Устройства гарантированного питания с инверторами (статическими преобразователями)
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Назначение статического преобразователя заключается в преобразовании постоянного напряжения аккумуляторной батареи в переменное напряжение для питания аппаратуры связи гарантированным переменным током.
Преобразователи бывают однофазные или многофазные, схемы их собирают нз полупроводниковых элементов (с применением транзисторов, тиристоров, диодов, конденсаторов, дросселей, трансформаторов).
В основе работы большинства преобразователей постоянного напряжения лежит принцип прерывания постоянного тока в первичной обмотке трансформатора. Для обеспечения работы преобразователя с минимальными потерями, прерывающее устройство должно иметь бесконечно большое сопротивление в состоянии «Выключено» и бесконечно малое сопротивление в состоянии «Включено». Подобными характеристиками обладают схемы с применением транзисторов или тиристоров, работающих в ключевом режиме. Состояние «Выключено» соответствует прекращению протекания коллекторного тока через тиристор.
Автономные инверторы классифицируют по двум признакам: схеме преобразования (числу плеч преобразователя), фазности инверторного тока (одноплечевые, двуплечевые, четырехплечевые и т. д.); принципу принудительного выключения тиристоров — принципу коммутации.
Способов принудительного выключения (коммутации) тиристоров существует целый ряд; рассмотрим несколько из них.
- Коммутация с помощью параллельно включенного конденсатора, разряжаемого посредством рабочего тиристора (рис. 2.10). При протекании тока через тиристор Д1 конденсатор С заряжается с указанной полярностью. После включения тиристора Д2 разряд конденсатора выключает тиристор Д1. Затем конденсатор С перезаряжается до напряжения противоположной полярности, становясь готовым к выключению тиристора Д2. На этом принципе построены, в частности, параллельные инверторы (рис. 2.11).
Рис. 2.10. Принципиальная схема принудительного выключения
(коммутации) тиристоров с помощью параллельно включенного конденсатора, разряжаемого посредством другого рабочего тиристора
Рис. 2.11. Принципиальная схема параллельного инвертора
- Коммутация посредством последовательного LС-контура, включенного последовательно с тиристором (рис. 2.12). При включении тиристора Д конденсатор С заряжается, причем анодный ток имеет синусоидальную форму. Выключение тиристора происходит благодаря естественному спаданию анодного тока (LC-контура) до нулевого значения. Резистор R необходим для разряда конденсатора к моменту очередного включения тиристора. На этом принципе коммутации построены последовательные инверторы.
- Коммутация посредством параллельно включенного конденсатора, разряжаемого с помощью вспомогательного тиристора (рис. 2.13). Коммутирующий конденсатор С подключен к рабочему тиристору Д1 через две параллельные цепочки: одна образуется вспомогательным тиристором Д2, вторая диодом Д3 и катушкой индуктивности L. Первая служит для начального заряда и разряда конденсатора, вторая — для перезаряда конденсатора перед разрядом с тем, чтобы напряжение на нем имело полярность, необходимую для включения рабочего тиристора. Рабочий тиристор совместно с коммутирующим устройством представляет собой тиристорный аналог полностью управляемого вентиля.
За последние годы на кабельных и радиорелейных магистралях внедрялись устройства гарантированного питания с использованием статических преобразователей (инверторов) взамен устройств гарантированного питания с электрическими машинами. Как известно, статические преобразователи имеют следующие. существенные преимущества по сравнению с машинными: отсутствие вращающихся частей, бесшумность в работе, не нужен уход за кольцами, щетками, коллекторами электрических машин, меньшая трудоемкость обслуживания, большая надежность в работе и т. д.
Рис. 2.12. Принципиальная схема принудительного выключения (коммутации) тиристоров посредством последовательного LС-контура, включенного последовательно с тиристором
Рис. 2.13. Принципиальная схема принудительного выключения
(коммутации) тиристоров посредством параллельно включенного конденсатора, разряжаемого с помощью вспомогательного тиристора
Отечественной промышленностью изготавливаются следующие статические преобразователи, которые могут использоваться для обеспечения гарантированным переменным током аппаратуры связи: инверторы на выходную мощность 3,5 кВ-A (работающие с аккумуляторной батареей на напряжение 220 В или 60 В) и 12 кВт; унифицированная серия статических преобразователей на выходные мощности 16; 31,5 и 63 кВт; инвертор типа ИТ-220/15 на 3,5 кВ-A, но последний не стабилизированный, требует специального распределения нагрузок, имеет сильно искаженную форму выходного напряжения переменного тока (клир-фактор — 25%).
ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНОЕ УСТРОЙСТВО НА ВЫХОДНУЮ МОЩНОСТЬ КАЖДОГО ФИДЕРА 12 кВт
Агрегат гарантированного питания выпрямительно-инверторного устройства на выходную мощность каждого фидера 12 кВт предназначен для бесперебойного электропитания гарантированным напряжением переменного тока аппаратуры связи ЛАЦ и НУП на магистралях с коаксиальным кабелем диаметром жил 2,52/9,4 (многопарного). Установка имеет четыре выходных фидера по 12 кВт каждый, на каждый фильтр устанавливается два инвертора (рабочий и резервный) выходной мощностью 12 «кВт. Инвертор имеет обозначение АГП-ВИ-4Х12.
Технические данные ЛГП-ВИ-4Х12
Напряжение питающей сети, В................................................................. 380/220
Частота питающей сети, Гц................................................................... 50
Число фаз питающей сети..................................................................... 3
Выходное напряжение, В...................................................................... 230±2%
Выходной ток, А................................................................................... 55
Частота, Гц............................................................................................. 50±1
Номинальная мощность, кВ-А............................................................ 48 (4X12)
или (2x12) Коэффициент мощности нагрузки (индуктивной или емкостной) 0,8
КПД агрегата........................................................................................ 0,6
Допустимые колебания параметров внешней сети:
напряжения.............................................. +10%
частоты.................................50±4
Коэффициент искажений синусоидальности кривой выходного напряжения, не более, % 5
Масса комплекта, кг........................12 900
Каждый фидер комплекта рассчитан на дистанционное питание аппаратуры К-1920У по одной системе в одном направлении. На действующей магистрали связи используется выпрямительно-инверторная установка в следующей комплектации: инвертор И-АГП-12 4 шт. (из них два рабочих и два резервных), выпрямитель 2 шт., шкаф фильтров 1 шт. и шкаф распределительного устройства 1 шт. Каждый из двух инверторов питает нагрузку НУП аппаратуры К-1920У по одной системе в одном направлении.
Технические данные инвертора:
Входные параметры:
род тока............................................................ Постоянный (от аккумуляторной батареи) напряжение......................................200—280
Выходные параметры:
род тока..................................................................................... Переменный
напряжение, В.................220
частота, Гц ..................50
мощность, кВ-А................................................................ 12
Регулируемая уставка по напряжению, В ................220—230
Коэффициент мощности нагрузки.............0,8—1,0
Точность стабилизации напряжения на выходе, % ............... ±2
Точность стабилизации частоты, %.............±1
Коэффициент несинусоидальности выходного напряжения, %..............5
КПД, %......................85
Сопротивление электрической изоляции, МОм:
в холодном состоянии.........................5
в нагретом состоянии...................0,5
Электрическая прочность изоляции, кВ .....1,5
Коэффициент перегрузки (в течение часа).........1,1
Отклонение напряжения от номинального при
уменьшении или увеличении нагрузки на......0%,
не более, %............15
Время перерыва питания при работе инвертора в составе
АГП, мс........................20
Уровень шума, дБ.....................75
Время наработки на отказ не менее, ч .............2000
Срок службы, лет................10
Вид охлаждения.................................................................. Воздушное естественное
Габаритные размеры, мм: ширина............................................... 1200
глубина .............................................................................. . 600
высота ................................................................................. 2000
Блок-схема включения инвертора показана на рис. 2.14, а структурная схема — на рис. 2.15. Инвертор собран по схеме мостового параллельного инвертора тока с тиристорно-дроссельным компенсирующим устройством. Входной дроссель (реактор) ограничивает нарастание тока в тиристорах.
Рис. 2.14. Схема включения инвертора выходной мощностью 12 кВт
Рис. 2.15. Структурная схема инвертора выходной мощностью 12 кВт
Рис. 2.16. Структурная схема выпрямителя инвертора выходной мощностью 12 кВт
Для получения хорошей формы выходного напряжения служит резонансный LC-фильтр (см. рис. 2.15). Тиристорно-компенсирующее устройство обеспечивает стабилизацию выходного напряжения инвертора.
