Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте
ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
I  I
> „
явям


ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ, ТЕЛЕМЕХАНИКИ И СВЯЗИ
Учебник
повышает бесперебойность обеспечения электроэнергией потребителей, снижает себестоимость электроэнергии посре; яством более экономичного распрсда ici I ия нагрузки между электростанци я м и, создает условия лучшего использования энергетических ресурсов. Кроме того, уменьшается резервная мощность, т.е. мощность, не загруженная в данный момент времени, ио готовая принять нагрузку. Управление энергосистемой осуществляется обычно из единого диспетчерского центра.
Районные энергосистемы, имеющие замкнутую структуру электрических сетей (обычно напряжением НО кВ), обладают уникальным свойством—двухсторонним электроснабжением потребителей, подключенным к таким сетям. Двухстороннее питание позволяет существенно повысить надежность электроснабжения железнодорожных потребителей электрической энергии I категории, в том числе устройств СЦБ и связи. Поэтому появилась возможность отказаться от дорогостоящих систем батарейного питания. В настоящее время батарейные системы питания проектируются в исключительных случаях при наличии соответствующего технико-экономического обоснования.
При безбапшрейной системе—основной современной системе питания устройств СЦБ—технологическое оборудование АБ и ЭЦ (рельсовые цепи, светофоры и стрелочные электроприводы) получают питание переменным током от трансформаторов, преобразователей и выпрямителей. Аккумуляторный резерв в этом случае предусматривается только для питания реле ЭЦ, входных светофоров, устройств автоматики на переездах и для источников бесперебойного питания микропроцессорных систем.
В данном учебнике рассматриваются следующие вопросы: общие принципы распределения электрической энергии, классификация электроприемников СЖАТ по надежности энергоснабжения и основные директивные документы (гл. 1), элементы электро1штающих устройств (гл. 2—5), методы и средства защиты объектов от перегрузок и импульсных помех (гл. 6), системы электропитания устройств автоматики и телемеханики (гл. 7), устройств связи (гл. 8), радиотехнических устройств (гл. 9), компьютерной и микропроцессорной техники (гл. 10).
Для получения дополнительных сведений следует пользоваться рекомендуемой литературой.
Глава 1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
1.1. Понятие о Правилах устройства
электроустановок
В государственном масштабе производство и распределение электрической энергии контролирует Министерство топлива и энергетики Российской Федерации, в структуру которого входит Главное управление государственного энергетического надзора—Главгосэнергонадзор России. Основной функцией Главгосэнергонадзора является единая для всей страны регламентация использования электрической энергии, определяемая Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), которые систематически переиздаются с необходимыми изменениями и дополнениями [1.4].
Правила устройства электроустановок распространяются на вновь сооружаемые и реконструируемые электроустановки до 750 кВ, в том числе на специальные электроустановки. Требования ПУЭ обязательны для всех ведомств, организаций и пред приятий, занимающихся проектированием, монтажом и эксплуатацией электроустановок независимо от форм собственности.
Сооружение и эксплуатация специальных электроустановок, не оговоренных в ПУЭ, должны регламентироваться д ирективными документами других министерств и ведомств. Отдельные требования ПУЭ должны применяться для таких установок в той мере, в какой они по исполнению и условиям работы аналогичны электроустановкам, оговоренным в Правилах. Так, на основе ПУЭ в 1985 г. институтом «Гипротранссигнал-связь» разработаны, а Главным управлением сигнализации и связи МПС утверждены Ведомственные нормы технологического проектирования (ВНТП/МПС-85) [5].
5
Правила устройства электроустановок [1.4] содержат общую часть, в которой даются определен! гя, область npi imci ici i ня и общие указания по устройству электроустановок, выбору проводников и электрических аппаратов. В ПУЭ также входят следующие разделы: распределительные устройства и подстанции, электросиловые установки, электрическое освещение, электрооборудование специальных установок, канализация электрической энергии, защита и автоматика.
Рассмотрим основные определения и общие требования к ус тройствам электроснабжения.
Электроустановками называется совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, трансформа! щи, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другой вид энергии. Электроустановки i ю услоы !ям электробезопаспосп i разделяются на элсктро-установкидо 1 кВ и электроустановки выше 1 кВ (по действующему 31 гачени ю i !апряжег гия).
Приемником электрической энергии (электроприемником) называется аппарат, агрегат, механизм, предназначенный для преобразования электрической эг юргии в другой вид энергии.
Потребителем электрической энергии называется электроприемник или группа электроприемников, объединенных технологическим процессом и размещающихся на определенной территории.
Категории элсктроприемииков по надежности электроснабжения определяются в процессе проектирования системы электроснабжения на основании нормативной документации, а также технологической части проекта. В отношении обеспечения надежности энергоснабжения ПУЭ разделяю г элсктроприемники наследующие три категории.
Электроприемники I категории — электроприемники, перерыв эпергосг габжения ко торых может повлечь за собой опасность щтя жизгш людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расст ройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения.
Из состава элек гроприемников I кагегории выделяется особая группа электроириемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров.
6
Элсктроприемники 11 категории — электро приемники, перерыв энергоснабжения которых приводи! к массовому т тедоо тттуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.
Э. юктроприемники III категории—все остальные электроприемники, не подходящие под определения I и II категорий.
Электроприемники 1 категории должны обеспечиваться электро-энер1 ней от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их энергоснабжения при нарушении энергоснабжения одного из источников питания может быть допущен лишь на время автомагическо! о восста! ювления т ти гания.
Дня энерт ос! табжения особой т руппы эз тек троприемников I ка гегорт ти должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания.
В качестве третьего независимого источника питания для особой груш ты электро! триемников и в качестве вт орого независимого источника питания для ост альных электронриемников I категории могут быть использованы местные электростанции, электростанции энергосистем (в частности, шит ты генераторного т тапряжения), предназначен! тые для этих целей ат регаты бесперебойного питания, аккумулятор! !ые ба тареи и т.п.
Если резервированием электроснабжения нельзя обеспечить непрерывность технологического процесса или если резервирование электроснабжения эко! юмически нецелесообразно, должно быть осуществлено технологическое резервирование, например, путем установки взаимно резервирующих технологических агрегат ов, специальных устройств безаварийного останова технологического процесса, действующих при нар\т iTci ши элек гроснабжеш тя.
Элек I роснабженис электронриехшиков I категории с особо сложным непрерывным технологическим процессом, требующим длительного времени на восстановления нормального режима, при н^шичгш технико-экономических обоснований рекомендуется осуществлять от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, к которым нредъятыяюгсядопо.шшгсльттыетрсбования.о!1редслясмь1сособенностями техт то ’ютттческого процссса.
Элсктроприемники II категории в нормальных режимах должны обеспечиваться электроэнергией о т двух независимых взаимно резервирующих источников пита!тия.
7
Для электроприемников II категории при i гаруптении энергоснабжения одного из источников питания допусти м ы перерывы энергоснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной опера т ивной бригады.
Для электроприемников III категории энергоснабжение может выполняться от одного источника при условии, что перерывы энергоснабжения, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы энергоснабжения, не превышают одних суток.
Электрическая сеть—это совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории.
Для электрических сетей следует предусматривать технические мероприятия по обеспечению качества электрической энергии в соответствии с требованиями ГОСТ 13109 [2].
При проектировании систем электроснабжения и реконструкции электроустановок должны рассматриваться следующие вопросы:
-	перспектива развития энергосистем и систем электроснабжения с учетом рационального сочетания вновь сооружаемых электрических сетей и действующих сетей;
-	обеспечение комплексного централизованного электроснабжения всех потребителей электрической энергии, расположенных в зоне действия электрических сетей, независимо от их принадлежности;
-	ограничение токов короткого замыкания предельными уровнями, определяемыми на перспективу;
-	снижение потерь электрической энергии;
-	соответствие принимаемых решений условиям охраны окружающей среды.
. 1.2. Производство и распределение электрической энергии
Почти вся электрическая энергия (примерно 98%), производимая в стране, вырабатывается на тепловых (ТЭС), гидравлических (ГЭС) и атомных электростанциях (АЭС). Крупные тепловые электрические станции и гидроэлектростанции размещают возле мест добычи топлива
8
или в удобных руслах рек, как правило, удаленных от центров потребления энергии. Напряжение генераторов электростанций (ЭС) обычно не превышает 20 кВ, поэтому для передачи больших мощностей от таких электростанций в районы потребления экономически целесообразно повысить это напряжение. Для этого на ЭС устанавливаются повышающие трансформаторы, на выходе которых напряжение составляет 110—1150 кВ.
Посредством высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП) трехфазного тока высокого напряжения 110—1150 кВ большинство электростанций и теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) связывают между собой, предусматривая повышающие и понижающие подстанции для совместной (параллельной) работы их на общую нагрузку. Совокупность нескольких электрических станций, объединенных под единым хозяйственным и техническим руководством с целью совместного производства и распределения между потребителями электрической и тепловой энер! ни, составляет энергетическую систему (энергосистему). В Российской Федерации энергосистемы получили очень широкое распространение: свыше 95 % всей электроэнергии вырабатывается на электростанциях, объединенных в энергосистемы почти 100 районных энергетических систем (РЭС), сети которых охватывают около 80 % обжитой территории страны. Основная часть РЭС—более 85 % установленной мощности станций—работает в составе 11 объединенных энергосистем (ОЭС), девять из которых входят в Единую электроэнергетическую систему (ЕЭС) страны. Распределение нагрузок в ЕЭС регулируется посредством ЛЭП межсистемных связей.
Электрическую часть энергосистемы, состоящую из генераторов и распределительных устройств электростанций, повышающих и понижающих подстанций, воздушных и кабельных линий передачи различных напряжений и электроприемников разных типов называют электрической системой.
Устройства для передачи и распределения электрической энергии состоят из подстанций и линий передачи и называются электрическими сетями. Таким образом, в состав сетей входят не только ЛЭП различных конструкций и напряжений, но и все электрическое оборудование подстанций—силовые трансформаторы, выключатели, разъединители, устройства защиты и автоматики, контрольно-измерительные приборы.
Электрическая энергия подводится к потребителям с помощью питающих и распределительных сетей различных напряжений. В России построены и успешно эксплуатируются мощные ЛЭП трехфазного тока
9
напряжением до 1150 кВ. Проводя i ся |х iСму гы по созданию ЛЭП постоянного тока напряжением 1500 кВ.
Каждая районная энергосистема j imcctcboio уникальную структуру, что объясняется историей ее возникновашя и i юследующими модернизациями. На рис. 1.1 представлен абстрактный 11ример энергетической системы.
Электрическая станция ЭС1 расг юложеиа на значительном расстоянии от основных потребителей электроэнергии. Поэтому энергия, вырабатываемая генераторами при напряжении 20 кВ, преобразуется повышающим трансформатором (ТПВ) на напряжение 500 кВ и при этом напряжении передается на трансформаторную подстанцию энергосистемы (ТП ЭС). Эта подстанция предназначена доя подачи энергии ЭС 1 в данную энергосистему и связи с другими энергосистемами.
На подстанции ТП ЭС с помощью понижающих автотрансформаторов (АТПН) энергия преобразуется на напряжение 220 кВ. Одна из ЛЭП напряжением 220 кВ передает энергию на мощную районную трансформаторную подстанцию (РТП), где с помощью автотрансформаторов АТПН напряжение снижается до 110 кВ и подается в замкнутую кольцевую сеть с использованием ЛЭП 110 кВ. В эту же сеть энергия поступает также от районной электростанции ЭС2 и теплоэлектроцентрали ЭСЗ. Часть потребителей получают питание непосредственно от генераторных шин ЭС через трансформаторные подстанции (ТП). По питаемой с двух сторон линии электропередачи 110 кВ энергия подводится к железнодорожному узлу—центральным распределительным подстанциям ЦРП1 и ЦРП2, промышленным предприятиям и жилым массивам (на рис. 1.1 не показаны), а также к тяговым подстанциям ТГШ и ТГП2 участка железной дороги, электрифицированного по системе переменного тока 25 кВ.
Центральные распределительные подстанции ЦРП 1 и ЦРП2 железнодорожного узла преобразуют напряжение 110 кВ районной сети в напряжение 10 кВ, которое поступает на вводные шины трансформаторных подстанций (ТП). Подстанции ЦРП, как правило, совмещены с одной из ТП. Количество ТП определяется числом железнодорожных потребителей и на крупных станциях достигает нескольких десятков. Объекты железнодорожною узла или станции получают питание от шин 0,4 кВ понижающих трансформаторных подстанций. В общем балансе электроэнергии страны желез! юдорожный транспорт потребляет около 10 % всей вырабатываемой энергии. В табл. 1.1 приведены основные железнодорожные потребители электроэнергии [6].
10
ТаблицаLI
Баланс расхода электроэнергии потребителями железнодорожного узла
Расход электроэнергии, %
Потребитель
всего
на технологические нужды
на освещение ------------
помещений
территории
< Нл.скты служб: локомотивной вагонной водоснабжения и санитарно-технических устройств
гражданских сооружений перевозок
сигнализации и связи пассажирской грузовой пути
электрификации и энергетического хозяйства
Предприятия ОАО «РЖД», I ie входящие в систему же-j 1езных дорог
Объекты коммунальнобытового сектора
20,5 15,3 6,3
3,8 15,1 8,7
5,1
4,8
4,2
1,7
3,9
78,8 88,2
98,9
73,0 0,4
99,3 33,6
92,7 78,5
84,0
82,0
10,6	18,0
18,2 8,0 0,3
24,2 3,9 0,6
64,2 2,3 16,5 15,2
14,1
3,0
3,8
0,8
2,8
95,7 0,1
2,2
5,0
5,0 0,8
3,9
75,0	7,0
И
ИЭЕКЯЭ ХННИЭХОИЭЖЭИГ ]JGif
111111 гы 10 кВ ЦРП и ТП соединяются воздушными или кабельными пиниями, образуя железнодорожную распределительную сеть. Длина рас-н । >< у цся । ительной сети узла составляет 8—20 км, доля воздушных линий— 111 м । мерно 40 % этой длины.
11 з- га I {аличия приемников I категории распределительные сети проек-। Ирмо г замкнутыми с двусторонним питанием. Вводы ТП, откоторых tnii:i ю гея приемники I категории, имеют выключатели с аппаратурой м щи и >i от коротких замыканий. Вводы ТП, от которых питаются приемники 1111111 категорий, для удешевления и упрощения обслуживания подстанций 11 ы । ioj। няют без выключателей. Для железнодорожных распределитель-п ы х сетей характерно наличие радиальных линий, питающих одну или 11 • екч у 11 .ко ТП. Эти ТП предназначены для электроснабжения приемников П и и < кт ювном III категорий.
)лек гроприемники 1 категории (например, посты электрической и 11 ic । к* г* юрской I централизации, дома связи и др.) получают питание от 11111110,* I к В । рапсформаторных подстанций ТП по двум четырехпроводным (11 я । фазы и нуль) кабельным линиям — питающим фидерам Ф1 и Ф2 (»*м. рис. 1.1), подключенным к разным трансформаторным подстанциям. 11.т ijicKT рифицированных участках один из фидеров (Ф1) может । >i 111. । ю; цключен к шинам собственных нужд тяговой подстанции (ТГП2).
I яговые подстанции ТГП1 и ТГП2 (на рис. 1.1 условно показаны in**) < и юрудованы трехобмоточными трансформаторами 115/38,5/27,5 кВ инн 115/27,5/11 кВ. Обмотка27,5 кВ предназначена для питания тяговых ' । ei 11 юременного тока 25 кВ, а вторичная обмотка на 38,5 или 11 кВ— ।! । я у (ергоснабжения нагрузок, расположенных вблизи железной дороги 111 >< »м । »i 11 шенных предприятий, ремонтных заводов и сельскохозяйственных । к > 11 >сбителей—так называемых нетяговых потребителей. Железно-|д > I х )Ж11ые линейные потребители, расположенные вдоль железной дороги (путевой инструмент, приборы освещения жилых путевых зданий, 1111; । к | )орм промежуточных станций и разъездов и др.), обычно получают нюргию от высоковольтных линий продольного энергоснабжения (1I ПЭ) напряжением 35 или 10 кВ, прокладываемых на отдельных < >i юрах или опорах контактной сети.
) (ля электроснабжения автоблокировки и электрической централи-ia 1111111 фомежуточных станций вдоль участка прокладывают отдельную । рехфазную высоковольтную линию 10 кВ автоблокировки (ВЛ СЦБ) с
13
изолированной нейтралью. Питание в ВЛ С ЦБ подается от вторичной обмотки повышающего трансформа юра 1 С ЦБ, первичная обмотка которого подключена к наиболее падежному источнику ТГП—шинам 0,4 кВ собственных нужд (ШСН) тяговой подстанции. Для резервного питания автоблокировки используется ВЛ 11Э.
1.3. Классификация потребителей СЦБ и связи по надежности обеспечения электрической энергией
В соответствии с ВНТП [5] по надежности энергоснабжения приемники элек грической энергии СЦБ и связи разделяются на четыре категории.
К особой группе Iкатегории относятся:
-	устройства постов электрической централизации участковых, узловых, пассажирских и сортировочных станций с числом стрелок более 30;
-	системы ТУ-ТСцентральных i юстов диспетчерской централизации;
-	устройства узлов связи (в том числе обслуживаемых усилительных пунктов); радиорелейных станций; приемных и передающих радиоцентров коротковолновой радиосвязи;
-	нагрузки освещения и вентиляции гарантированной системы шгтания для тех устройсгв СЦБ и связи, которые относятся к этой группе.
Системой гарантировш н юго пита! 1ия называется совокупность устройсгв, включающих в себя щитки и разводящую сеть с электроприемниками, обеспечиваемых энергоснабжением от вводной панели (посты ЭЦ, ДЦ, ГАЦ ил и узлы связи), по надежности pa bi гым энергоснабжению технологических устройств СЦБ и связи. К электро! фиемникам систем гарантированного питания относятся: аварийное освещение для продолжения работы при сбоях в электроснабже) ши, вентиляция резервной а)юктростат п щи и аккумуляторной. К этим электроприемникам до! iyciимо он юсить и другие устройства, перерыв электрос! габжения которых может вызвать сбой в движении поездов.
КIкатегории относятся:
-	устройства ЭЦ промежуточных станций с числом стрелок до 30, ЭЦ маневровых районов (МЭЦ), сл анциошюй блокировки:
14
vcтройства автоматической и полуавтоматической олокировкн, tn ргездной сигнализации, контрольных пунктов автоматической к ikomo гивной сигнализации;
комплекс горочной автоматической централизации, включая it >м и рессорные станции и наружное освещение вершин горок, путей и । । ви га (в предел ах до 100 мот вершины горки), зоны замедлителей, а rm же горловин парков приема и отправления на сортировочных механизированных горках; устройства пунктов списывания вагонов на । <»р| провочных станциях с автоматической системой управления; in»11уходуы 1ыс станцшI пневматической ио*гты;
сис темы станционных уст ройств поездной и станционной радио-
। им ш;
устройства тоннельной и обвальнойсигнализации, пунк i ов обнаружения нагрева букс, контрольно-габаритных устройств, автома тических камер хранения;
-	на । рузк! I освещен! гя и вентиляции rapai 1 гироватп юй системы питан] ы шя । ex устройств СЦБ и связи, которые относятся к I категории.
Ко II категории относятся:
-	компрессорные станции, предназначенные для пневматической очистки стрелок, пункты списывания вагонов на сортировочных станциях, не оборудованных автоматической системой управления, । ia ружное освещение сортировочных парков механизированных горок (за । включением зоны замедлителей);
-	громкоговорящая оповестительная связь промежуточных станций;
। ромкоговорящая двухсторонняя парковая связь станций;
-обогрев контактов автопереключателей стрелочных электроприводов.
КIII категории относятся:
- необслуживаемые усилительные пункты (НУП);
-освещение (негарантированное), электрическое отопление, общая вентиляция и другие электроприемники всех служебно-технических зданий (посты ЭЦ, ДЦ и ГАЦ, узлы связи, мастерские, монтерские пункты, сетевые районы, гаражи и т.п. ), не отнесенные к I или II кате-। ории, устройства освещения переездов.
-дорожные электротехнические мастерские, дорожные лаборатории, контрольно-исныгательные пункты.
Расход электроэнергии при эксплуатации устройств автоматики, телемеханики и связи приведен в табл. 1.2 [6].
Расход электроэнергии при эксплуатации устройств автоматики, телемеханики и связи
Таблица 1.2
Потребитель	Удельный расход электроэнергии, кВт-ч/ед.
Годовая эксплуатация: централизованной стрелки рельсовой цепи на перегонах или станции светофора автоблокировки или электрической централизации линейного трансформатора автоблокировки 0,63 кВ-А полуавтоматической блокировки станции устройства ТУ-ТС центрального поста одного круга диспетчерской централизации мастерская дистанции сигнализации и связи контрольно-испытательный пункт приборов СЦБ цех автостопов и радиосвязи номера автоматической телефонной станции канала технического телеграфа линейно-аппаратного зала трансляционного усилителя радиостанции Обработка вагона механизированной сортировочной горкой Часовая эксплуатация стволов радиорелейной связи: первого второго и всех последующих	700-900 240-280 120-140 1180-1200 8700-8900 32000-34000 10100-10600 3600-3900 2400-2600 44-46 320-360 400-440 6900-7100 890-910 0,38-0,44 2,4-2,8 1 Д-1,6
16
1.4. Основные требования к устройствам электроснабжения
1,4.1. Источники внешнего электроснабжения
При проектировании устройств в процессе изысканий необходимо выяснить пригодность источников электроснабжения для питания устройств СЦБ и связи. Критерием пригодности такого источника служит । к ^соединение потребителей только I или II категории.
Электроснабжение постов ЭЦ, ДЦ и узлов связи должно выполняться < > г двух независимых, взаимно резервирующих источников питания. Независимым источником питания электроприемника или группы > । юктроприемников называется источник питания, на котором сохраняется пап ряжение при отключении его на другом или других источниках питания
>1 их электроприемников.
К числу независимых источников питания относятся две секции или ci ютемы шин одной или двух трансформаторных подстанций (электро-с га нций) при одновременном соблюдении следующих двух условий:
1) каждая секция или система шин в свою очередь имеет питание от 11 сзависимого источника питания (например, ТП 1 и ТП2 на рис. 1.1);
2) секции (системы) шин не связаны между собой или имеют связь, : штоматически огключающуюся при нарушении нормальной работы одной из секций (систем) шин.
Во втором случае один центр питания можно рассматривать не как < v щ н, а как несколько независимых источников питания по числу секций I >аспределительного устройства 10 кВ центра питания. Например, этим свойством обладает каждая подстанция ЦРП1 и ЦРП2 (см. рис. 1.1), по; включенная к замкнутой сети напряжением 110 кВ районной энергосистемы. Числосекций, которые могуграссматриваться в качестве независимых । кт очников, определяетсяместными особенностями и,ентра питания, которые । юобходимо каждый раз тщательно анализировать, с одной стороны, для обеспечения надежного электроснабжения, а с другой — во избежание 11собоснованного удорожания строительства системы электроснабжения.
В проектах энергоснабжения устройств СЦБ и связи должны прово-; и г 1 вся расчеты токов короткого замыкания и выбор токов срабатывания 11 |эе/ (охранителей (уставок предохранителей) с обеспечением селективности
' Вл. Сапожников
17
их срабатывания в источнике питания (например, подстанции) и электроприемнике (вводной панели). Уставка защиты электроприемника, как правило, принимается на 30 % ниже уставки защиты источника питания.
Обычно в схемах энергоснабжения устройств СЦБ и связи указывают основные (более надежные) и резервные фидеры питания. На вводных панелях электропитающих установок предусматривается аппаратура, обеспечивающая автоматический переход питания с основного фидера на резервный в случае отключения или снижения напряжения ниже установленного нормами значения.
При проектировании энергоснабжения устройств СЦБ или связи с расчетной индуктивной нагрузкой, превышающей 30 квар, следует предусматривать компенсацию реактивной мощности.
1.4.2.	Ввод питающих фидеров
Подвод питающего напряжения к постам ЭЦ, ДЦ, ГАЦ и домам связи должен быть выполнен двумя самостоятельными (одноцепными) питающими линиями—фидерами. Каждый из фидеров представляет собой силовой четырехжильный кабель (три фазы и нуль), сечение которого рассчитывается на максимальный длительный ток нагрузки. Энергоснабжение объектов СЦБ и связи, размещаемых в совмещенных зданиях, как правило, должно производиться по общим питающим линиям, рассчитанным на суммарную нагрузку, и резервироваться от общих дизель-генераторов.
Две кабельные питающие линии называются одноцепными, если они проложены по отдельным изолированным одна от другой трассам от каждого независимого источника питания. Расстояние между траншеями для таких кабелей должно быть не менее 3 м, а в стесненных условиях— не менее 1 м. В пределах зданий эти кабели должны прокладываться друг от друга на расстоянии не менее 1,5 м по вертикали и 1 м по горизонтали. При меньших расстояниях кабели должны разделяться специальными перегородками с пределом огнестойкости не менее 0,25 ч.
1.4.3.	Резервные электростанции
В качестве резервного источника питания ВЛ СЦБ, а также для резервного пита! !ия устройств ЭЦ и электросвязи могут быть использованы
18
электростанции с одним автоматизированным дизель-генератором (ДГА). Однако должно соблюдаться условие, что эти электростанции обслуживают только устройства СЦБ и электросвязи. Мощность резервных электростанций выбирается из условия обеспечения энергоснабжением потребителей I категории. При наличии свободной мощности резервных дизель-генераторов последняя может быть использована для питания освещения (негарантированного) и общей вентиляции зданий.
Запас топлива для резервных электростанций, являющихся для потребителей электроэнергии третьим независимым источником питания, должен обеспечивать работу дизель-генератора в течение 2 суток.
1.4.4.	Аккумуляторный резерв
Аккумуляторный резервный источник питания устройств СЦБ и связи должен быть в постоянной готовности и обеспечивать бесперебойную работу устройств в случае отключения питания переменного тока в соответствии с установленными нормами [1].
При расчете номинальной емкости аккумуляторов должны учитываться нагрузки расчетной длительности режима резервирования, снижение емкости аккумуляторов от интенсивности разряда и снижение температуры аккумуляторного помещения ниже 15 С (для аккумуляторов типа С), а также снижение емкости аккумуляторов на 15 % в результате старения. Для зданий с водяным отоплением температура в аккумуляторной устанавливается 15°С, в необслуживаемых зданиях (релейные будки, посты станций ЭЦ на диспетчерском управлении и т.п.) — +5 С. При размещении аккумуляторов в наружных шкафах принимается общее снижение их емкости, составляющее 50 %.
При энергоснабжении устройств СЦБ и связи от ВЛ СЦБ и ПЭ двухцепных линий или одного источника энергоснабжения и отсутствии
резерва от местных дизель-генераторных установок восстановление емкости батарей после их полного разряда должно производиться не более чем через 36 часов.
По нормам технологического проектирования устанавливается расчетное время резервирования устройств СЦБ и связи от аккумуляторных батарей (табл. 1.3 и 1.4).
19
Таблица 1.3
Нормы длительности резервного питания от аккумуляторов устройств СЦБ и связи, отнесенных к особой группе I категории
Устройства, отнесенные к потребителям особой группы I категории	Источники энергоснабжения			
	Два независимых источника и ДГА	Два независимых источника	Один источник с двумя питающими фидерами	
			и два взаимо-резервируе-мых ДГ А	и ДГА
Узел связи Радиорелейные станции обслуживаемые Радиорелейные станции необслуживаемые Электрическая централизация крупных станций, включая устройства связи Центральный пост диспетчерской централизации	2 ч(всех устройств) То же 8 ч(всех устройств) 2 ч(всех устройств связи) и 2 ч реле	6 ч(всех устройств)	2 ч(всех устройств) 8 ч (всех устройств)	6 ч(всех устройств) 	
Примечание. Прочерк означает, что применение данных устройства при указанных видах энергоснабжения не рекомендуется.
20
Нормы длительности резервного питания от аккумуляторов устройств СЦБ и связи, отнесенных к I категории
Продолжение табл. 1.4
Примечание. Прочерк означает, что применение данных устройств при указанных видах энергоснабжения не рекомендуется.
22
I h > всех случаях, кроме оговоренных в табл. 1.3 и 1.4, длительность и । умуля горного резерва красных огней входных светофоров устанавли-Ц и'К’Я 12 ч.
А кку муляторный резерв огням предупредительных светофоров на и» |»« । онах с полуавтоматической блокировкой предусматривается только • ы \ чистках с автономной тягой при энергоснабжении от ВЛ ПЭ.
1.	5. Нормы качества электрической энергии
11	соответствии с ГОСТ 13109-97 [1.2] показателями качества электри-• к ekoi г )i юргии являются отклонение напряжения и частоты; колебания, ♦ <<•< пнусоидальность, несимметрия, провал, импульс напряжения и i»i >cmci п юс перенапряжение.
Установлены два вида норм качества электрической энергии: । н »1 >малыю допустимые и предельно допустимые. В эксплуатационных у» 11 о в 11 я х оценка соответствия показателей качества указанным нормам 111 и > । юднтся в течение расчетного периода, равного 24 ч. В [ 1.2] приведены 11 иные и приближенные формулы для расчета этих показателей и 11 »с6< >ва1 шя к контролю и погрешности измерения.
Отклонение напряжения характеризуется показателем устано-||| । in псгося отклонения напряжения	:
. 8?7у = Uy~ ^ном • 100 %, у U
ном
1111 я ко горого установлены нормально допустимые и предельно допустимые и п । чс11ия на выводах приемников электрической энергии. Эти значения p i in । ы соответственно ±5 и ± 10 % от номинального напряжения (7НОМ hick । рической сети по ГОСТ 721 и ГОСТ 21128 [7 и 8].
Таким образом, требование ПТЭ: «номинальное напряжение । ic| )сменного тока на устройствах СЦБ должно быть 110,220 или 380 В. (>i 1сюг1енияотуказаннь1хвелиг1инноминальногонапряжениядопуска1отсяв • тропу уменьшения не более 10 %, а в сторону увеличения—не более 5 %» |1| нс противоречит ГОСТ 13109-97 и должно учитываться при и । kj । ючении договоров на пользование электрической энергией между н । срт оснабжающей организацией и железной дорогой.
23
Отклонение частоты Д/’ Гц определяется как разность между установившимся и номинальным 311ачспи я м и частоты:
I д
А/ “ /у /пом > /у ' “ . / . fi >
N
У i=]
где Д — установившееся значение частоты, которое принимается как результат усреднения N >15наблюдсний частотына интервале времени, равном 20 с.
Нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения частоты равны ±0,2 и ±0,4 Гц соответственно. В нормах технологического проектирования [5] указано, что «допустимые отклонения частоты переменного тока для питания устройств СЦБ и связи не должны превышать ±1 Гц». Это объясняется необходимостью использования в качестве резервных источников питания дизель-генераторных агрегатов (ДГА), где обеспечить требования ГОСТ 13109-97 по отклонению частоты затруднительно.
