Введение к работе
Актуальность темы исследования. Предприятия связи располагаются, как іравило, в местах, где они могут быть обеспечены наиболее надежными и зешевыми источниками электроэнергии, каковыми являются электрические ;ети энергосистем. Предприятия электросвязи подключаются к энергосистемам через собственные трансформаторные подстанции, преобразующие высокое напряжение 1Й>кВ или бкВ в напряжение 0,4кВ 3-фаэного переменного гока с частотой 50Гц. Однако надежность электрических сетей энергосистем недостаточна для обеспечения бесперебойности в подаче электроэнер-~ии электроприемникам, особенно относящимся к первой категории. Поэтому снабжение предприятий связи электрической энергией осуществляется эт нескольких независимых друг от друга источников, которыми могут яа-тяться как электрические сети энергосистем (источники внешнего электроснабжения), так и собственные автоматизированные электростанции, эборудованные, как правило, дизель-генераторами. Кроме того, на пред-триятиях связи предусматривается резервирование электрической энергии ю постоянному току с помощью аккумуляторных батарей <АБ),
На современных предприятиях связи все в больших масштабах применяется перспективные способы обработки и распределения информации с ис-"юльзованием компьютерных технологий, что является причиной увеличения гисла потребителей электроэнергии, использующих цифровые методы обработки информации с импульсным потреблением мощности. Большое число компьютерного оборудования, обычно подключаемого к внешним источникам электроснабжения, увеличивает их нагрузку. Сеть начинает работать на трепеле возможностей, а кроме того в ней появляются дополнительнье всплески, высокочастотные гармоники и шумы от работы таких устройств, в.ак лазерные принтеры, факсы, ксерокопировальная техника и так далее. Подключение этой техники приводит к тому, что сам компьютер вынужден работать в условиях повышенного уровня помех по сети электропитания.
Самой чувствительной к условиям энергообеспечения (качеству электроэнергии и бесперебойности ее подачи) является ПЭВМ, ставшая неот'ем-пемой частью любого предприятия связи. При некачественном электропитании, когда имеют место высокочастотные и импульсные помехи, провалы и броски питающего напряжения и, наконец, полное обесточивание сети, прежде всего выходит из строя элементная база компьютера, включая жесткий диск и 037. Паже очень кратковременный провал питающего напряжения способен исказить данные в 037, В результате внезапного отключения электропитания может быть нарушена структура данных в файл-сервере локальной вычислительной сети.
Создаваемые в электросети помехи имеют довольно широкий спектральный состав (сотни Гц-ЙТц), поэтому они беспрепятственно проникают через традиционные ЙВЭП, что приводит к сбоям в работе ПЭВМ и, других цифровых систем управления, на восстановление которых приходится затрачивать определенное время и материальные средства,
Исследования в этой области свидетельствуют о том, что в средней по 120 отклонений от нормальной работы сети различного характера еже-
месячно воздействует на каждую единицу вычислительной, высокочувстви тельной измерительной техники, систем управления и роботизированнь рабочих мест (статистические данные фирмы IBM), Статистика также сви петельствует, что в результате нарушения нормальной работы электросет в 75% случаев отказов в ПЗВК происходит потеря информации и в 65% вь ходит из строя электронное оборудование. Это означает, что питаема аппаратура должна быть защищена как от помех и бросков (провалов) нап ряжения сети, так и от обесточивания.
В настоящее время многие фирмы заняты разработкой и выпуском раз личных вариантов построения источников бесперебойного питания (ИБП) обеспечивающих качественное электропитание аппаратуры связи и одновре менно являющихся экологически чистыми <с высокими показателями п ЭКСУ. К таким фирмам относятся: BEST POVER TECHNOLOGY (США), SOL ELECTRIC (Швейцария-США), UPSONIC (Великобритания), CHLORYDE (Великой ритания), MERLIH GERIKG (Франция), VICTRON (Нидерланды), EXIDE ELECT RONICS (Великобритания), FISKARSS (Финляндия), ELCO (Словакия), ИНВЕЇ TOP (Россия), AMERICA» POVER CONVERSION (США), TRIPLITE (США), EK (Турция).
К сожалению, при всем многообразии возможных вариантов построен» ИБП промышленно выпускаемые источники обладают следующими недостатке ми. Многие ИБП при малых габаритах и массе имеют несинусоидальную фор му выходного напряжения (прямоугольную или ступенчатую), что отрица тельно сказывается на технических характеристиках питаемой аппаратурь В случае же синусоидальной формы выходного напряжения предлагаемые ИЇ имеют значительные габариты и массу. В настоящее время интенсивно ве путся работы по поиску компромиссного технического решения, позволяй щего в равной мере использовать достоинства известных разработок свести к минимуму их недостатки. Поскольку решению именно этих вопрс cos посвящена диссертационная работа, то ее тему следует считать акту альной.
