Рубрики
Электропитание устройств связи

Буферное электропитание

Буферное электропитание является основным и наиболее рациональным способом электропитания устройств проводной связи. При этом способе аккумуляторная батарея присоединяется к питаемой цепи параллельно с выпрямительным устройством, является резервным источником тока, мгновенно принимающим на себя питание устройств связи при всяком перерыве работы выпрямителя, и служит элементом фильтра, эффективно сглаживающего пульсации тока выпрямителя. Однако применение буферного способа вызывает некоторые усложнения в схеме электропитающей установки, обусловленные тем, что напряжение аккумуляторной батареи очень изменяется при случайном прекращении буферной работы в момент перерыва подачи электрической энергии из питающей сети переменного тока и последующем глубоком разряде батареи до минимального допустимого напряжения.

Так, среднее напряжение кислотной аккумуляторной батареи при буферной работе составляет 2,2r В (n — число аккумуляторов в батарее). С прекращением подачи переменного тока из сети напряжение батареи быстро снижается до 2r В, т. е. на 9,1 %. При последующем же разряде батареи током, например, одночасового режима напряжение батареи постепенно снизится до 1,75r В, т. е. на 20,5 %. При использовании для буферной работы щелочных аккумуляторных батарей снижение напряжения в аналогичных условиях будет еще больше, что и ограничивает применение щелочных аккумуляторов в хозяйстве проводной связи. В то же время современные устройства проводной связи совершенно не допускают таких больших изменений напряжений питающих источников тока (допустимые нормы колебаний этих напряжений указаны ниже для конкретных устройств связи).

Рис. 103. Способы включения противоэлементов и вентилей

Поэтому в буферных электропитающих установках для устройств проводной связи приходится применять различные способы компенсации изменений напряжения аккумуляторных батарей, вызванных изменениями режимов их работы. К таким способам относятся: погашение  излишнего напряжения батарей при помощи противоэлементов; обходное включение противоэлементов; погашение излишнего напряжения батарей нелинейными сопротивлениями; питание устройств связи от выпрямителя с нормально отключенной резервной аккумуляторной батареей; повышение напряжения батареи при ее разряде путем подключения в цепь питания дополнительных аккумуляторов.

Рассмотрим эти способы.

Применение противоэлементов.

При этом способе регулирования напряжения (рис. 103, а) число аккумуляторов в батарее Б рассчитывается так, чтобы наименьшее напряжение батареи при ее полном разряде Umin с учетом падения напряжения во всех соединительных проводах, а также коммутационных и защитных приборах было бы достаточно для питания соответствующих устройств связи УС. Тогда напряжение батареи при нормальной буферной работе Uбуф будет выше требуемого напряжения U. Для погашения лишнего напряжения Uбуф — U в цепь питания устройств включается необходимое число т щелочных противоэлементов ПЭ, на каждом из которых теряется напряжение около 2 В

В электропитающих установках с небольшими напряжениями (например, 24 В) обычно используется только одна группа противоэлементов. При больших напряжениях (60 В и выше) целесообразно все включаемые противоэлементы разделить на две группы.

В момент перерыва подачи электроэнергии из сети переменного тока буферная работа батареи Б прекращается и батарея начинает разряжаться, а ее напряжение сначала быстро, а потом постепенно понижается. Для компенсации этого снижения напряжения сначала выключается замыканием накоротко одна группа противоэлементов, а через некоторое время, определяемое падением напряжения разряжающей батареи, — другая группа. Шунтирование противоэлементов обычно осуществляется контакторами К, управляемыми при посредст ве реле напряжения (вольтметрового реле) ВР. На рис. 103, а—в контакты, коммутирующие батареи, противоэлементы и вентили показаны в положении выключенных электромагнитов контакторов (т. е. при прекращении работы питающих выпрямителей).

Необходимо иметь в виду, что каждый работающий в схеме противоэлемент расходует на себя электроэнергию, количество которой определяется по формуле

где U — напряжение на зажимах противоэлемента, В;

I — ток, проходящий через противоэлемент А;

t — время работы, ч.

Эта энергия затрачивается на химическое разложение электролита и безвозвратно теряется вместе с уходящими из противоэлемента газами (водородом и кислородом). Смесь этих газов взрывоопасна, поэтому во время действия противоэлементов необходимо включать вентиляцию.