Колебания напряжения характеризуются следующими показателями: размахом изменения напряжения 8 Ut и дозой фликера Pv
Размах изменения напряжения в процентах вычисляют по формуле
8(Л =
•100 %,
ном
где ир и/+1 — значения следующих друг за другом экстремумов или экстремума и горизонтального участка огибающей среднеквадратичных значений напряжения основной частоты, определенных на каждом полупериоде, В.
Предельно допустимые значения суммы установившегося отклонения напряжения 8 С/ и размаха изменения напряжения 8 Ut в электрических сетях напряжением 380 В должно быть не более ±10% от номинального напряжения.
Фликер—субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети, питающей эти источники. Доза фликера Pt — это мера восприимчивости человека к воздействию фликера за установленный промежуток времени. На практике измеряется специальными приборами—фликерметрами. Кратковременную дозу фликера определяют на интервале времени наблюдения Юмин, а длительную—на
24
huh риале 2 ч. Предельно допустимое значение кратковременной дозы Ф 1111 • । ». । и 11 < >мсщениях, где требуется значительное зрительное напряжешь / н»11 mi I о составлять не более 1,0... 1,3 8, а длительной дозы фликера— и* । н • н<г 0,74... 1,0. Мера фликера используется как одно из требований • праны груда к помещениям служебно-технических зданий, например к > 11 и i.i р и н ы м I юмещениям постов электрической централизации.
/ / < •< инуеоидалыюстъ напряжения характеризуется коэффициентом и । сипя синусоидальности кривой напряжения КуИ коэффициентом и i i (।»। и горой до 40-й) гармонической составляющей напряжения Ку(пу \ катанные коэффициенты вычисляются по формулам:
u0)i
•100%.
В > 111 х формулах К и — коэффициент искажения синусоидальности 11111 ioi i । iai [ряжения; Ку ' —коэффициент п~й гармонической составляю-..........ряжения; Uф —действующее значение напряжения основной • ы< । <> гы; U— действующее значение напряжения и-й гармоники— 111 м ле га вляют собой величины, измеренные и рассчитанные для z-ro наб-11 <»I ici 111я. N> 9—число наблюдений, выполненных в течение 24 ч.
Для электрических сетей с номинальным напряжением до 380 В ।н >1 >мально допустимое значение коэффициента искажения синусои-н|| ны1ости кривой напряжения должно составлять KL< 8, апредельно и< >нус гимое — Кц < 12. Значения нормально допустимых значений м»н|м1)11циента/7-й гармонической составляющей напряжения зависит от । к >мс| )а гармоники. Для нечетных гармоник, кратных трем,	должен
«<»< га влять не более 5,0...0,2; для нечетных гармоник, не кратных трем,— <• 0... 1,5; для четных гармоник — 2,0...0,2. Предельно допустимые и । л • ici шя	могут принимать значения в полтора раза большие.
/ 1есимметрия напряжения характеризуется коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности А?2^и коэффициентом । кч’11мметрии напряжений по нулевой последовательности К§у.
25
Значения указанных коэффициентов вычисляют в результате jV> 9 числа наблюдений, выполненных в течение 24 часов, по формулам:
гдеТО/. =—^--100%; ' ^(1);
гдеКда< = 	0(1)- -100%.
U2(1), и нулевой
Uo(i). последовательностей и
оиг
В каждом z-м наблюдении измеряют действующие напряжения прямой Uщ)., обратной
вычисляют коэффициенты несимметрии К2и и Kw .
Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффи-
циентов К2 и и	цддя. электрических сетей с номинальным напряжением
380 В должны быть не более 2,0 и 4,0 % соответственно [2].
Провал напряжения характеризуется показателем длительности
провала напряжения Д/
Под провалом напряжения понимается внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9 Ц.1ОМ, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня
через промежуток времени от 10 мс нескольких десятков секунд.
Длительность провала напряжения Azn—это интервал времени между
начальным моментом времени zH провала напряжения до момента tK его восстановления: Д/п =	По ГОСТ 13109-97 предельно допустимое
значение длительности провала напряжения в электрических сетях до 20 кВ включительно составляет 30 с.
Временное перенапряжение характеризуется показателем коэффициента временного перенапряжения
Временное перенапряжение—это повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1 t/HOM продолжительностью более Юмс^ возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях.
26
Коэффициент временного перенапряжения	у—величина, равная
(пношению максимального значения огибающей ам1 шитудных значений
। спряжения Ua max к амплитуде номинального i iari ряжения сети:
T-r	а шах
псрЛ' ~J2U~' v ном
Значение коэффициента временного перенапряжения 7^ ^в зависимости от длительности перенапряжения А/	до 1 с, до 20 с и до 60 с,
не превышает соответственно значений 1,47; 1,31 и 1,15 [1.2].
Исключение составляет обрыв нулевого провода в трехфазных электрических сетях напряжением до 1 кВ, работающих с глухо заземленной нейтралью (например, фидеров питания электрической । централизации). В этом случае возникают перенапряжения между фазой п землей. Уровень таких перенапряжений при значительной несимметрии фазных нагрузок может достигать значений междуфазного (линейного) 1 кшряжения, а длительность—нескольких часов.
Импульс напряжения характеризуется амплитудой и длительностью импульсного напряжения {711МП.
Импульс напряжения—это резкое изменение напряжения в точке шектрической сети, за которым следует восстановление напряжения до 11срвоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд. Основными причинами возникновения им-। |ульсов напряжения являются грозовые и коммутационные напряжения, возникающие в электрических сетях.
Амплитудные значения грозовых импульсных напряжений с вероят-। юстью 90 % не превышают 10 кВ в воздушной электрической сети и 6 кВ во внутренней проводке зданий и сооружений. Коммутационные импульс-11 ые напряжения в электрических сетях до 380 В с вероятностью 95 % не превышают 4,5 кВ [2].
1.6. Ряды номинальных напряжений
Оборудование, применяемое в электрических системах, характеризуется номинальным напряжением. При номинальном напряжении С/ном на зажимах электроприемники работают в оптимальном режиме, с максимальным КПД. Значения номинального напряжения наносят на
27
заводские таблички генераторов, трансформаторов, двигателей и другого электрического оборудования, на колбы или цоколи ламп накаливания или других источников света.
В общем случае номинальное значение параметра — это указанное изготовителем значение параметра электротехнического устройства.
Следует различать номинальные напряжения источников и приемников электрической энергии.
Если в начало линии, подключенной на равномерную распределенную нагрузку, подать напряжение 17ном, то практически все электроприемники окажутся под напряжением, меньшим номинального напряжения на величину падения напряжения в линии (рис. 1.2, график 7). Если принять напряжение в конце линии равным <7НОМ, то все электроприемники будут испытывать перегрузку (график 2). Поэтому принято, что в начале линии, имеющей длину L, напряжение Ц должно быть выше, а в ее конце U2 ниже С7НОМ на одну и ту же величину, по действующим стандартам [7] и [8] на 5 % (график 5). Предельно допустимое значение колебания напряжения составляет 10 % (график 4). Тогда среднее напряжение линии, равное (Ц + 172)/2, окажется близким к номинальному для электроприемников. Поэтому номинальное напряжение линий и сетей принято считать равным номинальному напряжению электроприемников. Первичные обмотки трансформаторов (независимо от того, являются ли последние повышающими или понижающими) играют роль потребителей электрической энергии, поэтому их номинальное напряжение также принимают равным номинальному напряжению электроприемников.
0	L/3	L/2
Рис. 1.2. Распределение напряжения на электроприемниках электрической сети
Источники напряжения — генераторы электростанций, преобразователи и вторичные обмотки трансформаторов—находятся в начале питаемой ими сети, поэтому их напряжения, т.е номинальные напряжения источников, при полной нагрузке должны превышать на 5 % номинальные напряжения электроприемников.
Именно таким образом ГОСТ 21128-83 определяет ряды номинальных напряжений для источников, преобразователей, электрических сетей и электроприемников напряжением до 1000В(табл. 1.5), а ГОСТ 721-77 (табл. 1.6)—свыше 1 000 В. Здесь и далее напряжение переменного тока— это действующее значение напряжения. Напряжение постоянного тока— это напряжение химических источников постоянного тока или напряжение выпрямленного тока с содержанием пульсаций не более 10 % от действующего значения.
Для химических источников тока и присоединенных к ним приемников шкала номинальных напряжений одинакова и имеет вид: 2,4; 4,5; 9,0; 24,0 В. Для отдельных первичных элементов и аккумуляторов допускается применять номинальные напряжения, равные их ЭДС.
В ПТЭ указано, что номинальное напряжение переменного тока на устройствах СЦБ должно быть НО, 220 или 380 В. Отклонения от указанных величин номинального напряжения допускаются в сторону уменьшения не более 10 %, а в сторону увеличения не более 5 % (см. график 5 на рис. 1.2). Более жесткие требования по предельно допустимому повышению напряжения источника объясняются требованиями по обеспечению безопасности работы рельсовых цепей.
Таблица 1.5
Ряд номинальных напряжений для источников напряжением до 1000 В
Вид тока	Номинальное напряжение, В	
	источников и преобразователей	электрических сетей и электроприемников
Постоянный Переменный однофазный Переменный трехфазный*	6; 12; 28,5; 48; 62; 115; 230; 460 6; 12; 28,5; 42; 62; 115; 230; 42; 62; 230; 400; 690	6; 12; 27; 48; 60; НО; 220; 440 6; 12; 27; 40; 60; ПО; 220 40; 60; 220; 380; 660
Примечание. Знаком * отмечены между фазные (линейные) значения г
трехфазного напряжения.
29
Таблица 1.6
Ряд номинальных напряжений для источников напряжением свыше 1000 В
Номинальное напряжение приемников электроэнергии и сетей, кВ
Номинальные междуфазные напряжения, кВ, на зажимах
генераторов и синхронных компенсаторов
трансформаторов и автотрансформаторов без РПН
первичные обмотки
вторичные обмотки
трансформаторов и автотрансформато-Ров с РПН
первичные обмотки
вторичные обмотки
(3)
6
10
20
35
ПО
(150)
220
330
500
750 1150
(3,15)
6,3
10,5
21,0
(3)и (3,15)*
6 и 6,3*
10и 10,5*
20
35
330
500
750
(3,15) и (3,3)
6,3 и 6,6
10,5 и 11,0
22,0
38,5
121
(165)
242
347
525
787
6 и 6,3*
10 и 10,5* 20 и 21,0*
35 и 36,75
110 и 115
(158) 220 й
230
330
500
750
1150
(3,15)
6,3 и
6,6
10,5 и
11,0
22,0
38,5
115 и
121 (158) 230 и
240
330
Наибольшее рабочее напряжение элек-трообо-рудова-ния, кВ
(3,6)
7,2
12,0
24,0
40,5
126
172 252
363
525
787
1200
Примечания'. 1. Напряжения, указанные в скобках, для вновь проектируемых сетей не рекомендуются.
2. Знаком * отмечены напряжения для трансформаторов и автотрансформаторов, присоединяемых непосредственно к шинам генераторного напряжения электрических станций или к выводам генераторов.
3. РПН — регулирование напряжения под нагрузкой.
30
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Как в Правилах устройства электроустановок классифицируются электроприемники в отношении надежности энергоснабжения?
2.	Какие устройства СЦБ и связи относятся к электроприемникам особой группы I категории?
3.	Каким условиям должен отвечать независимый источник электропитания постов электрической централизации?
4.	Как вводятся фидера электропитания в здания постов ЭЦ, ДЦ, ГАЦ и домов связи?
5.	Каковы нормы длительности резервного питания устройств СЦБ и связи от аккумуляторных батарей?
6.	Приведите основные характеристики показателей качества электрической энергии.
7.	Каково различие между понятиями номинальных напряжений источника и приемника электрической энергии?
8.	Какие допустимые отклонения от номинальных значений питающих напряжений устройств СЦБ и связи указаны в ПТЭ?
Глава 2
ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
2.1.	Первичные химические источники тока
Устройство, в котором химическая энергия заложенных в нем активных веществ непосредственно преобразуется в электрическую энергию при протекании электрохимических реакций, называется химическим источником тока (ХИТ).
Гальванический элемент представляет собой химический источник тока, состоящий из: ыектродов и электролита, заключенных в один сосуд, 11редпазначсш1ый для разового или многократно! о использования. Токо-ведущей частью гальванического элемента являю гея элек гроды. находящиеся в koi пакте с электролитом и образующие с ним фа зовую границу. Электролиз—жидкое или твердое вещество, содержащее подвижные ионы, обеспечивающие его ионную проводимость и протекание электрохимических реакций на фазовой гран и не с электролитом. Активная масса г 1редставляет собой смесь акт! твного bci i ^сства элемента и bci i jccib. обеспечивающих ei о заданные физико-химические свойства. Совокупность акп юных веществ и электролита, на основе которых создай элемент, называется электрохимической системой химических источников тока.
Все химические источники тока подразделяют на первичные и вгорич-1 пяе. Первичтгьтй XI f Г предназначен для разового hci ipepWBiroro или прерывистого разряда, вторичный—для многократного использования за счсг воссгановлсиия химической Э11ергии акч ивных веществ в i ipoijecceзаряда.
Принт in действ! !я первичного химического источника тока рассмот рим на примере гальванического элемента Якоби—Даниэля (рис. 2.1), состоящего из медного элект рода 5, погруженного в раствор медного купороса CuSO4. и цинкового электрода 7. погруженного в раствор цинкового купороса ZnSO4. Электролиты, заливаемые в стеклянный сосуд, соприкасаю гея друг с другом, но не смешиваются, так как разделены пористой перегородкой 2.
При hoi ружеиии цинкового электрода в раствор элек i роли га поло-
жительные ионы металла смещаются в приэлсктродное пространство. 11оложителы1ые ионы электролита осаждаются на поверхности электрода.
32
’ h и и 111К11 1ОЖИТЕЛЬНЫХ HOIIOB.
• » । лnh.iк цинковымэлектро-н I в Iцчгм 1сктродноепрост-|чнн ниц будет превышать н 1.1 к»। ioi к via цельных ионов, inn lyiiiiHiniixпаегоповсрх-IIIн и. in электролита. На i n । 1роде образуются сво-। н । 'it и.н* шек । |юны, и он заря-। и i< и отрицательно. Вре-» 111. ।. । и* оор; гзуегся заряжен-|ин1 <ной, обладающий liiipi цененной разностью 11111 г 1111 н а лов, 1 шзываемый
Рис. 2.1 Гальванический элемент
Якоби—Даниэля
। и ь пцн н)ны.м потенциилом <р. h пи в растворэлектроли-
II н< н । >у hi 11> медный электрод
1111 > V нет происходить аналогичный процесс. Однако медный электрод
ш .1 и । вприэлсктродное пространство меньше положительных ионов, эй 111 \ (юаждается на поверхности из электролита. Электрод заряжается I и ни । in и ел ыю, и создается электродный потенциал (р+
При замыкании внешней цени свободные электроны с отрицатель-III и < । >пск1рода перемещаются к положительному электроду и,соединяясь . ।н нтми меди, образуют нейтральные молекулы. 1 [роисходит процесс и. и < гл i кишения меди. Отрицательные ионы кислотного остатка от । и ни i nn । пдиыюго элек।рода через электроли г перемещаются к отрицагель-Ц| 1му hick гроду, где, соединяясь с ионами цинка, образуют цинковый || п« ц н >с. 11а поверхности положительного электрода будут осаждаться «и |н|.|с попы меди и будет происходить их нейтрализация. В результате ин г |рохпмических процессов образуются дополнительные молекулы пиикоиого купороса и уменьшается число молекул медного купороса. Пион юсть электролита у отрицательного электрода увеличивается, а у
। и нн > /кп тошного уменьшается.
М леса оз рицателыюго электрода уменьшается, а положительного , । и • 11 н • । и вл ci ся. Реакции на отри i ia тельном электроде, сопровождаю! i щеся м< in.шепнем массы, называю гея процессом окисления, а реакции на
 1Ч| I 111«1>К11ИКОи
33
положительном электроде, сопровождающиеся увеличением массы,
называются процессом восстановления.
2.2.	Электрические характеристики
Электродвижущая сила (ЭДС) определяется как алгебраическая разность электродных потенциалов на зажимах химического источника тока (при отсутствии тока во внешней цепи) Е - (р+ - <р_. ЭДС может быть измерена компенсационным методом или вольтметром с большим
внутренним сопротивлением.
Рис. 2.2. Схема измерения напряжения разряда первичного химического источника тока
Напряжение определяется разностью потенциалов на зажимах химического источника тока (рис. 2.2).
Первичные химические источники тока характеризуются напряжением разряда U.р, а вторичные—напряжением заряда U3 и напряжением разряда:
р	рвн’
где / — ток, отдаваемый источником во внешнюю цепь при разряде;
/ вн — внутреннее сопротивление химического источника тока.
Различают начальное С/рп, среднее С/ и конечное С/ напряжения разряда. Начальное напряжение—это напряжение химического источника
тока в начале непрерывного разряда или в начале первого периода при прерывистом разряде. Среднее—напряжение, измеряемое через равные интервалы времени в течение непрерывного разряда химического источника тока.
Среднее разрядное напряжение
где t - время разряда.
Конечное напряжение—заданное напряжение, ниже которого химический источник тока считается разряженным.
Внутреннее сопротивление химического источника тока г определяется как сумма омического и поляризационного сопротивлений
34
/• = го + гтг Омическое сопротивление складывается из омических сопротивлений электролита, электродов и других гоковедущих частей и 1 ic зависит от силы тока. Поляризационное сопротивление обусловлено । вменением электродных потенциалов и зависит от разрядного тока.
Емкость химического источника тока определяет количество электричества (А-ч), которое источник может отдать при разряде от 1 мчального до конечного напряжения при определенных режимах:
Ср = J гР^ , а при 1 = const С = / /
Q	Г	А Е5 * 7
Емкость химического источника тока зависит от его конструкции, количества активных масс, режимов разряда, от разрядного тока и температуры электролита. С увеличением разрядного тока емкость, c i даваемая химическим источником тока, уменьшается, так как ухудшается процесс деполяризации и активные массы элемента используются не I юлностью. При снижении температуры электролита емкость уменьшается.
Количество электричества (А-ч), которое может отдать химический источник тока при нормальных условиях разряда, указанных изготовителем, называют номинальной емкостью Сн.
Для сравнительной оценки химических источников тока вводятся 1 юнятия удельной емкости по объему и удельной емкости по массе. Удельная емкость по объему, А-ч/дм3, Су = Си/У, где V— объем химического источника тока. Удельная емкость по массе, А-ч/кг, С = С„/G, где G— & н масса этого источника.
Для сравнения химических источников тока с разными напряжениями удобнее пользоваться понятиями удельной энергии по объему, Вт-ч/дм , Wy-I Ut /V и у дельной энергии по массе, Вт-ч/кг, Wg- I^U^t^/G.
Саморазрядом называется потеря энергии химическим источником тока, обусловленная протеканием в нем самопроизвольных процессов. Саморазряд обычно выражают в процентах потери емкости за сутки:
5 = -^——^-100%
Сп
где С и Cj — емкости ХИТ (А-ч) до и после хранения соответственно, п — время хранения, сут.
Основными причинами саморазряда химического источника тока являются: самопроизвольное растворение электродов в электролите— корродирование; наличие примесей на электродах и в электролите, что
35
приводит к созданию «местных элементов», в результате чего происходят электрохимические реакции, разрушаются электроды и расходуются активные массы; несовершенство изоляции между отдельными частями элемента. Явление саморазряда неизбежно и происходит постоянно при работе ХИТ и при его хранении.
2.3.	Гальванические элементы марганцово-цинковой и ртутно-цинковой системы



Первичный элемент, в котором электролит находится в загущенном (пастообразном) состоянии, называют сухим элементом.
Первый сухой элемент Лскланше марганцово-цинковой (МЦ) системы состоял из двух электродов, между которыми помещался электролит. Активная масса положительного электрода представляла собой двуокись марганца МпО2, отрицательным электродом служил цинковый стакан. Пространство между электродами было заполнено загущенным электролитом—хлористым аммонием NH4C1.
Сухие элементы марганцово-цинковой системы используют для питания малогабаритной переносной аппаратуры. По типу применяемого электролита сухие элементы подразделяют на щелочные и солевые, а по конструкции—на цилиндрические, призматические или галетные.
В марганцово-цинковом элементе цилиндрической формы с солевым электролитом (рис. 2.3) отрицательный электрод 7 (цинковый стакан) является одновременно сосудом элемента. Положительный электрод 8 представляет собой цилиндр из активной массы, напрессованной на графитовый стержень 1. Эта масса, называемая агломератом, состоит из двуокиси марганца в смеси с графитом для лучшей электропроводности. Следует заметить, что в химической реакции участвует только двуокись марганца. Графитовый стержень служит токоотводом положительного электрода.
Металлический колпачок 3 необходим для подключения внешней цепи. Активная масса положительного электрода обертывается тканью, закрепляется нитками и погружается в стакан 7, на дне которого помещена картонная чашка 10, исключающая соприкосновение электродов снизу. Межэлектродное пространство заполняется электролитом 9 (хлористым аммонием), который загустевает после сборки элемента. В большинстве
)цементов вместо ткани применяют картонную изоляционную прокладку 6, называемую 1i истовой диафрагмой. С наруж-। к >i t стороны на прокладку наносят 11; югообразный слой электролита. Па графитовый стержень вверху 11адстыкаргонныешайбы5,между которыми создается камера для он юда газов 2 при работе элемента. 11а верхнюю шайбу 5 заливается । г юляционный слой компаунда 4 । ia битумной основе. Поверх этого слоя накладывается картонная декоративная шайба, которая предотвращает вытекание компаунда при повышенной температуре.
После сборки сухой элемент
Рис. 2.3 Сухой элемент марганцово-цинковой системы (элемент 373)
। о гов к работе. При замыкании внешней цепи в сухом элементе происходит электрохимическая реакция, в результате которой возникает ток.
11а цинковом электроде начинается реакция окисления, приводящая к ci о разрушению. Во время реакции расходуются электролит и активные вещества электродов. По окончании разряда сухой элемент восстанов-11снию не подлежит, так как активные вещества не могут быть регенерированы до первоначального состояния. Элементы цилиндрической формы 11 рименяют для изготовления отдельных элементов и батарей.
Для изготовления батарей марганцово-цинковой системы применяют элементы галетной конструкции, которые имеют форму, предусмат
ривающую непосредственное соединение их при наложении один на
) (ругой. При таком соединении выступ положительного электрода одного
)лемента плотно соприкасается с токопроводящим слоем (отрицательным
электродом) другого элемента, осуществляется их последовательное
соединение. Отсутствие в галетной конструкции элементов, не участвующих в химической реакции токообразования (газовой камеры, угольного стержня, а также соединительных проводников), значительно повышает удельную емкость таких батарей. По сравнению с батареями
37
из МЦ-элементов цилиндрической формы батареи из элементов галетной конструкции имеют удельную емкость на 40 % выше.
Воздушные марганцово-цинковые (ВМЦ) сухие элементы по сравнению с МЦ-элементами обладают еще более высокой удельной емкостью по объему. В воздушных марганцово-цинковых элементах в состав агломерата добавляется активированный уголь, адсорбирующий (поглощающий) кислород из воздуха, что способствует лучшей деполяризации. Увеличение интенсивности деполяризации позволяет получить емкость ВМЦ-элемента в 2 раза большей по сравнению с МЦ-элементом при одинаковых размерах.
Наряду с солевыми элементами широко применяют и элементы марганцово-цинковой системы со щелочным электролитом. Конструктивно эти элементы почти не отличаются друг от друга и обладают примерно одинаковыми электрическими характеристиками. Основное преимущество щелочных элементов в том, что они обладают большим сроком сохраняемости и более экономичны в изготовлении.
Для маркировки элементов и батарей химических источников тока приняты цифробуквенные обозначения, содержащие данные об электрохимической системе, типе электролита, конструкции, габаритных размерах и порядке соединения элементов в батареи, например:
тип электролита (щелочной)
число последовательно соединенных элементов (три) электрохимической системы (МЦ-система) цилиндрической формы
шифр высоты
Если элемент с солевым электролитом, то перед маркировкой буква не ставится. В зависимости от работоспособности элемента при различных температурных режимах после цифрового обозначения ставятся буквы, означающие: У —универсальная, X—хладостойкая, Л— летняя или Т — в тропическом исполнении (элемент пригоден для эксплуатации в районах с тропическим климатом). Кроме того, элементам и батареям марганцово-цинковой системы присваивают наименования:
38
I Ij кшета, Орион, Марс, Юпитер, Уран, Крона BI Рубни и т. д. Начальное । i а пряжение элементов марганцово-цинковой системы 1,4.. Л ,55 В и во время разряда снижается до 0,85..Л В внутреннее сопротивление элемента 1. ..20 Ом.
Ртутно-цинковые (РЦ) элементы также относятся к первичным химическим источникам тока. Они превосходят марганцово-цинковые шементы по некоторым основным электрическим характеристикам: более высокая удельная энергоемкость, стабильность ЭДС, незначительный саморазряд 3—5 % в месяц. Механически они более । фочные. Ртутно-цинковые элементы применяют для питания мало-। абаритной аппаратуры и миниатюрных устройств.
По конструкции различают ртутно-цинковые элементы дисковой и цилиндрической формы. В ртутно-цинковом элементе дисковой конструкции (рис. 2.4) активное вещество положительного электрода 5, состоящее из красной окиси ртути с добавлением графита, запрессовано в чашку 6 (стальной корпус элемента). Отрицательный электрод 2 изготовлен из цинкового порошка, перемешанного с небольшим koj шчеством ртути. Эта масса запрессована в стальную крышку 1. Между электродами помещают несколько слоев фильтровальной бумаги 4, 11 ропитанной электролитом, состоящим из раствора едкого кали и окиси цинка. Крышку 1 вставляют в чашку 6, между ними прокладывают изолирующее резиновое кольцо 5, являющееся в то же время герме-I изирующим уплотнителем. Отсутствие токоотводов сводит к минимуму । ютери внутри элемента, что обеспечивает низкое внутреннее сопротивление и, следовательно, возможность разряда сравнительно большими гоками без заметного снижения разрядного напряжения.
Элементы цилиндрической
конструкции отличаются от дисковых. В них применяют двойные корпуса, что повышает прочность 11 обеспечивает надежность герметизации.
Ртутно-цинковые элементы вы-। |ускаются на различные номиналь-пые емкости и разрядные токи. I кшример, дня элемента РЦ53 номинальная емкость С^~ 0,25 А-ч, ri z
Рис. 2.4. Ртутно-цинковый
элемент
39
разрядный ток /р - ОД 25 А, а для элемента РЦ93 Сн - 13 А-ч; I - 0,3 А. Начальное напряжение разряда р гушо-цинковых элементов	1,25 В,
а конечное U = 1 В. Маркировка элементов и батарей ргутно-цинковой системы аналогична элементам марганцово-цинковой системы:
6Щ5 ЗХ
число последовательно соединенных элементов в батарее (шесть)
электрохимическая система (ртутно-цинковая)
условный размер диаметра (15,6 мм)
условный размер высоты (6,3 мм) вариант исполнения (хладостойкая)
Дополнительные буквы в маркировке означают: С—длительной сохранности, Н—немагнитные, Ф—повышенной мощности, допускает форсированный разряд, В—всеклиматического исполнения.
Наиболее дешевыми в изготовлении, а потому и чаще применяемыми, являются элементы марганцово-цинковой системы. Основным преимуществом всех первичных элементов является их портативность, простота в эксплуатации, постоянная готовность к действию. Наряду с этими преимуществами первичные элементы имеют и ряд недостатков (невозможность повторного заряда, высокое внутреннее сопротивление, сравнительно малый срок хранения), которые ограничивают их применение. На железнодорожном транспорте их используют в основном для питания переносных радиостанций, малогабаритной аппаратуры, телефонных аппаратов системы МБ и измерительных приборов.
2.4.	Вторичные химические источники тока
В системах устройств питания автоматики, телемеханики и связи на транспорте широко распространены вторичные химические источники тока (аккумуляторы), допускающие многократное их использование в течение д лительного срока эксплуатации. Они обладают малым внутренним сопротивлением и допускают большие разрядные токи.
Аккумулятором называется гальванический элемент, предназна-
ченный для многократного разряда за счет восстановления его емкости с помощью заряда электрическим током. Электрическая энергия,
40
। к > цтеблясмая аккумулятором при заряде, преобразуется в химическую, 1 < угорая легко может переходить в электрическую при разряде аккуму-пя гора. Активные вещества, израсходованные при разряде, снова будут
восстановлены при очередном заряде аккумулятора.
В зависимости от состава электрона га аккумуляторы бывают кислотные и щелочные. В электропитающих установках связи и автоматики широко । кнользуют стационарные кислотно-свинцовые аккумуляторы типа С (। )ис. 2.5), которые состоят из стеклян-। юго или эбонитового сосуда 2 или де-рсвянного бака, выложенного изнутри । п 1сговьшсвиьщом,блокаположительнь1х । и 1астин 4 поверхностной конструкции, (шока отрицательных пластин 3 короб-* 1атой конструкции, электролита (водный раствор серной кислоты).
H9SO4; Н?О 4	3 2 1
Рис. 2.5. Кислотно-свинцовый аккумулятор
Поверхностные пластины отливают из чистого свинца в форме решетки ребристой поверхности (рис. 2.6, а). Ребра 1 соединены поясками
жесткости 2. Ребристость пластины позволяет значительно увеличить
поверхность активного вещества, благодаря чему повышается шектрическая емкость пластин и всего аккумулятора. Активные вещества образуют на поверхности пластин сернокислый свинец (PbSO4) в результате специальной обработки, называемой формированием. Поверхностные пластины изготавливают на заводе в формированном незаряженном состоянии. Осуществляется так называемое белое формирование. После заряда аккумулятора активная масса (сернокислый свинец) переходит в двуокись свинца (РЬО2).
Коробчатые пластины (рис. 2.6, б) состоят из двух половинок свинцовых решеток 1 с крупными ячейками, закрытыми свинцовыми сетками 2 с мелкими отверстиями. Ячейки решеток заполняют активной массой 5, представляющей собой свинцовый порошок, замешанный на серной кислоте. Чтобы активные массы предохранить от усадки, к ним добавляют сернокислый барий BaSO4. Отрицательные пластины бывают средними и крайними. Их отличие состоит в том, что в крайних пластинах
41
активные вещества находятся только с одной стороны, с другой их покрывают сплошным слоем свинца.
Рис. 2.6. Поверхностные (я) и коробчатые (б) пластины
Pb;H2SO4 BaSO4

В свинцовых аккумуляторах закрытого типа применяют намазные или пастированные пластины, состоящие из решетки свинцово-сурьмянистого сплава.
