Rambler's Top100
Статьи ИКС № 7 2005
Олег ЧЕКСТЕР  01 июля 2005

Источники бесперебойного питания постоянного тока

Такая неопределенность и ненадежность сети, другими словами – негарантированность ее параметров, может быть уменьшена параллельным подключением резервного источника, который питает нагрузку при перерывах во внешнем электроснабжении. Роль резервного источника могут выполнять дизель-генераторные установки, мощные маховики (запасающие кинетическую энергию), топливные элементы и т. д., но наиболее широкое распространение получили аккумуляторные батареи. Аккумулятор в процессе разряда, отдачи в виде электрической энергии запасенной в нем химической энергии, способен стабилизировать напряжение. У графика разряда аккумулятора есть пологий участок (в отличие, например, от конденсатора, кривая разряда которого представляет собой экспоненту). А так как аккумулятор – это устройство, рассчитанное на постоянный ток, то для его согласования с сетью переменного тока необходимо последовательно включить один или несколько выпрямителей. В результате мы получим буферную схему питания, наиболее широко применяемую сегодня благодаря ее простоте и надежности.

ЭПУ обеспечивает постоянное питание

Источник бесперебойного питания – это комплекс оборудования для производства или преобразования и накопления электрической энергии, предназначенный для электропитания нагрузки с требуемым качеством от независимых источников энергии и обеспечивающий бесперебойность питания при переходе с одного источника энергии на другой. Частным случаем источника бесперебойного питания является электропитающая установка, или ЭПУ, предназначенная для питания нагрузки постоянным током. Современная ЭПУ – это буферная система электропитания без регулирования напряжения в процессе разряда и заряда аккумуляторной батареи: батарея включена в параллель с выпрямителями и нагрузкой и обеспечивает питание нагрузки при перерывах во внешнем электроснабжении. Эта схема наиболее надежна за счет своей простоты и сегодня не имеет альтернативы.

Принципы построения ЭПУ

Практически все ЭПУ имеют модульную конструкцию, могут комплектоваться различным числом выпрямителей, в зависимости от величины нагрузки, типа и емкости аккумуляторных батарей, требований надежности, конструкции установки. Электропитающие устройства одной и той же мощности – 15 кВт (48 В, 300 А) – могут быть составлены из выпрямителей на 100 А (3 – 5 шт.), на 25 А (12 – 16 шт.) и на 1, 5 кВт (10 – 14 шт.) и т. д., иметь возможность дальнейшего изменения мощности (от этого может зависеть тип контроллера и распределительных устройств) и др.

Основные принципы построения электропитающей установки:
  • модульность (т. е. комплектация ЭПУ выбирается с учетом требований питания конкретной нагрузки);
  • масштабируемость (величина мощности ЭПУ регулируется путем установки дополнительных выпрямителей);
  • резервирование, благодаря которому отказ одного или даже двух выпрямителей не приводит к отказу ЭПУ;
  • мониторинг и диагностика неисправностей.
Основой электропитающей установки, определяющей как ее статические, так и динамические характеристики, являются выпрямители. По принципу работы их можно разделить на следующие типы:
  • низкочастотные, к которым относятся диоднотиристорные и тиристорные выпрямители, работающие на частоте промышленной сети;
  • высокочастотные, иначе называемые выпрямителями с бестрансформаторным входом и высокочастотным преобразованием.
В России на городских и сельских сетях связи основной парк составляют представители первой группы выпрямителей – тиристорные и диодно-тиристорные, которые были разработаны в 70 – 80-х годах прошлого века и не соответствуют современным требованиям. Кроме того, более половины этих установок уже отработали нормативные сроки эксплуатации и подлежат замене. Такая же ситуация и с аккумуляторными батареями.

Для современного телекоммуникационного оборудования, в том числе и оборудования электропитания, характерно сокращение предполагаемого срока эксплуатации. Причина – быстрое моральное старение. Еще в недалеком прошлом средний срок службы оборудования составлял 20 лет и определял время, в течение которого ремонтировать оборудование было целесообразно. Сейчас при выборе оборудования электропитания, особенно расположенного вне крупных коммутационных центров, в высокоразвитых странах ориентируются на 5 лет. Это обусловлено все ускоряющимся развитием технологий, появлением более эффективных компонентов, изменением требований эксплуатации. Более частая смена оборудования экономически может быть оправданна только при увеличении его надежности, сокращении эксплуатационных расходов и повышении удобства обслуживания.

