Источник бесперебойного питания

Ниже рассмотрен источник аварийного питания, предназначенный для использования в составе источника бесперебойного питания с постоянным рабочим напряжением 300В, и обеспечивающим питание нагрузки мощьностью до 1,7кВт при исчезновении основного питания.

Источник аварийного питания (ИАП).

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИАП

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АМ

Источник аварийного питания состоит из:

• Десяти равноценных аккумуляторных модулей (AM)
• Схемы коммутации AM в единую силовую цепь
• Системы общей сигнализации
• Нормирующего выходного преобразователя

Каждый аккумуляторный модуль содержит:

• Аккумуляторную батарею (АБ)
• Зарядно-разрядное устройство
• Систему контроля АБ и управления зарядно -разрядным устройством
• Систему местной сигнализации
• Выходной коммутатор

Структурная схема системы аварийного питания

Структурная схема АМ

АБ разделена на десять равных частей. *

*(Время проведения одного контрольно-тренировочного цикла (КТЦ) занимает примерно 26 часов. Это 10 часов разряд и 16 часов заряд. Заряд и разряд осуществляются малыми токами. При малых токах параметры батареи лучше восстанавливаются, меньше выделяется тепла. Для полного восстановления параметров требуется в среднем 2–3 КТЦ. Т.О. на проверку и восстановление параметров всех десяти АБ уйдет от 10 дней до 1 месяца. Проводить КТЦ реже, чем 1 раз в месяц не рекомендуется, т. к. через месяц параметры аккумулятора, находящегося в постоянной готовности к использованию, начинают ухудшаться. Сокращение ресурса АБ при этом составит всего 36 циклов в год. Однако без проведения восстановительных КТЦ срок службы аккумуляторов сокращается в среднем до 1 года или до 50–100 циклов разряда, при возможном числе циклов разряда 500–1000, а, при принятии специальных мер, которые будут описаны ниже и еще больше.)

Каждая часть помещается в свой AM, включающий в себя кроме NiCd аккумуляторной батареи с номинальным напряжением 12В и емкостью 5 Ач, схему контроля и управления (СКУ), зарядно-разрядное устройство (ЗРУ), выходной коммутатор и схему сигнализации (С С). Каждый AM может самостоятельно заряжать, разряжать и контролировать состояние АБ, входящей в его состав.

В схеме коммутации производится последовательное соединение АБ, входящих в состав модулей. Коммутационная панель устроена таким образом, что при выходе из строя или просто удаления одного или нескольких AM в любой момент, даже при работе на нагрузку питание НП не прерывается. Сумарное выходное напряжение со схемы коммутации, меняющееся в процессе работы почти в 1,5 раза, стабилизируется и приводится к требуемой величине 300В в нормирующем преобразователе. Схема общей сигнализации и управления занимается:

• сбором информации с каждого AM, ее обработкой и выдачей на информационное табло и в цепь внешней сигнализации.
• управлением контрольно-тренировочными циклами.
• передачей команд в AM по сигналам внешнего управления.

В каждом AM имеются свои схемы заряда и разряда АБ, формирующие стабильные токи. Управление процессами заряда и разряда осуществляются микропроцессором, входящем в состав системы контроля АБ и управления зарядно-разрядным устройством, на основе постоянно измеряемых параметров АБ (напряжение, температура, внутреннее сопротивление), данных предыдущего контрольно-тренировочного цикла (разрядная емкость, емкость закаченая в АБ) по сигналам получаемым от схемы общей сигнализации и управления. Кроме того система контроля АБ следит за напряжением на АБ при работе ее на внешнюю нагрузку и при разряде АБ ниже допустимого предела производит выключение выходного коммутатора исключая данный AM из общей цепи. AM обеспечивает проведение в автоматическом режиме или по внешним командам:

• Циклов стандартного заряда (14 часов)
• Циклов быстрого заряда (1,5 часа)
• Циклов разряда

Алгоритм работы системы резервного питания. Из десяти AM один находится в режиме КТЦ, а девять AM в постоянной готовности к использованию (в заряженном состоянии под током компенсирующим саморазряд АБ). Нормирующий преобразователь при этом подпитывается от входного напряжения через дополнительный, встроенный в НП источник с маленькой ограниченной мощностью и напряжением превышающем напряжение АБ. Потребление от АБ отсутствует. При аварийной ситуации (исчезновение питающей сети) НП начинает отбирать энергию от АБ. AM, находившейся в режиме КТЦ, прекращает разряд, если он находился в этом состоянии, оставаясь включенным в общую цепь для увеличения времени работоспособности системы. Т.К. на момент аварии питающей сети этот AM может находиться в любом состоянии, от полностью заряженного до полностью разряженного, энергоемкость AM рассчитана, исходя из необходимости обеспечения питанием оборудования девятью AM. (Реально, при положительной температуре окружающей среды, энергообеспечение может осуществляться семью аккумуляторными модулями).