Намазные пластины используют в аккумуляторах в качестве как поло зрительных, так и отрицательных электродов. Пластины отличаются только активными массами. Активные массы положительных пластин состоят из свинцового порошка с добавлением сурика. В отрицательных пластинах применяют пасту из химически чистого свинца, смешанного с серной кислотой и сернокислым барием.
Для того чтобы исключить соприкосновение пластин разной полярности, между ними устанавливают изолирующие прокладки, называемые сепараторами, которые изготавливают из кислотостойких микропористых материалов.
42
2.5.	Принцип действия кислотно-свинцовых аккумуляторов
Электролит кислотно-свинцового аккумулятора 11аходится в состоянии ,ш1ссоциации и ассоциации. При этом часть молекул серной кислоты I мспадается на положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислотного остатка, часть молекул воды — на положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислорода:
H2SO4 o2H++S04; Н2Оо2Н+тО .
В целом раствор остается электрически нейтральным.
Для пояснения процессов, происходящих в аккумуляторе при заряде, представим электрическую систему заряженного аккумулятора в качестве исходной:
Положительный
электрод РЬО2
Электролит H2SO4; Н2О
Отрицательный электрод РЬ
При замыкании внешней цепи, в которую включено сопротивление нагрузки RH (рис. 2.7, а), по ней потечет ток, представляющий собой направленный поток электронов (от отрицательного электрода к положительному). Четырехвалентные ионы свинца положительного электрода, присоединяя по два электрона на внешний энергетический уровень, становятся двухвалентными ионами, вступают в реакцию с отрицательными ионами кислотного остатка электролита и образуют нейтральные молекулы сульфата свинца PbSO4 (вещества, образовавшиеся в конце цикла, обведены рамкой).
Во время перемещения электронов с отрицательного электрода положительные ионы свинца будут вступать в реакцию с отрицательными ионами кислотного остатка. Вследствие чего образуются нейтральные молекулы сульфата свинца PbSO4. Нарушение равновесия, вызванное уменьшением электронов на отрицательном электроде, приводит к образованию новых ионов свинца и появлению новых электронов на электроде.
43
HjSQj; H2O d= Ц5...1Д7
H2SO4; H2O <7=1,2..-1,21
Рис. 2.7. Схема, поясняющая разряд (а) и заряд (6) аккумулятора у
В результате электрохимической реакции в процессе разряда аккумулятора положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислорода у положительного и отрицательного электродов образуют нейтральные молекулы воды Н2О.
За счет расхода серной кислоты (при образовании сульфата свинца) плотность электролита для аккумуляторов типа С снижается до 1,15... 1,17 г/см3.
Для заряда аккумулятора (рис. 2.7, б) его подключают к источнику постоянного тока (зарядному устройству). В цепи будет протекать зарядный ток. От отрицательного полюса зарядного устройства электроны будут перемещаться к отрицательному электроду аккумулятора.
Под воздействием электронов из сульфата свинца на отрицательном электроде будет восстанавливаться губчатый свинец РЬ. Отрицательные ионы кислотного остатка диффундируют в электролит кислотно-свинцового аккумулятора.
На положительном электроде сульфат свинца расщепляется на ионы свинца и ионы кислотного остатка. Положительные ионы свинца, соединяясь с отрицательными ионами кислорода, образуют нейтральные молекулы двуокиси свинца РЬО2.
Отрицательные ионы кислотного остатка, образовавшиеся в результате электрохимической реакции у положительного и отрицательного электродов,
соединяясь с положительными ионами водорода диссоциированных
молекул воды, образуют дополнительные молекулы серной кислоты в >| юктролите H2SO4. За счет этого плотность элекгролита к концу заряда в аккумуляторе возрастает (для аккумуляторов типа Сдо 1,2...1,21 г/см .
2.5.1.	Электрические параметры кислотно-свинцовых аккумуляторов
Электродвижущая сила Е полностью заряженного кислотного аккумулятора, зависящая от плотности электролита, составляет 2,06 В, разряженного - 2,02 В.
Напряжение заряда U3. При заряде аккумулятора напряжение, подводимое от источника постоянного тока U3 (рис. 2.8, я), должно i (ревышать ЭДС аккумулятора на падение напряжения на его внутреннем сопротивлении:
и=Е+1г
С/3 ЪТ13/ВН,
I де I - ток заряда.
Рис. 2.8. Схема подключения аккумулятора к источнику постоянного тока (а) и зависимости U.3, Е, I3, dort при его заряде (б)
Для того чтобы обеспечить наиболее простой и широко применяемый режим, когда ток заряда поддержи вается потоянным, следует изменить напряжение заряда. Во время заряда увеличивается ЭДС аккумулятора и увеличивается его внутреннее сопротивление. Следовательно, для поддержания неизменным тока заряда необходимо увеличивать напряжение. Весь процесс заряда при этом можно разбить на два этапа (рис. 2.8, б). На первом этапе возрастает плотность электролита в порах пластин, что вызывает увеличение ЭДС аккумулятора и необходимость увеличения зарядного напряжения для заряда. На поверхности пластин положительного и отрицательного электродов образуются активные массы. Напряжение заряда достигает 2,3 В, начинается «кипение» электролита (электролиз воды с выделением пузырьков газа). На втором этапе процесс образования активных масс происходит в более глубоких слоях пластин. Одновременно с этим начинается интенсивное «кипение». Пузырьки газа не успевают удаляться с поверхности пластин, за счет этого повышается переходное сопротивление электрод—электролит. Для поддержания постоянства тока заряда необходимо еще увеличить напряжение до 2,7...2,8 В. Длительность заряда около 8 ч.
Окончание заряда аккумулятора определяется по ряду характерных признаков: напряжение достигает 2,7.. .2,8 В и в дальнейшем почти не изменяется; происходит интенсивное «кипение» электролита; плотность электролита достигает 1,21 г/см3; цвет положительных пластин становится темно-коричневым, а цвет отрицательных—серым.
При отключении аккумулятора от зарядного источника напряжение на нем резко падает до 2,3 В, а затем медленно снижается до 2 В, что происходит за счет выравнивания плотности электролита.
Напряжение разряда аккумулятора определяется тремя значениями: начальным 2 В, конечным С7 = 1,75... 1,8 В и средним. Среднее напряжение разряда аккумулятора меньше ЭДС на величину падения напряжения на его внутреннем сопротивлении: С7р = Е-/ гвн.
Внутреннее сопротивление гвн аккумулятора равно сумме омического rQ и поляризационного гп сопротивлений: гвн= г0 + гп. Внутреннее сопротивление зависит от размеров и химического состава активных масс пластин. Чем больше размеры пластин, тем меньше внутреннее сопротивление. С изменением химического состава активных масс пластин при заряде и разряде аккумулятора изменяется его внутреннее сопротивление. Однако внутреннее сопротивление аккумуляторов
46
невелико: для аккумуляторов типа С оно составляв г 0,0046/# Ом для и I жженного и 0,006/ 'N Ом для разряженного аккумуляторов, где N-III |дсксный номер аккумулятора.
Различают зарядную и разрядную емкости аккумулятора.
Зарядная емкость определяется количеством электричества, А-ч, ко горое получает аккумулятор при заряде от других источников тока.
Разрядная емкость определяется количеством электричества, которое о г/хает аккумулятор при разряде до конечного напряжения.
Количество электричества, которое может отдать полностью i< । ряженный аккумулятор при нормальных условиях разряда, указанных для него изготовителем, называется номинальной емкостью.
Емкость аккумулятора зависит от числа и размеров пластин. Чем больше I к 1змеры и число пластин, тем больше емкость аккумулятора. При разряде свинцовых аккумуляторов ниже 1,75 В происходит сульфатация пластин, ci । ижающая их емкость и даже приводящая к выходу из строя.
Разрядная емкость зависит от режимов разряда. С увеличением разрядного тока фактическая емкость аккумулятора уменьшается 11 может быть определена по эмпирической формуле
С = С (I /I ~1
I н рн р7 5
। де Сн—номинальная емкость;
I , I — соответственно фактический и номинальный разрядные токи, А;
К = 1,3...1,7 — эмпирический коэффициент.
Под номинальной емкостью понимают такую емкость, которую отдает аккумулятор, разряжаясь номинальным током в течение 10 ч.
При меньшем времени разряда, но при большем токе аккумулятор отдает емкость меньше номинальной. Приняв номинальную емкость за 100 %, фактическую емкость можно выразить через коэффициент интенсивности разряда, %:
р - С\/Сн • 100, тогда Сн = С^/р • 100.
Ниже приведены значения коэффициента интенсивности в зависимости от времени разряда аккумуляторов типа С, СК, СЗ.
Время разряда, ч...	10 7,5	5	3	2	1	0,5
Коэффициент, % 	100 91,7 83,3 75,0 61,1 51,4 34,0
Номинальная емкость од ного аккумулятора указывается при температуре +20°С. При изменении температуры на 1 °C емкость изменяется на 0,8 %.
47
Тогда с учетом температуры фактическая емкость
Ц = СН[1 +а(/-20°)], где а—температурный коэффициент;
t—действительная температура электролита.
Решая это уравнение относительно Сн, имеем: С}~ Ct /[1 + а(/° -20°)]. Тогда номинальная расчетная емкость с учетом действительной тем-пературы и коэффициента интенсивности может быть определена из выражений:
С = сио ’Р П + a(z “ 20° Л ' 100 % = Л tJP П + ~ 20°)]' юо % *	г г
Аккумуляторы характеризуются отдачей по емкости и по энергии. Отношение разрядной емкости аккумулятора к соответствующему количеству электричества, затраченному при его заряде, называется отдачей по емкости т| - С3 ~ Ipt^/Z/3 Для исправного кислотно-свинцового акккумуляторат] =0,84.. .0,9. Отношение энергии, отдаваемой аккумулятором при разряде, к энергии, затраченной при его заряде, называется отдачей по энергии, или КПД: Т|и = 7р U^t /I3 U3t3 для кислотных аккумуляторов = 0,65...0,7.
Саморазряд в аккумуляторах характеризует самопроизвольную потерю запасенной им энергии. Кроме общих причин саморазряда,
присущих всем химическим источникам тока, существует ряд до
полнительных, характерных только для кислотно-свинцовых аккумуляторов. Одна из них—воздействие кислорода из воздуха на активные
массы отрицательных пластин (губчатый свинец). На них, как и на
положительных, образуется двуокись свинца. Создание двух одинаковых
пар (двуокись свинца—электролит) ведет к уравниванию потенциалов
электродов, что равносильно потере емкости. Другая причина конструктивная — положительные пластины (см. рис. 2.6, а), имеют на своей поверхности двуокись свинца, а внутрипорошок свинца. При проникновении электролита в более глубокие слои положительной пластины образуется как бы вторая пара, вследствие чего возникает ток, не протекающий во внешней цепи. Емкость при этом снижается. Третья причина—неравномерная плотность электролита в сосуде аккумулятора. Это создает разные
потенциалы на одном и том же электроде, что вызывает появление местных токов. Емкость уменьшается. Саморазряд аккумуляторов, как и первичных элементов, определяют из выражения (2.1).
2.5.2.	Режимы эксплуатации кислотно-свинцоеых аккумуляторов
Стационарные кислотно-свинцовые аккумуляторы открытого исполнения поставляют с завода-изготовителя в разобранном виде и собирают их на месте эксплуатации. В сосуде размещают группы । ioj южительных и отрицательных пластин, которые соединяют свинцовыми 111 инами с помощью водородной горелки. Затем заливают электролит и влечение 3.. Л ч пластины пропитывают. После этого выполняюттак называемую формовку, а затем—эксплуатационные циклы заряд-разряд, । юрезаряд и контрольный разряд.
Формовка включает в себя предварительный заряд и тренировку. 11ри подключении аккумулятора к зарядному устройству осуществляется предварительный заряд. Зарядный ток выбирается в соответствии с индексным номером аккумулятора I3~>N. Время заряда 24—36 ч до 11ачала «кипения». При этом напряжение достигает 2,4 В, после чего заряд прекращается и аккумулятору дается часовой «отдых». Однако следует обратить внимание на то, что если при заряде температура электролита возрастает выше 45°С, то заряд следует прекратить до । юнижения температуры. Затем заряд снова возобновляется до появления «кипения» с последующим отдыхом в течение часа. Следующий этап— т ренировка, включающий три цикла разряда и заряда. После первого цикла аккумулятор обладает емкостью, равной 70 % от номинальной, а после третьего—аккумулятор имеет емкость, равную номинальной.
Эксплуатационный заряд аккумуляторов может осуществляться в различных режимах.
Заряд при изменяющемся токе и напряжении (рис. 2.9, а). В начальный период аккумулятор заряжается током I3 = 6N. По мере заряда аккумулятора и увеличения зарядного напряжения начинается «кипение» электролита. Для уменьшения интенсивности «кипения» и предотвращения разрушения активной массы пластин зарядный ток плавно снижается до Z = 3,6N, Напряжение заряда увеличивается и достигает 2,7 В. Длительность заряда аккумулятора при этом режиме составляет 12 ч. Недостатком данного режима является бурное «кипение», что приводит к выкрашиванию активных масс электродов и испарению электролита.
4 Вл. Сапожников
49
Рис. 2.9. Режимы эксплуатационного заряда аккумуляторов и зависимость токов и напряжений от времени
50
Режим одноступенчатого заряда (рис. 2.9, б). Данный режим i куществляется при постоянном токе I3 = 3,6/V. Напряжение заряда увеличивается до 2,3 В, после чего начинается «кипение». По мере ц 1 ряда аккумулятора напряжение достигает 2,7 В и в дальнейшем почти не изменяется. Состояние заряда аккумулятора определяется по тем ясс характерным признакам. Длительность заряда /3 = 8 ч. В отличие от предыдущего в этом режиме возможен постоянный контроль зарядной емкости.
Режим двухступенчатого заряда (рис. 2.9, в). Этот режим характерен гем, что вначале аккумулятор заряжается током постоянного значения / = 6N (первая ступень) в течение 4 ч. Напряжение заряда при этом достигает 2,3 В, начинается «кипение». Чтобы оно не было интенсивным, гок ступенчато снижают до /3 (вторая ступень), оставляя его постоянным до конца заряда. Напряжение заряда в момент изменения тока резко снизится, а затем, медленно увеличиваясь к концу заряда, достигнет 2,7 В. Окончание заряда определяется по тем же признакам, длительность режима t = 8 ч. Для осуществления этого режима зарядные устройства должны содержать стабилизаторы тока на две ступени.
Модифицированный режим заряда (рис. 2.9, г). Сначала этот режим выполняется постоянным током I3 — 6N, а при достижении напряжения 2,3 В зарядное устройство переключается в режим стабилизации напряжения. Первый цикл заряда длится около 4 ч, второй при постоянном напряжении, но с уменьшающимся током длится несколько суток. Заканчивают заряд, когда плотность электролита достигнет d - 1,21 г/см3 и останется постоянной. Преимуществом этого режима является отсутствие «кипения» к концу заряда, что исключает разрушение пластин. К недостаткам относится продолжительное время заряда, а также необходимость в более сложном зарядном устройстве.
Режим заряда при постоянном напряжении (рис. 2.9, д). Начальный ток выбирается равным I3 > 6N. К концу заряда ток снижается до I = 3,67V. При этом основную часть зарядной емкости аккумулятор получает в течение первых 10 ч, остальную част ь—в течение нескольких суток. Окончание заряда определяется по плотности электролита d = 1,21 г/см3. Достоинством этого режима являются отсутствие «кипения» и возможность заряда аккумулятора без отключения основной нагрузки выпрямителя. Однако при этом режиме трудно контролировать получаемую емкость, требуется очень продолжительное время заряда.
Заряд токами переменной полярности (см. рис. 2.9, б). Этот режим осуществляется от устройства, на выходе которого через определенные промежутки времени меняется полярность напряжения. Кратковременный заряд чередуется с кратковременным разрядом. Токи, а также д лительность заряда и разряда выбирают исходя из конкретных условий. Однако среднюю величину зарядного тока выбирают такой, чтобы она обеспечивала получение энергии, необходимой для заряда аккумулятора. Преимущество этого режима состоит в том, что в процессе заряда происходят кратковременные разряды, которые способствуют улучшению протекания электрохимических реакций в аккумуляторе.
Эксплуатационный разряд можно подразделить на нормальный, кратковременный и Продолжительный. Режим разряда определяется в основном способом организации электропитания. Если аккумуляторы используются в качестве основного источника, то предусматривается нормальный режим разряда, при котором аккумулятор разряжается номинальным током I ~ 3,67V в течение 10 ч. При аварийном питании используют кратковременный режим, когда ток разряда выбирают из условия 3,6А < / < 18,57V, время разряда 1 ч и менее. Если время разряда аккумулятора более 10 ч, то такой режим называют продолжительным.
2.5,3- Типы кислотно-свинцовых аккумуляторов
Стационарные кислотно-свинцовые аккумуляторы маркируют буквами: С, СК, СЗ, СЗЭ, СН, которые означают: С—стационарный, К— допускающий кратковременный разряд, 3—в закрытом исполнении, Э— эбонитовый сосуд, Н — с намазными (пастированными) пластинами. Число, стоящее после букв, означает номер аккумулятора, по которому можно определить его номинальную емкость, умножив его на 36 (для аккумуляторов типа С, СК, СЗ).
Номинальная емкость аккумулятора типа СК-136 А-ч, аккумулятора типа СК-4144 А-ч ит.д. Промышленностью выпускаются аккумуляторы в открытом исполнении с номерами от 1 до 148, причем аккумуляторы небольшой емкости изготавливают только с индексами К (СК-1, СК-2,...,СК-6), у которых соединительные шины более массивные. В аккумуляторах применяют три типа пластин И-1, И-2 и И-4. Пластины типа И-1 устанавливают в аккумуляторах типа СК-1, СК-2,... ,СК-5. Пластины типа И-2, которые по размерам и емкости вдвое больше, чем пластины типа
52
Ill, размещают в аккумуляторах типов СК-6, С-8 (СК-8),...,С-20 ОК-20). В аккумуляторах большой емкости устанавливают пластины типа 11-4, которые вдвое больше пластин типа И-2. В каждом аккумуляторе число отрицательных пластин на одну больше, чем положительных. В а ккумуляторах типов СЗ, СЗЭ закрытого исполнения находятся пластины । ой же конструкции, что и в аккумуляторах типов С, СК, поэтому их > । юктрические характеристики одинаковы.
В аккумуляторах закрытого исполнения предотвращаются выпрысни ваиие и испарение электролита при заряде и эксплуатации, что । включает необходимость в частой доливке его. Основные электрические характеристики аккумуляторов С, СК, СЗ приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Основные характеристики аккумуляторов типов С, СК, СЗ
Тип аккумулятора
Максимальный ток заря-
СК-1,СЗ-1 СК-2, СЗ-2 СК-3, СЗ-З СК-4 СК-5, СЗ-5 СК-6
С-8, СК-8 С-10, СК-10 С-18,СК-18 С-20, СК-20 СЗЭ-20
С-24, СК-24
С-28, СК-28 С-144, СК-144 С-148, СК-148
27
36
45
54
72
162
180
216
252
1296
1332
Ток и емкость при разряде длительностью, ч
10
37
44
27
74
44
74
27
54
10,8
14,4
36 72 108 144 180 216
64,8 72
100,8
518,4
532,8
360
720
45
54
72
90
162
180
108
135
162
216
270
486
540
66
110
198
220
ПО 132 176 220 396 440
148
185
370
148
185
333
370
864
1008
5184
5328
216
252
1296
1332
756
3888
3996
264
308
1584
1628
528
616
3168
3256
444
518
2664
2738
444
518
2664
2738
Кислот! ю-свинцовые аккумуляторы типа СН выпускают в стеклянных или эбонитовых сосудах, плотно закрываемых эбонитовыми крышками. Их поставляют в собранном виде, и они имеют индексные номера от 1 до 20. Номинальная емкость аккумуляторов типа СН-140 А-ч,
53
аккумулятора типа СН-20 800 А-ч. Электрические параметры аккумуляторов типа СН (табл. 2.2) несколько превосходят электрические параметры аккумуляторов типа С, СК, СЗ. Они обладают более длительным сроком службы, имеют меньшую массу и габаритные размеры, при эксплуатации требуют минимального ухода.
Таблица 2.2
Основные характеристики аккумуляторов типа СН
Тип аккумулятора
Ток и емкость при разряде длительностью, ч
СН-1 СН-2 СН-3 СН-4
СП-5 СН-6
10
Максимальный ток заря-
12
10
20
30
40
50
60
20
24
Р’
СН-10
СН-18
СН-20
100
180
200
40
72
80
40 80 120 160 200 240 320 400 720 800
10
20 30
40 50
60 80 100 180 200
24
30 60 90 120 150 180 240 300 540 600
36
48
60
72
120
216
240
72
96
120
144
192
240
432
480
р’
20
40 60 80 100 120 160 200 360 400
20
40
60
80 100 120
200
360
400
>
Аккумуляторы закрытого исполнения наиболее перспективны и широко распространены. Сосуды аккумуляторов изготавливают из пластмасс, фенолита или пропилена. В них устанавливают намазные пастированные пластины, имеющие более высокие удельные характеристики, чем в аккумуляторах открытого типа. Эти аккумуляторы комплектуют специальными пробками-катализаторами, задерживающими аэрозоли серной кислоты, что улучшает условия их эксплуатации и позволяет устанавливать аккумуляторы в обычных производственных помещениях.
Для обеспечения резервного питания стационарных и напольных устройств автоматики и телемеханики применяют кислотно-свинцовые аккумуляторы типа АБН-72 и АБН-80. Первые две буквы означают область применения: АБ — автоблокировочный, Н — конструкция пластин (намазные).
Двузначная число означает емкость, А-ч. Аккумуляторы типа АБН-72 обладают емкостью 72 А-ч при разряде длительностью 24 ч, аккумуляторы
54
। in in ЛБН-80—емкостью 80 А-ч при разряде длительностью 25 ч. Аккуму-1И1 горы типа АБН-72 выпускают в стеклянных сосудах, герметично 1.1 к ры ваемых крышкой, а аккумуляторы типа АБН-80—в пластмассовом г < )рпусе. Плотность электролита, заливаемого в аккумуляторы, зависит । > । ю I иматических условий эксплуатации—в летний период d =1,19 г/см3, л и 1мой d - 1,3... 1,32 г/см3, что предотвращает замерзание.
) (ля питания устройств автоматики в настоящее время применяются ।; । кже более современные аккумуляторы типа ССАП-76 в пластмассовом корпусе закрытого типа с номинальной емкостью 76 А-ч и меньшими । .чбаритами.
Стартерные кислотно-свинцовые аккумуляторы типа СТ предназначены для запуска двигателей автомобилей, автобусов и 11^акторов. Аккумуляторы собирают в моноблоке из эбонита, фенолита пли пропилена. В моноблок помещают три или шесть одиночных .пскумуляторов, объединенных в батарею напряжением 6 или 12 В. Маркируют их следующим образом:
6СГ75 Э М
число последовательно соединенных аккумуляторов (6) тип аккумулятора стартерный для автомобилей и автобусов
емкость — 75 А-ч
корпус — эбонитовый
сепаратор—мипластовый
2.6.	Щелочные аккумуляторы
Классификация аккумуляторов. Щелочные аккумуляторы используют в переносной аппаратуре и на подвижных объектах. По составу активных масс пластин щелочные аккумуляторы бывают никель-железные (НЖ), никель-кадмиевые (НК) и серебряно-цинковые (СЦ). Наибольшее распространение получили НЖ- и НК-аккумуляторы. По устройству они мало отличаются друг от друга. В стальном никелированном сосуде находятся блоки положительных и отрицательных пластин, разделенных сепараторами. Пластины имеют одинаковую конструкцию и различаются только активной массой. Они состоят из стальной обоймы, в которую
55
вставляются пакеты (ламели) из с тальной никелированной ленты с отверстиями. В пакеты запрессована акт ивная масса. Для отрицательных пластин это железный порошок Fe, а для положительных—гидроксида никеля Ni(OH)3, для лучшей электропроводности перемешанный с графитом. Уравнение химической реакции, происходящей в аккумуляторе при заряде и разряде:
Fe + 2Ni(OH)3 о Fe(OH)2 + 2Ni(OH)2.
В НЖ-аккумуляторе число отрицательных пластин на одну больше, чем положительных. Крайние (отрицательные) пластины касаются корпуса, и он сообщается с отрицательным полюсом аккумулятора. Электролитом служит раствор едкого кали КОН или натрия N аОН, в воде имеющий плотность 1,21 г/см3, с добавкой едкого лития LiOH. Для аккумуляторов этого типа используют обозначение: НЖ-45 (НЖ означает электрохимическую систему, а 45—емкость аккумулятора, А-ч).
В никель-кадмиевых аккумуляторах активная масса отрицательных пластин состоит из губчатого кадмия. Положительные пластины в них идентичны пластинам НЖ-аккумуляторов. В НК-аккумуляторах положительные пластины крайние. Они касаются корпуса, вследствие чего он сообщается с положительным полюсом.
Обозначение НК-аккумуляторов этой конструкции такое же, как и никель-железных.
В переносной аппаратуре с небольшим потреблением энергии широко используют малогабаритные герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы. Их выпускают в трех конструктивных вариантах: дисковые, цилиндрические и прямоугольные. Эти аккумуляторы обладают небольшой емкостью С=0,06... 1,5 А-ч. Особенностью таких аккумуляторов является поглощение ими газов, выделяемых активными массами электродов при заряде. Однако скорость поглощения газов мала, и давление в аккумуляторе значительно возрастает, что может привести к деформации и даже разрыву корпуса. При этом зарядный ток /3 < 0,1 Сн. Герметичные аккумуляторы маркируются таким образом: 7Д 0,1, где 7—число последовательно соединенных аккумуляторов в батарее; Д—тип конструкции (дисковый); 0,1 —емкость, А-ч.
Электрические характеристики. Электродвижущая сила у заряженных никель-железных аккумуляторов 1,5 В, у разряженных 1,3 В, а у НК-аккумуляторов соответственно 1,4 и 1,27 В.
56
Напряжение аккумуляторов в конце заряда Ц = 1,8 В. При нормальном разряде напряжение снижаетсядо [7 1,0 В, при кратковременном режиме до <7рк = 0,5 В. Среднее напряжение разряда [7р = 1,27В.
Емкость аккумуляторов определяется размером и числом пластин и мало зависит от тока разряда и температуры э;тсктролита. Для щелочных аккумуляторов отдача по емкости т)с = 0,65, отдача по энергии т|н, = 0,5.
Внутреннее сопротивление заряженного аккумулятора, Ом, гвн — = 0,35/Сн, а разряженного аккумулятора гви = (1,5...2)0,35/Си.
Саморазряд щелочных аккумуляторов за 30 суток хранения при температуре 20°С составляет 30—50 % номинальной емкости.
Щелочные аккумуляторы, за исключением герметичных никелькадмиевых, поставляются с завода-изготовителя сухими, без электролита, который заливают перед зарядкой. Первичный заряд аккумуляторов осуществляется в течение 12 ч током Э3 — Сп&9 а эксплуатационный заряд таким же током—в течение 6 ч. Номинальный разряд аккумулятора длится 8 ч. По основным электрическим характеристикам (Е, U, гвн, Т|н,) щелочные аккумуляторы уступают кислотно-свинцовым, но допускают большие разрядные токи, менее чувствительны к короткому замыканию, обладают более высокой механической прочностью.
2.7.	Аккумуляторные помещения
Для размещения аккумуляторных батарей оборудуют специальные помещения, называемые аккумуляторными. Не разрешается размещать в одном помещении кислотно-свинцовые и щелочные аккумуляторы. Размеры аккумуляторной зависят от типа и числа аккумуляторов. Необходимо, чтобы высота аккумуляторного помещения была 3 м, в отдельных случаях допускаются более низкие потолки, но не менее 2,4 м. Пол в аккумуляторной, выполняемый на бетонном основании, должен быть строго горизонтальным. Сверху на пол наносят два слоя специального электролитоупорного асфальта или один слой асфальта, и на него укладывают метлахские плитки. Потолки и стены следует тщательно оштукатурить и покрыть электролитоупорной краской.
Стеллажи в аккумуляторной расположены так, чтобы обеспечивался свободный доступ к аккумуляторам для их текущего обслуживания и ремонта. Расстояние между стеллажами должно быть не менее 1 м. Аккумуляторные батареи размещают так, чтобы исключалась возможность
одновременного случайного прикоы ювения к двум токоведущим частям, имеющим разность потенциалов более 250 В. Для проводки в аккумуляторных помещениях используют кабель в полихлорвиниловой оболочке с медными жилами в резиновой изоляции или шинопроводы. Кабели укладывают в металлические трубы под полом аккумуляторной. Концы труб, выходящие из-под пола, заливают гудроном.
При работе аккумуляторы выделяют водород и кислород, образуя взрывоопасную гремучую смесь. Для устранения гремучей смеси аккумуляторные оборудуют приточно-вытяжной вентиляцией, которая должна обеспечивать 5—10-кратный обмен воздуха в час в зависимости от числа и типа аккумуляторов и от размеров помещения. Вентиляционная установка находится вне аккумуляторной и осуществляет приток подогретого воздуха по металлическому или шлакобетонному коробам, размещаемым на высоте 1,5 м от пола. Отверстия делают на противоположной стенке: вверху для удаления легких газов (водорода) и внизу для удаления тяжелых газов (кислорода). Затем вытяжные короба в виде шахты или трубы выводят наверх, так, чтобы они возвышались над крышей не менее чем на 1,5 м.
Аккумуляторное помещение рекомендуется отапливать калориферным устройством, подающим теплый воздух через вентиляционный канал. Применяется также водяное или паровое центральное отопление. Для нормальной работы аккумуляторов температура в помещении должна быть не ниже+10°С.
В дневное время используют естественное освещение. Для исключения нагрева аккумуляторов от прямого попадания солнечных лучей оконные стекла делают матовыми или покрывают их тонким слоем светлой краски. В темное время суток применяют искусственное освещение с освещенностью не менее 40 лк. В аккумуляторной устанавливают газонепроницаемые, взрывобезопасные светильники, исключающие взрыв газов. Выключатели и розетки для переносных ламп устанавливают перед входом в аккумуляторное помещение.
Для исключения попадания вредных газовых выделений от аккумуляторов в соседние помещения аккумуляторная отделяется тамбуром с дверями, открывающимися наружу. Площадь тамбура должна быть не менее 1,5 м2 и обеспечивать свободное открывание внутренней двери при закрытой входной. Рядом с аккумуляторной размещается помещение кислотной для хранения кислоты, дистиллированной воды, запасных частей и принадлежностей для приготовления электролита. В этом
помещении имеется также водопроводный кран для промывки
। к ку муляторов и инструментов.
При попадании на кожу или одежду серной кислоты ее необходимо нейтрализовать 10 %-ным раствором соды или нашатырного спирта. Лица, обслуживающие аккумуляторы, должны иметь диэлектрические перчатки, фартуки и галоши.
Обычно аккумуляторные размещают на первом этаже рядом с । к смещением для выпрямителей.
2.8.	Новые перспективные химические источники тока
Малоуходные кислотно-свипцовые аккумуляторы. Начиная с 1970-х гг. выпускаются малоуходные (малообслуживаемые), требующие । юзначительного ухода, и герметизированные или необслуживаемые ; । ккумуляторные батареи.
Малоуходными называются закрытые аккумуляторы, изготовленные । ю классической технологии с жидким электролитом, но требующие мень-11 и IX затрат на обслуживание. Среди ведущих фирм мира по производству таких аккумуляторов можно отметить Sonnenschein, НОРРЕСКЕ (1 ермания), COSLIGHT, CASIL (Китай), Oldham France (Франция), I Л АММ (Италия), YUASA (Великобритания), CSB (Япония/Тайваыь).
Малообслуживаемые аккумуляторы требуют доливки воды 1 раз в 2 -6 лет в зависимости от активных масс электродов. Конструктивной особенностью является возможность заливки электролита с некоторым запасом, а прозрачный корпус позволяет легко определять и контролировать его уровень.
Основное преимущество малообслуживаемых аккумуляторов, изготовленных по технологии с жидким электролитом,—увеличенный по сравнению с герметизированными аккумуляторами срок службы.
В малоуходпых аккумуляторах в процессе перезаряда происходит распыление электролита с выделением газов. Уменьшение расхода жидкого электролита достигается использованием клапанов, пропускающих газы, по задерживающих жидкость. Для увеличения интервалов между работами по уходу за аккумуляторами некоторые фирмы используют
*П. 2.8 написан совместно Н.П. Ковалевым и Е.В. Козакевич.
59
пробки с каталитическими насадками. Например, фирма Норреске использует AquaGen, которые представляют собой специальные пробки, вмонтированные в крышки аккумуляторов. Эти насадки содержат в себе металлические катализаторы (катализатор—вещество, небольшие добавки, которого ускоряют химическую реакцию или изменяют ее скорость). Образующийся в аккумуляторах водяной пар конденсируется и стекает в аккумулятор.
Герметизированные кислотно-свинцовые аккумуляторы. Благодаря развитию технологии производства аккумуляторов удалось избавиться от жидкого электролита и уменьшить выделение газов. Это позволило создать необслуживаемые аккумуляторы.
Герметизированными называются аккумуляторы в герметичном корпусе, не требующие обслуживания и дополнительной доливки воды в течение всего срока службы.
Преимуществом герметизированных аккумуляторов является то, что они могут устанавливаться в стойках питаемой аппаратуры, в закрытых помещениях с естественной вентиляцией, а также в одном помещении с работающим персоналом. Отсутствие необходимости в отдельном аккумуляторном помещении и принудительной вентиляции значительно сокращает затраты на установку и обслуживание аккумуляторов.
К достоинствам герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей относятся невысокая стоимость, малый саморазряд. При правильных условиях заряда и разряда они могут выдерживать 800-— 1000 циклов. Однако эти аккумуляторы имеют самую низкую удельную емкость и очень чувствительны к глубоким циклам разряда, что приводит к сокращению срока службы.
В настоящее время активно внедряются герметизированные аккумуляторы, выполненные по технологиям Dry fit и A GM (абсорбированный электролит).
В них используются два основных способа «связывания» электролитов: - перевод в гелеобразное состояние (GelledElectrolite — GEL);
- пропитка жидким электролитом пористого заполнителя, например стекловолокна (технология абсорбированного электролита Absorptive Glass Mat — A GM);
Технология GEL. разработанная в конце 50-х гг., предусматривает в качестве загустителя добавки в электролит: силикагель, алюмогель, сульфат кальция и др. Перед заполнением аккумулятора такое желе интенсивно пе-
I вмешивают, и оно становится текучим. После заполнения аккумулятора и результате застывания геля образуется много пор, которые способствуют свободному движению газообразного кислорода.
Технология^ GM. разработанная в конце 70-х годов, использует пропи-।, 11 п гый жидким электролитом пористый заполнитель из стекловолокна. М икропоры этого материала заполнены электролитом не полностью. ( вободный объем используется для рекомбинации газов.
Кроме того, применяются различные гибридные технологии, использующие один или несколько способов улучшения параметров аккумуля-। < >ров. Сравнение параметров, изготовленных по GEL- и А бТИ-техноло-। ням, аккумуляторов показывает некоторые преимущества последних, < зеобенно при больших токах, что обусловлено как самой конструкцией, гак и другими технологическими усовершенствованиями.
Применение особо чистых материалов, отсутствие доступа атмосферного кислорода и загрязнения поверхности аккумуляторов кислотой существенно уменьшили саморазряд аккумуляторов, что увеличило их срок хранения.
В качестве электролита для аккумуляторных батарей применяют раствор серной кислоты в дистиллированной воде многократного очи-11 ^сния. Корпуса герметизированных аккумуляторов изготавливают из облегченных, прочных и пожаробезопасных материалов, стойких к длительному воздействию серной кислоты.
Совершенствование свинцовых аккумуляторов идет по пути изыскания новых сплавов для решеток, облегченных и прочных материалов корпусов, улучшения качества сепараторов [9].
Разработаны такие материалы для изготовления пластин, как медно-кальциевые сплавы, покрытые оксидом свинца, титановые, алюминиевые 11 медные решетки. В таких аккумуляторах используют электроды с малым содержанием сурьмы—не более 3 %.
Применениемало-илибессурьмянистых сплавов значительно уменьшает разложение воды, однако неизбежно происходит некоторый расход воды I ia газообразование, как неотъемлемое свойство свинцовых аккумуляторов. 11 сотому свинцовые аккумуляторы не могут изготавливаться полностью герметичными, как щелочные. Все герметизированные свинцовые аккумуляторы имеют регулирующий клапан для сброса избыточного давления, который дает возможность стравливать газ. Практически клапан открывается лишь при нарушении правил эксплуатации, а потеря воды настолько । (езначительна в расчете на срок службы, что не требуется ее восполнение.
60
61
Особенно интенсивное выделение i азов (водорода и кислорода) наблюдается в конце заряда, при перезаряде и при переполюсовке вследствие глубокого разряда. В таких аккумуляторах зарядные и разрядные токи ограничены из-за недопустимости большого газовыделения и создания избыточного давления.
Частичная герметизация возможна при рекомбинации газов по кислородному циклу. Скорость газовыделения при заряде на положительном и отрицательном электродах неодинакова: кислород выделяется на положительном электроде раньше, чем на отрицательном выделяется водород. «Связанный» электролит имеет внутри поры, позволяющие ионам кислорода свободно перемещаться от положительного электрода к отрицательному. На отрицательном электроде происходит реакция соедштения кислорода с водородом с образованием воды: 2е- + 2Н + 1/2 О2 = Н2О.
Существенное значение для эксплуатации герметизированных свинцовых аккумуляторов имеет оптимальный режим заряда. Предпочтителен заряд при постоянном напряжении, значение которого не должно намного превышать напряжение разомкнутой цепи (НРЦ).
Герметизированные аккумуляторы перекрывают диапазон емкостей от 1 до 12000 А-ч.
Для получения достаточно больших значений напряжения или разряд ных токов отдельные аккумуляторы соединяются последовательно или параллельно в батареи. Промышленность выпускает моноблочные батареи, содержащие в одном корпусе несколько последовательно соединенных банок. Напряжениетаких батарей соответствует одному из предусмотренных стандартом значений: 2,4,6,12 В и более элементов в моноблоке.
Совершенствование конструкции источников питания направлено на обеспечение максимальной емкости при минимальных размерах, расширение температурного диапазона работы и увеличение срока службы. В настоящее время имеются десятки разных видов конструкций аккумуляторов, в которых фирмы-изготовители старались достичь оптимального сочетания этих характеристик.
Аккумуляторы, используемые для питания переносной аппаратуры можно разделить в зависимости от их электрохимической системы на четыре основных вида: никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-металл-гидридные (Ni-MH), литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Pol).
Герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы предлагают идеальное решение для особенно больших токовых нагрузок. Они дают
высокую стабильность напряжения при перезарядке, имеют быстрое п| )смя зарядки и выдерживают более 1000 зарядно-разрядных циклов.
У никель-кадмиевого элемента положительная пластина состоит из । ндроксида никеля, а отрицательная — из гидроксида кадмия. Две 111 «асгины изолированы разделителем, который увлажнен электролитом.
Выпускаются никель-кадмиевые аккумуляторы на небольшие емкости в пределах0,03...50 А-ч, удельная энергия40...60 Вт-ч/кг и до 150 кВт-ч/дм3. ) гот тип аккумуляторов характеризуется значительным саморазрадом. \ ккумулятор теряет около 10 % своей емкости в течение первых 24 часов, я дальнейшем саморазряд снижается.
Никель-металл-гидридные (Ni-MH) аккумуляторы. Эти аккуму-। hi । оры появились в результате замены кадмиевого электрода на электрод । г । ci шавов никеля с металлами редкоземельной группы, способных к ад-(ч >рбции (поглощению) и десорбции (отдаче) его при перемене полярности.
Аккумуляторы этой системы безопасны для окружающей среды, они 11 с содержат экологически вредного материала—кадмия. Современные N i-MH аккумуляторы имеют большую плотность энергии, чем у Ni-Cd . । ккумуляторов и емкость их значительно выше. Эти аккумуляторы недоро-11 ie, хотя их цена выше, чем Ni-Cd. Характеристики современных аккумуляторов приведены в табл. 2.3.
Они характеризуются стабильной работой в широком диапазоне юмператур (-20 до +60°С), не обладают таким ярко выраженным « к|)фектом памяти», как Ni-Cd, т.е. их можно заряжать после частичного разряда без потери емкости. Достаточно в качестве профилактики । юриодически дожидаться их полного разряда. Во всех аккумуляторах н ой марки предусмотрены предохранительные клапаны [11].
Однако Ni-MH аккумуляторы плохо переносят низкие температуры, к । ому же они чувствительны к перегреву и перезарядке. Эти аккумуляторы । го сравнению с Ni-Cd выделяют значительно большее количество тепла во время заряда и требуют реализации более сложного алгоритма для < >6i гаружения момента полного заряда. Рекомендуемый ток разряда для N i-MH аккумуляторов значительно меньше, чем для Ni-Cd. Так изготовители рекомендуют ток нагрузки от 0,5 Сдо 1,0С—номинальной емкости. Эгот недостаток некритичен, если требуемый ток нагрузки низок. Для потребителей, требующих высокого тока нагрузки или имеющих импульсную нагрузку, рекомендуются Ni-Cd аккумуляторы.
62
63
Таблица 2.3
Характеристики современных аккумуляторов
Параметр			Тип электрохимической системы			
	Ni-Cd	Ni-MH	Li-Ion	Li-Pol
Напряжение элемента, В Плотность энергии, Вт’ч/кг Плотность энергии, Вт-ч/л Число рабочих циклов заряда/разряда (уменьшение емкости до 80 %) Внутреннее сопротивление (для Li-Ion при напряжении 3,6 В), млОм Ток нагрузки Минимальное время заряда, ч Устойчивость к перезаряду Саморазряд за месяц, % Диапазон рабочих темпе-ратур, °C Периодичность обслуживания, дни Цена усредненной единицы изделия (по данным на конец 2000 г.), долл. США.	1,25 40...60 150 1500 100...200 >2С 1,5 Средняя 20% -40°...+60 30 0,95	1,25 60...80 190 700 150...250 (0,5... 1,0) С 2...4 Низкая 30% -20°...+60 60...90 1,3	3,6 100...150 250 1000 150...250 3...4 Очень низкая 1 % -20°...+60 Не требуется 6,5	2,7 150...200 370 150 Нет данных 0,2 С 8...15 Нет данных । Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных
Саморазряд Ni-MH аккумуляторов в 1,5 раза выше, чем у Ni-Cd (до 30 % в месяц). Применение гидрида ых материалов, улучшающих связывание водорода доя уменьшения саморазряда, обычно приводит к уменьшению емкости аккумулятора.
При правильном использовании срок службы Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов примерно два года.
В настоящее время наиболее перспективными считаются литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы. Отличаются эти
64.
11шы аккумуляторов различным агрегатным состоянием электролита. IJ i I ер вых используется жидкий электролит—раствор фторсодержащих < *олей лития типа LiPF6 в смеси карбонатов, напри мер эти ленкарбоната. I i Li-Pol аккумуляторах — загущенные гелевые и твердые электролиты, 11 редставляющие собой органическую или неорганическую полимерную матрицу с солями лития.
Их основные преимущества: полное отсутствие «эффекта памяти» и очень маленький вес при большой емкости. Li-Ion аккумуляторы устойчивы к длительному хранению и имеют малый саморазряд (менее I % в год). Они обладают стабильностью разрядного напряжения и высоким напряжением разряда (до 3,6 В) [2.4].
Но Li-Ion аккумуляторы хуже переносят низкие температуры (начиная с -20°С). К тому же они боятся ударов, сильные сотрясения приводят к значительным потерям емкости. Еще одним недостатком является довольно сложная технология их изготовления и, следовательно, они значительно дороже своих предшественников.
В Li-Ion аккумуляторах нет электродов из металлического лития и его сплавов. Литий внедрен в материал анодной массы, т.е. образует соединение внедрения. В процессе разряда происходит деинтеркаляция (извлечение) лития, перенос иона Li+ к положительному электроду и интеркаляция (внедрение) его в активное вещество катода. При разряде происходит обратный процесс. Наиболее распространенным материалом отрицательного электрода Li-Ion аккумуляторов является углерод. Ведутся интенсивные разработки аккумуляторов с применением более современных материалов [13].
Ресурс работы Li-Ion аккумуляторов вдвое больше, чем у других— до 4 лет.
Первоначальная концепция литий-полимерных (Li-Pol) аккумуляторов основана на использовании твердого электролита на полимерной основе. Эта идея предусматривает технологичность в производстве и соответственно низкую цену. Плотность энергии этого типа аккумулятора еще больше, т. е. примерно в три раза выше, чем у никель-кадмиевого аккумулятора, а саморазряд значительно ниже [14].
Так как данная конструкция использует твердый электролит и реализуется набором различных пленок, можно получать очень гибкие конструктивные формы до 1 мм толщиной.
5 Вл. Сапожников
65
Твердый электролит, по сравнению с жидким и гелеобразным, имеет ряд преимуществ. Во-первых, в новой конструкции исключена возможность утечки электролита и нет осаждения изолирующего слоя на поверхности электродов, что приводит к сокращению времени работы аккумулятора. Во-вторых, отсутствие пожароопасного жидкого электролита значительно повышает безопасность использования таких аккумуляторов.
Li-Pol аккумуляторы обладают большим количеством зарядных циклов, при этом они не теряют своих качеств при низких температурах. Недостаток литий-полимерного аккумулятора в том, что он не допускает больших разрядных токов.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	В чем отличие между первичными и вторичными химическими источниками тока?
2.	Из каких элементов состоит химический источник тока?
3.	Что такое электродный потенциал?
4.	Что такое поляризация?
5.	Какими основными электрическими параметрами характеризуются химические источники тока?
6.	Что такое саморазряд и каковы причины, обусловливающие его?
7.	Как устроены поверхностные, коробчатые и намазные пластины?
8.	Как изменяется химический состав активных веществ пластин и при заряде и разряде аккумулятора?
9.	Почему изменяется плотность электролита при заряде и разряде аккумулятора?
10.	От чего зависит разрядная емкость свинцового аккумулятора?
11.	Что такое отдача по емкости и энергии?
12.	В чем состоит различие аккумуляторов типа С, СК, СЗ, СЗЭ, СН?
13.	Назовите преимущества и недостатки щелочных аккумуляторов по сравнению с кислотно-свинцовыми.
14.	Какие требования предъявляются к аккумуляторным помещениям?
15.	Укажите перспективные химические источники тока, основные направления совершенствования их разработки.
Глава 3 СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
3.1.	Общие положения
Питание стационарной аппаратуры автоматики и связи на же-иезнодорожном транспорте осуществляется от источников постоянного i ока с номинальными напряжениями, например 24,48,60,220 В и др. 11 сточники с номинальным напряжением 24 В используют для питания аппаратуры на транзисторах, цепей сигнализации, релейных схем ; । в тематики и др.; источники с номинальным напряжением 24,48 и 60 В— для питания цифровых систем передачи (ЦСП); 60 В—для автомати-1 юских телефонных станций, телеграфной коммутационной аппаратуры; источники с напряжением 220 В — для питания аппаратуры связи, двигателей стрелочных переводов и т. д. Источники тока, имеющие определенное номинальное напряжение, обычно выполняют в виде самостоятельного оборудования, входящего в общий комплекс электро-। штающей установки дома связи, поста ЭЦ или другого объекта, где размещены централизованные источники электропитания.
К основным системам электропитания относятся автономная, буферная, безаккумуляторная и комбинированная системы питания (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Структурная схема систем электропитания
67
Автономная система предназначена для питания переносной и стационарной аппаратуры автоматики и связи, а остальные—для питания стационарной аппаратуры.
3.2.	Автономная система питания
Систему питания от первичных элементов используют в основном для обеспечения работы переносной аппаратуры (радиостанций, измерительной аппаратуры и др.). Для питания стационарной аппаратуры автономную систему питания применяют в местах, где отсутствуют сети переменного тока. Система питания от аккумуляторов по способу «заряд— разряд» (рис. 3.2) предназначена для случаев, когда энергия от сетей переменного тока подается нерегулярно. Сущность этого способа пигания заключается в том, что для каждой градации напряжения имеется отдельный выпрямитель UZ1—UZ/z и две (или более) аккумуляторные батареи GB1-—GB/z. От одной батареи питается аппаратура, а другая заряжается от выпрямителя или находится в резерве заряженной. Как только батарея разрядится до определенного состояния, ее отключают и подсоединяют к выпрямителю для заряда, а для питания аппаратуры подключают заряженную батарею. При работе по этому способу аккумуляторы чаще всего заряжаются в режиме неизменяющегося тока. Емкость
К аппаратуре
Рис. 3.2. Схема системы питания от аккумуляторов по способу «заряд—разряд» Ф—фидер; ШПТ—шина переменного тока; ЗШ—зарядные шины;
РШ—разрядные шины;	—группы аккумуляторов
68
аккумуляторов определяется исходя из продолжительности питания ; 11 шаратуры в течение 12—24 ч, поэтому аккумули горные батареи очень I ромоздки и для их установки требуются специал ы ю оборудованные поме-11 ^ения больших размеров. Срок службы таких аккумуляторов 6—7 лет, 1 ак как глубокие и частые циклы заряда и разряда 11риводят к быстрому разрушению пластин. Необходимость постоянного наблюдения за процессами • наряда и разряда приводит к большим эксплуатационным расходам.
Перечисленные недостатки наряду с низким КПД установки (30—40%) ограничивают использование автономных систем питания. К достоинствам относятся отсутствие пульсации напряжения на нагрузке и возможность использования для заряда различных источников тока.
3.3.	Буферная система питания
При такой системе питания параллельно выпрямителю UZ и нагрузке включена аккумуляторная батарея GB (рис. 3.3). В случае аварии в сети переменного тока или повреждениявыпрямгпеля дальнейшее iштаниенагрузки обеспечивает подачу энергии без перерыва. Аккумуляторная батарея гарантирует надежное резервирование источников электрической энергии, и, кроме того, она совместно с фильтром питания осуществляет необходимое сглаживание пульсации. При буферной системе питания разгшчают три режима работы: среднего тока, импульсного подзарвда и непрерывного подзаряда.
Рис. 3.3. Схема буферной системы питания
При режиме среднего тока (рис. 3.4) выпрямитель LZ, включенный параллельно с аккумуляторной батареей GB, обеспечивает постоянный ток 1В независимо от изменения тока в нагрузке RH. Когда ток нагрузки Z мал, вьшрямитель питает нагрузку и заряжает аккумуляторную батарею током I, а когда ток нагрузки велик, выпрямитель совместно с батареей, •1J
69
которая разряжается током I питает нагрузку. Во время заряда напряжение на каждом аккумуляторе батареи увеличивается и может достигать 2,7 В, а во время разряда уменьшается до 2 В. Для осуществления данного режима могут быть использованы простейшие выпрямители без автоматической регулировки. Ток вьшрямителя рассчитывают исходя из количества электрической энергии (ампер-часы), затрачиваемой на питание нагрузки в течение суток. Это значение должно быть увеличено на 15—25 % для компенсации потерь, которые всегда существуют при заряде и разряде аккумуляторов /в = [(0,15.. .0,25)С]/24. К недостаткам режима относятся: невозможность точно определить и установить необходимый ток выпрямителя, так как действительный характер изменения тока нагрузки никогда точно не известен, что приводит к недозаряду или перезаряду аккумуляторов; небольшой срок службы аккумуляторов (8— 9 лет), вызываемый глубокими циклами заряда и разряда; значительные колебания напряжения при нагрузке, так как напряжение на каждом аккумуляторе может изменяться от 2 до 2,7 В.
Рис. 3.4. Режим среднего тока:
а—схема; б—диаграмма токов; в—зависимости токов и напряжений от времени; и / — соответственно токи заряда и разряда аккумуляторной батареи
При режиме импульсного подзаряди (рис. 3.5) ток вьшрямителя изменяется скачкообразно в зависимости от напряжения на аккумуляторной батарее GB. При этом выпрямитель UZ обеспечивает питание нагрузки RH совместно с батареей GB или питает нагрузку и подзаряжает батарею. Максимальный ток выпрямителя /в тах устанавливают несколько больше тока в час наибольшей нагрузки, а минимальный ток нагрузки 1_ • — меньше минимального тока нагрузки /н.
70
Предположим, что в исходном положении выпрямитель отдает м । шимальный ток. Батарея аккумуляторов разряжается, и напряжение 11 а ней падает до 2,1В на элемент. Реле Р отпускает я корь и контактами 11 |унтирует резистор R. Ток на выходе выпрямителя возрастает скачкообразно до максимального. С этого момента вьп фямитель питает нагрузку 11 заряжает батарею. В процессе заряда напряжение на аккумуляторной батарее увеличивается и достигает 2,3 В на элемент. Вновь срабатывает реле Р, и ток выпрямителя падает до минимального; батарея начинает разряжаться. Далее циклы повторяются. Длительность интервалов времени максимального и минимального тока выпрямителя изменяется в соответствии с изменением тока в нагрузке.
а Сеть	б
а—схема; б
Рис. 3.5. Режим импульсного подзаряда: диаграмма токов и напряжений; в, г—зависимости токов и напряжений от времени
К достоинствам режима относятся: простота системы регулирования тока на выходе выпрямителя; небольшие пределы изменения напряжения на аккумуляторной батарее и на нагрузке (от 2,1 до 2,3 В на элемент); увеличение срока службы аккумуляторов до 10—12 лет в связи с менее глубокими циклами заряда и разряда. Этот режим используют для питания устройств автоматики.
При режиме непрерывного подзаряда (рис. 3.6) нагрузка RH питается полностью от выпрямителя UZ. Заряженная аккумуляторная батарея GB получает от выпрямителя небольшой постоянный ток подзаряда, компенсирующий саморазряд. Д ля осуществления указанного режима необходимо
71
на выходе выпрямителя установить напряжение из расчета (2,2 ± 0,05)В на каждый аккумулятор и поддерживать его с погрешностью не более ±2 %. При этом ток подзаряда для кислотных аккумуляторов /п~ (0,001...0,002) Сн и для щелочных Zn=0,01 Си. Следовательно, для выполнения этого режима выпрямители должны иметь точные и надежные устройства стабилизации напряжения. Невыполнение этого требования приводит к перезаряду аккумуляторов или к их глубокому разряду и сульфатации.
h	t7	24 t
Рис. 3.6. Режим непрерывного подзаряда:
а—схема; б—диаграмма токов; в—зависимости токов и напряжений от времени
К достоинствам режима относятся: достаточно высокий КПД установки, определяемый только выпрямителем (Г) = 0,7...0,8); большой срок службы аккумуляторов, достигающий 18—20 лет благодаря отсутствию циклов заряда и разряда; высокая стабильность напряжения на выходе выпрямительного устройства; уменьшение эксплуатационных расходов благодаря возможности автоматизации и упрощению обслуживания аккумуляторов.
В нормальном режиме работы аккумуляторы находятся в заряженном состоянии и не требуют непрерывного наблюдения. Отсутствие циклов заряда и разряда и правильно выбранный ток подзаряда уменьшают сульфатацию и позволяют увеличить периоды между перезарядами и контрольными разрядами.
Недостатком режима является необходимость усложнения пита ющих устройств за счет элементов стабилизации и автоматизации. Режим используют в устройствах для питания аппаратуры связи.
72
3.4.	Безаккумуляторные и комбинированные системы питания
11 этих системах электрическая энергия, необходимая для питания ш и г.цэагуры,поступает отисточниковпеременноготокачерез преобразователь (in .и 1рямитель), аккумуляторная батарея отсутствует. Обеспечение беспере-। »о! i I юсти и непрерывности электропитания достигается за счет различных । хсмных и конструктивных решений. Безаккумуляторная система электро-пп гания находит все большее распространение благодаря развитию и вел ичению надежности энергосистем.
В системе питания с резервным фидером и дизель-генераторным агрегатом (рис. 3.7) аппаратура получает питание от сети через выпрямитель UZ. В случае аварии в сети к электропитающей установке а в г оматически через резервный фидер Ф подключается второй независимый источник переменного тока. При аварии в обоих внешних источниках автоматически запускается ДГА и подключается к электропитающей установке. Систему применяют, если питаемая аппаратура допускает кратковременные перерывы в электроснабжении. Перерывы возникают при । юреключении с основного фидера на резервный (доли секунды) и при спуске ДГА (25...30 с).
При двухлучевой системе питания (рис. 3.8) аппаратура питается (щновременно от двух независимых источников переменного тока через самостоятельные выпрямительные устройства UZ. Внешний источник гока и выпрямительные устройства, подключенные к нему, образуют самостоятельную схему, называемую лучом. Каждый луч обеспечивает шектрической энергией половину нагрузки. В случае повреждения одного внешнего источника всю нагрузку без перерыва принимает второй источник. Одновременно автоматически запускается ДГА, который через 30 с подключается вместо поврежденного источника, и двухлучевая система вновь восстанавливается. Система является надежной, несложной и потому перспективной.
Сущность комбинированных систем питания заключается в том, что электропитающие установки (ЭПУ) на различные номинальные напряжения, кроме одной—основной ЭПУ, нормально работают по безаккуму-j гяторной системе питания. Основная установка (обычно ЭПУ-24) работает 1 ю буферной системе. В случае аварии внешних источников переменного
73
тока электрическая энергия, необходимая для питания всех типов аппаратуры, может быть получена за счет разряда аккумуляторной батареи основной ЭПУ.
Рис. 3.7. Схема системы питания с резервным фидером и дизель-генератором
Рис. 3.8. Схема двухлучевой системы питания
В системе питания с преобразователями постоянного тока (рис. 3.9, а) при аварии внешнего источника тока к батарее подключаются преобразователи U^-Un постоянного тока, обеспечивающие получение различных номинальных напряжений, необходимых для питания аппаратуры.
Рис. 3.9. Схемы питания с преобразователем постоянного тока (а) и с инвертором (б)
В системе питания с инвертором (преобразователем постоянного тока в переменный) (рис. 3.9, б) при аварии внешнего источника тока к батарее подключается инвертор U, с выхода которого переменный ток поступает к выпрямителям U1—UZ/7.
74
3.5.	Выпрямление переменного тока
Выпрямительным устройством, или выпрямителем, называют ii.il пческий преобразователь переменного тока в постоянный. Вымри м i 1тель (рис. 3.10) состоит из трансформатора TV, схемы выпрямления 11 7 11 сглаживающего фильтра ZQ. Помимо преобразования входного н 11111 )яжения переменного тока трансформатор устраняет гальваническую нить между источником переменного тока и питаемой аппаратурой. И п гдельных случаях он преобразует число фаз исходного напряжения. < \сма выпрямления, состоящая из вентиля или группы вентилей, преобразует переменный ток в постоянный. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсацию выпрямленного напряжения до допустимого шипения [15].
Рис. 3.10. Схема выпрямительного устройства
Режим работы каждого блока выпрямленного устройства зависит от схемы и режима работы остальных блоков. Например, режим работы вентилей в схеме выпрямления во многом определяется сглаживающим фильтром и характером сопротивления нагрузки. Такая взаимосвязь условий работы отдельных блоков приводит к необходимости рассматривать все । [роцессы в отдельных частях выпрямительного устройства совместно либо для каждого блока в отдельности при конкретных заданных условиях. В последнем случае облегчается возможность сопоставления достоинств и недостатков типовых решений, когда выпрямитель не может
преобразовать переменный ток. В современных вьшрямительных устройствах в качестве вентилей используют полупроводниковые неуправляемые вентили (выпрямительные диоды) и управляемые вентили (тиристоры).
3.5.1.	Выпрямительные диоды
Выпрямительным диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, обладающий свойством скачкообразно изменять проводимость в зависимости от полярности приложенного напряжения [3.2].
Электрические параметры. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового выпрямительного диода (рис. 3.11) отражает его электрические параметры. К основным предельным (максимальным) эксплуатационным параметрам, обеспечивающим заданную надежность работы полупроводникового прибора при длительной эксплуатации, относятся следующие.
Предельный ток I тах — максимально допустимое среднее значение за период синусоидального тока частотой 50 Гц, длительно протекающего через диод при его работе в однофазной однополупериодной схеме на активную нагрузку и максимально допустимой температуре
Прямое максимальное напряжение U.п тах—падение напряжения на диоде при амплитудном значении предельного тока.
Предельная частота/—частота, превышение которой приводит к ухудшению выпрямительных свойств диода.
Строгий анализ физических явлений, происходящих в />-я-переходе, позволяет установить аналитические выражения для различных участков ВАХ, однако в связи с значительной сложностью этих зависимостей часто рассматривают ее линейную аппрок-
полупроводникового элемента.
Рис. 3.11. Вольт-амперная характеристика диода
76
ci шацию (линия а, б, в). В соответствии с этой характеристикой прямое 1 гапряжение на диоде
;/ — IJ + Г 7 пр пор дин пр’
I де £7 — пороговое напряжение, т.е. значение прямого напряжения диода в точке пересечения с осью напряжений прямой линии, аппроксимирующей ВАХ;
г — динамическое сопротивление, определяемое наклоном прямой, аппроксимирующей ВАХ в области больших токов;
/ — прямой ток.
В области больших обратных напряжений ВАХ при достижении определенного напряжения, называемого пробивным £7об тах, процесс I тарастания обратного тока начинает развиваться лавинообразно и, если не принять специальных мер, может привести к разрушению электрического перехода.
Виды пробоя. В зависимости от причин, вызывающих пробой, и особенностей процессов, его сопровождающих, различают несколько видов пробоя: туннельный, лавинный, тепловой и др.
Туннельный пробой происходит в результате воздействия электрического поля на кристаллическую решетку полупроводникового элемента. При этом валентные электроны переходят в зону проводимости, увеличивая обратный ток диода. Туннельный пробой наблюдается в диодах с тонкими /2-гс-переходами.
Лавинный пробой возникает вследствие ускорения неосновных носителей электрическим полем перехода. При определенной напряженности этого поля носители приобретают энергию, достаточную для разрыва валентных связей при столкновениях с решеткой. При этом образуются новые носители зарядов—пары электрон—дырка, которые ускоряются полем и приводят к образованию следующих новых пар электрон—дырка. Указанный процесс размножения носителей зарядов носит лавинный характер, и обратный ток через диод резко возрастает. Такой пробой характерен для достаточно широких ^-«-переходов, так как носители зарядов за время движения должны приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации.
Тепловой пробой вызывается перегревом/>л-перехода из-за больших нагрузок диода и недостаточно интенсивного отвода тепла. Причиной теплового пробоя является разрыв валентных связей и образование
77
носителей зарядов за счет теплового возбуждения атомов. Образовавшиеся дополнительные носители зарядов увеличивают обратный ток, что приводит к повышению температуры -и-переходов. Этот процесс носит лавинный характер и заканчивается необратимыми изменениями в переходе. При тепловом пробое напряжение обратно пропорционально току через диод. Этим объясняется наличие на ВАХ участка с отрицательным сопротивлением.
Влияние температуры на характеристики диода. Изменение температуры ^-«-перехода существенно сказывается на работе диода. При повышении температуры наиболее резко изменяется обратный ток диода. Это объясняется быстрым ростом числа неосновных носителей заряда за счет теплового возбуждения атомов. Для каждого типа диодов характерна своя максимально допустимая температура перехода Тп превышение которой может привести к потере диодом свойства односторонней проводимости. Для германиевых диодов Гп тах = 80... 110°С, для кремниевых 5пптах= 140...200°С. Меньше сказывается повышение температуры на положительной ветви ВАХ. Наоборот, неблагоприятным для/?-и-перехода может оказаться снижение температуры, вызывающее довольно резкое увеличение прямого напряжения. Тем не менее большинство диодов может работать при снижении температуры до Тп min -= - (4О...6О)°С. Если снижение температуры определяется в основном влиянием внешней среды, то повышение температуры—воздействием токов проходящих через диод и приложенных напряжений.
Температурар-и-перехода зависит от интенсивности тепловыделения (мощности потерь) и условий охлаждения.
Мощность потерь в диоде. Потери в диоде подразделяют на прямые, определяемые проховдениемпрямого тока, и обратные, вызванные обратным напряжением, приложенным к вентилю. Как правило, прямые потери в диодах составляют большую часть суммарных потерь. Мощность прямых потерь определяется как средняя мощность переменного тока за период:
/’пр ~
о
2тс
где г/Пр и z —соответственно мгновенные значения прямого напряжения и прямого тока диода. После подстановки значения
^пр Цпор + Гцин^пр
78
in сражение примет вид:
где / ср и 7пр — соответственно среднее и действующее значения прямого тока за период.
С учетом коэффициента формы кривой кл. = п% получим / 7 пр.ср
^пр
порхпр.ср ' дин хпр.ср
Из этого выражения следует, что мощность прямых потерь, а следова-• । сльно, и нагрев диода зависят не только от среднего тока I , порогового напряжения t/nop, динамического сопротивления гдин, но и от схемы выпрямления и характера нагрузки выпрямителя, которые определяют коэффициент формы кривой. При начальных нагрузках основное значение в нагревании диода имеет первое слагаемое, пропорциональное первой степени тока, а при перегрузках большая доля мощности потерь приходится на второе слагаемое, пропорциональное квадрату тока.
Нагрев диодов. Для уменьшения нагрева диоды снабжают радиаторами с естественным или принудительньгм (воздушным, водяным или масляным) охлаждением. Согласно схеме передачи тепла от 72-77-перехода (рис. 3.12, я), являющегося генератором тепловой энергии в окружающую среду, тепловая энергия, выделяющаяся в 72-77-переходе, проходит через тепловые сопротивления: переход—корпус 7?пк, корпус—охладитель 7?ко, охладитель— окружающая среда (рис. 3.12, б). Тепловое сопротивление определяют как отношение разности температур между отдельными элементами диода к рассеиваемой диодом мощности в установившемся режиме. Полное тепловое сопротивление диода равно сумме сопротивлений участков
— Р । р I р 7VIIK "Г 7VKO “И 7Voc •
Температура перехода может быть определена из соотношения
где Тс—температура окружающей среды, которая не должна превышать максимально допустимую для данного типа диода.
Рис. 3.12. Схема диода с воздушным охлаждением («) и схема тепловых сопротивлений участков (б)
Типы полупроводниковых диодов. Промышленность выпускает в основном три типа диодов: селеновые, германиевые и кремниевые. В зависимости от назначения диоды подразделяют на выпрямительные, модуляторные, импульсные и др. В зависимости от мощности выпрямительные диоды представлены тремя группами: малой (7 < 0,3 А), средней (/Пр = 0,3... 10 А) и большой (7 > 10 А) мощности. Последняя группа диодов относится к силовым полупроводниковым приборам.
Германиевые и кремниевые диоды относятся к диодам малой и средней мощности (7 < 10 А). Для их изготовления используют полупроводниковые материалы на основе германия и кремния. Силовые диоды (7 > 10 А) изготавливают на основе кремния, так как кремниевые диоды допускают более высокую рабочую температуру, имеют малые обратные токи и рассчитаны на большие рабочие напряжения. По сравнению с германиевыми диодами кремниевые диоды обладают единственным недостатком—большим прямым падением напряжения. По кратковременной перегрузочной способности кремниевые и германиевые диоды уступают селеновым, что следует учитывать при проектировании устройств защиты от перегрузок.
Лавинные диоды. Одним из видов кремниевых диодов являются лавинные диоды, допускающие большие импульсы тока в обратном направлении и значительные уровни рассеиваемой мощности. В обычных диодах при обратном напряжении ток проходит через отдельные микроплощадки с меньшим сопротивлением, обусловленным неоднородностью структуры
80
11 »i ic галла, создавая большие плотности тока. Это приводит к местному । н ни >п пению температуры, создавая условия для Tei шовог о пробоя. Лавинные । п< V 1ы изготавливают на основе кристаллов с высокой о; ц юродаостъю сгрук-। уры. При перенапряжениях в таких диодах наступает лавинный пробой, । < нс достигает большого значения, но диод не перегревается, так как ток INi.cn ределяется равномерно по всей площади попереч i юго сечения перехода.
1I а винные диоды имеют большее допустимое образ ное напряжение, чем i >t >1 лчные, поэтому они не нуждаются в специальных усгройствах защиты от перенапряжений. Лавинные диоды применяют для защиты от перенап-I жжений, возникающих при коммутационных и аварийных режимах.
Параллельное и последовательное соединение диодов. В случае (а I и в схеме выпрямления средний прямой ток превышает допустимый, 11 юды включают параллельно, если же обратное напряжение диода превышает допустимое, то диоды включают последовательно.
При параллельном включении диодов из-за несовпадения прямых ветвей вольт-амперных характеристик токи в них будут распределяться неравномерно (рис. 3.13, а, кривые 2,5). Больший ток, протекающий через диод с меньшим сопротивлением, приведет к повышению его температуры, что вызовет уменьшение его сопротивления, увеличение I ока и еще больший нагрев (кривая 7). Ток через диод может превысить ) допустимый, и диод выйдет из строя.
° A	VD 1|
Рис. 3.13. Зависимости токов от напряжений (а) и схемы параллельного включения диодов (б, в)
6 Вл. Сапожников
81
Для выравнивания токов в маломощных выпрямителях последовательно с диодами включают резисторы с одинаковым сопротивлением, которое в 2—3 раза превышает сопротивление диодов в прямом направлении (рис. 3.13, б). Включение резисторов позволяет уменьшить разницу токов в параллельно включенных диодах (см. рис. 3.13, а, кривые 4,5). В мощных выпрямителях такой способ неприемлем вследствие больших потерь в добавочных резисторах, поэтому в них иногда применяют специальные токовыравнивающие дроссели (реакторы) с двумя обмотками и общим магнитопроводом (рис. 3.13, в). Под действием токов, протекающих через обмотки, в них наводятся противо-ЭДС, пропорциональные этим токам, и разница токов, протекающих через диоды, уменьшается.
При последовательном включении диодов из-за неравенства обратных сопротивлений напряжение на диодах распределяется неравномерно (рис. 3.14, а, кривые 7,2). В результате этого обратное напряжете на одном из диодов может превысить допустимое и привести к его повреждению, а затем к повреждению и остальных диодов. Для выравнивания обратных напряжений в маломощных выпрямителях параллельно диодам включают резисторы (рис. 3.14, б), сопротивление которых в 3—6 раз меньше обратного сопротивления диодов (см. рис. 3.14, а, кривые 3,4). Для выравнивания обратных напряжений в выпрямителях большой мощности применяют делители напряжения из реактивных сопротивлений (конденсаторов) (рис. 3.14, в). Резисторы, включенные последовательно с конденсатором, ограничивают токи.
Рис. 3.14. Зависимости напряжений оттоков (а) и схемы последовательного включения диодов (б, в)
3.5.2.	Тиристоры
Тиристоры имеют четырехслойную структуру р (-п ((Рис- 3.15, ci). 11 ри такой структуре образуются три перехода П1, П2 и ПЗ. Электрод, соединенный со слоемрявляется анодом А, а электрод, соединенный со слоем л2, катодом К. Электрод, подключенный к слоюр2, называют управляющим электродом У. Если к аноду тиристора приложить «+» । югочника электрического тока, а к катоду «-»(прямое напряжение (7пр), । о два перехода П1 и ПЗ будут открыты, а П2 закрыт. При монотонном увеличении прямого напряжения ток в основной цепи тиристора будет возрастать незначительно, оставаясь соизмеримым с обратным током обычного диода. Этот участок вольт-амперной характеристики (рис. 3.15, б, кривая 4) соответствует закрытому состоянию тиристора. При повышении напряжения до основного напряжения переключения J7 начинается лавинный пробой перехода П2. Прямое напряжение на тиристоре резко снижается до малого значения порядка 1,5...2 В, и ток в основной цепи । [рактически ограничивается только сопротивлением нагрузки Rn. Этот режим соответствует открытому состоянию тиристора (кривая 2).
Для того чтобы закрыть тиристор, необходимо снизить ток, проходящий через прибор, до тока удержания I . При изменении полярности напряжения, приложенного между анодом и катодом тиристора (обратное напряжение (Поб), переходы П1 и ПЗ будут закрыты, а переход П2 открыт. Через тиристор будет протекать малый ток, аналогичный обратному току диода (кривая 5). В случае увеличения обратного напряжения до Цфоб начинается режим пробоя тиристора. Если при наличии прямого
Рис. 3.15. Структуры тиристора («) и его вольт-амперная характеристика (о)
г 1
*обр
83
i гапряжения между основными электрода ми на у правляющии элек грод тиристора подать положительный потенциал относительно катода, то импульс прямого тока через переход ПЗ нейтрализует действие ПОТСНЦ1 гального барьера закрытого iгерехода 112, и тгфистор может быть открыт при напряжении, меньшем чем <7 (кривая 3). Напряжение при ко тором tiф! 1стор включается, зав! icht от ампли j уды импульса тока 1	протекающего в цепи управляющего электрода. При определенном
значении этого тока вольт-амперная характеристика тиристора преобразуется в характеристику, соответствующую дно. iy (кривая /). в которой отсутствует участок отрицательного сопротивле) шя (а, б). Характерно, что в о ткрытом
состоянии тиристор теряет управляемость, т.е. после открывания тиристора
управляющий элек трод i ie влияе г на прохождение прямого ч ока.
Для 1 ого чтобы закрыть п ipnci op. нужно chi гзг пъ ток. прохода i щи через
I фйбор. ниже чока удержа! 1ия или отклю1 и пъ и ci юва включить i iai фяжен! ie
Ur , или кратковременно приложить к тир!icropy обратное naiфяжа ше.
3.5.3.	Классификация и параметры выпрямителей
Классификация выпрямителей. Схемы выпрямления классифицируют по ч ипу применяемых вентилей: кенотронные, газоразрядные, полупроводниковые с управляемыми и неуправляемыми вен гилями; числу фаз напряжения питающей сет и—одно- и грехфазныс; числу фаз напряжения вторичной обмотки iрансформачора—одно-, двух-, трех-, шести- и многофазные; числу используемых полу периодов напряжения— одно- и двухполупериодные; числу плеч и числу групп вен тилей.
Плечом вы!фямительной схемы называют цепь последова тельного соединения обмотки трансформатора и вентиля (рис. 3.16, а). Если вентили подключены к обоим концам обмотки, схему называют двухплечей (рис. 3.16, б). Когда к концу обмо тки по, щлючен вентиль или группа вентилей одного направления, схему называю г одногруппной (рис. 3.16, бф В случае если к концу обмотки подключены два вентиля или две группы вентилей разного направления, то схему называют двухгруппной (рис. 3.16, г). Широко распространены выпрямители с неуправляемыми полупроводниковыми вентилями (рис. 3.17). Схемы и названия этих выпрямителей приведены с учетом элементов класси(|)и-каг гни. Сво! 'ктва любого выпрямитель! юг о устройства зависят о i его схемы, характера нагрузки и типа сглаживающего фг ыь гра. Анализ работы такого
84
Рис. 3.16. Элементы классификации схем выпрямления:
плечо; б —два плеча: в— одногруппная схема; г
двухгруппная схема
устройства очень сложен. Поэтому целесообразно ci (ачала рассмотреть прост ые схемы выпрямителей, состоящие только из трансформат ора и схемы вы1 грямления и работающие на чисто активную нагрузку. Считаем, ч го в трансформаторе отсутствуют потери, сопротивление вен гилей в । фямом направлении равно нулю, в обратном—бесконечности.
Параметры выпрямителей. При проектировании выпрямительных устройств и оценке схем выпрямления для выбора трансформатора и диодов необходимо знание их параметров. Заданными обычно являются параметры нагрузки: выпрямленное напряжение Ц(. выпрямленный ток /(, и коэффициент пульсации//п. Известны номинальное напряжение Ц и частота тока сети/. При проектировании определяют параметры, необходимые для расчета трансформатора и выбора вентилей. Для трансформа гора такт imi i параметрами являются: действующ!те гтапряжы шя С,, С2 и токи /р /-> для первичной и вторичной обмоток; расчетные мощности первичной и вторичной обмоток Sp расчетная мощност ь трансформат ора S1V и коэффициент использования трансформатора I€jy. Для выбора диодов этими параметрами являются средний 1 и действующий/ ток.
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения U^. На выходе любой схемы выпрямлен! ы возникает пульсирующее напряжы ше сложной формы, которое можно представи ть как сумму постоянной и переменной составляющих. Постоянная составляющая, являющаяся
Рис. 3.17. Схемы выпрямления и их классификация
86
11'юдиим значением выпрямленного напряжения, может быть представлена । рафически высотой прямоугольника с основанием, равным длительности 1 криода, и площадью,равнойплощади ограниченной кривой выпрямленного । ia I ряжения. Переменную составляющую, как любой i юриодический сигнал, можно представить в виде суммы ряда гармонических составляющих (।< рмоник), частоты которых кратны частоте колебаний основной (первой) ।; фмоники, имеющих различные амплитуды и фазы.
Наличие гармоник в выпрямленном напряжении создает помехи в 11 итаемой аппаратуре и может нарушить ее работу.
Число фаз выпрямления т—вспомогательный параметр, характе-I >изующий число максимальных пульсаций выпрямленного напряжения за период
т ~ pq.	(3.1)
где/? и q—число фаз сети и выпрямленных полупериодов.
Частота первой (основной) гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения определяется как
/1 = <	(3.2)
где f—частота сети.
Коэффициент пульсации пп показывает соотношение между амплитудой напряжения первой гармоники и постоянной составляющей в выпрямленном напряжении:
где Uym —амплитуда напряжения первой гармоники, J70—напряжение I юстоянной составляющей.
Амплитуда напряжения первой гармоники переменной сост авляющей в соответствии с разложением в ряд Фурье может быть выражена как
2m sin — U -
________т
л(т2 -1)
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения
т sin — /7 9 ,.п
f 11
_ т
о “	’
7С
где — амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
87

Подставляя в выражение (3.3) значения для Щ и получим


Полезная мощность выпрямителя — это мощность, выделяемая в нагрузке, определяется из соотношения Ро = Ц)//о> где/0—постоянная составляющая выпрямленного тока.
Расчетная мощность обмоток трансформатора: S) = тл ; S2=т2 U2I2, где t/p U2 — действующие напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора,
/р 12—действующие токи в первичных и вторичных обмотках, 77?р77?2 — соответственно число фазных первичных и вторичных обмоток.
Коэффициент использования первичной и вторичной обмоток трансформатора - Pq/S} , к2 = РД$2-
Общая расчетная мощность трансформатора STV = 0,5 (S^ + S^.
Коэффициент использования трансформатора /ст = /5™.
Обратное напряжение, приходящееся на один диод при работе его в выпрямительной схеме, определяется наибольшей разностью потенциалов
между анодом и катодом за время, когда диод не проводит ток.
Действующий ток диода I определяет его нагрев и потери мощности.
Средний ток диода I используют для нормирования допустимых токовых нагрузок полупроводниковых диодов.
Рис. 3.18. Внешняя характеристика выпрямителя:
(70Х х—напряжение холостого хода; At7o — суммарное падение напряжения на bi 1утреннем сопротивлении источника тока при номинальном токе нагрузки /п.ном
Амплитудный ток диода 1Д ха-растеризует максимальный ток, проходящий через диод.
Внешней, или нагрузочной, характеристикой выпрямителя называется зависимость выходного напряжения от тока нагрузки	которой харак-
теризуются рабочие свойства любого источника тока, в частости выпрямителя (рис. 3.18). Внутреннее сопротивление определяется падением напряжения на трансформаторе и вентилях. Внешняя характеристика всегда носит падающий характер.
88
3.5.4.	Принцип работы и сравнительная оценка схем выпрямления
Однофазная однополупериодная схема (рис. 3.19). Данная схема наиболее простая из всех схем выпрямления. При появлении положительного потенциала на конце вторичной обмотки трансформатора, 11 ротивоположной точке 0 (см. рис. 3.17), диод открывается, и ток проходит • юрез нагрузку RH. При появлении отрицательного потенциала диод закрыт, 11 гок в нагрузке отсутствует. Так как сопротивление обмоток трансформатора и диода в прямом направлении принято равным нулю, во время । юложигельного полупериода напряжение на нагрузке равно напряжению ла вторичной обмотке и^— Во время отрицательного полупериода col фотивление диода принято равным бесконечности, ток в нагрузке отсутствует, и напряжение на ее зажимах равно нулю.
Рис. 3.19. Однофазная однополупериодная схема выпрямления (а) и зависимости напряжений и токов от времени:
б, в—соответственно напряжения на первичной и вторичных обмотках трансформатора; г—ток через нагрузку и напряжение на ес зажимах; д—ток в первичной обмотке; е—напряжение между электродами диода
(tit
а
89
Характер изменения тока в нагрузке при открытом диоде точно такой же, как характер изменения напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Это определяется принятой активной нагрузкой схемы выпрямления.
Через диод и вторичную обмотку трансформатора протекает тот же ток, что и через нагрузку. Поэтому вторичную обмотку используют неэффективно, так как ток через нее проходит только в течение одной половины периода.
В однофазной однополупериодной схеме имеется вынужденное намагничивание сердечника трансформатора, создаваемое постоянной составляющей тока вторичной обмотки трансформатора.
Так как постоянная составляющая тока вторичной обмотки не трансформируется в первичную, ток в ней имеет форму только переменной составляющей (рис. 3.19, д). Максимальное обратное напряжение на диоде равно амплитудному напряжению на вторичной обмотке трансформатора (рис. 3.19, е).
Поместим начало координат в точку 0’ (см. рис. 3.19, г). Так как напряжение на нагрузке равно напряжению на вторичной обмотке трансформатора, то Uq = и2 = t/2mcos со/.
По определению постоянная составляющая выпрямленного напряжения
— 2Sn, . 2тг ^ab
Выражая площадь S , в виде интеграла и выполнив необходимые ab
преобразования, получим
71/	7Г/
1 г	1 г
l/q = —	= — U2т cos (titdart =
71 *	71
О	О
(3.5)
Выразим U2m через действующие напряжения на вторичной обмотке трансформатора:
и2т= Л(/2.	(з.б)
Из выражений (3.5) и (3.6) имеем действующее напряжение на вторичной обмотке трансформатора
U2=^Uv=2,22U0.	(3.7)
90
В схеме вторичная обмотка, диод и нагрузка соединены после-
довательно, поэтому
4) (д z2 ^2т SIH СО/.
Поместим начало координат в точку 0. Действующий ток

Подставив значение из выражения (3.8) в (3.9) и проинтегрировав I юлученное выражение, получим
79 = J — f Л? msin artdart = 0,51
V2tco
Амплитудный ток диода
Из выражений (3.10), (3.11) и (3.5) получаем действующий ток вторичной обмотки
2	7
где /л - постоянная составляющая выпрямленного тока.
Ток первичной обмотки имеет форму переменной составляющей тока вторичной обмотки (см. рис. 3.18) и, следовательно, не содержит постоянной составляющей, а его мгновенное значение
где Л - мгновенное значение переменной составляющей тока вторичной обмотки, 7?т - коэффициент трансформации.
Действующий ток первичной обмотки
(3.13)
Подставив выражение (3.12) в формулу (3.13), получим
Ц —1,2 1/0 / пт
(3.14)
Это выражение не учитывает намагничивающего тока первичной обмотки. С учетом этого тока фактический ток будет на20—30% больше тока, полученного из выражения (3.14).
Расчетная мощность трансформатора
5^0,5(5^52).	(3.15)
Расчетные мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора
Sx=U{I^nTU2I{ и S2=U2I2.
Подставляя в эти выражения значения напряжения U2 из (3.7), тока 7^ из (3.14) и тока 72 из (3.12) и затем подставляя их в формулу (3.15), получим 5Т = 3,О97)о. С учетом увеличения тока первичной обмотки за счет вынужденного намагничивания расчетная мощность трансформатора 5Т ~ (3,4...3,6)Pq. В данной схеме обратное напряжение на диоде
^обр - и2т =	.	(3.16)
Выражение U2m из формулы (3.5) подставляем в формулу (3.16), получим
t7o6p = 7ii70=3,14t/0.
Диод соединен последовательно с нагрузкой и вторичной обмоткой трансформатора, поэтому средний ток диода равен выпрямленному току /q. Действующий ток диода равен действующему току вторичной обмотки
V72=l,5770.
Амплитудный ток диода равен амплитудному току вторичной обмотки трансформатора и может быть найден из выражений (3.11) и (3.5):
7да = (1/А)[/2,я = яфЛ.
Из выражения (3.1) число фаз выпрямителят-pq-\. Тогда частота первой гармоники ^ = mf = 50 Гц.
На основании разложения в ряд Фурье переменной составляющей выпрямленного напряжения амплитуда первой гармоники (7. =
71
- у ^0 =	, тогда с учетом формулы (3.3) коэффициент пульсации
- Щт! Щ - 1,57. Основным преимуществом однополупериодной
92
схемы является ее простота. К недостаткам схемы относятся: увеличенные габаритные размеры и масса сердечника вследствие плохого использования обмоток и вынужденного намагничивания сердечника; значительные обратные напряжения и ток, проходящий через диод; большая переменная составляющая напряжения и низкая частота пульсаций, что приводит к увеличению габаритных размеров и массы фильтра. Данную схему используют в маломощных выпрямителях с большим сопротивлением нагрузки.
Однофазная двухполу периодная схема (рис. 3.20, а). Эта схема может быть представлена как две однополунериодные схемы, работающие на общую нагрузку. При появлении положительного потенциала на конце одной из половин вторичной обмотки трансформатора TV относительно точки 0 открывается соответствующий диод, и ток проходит через нагрузку RH. При изменении полярности на вторичной обмотке открывается другой диод, и ток вновь проходит через нагрузку. Таким образом, ток в нагрузке всегда протекает в одном направлении, г.е. имеет место выпрямление.
Рис. 3.20. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления (а) и зависимости । шпряжений и токов от времени: б—напряжения между концами каждой половины вторичной обмотки трансформатора; в—выпрямленные напряжения и ток; г и д— токи, протекающие через диоды и половины обмоток трансформатора; е — ток в 1 юрвичной обмотке трансформатора; ж—напряжение между электродами диода VD2
93
i >
Напряжения u2 и u2 (рис. 3.20, 6) сдвинуты по фазе на половину периода, поэтому по числу фаз вторичной обмотки схема является двухфазной. В нагрузке ток протекает в течение обоих полупериодов напряжения на вторичной обмотке, поэтому выпрямление двухполу-периодное (рис. 3.20, в).
Диоды VD1 и VD2 работают поочередно, каждый в течение одной половины периода (рис. 3.20, г, д). Так как токи протекают по каждой половине вторичной обмотки трансформатора поочередно и имеют противоположные направления, в первичной обмотке трансформатора протекает ток, форма которого синусоидальна (рис. 3.20, е).
Вынужденное намагничивание сердечника трансформатора отсутствует, так как потоки, создаваемые постоянными составляющими тока в половинах вторичной обмотки, компенсируют друг друга.
В первый полупериод напряжения диод VD1 открыт. Его сопротивление равно нулю, и потенциалы точек а и с равны между собой. Следовательно, к диоду VD2 приложено напряжение, равное сумме напряжений и, и и2. Максимальное значение этой разности потенциалов равно удвоенному амплитудному значению напряжения на одной половине вторичной обмотки (рис. 3.20, ж).
На рис. 3.21 видно, что постоянная составляющая выпрямленного напряжения в 2 раза больше, чем в однополупериодной схеме выпрямления. Поэтому на основании выражения (3.5) можно написать Cq = (2/тг) U2m, (рис. 3.17), где U2m—амплитудное значение напряжения на зажимах одной половины вторичной обмотки.
Подставив в это выражение (3.6), находим действующее напряжения вторичной обмотки
U2 =1,1Щ0.	(3.18)
Для однополупериодного выпрямителя, образованного половиной вторичной обмотки трансформатора TV и диодом VD1, на основании (3.10) можно написать, что
/2=0,5/2и.	(3.19)
Рис. 3.21. Зависимость выпрямленного напряжения и тока от времени для расчета однофазной двухполупериодной
94
Очевидно, это выражение справедливо также для второй половины ()бмотки трансформатора. Используя выражение (3.1 Г) и (3.17), получим
/2пз = 1,5770.	(3.20)
Подставляя (3.20) в (3.10), получим величину действующего тока вторичной обмотки
Д -0,785Д.	(3.21)
Ток первичной обмотки изменяется по синусоидальному закону:
Л=/1т/л/2.	(3.22)
Подставляя в (3.22) значение 1Хт из выражения 1{т = I2Jn,T с учетом (3.20) получим величину действующего тока первичной обмотки
Ц =1,11/0/ит.	(3.23)
Расчетные мощности обмоток трансформатора
5) =U1IX =nTU2I} и S2=2U2I2.
Заменив в этих выражениях U2 на значения из (3.18), из (3.23) и /2 из (3.21) и подставив их в (3.15), получим расчетную мощность трансформатора
ST = | Ро (1,23 + 1,74) =1,48Р0.
В рассматриваемой схеме обратное напряжение на диоде
Нбр = 2^-	(3.24)
Определив U2m из (3.17) и подставив в (3.24), получим t/06p- 3,14 [70.
Средний ток диода в 2 раза меньше выпрямленного тока
/д.ср = О,57о-	(3.25)
Действующий ток диода равен действующему току вторичной обмотки и может быть найден по выражению (3.21) I = О,785/о. Амплитудный ток диода равен амплитудному току вторичной обмотки и определяется по формуле (3.20) I = 1,57/0. Из выражений (3.1) и (3.2) определяем число фаз выпрямления т ~ 2 • 1 ~ 2 и частоту первой гармоники f- 2 • 50 = = 100 Гц. Из выражения (3.4) находим коэффициент пульсации 7?п - 0,67.
95
По сравнению с однофазной одно полупериодной схемой выпрямления данная схема имеет трансформатор с меньшими габаритными размерами и массой вследствие лучшего использования обмоток трансформатора и отсутствия вынужденного намагничивания; меньшие габаритные размеры и массу фильтра из-за увеличения частоты пульсации; амплитудный ток диода уменьшается в 2 раза.
Недостатком схемы является необходимость вывода средней точки вторичной обмотки трансформатора. Схема может быть использована в выпрямителях с низким напряжением и значительным током нагрузки. Включение одного диода в цепь тока нагрузки снижает потери в выпрямителе.
Однофазная мостовая схема (рис. 3.22, а). Двухполупериодное выпрямление может быть также осуществлено при помощи однофазной мостовой схемы выпрямления. При появлении разности потенциалов на концах вторичной обмотки трансформатора TV открываются два диода, и ток проходит через нагрузку RH. При изменении полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора открываются другие два диода, и ток вновь проходит через нагрузку в том же направлении.
Рис. 3.22. Однофазная мостовая схема выпрямления (а) и зависимости напряжений и токов от времени: б—напряжение на вторичной обмотке трансформатора; в— выпрямленные ток и напряжение; г, д — токи, протекающие через диоды; е, ж — соответственно токи во вторичной и в первичной обмотках трансформатора; з—напряжение на диоде за второй пол у период напряжения на вторичной обмотке трансформатора
96
Ток через нагрузку проходит в одном направлении в течение обоих 11 (шупериодов напряжения на вторичной обмотке—выпрямление двух-। ioj 1упериодное. Во вторичной обмотке ток синусоидальный и протекает и течение обоих полупериодов, поэтому вынужденное намагничивание i < рдечника отсутствует. Ток в первичной обмотке тратюформатора также синусоидальный.
Во время второго полупериода будут открыты диоды VD1 и VD4, •-OI[ротивление их будет равно нулю, а поэтому потенциал точки а будет I ывен потенциалу точки Ь, а потенциал точки с—потенциалу точки d. (’ледовательно, к каждому диоду в обратном направлении будет । |риложено максимальное напряжение, равное амплитудному напряжению в горичной обмотки.
Выпрямленное напряжение в данной схеме имеет такую же форму, как и в однофазной двухполупериодной схеме. Поэтому для определения действующего напряжения вторичной обмотки трансформатора можно воспользоваться выражением (3.18). Действующий ток вторичной обмотки трансформатора находим, пользуясь выражением (3.9). В отличие от предыдущих схем интегрируем его в пределах от 0 до 2тг.
Л = J— I Jlm sin2 MdM = ~/= ;2И, •	(3.26)
V /я о	V2
Подставив значение 12т из (3.20) в (3.26), получим /2~ 1Л Содействующий ток первичной обмотки определяется по выражению (3.23), которое справедливо и для мостовой схемы, так как в обоих случаях по обмотке трансформатора протекает синусоидальный ток.
Расчетные мощности обмоток трансформатора
= uli1 = /?тс/2Л - 1>23Р0; 4 = *44 = t23P0.
Подставив значения 5) и S2 в формулу (3.15), находим расчетную мощность трансформатора ST = 1,23Pq.
В рассматриваемой схеме обратное напряжение, приходящееся на один диод
= и2т = 42U2.	(3.27)
Подставив U-, из выражения (3.18) в формулу (3.27), получим
7 Вл. Сапожников
97
Средний ток диода может быть найден по выражению (3.25). Действующее1 и амплитудное значения тока диода определяются по формулам (3.21) и (3.20):
^д = /2 = 0,78570,/да = 72т=1,57/0.
Из выражений (3.1) и (3.2) находим число фаз выпрямителя т = 2 • 1 = 2 и частоту первой гармоники- 2 • 50 = 100 Гц.
Из выражения (3.4) имеем коэффициент пульсации /?п - 0,67. По сравнению с однофазной двухполупериодной схемой выпрямления данная схема имеет следующие преимущества. Благодаря лучшему использованию обмоток трансформатора его габаритные размеры и масса меньше, не требуется специального вывода от средней точки вторичной обмотки; напряжение на вторичной обмотке и обратное напряжение на диоде в 2 раза меньше. Схему широко используют в выпрямителях малой мощности (до 1 кВт). Для более мощных выпрямителей применение этой схемы нежелательно вследствие возможной перегрузки какой-либо из фаз трехфазной сети переменного тока.
Трехфазная однополупериодная схема (рис. 3.23, а). Данная схема, предложенная Э.Ф. Миткевичемв 1901 г., состоит из трехфазного трансформатора Т и трех диодов UD1—VD3. Первичные обмотки трансформатора могут быть соединены звездой или треугольником, а вторичные обмотки соединяют только звездой, так как требуется общий вывод. Эту схему можно представить как три параллельно включенные однофазные однополупериодные схемы выпрямления, работающие на общую нагрузку.
При появлении наибольшего положительного потенциала на конце одной из фазных обмоток относительно общей точки 0 открывается соответствующий диод, и ток проходит через нагрузку RH. В любой момент времени ток проходит только через тот диод, у которого напряжение на аноде выше, чем на катоде, а так как катоды трех диодов соединены в общей точке и подключены к нагрузке, ток проводит диод, у которого напряжение на аноде максимально.
В течение времени —/4 анод диода VD1 имеет наибольший положительный потенциал, и ток от точки а проходит через диод VD1 и нагрузку R к точке 0. В течение времени /4—ток проходит через диод VD2 и т.д. (рис. 3.23, б).
98
RH б	1ф 2ф Зф
Рис. 3.23. Трехфазная однополупериодная схема выпрямления (а) и зависимости I спряжений и токов от времени: б—напряжения на вторичных фазных обмотках в — выпрямленные ток и напряжение, г, е — токи, протекающие через диоды и соединенные с ними, вторичные обмотки трансформатора, ж—ток в первичной фазной обмотке, з—напряжение на электродах диода VD
99
Таким образом, диоды VD1, VD2 и VD3 работают поочередно, каждый в течение V3 периода. Токи, протекающие через нагрузку, совпадают по направлению, следовательно, схема обладает выпрямительным свойством. Выпрямленные ток z‘q и напряжение z/q никогда не достигают нулевого значения (рис. 3.23, в).
Обмотки трансформатора используются только в течение V3 периода, и направление тока во вторичной обмотке неизменно (рис. 3.23, в, г). Следовательно, имеет место вынужденное намагничивание сердечника трансформатора.
Ток в первой (первичной) обмотке (рис. 3.23, ж) зависит не только от тока вторичной обмотки данной фазы, но и от токов в других вторичных фазных обмотках. Постоянная составляющая тока в первичной обмотке отсутствует.
В промежутках времени —Z4, когда диод VD1 открыт, напряжение на его зажимах равно нулю. С момента времени /4 диод VD1 закрывается и открывается диод VD2. Напряжение на зажимах диода VD 1 в период времени /4—определяется разностью мгновенных значений фазовых напряжений их и и2, а в промежутках времени t5—to — их суммой. С момента времени открывается диод VD3. В период времени —Л j напряжение на диоде VD 1 будет определяться суммой напряжений щ и z/3, а в промежутке j—/13 — их разностью.
Кривые выпрямленного напряжения и тока (рис. 3.24) состоят из трех симметричных частей, ограниченных в верхней части отрезками синусоидальных кривых, поэтому постоянная составляющая напряжения
V j т _ _ abc
° ~ 2я/3'
Помещая начало координат в точку О', находим w9 = H2mcos cot. Выразив площадь abc в виде интеграла и выполнив необходимые преобразования, получим
и 1 Г i
j u2dat =
cos ^td(i)t -
зУзс/2,„ 2л
= 0,826t/2,„.
(3.28)
100
Рис. 3.24. Зависимости выпрямленного напряжения и тока от времени для расчета трехфазной однонолупери одной схемы выпрямления
Заменив действующим значением фазового напряжения, получим
[/2 = O,855L/o.	(3.29)
Вторичная обмотка и диод соединены последовательно (если начало координат помещено в точку О’), поэтому
‘д2 = h = hm cos Ctf.	(3.30)
Действующее значение тока вторичной обмотки Д определяют, । юльзуясь общим выражением
I = — J	(3.31)
V о
Подставив значение тока из выражения (3.30) в формулу (3.31), 1 юлучим
2 COS
cotafart = 0,48 Дпг •
(3.32)
Используя выражения (3.11) и (3.28), имеем
= 1,21Д.
(3.33)
Подставив выражение (3.33) в формулу (3.32), получим действующее значение тока вторичной обмотки Д “ 0,58Д.
101
Действующее значение тока первичной обмотки (см. рис. 3.23, ж) определяем из общего выражения для действующего значения тока (3.31) и формулы (3.30) с учетом коэффициента трансформации п :
2л
i^dcM =
О
+ 2
cos
co/dcoz
= 0,396
(3.34)
п
Подставив значение 12т из формулы (3.33) в выражение (3.34), находим
Л = (1/пт)О,48/о.
Расчетные мощности первичной и вторичной обмоток
Sj = 3U1Il = Зпти2Ц = 1,23Р0
(3.35)
и S2 = ЗП2/2 = 1,49Р0.
(3.36)
Подставляя (3.35) и (3.36) в (3.15), определяют расчетную мощность трансформатора
,S'r =	+S2) = 1,36Р0.
В данной схеме обратное напряжение на диоде
С'обр = 4143U2 = 2,4417
о
(3.37)
Подставляя U2 из формулы (3.29) в выражение (3.37), получаем Поб = 2,09 UQ.
Средний ток диода в 3 раза меньше выпрямленного тока /д = /0/3.
Действующий ток диода равен действующему току вторичной обмотки 7д = 12 - О,5877о.
Амплитудное значение тока через диод равно амплитудному значению тока вторичной обмотки I =12т = 1,21/0.
102
Из выражений (3.1) и (3.2) определяем число фаз выпрямления in = 3 • 1 = 3 и частоту первой гармоники= 3  50 = 150 Гц.
Из формулы (3.4) находим коэффициент пульса ц| in nlt	1) = 0,25.
Перед ранее рассмотренными схемами выпрямления трехфазная «щнополупериодная схема выпрямления имеет ряд преимуществ. По сравнению с однополупериодной и двухполупериодной схемами у нее j iy идее использование обмоток трансформатора, меньший коэффициент । |ульсации, вследствие увеличения частоты первой гармоники существенно уменьшены габаритные размеры и масса ci наживающего фильтра, обеспечивается равномерная нагрузка фаз трехфазной сети.
Основными недостатками схемы являются вынужденное намаг-1111 чивание сердечника и значительное обратное напряжение на диоде. На выходе схемы возможно появление переменной составляющей с частотой 50 Гц, если напряжение на фазах неодинаково.
Схему можно использовать в выпрямителях средней и большой мощности, однако широкого распространения в электропитающих установках автоматики и связи она не получила.
Трехфазная мостовая схема (рис. 3.25, а). Данная схема была предложена А.Н. Ларионовым в 1923 г. Первичные и вторичные обмотки можно соединять звездой или треугольником.
При появлении наибольшей разности потенциалов на концах двух фазных обмоток открываются соответствующие два диода, и ток проходит ' юрез нагрузку.
В промежутке времени —tt (рис. 3.25, б) наибольший положительный потенциал (относительно точки 0) на конце обмотки первой фазы 1ф, а наибольший отрицательный—на конце обмотки второй фа-зы2ф. Под воздействием этой разности потенциалов ток проходит от конца обмотки фазы 1 ф через диод VD2, нагрузку 7Н, диод VD3 к концу обмотки фазы 2ф. Хотя за этот промежуток времени на конце обмотки третьей фазы существуют положительный, а затем отрицательный потенциалы, по они меньше потенциалов на концах двух других обмоток, поэтому диоды VD5 и VD6 остаются закрытыми. В период времени t2— наибольший положительный потенциал имеется еще на конце обмотки фазы 1 ф, а наибольший отрицательный — на конце обмотки фазы Зф. Поэтому ток будет протекать от конца обмотки фазы 1 ф через диод VD2, нагрузку RH, диод VD5 к концу обмотки фазы Зф.
103
Рис. 3.25. Трехфазная мостовая схема выпрямления (я) и зависимости напряжений и токов от времени: б—напряжения на вторичных фазных обмотках; в—выпрямленного тока и напряжения; г—тока, протекающего через диод VD2; д—тока, про рекающего через фазную обмотку 1ф; е—изменения обратного напряжения на диоде
В дальнейшем в каждый момент времени работают два диода (за исключением моментов времени г0, 12 и далее, когда работают три диода). Каждый диод пропускает ток в течение периода, работая попеременно с двумя другими диодами.
Напряжение i ia нагрузке пульсирует вследствие изменения мгновенных значений напряжения между концами фазных обмоток. Действительно, если наблюдать характер изменения напряжения между концами фазных обмоток за время от Zq до /2 (см. рис. 3.25, б), будет видно,что wZ| >(wZo
Кривая (рис. 3.25, д) показывает, что обмотки используются в течение 2/3 периода и подмагничивание сердечника отсутствует. Ток первичной обмотки имеет ту же форму, что и ток вторичной, отличаясь от него только по амплитуде. Обратное напряжение на диоде (рис. 3.25, г) определяется так же, как и в трехфазной однополу-периодной схеме.
В трехфазной мостовой схеме постоянную составляющую выпрямленного напряжения можно представить как сумму постоянных составляющих двух- и трехфазных (однополупериодных) выпрямителей. Поэтому по выражению (3.29)
104
। юлучим действующее значение напряжения Bi'opi i111 юй обмотки трансформатора
UQ = 2C/2/0,855 = 2,34t/2,
(3.38)
। де U2 ~ фазное напряжение вторичной обмотки.
Выражение (3.38) удобнее представить в виде U2 = UQ /2,34 = 0,341/0 ) цы фазного напряжения и U 2л = х/3£/2 = 0,74С\}дая линейного напряжения.
Кривая тока вторичной обмотки трансформатора (см. рис. 3.25, д') содержит четыре одинаковых части длительностью, равной 76 периода. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора
2л
iodtst =
9
COS СЭД/соГ = 0,78/2ш
(3.39)
Амплитудное значение тока, проходящего через обмотку трансформатора а
J2т = 0,5/72т / R = (-Л / r)u
Подставив значение П2л из выражения (3.38), получим /2т=1,О4/о.	И-40)
Подставив выражение (3.40) в формулу (3.39), получим /2 = 0,8170.
Кривые тока в первичной и вторичной обмотках имеют одинаковую форму, поэтому действующий ток первичной обмотки
ит	пТ
Расчетные мощности первичной и вторичной обмоток
=Зи{Ц =3nTU2I} - l,O45PoS2 = 3U2I2 =1,О45Ро.
Так как 5'1 = 59, расчетная мощность трансформатора ST = 1,045Ро.
В трехфазной мостовой схеме обратное напряжение, приходящееся на один диод, такое же, как и в трехфазной однополупериодной схеме (см. рис. 3.25, ё). Из выражения (3.37)	2,44£/2. Подставив в это
выражение U2 из формулы (3.38), получим Иоб = 1,04L/o.
Средний ток диода в 3 раза меньше выпрямленного тока /	- (1/3)/0.
105
Действующий ток диода (см. рис. 3.25, г)
cos2 .
Данное выражение отличается от выражения для действующего тока вторичной обмотки (3.39) только числовым коэффициентом, поэтому можно написать
/д=0,784,„/7272т=0,578/о.
Амплитудный ток через диод такой же, как и ток во вторичной обмотке трансформатора. Согласно (3.40) I -= 1,О4/о.
По выражениям (3.1) и (3.2) число фаз выпрямления т = 3 • 2 = 6, а частота первой гармоники f- 50 • 6 - 300 Гц.
По выражению (3.4) коэффициент пульсации /?п - 0,057.
По сравнению с ранее рассмотренными схемами трехфазная мостовая схема имеет следующие преимущества: меньшие габаритные размеры и массу трансформатора; более высокую частоту первой гармоники, позволяющую существенно упростить конструкцию фильтра; малый коэффициент пульсации, вследствие чего допускается иногда применять схему без дополнительного сглаживания. Схему используют в выпрямительных установках средней и большой мощности.
В табл. 3.1 приведены параметры для пяти основных схем выпрямления. Сравнение схем по главным показателям типовой мощности трансформатора и коэффициенту пульсации выпрямленного напряжения показывает преимущество трехфазной мостовой схемы выпрямления, несмотря на наибольшее число вентилей.
Таблица 3.1
Параметры основных схем выпрямления
Параметры
Схема однофазная
Однополу- Двухполу-
Мостовая
периодная
периодная
Схема однофазная Однополу- Мостовая периодная
Трансформатор
Действующее значение вторичной обмотки (фазное) U2 Действующий ток вторичной обмотки Т
2,22 Со
1,57 Со
2x1,11 Со
0,785 /о
1,НС0
1,11 А>
0,855 Со
0,58 А
0,43 Со
0,82 70
106
Параметры
Схема однофазная
1 Ip одолжение^ mafoL 3- 1
(\сма однофазная
Однополу- Двухполу- Мостовая Однополу- Мостовая периодная периодная
1 юриодная
Трансформатор
) (ействующий ток первичной обмотки
Расчетная мощность трансформатора Коэффициент использования трансформатора, Вынужденное 11амагничивание сердечника
0,324
0,675
0,814
0,741
0,955
Есть
Нет
Нет
Есть
Нет
Диоды
г
г
Максимальное обратное напряжение на вентиле СОбР Средний ток диода,
о
Действующий ток диода, /д Амплитудное значение тока диода, 1ЯГ} Число диодов
Фаза выпоямления. т
1,045 Л)
Пульсации					
Частота первой гармоники,/1 Коэффициент пульсации, пп	50 1,57	100 0,67	100 0,67	150 0,25	300 0,057
Многофазные схемы выпрямления. Дальнейшее повышение качества работы схем выпрямления может достигаться увеличением числа фаз питающего тока. Схема (рис. 3.26, а) преобразовывает трехфазный ток в шестифазный. В этой схеме имеются две группы вторичных обмоток, каждая фазная обмотка которой состоит из двух частей. Отдельные части фазных обмоток в первой группе соединены между собой таким образом, что фазы напряжений Ц; С3 и U5 (рис. 3.26, б) опережают исходные на угол 30°. Части фазных обмоток другой группы соединены так, что фазы
107
напряжений t/2, U^vl U6 отстают от исходных на угол 30°. Эти напряжения подводятся к двум мостовым схемам выпрямления, выходы которых могут быть соединены последовательно, если требуется повышенное напряжение, или параллельно, если требуется значительный ток. Число фаз такой схемы т = 12 в 2 раза больше, чем у трехфазной мостовой, выше частота первой гармоники fy - 600 Гц и меньше коэффициент пульсации пп - 0,014.
Рис. 3.26. Шестифазная схема выпрямления (я) и ее векторная диаграмма (б)
3.5.5. Влияние характера нагрузки на работу выпрямителей
В реальных условиях выпрямители редко работают на чисто активную нагрузку. В большинстве случаев между схемой выпрямления и нагрузкой включен фильтр, содержащий шадуктивности и емкости, которые можно рассматривать как часть нагрузки.
При буферной системе питания выпрямитель оказывается нагруженным на встречную ЭДС, а при замене аккумуляторов батареей конденсаторов нагрузка оказывается емкостной. Часто сама нагрузка содержит элементы с индуктивностью и емкостью. Таким образом, в реальных условиях выпрямитель может работать на нагрузку, состоящую из активного сопротивления и емкости (нагрузка с емкостной реакцией), или активного сопротивления и индуктивности (нагрузка с индуктивной реакцией), или активного сопротивления и источника ЭДС (нагрузка на встречную ЭДС). Возможна работа выпрямителя и на смешанную
108
Рис. 3.27. Схема однофазного однополу-периодного выпрямителя, работающего на активное сопротивление с последовательно включенной индуктивностью («) и зависимости напряжений и токов от времени: б—напряжение, ЭДС и ток на вторичных обмотках; в — кривые выпрямленного напряжения па нагрузке; г — кривая напряжения на диоде
нагрузку. Наличие индуктивных и емкостных со про i пилений, а также встречной ЭДС существенно сказывается на физических процессах при выпрямлении. Наэти процессы значительное влияние оказывают активные и реактивные сопротивления внутри схем выпрямления, а также асимметрия питающих напряжений и сопротивлений элементов схем.
Работа выпрямителя на нагрузку с индуктивной реакцией (рис. 3.27, а). Г акой режим имеет место при использовании дроссез г я в качестве первого элемента сглаживающего фильтра.
Во время положительного полу-периода напряжения и2 на вторичной обмоткетрансформатораток в цепи нагрузки z0 возрастет (рис. 3.27, б). В обмотке дросселя возникнет ЭДС самоиндукции eL, направленная навстречу напряжению и2 и противодействующая возрастанию тока zQ. До тех пор пока ток в цепи возрастает, ЭДС самоиндукции имеет отрицатель-ный знак. Однако когда ток начинает уменьшаться. ЭДС самоиндукции становится положительной, по 1 управлению совпадает с приложен
ным напряжением и поддерживает ток за счет запасенной энергии магнитного поля. Поэтому ток в цепи продолжает протекать даже при отри! дательной части полу-i хериода напряжения на вторичной отметке. В момент когда ток в цепи уменьшается до нуля, ЭДС самоиндукции также становится равной нулю. Длительность протекания
тока в цепи зависит от соотношения между активным и индуктивным
сопротивлениями и может находиться в пределах от половины периода до целого периода.
109
Кривая выпрямленного напряжения (на нагрузке) (рис. 3.27, в) повторяет форму кривой тока, протекающего через диод zVD. Напряжение на нагрузке равно алгебраической сумме напряжения и2 и ЭДС .
Кривая напряжения на диоде показывает, что время, в течение которого диод находится под воздействием обратного напряжения, сокращается. Обратное напряжение возрастает скачком и может достичь амплитудного значения иЪп. По сравнению с выпрямителем, работающим на активную нагрузку, в данной схеме увеличивается длительность работы вентиля; уменьшается амплитудное, а следовательно, и действующее значение выпрямленного тока; среднее значение выпрямленного напряжения также уменьшается, что приводит к необходимости увеличения напряжения на вторичной обмотке. В связи с этими недостатками однополупериодная схема выпрямления не находит широкого применения.
Работа других схем выпрямления на индуктивную нагрузку отличается от работы однополупериодной схемы. В этих схемах диоды работают на индуктивную нагрузку поочередно, поэтому к моменту перехода тока с одного диода на другой он имеет не нулевое, а конечное значение.
Рис. 3.28. Схема зрехфазного однополупериодного выпрямителя, работающего на
I ia грузку с реакп гвной реакцией (а) и зависимости напряжений и токов от времени (в—к)
ПО
Предположим, что в однополупериодном трсхфая юм выпрямителе, работающем на индуктивную нагрузку (рис. 3.28, а), индуктивность дросселя бесконечно большая величина (L = <*>) н процесс носит установившийся характер.
На отрезке времени 0—1 по оси абсцисс (рис. 3.28, б) будет открыт первый диод, так как на его аноде будет наибольший положительный потенциал, на отрезке 1—5—второй, а на отрезке 5— 10—третий. На выходе схемы выпрямления напряжение будет иметь такую же форму, как при активной нагрузке (рис. 3.28, в). Ток в цепи нагрузки будет строго постоянным (рис. 3.28, г), так как для переменной составляющей дроссель будет представлять бесконечно большое сопротивление. В то же время этот ток будет создаваться поочередным действием фаз, поэтому гок в каждой фазе имеет вид прямоугольника (рис. 3.28, д). Напряжение । ia нагрузке (см. рис. 3.28, г) также будет строго постоянным. Переменная составляющая выпрямительного напряжения в основном создает падение напряжения на дросселе (рис. 3.28, е).
При конечном значении индуктивности дросселя (L = ©о) процессы 1 гротекают почти так же, но с той лишь разницей, что выпрямленный ток пс будет строго постоянным.
В период времени 0—1 напряжение является наибольшим, и ток I фоходит через диод VD1. Напряжение и2 на этом отрезке уменьшается, уменьшается и ток через диод VD1 (рис. 3.28, и). С момента времени 1—5 наибольшим становится напряжение и? и начинает работать диод VD2. Несмотря на то что напряжение и2 в промежутке времени 1—3 возрастает, ток диода VD2 продолжает уменьшаться. Однако по мере роста напряжения и2 скорость убывания тока постепенно уменьшается, и в момент времени 3 ток диода начинает увеличиваться. В результате действия ЭДС самоиндукции ток диода VD2 достигает максимума не в момент времени 3, когда напряжение и2 максимально, а несколько позже, в момент времени 4. Затем ток диода убывает, а в момент времени 5 начинает работать диод VD3, и ток через диод VD2 прекращается. Далее процесс периодически повторяется.
Кривая тока диода имеет форму, близкую к прямоугольной, поэтому действующее и амплитудное значения тока, протекающего через вторичную обмотку трансформатора, соединенную последовательно с диодами, будет меньше, чем при работе на чисто активную нагрузку. Поэтому расчетная мощность трансформатора (а также его размеры и масса) будут меньше при одном и том же выпрямленном токе.
Включение индуктивт тост ив схему при водтгг к уменьши ппо пу тьсацт п i выпрямленного напряжения (рис. 3.28, к). Амплитуда пульсации тем меньше, чем больше отношение (coL/R ).
Так как длительность протекания тока через диоды в схемах, работающих на активную и индуктивную нагрузки, остается неизменной, то форма кривой обратного напряжения имеет вид такой же. как при активной нагрузке (см. рис. 3.25, о).
Двмхполупсриодные одно- и многофазные схемы выпрямления, работающие па нагрузку с индуктивной реа кцией, и схемы, работающие на активную нагрузку, характеризуются следующими особенностями: уменьшается пульсация выпрямленного напряжения, уменьшаются также амплитудное и действующее значет шя тока в обмотках трансформатора, остаются неизменными длительность работы диодов, среднее выпрямлен! юс напряжение и обрап юс тran ряже! п те.
Работа выпрямителя на нагрузку с емкостной реакцией. Этот режим имеет место при использовании конденсаторов в качестве первого элемента сглаживающего фильтра. Схема однополупериодного выпрямителя (рис. 3.29, а) работ ает на coiтротивление нагрузки с параллельно включенным конденсатором С. Для приближения работы схемы к реальным условиям, при которых процесс заряда конденсатора не будет сопровождаться бескот течно большим током, будем счи га i ь. чт о сопротивление диодов в прямом направлении нс равно нулю, как ранее, а имеет конечное значение.
До момента времени Zj напряжение на вторичной обмотке трансформат ора меньше, чем напряжение л та конденсаторе, и диод закрыт (рис. 3.29, б). Начиная с момента t} напряжение па вторичной обмотке становится больше напряжения на кондеттсаторе, диод открывается, и конденсатор начинает заряжаться. За период времени /|—конденсатор заряжается, и напряжение на нем увеличивается. Однако вследствие конечного значения тока заряда, ограпичетгного сопротивлением диода, I тапряжен! те i та нем остается меньше, чем напряжение на в т оричной обмотке.
В момент времени напряжение уменьшаясь, становится меньше, чем напряжение на конденсаторе, а потенциал анода вентиля меньше, чем потенциал его катода, что является причиной закрытия диода и прекращения протекания через него тока.
За промежуток времени z9—копдснса i op разряжается через нагрузку, поддерживая в ней ток прежнего направления. По мере разряда
112
Рис. 3.29. Схема однополупериодного выпрями геля, paooj акицего на на! рузку с емкостной реакцией (б/), и зависимости напряжений и токов от времени (б~ <))
конденсатора напряжение на нем । и।дает. Скорость уменьшения напряжения на конденсаторе зависит от <»ютношсг 1 ия емкося 11 koi щенсатора 11 coupon твления нагрузки. Чем меньше R и С, тем быстрее разряжается конденсатор.
Разряд конденсатора продолжается до момента времени ty когда увеличивающееся напряжение п2 сгановится равным напряжению на конденсаторе. Начиная с этого мо-мет 1та диод вновь открывается, и koi г-дс! ica гор опя гь начинает заряжаться. 11 дальнейшем г гронссс повторяется.
В начале и в конце заряда ток, । ротекаюший1 герез диод, равен г гулю (рис. 3.29, в). За это время ток заряда достигает максг тмалыюго знача гия.
Криваятока в ггатрузке(рис. 3.29. ?) 1 ювторяет форму кривой напряжег шя ! ia ког щснсаторе, так как нагрузка включена параллельно конденсатору.
Во время отрицательного иолупериода напряжение на диоде равно сумме напряжений па конденсаторе и на вторичной обмотке трансформатора (рис. 3.29. г)). Если емкость конденсатора достаточно велика, то напряжение на нем меняется г гезначтгге.' гьно, поэтому можно принять, иго Cro6 ~ U2m + U2 UOfn, т. е. обратное напряжение на диоде примерно в 2 раза больше, чем при работе схемы на акт ивную нагрузку. В остальных схемах включение конденсатора гге г приводит к существен! юму изменению обратно! о напряжения на диоле. Так. в однофазной двухполупериодной схеме приакптвной на1р}?>кеобратносна1фяжение на диоде равно на! фяжеипю между концами встречной обмотки трансформа тора	а при
емкошт юй это iтаг ряжение може г бы i ь определено как сумма г iai ряжений па одной половине вторичной обмо тки и напряжения на конденсаторе + Ur. При болы hoi (емкости конденсатора эти значеиияблизки. ООр ZJ/1 С *	1
8 Вл. Сапожников
Во время работы выпрямителя на емкостную нагрузку уменьшается пульсация выпрямленного напряжения и сокращается время работы диодов. Максимальный ток, протекающий через диод и трансформатор, увеличивается, так как к току нагрузки добавляется ток заряда конденсатора.
Обмотка трансформатора используется хуже, чем в схеме выпрямителя с активной нагрузкой. Это объясняется тем, что при увеличении максимального тока возрастает его действующее значение, что приводит к увеличению расчетной мощности трансформатора. В выпрямителях с емкостной нагрузкой выпрямленное напряжение в большой степени зависит от тока нагрузки. Поэтому выпрямители данного типа применяют в установках небольшой мощности при неизменной или мало изменяющейся нагрузке.
Работа выпрямителя на смешанную нагрузку. Работой выпрямителя на смешанную нагрузку называют такой режим, когда нагрузка состоит из дросселя, конденсатора и активного сопротивления. Физические процессы, имеющие место при этом режиме, зависят от схемы включения дросселей и конденсаторов фильтра, а также от соотношения между ними.
Рассмотрим два наиболее часто встречающихся случая работы выпрямителей на смешанную нагрузку. Выпрямитель (рис. 3.30, а) работает на нагрузку, состоящую из дросселя L, включенного последовательно с нагрузкой RH, и конденсатора С, включенного параллельно нагрузке. Характер работы выпрямителя зависит от соотношения между индуктивностью дросселя L и емкостью конденсатора С. Если индуктивное сопротивление дросселя для низкой частоты переменной составляющей выпрямленного тока значительно больше, чем емкостное сопротивление конденсатора (т. е. coL » RH » //соС), то почти все напряжение переменной составляющей приложено к зажимам дросселя, поэтому напряжение на зажимах конденсатора остается практически неизменным. Благодаря этому конденсатор нс оказывает почти никакого влияния на режим работы выпрямителя, и можно считать, что выпрямитель работает так же, как и при индуктивной нагрузке. Различие состоит в том, что на холостом ходу напряжение на выходе выпрямителя равно амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора, в то время как без конденсатора оно всегда значительно меньше.
Рис. 3.30. Схемы выпрямителей, работающих па смешанную нагрузку с индуктивностью (а) и с емкостью (б) на входе фильтра
Выпрямитель (рис. 3.30, б) работает на нагрузку, состоящую из конденсатора С1, включенного параллельно выходу выпрямителя, дросселя L, включенного последовательно с нагрузкой RH, и конденсатора С2, также включенного параллельно нагрузке. Характер работы выпрямителя зависит от емкости конденсатора С1. Если емкостное сопротивление конденсатора С1 для переменной составляющей । < 1 спрямленного напряжения много меньше, чем сопротивление нагрузки, । о результирующее сопротивление нагрузки—емкостное. В этом случае дроссель почти не оказывает никакого влияния на режим работы выпрямителя, поэтому можно считать, что выпрямитель работает1 так же, как при емкостной нагрузке. Таким образом, характер нагрузки зависит от того, какой элемент (индуктивный или емкостной) является входным.
Работа выпрямителя на встречную ЭДС. Работой выпрямителя на । встречную ЭДС называют такой режим, при котором параллельно выходу выпрямителя включен источник постоянной ЭДС.
Схему (рис. 3.31, состоящую из выпрямителя, аккумуляторов GB и резистора R для регулировки тока заряда, применяют для заряда аккумуляторов. Если пренебречь внутренним сопротивлением аккумулятора, то напряжение на его зажимах равно ЭДС заряжаемого аккумулятора.
На рис. 3.31, б, в приведены кривая напряжения и2 вторичной обмотки трансформатора, напряжения на выходе выпрямителя uQ, ЭДС аккумуляторов и кривая напряжения и® при наличии аккумуляторов; кривая (рис, 3.31, г) характеризует изменение постоянной составляющей выпрямленного тока.
При наличии встречной ЭДС пульсация выпрямленного напряжения существенно уменьшается (см. рис. 3.31, б). Ток через любой из диодов может проходить только в том случае, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора Т положительно и больше, чем ЭДС аккумулятора,
115
Рис. 3.31. Схема выпрямителя, работающего па встречную ЭДС (я), и
зависимости напряжений и токов от времени (б—з)
т. е. когда и2 - Е > 0 (рис. 3.31, д, ё). Токи через диоды протекают не в течение половины периода как при активной нагрузке, а в течение меньшего промежутка времени. Длительность прохождения тока через диод зависит от ЭДС и может быть охарактеризована углом отсечки 0 (см. рис. 3.31,3). Углом отсечки называется выраженная в дуговой или градусной мере половина промежутка времени, в течение которого ток протекает через диод.
Кривая тока /2, протекающего во вторичной обмотке трансформатора, только в ином масштабе напоминает форму кривой тока в первичной —/2 равно напряжению на обмотке трансформатора.
Обратное напряжение (рис. 3.31, з) в интервале времени вторичной обмотки трансформатора, в промежутках времени /0—Zjii /2—равны V2 (Ео + iz2), в интервалах времени —/4 и /5—равны V2 (Ео - г/2). В интервале времени Z4-—15 диоды открыты, и напряжение на них равно нулю.
Таким образом, в отличие от активной нагрузки в данной схеме имеются моменты, когда все четыре диода находятся под обратным напряжением. В процессе работы однофазных выпрямит елей на встреч-
116
11ую ЭДС ток заряда аккумулятора всегда имссг i икры ш icгыи характер, г. с. имеет место работа с отсечкой. В отличие от этого п pi 1 работе многофазных выпрямителей на встречную ЭДС возможны два случая:
о > и2„, COS —; т
(3.41)
^0<^2ш COS—. Hl
(i)t
Рис. 3.32. Зависимости напряжений и токов от времени в грехфазном однополу-периодном выпрямителе, работающем на встречную ЭДС (а—в)
Рассмотрим эти случаи на примере трехфазиой схемы (т = 3). В первом случае (рис. 3.32, а, б) гок заряда прерывистый, т. е. имеет место работа с отсечкой, а во втором случае (рис. 3.32, а, в) ток заряда 1^прерывный, т. е. имеет место работа без отсечки.
При работе выпрямителя на встречную ЭДС уменьшается пульсация выпрямленного напряжения, причем пульсация тем меньше, чем больше встречная ЭДС. Во всех одно-и многофазных схемах выпрямления при выполнении условия (3.41)
время прохождения тока через диод уменьшается по сравнению с режимом работы на активную нагрузку, и это уменьшение сказывается тем больше, чем больше встречная ЭДС.
Влияние индуктивности рассеяния обмоток трансформатора на работу схемы выпрямления. При эксплуатации выпрямительного устройства форма кривой выпрямленного напряжения искажается вследствие наличия индуктивности рассеяния в фазных обмотках трансформатора и особенно сильно из-за регулирующих дросселей насыщения. Индук тивность этих дросселей нс позволяет токам фаз , /2 >и *з мгновенно пропадать и возникать вновь при переходе питания нагрузки от одной фазы к другой (рис. 3.33). Так, ток первой фазы нс исчезает мгновенно в момент времени Q, когда ЭДС первой фазы е1 (в прямом направлении) станет менее ЭДС второй фазы е2, точно так же ток второй фазы z2 не может мгновенно достигнуть наибольшего значения.
117
Рис. 3.33. Зависимости напряжении и токов от времени при учете индуктивности в схеме выпрямления
Таким образом, в течение промежутка времени Ц—t2 нагрузка питается одновременно от первой и второй фаз. Угол уп, соответствующий времени одновременной работы фаз, называется углом перекрытия. Для этого промежутка времени
j. dii	di^
е\ ~ ~Г и е2 — Uq + Ls ——, at	dt
где —мгновенное выпрямленное напряжение.
Складывая почленно уравнения и принимая во внимание, что
dir _ di2 dt dt
получим и0 = —е-2 , т. е. в течение времени перекрытия фаз мгновенное выпрямленное напряжение равно полусумме напряжений фаз, работаю
щих параллельно.
Совместное решение уравнений позволяет определить некоторые значения, необходимые для расчета выпрямителя и сглаживающего фильтра. Угол перекрытия фаз уп определяют из уравнения
тхс cosyn = 1-/0 — Т^ох.х где /0 — ток нагрузки выпрямителя;
xs—индуктивное сопротивление фазы трансформатора;
т—число фаз выпрямления;
СоХ х—выпрямленное напряжение при холостом ходу (или выпрямленное напряжение выпрямителя без потерь).
Чтобы найти средневыпрямленное напряжение, необходимо из площади фигуры багио. отнесенной к основанию 2п1т (т.е. из среднего выпрямленного напряжения холостого хода (пох х), вычесть площадь фигуры азг (ограниченной кривыми мгновенных напряжения и ЭДС с2):
Уп
(<?2 - Uo )d(tit
с	с	J
 __ °багио _ °азг _ г у	_ 0_____________
° 2п!т 2п1т охх 2п/т
118
В результате интегрирования и последующих 1преобразований получим - Uoxx - I()(mxs I 2тт). Таким образом, индуктивность рассеяния в фазных обмотках трансформатора уменьшает срсдневыпрямленное напряжение и, следовательно, увеличивает коэффициент пульсации.
В выпрямительных устройствах на угол перекрытия оказывает влияние индуктивность дросселей насыщения (влиянием реакции рассеяния трансформатора можно пренебречь).
3.5.6. Схемы выпрямления с умножением напряжения
Схемами умножения напряжения называют выпрямительные схемы, выходное напряжение которых в несколько раз больше амплитудного напряжения вторичной обмотки трансформатора. В качестве дополнительных источников ЭДС в этих схемах используют конденсаторы, периодически заряжаемые с помощью диодов.
Простейшей схемой умножения напряжения является однополупериодная схема удвоения (рис. 3.34), состоящая из элементов, образующих два однополупериодных выпрямителя. Первый из них состоит из диода VD 1, конденсатора С1 и резистора R ।, а второй—из конденсатора С1 диода VD2, конденсатора С2 и нагрузки RH.
В течение полупериода, когда I ютенциал точки а отрицательный, а 1 ютенциал точки б - положительный, конденсатор С1 заряжается через диод VD 1 и ограничивающий резис-тор R 1 до напряжения 2U2nr В течение следующего полупериода, когда потенциал точки становится положи
тельным, а потенциал т очки б—отрицательным, вторичная обмотка трансформатора TV оказывается соединенной с конденсатором Cl таким образом, что напряжение их суммируется. Под воздействием этого напряжения конденсатор С2 заряжается через диод VD2 до напряжения 2U2m. Конденсатор С2 заряжается только один раз за период, поэтому схема является однополупериодной. От обычной однополупериодной схемы с емкостной нагрузкой эта схема отличается удвоенным значением вы-
б
Рис. 3.34. Однополупериодная схема удвоения
ходкого напряжения.
119
Основным недостатком схемы является то, что частота пульсации в ней равна частоте питающего напряжения.
Двухполупериодная схема выпрямления с удвоением напряжения (рис. 3.35) состоит как бы из двух однополупериодных выпрямителей, соединенных между собой последовательно и работающих на одну общую нагрузку. Первый выпрямитель состоит из диода VD1 и конденсатора С1, а второй - из диода VD2 и конденсатора С2. Нагрузка RH включена параллельно двум последовательно соединенным конденсаторам С1 и С2.
Рис. 3.35. Двухполупериодная схема удвоения («) и зависим ости напряжений и токов от времени (6—Э)
В течение одного полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора TV, когда в точке а положительный потенциал, а в точке б—отрицательный, конденсаторС! заряжается через диод VD1 почти до напряжения U2m, а в течение следующего полупериода через диод VD2 заряжается конденсатор С2 также почти до напряжения U2m, Так как конденсаторы С1 и С2 соединены последовательно, на нагрузке будет напряжение почти 2U2m, Вынужденное намагничивание сердечника трансформатора TV отсутствует и выпрямление двухполупериодное, а частота пульсации в 2 раза выше частоты питающего напряжения.
По сравнению с другими схемами двухполупериодного выпрямления основным преимуществом схемы удвоения является возможность получения напряжения в 2 раза большего, чем в мостовой схеме выпрямления, и в 4 раза большего, чем в двухполупериодной схеме выпрямления при одном и том же напряжении вторичной обмотки трансформатора.
К недостаткам схем удвоения относится значительное выходное сопротивление выпрямителя.
120
Однофазные однотактные схемы выпрямления с одновременным умножением выпрямленного напряжения обычно называют несимметричными схемами умножения напряжения. Их действие основано на с ложении напряжений нескольких конденсаторов, соединенных последо-нагельно относительно нагрузки и заряжаемых через соответствующие вентили от одного источника питающего напряжы иля. Принцип действия ) । их схем умножения был рассмотрен выше. У кажем лишь, что кратность ум । южения является приблизительно целым числом. Частота пульсации па пряжения на нагрузке определяется частот ой пит ающего напряжения, * 11 юно вентилей и конденсаторов равно кратности умножения напряжения. В качестве примера на рис. 3.36,а, б приведены схемы с умножением । спряжения в три и шесть раз.
Рис. 3.36. Однотактные схемы выпрямления с умножением напряжения
Схемы выпрямления с умножением напряжения могут быть трансформаторные и бесгрансформаторные. Применение таких схем оправдывает себя при небольших токах нагрузки, когда конденсаторы работают в режиме • [логичного разряда. Практически такие умножители используются при ор-I анизации высоковольтного питания электроннолучевых трубок (в частности, кинескопов).
3.6. Сглаживающие фильтры
3,6.7. Общие положения
На выходе любой схемы выпрямления имеет место пульсация напряжения. Амплитуда и характер пульсации зависят от схемы выпрямления, характера нагрузки, формы входного переменного
напряжения и других факторов. Напряжение пульсации создает помех! i в питаемой аппаратуре и может нарушить нормальный режим ее работы. Для снижения амплитуды пульсации до допустимого значения выпрямительные устройства снабжают фильтрами. Если считать, что выпрямитель нагружен на чисто активную нагрузку и входное напряжение синусоидально, то выпрямленное напряжение может быть представлено в виде следующего ряда Фурье:
т U . я
---— sm — я т
где Um—максимальное значение выпрямленного напряжения;	]
т — число фаз выпрямления;
f— частота входного напряжения.
Выражение перед квадратными скобками характеризует постоянную составляющую выпрямленного напряжения. Члены вида
2	2
m2 -1 (2m)2 -1
представляют собой амплитуды гармоник, отнесенные к одному вольту выпрямленного напряжения.
Выражения mf\ 2mf... определяют частоты этих гармоник. В табл. 3.2 приведены амплитуды напряжений и частот первых четырех гармоник
Таблица 3.2
Частота и амплитуда гармоник пульсирующего напряжения
Схемы выпрямления	Гармоники пульсирующего напряжения							
	Первая		Вторая		Третья		Четвертая	
	Частота, Гц	Амплитуда, В	Частота, Гц	Амплитуда, В	Частота, Гц	Амплитуда, В	Частота, Гц	Амп- да, В
Однофазная двух-полупериодная и мостовая	100	0,667	200	0,133	300	0,057	400	0,057
122
11род()лжение табл. 3.2
Гармоники пульсирующего напряжения
Схемы выпрямления
Первая
Часто- Ампли-та, Гц туда, В
Вторая
Частота, Гц
Амплитуда, В
Третья
Час- Амп-тота, литу-Гц да, В
Четвертая
рехфазная одно-
рехфазная мосто-ая
150
300
0,250
0,057
300 0,057
600 0,014
0,057 0,025
500
тота, Гц
600 0,014
0,066 1200 0,003
для четырех основных схем выпрямления, причем постоянная состав-j । я ющая выпрямленного напряжения принята равной 1 В. С увеличением 11 омера гармоники амплитуды напряжения гармоник уменьшаются.
д.6.2. Оценка мешающего действия пульсации напряжения
Если в выпрямленном напряжении имеются гармоники с частотами /|,.^,.../г?амплитуднь1е напряжения которых соответственно Ц,	Un,
то полное эффективное напряжение помех определяется как среднее квадратичное из выражения
= 7о,5(Г12+Г22+... + {/п2).
(3-42)
При оценке мешающего действия переменной составляющей выпрямленного напряжения прежде всего учитывают первую и ближайшие к ней гармонические составляющие, имеющие наибольшие амплитуды. Однако гармоники, которые имеют небольшие амплитуды, могут оказывать большее мешающее действие, если частоты этих । армоник совпадают с частотами рабочих сигналов, существующих в питаемой аппаратуре. При оценке мешающего действия переменной составляющей на работу аппаратуры, предназначенную для сигналов, воспринимаемых органами слуха человека (телефонная, радиовещательная и др.), необходимо учитывать не только напряжение гармоник, совпадающих со спектром рабочих сигналов, но и чувствительность человеческого уха к колебаниям различных частот [16].
123
Если создать звуковые колебагшя i ia различных частотах с одинаково! i интенсивностью и принять чувствительность человеческого уха к колебаниям с частотой 800 Гц за исходную, то колебания в диапазоне от 800 до 1100 Гц будут восприниматься, как более громкие звуки, а колебания ниже 800 Гц и выше 1100 Гц—как менее громкие. В связи с этим в акустике введено понятие о псофометрическом коэффициенте ос , который позволяет учитывать степень чувствительности человеческого уха к колебаниям различных частот. Значения этого коэффициента определены экспериментально.
В устройствах электропитания при оценке мешающего действия гармонических составляющих на выходе выпрямителя также пользуются псофометрическим коэффициентом. В этом случае он показывает степень мешающего действия колебаний данной частоты по сравнению с мешающим действием колебаний с частотой 800 Гц.
В табл. 3.3 приведены значения псофометрического коэффициента для наиболее часто встречающихся гармоник переменной составляющей выпрямленного напряжения.
Таблииа 3.3
Псофометрические коэффициенты гармоник выпрямленного напряжения
/Гц	50	100	150	200	300	400	450	500	600
осп /;гц ап .Л Гц ССп	0,0071 700 0,902 1500 0,861	0,00891 750 0,955 1600 0,824	0,0355 800 но 1800 0,760	0,00891 900 1,072 2000 0,708	0,295 1000 1,122 2500 0,617	0,484 1100 1,072 3000 0,525	0,582 1200 1,0 3500 0,375	0,505 1300 0,555 4000 0,177	0,861 1400 0,505 5000 0,016
Напряжение помех с учетом чувствительности органов слуха человека к колебаниям различных частот называют псофометрическим напряжением. Полное эффективное псофометричсское напряжение помех, содержащих ряд гармоник,
<711СОф =	)2 + (и2а2 )2 +... + (Una„ )2],
где eq, а2,...5сс/? — псофометрические коэффициенты для соответствующих гармоник.
На характер и амплитуду пульсации выпрямленного напряжения существенное влияние оказывают не только схема выпрямления и наличие
124
индуктивностей, приводящих к явлению перекрыт» я фаз, но и ряд других причин. Так, вследствие неравномерной нагрузки (раз трехфазной сети, ((симметрии в схеме выпрямителя или наличия в схемах выпрямителей 11 юсселей насыщения, обладающих значителы ioi i hcj i i ii (сйностью, могут i юявиться гармоники с частотами, не характерными для принятой схемы in >11 трямления. В результате действия этих факторов ам1 шитуды гармонических с( етавляющих пульсирующего напряжения могу г существенно отличаться (> । приведенных значений (см.табл. 3.2), поэтому при расчете фильтров чаще всего руководствуются данными, получаемыми измерением отдельных гармонических составляющих с помощью анализаторов ci остра. Полное эффективное (среднее квадратичное) напряжение пульсации измеряется вольтметром с квадратичной характеристикой детек-11 фования и частотным диапазоном от 20 до 20000 Гц.
В связи с тем что гармоники в диапазонах частот ниже и выше 300 Гц । ю-разному сказываются на работе аппаратуры многоканальной связи, при измерении напряжения пульсации вольтметр подключают к контро-j । ируемой цепи через специальные фильтры нижних и верхних час тот с частотами среза 300 Гц. Псофометрическое напряжение пульсации I смеряется псофометром. В отличие от вольтметра псофометр снабжен (| мльтром, позволяющих! учесть неодинаковую чу всгвительность органов cj уха к колебаниям различных частот. Допустимые амплитуды пульсации выпрямленного напряжения питания аппаратуры автоматики и связи обычно указываются в технических условиях на аппаратуру. Для стацио-। ырной аппаратуры проводной и радиорелейной связи, выпускавшейся до 1985 г., напряжения питания и допустимое напряжение пульсации приведены в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Напряжение питания и допустимое напряжение пульсации аппаратуры связи, выпускавшейся до 1985 г.
Аппаратура или цепи
Напряжение питания, В
Номинальное
Рабочее (7р
Допустимое напряжение пуль-
___________сации___________
Эффективное Псофометри-
(действующее) ческое 1/ПСОф, В Гэфф, В
Цепи питания аппаратуры воздушных, кабельных и радиорелейных линий
21,6...26,4
0.250
У
125
Продолжение табл. 3.4
Аппаратура или цепи	Напряжение питания, В		Допустимое напряжение пульсации	
	Номинальное	Рабочее LL J V	Эффективное (действующее) бэфф, В	Псофометри-ческое £/11Соф, В
Вспомогательные цепи аппаратуры связи (цепи сигнализации) Коммутаторы ручных телефонных станций Аппаратура тонального телеграфирования Аппаратура автоматических телефонных станций каскадно-шаговой системы Аппаратура автоматических телефонных станций координатной системы Аппаратура автоматических телефонных станций квазиэлектронной системы Коммутационная аппаратура телеграфных станций	• 21,2 24 24 60 60 60 60	20,6...21,8 21,6...26,4 21,6...26,4 58...66 54...72 54...66 58...66	0,015**’ 1,2 0,24 0,6	5-10-3 5-10-3 5-10-3
*	Действительно для аппаратуры, разработанной до 1970 г.
*	* Полосе частот до 300 Гц.
*	** На частоте 300 Гц и выше.
Для стационарной аппаратуры электросвязи, выпускаемой с 1985 г., постоянное напряжение питания и допустимое напряжение пульсации приведены в табл. 3.5.
126
Таблииа 3.5 J»
Напряжение питания и допустимое напряжение пульсации аппаратуры связи, выпускаемой с 1985 г.
Напряжение питания, В Рабочее
11оминаль-ное
для группы
первой
второй
Допустимое напряжение пульсации
Эффективное	Псофометри-
(действующее) (7мМ), В ческое С7псоф, В для диапазона частот, Гц
До 300 От 300
24	21...28	21,6...26,4
60	54...72	54...66
0,1 0,250
до 20000 0,01 0,015
0,002
0,002
Для радиоэлектронной аппаратуры допустимая амплитуда пульсации выпрямленного напряжения часто задается в виде коэффициента пульсации, выраженного в процентах. Ориентировочные допустимые коэф-। |)ициенты пульсации для некоторых элементов радиоаппаратуры приведены в табл. 3.6.
Таблица 3.6 Допустимые коэффициенты пульсации в аппаратуре связи
Элементы аппаратуры __________или цепи напряжения, %______ Микрофонные цепи
Задающие генераторы радиопередатчиков Усилители низкой частоты
Выходные каскады передатчиков: телефонных телеграфных
Допустимый коэффициент ________пульсации, В_________ 0,0001...0,0005 0,001...0,01 0,1...0,5
0.05...0,1 0,5...1,0
Амплитуда пульсации напряжения на выходе схемы выпрямления в большинстве случаев превышает допустимое значение. Для снижения : i мплитуды пульсации применяют сглаживающие фильтры.
Схемы и конструкция фильтров могут быть самыми разнообразными. Простейшие фильтры (рис. 3.37 а, б) обычно состоят из одного элемента (индуктивности или емкости). Одно- и многозвенные фильтры (рис. 3.37, в, г, д') состоят из различных комбинаций L, С и R. В резонансных фильтрах (рис. 3.37, е, ж) имеются резонансные контуры, настроенные । га одну из гармоник (обычно первую) выпрямленного напряжения.
Электронные фильтры (рис. 3.37, з), в которых в качестве управляемого сопротивления, подавляющего переменную составляющую,
127
используются схемы с транзисторами. В фильтрах с аккумуляторной батареей (рис. 3.37, и) аккумуляторная батарея, кроме основного своего назначения—резервирования питания—выполняет вторую задачу обеспечивает уменьшение пульсации. Для питания стационарной аппаратуры автоматики и связи на железнодорожном транспорте наиболее широкое распространение получили схемы фильтров, приведенные на рис. 3.37, а, г, д, и.
Электронные фильтры
Рис. 3.37. Сглаживающие фильтры
Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент фильтрации, который показывает, во сколько раз фильтр уменьшает амплитуду7 напряжения соответствующей гармоники kn = U / Ь1Х, где £/пвх и 1/jibi.ix — амплитудные значения напряжения /з-й гармоники соответственно на входе и выходе фильтра.
3,6,3, Сглаживающие фильтры из индуктивности и емкости •>
Расчет коэффициента фильтрации фильтра, состоящего из одного дросселя (рис. 3.38, ci). Напряжение пульсации на входе фильтра (выходе схемы выпрямления) определяют по формуле (3.42).
Фильтруменьшаегамплтпудунапряженияпервойгармоникив/с! раз,второй в /<2 раз, а /з-й в кп раз. Поэтому напряжение пульсации на выходе фильтра
t/Bb,x = Jo,5[(t7,	)2 + (t/2 /А2 У +... + (ин /ка )2].	(3.43)
128
Рис. 3.38. Сглаживающий фильтр, состоящий из одного дросселя L (а), и однозвенный фильтр (Л)
Так как в данном фильтре нет резонансных контуров и его коэффициент передачи возрастает приблизительно пропорционально увеличению • и илоты, будет справедливо следующее соотношение kr/k j , или к^ = к jт. е. коэффициент фильтрации для n-й гармоники во столько I >аз больше коэффициента фильтрации для первой гармоники, во сколько раз частота и-й гармоники больше частоты первой гармоники.
Выражая коэффициенты /<2? к^ ...,кп через к2 и подставляя в формулу (3.43), получим
или
Необходимый коэффициент фильтрации, отнесенный к первой гармонике, при котором обеспечивается снижение суммарной пульсации до допустимого значения
где Е7ВЫХ—допустимое напряжение пульсации для данной аппаратуры;
Ц, U2..., U — амплитудные значения напряжения гармоник;
fufi »А — частота гармоник.
9 Вл. Сапожников
129
Если допустимое напряжение пульсации задано в псофометрических единицах, то для каждой гармоники определяют псофометрическип коэффициент и формула (4.3) примет вид
^2a2f\
ВЫХ
Расчет коэффициента фильтрации однозвенного фильтра (рис. 3.38, б). Необходимый коэффициент фильтрации, отнесенный к первой гармонике, при котором обеспечивается снижение суммарной пульсации допустимого значения,
вых

Расчет элементов фильтра из одного дросселя '(см. рис. 3.38, а). Применительно к этой схеме можно записать два равенства для п-й гармоники
п вх
п вых
п

где in—переменный ток, возникающий в цепи под влиянием гармоники с напряжением	;
г—активное сопротивление дросселя;
<ол—угловая частота п-й гармоники;
RH—сопротивление нагрузки;
L—индуктивность дросселя.
Коэффициент фильтрации будет определяться соотношением
Обычно активное сопротивление дросселя г и активное сопротивление RH много меньше индуктивного, поэтому ими можно пренебречь. При этих условиях равенство (3.45) принимает вид
kn = anL/RH.	(3.46)
Индуктивность дросселя на основании (3.46)
/2pfn*
130
Фильтр, состоящий из одного дросселя, обычно применяется при ин именной нагрузке, так как его коэффициент фильтра! щи в значительной 11 ci юни зависит от тока нагрузки. Когда кп должен быть большим, фильтр из одного дросселя не применяют, так как в этом случае дроссель । юлучается громоздким и дорогим.
Расчет элементов однозвенного фильтра (см. рис. 3.38, б). ) (анный фильтр тем лучше сглаживает пульсацию, чем больше индуктивность дросселя и емкость конденсатора. Сопротивление конденсатора С ;шя переменного тока должно быть гораздо меньше, чем сопротивление । гагрузки. Поэтому при расчетах фильтра можно сопротивление RH не учитывать. Тогда применительно к данной схеме будут справедливы с । ieдующие два равенства для и-й гармоники:
где xL =(£>nL —индуктивное сопротивление дросселя;
хс =1/сол С —емкостное сопротивление конденсатора.
Коэффициент фильтрации для данной схемы
Сопротивлением г2 можно пренебречь. Тогда
к„ = X-L ~ Х^- =	= &2LC _ j
V^/z^
Из этого выражения
LC = (kn+l)/(2nfn)2.
Затем по рабочему напряжению и емкости выбирают конденсаторы, 1 юсле чего определяют требуемую индуктивность дросселя. В Г-образном фильтре на дроссель приходится наибольшее падение напряжения ! [еременной составляющей выпрямленного напряжения, так как только в этом случае на конденсаторе и нагрузке, присоединенной параллельно к нему, напряжение пульсации будет мало. В связи с этим должно выполняться неравенство xL« хс, тогда Г-образный фильтр будет иметь индуктивную реакцию. Для предотвращения резонансных явлений в фильтре необходимо, чтобы собственная частота фильтра была меньше частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения. Опыт
131
показывает, что собственная частота фильтра, определяемая из соотно-шения/ф = 1 /2л VEc > должна быть по крайней мере в 2 раза меньше частоты гармоники, на которую рассчитывается фильтр.
3-6А Сглаживающие фильтры с аккумуляторной батареей
Аккумуляторная батарея, применяемая в буферных электропитающих установках, используется как резервный источник тока. Одновременно совместно с элементами фильтра она обеспечивает сглаживание выпрямленного тока. Переменная и постоянная составляющие выпрямленного тока проходят по двум путям - через батарею и через нагрузку (рис. 3.39).
Рис. 3.39. Схемы подключения аккумуляторной батареи к выпрямителю и нагрузке a—двухпроводная; б—четырехпроводная; в—упрощенная двухпроводная
Каждая из этих цепей имеет различное сопротивление для переменного и постоянного токов. Постоянная составляющая выпрямленного тока протекает в основном через нагрузку и только небольшая часть (в режиме непрерывного подзаряда) ответвляется через батарею. Это происходит потому, что батарея аккумуляторов включена таким образом, что ее ЭДС направлена навстречу ЭДС выпрямителя и препятствует прохождению постоянного тока. Переменная составляющая выпрямленного тока ответвляется через аккумуляторную батарею и только незначительная часть — через нагрузку.
Для эффективного сглаживания пульсации при буферной системе электропитания необходимо, чтобы сопротивление цепи батареи для переменной составляющей выпрямленного тока было гораздо меньше, чем сопротивление нагрузки. Сопротивление существенно зависит от
132
ci юсоба подключения аккумуляторной батара i. ( у и гвуег несколько ci юсобов подключения батареи.
В двухпроводной схеме подключения аккумуляторной батареи (рис. 3.39, а) сопротивление цепи батареи (между точками а, б)
Ru6 ~~ Rnp Rn ~г Riu 1 + R1112 R6 >
। де R —сопротивление элементов защи ты;
Rn—сопротивление элементов коммутагщи;
R ! hR^—сопротивление соединительных шин;
R6—сопротивление аккумуляторной ба тареи.
В некоторых случаях, особенно для электропитающих установок, рас-с пштанных на низкие напряжения и большие токи, может оказаться, что сумма сопротивлений, включенных в цепь батареи, значительно превосходит ее собственное сопротивление, что резко снижает фильтрующее свойство батареи.
В четырехпроводной схеме подключения аккумуляторной батареи (рис. 3 39, б) все дополнительные элементы исключены из цепи батареи и перенесены в главную цепь питания. Сопротивление цепи батареи для этой схемы R б = R6. Схема обеспечивает эффективное сглаживание, । ю малоэкономична, так как в аккумуляторную необходимо проложить две пары шин.
В упрощенной двухпроводной схеме подключения аккумуляторной батареи (рис. 3.39, в) часть элементов, повышающих сопротивление । ienii батареи, перенесена в главную цепь питания. Сопротивление цепи батареи для этой схемы R б = Rml + Rm2 + R6. Если в этой схеме шины выбрать с такой площадью поперечного сечения, что сопротивление их не будет превышать 10 % от сопротивления батареи, то схема по своим качествам будет мало отличаться от четырехпроводной. Схема имеет широкое распространение.
3-7. Преобразователи частоты
При конструировании устройств электропитания для аппаратуры автоматики и связи возникает необходимость преобразования тока одной частоты в ток другой частоты с высокими энергетическими показателями. Это преобразование может быть выполнено различными устройствами.
В схеме (см. рис. 3.40) переменный ток с исходной частотой /7 выпрямляется обычным выпрямителем. Выпрямленным напряжением пи-
133
Рис. 3.40. Структурная схема преобразователя частоты
Рис. 3.41. Схема контура (а) и зависимости емкости конденсатора и тока в контуре от времени (б)
тается инвертор, вырабатывающий переменное напряжение требуемой! частоты^. Для регулировки выходного напряжения можно использовать управляемые выпрямители, а для регулировки частоты—схемы управления частотой инвертора. Таким образом, преобразователи частоты этого типа представляю т собой совокупность обычных выпрямителей и инверторов [18].
Для питания рельсовых цепей, на участках электрифицированных железных дорог с электротягой переменного тока промышленной частоты (50 Гц), а также с электротягой постоянного тока, используют параметрические преобразователи частоты. Принцип параметрического преобразования частоты основан на том, что принудительное изменение какого-либо параметра колебательного контура (L или С) вызывает в нем колебания с частотой, в определенное число раз отличающейся от той, с которой изменяется параметр. Если потери в контуре будут компенсироваться за счет внешнего источника энергии, то эти колебания будут незатухающими. Схема колебательного контура (рис. 3.41) состоит из дросселя L, конденсатора С, резистора R и источника тока Е.
Если емкость конденсатора С периодически изменять по косинусоидальному закону, то ток в контуре будет изменяться по синусоидальному закону с частотой в 2 раза меньшей. Проще изменять индуктивность
дросселя, изменяя подмагничивание его сердечника.
Преобразователи частоты (рис. 3.42, а) выполнены на двух П-об-разных сердечниках. На крайних стержнях размещены обмотки под-
134
RH
/н=25 ГЧ
г
д
Рис. 3.42. Схема параметрического преобразователя частоты (а) и зависимости напряжений и токов от времени (б-д)
135
магничивания wnl и и’п2, которые соединены так, чтобы создаваемые в средних стержнях потоки Фп1 и Фл2 были направлены встречно. На средних стержнях сердечников размещена контурная обмотка wK, индуктивность которой совместно с емкостью конденсатора С образует колебательный контур с резонансной частотой 25 Гц. Обмотки w 1 и i vп2 подключены к сети переменного тока через диод DV, который обеспечивает однополупериодное выпрямление. Если бы обмотки обладали только активным сопротивлением, то кривая выпрямленного тока повторяла бы форму выпрямленного напряжения (рис. 3.42, б). Наличие индуктивности искажает форму тока. Ток подмагничивания f проходит через обмотки в течение большего времени, чем длительность одного полупериода напряжения в сети. Ток подмагничивания in (рис. 3.42, в) содержит только первую гармонику с амплитудой I и постоянную составляющую 70. Эта же кривая в соответствующем масштабе характеризует изменение магнитных потоков Фп1 и Фп2 и магнитной индукции Вп1, Ви2 в сердечниках. При увеличении магнитной индукции увеличивается степень насыщения сердечников и уменьшается их магнитная проницаемоегь ц (рис. 3.42, г). Следовательно, индуктивность контурной обмотки будет изменяться по тому же закону с частотой сети/с - 1/Г . Правую и левую половины преобразователя невозможно выполнить совершенно одинаковыми. Поэтому один из магнитных потоков Ф « или Фп2 будет преобладать. В контурную обмотку wK из сети поступит энергия.
