Глава1. Электропитающие установки

Глава1. Электропитающие установки

1.1. Понятие об электропитающей установке предприятия связи.

Электроснабжение любого предприятие связи может быть представлено в виде:

 

                          

Рис.1.Структура электроснабжения предприятий связи.

На рисунке 1 обозначено:

ПИП – первичный источник электропитания – преобразует неэлектрические виды энергии в электрическую;

ВИП – вторичный источник электропитания – преобразует энергию первичного источника к виду удобному потребителю (нагрузке). Синонимами ВИП являются: ИВЭП - источники вторичного электропитания; ЭПУ – электропитающее устройство (электропреобразующее устройство) и др.

В качестве первичных источников используются электростанции, преобразующие механическую энергию движения (поступательного или вращательного) в электрическую. Преобразование механической энергии в электрическую производятся синхронными генераторами переменного тока. В зависимости от того, чем вращают генераторы их делят на: турбо – генераторы, гидро – генераторы, дизель – генераторы, газо – генераторы, ветро – генераторы

К первичным источникам относятся также: химические источники, солнечные батареи, топливные элементы, термогенераторы, атомные батареи

В зависимости от требований по надёжности электроснабжения электроприёмники предприятий связи подразделяются на первую, вторую и третью категории. Большинство предприятий электросвязи относятся к потребителям первой категории. Их электроснабжение должно обеспечиваться от трех независимых источников электроэнергии. Два внешних ввода электроэнергии подключено к отдельным энергосистемам или электростанциям через трансформаторные подстанции, а третий к собственной автономной (дизельной) электростанции.

Исходя из вышеизложенного на каждом предприятии связи оборудуется электроустановка. Электроустановкой предприятия связи называется комплекс сооружений, обеспечивающий электроснабжения предприятия, электропитание аппаратуры, освещение и функционирование других устройств, связанных с жизнедеятельностью предприятия связи.

Состав электроустановки.

1. Трансформаторные подстанции;

2. Дизельная электростанция (ДЭС)- резервный источник переменного тока;

3. Электропитающие установки (ЭПУ);

4. Устройства вентиляции и кондиционирования, средства освещения.

ЭПУ предназначена для электропитания оборудования связи различным напряжением постоянного и переменного тока, необходимым для нормальной работы аппаратуры связи.

Состав ЭПУ.

1. выпрямительные устройства, которые производят выпрямление переменного тока в постоянный ток. К ним относятся выпрямители серии ВУК, ВУТ, ВУЛС, ВБ, ВБВ;

2. аккумуляторная батарея (АКБ)- резервный источник постоянного тока;

3. преобразователи (инверторы - постоянный ток преобразуют в переменный, конверторы - преобразователи напряжения постоянного тока);

4. коммутационно- распределительные устройства: переменного тока (ЩПТА, ШВР);

5. стабилизаторы напряжения;

7. ТРС – токораспределительные сети, связывающие между собой оборудование электропитания и аппаратуру связи.

Основные требования к ЭПУ:

1. должна обеспечивать бесперебойное питание аппаратуры связи напряжениями необходимой стабильности и допустимой пульсации;

2. должна быть максимально автоматизирована;

3. должна быть построена с максимальным использованием типового унифицированного оборудования и быть экономичным в строительстве и эксплуатации;

4. должна иметь высокие КПД и cos φ при минимальных затратах.

Источники электроснабжения.

К ним относятся внешние электрические сети энергосистем, подключаемые через трансформаторные подстанции, и дизельная электростанция.

Трансформаторы

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющие две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования напряжения переменного тока из одной величины в другую (ГОСТ 16110-82).

Однофазные трансформаторы

Трехфазный трансформатор

Трансформирование трехфазной системы напряжений можно осуществить тремя однофазными трансформаторами, соединенными в трансформаторную группу.

Однако относительная громоздкость, большой вес и повышенная стоимость — недостаток трансформаторной группы. Поэтому она применяется только в установках большой мощности с целью уменьшения массы и габаритов единицы оборудования, что важно при монтаже и транспортировке трансформаторов. Такой тип получил название - трансформатор с раздельной магнитной системой. Трансформатор, у которого обмотки расположены на трех стержнях, называется трансформатором с объединенной магнитной системой.

