Основные рабочие функции ЭПУ, обеспечиваемые контроллером

1. Принудительное деление нагрузки.

Номинальное значение выходного напряжения изменяется автоматически регулятором схемы деления нагрузки так, что, когда параллельно работают несколько выпрямителей, все они имеют одинаковое значение выходного тока.

2. Переключение установок выходного напряжения.

Режим работы без аккумуляторной батареи (2.06 В/эл) – используется для питания нагрузок с узкими допустимыми пределами питающего напряжения (например, в устаревших системах с отделенной от нагрузки аккумуляторной батареей или в системах без аккумуляторных батарей). Кроме того, этот режим используется при тестировании аккумуляторных батарей. Все параллельно работающие выпрямители жестко переключены на 2.06 В/эл. Выпрямители переключаются в этот режим автоматически, когда начинается тест батареи.

Режим подзаряда (режим содержания, буферный режим) (от 2.21 до 2.30 В/эл) – все выпрямители используют этот режим для нормальной работы. Значение требуемого выходного напряжения зависит от типа используемой АБ.

Режим ускоренного 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. Для герметизированных АБ крайне не желателен из-за повышенного газовыделения.

3. Температурная компенсация напряжения содержания.

Напряжение в режиме содержания изменяется обратно пропорционально температуре батареи в соответствии с температурным коэффициентом. Выходное напряжение уменьшается, когда повышается температура батареи и увеличивается, когда температура батареи падает. Изменение выходного напряжения обычно производится ступенчато, по команде контроллера. Температурный коэффициент должен быть установлен соответственно типу используемой батареи.

4. Контроль батареи.

Защита от глубокого разряда. Чтобы защищать аккумуляторную батарею от глубокого разряда, производится отключение батареи от системы, когда напряжение падает ниже установленного порога глубокого разряда.

Для этой цели установлен прерыватель в цепи постоянного тока последовательно с батареей (LVD - low voltage disconnector). Батарея отсоединяется, когда напряжение аккумуляторной батареи и напряжение на нагрузке опускаются ниже установленного значения.

Батарея подключается и заряжается, как только напряжение на нагрузке увеличится выше установленного значения.

Испытание пригодности батареи. Испытание пригодности батареи выполняется с выпрямителями, переключенными в режим 2,06В/эл. Они готовы к работе, но не питают нагрузку, и ток нагрузки берется полностью от батареи. Система остается в этом состоянии, пока не истекло время испытания или пока напряжение батареи не упало до установленного значения. После этого, выпрямители снова без задержки включаются в работу.

Испытание пригодности батареи может включаться автоматически по команде контроллера или вручную. Кроме того, данный тест может быть запущен после обнаружения асимметрии батареи. Продолжительность испытания пригодности батареи устанавливается так, чтобы соответствовать времени автономной работы, требуемой от батареи системы.

Измерение асимметрии. Напряжение в средней точке батареи может быть немного больше или меньше по сравнению с половиной напряжения на нагрузке. Когда различие между этими двумя напряжениями превышает установленное значение, выдается соответствующий аварийный сигнал.

Ограничение зарядного тока батареи. Некоторые производители вводят в свои выпрямители функцию ограничения максимального тока заряда батареи. Это позволяет ограничить зарядный ток до величины, соответствующей рекомендуемому зарядному току, указанному изготовителем батареи, который обычно составляет 0,1С₁₀ (максимум – 0,3 С₁₀).

 

 

2. Современная модульная система электропитания на примере ELTEK FLATPACK 2PS

 

Общие сведения

 

Рассмотрим современную модульную ЭПУ на примере FLATPACK 2 PS, которую мы будем использовать в практических занятиях

Модульные выпрямители Flatpack2, управляемые контроллером Smartpack представляет собой современную, мощную, компактную и экономически эффективную систему питания постоянного тока, разработанную специально для телекоммуникационных целей. На рисунке 2.1 приведён пример типичной архитектуры такой системы.

Система получает питание от внешней сети переменного тока, и состоит из выпрямителей, блока управления (контроллера) и дистрибутивного устройства постоянного тока. Также частью данной системы обычно являются аккумуляторы, соединители, отключаемые при низком напряжении и т. д.

 

Рисунок 2.1 Пример архитектуры стандартной системы Flatpack2 PS для подачи постоянного тока на телекоммуникационное оборудование.