Обходное включение противоэлементов.

В электропитающих установках большой мощности, выполненных по схеме рис. 103, а, потеря энергии в противоэлементах может быть значительной, поэтому способ регулирования напряжения батареи противоэлементами может быть недостаточно экономичным. Для повышения экономичности противоэлементов может применяться так называемая обходная схема их включения (см. рис. 103, б), по которой питание устройств связи УС производится непосредственно от выпрямителя В1, создающего на зажимах УС нормальное напряжение питания (7. При этом небольшой маломощный выпрямитель В2 подзаряжает аккумуляторную батарею, поддерживая на зажимах каждого аккумулятора напряжение 2,2 В. Поскольку буферное напряжение батареи Uбуф выше напряжения U на зажимах УС, последовательно с батареей включается группа противоэлементов ПЭ. Напряжение выпрямителя В2 регулируется таким образом, чтобы этот выпрямитель отдавал в нагрузку УС небольшой ток, который, проходя через противоэлементы, создает на них падение напряжения Uбуф — U.

При нормальной работе схемы выпрямитель В1 питает устройства связи УС, а батарея Б вместе с противоэлементами ПЭ остается подключенной к цепи питания и вследствие этого способствует сглаживанию пульсаций тока выпрямителя. Однако последовательное включение противоэлементов несколько увеличивает сопротивление цепи батареи и уменьшает эффект сглаживания по сравнению со схемой включения, приведенной на рис. 103, а. Зато, поскольку в цепи основного выпрямителя В1 никаких противоэлементов не имеется, схема, приведенная на рис. 103, б, с энергетической стороны выгоднее схемы рис. 103, а.

Интересно почитать:   Питание телефонных станций

При перерыве энергоснабжения оба выпрямителя прекращают свою работу, отчего батарея Б примет на себя питание устройств связи УС. Напряжение на зажимах УС на короткое время снизится и вольтметровое реле ВР разомкнет цепь обмотки контактора (на схеме не показана). Контактор отключится и зашунтирует противоэлементы, после чего питание УС будет осуществляться от одной батареи.

Погашение излишнего напряжения батарей нелинейными сопротивлениями.

Противоэлементы, применяемые для погашения излишнего напряжения батареи, обладают хорошими электрическими характеристиками, так как активное сопротивление их невелико, а напряжение на зажимах мало зависит от проходящего через них тока. Однако они очень неудобны с эксплуатационной стороны, поскольку в них используются едкие щелочные растворы и их приходится устанавливать вне аккумуляторных помещений в специальных закрытых шкафах с отдельной вентиляцией. К тому же выделяемые из них газы взрывоопасны. Поэтому вместо щелочных противоэлементов теперь часто применяют простые и удобные в эксплуатации нелинейные сопротивления, вольт-амперные характеристики которых близки к вольт-амперным характеристикам щелочных противоэлементов. В качестве таких нелинейных сопротивлений удобно использовать различные типы полупроводниковых вентилей (диодов), включаемых в цепь питания устройств связи в проводящем направлении (см. рис. 103, в); возможно применение селеновых, германиевых и кремниевых вентилей. Наиболее удобными для указанной цели оказались силовые кремниевые вентили.

Мощные кремниевые вентили обычно рассчитываются на работу с принудительным воздушным или водяным охлаждением. Устраивать такое охлаждение в электропитающих установках для устройств связи нецелесообразно, так как это усложнит и удорожит их, затруднит обслуживание и снизит надежность работы. Поэтому вместо противоэлементов применяют кремниевые вентили, рассчитанные на работу в условиях естественного воздушного охлаждения с металлическими радиаторами, но при этом вентили выбирают на ток, в 3—4 раза превышающий максимальный рабочий ток электропитающей установки.

Блоки полупроводниковых вентилей, предназначенные для погашения излишнего напряжения, должны составляться из вентилей, соединенных параллельно для пропускания всего тока электропитающей установки 1 и последовательно для достижения требуемого падения напряжения ∆U. Параллельного соединения вентилей можно избежать, применяя вентили достаточно большой мощности. При отсутствии же вентилей большой мощности число параллельно соединяемых кремниевых вентилей nпар определяется из соотношения:

Питание устройств связи от выпрямителя с отделенной (нормально отключенной) аккумуляторной батареей.