Применяется для трансформации трехфазного напряжения и тока. Состоит из замкнутого сердечника Ш- образной формы. У стержневых трансформаторов сечение прямоугольное или квадратное. У мощных трансформаторов сечения приближенно к окружности. На каждом стержне намотаны обмотки низшего и высшего напряжения одной фазы. 

Намотка обмоток на стержне производится двумя способами: цилиндрическим или дисковым. Для трансформаторов большой мощности применяют цилиндрический способ намотки. Ближе к стержню наматывают обмотки низкого напряжения (НН), сверху - обмотки высокого напряжения (ВН). Трехфазные трансформаторы имеют минимум три первичные и три вторичные обмотки. Начало и концы обмоток высокого напряжения обозначают прописными буквами А, В, С и Х,Y, Z, а обмотки низкого напряжения строчными буквами- а, в, с и x, y, z. Cоединение обмоток трехфазного трансформатора производится по схеме:

1. Звезда (Y) (Рис 5а)

2. Треугольник (∆) (рис.5б)

Условное обозначение соединений первичной и вторичной обмоток производится через дробь, где числитель показывает схему первичной обмотки, а знаменатель схему вторичной обмотки. Например, Y/∆, Y/Y, ∆/∆ и т.д. Таких соединений существует двенадцать и пронумерованы 0 -11. Каждое соединение называется группой. Группы определены исходя из циферблата часов. Изготовляются в России две группы: (Y/Y-0), (∆/Y-11) и называются стандартные. В понижающих трансформаторах чаще всего первичную обмотку соединяют «звездой», т.к. это позволяет рассчитывать фазные обмотки на напряжение в 1.73 раза меньше, чем напряжение источника, а вторичные обмотки выгодно соединять в «треугольник», т.к. фазный ток в 1.73 раза меньше линейного тока.

Рис.4. Конструкция трехфазного трансформатора

Рис 5а. Соединение обмотки «звезда»

 

Рис.5б. Соединение обмотки «треугольник»

Соотношения линейных и фазных напряжений и токов трехфазного трансформатора:

1.  При соединении Y: Uл =Uф*√3; Iл = Iф

2.  При соединении ∆: Uл =Uф;   Iл = Iф*√3; 

Мощность трёхфазной системы не зависит от схемы соединения (звездой или треугольником) и определяется выражениями:

полная 

активная    [Вт]                              

реактивная  [ВАР]           

Автотрансформатор.

Автотрансформатором называется трансформатор, обмотки которого гальванически связаны. Автотрансформаторы могут быть повышающие (W1<W2) и понижающие (W1> W2).

Достоинства: малые габариты, так как меньше масса меди обмотки и меньше масса сердечника, малые потери и повышенный КПД,

Недостатки: есть гальваническая связь между обмотками высокого и низкого напряжений, поэтому автотрансформаторы выпускаются небольшой мощности исходя из условий техники безопасности. На практике автотрансформаторы заменяют трансформаторы с целью экономии материала и снижения потерь электрической энергии при коэффициенте трансформации <=5.

Глава 2. Преобразование электрической энергии переменного напряжения (тока) в постоянное.

 

Принцип работы.

В каждый момент открыты два диода, работающих в параллельных плечах, два других закрыты. В этой схеме диоды работают парами и ток через цепь нагрузки протекает в одном направлении в оба полупериода. Происходит двухполупериодное выпрямление. Эту схему также называют однофазной мостовой, поскольку четыре диода: VD1, VD2, VD3, VD4 – образуют мост, к одной диагонали которого подключена вторичная обмотка трансформатора, а к другой нагрузка выпрямителя.

Рис.8а. Мостовая схема (Схема Греца)

Рис8б. Временные диаграммы работы мостовой схемы.

Общая точка катодов диодов VD1, VD3 служит положительным полюсом нагрузки, а общая точка анодов диодов VD2, VD4– отрицательным полюсом. Диоды в схеме (Рис.8б) работают поочередно попарно: при положительной полуволне напряжения U₂, которая соответствует прямому напряжению диода VD1,VD4, ток протекает через VD1, VD4 а при отрицательной полуволне U₂, соответствующей прямому напряжению диода VD3,VD2 ток протекает через VD3 и VD2

Параметры схемы.

