687_Sazhnev_A.M._Sistemy_ehlektropitanija_

обеспечения совместной работы всех агрегатов комбинированной энергоустановки, а также решения задач диагностики и контроля.

Рисунок 1.27 Функциональная схема гибридной энергетической установки

Наиболее распространенная функциональная схема комбинированной энергоустановки, выполненная по принципу последовательного соединения агрегатов (рис. 1.27), работает следующим образом: генератор, механически связанный с двигательной установкой в виде ДВС или газовой турбины, питает электродвигатель, приводящий в движение транспортное средство. Поскольку мощность двигательной установки выбирается из расчета обеспечения режима движения с постоянной скоростью, в режиме трогания и разгона электродвигатель питается также от системы накопления энергии, выполненной на базе суперконденсаторов. Первоначально система накопления энергии питается от генератора, а далее после обеспечения совместно с генератором разгона транспортного средства, заряжается в процессе торможения от электромотора, работающего в режиме генератора.

Система накопления энергии состоит из батареи суперконденсаторов, устройств их заряда и разряда, выпрямителя переменного тока и преобразователя постоянного тока в переменный, а также системы управления, диагностики и контроля. Функциональная схема системы накопления энергии приведена на рис. 1.28.

Выпрямитель переменного тока (AC-DC) и преобразователь постоянного тока в переменный (DC-AC) служат для обеспечения рабочего режима функционирования батареи суперконденсаторов в системах переменного тока. Особенностью работы этих устройств является широкий диапазон напряжений и частот используемого переменного тока. Устройство заряда служит для обеспечения накопления энергии в батарее суперконденсаторов в условиях

41

Рисунок 1.28 Функциональная схема системы накопления энергии на базе суперконденсаторов

непрерывно понижающегося напряжения источника заряда, что характерно для осуществления рекуперации энергии в режиме торможения транспортного средства. Устройство разряда служит для оптимизации процесса отдачи энергии при разряде батареи суперконденсаторов путем согласования нестационарных нагрузок. Система управления диагностики и контроля обеспечивает функционирование системы накопления энергии в автоматическом режиме на основе оперативного анализа информации о текущих значениях параметров устройств системы накопления энергии путем формирования управляющих воздействий по заданным алгоритмам.

1.5Применение полупроводниковых преобразователей

Обобщенная схема ВОСП показана на рис. 1.29.

Рисунок 1.29 Принцип организации волоконно-оптической системы передачи

На передающей станции А первичные сигналы в электрической форме поступают на каналообразующее оборудование (КОО), с выхода которого групповой сигнал подается в оборудование сопряжения (ОС). В ОС

42

электрический сигнал преобразуется в форму, целесообразную для передачи по волоконно-оптическому линейному тракту (ОЛТ). Оптический передатчик (ОПер) преобразует электрический сигнал с помощью модуляции оптической несущей в оптический сигнал. При распространении последнего по оптическому волокну (ОВ) происходят его ослабление и искажение. Для увеличения дальности связи через определенное расстояние, называемое участком ретрансляции, устанавливаются промежуточные обслуживаемые и необслуживаемые станции (оптические ретрансляторы – ОР), где осуществляются коррекция искажений и компенсация затухания.

Питание ВОСП большой протяжённости осуществляется по встроенным в магистральный кабель медным жилам. Такое построение питания необслуживаемых регенераторов является оптимальным в том случае, когда первичные узлы их преобразователей, питающих электронную аппаратуру, включены последовательно в питающую цепь магистрального кабеля (МК). При этом мощность, потребляемая конкретным регенератором, равна:

где: U – падение напряжения первичного узла преобразователя питания регенератора, I – ток, протекающий в цепи питания ВОСП.

Общая мощность, необходимая для питания волоконно оптической линии связи, складывается из суммарной мощности, потребляемой регенераторами, расположенными на магистрали и мощности потерь, пропорциональной току в линии и сопротивлению медных жил МК. В некоторых случаях общая мощность может достигать нескольких десятков киловатт поскольку для снижения затрат на МК стремятся использовать кабель с минимально возможным сечением токопроводящих жил [23].