Контроллер Smartpack

 

Рисунок 2.2 Модуль контроллера Smartpack

Контроллер Smartpack представляет собой мощный и экономичный модуль управления и контроля системами электропитания постоянного тока. Основной интерфейс между пользователем и системой состоит из передней панели и трёх фронтальных кнопок и ЖК-дисплея на ней. При активации какой-либо сигнализации загорается светодиод (красного или жёлтого цвета) и появляется текст на ЖК-дисплее, указывающий на активированное сигнальное реле. При нормальном режиме работы ЖК-дисплей отображает такие параметры, как выходное напряжение, ток аккумуляторной батареи, ток нагрузки, режим заряда.

Благодаря использованию архитектуры цифрового интерфейса – соединения через шину CAN, Smartpack отличается высокой гибкостью и возможностью расширения. Через CAN-шину устройство поддерживает выделенный коммуникационный канал с каждым выпрямительным модулем и обеспечивает возможность расширения системы, путём подключения через неё дополнительных модулей.

Возможно два способа управления системой: локально через ПК, используя ПО Power Suite PC, или дистанционно через модем, Ethernet или Web. Для взаимодействия с локальными PC, SNMP или Web адаптерами используются гнёзда USB или RS-232. Каждому контроллеру присвоен уникальный MAC адрес Eltek, указанный внутри контроллера и на этикетке. Также контроллеру присвоен фиксированный IP адрес.

Ниже перечислим основные возможности контроля и мониторинга, предоставляемые пользователю контроллером Smartpack.

Контроллер обеспечивает возможность:

· измерять выходное напряжение системы, ток её полной нагрузки, ток аккумуляторных батарей, температуры аккумуляторных батарей, ток каждого из выпрямителей и их входное напряжение;

· отключать нагрузки/аккумуляторные батареи;

· производить проверку выходных реле;

· фиксировать события в сигнальном журнале (до 1000событий);

· устанавливать уровни напряжения в системе;

· устанавливать информацию об АБ;

· проводить проверку АБ по таблице разряда или установленному временному лимиту с хранением информации о проверке (последние 10 тестов);

· обеспечивать ускоренный заряд АБ, заряд с температурной компенсацией;

· получать доступ к информации о каждом выпрямителе (серийный номер, версия, внутренняя температура) и производить контроль их эффективности и выполнять ещё ряд других функций.

Сигнализацию контроллера можно настроить на контроль мелких, крупных, средних и пиковых уровней. Примеры возможных сигналов тревоги контроллера:

– системные аварии (например, перебой электропитания (по фазам), отключение нагрузки и т.д.);

– аварии АБ (например, высокое или низкое напряжение аккумулятора, высокая или низкая температура, отключение аккумулятора, нарушение симметрии и т.д.);

– аварии выпрямительного модуля (сбой выпрямителя, в т.ч. критический, ограничение тока выпрямителя, защита от перенапряжения и т.д.).

Выпрямительный модуль

 

Выпрямительный модуль Flatpack2 является оптимальным вариантом для систем электропитания средней и большой мощ­ности. Flatpack2 представляет собой модуль с цифровым управлением, что в сочетании с контроллером Smartpack позволяет упростить проектирование различных режимов работы систем электропита­ния, увеличивая их возможности.

Рисунок 2.3 Выпрямительный модуль Flatpack2 48В/2000Вт

Выпрямительные модули Flatpack2 подходят для беспроводной, оптоволоконной и проводной связи. Flatpack2 обладает очень высокой плотностью мощности, имеет эконо­мичную конструкцию, может рабо­тать с широким диапазоном входных напряжений и в жестких условиях экс­плуатации.

Далее перечислим основные преимущества таких модулей. Благодаря резонансной технологии мо­дуль является наиболее эффективным в телекоммуникационной индустрии, а также обладает компактным размерами. Цифровая идеология контроллера превосходно обеспечивает кон­троль за состоянием выпрямительных модулей. Присутствует управление охлаждением – воздушный поток, проходя через ра­диаторы, создает модулю наиболее приемлемую рабочую среду, а также снимает ограничения универсальности системных решений. Простая система установки модулей Plug&Play минимизирует временные затраты на установку или замену модулей.

Перечислим основные технические характеристики.

