Некоторые аспекты оптимизации систем электропитания постоянного тока для телекоммуникаций

Когда мы решаем проблему надежности таких комплексов, как телекоммуникационное оборудование в совокупности с электропитающими установками (ЭПУ), обеспечивающими бесперебойное электроснабжение, то главным является правильное определение размерности ЭПУ, то есть тех количественных параметров, которые связаны с возможностью преобразовать и пропустить через элементы коммутации, защиты и распределения необходимую величину мощности. Эти количественные параметры размерности являются определяющими для таких важных показателей системы, как надежность и безопасность. Базовые элементы ЭПУ, такие как аккумуляторные батареи, выпрямители, кабели переменного и постоянного тока, автоматы защиты (плавкие вставки) и т.д. должны быть определены в результате точных расчетов.

1. Введение.

Определение размерности ЭПУ для телекоммуникаций состоит из следующих шагов:
- задание потребления (тока или мощности) (1 шаг на диаграмме);
- определение размера аккумуляторных батарей (2,3,4 шаги);
- определение размера выпрямительных модулей (5,6,7,8 шаги);
- определение размера кабельных соединений (9,10,11,12,13 шаги);

Входными данными для вычисления размеров являются следующие:
- токи нагрузок;
- количество элементов батареи;
- количество батарейных групп (батарей, работающих параллельно);
- требуемое время работы от резервного источника (батареи) в час;
- желательный срок службы батарей (лет);
- время заряда батареи после полного разряда (tзар. ~ 16-20 часов);
- коэффициент эффективности заряда батареи (fзар. ~ 1,1…1,2);
- выходные токи выпрямительных модулей (А), которые могут быть использованы;
- допустимое падение напряжения на кабелях нагрузок (U);
- длина кабелей.

В результате расчетов могут быть получены следующие данные:
- емкость батареи (А-ч);
- требуемое количество выпрямительных модулей;
- тип системного кабинета, суммарный ток кабинета (А);
- количество кабинетов;
- значения токов и мощности;
- требуемое сечение кабелей (мм2);
- номинальные значения плавких вставок (защитных автоматов) нагрузок и батареи.

Приведем несколько определений, используемых в процедуре планирования системы.

Потребляемая мощность телекоммуникационного оборудования (либо ток потребления).

Здесь необходимо принимать во внимание при расчетах возможное дальнейшее увеличение потребления при развитии телекоммуникационной системы.

Все нагрузки могут быть разбиты на 2 группы:
- линейные нагрузки (аналоговые АТС и т.д.), ток потребления которых прямо пропорционален напряжению питания,
- нелинейные нагрузки (электронные АТС, передающее оборудование, ДС/ДС преобразователи, инверторы), ток нагрузки которых обратно пропорционален напряжению питания (постоянная потребляемая мощность)

Режимы работы ЭПУ и рабочие напряжения

Режимы работы:
- режим подзаряда буферной батареи;
- режим разряда батареи;
- режим заряда батареи после разряда.

Рабочие напряжения:
- номинальное напряжение ЭПУ (Uном.);
- напряжение подзаряда (Uпдзр);
- среднее напряжение разряда (Uср.р.);
- конечное напряжение разряда (Uср.к.);
- напряжение ускоренного заряда (Uуск.з).

Номинальное напряжение (Uном.)

В области телекоммуникаций нашли широкое применение системы с номинальным напряжением 48В. Существуют также системы с номинальным напряжением 24В и 60 В. Ток нагрузки телекоммуникационного оборудования определяется относительно номинального напряжения, то есть в частном случае относительно напряжения 48В (I48)

Напряжение подзаряда (Uпдзр)

Значение напряжения подзаряда связано с типом и технологией производства используемой в системе батареи. Для используемых в телекоммуникациях батареях это напряжение на элемент составляет 2,23 В/эл. ( при температуре 20 град. С). Система с номинальным напряжением 48В использует в большинстве случаев батарею с 24 элементами, откуда следует, что в нормальных условиях работы напряжение будет равно: 24х2,23В=53,5В. В зависимости от изготовителя батарей, это напряжение может слегка изменяться, поэтому для расчета ЭПУ надо всегда использовать спецификацию (или паспорт) на конкретную батарею.

Среднее напряжение разряда батареи (Uразр. ср.)

Напряжение батареи будет постепенно уменьшаться при разряде. Вначале напряжение подзаряда 2,23В/эл относительно быстро упадет до значения 1,9-2,0 В/эл, которое к концу разряда уменьшится до величины порядка 1,8В/эл ( в случае 10-ти часового разряда) . Принимая во внимание тот факт, что резервное время работы от батареи в первую очередь зависит от разрядного ока, важны аспектом является определение значения напряжения, при котором происходит разряд. Значение 1,9В/эл довольно близко к среднему значению и это значение должно быть принято для расчета батареи.

Конечное напряжение разряда батареи (Uразр. кон.)

Конечное напряжение батареи зависит от типа батареи и от времени разряда. Значение напряжение при разряде в течение 10 часов приблизительно равно 1,8В/эл. Тогда конечное напряжение батареи равно 24 x 1.8В=43.2В. В случае более короткого времени разряда ячейка может быть разряжена до более низкого напряжения и напряжение се батареи также будет ниже.

Напряжение ускоренного заряда (Uускор зар)

В общем случае напряжение ускоренного разряда равно 2.33-2.4 В/эл. Таким образом уровень напряжения в этом режиме будет 24x2.33В=55.92В. Герметизированные батареи (гелевые или по технологии AGM) обычно не требуют режима ускоренного заряда.

2. Определение размерности системы. Определение токов.

При определении тока разряда в общем случае должны быть учтены токи линейных и нелинейных нагрузок.

Ток разряда батареи зависит от следующих параметров:

1. Количества элементов в аккумуляторной батареи

2. Среднего значение разрядного напряжения

3. Количества параллельно включенных батарей

При расчете тока линейной нагрузки необходимо учитывать, что в процессе разряда ток нагрузки будет уменьшаться.

Ток нелинейной нагрузки. Электронные АТС являются нагрузкой другого типа. DC/DC преобразователи, которые имеют постоянную мощность потребления, стоят на входах по питанию в таких АТС. Это означает, что ток нагрузки будет возрастать в процессе разряда (с уменьшением напряжения)

Iразр ср = I48 x Uном / Nэл Х Uразр ср = I48 x 48/24 x 1,9 (1)

Из последнего уравнения можно видеть, что в зависимости от напряжения на батареи ток разряда будет больше номинальной величины. При этом в уравнении надо использовать среднее значение напряжения разряда (1,9 В/эл).

В случае, когда используется несколько батарей, соединенных параллельно (К бат групп), то

Iразр ср = I48 x Uном / Nэл Х Uразр ср х Кбат групп (2)

Литература
[1] ГОСТ 5237-83. Аппаратура электросвязи. Напряжение питания и методы измерений
[2] ГОСТ 13109-87. Электрическая энергия. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения.
[3] ГОСТ 29322-92 (МЭК 38-83). Стандартные напряжения
[4] ВСН 332-93 Ведомственные строительные нормы Минсвязи РФ. Инструкция по проектированию электроустановок предприятий и сооружений электросвязи, проводного вещания, радиовещания и телевидения.
[5] С. Уайндер. Справочник по технологиям и средствам связи, М, Мир, 2000

Головко В.В. к.т.н. руководитель направления DC систем ТХ «Электросистемы»

http://www.electrosystems.ru/