Для снижения потерь мощности возникает необходимость повышения напряжения на входных клеммах питания ВОСП, которое может достигать 8…10 кВ. Для упрощения структуры преобразователей регенераторов стабилизируется ток в линии питания. Для обеспечения нормального функционирования источника электропитания (ИП) в различных режимах работы ВОСП, а также при изменении её протяжённости, ИП должен иметь широкий диапазон стабилизации задаваемых тока и напряжения. Стабилизация тока необходима для снижения ударных нагрузок на аппаратуру оконечных станций и регенераторов, которые возникают при аварийных режимах (коротких замыканиях). Для уменьшения вероятности пробоя изоляции и выхода из строя аппаратуры ВОСП, магистральный ИП должен ограничивать выходное напряжение до максимальной расчётной величины при возникновении любых аварийных режимов.

Необходимым требованием к аппаратуре питания ВОСП также является обеспечение пониженных пульсаций выходного напряжения, особенно в диапазоне частот свыше 10 кГц, для уменьшения вероятности появления сбоев в цифровой аппаратуре ВОСП, а также для снижения излучения МК.

Таким образом, к источнику питания ВОСП большой протяжённости предъявляются следующие требования:

43

прямоугольная характеристика регулирования выходных параметров, т.е. стабилизация тока и напряжения, кроме того широкий диапазон значений выходных параметров;

низкий уровень пульсаций выходного напряжения;

возможность увеличивать выходное напряжение путём последовательного соединения двух и более модулей питания (МП), т.е. выходы МП должны иметь гальваническую развязку выход корпус, позволяющую поднимать общее выходное напряжение до 10 кВ;

защита от коротких замыканий и обрывов в цепи нагрузки;

коэффициент полезного действия не менее 90%;

высокая надёжность, т.е. функционировать в течение 10…20 лет без ремонта.

Существуют три основные схемы преобразователей напряжения: классический с широтноимпульсным способом регулирования и жёстким переключением транзисторов, квазирезонансный с фазовым управлением и резонансный с частотным регулированием [24]. Классический преобразователь с широтноимпульсным способом регулирования напряжения является наиболее простым, но наименее эффективным [25] из-за жёсткого режима переключения транзисторов. Так как элементы схемы преобразователя имеют паразитные параметры (индуктивность рассеяния трансформатора и монтажа, выходная ёмкость транзисторов и т.п.), то импульсы напряжения сопровождаются выбросами. Следовательно, требуется установка гасящих (снабберных) цепей, что приводит к дополнительным потерям энергии. Использование квазирезонансного преобразователя с коммутацией при нулевом напряжении (ZVS) или резонансного направлено на уменьшение коммутационных потерь. Это достигается за счёт того, что момент коммутации ключевого транзистора наступает при нулевом напряжении, а в резонансном – при нулевом токе или напряжении в зависимости от того, какой резонансный контур используется – последовательный или параллельный. Принципиальное отличие состоит в том, что в квазирезонансном контуре, в отличие от резонансного, контур, формирующий траекторию переключения транзисторов, напрямую не участвует в процессе передачи энергии в нагрузку.

Квазирезонансный преобразователь, начиная с некоторого минимального значения тока нагрузки, переходит в режим жёсткого переключения, и его КПД резко снижается. В резонансном преобразователе режим «мягкого» переключения сохраняется даже на холостом ходу, но при уменьшении нагрузки также имеет место снижение его КПД. По величине потерь оба варианта почти эквивалентны. Однако, по надёжности, управляемости, простоте реализации и уровню электромагнитных помех резонансный преобразователь оказывается значительно эффективнее, чем с коммутацией ZVS. Оба метода позволяют снизить потери в ключах по сравнению с классическим широтноимпульсным способом регулирования примерно на порядок. Для реализации рассмотренных преобразователей производятся

44

стандартные контроллеры, обеспечивающие все необходимые функции управления.