Входные:

· напряжение – 85-300 В (номинальное 185-275В);

· частота – 45-66 Гц;

· максимальный ток – 12,5A при номинальном входном напряжении и максимальной нагрузке;

· коэффициент мощности >0,99 при 20% нагрузки и более;

· варистор для защиты от переходных процессов, предохранители на каждой фазе, отключение при напряжении более 300В.

Выходные:

· напряжение – 53,5В (диапазон 43,5-57,6В);

· выходная мощность – 2000 Вт в пределах номинального диапазона;

· максимальный ток – 41,7А, при 48В и номинальном входном токе;

· разделение тока ±3% от среднего тока между модулями;

· статическое регулирование напряжения ±0,5% от 10 до 100% нагрузки;

· динамическое регулирование мощности ±5,0% для 10-90% или 90-10% колебаниях нагрузки, время < 50 мс;

· время поддержки > 20 мс; выходное напряжение > 43,5 В при нагрузке 1500 Вт;

· отключение при перенапряжении, предохранитель, защита от короткого замыкания, защита от перегрева.

Другие характеристики:

КПД модуля Flatpack2 – номинальный 92%, минимальный 91% при 40-90% нагрузки;

Последние разработки компании Элтек позволили еще повысить КПД модульных выпрямителей. На рис.2.4 графически изображена зависимость КПД для самого эффективного выпрямительного модуля в зависимости от нагрузки.

 

Рисунок 2.4 КПД выпрямительного модуля в зависимости от используемой нагрузки.

 

· наработка > 350 000 часов;

· шумы<55 дБ, при номинальном входе, полной нагрузке;

· рабочая температура от -40 до +75^OC;

· температура хранения от -40 до +85^OC;

· охлаждение – вентилятор, скорость которого регулируется в зависимости от температуры и тока;

· аварийная сигнализация: высокое/низкое входное напряжение, низкий уровень выходного напряжения, перенапряжение, ограничение/деление тока, неполадки в системе охлаждения, высокая/низкая температура, выход из строя выпрямительного модуля;

· визуальные индикаторы: зеленый LED (включен, нет ошибок), красный LED (ошибка), жёлтый LED мигающий (нет связи с модулем), жёлтый LED немигающий (снижение мощности).

Масса-габаритные характеристики:

· размер: 109х41,5х327мм;

· вес 1,9 кг.

 

Методика расчета

3.1 Общие сведения и определения

При проектировании надежной системы электропитания для телекоммуникационных систем особое внимание должно уделяться правильному расчету составляющих системы. Ключевые составляющие: аккумуляторные батареи, выпрямители, кабели, предохранители и т.д., должны быть выбраны на основе строгих расчетов.

Расчет системы электропитания состоит из следующих этапов:

- определение нагрузки (токов);

- расчет и выбор батареи;

- расчет и выбор выпрямительных модулей.

Для выполнения расчетов необходимы следующие исходные данные:

- токи нагрузок;

- количество элементов батареи;

- количество параллельных батарейных групп;

- требуемое время автономной работы;

- требуемый срок службы батареи;

- коэффициент заряда батареи;

- время заряда батареи;

- ток выпрямительного модуля.

В результате расчетов будут получены следующие данные:

- ёмкость батареи;

- количество выпрямительных модулей;

- значения мощностей и токов.

Прежде всего, остановимся на нескольких основных определениях.

1. Виды нагрузки.

Данные по нагрузке могут быть представлены в виде потребляемого тока (А) или потребляемой мощности (Вт). При расчете энергопотребления должны быть приняты во внимание возможности дальнейшего расширения системы. Нагрузки могут быть сгруппированы и условно поделены:

- линейные нагрузки (аналоговые телефонные коммутаторы, и т.д.);

- нелинейные нагрузки (электронные коммутаторы, оборудование передачи, инверторы, преобразователи постоянного тока, и т.д.).

 

2. Режимы работы, рабочие напряжения.

Режимы работы:

- ускоренный заряд;

- содержащий заряд;

- разряд батареи.

Уровни напряжения:

- номинальное напряжение;

- напряжение содержащего заряда;

- напряжение ускоренного заряда;

- среднее напряжение разряда;

- конечное напряжение разряда.

Номинальное напряжение (U_ном).

Наибольшее распространение в телекоммуникации получили системы на номинальное напряжение 48 В, также существуют системы на 24 В и 60 В. Ток нагрузки телекоммуникационного оборудования определяется в зависимости от номинального напряжения и обозначается, например, I₄₈ (А).