В настоящее время предлагаемое производителями оборудование позволяет обеспечить электропитание любого объекта с требуемым качеством. Необходимо только ответственно подходить к выбору источника бесперебойного питания и рассматривать задачу обеспечения надежности в масштабах всей системы электропитания.

Структура ЭПУ

Во всех режимах работы электропитающей установки сохраняется параллельное соединение выпрямителей, аккумуляторной батареи и нагрузки. В нормальном режиме выпрямители обеспечивают питание аппаратуры связи и содержание батареи в режиме постоянного подзаряда. При пропадании напряжения сети переменного тока или его отклонении за допустимые пределы работа выпрямителей прекращается – нагрузка переходит на питание от аккумуляторной батареи, работающей в режиме разряда. При восстановлении напряжения в сети переменного тока возобновляется работа выпрямителей, которые обеспечивают питание нагрузки и заряд аккумуляторной батареи.

Из-за значительных изменений напряжения на выходе ЭПУ, диапазон которых определяется минимально допустимым напряжением разряда батареи и максимальным напряжением ее эксплуатационного заряда, эта схема может использоваться лишь для аппаратуры, рассчитанной на широкие диапазоны изменения напряжения питания.

В случае, если часть нагрузки рассчитана на узкий диапазон изменения питающего напряжения или требует для своего питания напряжения другого номинала, в состав электропитающей установки может быть включен вольтодобавочный конвертер или преобразователь напряжения.

Зачастую в состав ЭПУ включают инверторы для питания части потребителей, требующих для своей работы переменного тока. Суммарная мощность потребителей переменного тока не должна превышать 10%от мощности ЭПУ.

Высокочастотные выпрямители – основа ЭПУ

В настоящее время для новых и модернизации старых электропитающих установок используют высокочастотные выпрямители с бестрансформаторным входом, поэтому рассмотрим их более подробно.

Современный выпрямитель можно разделить на две соединенные последовательно составные части: бестрансформаторный выпрямитель сетевого напряжения с блоком коррекции коэффициента мощности и преобразователь напряжения. Корректор коэффициента мощности минимизирует искажения входного тока за счет обеспечения постоянного потребления мощности внешней сети (коэффициент мощности близок к 1, 0) и повышает выходное выпрямленное напряжение до уровня 350 – 400 В. Выпрямленное напряжение поступает на преобразователь, который состоит из инвертора (вырабатывает прямоугольное напряжение высокой частоты), понижающего трансформатора и выпрямителя.

По частоте преобразования выпрямители можно условно разделить на группы:

30 – 50 кГц. На этих частотах работали первые выпрямители, появившиеся 25 – 30 лет назад. Принцип работы – широтно-импульсная модуляция (ШИМ). К достоинствам можно отнести высокую ремонтопригодность устройств, к недостаткам – относительно низкую надежность (средняя наработка на отказ, MTBF, – менее 100 тыс. ч);

60 – 120 кГц. Принцип работы – ШИМ. Выпрямители с корректором мощности на входе не вносят искажений в питающую сеть. Такие частоты преобразования используются в большинстве современных однофазных выпрямителей;

300 – 400 кГц. Принцип работы – фазово-резонансная коррекция. На входе устанавливается корректор мощности.

В настоящее время на частотах менее 50 кГц, как правило, работают либо мощные трехфазные выпрямители, либо, наоборот, маломощные дешевые выпрямители без корректоров мощности. Выпрямители мощностью менее 2 кВт обычно являются однофазными, мощностью более 2 кВт – трехфазными. В составе ЭПУ однофазные выпрямители можно подключать к разным фазам питающей сети, что позволяет повысить устойчивость работы ЭПУ при ненадежном электроснабжении и возможном пропадании одной фазы.