Выпрямитель В1 (рис. 104, а), снабженный сглаживающим фильтром и стабилизатором выходного напряжения, питает устройства связи УС. Маломощный выпрямитель В2 постоянно подзаряжает батарею Б, которая в результате этого находится в полностью заряженном состоянии. Контактор, подключенный обмоткой К к сети переменного тока, притягивает якорь и держит контакт к в разомкнутом состоянии вследствии чего батарея Б в нормальных условиях отключена от нагрузки. При случайном перерыве подачи электроэнергии из сети переменного тока оба выпрямителя прекращают свою работу, а контактор отпускает якорь. Контакт к замыкается, и батарея Б подключается к устройствам связи УС.

Преимущество этой схемы питания по сравнению с предыдущими схемами заключается в том, что батарея Б подключается к нагрузке только после прекращения подзаряда со стороны выпрямителя В2 и поэтому она не имеет излишка напряжения, вызванного этим подзарядом.

Это значительно сокращает изменение напряжения батареи при разряде и упрощает процесс регулирования напряжения. Если напряжение батареи Б невелико, то можно обойтись без противоэлементов или, в крайнем случае, обойтись одной группой противоэлементов вместо двух.

В то же время данной схеме присущи следующие недостатки:

1) отключенная от схемы питания устройств связи батарея Б уже не участвует в сглаживании пульсации выпрямителя В1, что влечет за собой необходимость усиления, а следовательно, и усложнения сглаживающего фильтра этого выпрямителя; 2) имеют место кратковременные перерывы подачи питающего тока, обусловленные временем срабатывания контактора, подключающего батарею к питаемым устройствам связи.

Рис. 104. Способы компенсации снижения напряжения буферной батареи

Для ускорения подключения батареи можно применить схему, изображенную на рис. 104, б. В этой схеме батарея Б подключается к питаемым устройствам связи мощным быстродействующим тиристором Д. который в нормальных условиях находится в запертом состоянии, а в момент прекращения подачи электроэнергии открывается, получая управляющий импульс из электронного устройства управления тиристором УУТ.

Время срабатывания тиристора не превышает нескольких десятков микросекунд. За это время питаемые устройства будут получать электроэнергию, запасенную в конденсаторах и индуктивностях сглаживающего фильтра выпрямителя, вследствие чего перерыва подачи тока не будет вовсе. Однако при максимальной нагрузке во внутреннем сопротивлении тиристора происходит падение напряже ния около 0,8 В. Чтобы прекратить излишнюю потерю напряжения после открывания тиристора, он шунтируется контактом к специального контактора и отключается. Контактор, так же как и в предыдущей схеме, подключен обмоткой К к сети переменного тока и срабатывает через несколько десятков миллисекунд.

Интересно почитать:   Технико-экономические показатели радиорелейной связи

Повышение напряжения батареи включением дополнительных аккумуляторов.

В нормальных условиях основной выпрямитель В1 (рис. 104, в) питает устройства связи УС совместно с основной буферной аккумуляторной батареей ОБ. Число аккумуляторов в батарее ОБ рассчитано таким образом, чтобы ее напряжение при работе в буферном режиме соответствовало бы номинальному значению напряжения питания УС. Небольшой выпрямитель В2 без сглаживающего фильтра непрерывно подзаряжает добавочную аккумуляторную батарею ДБ для того, чтобы она всегда находилась в полностью заряженном состоянии. Добавочная батарея составляется из нескольких аккумуляторов того же типа, что и основная батарея.

При перерыве подачи электрической энергии из сети переменного тока работа выпрямителей прекращается, основная батарея ОБ начинает разряжаться и ее напряжение снижается. В это время вольтметровое реле ВР срабатывает и приводит в действие контактор, который контактами к и к1 подключает к основной батарее ОБ добавочную батарею ДБ, вследствие чего напряжение питания вновь повышается до требуемого значения. Диод Д, рассчитанный на максимальный ток нагрузки, предотвращает перерыв подачи тока питания в момент переключения контактов к и к1.