Напряжение содержащего заряда (U_подз).

Величина напряжения содержащего заряда зависит от типа и технологии производства применяемой аккумуляторной батареи.

Среднее значение – 2,23 В/элемент при температуре 20С. Для 48-вольтового телекоммуникационного оборудования наибольшее распространение получили аккумуляторные батареи на 24 элемента. Поэтому в рабочем режиме напряжение содержания батареи составит 24х2,23 В=53,5 В.

В зависимости от производителя величина напряжения содержащего заряд может отличаться от указанного. Следовательно, при проектировании необходимо использовать технические характеристики применяемых батарей.

Среднее напряжение разряда (U_{разр_сред}).

В процессе разрядки напряжение батареи постепенно понижается. Напряжение содержащего заряда в 2,23 В/элемент относительно быстро понизится до типового значения в 1,9...2,0 В/элемент, которое при завершении процесса разряда снизится до 1,8 В/эл. Время резервного питания от батареи в основном зависит от величины тока разряда, поэтому необходимо знать ток и конечное напряжения разряда. Напряжение 1,9 В/эл является наиболее близким к среднему значению, и, таким образом, принимается за среднее напряжение разряда при расчетах.

Конечное напряжение разряда (U_{разр_кон}).

Конечное напряжение зависит от типа батареи и времени разряда. При 10-ти часовом разряде оно составляет около 1,8 В/эл. Величина конечного напряжения батареи: 24х1,8В=43,2 В. В случае менее продолжительного времени разряда элементы могут быть разряжены до более низкого значения конечного напряжения, таким образом, конечное напряжение батареи также будет ниже.

Напряжение ускоренного заряда (U_ускор).

В общем случае величина напряжения ускоренного заряда составляет 2,33...2,4 В/эл. Следовательно, в этом режиме работы напряжение батареи составит от 24х2,33=55,92 В до 24х2,4=57,6В. Герметизированные батареи (AGM или GEL) обычно не допускают ускоренного заряда.

Расчет токов

При расчете разрядного тока необходимо учитывать величины токов линейных и нелинейных нагрузок. Величина тока разряда батарейной группы зависит от следующих параметров:

- количество элементов;

- среднее напряжение разряда;

- количество групп батарей.

Ток линейных Нагрузок. При расчете токов линейных нагрузок необходимо принимать во внимание, что во время разряда ток нагрузки будет снижаться.

Ток нелинейных нагрузок. При расчете токов линейных нагрузок, что ток нагрузки увеличивается пропорционально снижению напряжения батарей.

(1)

Из приведенной выше формулы (1) следует, что в зависимости от напряжения батареи, ток разряда батареи больше номинального. При расчете емкости батарей среднее напряжение разряда принимают равным 1,9 В/эл.

В случае, когда используют несколько групп батарей, ток разряда одной группы следующий:

(А), (2)

где N _{бат_групп} - количество параллельных групп батарей.

Расчет батареи

Зависимость времени разряда от тока разряда является нелинейной. Поэтому если продолжительность разряда меньше 10 часов, требуемая емкость (Ач) не может быть получена простым перемножением. Также необходимо учитывать конечное напряжение разряда батарей. Поэтому целесообразно проводить расчет, пользуясь таблицами, предоставляемыми производителями батарей.

Исходные данные для расчета батарей:

- время автономной работы (t_разр.);

- ток разряда (I_разр.);

- конечное напряжение разряда (U _{разр_кон);}

- среднее напряжение разряда (U _{разр сред});

- требуемый срок службы батареи.

Первоначально необходимо выбрать оптимальный по сроку службы и продолжительности автономной работы тип аккумуляторной батареи. Для систем телекоммуникаций обычно используют АКБ типа ОРzV или ОРzS, исходя из 4-10 часовой автономной работы и 10-15 летнего срока службы. В случае малого времени автономной работы, возможно, более оптимальным будет выбор другого типа батареи с меньшим внутренним сопротивлением. Исходя из выбранного типа АКБ и подходящего значения конечного напряжения разряда (например, 1,8 В/эл.), необходимо в таблице токов разряда найти ближайший к требуемому разрядный ток в столбце требуемого времени автономной работы. Для времен автономной работы, отличающихся от указанных в таблице, проводят интерполяцию.