Следует отметить, что при высоких частотах меняется подход к разработке выпрямителей. Если для первой группы выпрямителей (30 – 50 кГц) проводилось макетирование, то на частотах более 50 кГц достаточно сильно сказывается взаимное расположение элементов, проявляются паразитные емкости. Поэтому разработка таких выпрямителей ведется с использованием компьютерного моделирования – необходимого этапа проектирования современных выпрямителей, позволяющего повысить их надежность (MTBF – от 5 •105 до 106 ч). С повышением частоты сокращается также потребность в электролитических конденсаторах, что положительно сказывается на надежности выпрямителей. КПД современных выпрямителей достигает 0, 94, что близко к теоретическому пределу.

Большая часть современной нагрузки питается, как правило, через преобразователи постоянного напряжения (DC/DC), поддерживающие с высокой степенью точности свои выходные параметры (напряжение и ток) независимо от изменения напряжения на входе, т. е. нагрузка потребляет постоянную мощность. Специально для питания такой нагрузки существуют выпрямители с ограничением выходной мощности, использование которых в буферных системах питания позволяет уменьшить количество выпрямителей в системе на 20%по сравнению с ЭПУ на базе выпрямителей с ограничением выходного тока.

Важной характеристикой выпрямителей, особенно для электропитающих установок сельских АТС, является их способность сохранять работоспособность при значительных отклонениях входного сетевого напряжения. Для таких условий можно найти однофазные выпрямители, сохраняющие работоспособность в диапазоне входного напряжения от 100 до 300 В.

Необходимо отметить, что при снижении входного напряжения увеличивается ток, потребляемый из внешней сети, а это в свою очередь требует изменения параметров устройств защиты (предохранителей или автоматических выключателей) на входе выпрямителя, что может снизить эффективность их работы. Чтобы избежать этого, производители оборудования ограничивают минимально допустимое напряжение на входе выпрямителя (при котором сохраняются все его параметры) на уровне примерно 175 В. При дальнейшем снижении входного напряжения пропорционально, снижается выходная мощность выпрямителя.

Контроллер ЭПУ –

важный элемент современных установок. Помимо мониторинга текущих параметров оборудования ЭПУ, управления температурной компенсацией напряжения подзаряда аккумуляторной батареи и сохранения в памяти всех изменений режимов работы и аварий оборудования, контроллер может управлять последовательным отключением второстепенных нагрузок при пропадании внешнего электроснабжения и при работе от батареи, обеспечивая более продолжительную работу приоритетных потребителей. Некоторые контроллеры позволяют не только управлять работой самой электропитающей установки, но и осуществлять мониторинг всего здания – от электрооборудования до системы охраны.

Резко повысить надежность системы питания можно за счет расширения возможностей диагностики неисправностей оборудования. В процессе диагностики дистанционно передается сигнал не о произошедшем уже отказе того или иного элемента (например, не работает выпрямитель или отключилась аккумуляторная батарея), а еще только о симптомах неисправностей: о нарушении режима работы элементов выпрямителя (хотя сам выпрямитель еще работает) или об изменении распределения напряжения на элементах батареи.

Надежность буферной схемы питания определяется надежностью аккумуляторной батареи. Это утверждение может показаться спорным, но отказ любого выпрямителя не должен приводить к отказу ЭПУ, так как есть резервные выпрямители; в то же время отказ батареи, который проявляется, как правило, при отсутствии внешнего электроснабжения, приводит к нарушению питания нагрузки. Кроме того, обычно напряжение на батарее определяется выпрямителями, а не самой аккумуляторной батареей. Таким образом, выпрямители контролируются постоянно, а батарея – преимущественно во время разряда. Поэтому важной функцией контроллера является мониторинг аккумуляторной батареи, который включает в себя:
  • температурную компенсацию напряжения подзаряда;
  • оценку степени заряженности батареи;
  • управление отключением батареи в конце разряда с защитой от ложного срабатывания;
  • ограничение тока заряда;
  • периодическое тестирование батареи.
Современные цифровые системы связи позволяют производить дистанционный контроль и передачу информации о состоянии станционного оборудования и внешних устройств, в том числе и о режимах работы и неисправностях оборудования электропитания. Использование такой возможности повышает надежность функционирования электропитающих установок за счет своевременного получения исчерпывающей информации, статистической обработки полученных сообщений, возможности подключения более квалифицированного персонала эксплуатационных центров.