1. m =2 (количество пульсаций за один период)

2. f вых =m * f вх=2*50=100 Гц –частота первой гармоники выпрямленного тока

3. Кn=Um/U0=0.67(чем меньше коэффициент пульсации, тем лучше выпрямление).

4. U обр=1,57*Uо для выбора диодов.

Достоинства:

1. Может работать без трансформатора

2. Может выпрямить в два раза больше напряжение, чем схема Миткевича, т. к. обратное напряжение вентиля в два раза меньше.

 

Недостатки:

Создаётся дополнительная пульсация при неодновременном отпирании двух диодов, работающих парно.

Параметры схемы

1. m=3

2. Kn=Um /U0=0,25

3. F вых =F вх *m=50*3=150Гц

4. Uобр =2,09*U0

5. Iср =0,33*Io

Достоинства схемы.

Может применяться для изготовления многофазных выпрямителей.

Недостаток.

1.Производится вынужденное намагничивание сердечника до насыщения, т.к ток протекает по фазе в одном направлении. Это приводит к нагреву сердечника и потерям. КПД будет низкое.

2. Схема не может работать без трансформатора.

Рис.11а. Мостовая схема Ларионова

 

Рис.11б. Временные диаграммы работы мостовой схемы трехфазного переменного тока

Параметры схемы

1. m=6

2. Кп=Um/Uo=0.057

3. f вых.=f вх.*m=50*6=300 Гц.

4. Uобр.= 1.1 *Uo

5. I ср.= 0.33 * Io

Достоинства:

1. схема не производит намагничивание сердечника до насыщения, т.к. токи протекают по фазам в различных направлениях, значит нет потерь и КПД будет высокое

2. может работать без трансформатора, т.к. нет нулевого вывода у трансформатора.

3. производит лучшее выпрямление, чем все остальные схемы.

Недостатки:

Не может применяться на малой мощности, т.к. на двух открытых диодах большие потери.

Схема Ларионова получила применение во всех выпрямителях предприятий связи.

Схема удвоения напряжения

Классическая (симметричная) схема удвоения состоит из двух однотактных выпрямителей, каждый из которых использует свою полуволну напряжения.

Напряжение на нагрузке складывается из напряжений на конденсаторах С1 и С2 (Рис9а, б). Если пульсации малы, то постоянная составляющая на каждом конденсаторе U₀₁ ≈ U_2m, а напряжение на нагрузке U₀ ≈ 2U_2m. Кроме того, при сложении компенсируется первая и все нечетные гармоники пульсаций. Поэтому схема ведет себя как двухтактная, хотя и состоит из двух однотактных схем.

 

      

Рис.9а.Схема умножения напряжения

 

Рис9б. Временные диаграммы работы схемы умножения напряжения.

Недостатком симметричной схемы удвоения, с точки зрения безопасности, является отсутствие общей точки нагрузки и трансформатора

Управляемые выпрямители.

Управляемыми выпрямителями называются выпрямителями, которые собраны на тиристорах.

Управляемые выпрямители выполняют две функции:

1. Выпрямление переменного тока в постоянный ток.

2. Стабилизация выпрямленного тока и напряжения.

Управляемые однофазные выпрямители собираются на тиристорах. Схема и временные диаграммы управляемых однофазных выпрямителей на Рис.12.

 Выпрямительная схема (Рис.12) производит выпрямление переменного тока в постоянный пульсирующий ток, который протекает по нагрузке. Стабилизация выпрямленного напряжения производится при помощи тиристоров, т.к. выходное напряжение зависит от времени работы тиристоров. С увеличением времени работы увеличивается выходное напряжение и наоборот.

На интервале времени [0- p] к тиристорам VS1 и VS4 приложено прямое положительное напряжение. В момент времени a1 на управляющий электрод этих тиристоров подается импульс управления. Тиристоры открываются и напряжение U2 передается в нагрузку. При работе на активную нагрузку в момент (из-за снижения анодного тока ниже тока удержания) происходит запирание тиристоров VS1 и VS4. На интервале [p; p+a2] в нагрузке напряжение равно нулю, т.к. происходит задержка подачи управляющего импульса на угол a2. Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного включения тиристоров и выраженный в электрических градусах, называется углом управления и обозначается буквой α.

Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя - это зависимость средневыпрямленного значения напряжения U_0a от угла регулирования. При возрастании входного напряжения U₁ или уменьшении тока нагрузки увеличивают угол регулирования для поддержания постоянства напряжения в нагрузке U_0a в заданных пределах.

Характеристики фильтра

Коэффициент фильтрации показывает во сколько раз уменьшается переменная составляющая проходя через фильтр. Фильтр уменьшает постоянную составляющую и в результате влияет на коэффициент фильтрации. Вводиться коэффициент сглаживания.

q = Кп1 / Кп2= (Um1 / Uo1) / (Um2 /Uo2) = (Um1 /Um2) / (Uo2/Uo1) = Kф / Кп

где q- коэффициент сглаживания;

Кп1,Кп2- коэффициент пульсации до фильтрации и после фильтрации;

Um1,Um2 – амплитудное значение первой гармоники до фильтрации и после фильтрации.

Uo1,Uo2 – среднее значение выпрямленного напряжения до фильтрации и после фильтрации

Кф – коэффициент фильтрации, Кп – коэффициент передачи

Кп =1 (в идеале), тогда q = Кф;

Виды сглаживающих фильтров

1. пассивные-LC- фильтры;

2. резонансные LC- фильтры;

3. пассивные-RC- фильтры;

4. фильтр из аккумуляторной батареи;

5. активные - транзисторные.

Однозвенные LC- фильтры

Подразделяются по форме на Г-образные, П-образные,
Т-образные и составляются из дросселей и конденсаторов. Х_L оказывает сопротивление переменному току и соединяется последовательно с нагрузкой, X_C оказывает сопротивление постоянному току и соединяется параллельно с нагрузкой, поэтому должно быть Х_L>> R_Н, X_C <<R _Н.

          Рис.14. Однозвенный Г-образный фильтр

Применение получили Г-образные фильтры (Рис.14), т.к. имеют малые габариты и потери. Коэффициент сглаживания определяется по формуле:

 q_n=ώ_n² LC-1,

q_n < = 25, собранный из стандартных деталей, при q  >25 применяются многозвенные фильтры.

Фильтр используется при большой мощности нагрузки. К достоинствам фильтра относится: малые габаритные размеры, малая зависимость коэффициента сглаживания от изменений тока нагрузки (различный характер зависимости q от Iн для реактивных элементов взаимно компенсирует влияние).

 Недостатки:

В таких, фильтрах возникают переходные процессы, усложняющие работу, как потребителя, так и источника питания, дроссели фильтров имеют большие габаритные размеры и массу, а их индуктивность, следовательно, коэффициенты сглаживания зависят от тока нагрузки. При включении и отключении сети, а также при резких изменениях нагрузки в фильтре возникают переходные процессы, которые могут привести к перенапряжениям и броскам тока в элементах фильтра и выпрямителя. Возникновение переходных процессов связано с изменением во времени запасов электромагнитной энергии, накапливаемой в таких энергоемких элементах, как катушки индуктивности

 

Многозвенные фильтры

Составляются из однозвенных Г-образных фильтров путем последовательного соединения.

                                                 

Рис.15. Многозвенные фильтры

Общий коэффициент фильтрации определяется путем умножения коэффициента фильтрации всех звеньев (Рис 15).

 q _общ.= q _{1 *}q _{2 *}…_*q _n    

Резонансные фильтры.

Предусмотрен для сглаживания первой гармоники, на частоту которой настроен контур. Для остальных гармоник предусматриваются дополнительные фильтры из дросселя и конденсатора. Обычно резонансные фильтры настроены на частоту первой гармоники. В зависимости от конденсатора они подключаются с параллельным и последовательным контуром. В параллельном контуре (Рис.16) в момент резонанса сопротивление максимально, поэтому резонансная гармоника не проходит, для остальных гармоник сопротивление минимально. Для них подключают фильтры из дросселей и конденсаторов, для последовательного контура происходит наоборот (Рис17).

Рис.16 Резонансный фильтр с параллельным контуром (фильтр-пробка).

Рис. 17. Резонансный фильтр с последовательным контуром (режекторный фильтр)

Основное достоинство резонансного фильтра – более высокий коэффициент сглаживания, чем у раннее описанных LC-фильтров.

