного тока транзисторов УМ (в рассматриваемом примере VT1 и VT2) возникает необходимость ограничения их амплитуды, что является существенным недостатком схемы.

Для ограничения выравнивающего тока последовательно с первичными обмотками и включены дроссели L1 и L2. Для возвращения в источник питания энергии, накопленной в дросселях введены диоды VD3, VD4, VD7, VD8. К недостаткам схемы можно отнести то, что из-за разбросов времени выключения транзисторов может оказаться открытым только один из транзисторов УМ и через него потечет удвоенное значение тока коллектора.

К достоинствам схемы УМ на рисунке 2.5, а, следует отнести применение только одного трансформатора с числом первичных обмоток, равных числу последовательно включенных УМ, одного выходного выпрямителя VD9, VD10 и сглаживающего фильтра (Lф, Сф).

На рисунке 2.5, б, показано последовательное соединение двух полумостовых УМ, каждый из которых нагружен на свой трансформатор (Т1, Т2). Крайние выводы вторичных обмоток трансформаторов Т1, Т2 через выпрямительные диоды VD5, VD7 и VD6, VD8 объединены, а их средние выводы соединены между собой. В этой схеме автоматическое выравнивание напряжений на каждом усилителе обеспечивается за счет протекания тока первичной обмотки трансформатора только в том полумостовом УМ, который находится под большим напряжением питания. Это обусловлено большей амплитудой напряжения на его вторичной обмотке и протеканием тока нагрузки только через те выпрямительные диоды, которые связаны с этой вторичной обмоткой. При этом происходит разряд конденсаторов делителя полумостового УМ с большим напряжением питания и заряд конденсаторов делителя полумостового УМ с меньшим напряжением питания. Такой процесс протекает до выравнивания напряжения питания на обоих усилителях. В процессе выравнивания питания на последовательно включенных УМ коллекторный ток транзисторов УМ с большим напряжением питания может вдвое превышать значение, которое, установится после выравнивания напряжений.

Подобное явление возникнет из-за разбросов времени включения транзисторов УМ, что приводит к протеканию суммарного тока первичных обмоток трансформаторов через оставшийся еще включенным транзистор УМ и является недостатком схемы.

В схеме на рисунке 2.5, б, не требуется включения линейных дросселей последовательно с первичными обмотками трансформаторов и соответствующих рекуперирующих диодов. Эта схема наиболее часто применяется в ИБП. Выбор частоты преобразования f_п, кГц в преобразователях для ИБП проводится с учетом времени спада коллекторного тока транзисторов УМ t_см, мкс, по следующим эмпирическим формулам [5]:

Рисунок 2.5 — Схемы последовательного включения полумостового усилителя мощности

f_п=10/t_сп. (2.14)

2.3 Выходные трансформаторы УМ

Трансформаторы усилителей мощности выполняются на магнитопроводах из феррита НМ 2000. На частотах 10…60кГц обладают малыми потерями и достаточно высокой магнитной проницаемостью. Наиболее часто используются Ш — образные и колцевые магнитопроводы.

Кольцевые магнитопроводы обеспечивают повторяемость электрических параметров трансформаторов в серийном производстве и малую индуктивность рассеяния. Трансформаторы на Ш-образных магнитопроводах отличаются высокой технологичностью и меньшей трудоемкостью изготовления и наиболее предпочтительны при крупносерийном производстве.

Для трансформаторов полумостовых и мостовых УМ индукция не должна превышать 0,2 Т.

Схема замещения для мгновенных значений тока и напряжения трансформаторов УМ приведена на рисунке 2.6, из которой находится ток холостого хода трансформатора:

(2.15)

где — электромагнитная постоянная времени первичной обмотки трансформатора.

Действующее и среднее значение тока холостого хода определяются по формулам

. (2.16)

. (2.17)

В усилителях мощности трансформатор при перемагничивании магнитопровода работает без захода в область насыщения, поэтому и определяется по формуле

. (2.18)

где D, d — наружный и внутренний диаметр магнитопровода;

B_m, H_m— индукция и напряженность магнитного потока;

h — длина намотки.

Рисунок 2.6 — Схема замещения магнитопровода трансформатора УМ При перемагничивании магнитопровода трансформатора УМ по предельному гистерезиса циклу с заходом в область насыщения в схемах автогенераторов магнитная проницаемость материала магнитопровода резко уменьшается, что приводит к снижению индуктивности первичной обмотки трансформатора и увеличению максимального значения ток холостого хода:

. (2.19)

С ростом частоты относительная величина холостого хода уменьшается, составляя на частотах в десятки кГц несколько процентов. Это позволяет выбирать провод первичной обмотки выходного трансформатора УМ по действующему значению тока, найденному по току нагрузки на вторичной стороне трансформатора

. (2.20)

Среднее значение падения напряжения в обмотках трансформатора УМ при активной нагрузке определяется по формуле

. (2.21)

Первое слагаемое (2.15) представляет падение напряжения на активном сопротивлении обмоток: оно снижается с увеличением частоты и мощности (рисунок 2.6).

Второе слагаемое — падение напряжения на индуктивности рассеяния обмоток: оно зависит от L_s и скорости изменения тока di/dt на этапе формирования фронтов прямоугольного напряжения. поскольку длительность этапа формирования фронта мала, то величина Lsdi/dt практически мало влияет на среднее значение выходного напряжения. Индуктивность рассеяния первичной обмотки Ls1 в тороидальных трансформаторах УМ может быть сведена к минимуму при намотке первичной обмотки по всему периметру и ближайшим ее расположением к магнитопроводу. Снижение индуктивности рассеяния вторичной обмотки достигается также намоткой ее по всему периметру магнитопровода. Учитывая малую толщину межобмоточной изоляции в трансформаторах УМ при низком напряжении, небольшое число витков обмоток на повышенной частоте преобразователя, влиянием падения напряжения на индуктивности рассеяния можно пренебречь.