Основные функции ЭПУ

Принудительное деление нагрузки

Номинальное значение выходного напряжения выпрямителя изменяется автоматически регулятором схемы деления нагрузки (активное деление) или за счет наклона выходной характеристики выпрямителя (пассивное деление) таким образом, что при параллельной работе нескольких выпрямителей все они имеют близкие значения выходного тока.

Переключение установок выходного напряжения

Режим работы без аккумуляторной батареи (2, 06 В в расчете на 1 элемент) используется для питания нагрузок с узкими допустимыми пределами питающего напряжения (например, в системах с отделенной от нагрузки аккумуляторной батареей или в системах без батарей). Кроме того, данный режим используется при тестировании аккумуляторных батарей. Все параллельно работающие выпрямители жестко переключены на 2, 06 В/эл. Выпрямители переключаются на этот режим автоматически, одновременно с началом тестирования батареи.

Режим подзаряда (режим содержания) (от 2, 21 до 2, 30 В/эл.) используется для нормальной работы всех выпрямителей. Значение требуемого выходного напряжения зависит от типа используемой батареи.

Режим заряда аккумуляторной батареи (от 2, 31 до 2, 40 В/эл.) . Чтобы сократить время заряда батареи, все выпрямители могут быть переключены в режим 2, 31 – 2, 40 В/эл. Значение требуемого зарядного напряжения зависит от типа используемой батареи.

Температурная компенсация зарядного напряжения. Напряжение в режиме содержания изменяется обратно пропорционально температуре батареи в соответствии с температурным коэффициентом. Выходное напряжение уменьшается при повышении температуры батареи и увеличивается при ее снижении. Температурный коэффициент задается производителем батарей и должен быть установлен соответственно типу используемой батареи.

Контроль батареи

Защита от глубокого разряда производится путем отключения батареи от системы, когда напряжение падает ниже установленного порога. Для этой цели в цепи постоянного тока последовательно с батареей или нагрузкой установлен блок контроля с мощным контактором, отключающим нагрузку (Low Volt Disconnect – LVD). Аккумуляторная батарея отсоединяется, когда напряжение батареи и нагрузки становится ниже установленного значения. Батарея подключается и заряжается, как только появится напряжение на выходе выпрямителей.

Тест батареи выполняется при переключении выпрямителей в режим 2, 06 В/эл. Они готовы к работе, но не питают нагрузку – нагрузка получает весь ток от батареи. Система остается в этом состоянии до истечения контрольного времени испытания или до тех пор, пока напряжение батареи не упадет до установленного значения. После этого выпрямители восстанавливают нормальный режим подзаряда батареи. Тест батареи может включаться автоматически (по команде контроллера) или вручную. Кроме того, тест может быть запущен после обнаружения асимметрии батареи.

Измерение асимметрии. Напряжение в средней точке батареи сравнивается с половиной напряжения на нагрузке. В тех случаях, когда различие между этими двумя показателями превышает установленное значение, выдается соответствующий аварийный сигнал.

Ограничение зарядного тока батареи. Некоторые производители вводят в свои выпрямители функцию ограничения максимального тока заряда батареи до величины, соответствующей рекомендуемому зарядному току (указывается изготовителем батареи), обычно это 0, 1С10 (максимально – 0, 3С10).

***


Развитие телекоммуникационного оборудования ставит новые задачи в области электропитания как оборудования телекоммуникационных центров, так и активных элементов сети доступа. Новое поколение электропитающего оборудования разработано для выполнения этих задач.

Однако нельзя забывать о том, что источники бесперебойного питания – лишь часть единой системы, включающей в себя заземление, токораспределительную сеть, устройства защиты, автоматики и коммутации в цепях переменного и постоянного тока, фильтры, системы дистанционного контроля, технологическое оборудование, т. е. все, что называется системой электропитания – СЭП. Надежность СЭП зависит не только от типа используемого оборудования, но и от грамотного построения и квалифицированного обслуживания всей системы электропитания.
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!