Если включение одной группы батареи ДБ окажется недостаточно для компенсации падения напряжения батареи при ее глубоком разряде, то можно добавить еще одну группу ДБ, предусмотрев для ее подзаряда отдельный маломощный выпрямитель. Вторая группа должна подключаться к основной батарее в первой группе после подключения первой группы.

Данная схема электропитания обладает существенными преимуществами по сравнению со схемами, описанными выше. Отсутствие противоэлементов и нелинейных сопротивлений в цепи питания устройств связи повышает ее экономичность. В то же время аккумуляторная батарея, будучи всегда подключенной к зажимам выпрямителя, способствует сглаживанию пульсаций выпрямленного тока. Эти преимущества особенно сильно проявляются в электропитающих установках большой мощности.

Указанные выше способы лишь частично применяются в электропитающих установках для устройств связи железнодорожного транспорта. Однако все они могут быть использованы при разработках новых электропитающих установок.

§ 51. Способы подключения буферной аккумуляторной батареи к выпрямителю

Буферная батарея является важнейшим элементом сглаживающего фильтра. Однако эффективность ее действия в отношении сглаживания пульсаций выпрямленного тока в большой степени зависит от способа соединения с питающим выпрямителем и питаемыми устройствами связи. Хорошее сглаживание пульсаций имеет особо важное значение для устройств телефонной связи, так как пульсации питающего тока создают в телефонных аппаратах шумы, мешающие проведению переговоров.

Рис. 105. Способы подключения буферной батареи к выпрямителю

В простейшей схеме подключения буферной батареи Б к выпрямителю В (рис. 105, а) один из проводов цепи питания соединен с землей, как это обычно имеет место в устройствах связи. Сглаживающий фильтр образуется в этом случае из дросселя Др и батареи Б. Постоянная составляющая тока выпрямителя (ток питания устройств связи) свободно проходит через дроссель и поступает в питаемые устройства, ответвляясь в аккумуляторную батарею для ее подзаряда. Переменные же составляющие значительно ослабляются фильтром и не причиняют вреда питаемым устройствам. Действие фильтра тем больше, чем выше реактивное сопротивление дросселя и чем меньше сопротивление цепи батареи для переменных составляющих выпрямленного тока.

В общую цепь батареи входят провода, соединяющие батарею Б с выпрямителем В, плавкий предохранитель Пр и рубильник (разъединитель) Р. Если учесть, что сопротивление аккумуляторной батареи измеряется сотыми, а иногда и тысячными долями ома, то легко понять, что эти дополнительные устройства значительно увеличивают сопротивление цепи батареи и ухудшают ее шунтирующее действие для вредных переменных составляющих выпрямленного тока.

Чтобы устранить вредное действие дополнительных элементов цепи батареи, применяют четырехпроводную схему подключения батареи (рис. 105, б). В этой схеме дополнительные элементы, повышающие сопротивления, перенесены из цепи батареи в главную цепь питания устройств связи, для чего число их удвоено. В схеме предусмотрены два плавких предохранителя Пp1 и Пр2 для защиты батареи от короткого замыкания с обеих сторон и рубильники Р1 и Р2 для отключения батареи.

От батареи отходят две пары проводов: одна соединяет батарею с выпрямителем, а другая — с питаемыми устройствами. Поэтому сопротивление цепи собственно батареи, лишенной всех дополнительных элементов, сведено к минимуму, отчего шунтирующий эффект ее для переменных составляющих тока выпрямителя возрастает.

Четырехпроводная схема включения батареи — лучшая для сглаживания пульсаций тока выпрямителя, но на практике она неудобна тем, что от батареи к коммутационным устройствам необходимо протягивать две пары проводов. Поэтому обычно пользуются упрощенной четырехпроводной схемой (рис. 105, в), отличающейся от предыдущей только тем, что в ней батарея соединяется с коммутационной схемой двумя проводами. Эти провода должны иметь такое сечение, чтобы падение напряжения в них не превышало 10—15 % внутреннего падения напряжения в батарее. В этом случае данная схема почти не отличается по своим качествам от схемы, изображенной на рис. 105, б, но значительно проще ее.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять
Политика конфиденциальности