Выпрямительные приборы
Электромеханические приборы с преобразователями
Высокая чувствительность, точность и малое потребление энергии выгодно отличают магнитоэлектрические приборы от других электромеханических приборов. Ввиду этого стремятся использовать магнитоэлектрические приборы для измерений на переменном токе. Эта задача решается путем преобразования переменного тока в постоянный с последующим его измерением с помощью магнитоэлектрического измерительного механизма.
В качестве преобразователей переменного тока в постоянный используют выпрямительные и термоэлектрические преобразователи, а также преобразователи на электронных элементах (электронных лампах, транзисторах, интегральных микросхемах и т. п.). В соответствии с этим различают выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы.. Электронные приборы будут рассмотрены в разделе 4.5.
Выпрямительные приборы представляют собой соединение выпрямительного преобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма с отсчетным устройством.
В выпрямительных приборах используют одно- и двухполупе-риодные диодные схемы выпрямления. При использовании схемы однопо-лупериодного выпрямления (рис.4.13,а)
через измерительный механизм проходит только одна полуволна переменного тока, а обратная — пропускается через диод
Д2
и резистор
R.
Цепь из диода
Д2
и резистора
R = RH
используют для выравнивания обеих полуволн тока в общей цепи, а также для защиты от пробоя диода
Д1
при обратной полуволне напряжения.
Рис.4.13. Схемы однополупериодного (а) и двухполупериодного выпрямления
При использовании схемы двухполупериодного выпрямления выпрямленный ток проходит через измерительный механизм в обе половины периода и, следовательно, чувствительность этих схем выше, чем однополупериодных. На рис.4,б
показана наиболее распространенная двухполупериодная схема выпрямления — мостовая.
Выпрямительные свойства диодов характеризуют коэффициентом выпрямления
(4.22)
где Iпр и I0бР — токи, протекающие через диод в прямом и обратном направлении; Rnp
и
Rобр
— соответственно прямое и обратное сопротивление диода. Значение kB зависит от приложенного к диоду напряжения, частоты протекающего тока и температуры окружающей среды.
Если измеряется переменный ток , то мгновенный вращающий момент измерительного механизма при протекании по его катушке пульсирующего выпрямленного тока
При использовании выпрямительного прибора в цепи переменного тока промышленной или более высокой частоты отклонение подвижной части измерительного механизма при однополупериодном выпрямлении определяется средним моментом
(4.23)
а при двухполупериодном выпрямлении
(4.24)
где Т
— период;
Iср
— средний измеряемый ток.
Угол поворота подвижной части измерительного механизма при одно- и двухполупериодном выпрямлении соответственно
(4.25)
Из полученных выражений видно, что у выпрямительных приборов отклонение подвижной части пропорционально среднему измеряемому току.
При измерениях в цепях переменного тока обычно нужно знать действующий ток (напряжение). Учитывая, что действующий ток связан с равенством Icр = I/kф ,
где
kф
— коэффициент формы кривой тока,
(4.26)
Таким образом, выпрямительный прибор может быть градуирован в действующих значениях тока (напряжения) только для заданной формы кривой (для синусоиды kфс=1,11). Если же форма кривой измеряемого тока (напряжения) отлична от заданной, в показаниях прибора появляется погрешность.
Если коэффициент формы kф
известен, то действующий ток несинусоидальной формы, измеренный прибором, градуированным по синусоидальному току, может быть определен по формуле:
(4.27)
Зависимость коэффициента выпрямления диодов от температуры, приложенного напряжения и частоты протекающего тока, а также влияние формы кривой измеряемого тока приводит к значительным погрешностям выпрямительных амперметров и вольтметров. Снижение погрешностей обычно производится путем включения дополнительных элементов коррекции в цепи приборов.
Сочетание магнитоэлектрического измерительного механизма, схемы выпрямления, шунта или добавочного резистора образует выпрямительный амперметр или вольтметр.
Выпрямительные приборы в большинстве случаев выполняют многопредельными и комбинированными. Этими приборами путем переключений элементов прибора с помощью переключателей можно измерять как постоянные, так и переменные токи и напряжения, а также измерять сопротивления по схеме омметра. Верхний предел измерений для выпрямительных приборов, выпускаемых отечественной промышленностью, составляет: тока — от 3 мА до 10 А, напряжения — от 75 мВ до 600 В (предел 75 мВ—только для постоянного напряжения), сопротивления — от 0,5 кОм до 5 МОм.
