Силовая электроника №1'2004

Источники бесперебойного питания фирмы «Александер Электрик» промышленного и специального назначения

Александр Гончаров
Игорь Твердов


В современных системах связи и автоматики с использованием ПЭВМ, аппаратуры передачи данных, новых средств засекречивания информации и другой электронной аппаратуры из-за нестабильной работы системы электропитания (СЭП) возникает 75% случаев потерь информации, 65% выхода из строя периферийного оборудования, 65% неисправностей в компьютерных системах.


В настоящее время выявлен целый ряд помех из СЭП, приводящих к сбоям и отказам электронной аппаратуры. Это, прежде всего, провалы — переходные процессы изменения переменного напряжения, когда в одном или нескольких полупериодах амплитуда напряжения становится меньше нижнего предельно допустимого значения. Исследования, проведенные журналом Bell Jabs, показали, что на провалы приходится 87% всех перебоев электропитания. Провалы в СЭП возникают по нескольким причинам. Провалы напряжения практически до нуля могут длиться до 0,5 с при сгорании плавких предохранителей или отключении сетевых автоматов. При включении мощных асинхронных электродвигателей, пусковой ток которых существенно превышает ток установившегося режима, возникают провалы длительностью 150–500 мс, причем глубина провала определяется внутреннем сопротивлением источников СЭП и может достигать 50%. При грозах напряжение линии может снижаться до 30% номинального значения в течение 0,15–0,2 с. Провалы напряжения оказывают значительное влияние на функционирование электронной аппаратуры средств автоматизации. Аппаратура связи, вычислительных комплексов обычно переходит в режим самоконтроля, что приводит к перерыву связи, стиранию информации, срабатыванию защит и звуковой сигнализации. Для восстановления рабочего режима требуется вмешательство оператора для повторного включения, для перезапуска вычислительного комплекса, введения паролей и юстировки топографических карт и т. д.

Примерно 7,4% перебоев электропитания составляют импульсные возмущения напряжения. Кратковременные импульсные помехи в СЭП появляются при включении или выключении (сбросах и набросах) активных и реактивных нагрузок, от наводок электромагнитных полей, из-за влияния грозовых разрядов и т. д. Зафиксированные потоки импульсов представляют собой одиночные или пачки импульсов. Наличие нескольких импульсов наиболее часто является следствием дребезга контакторов реле. Все параметры импульсов: амплитуда, длительность, интервалы являются случайными величинами. Количество импульсов обоих полярностей примерно одинаково. Амплитуда импульсовдостигает значений 1–1,5 кВ, а длительность — от десятков наносекуд до единиц микросекунд. Требуемые нормативнотехническими документами нормы качества электрической энергии переменного тока допускают наличие в сети импульсов напряжения с амплитудой 1000 В и длительностью до 10 мкс (ГОСТ В 20.39.308, ОСТ В 4.310 001). Недостаточное внимание разработчиков к импульсным помехам в СЭП приводит к резкому снижению надежности электронной аппаратуры и является причиной сбоев в ее работе. При попадании на вход импульсной помехи с амплитудой 1 кВ вторичный источник питания (ИВЭП) используется как очень дорогой предохранитель, на который падает 65% отказов электронной аппаратуры.

Пропадание напряжения сети составляет 4,7% от всех перебоев напряжения. По этой причине потери компьютерных данных составляют 45,3%. Из-за отключения сети, если не принять специальных мер по защите информации от разрушения, становится невозможной работа аппаратуры дальней телефонной связи, АТС, радиорелейной, космической, тропосферной связи и другой электронной аппаратуры.

Среди всех перебоев напряжения выбросы составляют 0,7%. Эти изменения напряжения обычно не вызывают вывода из строя полупроводниковых элементов вторичных источников питания  и электронной аппаратуры, однако увеличивается динамическая нестабильность и пульсация на выходе выпрямительных устройств, что вызывает ухудшение показателей аппаратуры.

