Обеспечение бесперебойного питания систем управления

Обеспечение судовых и корабельных систем управления бесперебойным электропитанием является актуальной задачей, поскольку обесточивание систем, осуществляющих автоматический ввод резерва мощности и функции защиты генераторных агрегатов, недопустимо.

Как показано на типовой схеме управления генераторным агрегатом в составе ЭЭС (рис. 39), для работы ДАУ и устройств ГА необходимы различные уровни питающего напряжения, которые обеспечивает приведенная на рисунке система бесперебойного питания.

На входы системы бесперебойного питания электроэнергия подается по основному и резервному фидерам. Переключение с основного питания на резервное осуществляется переключателем S2 вручную или автоматически. При этом время переключения может составлять от 50 мс до 0,5 с, что вызывает кратковременное исчезновение напряжения на выходных клеммах переключателя. Если питание осуществляется по цепи, обозначенной пунктиром на рис. 39, перерывы в питании систем, управляющих исполнительными органами, могут привести к непредсказуемым, возможно аварийным, последствиям.

В современных системах бесперебойного питания функция переключения питания с основного на резервное может осуществляться без перерыва в питании ответственных потребителей. При этом, как показано на рис. 39, питание к потребителям поступает от модулей статических преобразователей энергии звена постоянного тока, образованного буферным подключением аккумуляторных батарей к сети питания (основной или резервной), в энергию с необходимыми для каждого потребителя параметрами. Этим обеспечивается основная функция – бесперебойность питания потребителей.

При нормальном напряжении основной сети ее энергия используется и преобразователями, и зарядными цепями аккумуляторов. При снижении напряжения ниже нормы питание преобразователей осуществляет аккумуляторная батарея, причем продолжительность автономной работы системы управления в этом режиме может составлять, в зависимости от установленной емкости, от десятков секунд до получаса. Этого времени должно хватить не только для переключения на резервную сеть, но и для холодного запуска аварийного дизель-генератора. После этого энергия аккумуляторной батареи может быть восстановлена по одному из возможных алгоритмов: ускоренного заряда; нормального заряда и постоянного подзаряда при работе в буфере с выпрямителем от сети.

Автоматизация работы приведенной системы бесперебойного питания осуществляется с помощью микроконтроллера, в функции которого входят:

- контроль параметров напряжений и токов основной и резервной сетей;

- управление переключением основной и резервной сетей по результатам контроля напряжений и с учетом необходимости возврата при восстановлении напряжений;

- защита от перегрузок;

- контроль работоспособности устройств системы и выдача информации в систему верхнего уровня;

- обеспечение зарядных режимов аккумуляторных батарей.

Рассмотрим особенности схемотехнических решений для реализации задачи аккумуляторной поддержки в системах и устройствах электропитания на примере рис.40.

Из всего многообразия типов источни­ков бесперебойного питания [1] наилучшими характеристиками обладают ИБП двойного преобразования с гальванически-развязан­ными входами основной и резервной сети и имеющие третий вход от аварийного источ­ника или встроенный химический источник тока. Однако в большинстве случаев прин­цип использования аккумуляторной под­держки понимается весьма упрощенно.

Схема подключения аккумуляторов «в буфер с сетью» наряду с очевидными преимуществами имеет и ряд недостатков, о которых не следует забывать.

Так, далеко не всегда такая схема отвечает техническим требованиям к качеству электропитания потребителей и, к тому же, не решает вопросов ав­томатизации и регламентного обслуживания аккумуляторов в течение всего срока службы системы. При этом вне поля зрения остаются проблемы заряда аккумуляторов и поддержания ресурса, объявленного изготовителем. То есть в системах «не одноразового» действия наблюдается существенное недоис­пользование ресурса АБ, и велика доля вмешательства обслуживающего персонала по необходимости выполнения восстановительных работ с отклю­чением АБ от системы.

При встраивании в систему зарядного устройства (рис. 41 а) возникает необходимость в отключении цепи питания нагрузки от АБ в режиме заряда.

Рисунок 41. Варианты схем подключения АБ

Это приводит к усложнению алгоритма работы ИБП и может вызывать перерывы питания нагрузки при коммутациях АБ. Кроме этого остается про­блема снижения уровня напряжения на нагрузке по мере разряда батареи, чего обычно стараются избежать путем применения аккумуляторов с завы­шенной (на 40%) емкостью, что может существенно удорожать систему пи­тания в целом.

Схемы с обратимым преобразователем (рис.41, б, в) решают указанные проблемы, так как способны направлять потоки электроэнергии в аккумуля­тор или от него, в зависимости от необходимости, под действием встроенной системы управления. Механический выключатель в схемах отсутствует.

Схема, приведенная на рис.41,б, способна обеспечивать с необходимым качеством режимы заряда и подзаряда АБ, а также стабилизацию напряжения на нагрузке, но при этом она сложна в реализации алгоритмов управления и не может полностью устранить перерывы питания нагрузки при изменении направления потоков электроэнергии.

Схема, приведенная на рис.42,в свободна от указанных недостатков, бо­лее проста и традиционна в реализации схемотехнически и алгоритмически. Разделение схемы на каналы прямого и обратного преобразования позволяет полностью устранить перерыв питания нагрузки при смене режимов работы системы, так как батарея, через диод и разрядный преобразователь, всегда имеет возможность работать на нагрузку в случае «провалов» напряжений во входных сетях.