Вышеперечисленные преобразователи из-за ряда своих недостатков не нашли прямого применения в ИП ВОСП. Для питания ВОСП специально разработаны ИП, удовлетворяющие поставленным требованиям. В качестве примера на рис.1.30 приведена функциональная схема ИП ВОСП. Отличительной особенностью представленной схемы является сочетание двух схем: регулятора напряжения с шипротноимпульсной модуляцией (ШИМ) и резонансного преобразователя напряжения.

Рисунок 1.30 Функциональная схема ИП ВОЛС

Регулятор с ШИМ построен по схеме, в которой резко снижены коммутационные потери при включении транзистора VT1 за счёт задержки времени нарастания тока после его включения [26]. Если в качестве диодов VD1 и VD2 используются SiC-диоды Шоттки, то потери дополнительно снижаются, т.к. эти диоды имеют почти нулевое время восстановления закрытого состояния при низкой паразитной ёмкости [27]. Нагрузкой ШИМрегулятора является резонансный преобразователь. Основной особенностью ИП рис. 1.30 является возможность его работы в широком диапазоне регулирования тока и напряжения нагрузки. Резонансный преобразователь работает на одной частоте последовательного резонансного контура L3C3 и синхронизирован с ШИМрегулятором. Применение резонансного преобразователя во второй ступени регулирования, наряду со снижением паразитных потерь и высокочастотных помех, позволяет снизить требования к индуктивности рассеяния выходного трансформатора и даёт возможность увеличить толщину изоляции между первичной и вторичной обмотками. Увеличение толщины изоляции необходимо для выполнения требования обеспечения высоковольтной гальванической развязки между выходными клеммами и корпусом ИП. При установке на выходе выпрямителя ИП дополнительного фильтра имеется возможность снижения высокочастотных

45

пульсаций выходного напряжения до нескольких милливольт при выходном напряжении порядка 1000…1500 В.

В соответствии с приведённой схемой разработан источник питания СП2000 с характеристиками:

максимальная выходная мощность 2000 Вт;

стабилизация напряжения 100...1500 В или тока 0,1...1,4 А;

частота преобразования – 100 кГц;

управление – с лицевой панели и дистанционно по линии RS-232, RS-422 или RS-485;

КПД – 93%;

уровень пульсаций менее 0,1% от Uвых;

диапазон рабочих температур –40…70°С;

габариты (Ш × В × Г) – 153 × 337 × 442 мм;

питание от трёхфазной сети 220/380 В.

Источник питания СП-2000 может управляться как с лицевой панели, так и дистанционно, от управляющей ЭВМ. Основные элементы управления с лицевой панели [28]:

алфавитно-цифровой дисплей, позволяющий отображать состояние источника питания, его установки и текущее значение выходного тока и напряжения;

клавиша включения/выключения;

клавиша выбора режима управления ручной/дистанционный;

кнопки установки выходного напряжения и тока в ручном режиме;

индикаторы наличия фаз сети.

При дистанционном управлении до десяти источников могут группироваться в компактный силовой модуль (СМ). Для обмена данными в СМ используется последовательная линия RS-232 с уровнем сигнала 0..3,3 В.

На рис. 1.31 показана функциональная схема включения СП-2000 при дистанционном управлении.

Рисунок 1.31 Функциональная схемавключения СП-2000 при дистанционном управлении

46

Для сопряжения СМ с управляющим компьютером могут быть использованы разные типы контроллеров, поддерживающих следующие аппаратные протоколы:

USB с длиной кабеля между контроллером ветви и компьютером до 2 м;

RS-232 с длиной линии до 100 м;

RS-422 или RS-485 с длиной линии до 2 км;

Ethernet, имеющий две версии: контроллер версии А, требующий включения в локальный сегмент сети, и контроллер версии Б, при котором общая длина линии не ограничена, как и топология сети.

При использовании протоколов семейства RS имеется возможность включить оптическую развязку с напряжением изоляции до 2 кВ в линию связи

скомпьютером. Дополнительно для обеспечения безопасной работы СП-2000 при использовании параллельно-последовательного включения может быть реализована линия аппаратного управления напряжением и током.