Из-за нелинейности вольт-амперных характеристик диодов при малых значениях переменных токов (напряжений) шкала в начальной части (0—15 %) неравномерная.
Выпрямительными приборами без частотной компенсации можно пользоваться для измерения токов и напряжений до частот 5000 – 10 000 Гц, в приборах с частотной компенсацией рабочий диапазон частот расширяется до 50 кГц. Точность выпрямительных приборов относительно невысока — класс точности обычно 1,5; 2,5.
Высокочастотные выпрямительные модули
Фундаментом ЭПУ, определяющим как ее статические, так и динамические характеристики, являются выпрямители. По принципу работы они делятся на следующие типы:
— низкочастотные выпрямители, к которым относятся диодно-тиристорные и тиристорные, работающие на частоте промышленной сети;
— высокочастотные выпрямители, называемые также выпрямителями с бестрансформаторным входом и высокочастотным преобразованием.
На сегодняшний день для современных электропитающих установок применяются высокочастотные выпрямители, следовательно, именно на их рассмотрении остановимся подробнее.
На рисунке 1.2 представлены структурные схемы выпрямителей с бестрансформаторным входом для станционной аппаратуры связи. Представленная структурная схема (а) содержит:
— входной помехоподавляющий фильтр Вх. ППФ (фильтр радиопомех);
— сетевой выпрямитель СВ;
— входной сглаживающий фильтр СФ;
— регулируемый преобразователь напряжения ПН;
— выходной помехоподавляющий фильтр Вых. ППФ;
— схема управления Сх.У регулируемым преобразователем напряжения;
— усилитель мощности УМ.
Структурная схема (б) отличается от уже рассмотренной тем, что вместо входного сглаживающего фильтра СФ на выходе сетевого выпрямителя устанавливается корректор коэффициента мощности ККМ со своей схемой управления Сх.У ККМ.
Рис. 1.2. Структурные схемы ВБВ без корректора коэффициента мощности (а) и с корректором коэффициента мощности (б)
Выпрямительным устройством называется статическое устройство, которое обеспечивает преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. Выпрямительное устройство является одним из основных элементов любой системы бесперебойного электропитания аппаратуры телекоммуникаций и информационных сетей.
Выпрямители мощностью менее 10 кВт, зачастую, являются однофазными, мощностью более 10 кВт — трехфазными. В структуре ЭПУ однофазные выпрямители допустимо подключить к различным фазам питающей сети, что делает возможным повышение устойчивости работы ЭПУ при ненадежном электроснабжении и вероятном пропадании одной фазы.
По частоте преобразования выпрямители подразделяются на три группы:
— 30-50 кГц–на данных частотах функционировали одни из первых выпрямителей, которые появились около 25 лет назад. Принцип работы –широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Их плюсом является высокая ремонтопригодность, минусом – сравнительно низкая надежность;
— 60-120 кГц. Принцип работы – ШИМ. Данные частоты преобразования используются в большей части современных однофазных выпрямителей;
— 300-500 кГц. Принцип работы – фазово-резонансная коррекция.
На входе всех выпрямителей находится корректор коэффициента мощности, позволяющий не вносить искажений в питающую сеть.
Нужно обратить внимание, что при высоких частотах изменяется путь разработки выпрямителей. Например, для первых выпрямителей выполнялся этап макетирования, но на частотах более 50 кГц достаточно сильно влияет взаимное расположение элементов, проявляются паразитные емкости. Следовательно, в разработке данных выпрямителей применяется компьютерного моделирования.
Компьютерное моделирование – непременный этап проектирования современных выпрямителей, который позволяет повысить их надежность (MTBF — от 5∙105 до 106 часов). КПД современных выпрямителей достигает 0,97, что близко к теоретическому пределу. Малые потери обеспечиваются применением однотактных схем преобразователей и заменой выпрямительных диодов полевыми транзисторам с крайне малыми проходными сопротивлениями.
Значительной характеристикой выпрямителей является их способность оставаться работоспособными при значительных отклонениях входного сетевого напряжения. Для данных случаев можно найти однофазные выпрямители, сохраняющие работоспособность в диапазоне входного напряжения от 85 до 300 В.
Необходимо отметить, что при снижении входного напряжения увеличивается ток, потребляемый из внешней сети, а это в свою очередь требует изменения параметров устройств защиты (предохранителей или автоматических выключателей) на входе выпрямителя, что может снизить эффективность их работы. Чтобы избежать этого, производители оборудования ограничивают минимально допустимое напряжение на входе выпрямителя (при котором сохраняются все его параметры) на уровне примерно 170 В. При дальнейшем снижении входного напряжения пропорционально, снижается выходная мощность выпрямителя.