 К недостаткам относятся зависимость коэффициента сглаживания от частоты сети, зависимость индуктивности дросселя от тока нагрузки и малое значение коэффициента сглаживания для высших гармоник выпрямленного тока.

Для ослабления напряжения высших гармоник последовательно с основным резонансным контуром включается ряд контуров, настроенных на их частоты.

Эффективность работы резонансных сглаживающих фильтров, характеризуемая величиной коэффициента сглаживания пульсаций, зависит от точности совпадения частоты пульсаций выпрямленного напряжения ω_п с собственной частотой LC-контура – ω_о. обеспечение условия ω_о = ω_п = р ω возможно лишь при высокой стабильности частоты сети.

Активный фильтр

LC-фильтры не могут выполняться в интегральном исполнении из-за дросселя, поэтому дроссель заменяют транзистором и получают фильтр в виде микросхемы (Рис.18). Для получения тока Iк=const рабочая точка выбирается на пологой части выходной характеристики транзистора. Переменный ток протекает через конденсатор С и резистор R. Сопротивление резистора должно быть меньше сопротивления нагрузки. R<< Rн.

Рис.18.Схема активного-транзисторного фильтра

Коэффициент фильтрации определяется:

Кф=(r_б² _/ r_к²_+Хс²/ r_к² +х_с²/ R² + 2х_с²/R r_k) ^-1/2Где Хс=1/ m 2πfC; r_k,r_б –сопротивления коллектора и базы транзистора

К достоинствам активных фильтров относят:

1. высокие качественные и энергетические показатели;

2. широкий диапазон частот;

3. простота конструкции;

4. малая зависимость коэффициента сглаживания от изменений тока нагрузки;

5. малые магнитные поля из-за отсутствия индуктивности в схеме фильтра;

6. отсутствие опасных режимов при возникновении переходного процесса, т.к. нет перенапряжения при “сбросе” тока нагрузки.

К недостаткам схемы можно отнести: снижение к.п.д. устройства при увеличении тока нагрузки из-за увеличения потерь на транзисторе; необходимость защиты транзистора в переходных режимах.

Достоинства

Высокий КПД. КПД=90%

Высокая точность стабилизации (δ= ± 0.1-1%).

Малые габариты. Габариты в 3-4 раза ниже, чем НКСН.

Отсутствие электромагнитных помех 

Недостатки:

Возникновение пульсаций при работе стабилизатора.

Функциональная схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения (РЭ работает в ключевом режиме.

Импульсный стабилизатор напряжения включает в себя РЭ (VT1), сглаживающий фильтр (LCD), следящий делитель (R5, R6), усилительный элемент (DA1) и ШИМ (DA2).

Рис.22. Схема импульсного стабилизатора

Схема управления включает в себя: делитель напряжения (R5, R6) с коэффициентом передачи Kд = R6/(R5+R6); усилитель сигнала рассогласования DA1 с коэффициентом передачи Kу (Ue = U_ОС – U_ЭТ); компаратор напряжения DA2, который формирует ШИМ - сигнал. Он равен “1”, если уровень пилообразного напряжения больше уровня напряжения U_ОС. При возрастании входного напряжения U₁ уменьшается площадь между уровнем напряжения “пилы” и U_ОС, что приводит к уменьшению по длительности ШИМ- сигнала. Среднее значение напряжения на выходе при этом уменьшается, т.е. U₂ восстанавливается.

Транзисторные и тиристорные инверторы (DC/AC)

Назначение: преобразует напряжение постоянного тока в разнополярное напряжение прямоугольной или синусоидальной формы заданной или регулируемой частоты.

Для построения схемы инвертора напряжения воспользуемся принципом дуальности. Инвертор является устройством, противоположным выпрямителю, т.к. он преобразует напряжение постоянного тока в разнополярное напряжение прямоугольной или синусоидальной формы.