В настоящее время, чтобы защитить электронную аппаратуру от помех из СЭП, применяют целый ряд технических решений: сетевые фильтры, кондиционеры питания, источники бесперебойного питания. В мировой практике считается недопустимым использование сети для непосредственного питания вычислительной техники, средств связи и автоматики. Такой режим допускается только как аварийный. Сетевые фильтры предназначены для защиты электронной аппаратуры от импульсных помех. Кондиционеры питания защищают аппаратуру от импульсных помех, провалов и выбросов напряжения любой длительности и амплитуды до ±25%. Защиту электронной аппаратуры от всех проблем электропитания, включая полное пропадание напряжения, обеспечивают бесперебойные источники питания (ИБП). В большинстве аппаратных дальней связи, АТС, в радиорелейной, космической и тропосферной связи применяются бесперебойные источники питания с выходом на постоянном токе. До недавнего времени в этих аппаратных в основном использовались бесперебойные источники питания, которые созданы самими производителями систем связи. Бесперебойные источники питания разрабатывались под конкретную аппаратуру связи, проектировались на их базовых конструкциях и затем выпускались радиозаводами. Уровень разработок бесперебойных источников питания на различных предприятиях отличался по надежности в 2–3 раза, а массе и габаритам — свыше 5 раз, и значительно отставал от уровня разработок бесперебойных источников питания на специализированных предприятиях за рубежом.

В настоящее время отечественной специализированной компанией «Александер Электрик» по источникам питания для средств связи, а также для систем пожарной и охранной сигнализации, видеонаблюдения и прочее разработан унифицированный ряд бесперебойных источников питания постоянного тока в широком диапазоне мощностей (150, 300 и 600 Вт), выходных напряжений (12, 24, 48 и 60 В) и времени работы от аккумуляторной батареи (1 и 5 часов). Питание этих источников питания осуществляется от однофазной сети переменного тока напряжением  с частотами 50 Гц и 400 Гц,  с частотой 400 Гц. Качество входной электроэнергии — в соответствии с требованиями ГОСТ В 24425-90 для группы Г. Бесперебойные источники питания имеет защиту от короткого замыкания и перегрузки по выходному току с автоматическим возвратом в рабочий режим при снятии короткого замыкания или перегрузки и удовлетворяет требованиям ГОСТ 26830-86. Бесперебойные источники питания рассчитаны на непрерывный круглосуточный режим работы. Основные электрические и эксплуатационные характеристики бесперебойных источников питания приведены в таблице 1.

При пропадании сети АКБ обеспечивает номинальную мощность на выходе бесперебойного источника питания в течение часа при температуре от 0 до 40 °С. При отрицательных температурах (до –40 °С) время работы АКБ уменьшается в соответствии с температурным коэффициентом на батарею Z = 0,01(°С)–1.

В состав бесперебойного источника питания входят: корректор коэффициента мощности, фильтр радиопомех и ограничитель импульсных перенапряжений сети, модуль питания ас/dc, аккумуляторная батарея, плата управления и индикации, плата коммутации (рис. 1).

Рис. 1.

Основные узлы бесперебойного источника питания — импульсный модуль питания ас/dc с бестрансформаторным входом и герметичная аккумуляторная батарея.

Модуль питания преобразует переменное напряжение в постоянное, обеспечивает его фильтрацию, стабилизацию и защиту от превышения выходного напряжения. При перегрузке модуль питания переходит в режим ограничения тока.

Аккумуляторная батарея постоянно находится в буферном режиме при наличии напряжения сети и питает нагрузку при пропадании сети.

Серийный модуль питания АЭИЭП, имеющий высокую точность стабилизации — 2% и низкий уровень пульсаций — 1%, а также устройства, ограничивающие ток заряда и препятствующие глубокому разряду, позволяют исключить негативные факторы, уменьшающие срок службы АКБ. Зарядные характеристики АКБ при постоянном напряжении (2,27 В на элемент при температуре 20–25 °С) и при ограничении тока на уровне 0,25 СA показаны на рис. 2. Там же (закрашенный сектор) показано изменение тока заряда при отсутствии устройства ограничителя тока заряда. В момент t1 устройство ограничителя тока отключается.

Рис. 2. Характеристики заряда при постоянном напряжении (2.3 В/элемент, 25 °С)
Рис. 2. Характеристики заряда при постоянном напряжении (2.3 В/элемент, 25 °С)

Высокий начальный зарядный ток вызывает появление избыточного тепла, что приводит к деформации корпуса АКБ. Если предполагается использование бесперебойного источника питания при температурах выше +30 или ниже +10 °С, то сигнал с датчика температуры на боковой поверхности АКБ изменяет выходное напряжение модуля питания в соответствии с коэффициентом температурной компенсации ±3 мВ/элемент 1 °С.