Контроллер ЭПУ
Качество, надежность и эксплуатационные характеристики современных электропитающих установок для телекоммуникационных систем во многом определяются возможностями используемых информационных технологий.
Поэтому одним из важнейших элементом современных ЭПУ является контроллер. Кроме мониторинга текущих параметров оборудования ЭПУ, сохранения в памяти всех изменений режимов работы и аварий оборудования, контроллер способен управлять последовательным отключением второстепенных нагрузок при пропадании внешнего электроснабжения и при работе от батареи, обеспечивая более продолжительную работу приоритетных потребителей. Существуют контроллеры, позволяющие контролировать не только саму ЭПУ, а также производить мониторинг всего здания – от электрооборудования до системы охраны.
Применение в цепях ЭПУ цифровых сигналов управления взамен аналоговых дает существенное повышение надежности благодаря увеличению возможностей диагностики неисправностей (в основном используется стандарт CAN – Controller Area Nerwork). При диагностике дистанционно передается не только сигнал о том, что, к примеру, выпрямитель уже неисправен или напряжение на аккумуляторной батарее низкое, и она отключается, но вдобавок информацию о нарушении режима работы элементов выпрямителя (сам выпрямитель еще работает) или изменении распределения напряжения на элементах батареи, то есть о причинах неисправностей.
Аккумуляторы
В современных системах бесперебойного электропитания для резервирования электрической энергии постоянного тока при кратковременных пропаданиях внешнего электроснабжения практически повсеместно применяются аккумуляторные батареи (АБ).
По своей сути аккумулятор является химическим источником тока многократного действия. Согласно Международному электротехническому словарю МЭК 50 (486)-1991 «Аккумуляторы и аккумуляторные батареи», аккумулятор (элемент)– этосовокупность электродов и электролита, образующая основу устройства аккумуляторной батареи. А аккумуляторной батареей называют два или более аккумуляторов (элементов), соединенных между собой и используемых в качестве источника электрической энергии.
В процессе разряда аккумулятора активные вещества анода, катода и электролита превращаются в продукты разряда, а их химическая энергия преобразуется в электрическую. При заряде подводимая электрическая энергия расходуется для регенерации продуктов разряда. Зарядка аккумулятора проходит путем пропускания через него электрического тока, вызывающего химические реакции, в результате чего один из электродов аккумулятора приобретает положительный заряд, а другой – отрицательный.
Главное преимущество АБ перед другими резервными источниками питания состоит в том, что, разряжаясь, аккумулятор способен стабилизировать напряжение. Кривая разряда аккумулятора имеет пологий участок, в отличие, например от конденсатора, чья кривая разряда – экспонента.
На сегодняшний день в системах электропитания наиболее широко применяются свинцово-кислотные аккумуляторы. Также находят применение и другие типы батарей, например, никель-железные или никель-металлогидридные. Кроме того, в последнее время все шире применяются литиевые аккумуляторы. У каждого из перечисленных типов аккумуляторов есть свои достоинства и недостатки.
Приведем основные электрические и эксплуатационные параметры АБ, которые также пригодятся при дальнейших расчетах.
Можно выделить следующие основные параметры:
· Номинальная емкостьCном
–
это то количество электричества, которое можно получить от 100 % заряженного аккумулятора или батареи при номинальных значениях тока разряда и температуре окружающей среды, а также заданном конечном напряжении разряда на зажимах аккумулятора. Величина выражается в ампер-часах; обычно указывается на аккумуляторе или на его упаковке;
· Номинальное напряжение Uном – усредненное условное значение напряженности на зажимах АКБ при его разряде в номинальном режиме, оговоренном в технических условиях; выражается в Вольтах. Номинальное напряжение АКБ определяется произведением количества последовательно включенных элементов на номинальное напряжение одного элемента;
· Номинальный ток разряда Iрном – как правило, указывается в долях от номинальной емкости;
· Внутреннее сопротивление аккумулятора – параметр, определяемый расчетным путем по установившимся значениям напряжения при разряде АКБ токами достаточно большой величины. Приводиться производителем в технической документации, обычно в миллиомах;
· Срок службы аккумулятора (в случае эксплуатации в режиме непрерывного подзаряда), либо допустимое число циклов заряд-разряд.
Также при выборе аккумуляторов немаловажную роль играют его массогабаритные и конструктивные параметры, возможность его установки в аппаратных стойках и на стеллажах, и, конечно же, стоимость.