2 Системы электропитания ВОСП

2.1Системы электропитания наземных ВОСП

Всовременных системах бесперебойного электропитания наземных ВОСП наибольшее распространение получила буферная система, так как используются возможности аккумуляторной батареи (АБ) для повышения фильтрации выходного напряжения и устойчивости работы электропитающей установки (ЭПУ). Обобщённая структурная схема системы электропитания (СЭП) представлена на рис. 2.1, где N – число параллельно работающих выпрямительных устройств (ВУ), РУ – распределительный узел цепи постоянного тока, ТРС – токораспределительная сеть.

Рисунок 2.1 – Структурная схема системы электропитания

47

Для выбора типового промышленного оборудования СЭП проводится расчет основных параметров схемы рис. 2.1 по следующему алгоритму:

а) Рассчитывается число элементов АБ

где номинальное напряжение на элементе принимается равным Uэл.ном= 2В. Потери напряжения на участке от выводов ЭПУ до стоек аппаратуры

связи, включая потери в устройствах защиты и коммутации не должны превышать 4% от номинального значения выходного напряжения. Поэтому,

потери в электрической сети равны UТРС 0,04 UНОМ . Число NЭЛ округляется до целого в большую сторону [29].

б) Проверяется минимально допустимый уровень напряжения при разряде АБ с учётом минимального уровня напряжения на одном элементе, которое определяется по графикам рис. 2.2.

Рисунок 2.2 Конечное напряжение в зависимости от температуры

Установившееся отклонение напряжения на выходных выводах ЭПУ постоянного тока цепей питания аппаратуры связи с номинальным о напряжением 24 В должно быть не более +4/-3,6 В, с номинальным напряжением 48 В - не более +9/-7,5 В. При расчётах учитывается нижняя

граница отклонения напряжения UУ . Если условие не выполняется, то необходимо добавить один элемент в ряду.

48

в) Находится необходимая ёмкость АБ в ампер-часах, приведенная к условному 10 - часовому режиму разряда и температуре среды 20оС:

где ток разряда равен сумме тока основной нагрузки (I2) и тока аварийной сигнализации (I3): Iр = I2 + I3 .

г) По таблице А1 выбирается соответствующий 10-часовому режиму разряда аккумулятор по ближайшему большему значению номинальной

емкости С10 С10' и номинальному напряжению (UНОМ ). Последовательно включаются элементы (UЭЛ =2 В) и блоки (UЭЛ = 6 В или UЭЛ =12 В) только одинакового типа и ёмкости.

д) Находится суммарный максимальный ток, потребляемый от ВУ:

где IЗАР = 0,25 С10 ток заряда АБ в послеаварийном режиме.

д) Из таблицы А2 по току I и номинальному выходному напряжению выбирается типовой ВУ, состоящий из выпрямительных модулей (n), работающих параллельно. Количество модулей может меняться по требованию заказчика. В каждом типовом выпрямителе должен быть ещё и один резервный модуль (n+1). Если один типовой ВУ не обеспечивает ток I , то можно включать параллельно несколько ВУ (N - штук). Методом перебора выбирается оптимальное решение по заполнению ВУ модулями и количество ВУ. Номинальный ток одного ВУ определяется из неравенства:

напряжения. Кроме того, следует учитывать диапазон регулировки выходного напряжения для заряда АБ в режиме “плавающего заряда”. Для этого по графику рис. 2.3 определяется напряжение “плавающего заряда” Uпл з в зависимости от рабочей температуры tср.

Далее рассчитывается напряжение содержания

49

которое не должно выходить за пределы регулировки напряжения выбранного типа ВУ (таблица А2).

Рисунок 2.3 Зависимость напряжения “плавающего заряда” от температуры

е) Определяется максимальное значение активной мощности, потребляемой выпрямительными устройствами в условиях нормального электроснабжения с шин ШВР (рис. 2.1):

ж) Находится суммарная активная мощность всех потребителей

где PХН – активная мощность хозяйственных нужд.

з) Рассчитывается суммарная реактивная мощность всех потребителей переменного тока ЭПУ:

где угол сдвига фаз выбранного ВУ, определяемый через его коэффициент мощности.

и) Находится полная мощность SПОТ , потребляемую ЭПУ от сети переменного тока:

50