Нужно отметить, что АКБ выбирают с запасом емкости, учитывая, что после первоначального увеличения емкости, она будет снижаться в процессе использования.

Расчет выпрямителей

Необходимо определить суммарный ток выпрямительных модулей. Он складывается из следующих составляющих:

- ток нагрузки при напряжении подзаряда (I_подз.);

- ток заряда батарей (I _заряд).

, (3)

, (4)

где t_заряд – требуемое время подзарядки (примерно 10 ч до заряда батареи до 90% ёмкости); f_заряда – коэффициент заряда батареи (1,1…1,2); C₁₀ – номинальная ёмкость (Ач).

Общий ток системы при содержащем заряде:

(5)

После определения общего тока необходимо предусмотреть несколько основных моментов:

1. Возможность расширения системы. Возможность расширения системы в будущем позволяет установить дополнительные выпрямители в первоначально спроектированный системный шкаф для обеспечения возросших требований по мощности;

2. Резервирование (N+1). При определении необходимого числа модулей следует принять во внимание, что по соображениям безопасности минимальное допустимое количество установленных модулей должно быть не менее 2 (N>2!). В общем случае для ЭПУ в телекоммуникациях существует требование по обеспечению электроснабжения даже в случае отказа одного выпрямительного модуля, то есть требование по устойчивости к одиночному отказу:

(6)

Количество выпрямителей N+1 можно интерпретировать двояко. С одной стороны, “+1” выпрямительный модуль тот, который обеспечивает зарядный ток батареи (или только часть этого тока). В случае, когда данный выпрямительный модуль отказывает, система продолжает функционировать, однако зарядный ток становится меньше (т.о. увеличивается время заряда батареи). При стабильной первичной питающей сети полный заряд батареи требуется крайне редко, таким образом, этот вариант нашел применение в большинстве систем. С другой стороны, “+1” выпрямитель должен быть добавлен в систему сверх того количества, которое было рассчитано исходя из полного обеспечения нагрузки и внутренней потребности на заряд полностью разряженной аккумуляторной батареи в пределах заданного времени заряда. Это означает, что система обеспечит заданное время заряда даже в случае отказа одного модуля выпрямителя;

3. Выбор типа выпрямительного модуля. Если имеется такая возможность, необходимо выбрать такой ток выпрямительного модуля, чтобы не требовалось обеспечивать параллельное включение слишком большого числа таковых, даже в будущем, на этапе планового увеличения мощности системы. Однако с точки зрения габаритов резервного модуля, не рационально использовать выпрямительные модули с очень большим выходным током.

4. Оптимальное количество выпрямительных модулей. Для определения количества выпрямительных модулей используется следующая формула:

(7)

Конечно, значение “N” не всегда будет целым. С точки зрения надежности кажется выгодным всегда округлять полученное значение в большую сторону. Тем не менее, такой подход может привести к увеличению стоимости ЭПУ, особенно в случае, когда увеличение количества выпрямительных модулей приводит к переходу на следующий типоразмер системного шкафа или требует установки дополнительного шкафа. Также возрастают требования к первичной сети переменного тока. Таким образом, при выборе того или иного варианта учитывать все случаи.

Варианты заданий для расчета.

Студенческая группа разбивается на пять подгрупп. Каждая подгруппа получает свое задание и проводит расчет ЭПУ для определения количества выпрямительных модулей и выбирает АБ, обеспечивающую необходимое время автономной работы.

 

 

Варианты заданий

 

№	Тип питаемого телекоммуникационного оборудования	Мощность потребляемая нагрузкой (Вт)	Время автономной работы от АБ/час
	Базовая станции 4 поколения сотовой связи
	Узел радиорелейной связи
	Регенерационный пункт первичной сети
	Пункт дистанционного питания подводной ВОЛС
	АТС на 5000 телефонных номеров

 

Программное обеспечение

Применение Power Suite.

Ваша DC Power System - современная и рентабельная система электропитания, специально разработанная Eltek Valere для телекоммуникационной отрасли.

PowerSuite - прикладное программное обеспечение, которое помогает Вам конфигурировать и управлять своей системой электропитания постоянного тока DC Power System.

Данный раздел предоставляет вводную информацию о PowerSuite. Это также включает объяснение важных понятий, требований системы, подсоединение контроллера и т.д.