При наличии нормального уровня напряжения сети ток поступает в на­грузку через диод Д1. При этом зарядный преобразователь способен работать в одном из режимов: «заряда» или «подзаряда» АБ, а разрядный преобразо­ватель будет работать в режиме холостого хода, если уровень напряжения на его выходе поддерживать несколько ниже номинального для нагрузки.

Если напряжение в сети по каким-либо причинам снизится – диод Д2 окажется открытым более высоким потенциалом от разрядного преобразова­теля, а диод Д1 закроется, и нагрузка будет получать питание от АБ без пере­рыва. При этом ток потребления от АБ может являться сигналом для подня­тия уровня напряжения на выходе до той же величины, как и при работе от сети. По мере разряда батареи уровень напряжения на нагрузке остается ста­билизированным, за счет корректировки управляющих воздействий разряд­ного преобразователя.

Более подробная структурная схема такого обратимого преобразователя приведена на рис. 43. Временная диаграмма работы приведена на рис. 44.

Рисунок 43 - Структура и состав обратимого преобразователя:

ДН – датчик напряжения; ДТ – датчик тока;

ВИП – вторичный источник питания; СП – силовой преобразователь;

СУ- система управления; СКК – система климат контроля;

СЗ – система защиты; R – разрядный резистор

Рисунок 44 - Диаграмма работы обратимого (зарядно-разрядного) преобразователя

В состав обратимого преобразователя (рис.43) должны входить:

- зарядный преобразователь, содержащий: встроенный источник питания собственных нужд (ВИП); датчик входного напряжения (ДН); силовой преобразователь (СП); контроллер (систему управления СУ); датчик выходного напряжения (ДН); датчик выходного тока (ДТ);

- разрядный преобразователь, содержащий: датчик входного напряжения АБ (ДН); силовой преобразователь (СП); датчик выходного напряжения (ДН)

- разрядные резистор (R) и ключ (Кл);

- выходной разделительный диод;

- общий контроллер, включающий систему климат-контроля АБ и за­щиты ОП (СКК, СЗ);

Данная схема позволяет автоматизировать контроль параметров и под­держание ресурса аккумуляторов в течение всего срока эксплуатации за счет реализации необходимых алгоритмов управления во всех режимах:

- работа на нагрузку, с отключением АБ при минимально допусти­мом уровне напряжения;

- «постоянная подзарядка» АБ для компенсации явления самораз­ряда;

- «первичная» зарядка АБ, поскольку по техническим условиям они поставляются разряженными;

- «восстановление» АБ после каждого случая продолжительной ее ра­боты на нагрузку.

Оба дополнительных режима характеризуются тем, что при этом необ­ходимо провести так называемое «циклирование» аккумуляторов, то есть выполнить режимы заряда и разряда последовательно несколько раз подряд, устраняя «эффект памяти» АБ [2].

Для этого в схему введены: цепь «ключ (Кл) - разрядный резистор (R)», а так же контроллер, способный не только автоматизировать режим «цикли­рования», но и автоматически «отслеживапть» необходимость его выполне­ния, по времени и вычисленному «остаточному ресурсу» АБ без необходи­мости вмешательства и участия операторов и обслуживающего персонала.

Схемные решения зарядного и разрядного преобразователей иден­тичны и представляют собой силовые DC/DC преобразователи [3] с мосто­вым инвертером, высокочастотным трансформатором и локальными систе­мами управления (ШИМ-микроконтроллерами) с датчиками напряжений и токов. Питание собственных нужд преобразователей осуществляется от со­ответствующих входных напряжений через встроенные источники питания, причем следует учитывать, что необходимо обеспечить питанием общую часть схемы во всех режимах: когда нет питания от входных сетей и когда батарея полностью разряжена и находится в режиме «восстановления». Иначе говоря, схема автоматизации аккумуляторной поддержки имеет встро­енный источник бесперебойного питания собственных нужд.

Общая часть схемы управления осуществляет контроль локальных сис­тем управления по времени и по режимным параметрам, включая контроль температуры окружающей среды, а также контроль температуры и давлений отдельных аккумуляторных элементов. Это необходимо не только для выра­ботки сигналов защит, но и для управления окончанием режимов заряда АБ.

Необходимо также принимать во внимание, что ресурс АБ уменьша­ется вдвое на каждые 10°С повышения температуры над уровнем 20°С и учи­тывать это при оценке остаточного ресурса или автоматически стабилизировать температуру с помощью специальной системы климат-контроля.

Таким образом, вариант схемы на рис.41,в может быть рекомендован к использованию, как имеющий ряд следующих преимуществ:

- исключены перерывы питания нагрузки при переключениях на питание от АБ и обратно от выпрямителя;

- используются стандартные технические решения;

- в конкретном режиме работы «под нагрузкой» оказывается только один из преобразователей ЗУ или РУ, что снижает тепловые потери, повышает к.п.д. и надежность такого обратимого преобразователя;

- требования к выходным характеристикам напряжения выпрямителя существенно снижаются;

- при импульсных всплесках нагрузки сохраняется возможность поддержки напряжения на выходе ИБП за счет автоматического подключения АБ через разделительный диод;

- при любых напряжениях батареи напряжение на нагрузке обеспечивается на уровне, номинальном для нагрузки и с требуемой точностью.

Последнее преимущество позволяет выбирать оптимальные аккумуляторы из ряда выпускаемых промышленностью, несмотря на несоответствие требуемого уровня напряжений на нагрузке.