Поменяем местами источник с нагрузкой в схеме выпрямителя и получим схему инвертора напряжения (Рис.26)

Рис.27а. Тиристорный инвертор

 

Рис.27б. Схема тиристорного инвертора

В этой схеме тиристоры работают попарно под действием устройства управления. Устройство управления формируют две последовательности импульсов, фазовый сдвиг между которыми составляет 180°. Импульсы служат для включения тиристоров. При попарном отпирании тиристоров со сдвигом 180° ток протекает по первичной обмотке трансформатора в разных направлениях и на вторичной обмотке индуктируется ЭДС разной полярности прямоугольной формы. Коммутирующий конденсатор Ск предназначен для выключения тиристоров. При смене пары тиристоров происходит перезаряд конденсатора Ск для выключения следующей пары тиристоров

В/50Гц

 

Рис.30.Структурная схема выпрямителя серии ВБВ.

1. ФРП - фильтр радиопомех

2. СВ - сетевой выпрямитель

3. СФ - сетевой фильтр

4. П - преобразователь

5. ВФ - высокочастотный фильтр

6. ПФН - помехоподавляющий фильтр нагрузки

7. Тр - трансформатор

8. ПУ - плата управления

9. УМ - усилитель мощности

Преобразователь постоянного напряжения (П) преобразует выпрямленное напряжение сети в импульсное напряжение высокой частоты. Импульсы для управления силовыми транзисторами преобразователя, поступают от схемы управления (ПУ) через усилитель мощности (УМ). Высокочастотный фильтр (ВФ), состоящий из дросселя и конденсаторов, преобразует импульсное напряжение высокой частоты в постоянное напряжение 60,48,24В нагрузки и через помехоподавляющий фильтр поступает на выход выпрямителя.

Усилитель  мощности преобразует импульсы управления, поступающие со схемы управления в две группы импульсов, необходимых для управления силовыми транзисторами.

Схема управления обеспечивает:

1.  малые габариты устройства;

2.  стабилизацию и регулировку выходного напряжения методом широтно-импульсной модуляции;

3. ограничение тока нагрузки;

4.  защиту транзисторов преобразователя от перегрузок по току;

5.  задержку включения и плавный запуск ВБВ;

6.  выключение ВБВ при, изменении напряжения сети больше допустимых пределов;

7.  защиту от повышения напряжения на выходе ВБВ;

8.  световую и дистанционную сигнализацию;

9.  перевод ВБВ в режим заряда аккумуляторной батареи;

10.  деление токов нагрузки между выпрямителями, включенными параллельно;

11.  возможность изменения выходного напряжения при подаче внешних сигналов на входной разъем.

 

Конструкция

Основные элементы выпрямителя расположены на печатных платах и радиаторе, которые крепятся к обечайке.

На переднюю панель блока выведены световые индикаторы, индикатор напряжения и тока, входной автомат, регулировка напряжения

Для контроля напряжения и тока в ВБВ установлена плата индикатора. Индикатор обеспечивает измерение тока и напряжения с точностью ±2%.

Назначение

Выпрямители с бестрансформаторным входом ВБВ 60/8-2, ВБВ 48/10-2 и ВБВ 24/20-2 предназначены для электропитания аппаратуры связи и других потребителей постоянным током напряжения 60, 48 и 24 В.

Выпрямители должны эксплуатироваться в закрытых отапливаемых и вентилируемых помещениях с температурой окружающей среды от +5 до +40° С и относительной влажности воздуха до 80% при температуре +25° С при отсутствии в окружающем воздухе вредных примесей, вызы­вающих коррозию.

Технические данные

2.1. Основные технические данные выпрямителей представлены в табл. I

                                                                                             Таблица I

Основные параметры	ВБВ 60/8-2	ВБВ 48/10-2	ВБВ 24/20-2
1. Напряжение питающей сети, В	220±44	220 ± 44	220±44
2. Частота питающей сети, ГЦ	50±2.5	50 ± 2,5	50±2.5
3. Номинальное выходное напряжение, В	60	48	24
4. Диапазон регулирования выходного напряжения, В	54 ÷ 72**	43 ÷ 56**	21,5 ÷ 28**
5. max выходной ток	8 Х	10 Х	20 Х
6. max выходная мощность, Вт		550
7. Стабилизация выходного напряжения, %  а) при изменении выходного  тока от 0 до 1 max  б) при изменении выходного  тока от 0,1 1 max до 1 max	2     1	2     1	2     1
8. Пульсация выходного напряжения, mV, не более а) в диапазоне частот до 300 Гц б) в диапазоне частот от 300 Гц до 150 кГц в) псофометрическая	50   7 2	50   7 2	50   7 2
9. Коэффициент полезного действия, не менее	0.82	0,82	0.82
10. Коэффициент мощности, не менее		0,72
11. Масса, кг, не более		7,5
12. Габаритные размеры, мм, не более		270x135x408

 

выходной ток определяется из max выходной мощности (задается настройкой уровня ограничения тока электрической схемы выпрямителя). Устанавливается потребителем регулятором через отверстие в лицевой панели.

