Современная концепция построения систем электропитания.

Захаров Леонид Федорович, кандидат технических наук

СОВРЕМЕННАЯ КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ.

Современные системы электропитания (СЭП) предназначены для преобразования, регулирования, распределения электроэнергии и обеспечения бесперебойной подачи различных напряжений постоянного и переменного тока, необходимых для нормальной работы аппаратуры связи, радиотехнических устройств, вычислительных комплексов, персональных ЭВМ, аппаратуры защиты и сигнализации.

В состав СЭП могут входить выпрямительные устройства, аккумуляторные батареи, агрегаты бесперебойного питания постоянным и переменным током, преобразователи и стабилизаторы напряжения, коммутационное оборудование и токораспределительные сети, связывающие между собой оборудование электропитания и потребителей электроэнергии.

Система электропитания может быть выполнена по централизованной структуре, децентрализованной и смешанной.

При централизованной структуре источники электропитания сгруппированы в отдельных шкафах или блоках, и питание различных нагрузок осуществляется по одной или нескольким силовым цепям от единой электропитающей установки (ЭПУ).

Достоинством централизованной СЭП является удобство ее обслуживания и эксплуатации. Недостатки: трудность передачи больших токов по проводам, необходимость резервирования блоков, а также трудности миниатюризации источников вторичного питания (ИВЭП), входящих в состав СЭП.

При децентрализованной структуре питание отдельных нагрузок осуществляется по одной или нескольким цепям питания от индивидуальных ЭПУ.

Причем, достижения в области разработки силовых полупроводниковых преобразователей и герметичных аккумуляторов позволяют реализовать децентрализованные системы, ЭПУ которых могут размещаться в одних помещениях (или стойках) с питаемой аппаратурой. Приближение ЭПУ к питаемой аппаратуре позволяет улучшить качество питающего напряжения, сэкономить цветной металл (требуемый для токораспределительной сети), повысить КПД и надежность ЭПУ и уменьшить взаимные влияния между различной питаемой аппаратурой.

Смешанная СЭП содержит как централизованные, так и децентрализованные устройства электропитания. Достоинством смешанной СЭП является возможность при унификации ИВЭП производить требуемые изменения в схеме электропитания с минимальной затратой времени и материальных ресурсов.

Для рационального построения схемы электропитания существенное значение имеет технически и экономически обоснованный выбор числа, мощности и типа ЭПУ, а также числа силовых цепей питания.

Одним из важнейших признаков, характеризующих работу и надежность системы электропитания, является наличие в ее составе аккумуляторной батареи и способ ее эксплуатации. По этому признаку электропитающие установки можно разделить на: буферные (с подключенной к питаемой аппаратуре аккумуляторной батареей АБ), с отделенной от питаемой аппаратуры АБ; двухлучевые (безаккумуляторные) и комбинированные.

Буферные ЭПУ (рис. 1) получили широкое распространение для питания аппаратуры связи.

Рис. 1. Буферная система электропитания.

Достоинством буферной системы электропитания является: обеспечение аппаратуры бесперебойным питанием; обеспечение АБ роли динамического фильтра; возможность повышения мощности системы за счет параллельного включения преобразовательных устройств. ЭПУ с отделенной от питаемой аппаратуры аккумуляторной батареей получили широкое применение в устройствах бесперебойного питания (UPS — Uninterruptible Power Supply) персональных компьютеров (ПК) и вычислительных комплексов. Такие UPS являются единственной защитой компьютера и периферийного оборудования от сетевых помех. В зависимости от принципа действия различают три типа UPS:

1. UPS архитектуры off-line. В сетевом режиме UPS off-line питает ПК через ветвь, содержащую только входной фильтр (рис. 2). Одновременно зарядное устройство UPS подзаряжает аккумуляторные батареи. Если подача электроэнергии прекратилась или напряжение в сети стало ниже некоторой допустимой величины, то UPS включает питание от батареи. Питание ПК и периферийного оборудования обеспечивается напряжением промышленной сети переменного тока. Постоянное напряжение аккумуляторной батареи должно быть преобразовано в переменное со значением, соответствующим номинальному значению напряжения сети. Для этого в UPS используется специальное устройство — инвертор. Среди достоинств UPS off-line стоит отметить простоту схемного решения, дешевизну, минимальные габариты и вес.