Корректор коэффициента мощности обеспечивает близкую к синусоидальной форму тока потребляемого модулем питания. Без корректора модуль питания потребляет от сети импульсный ток длительностью всего 0,25–0,3 полупериода при соответствующем увеличении его амплитуды (рис. 3).

Рис. 3. Форма тока потребляемого модулем питания из сети с корректором и без корректора
Рис. 3. Форма тока потребляемого модулем питания из сети с корректором и без корректора

Корректор уменьшает амплитуду тока более чем в 2 раза при соответствующем уменьшении паузы между импульсами тока [1].

Узел фильтра радиопомех и ограничителя импульсных перенапряжений в сети подавляет импульсные выбросы в сети до 1000 В и длительностью до 10 мкс, а также является фильтром радиопомех в диапазоне частот 0,1–30 мГц [2]. Результаты измерений вносимого затухания К дБ в диапазоне частот 0,1–30 мГц приведены на рис. 4 для фильтров МРR2 на ток 3 А (кривая 1) и MPR2 на ток 7,5 А (кривая 2). Как видно на рис. 4, коэффициент подавления помех, начиная с частоты 150 кГц, превышает 30 дБ, а в диапазоне частот 0,3–30 мГц составляет 45–70 дБ.  

Рис. 4. Частотные характеристики
Рис. 4. Частотные характеристики коэффициента подавления для: 1 - MPR2 на ток 3 А; 2 - MPR2 на ток 7.5 А

В этом узле одновременно с фильтром радиопомех размещены варисторы для защиты аппаратуры от выбросов напряжения в питающих цепях. Для каждого из номиналов входного напряжения 115 или 220 В был выбран варистор класса С, обеспечивающий наименьшее пропускаемое напряжение на выходных контактах узла при воздействии импульса.

Основными параметрами выбранных варисторов являются: импульсный ток, выдерживаемый ограничителем и напряжение на клеммах ограничителя. Максимальный импульсный ток (Im), который пропускают варисторы, установленные в фильтрах на 3 и 7,5 А, составляют 8 и 25 кА (для импульса длительностью 26 мкс и фронтом 6,4 мкс по МЭК 1051-1). Напряжение на контактах варистора при прохождении тока 0,01Im составляет 270 и 470 В для входного напряжения 115 и 220 В соответственно.

Плата управления к индикации обеспечивает световую индикацию наличия сети выходного напряжения и тока, световую и звуковую индикацию аварийных режимов, связь с компьютером по интерфейсу RS-232 (протокол USART), дистанционную сигнализацию о перезаряде и разряде АКБ, об отсутствии сети, о превышении температуры АКБ.

Плата коммутации ограничивает ток заряда АКБ, подключает АКБ в буферный режим, отключает АКБ при глубоком разряде, обеспечивает защиту бесперебойного источника питания от перегрузки и короткого замыкания с последующим автоматическим восстановлением работоспособности в течение 1 минуты после снятия К.З.

Плюсовой потенциал выхода бесперебойного источника питания разделен на четыре канала, каждый из которых имеет индивидуальную защиту многоразовым предохранителем. Минусовой потенциал является общим для всех каналов. Как плюс, так и минус не соединены с корпусом бесперебойного источника питания.

Бесперебойные источники питания сохраняют стойкость и работоспособность при воздействии внешних факторов (ВВФ) в соответствии с таблицей 2.

Таблица 2

Литература

  1. И. Твердов, А. Гончаров, И. Лукьянов. Выбор корректоров коэффициента мощности для источников питания с бестрансформаторным входом // Электрическое питание. 2004. №2.
  2. И. Твердов, А. Гончаров, И. Плоткин. Новые модули фильтрации радиопомех и защиты от перенапряжений группы компаний «Александер Электрик» // CHIP NEWS. 2004. №3.
  3. Руководство по эксплуатации. Источник бесперебойного питания серии ИБП БКЮС.434732.501РЭ.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2004_01_55.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо