Задача электроснабжения потребителя в ответственном приложении решается обеспечением его некоторым устройством преобразования исходного вида электроэнергии в целевую (например, высокое напряжение переменного тока промышленной сети преобразуется в более низкое постоянного тока). Описанное таким образом назначение устройства (обычно называемого электропитающей установкой — ЭПУ) не раскрывает частностей и специфику конкретного приложения. В то же время, хотя сфера применения таких установок весьма широка, основное их применение находится в задачах электроснабжения телекоммуникационного оборудования, в частности — базовых станций сотовых сетей.
Последнее диктует основную особенность — размещение большого количества ЭПУ на значительной площади, в том числе в труднодоступных местах (гористая местность, лес, отсутствие дорог). Вследствие названного к ЭПУ предъявляются следующие требования:
- обеспечение бесперебойной работы ЭПУ при кратковременном отсутствии (до нескольких часов) напряжения в промышленной сети
- удалённый мониторинг состояния ЭПУ
- развитые механизмы самодиагностики ЭПУ и прогнозирования аварийных ситуаций
Задача создания ЭПУ в соответствии с приведёнными требованиями не оригинальна, имеется на рынке значительное число решений как зарубежного, так и отечественного производства. Но каждому из них можно приписать тот или иной недостаток. Как правило — высокую стоимость и/или недостаточную эффективность решения поставленных задач. Причём если первое, в общем-то, понятно (большинство продаваемых в России ЭПУ полностью изготовлены под известными зарубежными брендами или же содержат основные узлы от таких брендов), то второе требует некоторой подробности рассмотрения.
Анализ известного решения и постановка задачи
Возьмём за основу схему ЭПУ (см. рис. 1) фирмы Emerson [1] как одного из наиболее авторитетных производителей ЭПУ и их узлов. Схема помимо выпрямительных модулей включает в свой состав контроллер (SCU+), на который возложены все функции мониторинга и диагностики ЭПУ. Коротким пунктиром на схеме показаны линии подключения узлов ЭПУ к контроллеру. Шина CAN имеет подключение в данной схеме только к выпрямителям.
Рис. 1. Функциональная схема ЭПУ Emerson
Для обеспечения максимального времени автономной работы введено понятие приоритетной и неприоритетной нагрузок (обычно говорят о двух или трёх уровнях приоритета; схема на рис. 1 двухуровневая). По мере снижение ёмкости аккумуляторных батарей в автономном режиме (т.е. в отсутствие электросети) поочерёдно отключается неприоритетная нагрузка, а затем и приоритетная с обесточиванием контроллера и его модулей. Коммутация нагрузок выполняется контакторами LVD1 и LVD2.
Набор автоматических выключателей контролируется на факт отключения одного или более из них. Отметим, что существуют ЭПУ в которых отслеживается конкретный выключатель — это может позволить на основе статистических данных автоматически информировать оператора сети ЭПУ о «проблемности» каналов нагрузки, на которых наблюдается частое отключение.
В качестве датчика тока используется токоизмерительный шунт. Служит датчик для оценки тока зарядки аккумулятора.
Среди функций системы от Emerson с контроллером SCU+ (помимо собственно обеспечения электропитания нагрузки) стоит выделить наиболее важные:
Аварийное отключение аккумуляторных батарей. Основывается на названном выше понятии приоритетной и неприоритетной нагрузок, отключаемых контакторами раздельно по мере разряда батарей. Поскольку речь идёт об автономной работе, то вместе с отключением приоритетной нагрузки обесточивается и система мониторинга (контроллер).
Тестирование аккумуляторных батарей. Реализовано за счёт отключения части выпрямительных модулей с перенесением нагрузки на аккумуляторы или уменьшением выходного напряжения.
Оценка состояния аккумуляторных батарей по нарушению их симметрии и уменьшению ёмкости.
Зарядка (в том числе ускоренная) аккумуляторных батарей с термокомпенсацией.
Ресурсосбережение выпрямительных модулей. Используется попеременное отключение выпрямителей при неполной загрузке.
Контроль работоспособности выпрямительных модулей по разбалансу потребляемой мощности, по температуре, по контролю за работой вентиляторов принудительного охлаждения.
Во-первых, следует отметить, что с контроллером (показан на рис. 2) возможно использование лишь приспособленных выпрямительных модулей (также фирмы Emerson), так как управление выпрямителями и контроль за их работой осуществляется по CAN-шине с закрытым протоколом. Впрочем, это общепринятая практика со стороны производителей комплексных решений.
Рис. 2. Внешний вид стандартного контроллера (SCU+)
Во-вторых, схема предполагает взаимодействие с цифровой схемой выпрямителей, работоспособность которой при выходе выпрямителя из строя не гарантируется. А значит, не гарантируется управляемость выпрямителя от контроллера и, в частности — отключение выпрямителя от электрической сети. В итоге может быть повреждена не только сама ЭПУ, но и оборудование потребителя.
Третий немаловажный фактор — использование буферной схемы включения двух параллельных аккумуляторных батарей. Конечно, существуют схемы объединения батарей при параллельном включении, а также существуют много видов аккумуляторов помимо свинцово-кислотных (варианты технологий: AGM, GEL, OPzV, GroE, OPzS, OGi): более ёмкие литий-ионные Li-ion, или к примеру, новейшие никель-солевые Ni/NaCl [2]. Но все они сами по себе не могут использоваться в буферном режиме и требуют дополнительных (как правило — встроенных) схем заряда и коммутации на нагрузку.
Однако решения эти чрезвычайно дороги и не находят применения в России. В массе своей лишь самое дешёвое и не совсем корректное решение — параллельное включение герметичных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Максимум, что может быть использовано конструкторами ЭПУ для нормализации ситуации — термокомпенсация заряда. Напряжение заряда при этом может оказаться невелико, и аккумулятор будет не полностью заряжен, что снижает время автономной работы. Да и заряд аккумулятора после цикла автономной работы достаточно долгий, что может вызвать нарушение работы потребителя электроэнергии в случае скорого повторного сбоя питания.
Проведённый анализ хотя и основан для конкретности на продукте Emerson, однако описывает типовые особенности всех ЭПУ. Это подводит нас к постановке задачи: требуется разработать универсальное решение, допускающее применение недорогих аккумуляторов и выпрямителей любого производителя без снижения надёжности и срока эксплуатации. Разработка ЭПУ с соответствующей системой мониторинга и диагностики, как ожидается, даст дополнительный экономический выигрыш, поскольку нет необходимости в покупке дорогостоящего программного обеспечения мониторинга сети ЭПУ.
В следующей части статьи мы займёмся поиском соответствующего технического решения.
Список использованных источников
- http://www.emerson.com
- http://www.fiamm.com/en/northamerica/industrial-batteries/technologies/sodio-cloruro-di-nichel.aspx>
Автор: FDA