Принцип действия

Работа ИБП простой конструкции следующая. Если входной ток является переменным, как в большинстве бытовых приборах, то сначала происходит преобразование напряжения в постоянное. Некоторые конструкции блоков имеют переключатели, удваивающие напряжение. Это делается для того, чтобы подключаться к сети с разным номиналом напряжения, например, 115 и 230 вольт.

Выпрямитель выравнивает переменное напряжение и на выходе отдает постоянный ток, который поступает в фильтр конденсаторов. Ток от выпрямителя выходит в виде малых импульсов высокой частоты. Сигналы обладают высокой энергией, за счет которой снижается коэффициент мощности трансформатора импульсов. Благодаря этому габариты импульсного блока небольшие.

Рис.31 Схема сборки импульсного блока питания

Чтобы скорректировать уменьшение мощности в новых блоках питания применяют схему, в которой ток на входе получается в виде синуса. По такой схеме смонтированы блоки в компьютерах, видеокамерах и других устройствах. Импульсный блок работает от постоянного напряжения, проходящего через блок, не изменяясь. Такой блок называют обратноходовым. Если он служит для 115 В, для работы на постоянном напряжении необходимо уже 163 вольта, это рассчитывается как (115 × √2).

Для выпрямителя такая схема вредна, так как половина диодов не используется в работе, это вызывает перегрев рабочей части выпрямителя. Долговечность в этом случае снижается.

После выпрямления напряжения сети в действие вступает инвертор, который преобразовывает ток. Пройдя через коммутатор, имеющий большую энергию выхода, из постоянного получается переменный ток. С обмоткой трансформатора в несколько десятков витков и частотой сотни герц блок питания работает в качестве усилителя низкой частоты, она получается больше 20 кГц, она не доступна слуху человека. Коммутатор изготовлен на транзисторах с многоступенчатым сигналом. Такие транзисторы имеют низкое сопротивление, высокую возможность прохода токов.

 

Рис.32. Схема работы ИБП

В сетевых блоках вход и выход изолируют между собой, в импульсных блоках ток применяется для первичной обмотки высокой частоты. На вторичной обмотке трансформатор создает нужное напряжение.

Для напряжения выхода более 10 В применяют кремниевые диоды. На низких напряжениях ставят диоды Шоттки, которые имеют достоинства:

Быстрое восстановление, что дает возможность иметь малые потери.

Малое падение напряжения. Для снижения напряжения выхода применяют транзистор, в нем выпрямляется основная часть напряжения.

Далее напряжение сглаживается фильтром, в него входят конденсатор, дроссель. Для частот коммутации выше требуются составляющие с малой индуктивностью и емкостью.

Рис.33.Схема импульсного блока минимального размера

Глава 7. Аккумуляторы

Аккумулятором называется электрохимический источник постоянного тока, накапливающий энергию во время заряда и отдающий энергию во время разряда.

Подразделяются на аккумуляторы свинцово-кислотные, щелочные и газовые.

Свинцово-кислотные аккумуляторы являются наиболее распространенными среди всех существующих в настоящее время химических источников тока. Их масштабное производство определяется как относительно низкой ценой, обусловленной сравнительной не дефицитностью исходных материалов, так и разработкой разных вариантов этих аккумуляторов, отвечающих требованиям широкого круга потребителей.

 

7.1.Свинцово-кислотные аккумуляторы.