По достижении минимально допустимого напряжения на АБ система контроля выключает ее из общей цепи. Тем самым исключается возможность выхода АБ из строя в результате переразряда. Коммутатор AM и схема коммутации устроены так, что выключение АБ происходит безобрывно (питание НП не прерывается). Работоспособность НП сохраняется вплоть до полного разряда трех AM. Кроме того имеется возможность «горячей» замены в любом из режимов работы. В аварийном режиме можно даже менять AM, подавшие сигнал о скором разряде, на запасные заряженные модули, если требуется время работы больше заданного. После аварийной ситуации, как только питающая сеть будет восстановлена, все модули автоматически включаются на заряд. Автоматически включается стандартный заряд, если температура не превышает допустимую для такого заряда. Если условия заряда удовлетворяют «быстрому» заряду (напряжение на АБ, и температура АБ),то заряд автоматически переходит в быстрый режим. По окончании заряда включается режим «поддерживающего» заряда. Дистанционно, при необходимости можно отключить заряд. Как только АБ во всех десяти модулях будут заряжены, схема общей сигнализации и управления считывает из каждого AM параметры АБ, и на основе этих данных, а также времени последнего проведения КТЦ, выбирается AM, в который подается команда на проведение КТЦ (параметры АБ сохраняются в энергонезависимой памяти). Проведение КТЦ можно запретить через схему местного или дистанционного управления.

По команде на проведение КТЦ в этом AM начинается разряд АБ. Разряд ведется до минимально допустимого напряжения. Если измеренная емкость и другие параметры удовлетворительны, включается 1б-ти часовой заряд, по окончании которого выбирается для КТЦ следующий наихудший AM. Если же параметры не удовлетворяют норме, включается программа восстановления. Если после восстановления параметры все равно неудовлетворительны, выдается сигнал о необходимости замены AM. После его замены, или если параметры стали в норме, для проведения КТЦ выбирается следующий AM.

AM, удаленный из ББП, если предполагается оставить его на хранение, автоматически разряжает входящую в него АБ (хранить NiCd аккумуляторы необходимо в разряженном состоянии). AM, предназначенные для «горячей» замены, необходимо иметь в заряженном состоянии. Эти AM хранятся подключенными только к сети 300В. При подключении автоматически производится заряд АБ, а по его окончании -поддерживающий «капельный» заряд. Через заданное время (порядки 1 месяца) AM выдает сигнал о необходимости проведения КТЦ. И если есть возможность, оператор включает КТЦ.

Таким образом, данная структура имеет следующие преимущества:

• Превышение числа аккумуляторов над требуемым (обеспечивающим необходимую энергоемкость) всего 25%, вместо двойного запаса в стандартной дублирующей АБ схеме (меньше габариты и вес).
• Источник находится в постоянной готовности. Нет необходимости в отключении аккумуляторной батареи для проведения КТЦ.
• КТЦ проводятся автоматически, без участия оператора, с оптимальной частотой.
• Имеется возможность «горячей» замены в любом режиме работы.

Особенности проведения заряда.

Особенностью примененного зарядного устройства является то, что заряд ведется реверсивными токами. За импульсом заряда идет импульс разряда, затем пауза в течение которой производится измерение напряжения на АБ. При такой форме тока происходит разукрупнение кристаллических структур, увеличивая рабочую поверхность электродов, и как результат снижение внутреннего сопротивления аккумуляторов.

• Наличие паузы позволяет увеличить средний ток заряда. Поскольку в этод период на отрицательном электроде обеспечивается поглощение уже выделившегося кислорода, а на положительном, за счет снижения поверхностного потенциала, уменьшение его выделения.
• Разрядный импульс приводит к еще большему снижению статического потенциала, обеспечивает более равномерное распределение процесса заряда по всей толщине электрода, а в конце заряда тормозит выделение кислорода.
• Производство измерений в течение паузы, устраняет влияние на результаты измерений сопротивления проводников и переходных контактов. Благодаря повышению точности измерений снижается вероятность преждевременного отключения заряда или перезаряда АБ, как это часто бывает в ЗУ импортного производства. Если недозаряд приводит к снижению отдаваемой емкости, то перезаряд приводит к быстрому выходу АБ из строя.

Аккумуляторы при реверсивной форме тока значительно меньше нагреваются в процессе заряда, что дает возможность заряжать их большими токами, а следовательно и быстрее. Происходит частичное восстановление параметров деградировавших АБ (снижается внутреннее сопротивление, уменьшается «эффект памяти»,увеличивается срок жизни аккумуляторов).

Очень важным параметром, по которому можно оценить качество АБ является внутреннее сопротивление. Использование реверсивных токов позволяет непрерывно даже в процессе заряда контролировать этот параметр (активную составляющую внутреннего сопротивления). Знание внутреннего сопротивления АБ позволяет спрогнозировать поведение АБ под нагрузкой и скорректировать минимально допустимое напряжение разряда. (Очень частой является ситуация когда аккумулятор имеет допустимую емкость, однако из-за повышенного внутреннего сопротивления работоспособность системы оказывается значительно меньше расчетного времени. Аккумуляторы оказываются недоразряженными, вновь ставятся на заряд. При этом их деградация еще больше увеличивается. Происходит лавинообразное ухудшение параметров АБ).