Для аварийных и оперативных включений и отключений инвертора от нагрузки предусмотрен тиристорный контактор. Защита силовой схемы инвертора осуществляется с помощью автоматических выключателей. Для уменьшения помех радиоприему установлены входные и выходные фильтры радиопомех.
В случае необходимости инвертор может быть синхронизирован с другим источником переменного тока.
Инвертор может работать от выпрямителя в режиме буфера с аккумуляторной батареей, а также от выпрямителя с фильтром без аккумуляторной батареи и просто от аккумуляторной батареи.
Для профилактики работающих инверторов предусмотрен перевод нагрузки вручную с основного инвертора на резервный, при этом отклонения напряжения от номинального значения не должны превышать ±25%, а время переходного процесса не более 200 мс.
В инверторе предусмотрена местная и дистанционная сигнализация о наличии напряжения на входе, режиме работы, неисправностях и аварийном отключении.
Выпрямитель В-АГП устройства предназначен для питания нагрузки в режиме буфера с аккумуляторной батареей и зарядки аккумуляторной батареи.
Технические данные выпрямителя:
Питающая сеть: напряжение, В....................................................... 380/220
частота, Гц.....................50
Число фаз................3
Мощность габаритная, κΒ·Α...............155
Коэффициент мощности...................0,7
Выходные параметры:
мощность, кВт.......................60
напряжение, В........................258
ток, А.......................................................... 230
Пределы изменения напряжения на выходе при заряде аккумуляторной батареи, В ......200—270
Величина пульсаций постоянного напряжения (действующее значение), %......2
Габаритные размеры выпрямителя, мм;
ширина....................1200
глубина........................600
высота................2000
Масса, кг................1300
Уровень шума, дБ.......................<75
Сопротивление электрической изоляции, МОм:
в холодном состоянии ...............5
в нагретом состоянии..............0,5
Электрическая прочность изоляции, кВ ...........2
Срок службы, не менее, лет.................10
Время наработки на отказ, не менее, ч ....2000
Структурная схема выпрямителя приведена на рис. 2.16. Включение выпрямителя в работу может осуществляться как с местного, так и с дистанционного пульта управления. Поступающий на выпрямитель переменный ток блоками тиристоров БТ1—БТ3 преобразуется в постоянный.
Блок трансформаторов тока ΤТ1—ТТ3 с RС-цепями служит датчиком защиты и предохраняет выпрямитель от коммутационных перенапряжений. Для подачи сигнала на элемент сравнения системы управления предназначен датчик постоянного тока ДПТ. Для согласования напряжения питающей сети с напряжением нагрузки служит силовой трансформатор Τр1. Сглаживающий дроссель (реактор) предназначен для уменьшения пульсации напряжений на нагрузке. Для автоматического отключения выпрямителя при перегрузках и коротких замыканиях служит блок автомата БА, а для включения и отключения нагрузки — блок контактора К1. Радиопомехи на входе и выходе выпрямителя подавляются фильтрами Ф\—Ф~. Регулирование и защита агрегата производится блоком автоматического управления БАУ, который имеет свой блок питания БП. Наличие или отсутствие любой из фаз синусоидального напряжения контролирует блок синхронизации БС. Блок эталонных напряжений БЭН служит для получения эталонных напряжений сравнения для различных установок тока выпрямителя.
Выпрямитель имеет приборы контроля выходных параметров (зарядно-разрядного тока аккумуляторной батареи, общего выходного тока и величины выходного напряжения), сигнализацию о наличии напряжения на входе и аварийном отключении выпрямителя.
Выпрямитель снабжен автоматическими устройствами, обеспечивающими: повторное включение при появлении напряжения питающей сети; параллельную работу с несколькими выпрямителями и ограничение тока каждого из них на уровне номинального (230 А); переход с режима стабилизации зарядного тока в режим подзаряда по достижении напряжения на аккумуляторной батарее 270±5,4 В; отключение выпрямителя при его повреждении с выдачей сигнала на включение резервного выпрямителя.
Шкаф фильтров имеет следующие габаритные размеры, мм: ширина 1200, глубина 470, высота 2000; шкаф распределительного устройства, мм: ширина 1200, глубина 470, высота 2000.