Рис.2 Структурная схема UPS типа off-line

2. UPS архитектуры on-line. UPS этого типа еще называют источниками с двойным преобразованием. В них входное переменное напряжение с помощью выпрямителя преобразуется в постоянное и поступает на высокочастотный (ВЧ) преобразователь (рис.3). С выхода ВЧ преобразователя напряжение высокой частоты поступает на инвертор и с него на выход устройства. Необходимость применения ВЧ преобразователя обусловлена тем, что значительные изменения напряжения сети преобразуется в относительно небольшие изменения напряжения частоты ВЧ сигнала на его выходе. Дело в том, что, что электроника ПК более критична к изменению уровня питающего сетевого напряжения, чем к его частоте. Зарядное устройство и аккумулятор подключены непосредственно к выходу UPS. Кроме того, конструкция UPS типа on-line обеспечивает гальваническую развязку между промышленной сетью и блоком питания ПК. Источники бесперебойного питания архитектуры on-line имеют более высокую стоимость и применяются, когда необходима надежная и качественная защита жизненно важного оборудования, часто работающего круглосуточно (серверы сетей, медицинское оборудование, персональные компьютеры, выполняющие особо важны функции и т.п.).



Рис. 3 Структурная схема UPS типа on-line

3. UPS гибридной архитектуры (line interactive). По существу эти UPS являются усовершенствованием UPS типа off-line. У таких источников инвертор непрерывно подключен к выходу, благодаря чему обеспечивается гальваническая развязка. Подобные источники питания в принципе могут использоваться для защиты оборудования обеих выше описанных категорий. Зачастую выбор между UPS типа on-line и line interactive определяется не столько функциональными характеристиками, сколько их ценой.

На базе рассмотренных структурных схем UPS в настоящие время реализуются малогабаритные источники бесперебойного питания с интеллектуальной схемой управления, способные плавно регулировать напряжение на выходе и отлично изолировать нагрузку от шумов, импульсов и искажения синусоиды.

В двухлучевой (безаккумуляторной) системе (рис. 4) электропитание отдельных групп потребителей одного номинала напряжения осуществляется непосредственно от двух независимых сетей переменного тока через выпрямительные (стабилизирующие) устройства.

 

Рис. 4 Двухлучевая (безаккумуляторная) система электропитания

При этом выпрямительные устройства каждого луча загружены не более чем на 50 % их номинальной мощности. И при отключении одного из источников энергии переменного тока питание нагрузки осуществляется от оставшегося луча.

К недостаткам двухлучевой СЭП следует отнести:

• невысокое качество вырабатываемой электроэнергии в переходных режимах работы ЭПУ;
• необходимость в надежном сетевом электроснабжении.

Перспективным направлением в области разработки и создания эффективных систем электропитания являются комбинированные системы, один из вариантов структурной схемы которой представлены на рис. 7.

По данной структуре (рис. 5),например, реализованы установки бесперебойного электропитания (УБП) всемирно известной фирмы BENNING.

Принцип работы системы (рис.5) сводится к следующему.

Переменное напряжение сети подается на фазово-управляемый выпрямитель с вентильным преобразователем. Выпрямитель преобразует напряжение сети в постоянное напряжение, поступающее на инвертор, и одновременно заряжает аккумуляторную батарею.

 

Рис.5.Комбинированная система электропитания

Рабочая IU-характеристика выпрямителя соответствует стандарту DIN 41773.

В инверторе посредством широтно-импульсной модуляции постоянное напряжение преобразуется в переменное напряжение с получением оптимизированной синусоиды. Благодаря высокочастотному преобразованию и оптимальному регулированию в системе электропитания достигается низкое значение коэффициента нелинейных искажений при незначительных затратах на фильтрацию.

Это, в свою очередь, улучшает динамические характеристики системы при изменениях нагрузки.

При перебоях или повреждениях сети включенная на входе по постоянному напряжению батарея автоматически и без задержки принимает на себя электроснабжение инвертора. Степень разряда батареи контролируется. Если разряд батареи превосходит граничное значение, то инвертор автоматически отключается.

Автоматическое переключение потребителя на питание от электросети производит электронное переключающее устройство (EUE) если, например, перегрузка инвертора превосходит допустимое значение.

Электронное переключающее устройство EUE позволяет бесперебойно переключать потребители на прямое питание от сети обводной линии при сохранении допустимых отклонений параметров. Переключение может производиться автоматически при помощи управляющего сигнала или вручную. Каждое бесперебойное переключение, автоматически или вручную, возможно только при условии синхронизации напряжения, частоты и положения по фазе инвертора с параметрами обводной линии. Отклонения частоты сети (за допустимые пределы), вызывает блокировку переключения.

Обратное переключение можно произвести только после устранения неисправности инвертора. Оно происходит в любом случае без перебоя питания потребителя, даже если при проверке переключения имитируется неисправность сети.

Стандартным оснащением УБП является переключаемая вручную сервисная обводная линия для проведения обслуживания и ремонтных работ.

Одной из наиболее сложных задач разработки является выбор (из намеченных вариантов) системы электропитания с лучшими технико-экономическими показателями.