Целью работы является исследование и разработка ИБП, поэволяющег повысить качество электроэнергии, отдаваемой потребителю при улучше* ных массогабаритных и энергетических показателях.
Поставленная цель требует решения следующих задач:
а) разработка структурной схемы ИБП, обеспечивающего заданное качестЕ
электрической энергии при минимальных габаритах и массе устройства;
б) разработка высокоэффективного способа формирования синусовдальног
напряжения промышленной частоты (50Гц), позволяющего повысить рабочу
частоту коммутации в импульсном полупроводниковом преобразователе
эффективность работы и массогабаритные показатели вьсокочастотног
согласующего трансформатора;
в) разработка выходного фильтра ИБП, обеспечивающего необходимое кг
чество электроэнергии на выходе ИБП.
Методы исследования. Для достижения цели исследования примене*
следующие методы: теория линейных и нелинейных цепей, спектральный інализ с использованием двойных рядов Фурье, компьютерное моделирова-іие. Наряду с теоретическими методами анализа использовалось натурное макетирование ИБП и его экспериментальное исследование, Научная новизна заключается в следующем;
1. На основании качественного анализа структурных схем ИБП типа
эп-line с синусоидальным выходным напряжением предложена новая струк
турная схема, обеспечивающая снижение числа преобразований электроэ
нергии первичного источника.
2. Предложен способ синусоидальной шмротно-импульсной модуляции с
формированием симметричного пвуполярного импульсного напряжения в про-
иежуточном эвене повышенной частоты <инверторе>. Данный способ поэво-
пил решить проблему полного перемагничивания сердечника высокочастот
ного трансформатора на частоте, равной половине несущей, и тем самым в
несколько раз повысить его массогабаритные показатели.
3. Установлена аналитическая зависимость между формой пилообразно
го опорного напряжения со спектральным составом напряжения на выходе
демодулятора.
4- Определен спектральный состав напряжений на выходе демодулятора (реверсивного выпрямителя) и высокочастотного инвертора с предложенной ШИН и проведена оценка основных энергетических составляющих в указанных напряжениях.
5. Выполнен анализ процессов перемагничивания сердечника трансфор
матора при различных видах широтноимпульсной модуляции.
6. На основании анализа спектрального состава предложена 3-эвенная
топология построения выходного фильтра.
Практическая ценность заключается в следующей-.
разработана принципиальная схема ИБП, обеспечивающего бесперебойное электропитание с заданным качеством электроэнергии при повышении технико-экономических показателей ИБП (включая уменьшение массы и габаритов устройства).
разработана система управления источником, практически полностью выполненная на цифровых микросхемах и использующая цифроаналоговый преобразователь для формирования эталонного напряжения, что позволило повысить ее помехоустойчивость и уменьшить габаритные размеры и массу,
разработана схема 3-эвенного выходного фильтра с использованием в одном из звеньев фильтра о индуктивными связями, позволяющего в значительной степени подавить гармонические составляющие в выходном напряжении при хороших удельных характеристиках.
приведены рекомендации по выбору материала магнитопровода и произведен расчет трансформатора при симметричной двуполярной импульсной форме прикладываемого напряжения.
- на основании экспериментальных исследований дана сравнительная
оценка вариантов построения выходных фильтров и потерь мощности в раз-
личных типах ИБП.
- разработан и испытан экспериментальный образец ИБП, реалиэуемь
на существующей элементной базе, сняты основные характеристики, пот
верждающие преимущества предложенного варианта по сравнению с аналога
ми.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на НТК университе та и научно-технических семинарах кафедры "Силовая Электроника", также на международных конференциях "RUSSIAH TELECOM 94", АЭП-95 UEES-96.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том чис/ 3 статьи в сборнике "Труды учебных заведений связи", патент на изобрє тение и свидетельство на полезную модель РФ, 6 выступлений на НТК уні верситета, 3 выступления на международных конференциях.
Вклад автора в разработку проблемы. Основные научные положени; теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационнс работе, получены автором самостоятельно.
Об-ьем и стрцктчра работы. Диссертация содержит введение, 5 глаї заключение, список литературы и 3 приложения. Основной текст диссерте ции изложен на 146 страницах машинописного текста. Список литерату] включает 130 наименований.
Основные положения, выносимые на защиту:
- новая структурная схема ИБП, включающая входной импульсный стг
билизатор, высокочастотный инвертор и реверсивный выпрямитель, с обо<
нованием эффективности ее применения,
способ формирования синусоидального напряжения промышленной ча< тоты на основе предложенной симметричной 2-полярной ШЙМ в промежуто< ном звене повышенной частоты.
результаты анализа спектрального состава выходных напряжений И1 вертора и демодулятора и оценка уровня высших гармоник в указан» напряжениях.
методика и результаты компьютерного моделирования процессов пі ремагничивания высокочастотного импульсного трансформатора и частотні свойств выходного фильтра,
результаты сравнительного анализа характеристик ИБП и отдельн: их узлов на основе теоретических и экспериментальных исследований.