Состоят из кислотоупорного бака, в котором находится комплект положительных и отрицательных пластин. Количество отрицательных пластин больше положительных на 1, т.к. положительная пластина находится между двумя отрицательными. Активным веществом положительных пластин служит двуокись свинца, а отрицательных пластин -губчатый свинец. Для исключения короткого замыкания пластины изолированы сепараторами- разделителями из мипоры, стекловойлока. В качестве токопроводящей среды обычно применяются водные растворы кислот, называемые электролитом. Пластины залиты электролитом из разведенной дистиллированной водой раствора серной кислоты. Исходя из бака аккумуляторы бывают открытые, закрытые негерметично (ЗНА) и герметизированные. К открытому типу относятся стационарные аккумуляторы С, СК. К закрытому негерметично относятся стационарные аккумуляторы СН и заграничных фирм («Coslight», «Tudor», «Oldam Frans» и др.). Герметизированные аккумуляторы закупаются за рубежом у французской фирмы «Oldam Frans», у немецкой фирмы «Varta», у китайской фирмы «Coslight» и т.д.

Электрохимическая реакция

Протекает в аккумуляторе при подключении постоянного тока от зарядного устройства:

2PbSO4 + 2H2O → PbO2 + Pb + 2H2SO4 (заряд)

При подключении нагрузки происходит разряд

PbO2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O (разряд)

По нагрузке протекает постоянный ток.

При заряде свинцово-кислотного аккумулятора, как и в других аккумуляторах с водным электролитом, имеют место побочные реакции выделения газов. Выделение водорода начинается при полном заряде отрицательного электрода. Кислород начинает выделяться гораздо раньше: в обычных условиях заряда при 50-80% заряженности (в зависимости от тока заряда), а при температуре 0 °С уже после заряда на 30-40 %. Вследствие этого отдача положительного электрода по емкости составляет 85-90 %. Для получения полной разрядной емкости при заряде аккумулятору должен быть обеспечен перезаряд на 10-20 % выше номинального напряжения аккумулятора. Этот перезаряд сопровождается существенным выделением водорода на отрицательном электроде и кислорода - на положительном.

При разряде свинцового аккумулятора на обоих электродах формируется малорастворимый сульфат свинца (двойная сульфатация) и происходит сильное разбавление серной кислоты.

Электрохимическая реакция

В начале заряда батареи щелочных аккумуляторов на каждый аккумулятор подают около 1,55В, затем напряжение постепенно увеличивают и доводят его в конце заряда до 1,75—1,8 в.

Уравнение реакции заряда-разряда железо-никелевого акку­мулятора имеет следующий вид:

2Ni(OH)2 + 2KOH +Fe(OH)2 → 2Ni(OH)3 + 2KOH + Fe (заряд)

2Ni(OH)3 + 2KOH + Fe → 2Ni(OH)2 + 2KOH +Fe(OH)2 (разряд)

Реакции заряда-разряда для кадмиево-никелевого аккумуля­тора выражаются следующим уравнением:

2Ni(OH)2 + 2KOH + Cd(OH)2 → 2Ni(OH)3 + 2KOH + Cd (заряд)

2Ni(OH)3 + 2KOH + Cd → 2Ni(OH)2 + 2KOH + Cd(OH)2 (разряд)

Электрические параметры.

 Qн=22-120 Ач При пониже­нии температуры против нормальной (+25°) ем­кость щелочных аккумуляторов уменьшается на 0.5% на каждый градус понижения температуры.

 Uзар= 1.25-1.3 В - напряжение зарядки одного аккумулятора в буферном режиме при постояной подзарядке.

 Uраз=1-1.1 В конечное напряжение разряда одного аккумулятора

Отдача по энергии составляет 52-55 % по емкости - 66 %.

Большие потери объясняются тем, что щелочной аккумулятор имеет большое внутреннее сопротивление. Повышенное внутреннее сопротивление происходит из-за появления дополнительных осадков - поташа (K2CO3). Эти соединения появляются из-за реакции между щелочью и углекислым газом воздуха.

Саморазряд: протекает интенсивней, чем в кислотном аккумуляторе. Аккумулятор щелочной той же емкости, что и кислотный разряжается в 4 раза быстрее.

Щелочные аккумуляторы имеют следующие пре­имущества перед свинцово-кислотными:

- они обладают большой выносливостью и меха­нической прочностью — не боятся сильных токов разряда, тряски, ударов и даже коротких замы­каний;

- при длительном бездействии несут малые потери на саморазряд и не портятся, имеют большой срок службы;

- при работе выделяют меньшее количество вредных газов и испарений;

- имеют меньший вес, чем свинцово-кислотные;