При этом для выбора оптимального варианта системы электропитания необходимо решить три взаимосвязанные технико-экономические задачи:

• определение надежности рассматриваемых вариантов системы электропитания (требования надежности в основном зависят от категории потребителей);
• определение капитальных затрат и годовых эксплуатационных расходов, соответствующих каждому варианту СЭП;
• оценка убытка потребителя от перерывов электропитания в зависимости от надежности питания.

Выражение для приведенных годовых затрат по каждому варианту анализируемых систем может быть представлено в следующем виде:

,

Где: — годовые капитальные затраты i-ого варианта с учетом нормативного коэффициента ; — эксплуатационные расходы i-ого варианта; — убытки потребителя электрической энергии от перерывов электропитания; ; — убыток от самого факта перерыва электропитания; — убыток на единицу длительности перерыва электропитания; — число перерывов электропитания за год; - суммарная продолжительность перерывов электропитания i-ого варианта в течение года. Обычно капитальные затраты и годовые эксплуатационные расходы по сравнению с годовым убытком находятся в обратной зависимости. На рис. 6 приведены кривые зависимости годовых затрат (кривая 1), убытка (кривая 2) и суммарная (+) характеристика (кривая 3), в функции надежности электропитания.

 

Рис.6 Кривые зависимости годовых приведенных затрат , убытка , и () от надежности электропитания Р.

Как следует из рис. 6, с ростом затрат увеличивается надежность СЭП и, следовательно, уменьшается годовой убыток от перерывов в электропитании.

Надежность СЭП зависит от кратности резервирования и может быть определена некоторым количеством параллельно включенных силовых цепей электропитания, ЭПУ, ИВЭП, коммутирующих устройств и т.д.

Для рассматриваемых вариантов систем электропитания (централизованная, децентрализованная и смешанная) схемы замещения для расчетов надежности могут быть представлены в следующем виде (рис.7).

 

Рис 7 а, б, в. Схемы замещения централизованной, децентрализованной, и смешанной СЭП для расчетов надежности.

На схемах (рис 7 а, б, в) обозначено: n число элементов в каждой цепи СЭП; , —вероятности безотказной работы СЭП.

Следует отметить, что при пропадании напряжения в сети СЭП (рис.7 а) может сразу или через некоторое время наступить перерыв в электропитании потребителей, а в СЭП (рис. 7 б) при отсутствии напряжения в одной из сетей оставшаяся в работе ЭПУ может обеспечить (с перегрузкой) питание всех (или части) потребителей.

Общая вероятность безотказной работы системы резервирования будет иметь вид:.

Где: m — число резервных силовых цепей электропитания; р — вероятность надежной работы каждого из n элементов силовой цепи СЭП.

Общая вероятность безотказной работы системы обычно известна при выборе системы электропитания, т.к. является величиной заданной.

Для смешанной СЭП должно выполняться условие: .

Если известна вероятность надежной работы каждого из n элементов силовой цепи СЭП (равная р), то можно найти такое число (m+1) резервных силовых цепей, при которых общая надежность системы электропитания будет не менее заданной величины .

;
;
, так как

Таким образом, можно найти необходимое число (m+1) резервных цепей СЭП при данном числе n-элементов в каждой цепи и известной вероятности надежной работы всех элементов, удовлетворяющих условию: .

Зависимость вероятности безотказной работы резервируемой системы от среднего времени безотказной работы данной системы можно определить по формуле: , где Р(t) — вероятность надежной работы системы в функции времени t.

Современная вычислительная техника и радиоэлектронная аппаратура связи, выполняемые на низковольтных интегральных микросхемах, предъявляют повышенные требования к качеству питающего напряжения. Поэтому, наряду с оценкой количественных показателей оборудования СЭП, необходимо рассматривать работу системы электропитания в статическом и динамическом режимах, т.е. оценивать ее качественные характеристики.

Причем, анализ построения надежных, экономичных и эффективных систем электропитания позволяет сделать вывод, что задачи оптимизации СЭП сводятся к следующему:

• уменьшение до минимума числа этапов преобразования электроэнергии;
• снижение потерь мощности в отдельных узлах и в самой системе, а также в силовой токораспределительной сети;
• использование новых схемотехнических решений и способов преобразования энергии, позволяющих повысить не только энергетические, но и качественные характеристики источников вторичного электропитания, входящих в состав СЭП;
• применение корректоров реактивной мощности;
• рационализация СЭП и токораспределительной сети, ведущая к сокращению материальных и непроизводительных затрат;
• интеграция элементов и узлов СЭП, как основной путь повышения надежности систем электропитания;
• унификация и функционально-модульное проектирование.

При этом перспективным направлением разработки и создания надежных, экономичных систем электропитания являются СЭП, выполненные на базе комбинированных ЭПУ по децентрализованной структуре с интеллектуальным” управлением.