Как только в обмотке wK начнет проходить ток, в сердечниках появятся потоки Фк1 и Фк2, которые будут направлены в одном стержне согласно с потоком подмагничивания, в другом—встречно. При этом симметрия состояния насыщения сердечников нарушается, и в контурную обмотку из сети начнут поступать импульсы энергии. Для того чтобы в контуре могли существовать незатухающие колебания, необходимо, чтобы энергия, запасаемая за счет индуктивности обмотки wK и емкости конденсатора Ск, была бы равна энергии, расходуемой на питание нагрузки (Gк) и на потери в элементах преобразователя G, т. е.
Lk12/2 + CU0/2 = Gr+G.
При уменьшении шщуктивности контурной обмотки LK напряжение на конденсаторе С будет возрастать (рис. 3.42, б). Период изменения напряжения в контуре Гк в 2 раза больше, чем в сети переменного тока 71. Следовательно, частота тока в нагрузке будет в 2 раза ниже частоты в сети.
Отличительной особенностью преобразователей этого типа являются их хорошие стабилизирующие свойства. Они устойчиво работают при
136
и i мнительных изменениях напряжения на входе, сохраняя неизменным напряжение переменного тока с частотой 25 Гц на выходе. Они не । |уждаются в защите от коротких замыканий i и пи юрегрузок. Если ток 1ннрузкипреобразователяпревышает значение, oi цэедсляемоеего расчетной мощностью, то преобразователь перестает работать, а ток, потребляемый нм из сети, не превышает тока нормальной работы. После устранения । юрегрузки работа преобразователя автоматически восстанавливается.
При эксплуатации часто используют целую i руппу преобразователей • (асготы, питающих отдельные нагрузки. В этом случае за счет асиммет-I )i 1чной нагрузки, создаваемой преобразователями (используется только (V щн полупериод тока частоты 50 Гц), возможно искажение формы нап-I>яжения питающей сети. Кроме того, если преобразователи питаются • юрез общий разделительный трансформатор, то возможно увеличение । ютерь в этом трансформаторе за счет вынужденного намагничивания сердечника. Для предотвращения этих явлений преобразователи разни вают на две группы и включают таким образом, чтобы использовались < >ба полупериода напряжения сети.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Укажите, какие системы электропитания существуют, и дайте их краткую характеристику.
2.	Какими составляющими можно представить пульсирующее । спряжение на выходе выпрямителя?
3.	Какие гармоники переменной составляющей выпрямленного । спряжения оказывают большее мешающее действие?
4.	Как классифицируют сглаживающие фильтры?
5.	Что такое коэффициент фильтрации и как его рассчитывают?
6.	Какие функции выполняет буферная аккумуляторная батарея?
7.	Из каких основных элементов состоит выпрямитель и каково । ^значение этих элементов?
8.	Какими основными параметрами характеризуются выпрямизельные ) щоды? Когда диоды включают в схемы параллельно и когда последовательно?
9.	По каким признакам классифицируются выпрямители?
10.	Каков принцип работы и основные параметры схем выпрямления?
11.	Как сказывается емкостный и индуктивный характер нагрузки на работу схем выпрямления?
12.	В чем заключаются особенности работы вьшрямителя на встречную ЭДС?
13.	В чем заключается принцип работы выпрямителя с умножением напряжения?
137
Глава 4
СТАБИЛИЗАТОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
4.1.	Принципы стабилизации и преобразования постоянного напряжения	ч
В источниках электропитания аппаратуры автоматики, телемеханики и связи применяют в основном два метода стабилизации постоянного напряжения: параметрический и компенсационный [19].
Функционально параметрический метод стабилизации напряжения отображается структурной схемой рис. 4.1, а. Здесь регулирующий орган РО осуществляет преобразование нестабильного первичного напряжения Е в стабильное напряжение С7Н на нагрузке. Уровень выходного напряжения Un стабилизатора определяется сигналом опорного напряжения 17оп, который в общем случае может иметь как аналоговый, так и импульсный вид.
Компенсационный метод стабилизации иллюстрируется структурной схемой рис. 4.1,6. Здесь регулирующий орган РО управляется выходным сигналом сравнивающего органа СО, на входы которого поступают два сигнала: выходное напряжение UB стабилизатора и опорное напряжение С/оп, имеющие аналоговый вид. Как видно, данная структура представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования (САР).
Это определяет большую стабильность напряжения на нагрузке U .
Рис. 4.1. Функционально-структурные схемы параметрического (а) и компенсационного (б) методов стабилизации
138
Фу । ищионированием регулирующего органа в линей] юм режиме работы, к< и да падение напряжения на РО линейно зависит и oi (редел яется дестабилизирующими воздействиями и управляющим сигналом 1/оп. При 11мпульсном методе регулирующий орган работает в двух режимах: отсечки (запертом) и полностью открытом. Каждый из этих методов имеет свои 11 ^имущества и недостатки, которые будут описаны далее.
4.2.	Линейные стабилизаторы постоянного напряжения
В параметрических линейных стабилизаторах имеется нели-। юйный функциональный элемент, । триметры которого определяют стабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки и первичного напряжения [20]. ( груктурная схема подобного стабилизатора приведена на рис. 4.2. Здесь в качестве нелинейного шемента НЭ могут использоваться сгабилигроны, стабисторы или дру-I ие относительно сложные транзисторные схемы.
Рассмотрим работу стабилизатора в случае применения в качестве НЭ стабилитрона, вольт-амперная характеристика которого и его условное обозначение, принятое в электронных схемах, показаны на рис. 4.3. Рабочей областью характеристики является ее третий квадрант: = /(1^).
Рис. 4.2. Структурная схема параметрического стабилизатора постоянного напряжения
Рис. 4.3. Вольт-амперная характеристика стабилитрона VDCT и его условное обозначение
139
Если при изменениях тока /сг через стабилитрон VDCT рабочая точка не выходит за пределы диапазона
ст. мин ст ст. макс5	\ •л /
то выходное напряжение стабилизатора отклоняется от номинального значения L/C1 ном и является стабилизированным. Ограничивающий резистор Ro определяет области изменения токов через VD при воздействии различных дестабилизирующих факторов: изменении первичного напряжения Е, тока нагрузки 7Н и др.
При неизменном токе нагрузки 7Н и увеличении напряжения Е ток 7 через стабилитрон VDCT и падение напряжения на резисторе Ro увеличиваются, что обусловит неизменность напряжения Сн. Когда напряжение Ене изменяется, а увеличивается ток нагрузки 7Н, то происходит уменьшение тока /ст, и если будет выполняться условие: 7СТ мин < 7СТ, то напряжение 17н изменится мало, т. е. останется стабилизированным.
Для области изменения параметров, определяемой выражением (4.1), стабильность напряжения (7Н зависит от дифференциального сопротивления стабилитрона, которое определяется как
Д[/ст
Гдиф “ аЮ
(4.2)
где Д U—изменения напряжения на стабилитроне в рассматриваемой области характеристики при изменении тока на величину Д/Сг.
Очевидно, что меньшие величины сопротивления гдиф будут способствовать повышению стабильности напряжения С7Н. Для современных стабилитронов значения гди(. лежат в пределах от единиц до нескольких десятков ом. Причем большим допустимым токам /ст	стаби-
литронов соответствуют, как правило, меньшие величины сопротивления 7 лиф- Необходимо учитывать также, чго на протяжении работы стабилитрона в рабочей части вольт-амперной характеристики сопротивление гдиф в общем случае не является постоянной величиной и выражение (4.2) справед ливо только для какой-то определенной точки характеристики.
Существующие стабилитроны обладают следующими основными характеристиками. Напряжение стабилизации Цюм доя различных типов стабилитронов лежит в пределах от единиц до нескольких сотен вольт. Минимальный ток стабилизации /ст для маломощных стабилитронов
140
составляет десятки, сотни микроампер, а для мои и них—десятки миллиампер. Максимальный ток стабилизации 1С Г макс мощных стабилитронов I '<• । вен единицам ампер.
Для стабилизации малых напряжений О J...2 В иа юльзуютсястабисторы, которые представляют собой один или несколько последовательно включенных/2-я-переходов. При этом рабочей областью их работы является первый квадрант вольт-амперной характеристики рис. 4.3, т. с. полярность их включения в схеме стабилизатора рис. 4.2 обратная. 1I апряжением стабилизации стабистора является напряжение L/ ст.
Основной недостаток параметрических стабилизаторов с применением с габилитронов—относительно невысокая стабильность выходного напряжения Сн. Это обусловлено в первую очередь существенными величинами сопротивлений гдиф. Другой фактор, обусловливающий нестабильность । исходного напряжения,—зависимость напряжения Сст от температуры окружающей среды или корпуса стабилитрона. Типичные значения <) । носительного температурного коэффициента нестабильности напряжения ( Г КН) лежат в пределах от -(0,1.. .0,3) до + 0,15 (%) /(°C). Для устранения этой составляющей нестабильности разработаны термокомпенсированные ст абилитроны, имеющие ТКН = ± 0,02 (%)/(°С) и менее. Наиболее существенная особенность стабилитронов, которая препятствует их широкому । фименению в устройствах электропитания электронной аппаратуры на I ттегральных микросхемах—дискретность величин напряжений стабилизации и их технологический разброс. В частности, для стабилитронов типа КС147А напряжение С/ст ном = 4,23...5,17 В, а для КС156А [7СТ ном = = 5,0...6,16 В. Если питающее напряжение ИМС составляет 5 В, то очевидно, что ни один из этих стабилитронов не пригоден для их питания.
Лучшими характеристиками обладают компенсационные линейные стабилизаторы постоянного напряжения. Структурная схема подобного стабилизатора приведена на рис. 4.4.
Здесь регулирующим органом РО является работающий в линейном режиме транзистор VTp. Функциональным узлом САР, определяющим стабильность напряжения (7Н, — схема сравнения СС. На ее два входа поступают напряжения: опорное Соп и выходное 1/ц делителя напряжения, образованного резисторами R . иКд2. Напряжение Соп высокостабильно, не изменяется при воздействии всех дес габилизирующих факторов. Оно может быть получено, например, при помощи соответствующих схем
141
н
Рис. 4.4. Структурная схема компенсационного стабилизатора постоянного напряжения
др
стабилизаторов на термокомпенсированных стабилитронах. Равенству напряжений £7ОП = ^соответствуй! определенный базовый ток /б регул и рующего транзистора VT . Если по какой-либо причине при изменен™ i напряжения Е, тока нагрузки / ил: i др., возрастет напряжение (7Н, то это приведет к увеличению напряжения U . Тогда выходной сигнал СС, являющийся током базы/б, уменьшится, что вызовет призакрывание транзистора VT и соответствующее уменьшение напряжения и возвраще
ние этого напряжения к прежнему значению. При уменьшении напряжения £7Н происходят обратные процессы.
Стабильность напряжения Un в подобном стабилизаторе определяется стабильностью напряжения Соп и коэффициентом усиления цепи обратной связи САР (схемы сравнения СС). Изменением сопротивлений делителя Кд2 выходное напряжение стабилизатора можно регулировать в
широких пределах и устанавливать практически любое номинальное его значение, которое требуется для питания ИМС.
Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения с регулирующим транзистором, работающим в линейном режиме, нашли применение в современных источниках электропитания. В настоящее время они выпускаются в виде ИМС. Известны отечественные ИМС стабилизаторов серии 142, которые позволяют получать выходные напряжения от единиц до нескольких десятков вольт при токах нагрузки до нескольких ампер.
Несмотря на определенные преимущества, компенсационные стабилизаторы, в том числе и в интегральном исполнении, находят ограниченное прикгенениевисточникахэлек1ропитаь1ия.Эгообусловленоследующим. Мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором VT , определяется как
где Д(7р—падение напряжения на регулирующем транзисторе VT . Увеличение напряжения AL что может быть вызвано возрастанием первичного
142
напряжения п. приводит к увеличению рассеиваемой мощности гур 1Ьпример, если ток нагрузки стабилизатора сос га вл яс г/н = 5 А(типичное и ia пение для электронной аппаратуры), а паден 11 ic 11a 11 ряжения Д U„ = 3 В, i о =15 Вт. Для рассеивания этой мощности и обеспечения нормиро-и. 111ного температурного режима транзистора VT i юобходимо применять j и шоотводзначительноймассыигабаритов. Эго обстоятельство определяет гот факт, что малые размеры интегрального л и i гейиого стабилизатора не могут быть достаточно полно реализованы в источниках электропитания. К роме того, значительная мощность обусловливает увеличение мощности, отбираемой от первичного источника, что неприемлемо для малога-(шритной и автономной электронной аппаратуры. Следовательно, КПД । i сдобных стабилизаторов невелик.
Этот же недостаток относится и параметрическим стабилизаторам (ем. рис. 4.2), где мощность, рассеиваемая резистором Ro, выражается
Pr = (Е - ик)1я 	(4.4)
Кроме того, в случае когда ток нагрузки /н - 0, мощность, рассеи-। шемая стабилитроном VDCT, будет равна
ст
н макс
ст. мин
(4.5)
17	макс—максимальный ток нагрузки, на который рассчитывается пара-
метрический стабилизатор.
Численный пример расчета, как и в предыдущем случае, определяет 11евысокий КПД параметрического стабилизатора.
Изложенные недостатки определяют области использования параметрических и компенсационных линейных стабилизаторов в аппаратуре с ИМС сравнительно небольшими токами нагрузки, не превышающими I нескольких десятков, иногда сотен миллиампер. Вместе с этим линейный способ стабилизации обеспечивает высокое качество напряжения на нагрузке, поэтому для некоторых случаев, в частности для электропитания аналоговой электронной аппаратуры, предназначенной для усиления маломощных сигналов, альтернативы подобным стабилизаторам практически не существует.
143
4.3.	Импульсные стабилизаторы и преобразователи постоянного напряжения
Одной из причин появления импульсных методов преобразования постоянного напряжения является необходимость повышения КПД источников электропитания. В наибольшей степени эта необходимость проявилась при использовании в электронной аппаратуре ИМС [21,22]. Напряжение их питания составляет единицы вольт, вследствие чего использование линейных методов преобразования напряжения нс позволяет получать КПД более чем 40—60 %. Применение импульсных методов дает возможность увеличивать КПД до 80—90 %.
Импульсные методы преобразования позволяют, кроме того, уменьшить материалоемкост ь источников элсктропитания, их массу и габариты. Это достигается путем повышения частоты преобразования f энергии постоянного напряжения, т.е. увеличением частоты переключения полупроводниковых приборов. При этом происходит снижение емкости конденсаторов фильтров, а также уменьшение индуктивности дросселей и трансформаторов. Например, повышение/пр от десятков герц, например 50 Гц, до нескольких десятков, сотен килогерц приводит к уменьшению массы и габаритов силовых реактивных элементов в 5—15 раз.
Существует два основных типа подобных устройств электропитания: импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСН) и импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИПН). Устройства ИСН предназначены для стабилизации постоянного напряжения без электрической изоляции первичного Еи выходного 17н напряжений. ИПН обеспечивают электрическую изоляцию этих напряжений.
4.3.1.	Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения
В современных источниках электропитания применяются зри основных типа ИСН: 1) понижающие стабилизаторы, использующиеся доя получения напряжения более низкого по величине, чем напряжение Е; 2) повышающие, предназначенные для увеличенного, относительно Е напряжения Сп; 3) полярно инвертирующие, выходное напряжение Сн которых имеет полярность, обратную по отношению к первичному Е.
144
На рис. 4.5 приведена схема понижающего ИСН с временными Ш!играммами его работы. Для этой и последующих схем стабилизаторов и преобразователей постоянного напряжения будем рассматривать < in ювные процессы работы стабилизатора при следующих допущениях.
Примем, что транзистор VT и диод VD безынерционны, т. е. переключаются мгновенно, и падения напряжения на них пренебрежимо малы. До1 густим также, что индуктивность дросселя L обладает нулевым активным । ч )i 1ротивлением обмотки, а конденсатор фильтра Сф идеален. Здесь и далее I о* [кой обозначено начало соответствующей обмотки трансформатора TV.
Пусть управляющий сигнал г/ транзистора VT представляет собой последовательность импульсов, временные параметры которых — •длительность импульса /и и длительность паузы tn представляю!' собой (| >у I гкцию выходного напряжения Сгп стабилизатора. Г о есть все изменения среднего значения напряжения U}[ приводят к изменению временных । шраметров сигнала и . В общем случае существуют различные виды модуляции сигнала и:	: широтно-импульсная (ШИМ), частотно-
импульсная (ЧИМ) и др. Общим свойством всех ИСН является то, что амплитуда пульсаций ДСН очень мала по сравнению с напряжением Сн. 11оэтому при последующем анализе можно считать, что напряжение на конденсаторе Сф в процессе работы ИСН постоянно и равно
При открытом состоянии транзистора VT (интервал времени Ги) схема ИСН эквивалентно представляется последовательным соединением [ югочника Д индуктивности L и источника напряжения При этом ток коллектора VT, являющийся током индуктивности L увеличивается । ю линейному закону
гк (0 = Il(0 = 4о + (Е ’	Ч-6)
достигая к моменту окончания действия импульса /и значения 7КМ. При этом выходное напряжение ин увеличивается.
После окончания действия импульса транзистор VT запирается и гок коллектора становится равным нулю, вследствие чего в силу закона самоиндукции полярность напряжения на дросселе L изменяется на обратную. Открывается диод VD и начинается разряд накопленного в индуктивности тока /7 м, длительность которого равна tx г Эквивалентная схема ИСН для этого этапа времени представляется последовательным
10 Вл. Сапожников
145
Рис. 4.5. Схема понижающего импульсного стабилизатора («) и временные диаграммы (б) его работы
146
соединением индуктивности L и источника напряжения Цг Токвсхеме линейно уменьшается в соответствии с выражением
(О = гд (0 = Им -	’	(4’7)
L.-J
достигая к концу интервала времени tn значения 1/ЛУ Выходное напряжение /,/ также снижается. Очевидно, что для токов схемы ИСН выполняются следующие равенства: 7КМ = ILm = /дм и /[<0 = 1^ = /д0.
После поступления очередного импульса управления процессы । ювторяются.
Среднее значение выходного напряжения понижающего ИСН определяется
U„=yE,	(4.8)
где у = tK / Т' Т’ = 1 //пр—период частоты/пр преобразования энергии постоянного напряжения в ИСН. Так как практически выполняется неравенство у < 1, то, как видно из (4.8), напряжение Сн всегда будет меньше, чем Е, т. е. рассматриваемый стабилизатор является понижающим.
Амплитуда пульсаций выходного напряжения понижающего ИСН находится из выражения
(4.9)
которое показывает, что наиболее радикальным средством уменьшения Д UH является увеличение частоты преобразования/п .
Рассмотрим далее ИСН повышающего типа. Его схема и временные диаграммы работы приведены на рис. 4.6.
При открытом состоянии транзистора VT индуктивность L дросселя оказывается подключенной параллельно первичному источнику Е, и ток в ней увеличивается в соответствии с выражением
i£(r) = zK(f) = Z0+^-,	(4.10)
достигая к концу интервала времени /и значения /1м=1КМ. Одновременно с этим, так как диод VD заперт, выход ИСН оказывается отключенным
147
Рис. 4.6. Схема повышающего импульсного стабилизатора (а) и временные диаграммы его работы (б)
148
or источника E и выходное напряжение ин уменьшается за счет разряда конденсатора Сф, происходящего по закону
U (?) =:_/£.	(4.11)
По окончании импульса транзистор VT запирается. Эквивалентная схема ИСН превращается в последовательное соединение источника Е, 1111дуктивности L и источника напряжения Ц j. Открывается диод VD, и гок через него уменьшается от значения 7 до величины 7д0 по закону:
=	=	(4.12)
что определяет увеличение выходного напряжения ип.
После наступления последующего импульса /и, процессы работы ИСН । ювторяются.
Среднее значение выходного напряжения повышающего ИСН равно
(4.13)
Причина увеличения выходного напряжения рассматриваемого ИСН < >бъясняется тем, что на этапе открытого состояния диода VD (интервал времени Гп) к нагрузке последовательно подключаются два источника  и[ергии: первый—Ей второй — индуктивность L, заряженная ранее । оком ILm. Аналитически это выражается тем, что знаменатель выражения (4.13) всегда меньше единицы, поэтому > Е.
Амплитуда пульсаций выходного напряжения повышающего ИСН 1 сходится
(4.14)
Для равных токов нагрузки 7 и одинаковых значений Д £/н емкость конденсатора Сф в повышающем ИСН должна быть больше, чем в 1 юнижающем. Это объясняется тем, что в повышающем ИСН существует интервал времени tw когда внешние источники энергии—напряжение Е или индуктивность L отключены от нагрузки, а постоянство напряжения (7Н поддерживается только за счет емкости конденсатора Сф.
На рис. 4.7 приведены схема и временные диаграммы работы полярно инвертирующего ИСН.
149
Рис. 4.7. Схема полярно инвертирующего импульсного стабилизатора (а) и временные диаграммы его работы (б)
150
На интервале времени открытого состояния VT стабилизатор 11 редставляется эквивалентной схемой, состоя щей из постюдовательного соединения источника напряжения Е и индук тивности L. Диод VD при этом заперт. Поэтому процессы изменения ч оков и напряжений в схеме идентичны рассмотренным выше для повышающего ИСН схемы рис. 4.6, а. т.е. описываются выражениям (4.10) и (4.11). Пульсации напряжения А (7Н находятся из (4.14).
Процессы работы полярно инвертирующего ИСН на этапе времени • скрытого состояния VT определяются эквивалентной схемой, состоящей из последовательного соединения индуктивности L и источника напряжения <7И. Она аналогична эквивалентной схеме закрытого состояния VT схемы понижающего ИСН рис. 4.5, а. Вследствие этого справедливым является уравнение (4.7), определяющее изменения токов диода и индуктивности (4.7).
Среднее значение выходного напряжения полярно инвертирующего ИСН определяется выражением
ин=-~,	(4.15)
1-у
которое показывает', что в зависимости от величин унапряжение (7Н может быть как меньше, так и больше, чем Е.
Рассмотренные виды ИСН позволяют получать стабилизированные напряжения различного уровня и полярности напряжений. Импульсный режим работы полупроводниковых приборов в ИСН дает возможность повысить КПД источников электропитания, снизить материалоемкость и уменьшить массу и габариты.
В импульсных стабилизаторах пульсации выходного напряжения А 1/н в ИСН, в отличие от линейных стабилизаторов, принципиально имеют место даже при идеальных характеристиках источника Е и при отсутствии изменений тока /н. Это является определенным недостатком ИСН, который необходимо учитывать при их внедрении в электронную аппаратуру.
Области применения различных типов ИСН распределяются следующим образом. Понижающие ИСН находят наибольшее распространение, так как позволяют получать различные по величине напряжения (7Н для питания электронной аппаратуры с применением ИМС различного вида. Единственным и обязательным условием возможности их применения
151
является необходимость иметь напряжение Е большее, чем U , Практп чески при помощи понижающих ИСН возможно получение напряжен! ii 1 5 В и менее из первичного напряжения 100...200 В и более.
В малогабаритной и автономной электронной аппаратуре довольно част х) используются электрохими ческие источники тока с напряжением в несколько > вольт, что бывает недостаточно для питания ИМС или индикаторных устройсгв, таких, как жидкокристаллические дисплеи, или др. В этом случае применяют повышающие ИСН, которые позволяют получать выходные напряжения в несколько десятков раз большее, чем первичное Е.
Полярно инвертирующие ИСН применяются в основном в источниках электропитания малогабаритной автономной электрошюй аппаратуры npi i наличии одного электрохимического первичного источника тока и необходимости иметь напряжение другой полярности. Это бывает необходимо в электронных схемах, работающих на операционных усилителях или в запоминающих устройствах.
4.3.2.	Импульсные преобразователи постоянного напряжения
Как было показано, импульсные преобразователи напряжения осуществляют электрическую изоляцию напряжения Un от первичного Е. Поэтому в состав ИГIH обязательно входит трансформатор TV. Необходимость введения в источники электропитания электрической изоляции напряжений диктуется следующими обстоятельствами.
Если первичным источником электропитания электронной аппаратуры является промышленная сеть напряжением 220 или 380 В, то правила и нормы техники безопасности требуют обязательного введения электрической изоляции. Довольно часто в функционально сложной электронной аппаратуре необходимо иметь несколько различных напряжений, электрически изолированных друг от друга и от первичного напряжения. Это может быть реализовано только при помощи трансформатора с несколькими вторичными обмотками. Кроме того, отсутствие электрической изоляции напряжений приводит к снижению помехоустойчивости функционирования электронной аппаратуры, что в наиболее значительной степени относится к цифровым устройствам, реализованным, например, на микропроцессорных комплектах ИМС.
152
Эти обстоятельства послужили причиной того, что в современных । и з очниках электропитания для функционально сложной электронной 111111аратуры наибольшее применение нашли ИПН. Это относится к различ-11 и м видам первичных источников как переменного, так и постоянного напряжения.
По принципу регулирования выходного напряжения преобразователи । ci । ятся I ia регулируемые, у которых обеспечивается стабилизация напря-кс! шя J7 при помощи САР (аналогично рассмотренным схемам ИСН), 1111срегулируемые, стабилизация выходного напряжения отсутствует и и вменения, например напряжения Ef приводят к пропорциональным п вменениям значений Сн.
По схемотехническому построению ИПН делятся на три основных । ина: однотактные преобразователи с обратным включением диода, < V и ютакгные преобразователи с прямым включением диода и двухтактные. К; пкдый из них имеет свои преимущества и недостатки, которые будут о । (рсделены далее.
Рассмотрим регулируемые преобразователи, которые нашли наибольшее применение в современных источниках электропитания.
На рис. 4.8 приведены схема и временные диаграммы работы ре-। улируемого однотактного ИПН с обратным включением диода. Здесь, на к и в рассмотренных схемах ИСН, на вход транзистора VT подаются v 11 равляющие импульсы w , определяющие интервалы времени вклю-• id пюго /и и выключенного состояний VT. При дальнейшем анализе 11 ПН примем те же допущения, которые были введены при рассмотрении 111 юцессов работы ИСН. Кроме того, считаем, что магнитопроводы трансформаторов TV работают в линейной области кривой намагничивания /> =/(Н), т.е. магнитная проницаемость их материала т = const.
После поступления импульса w транзистор VT открывается. Показа! Iное на схеме рис. 4.8, а включение обмоток трансформатора обуслов-1111 вает запертое состояние диода VD («обратное» включение обмоток). 1 огда закон изменения тока коллектора VT определяется выражением
Et
'KW = iLlW = /K0+ —>	(4.16)
L\
где Lj —индуктивность первичной обмотки трансформатора TV. То есть на этом этапе эквивалентная схема первичной цепи ИПН предел ав-j । яется индуктивностью Lj. подключенной к первичному источнику напря-
153
VD
Рис. 4.8. Схема однотактного импульсного преобразователя с обратным включением диода (а) и временные диаграммы его работы (б)
154
кепием Е, При этом постоянство напряжения 17п поддерживается ншько за счет ранее заряженного конденсатора Сф и снижается в ютветствии с уравнением
wH (О
(4.17)
К концу интервала времени / ток коллектора VT достигает велштины / После запирания VT полярность напряжения на обмотках TV меняется на обратную, что вызывает открывание диода VD. Начинается разряд индуктивности L2 вторичной обмотки w2 трансформатора TV, который определяется следующим выражением
(ц (^) G.2 (О ^дм
(4.18)
что вызывает увеличение выходного напряжения
Между начальными и конечными значениями токов коллектора VT, j щода VD и обмоток TV существуют соотношения, которые получены из известных формул приведения для трансформаторов
ZKo »
— nl КМ fU ДМ ’
(4.19)
где п = w2 / и’j — коэффициент трансформации TV.
Далее, после поступления очередного импульса и , открывающего транзистор VT, процессы повторяются.
Среднее значение выходного напряжения подобного ИПН определяется
(4.20) 1-у
Сравнение этого выражения с (4.15) показывает, что оба они отличаются только сомножителем п в числителе. Поэтому выводы о возможном диапазоне изменений выходного напряжения (7Н, сделанные для полярно инверт ирующего ИСН, справедливы и для ИПН с обратным включением диода, но с учетом наличия трансформатора TV.
Идентичность процессов работы полярно инвертирующего ИСН и ИПН с обратным включением диода определяет справедливость вы
155
ражения (4.14) для нахождения амплитуды пульсаций AL'H рассматриваемого ИПН.
Как видно из временных диаграмм рис. 4.8, б. трансформатор TV преобразователя работает в режиме однополярного намагничивания с накоплением энергии электрического тока в его индуктивности намагничивания L При проектировании традиционного и общеизвестного трансформатора напряжения стремятся, чтобы индуктивность L была максимальной, так как при этом уменьшается ток холостого хода трансформатора и повышается его КПД. В рассматриваемом ИПН от значения индуктивности L зависят величины токов 7КМ и 7^, что определяет процессы поочередного во времени переноса энергии из первичной обмотки му трансформатора во вторичную му и далее—на выход ИПН. По существу, трансформатор здесь является двухобмоточным дросселем, а не трансформатором напряжения. В общем случае если на выходе ИПН требуется несколько выходных напряжений то этот дроссель будет многобмоточ-ным. Налитое принципиального свойства накопления энергии электрического тока в L определяет необходимость применения магнитного материала сердечника TV с относительно небольшой магнитной проницаемостью ц. В частности, в трансформаторах практических схем ИПН с обратным включением диода используются магнитопроводы с ц = 60...250.
На рис. 4.9 приведены схема и временные диаграммы работы регулируемого ИПН с прямым включением диода. Принципиальным отличием этого ИПН от предыдущего является введение во вторичную цепь индуктивности L, которая выполняет функции накопителя тока. Поэтому здесь трансформатор TV выполняется на сердечнике из магнитного материала с относительно большой магнитной проницаемостью и его индуктивность намагничивания L должна быть максимальной. Так как режим работы магнитопровода TV является однополярным, то к моменту поступления очередного импульса /и тока коллектора 7К индуктивность L магнитопровода должна полностью разрядиться. Функции размагничивания выполняет обмотка w параметры которой должны удовлетворять условию
— < Гт Г:,	(4.21)
”рм	У макс
где 7?рм = /w , умакс—максимально возможное значение у, которое может иметь место при работе ИПН.
156
Рис. 4.9. Схема однотактного импульсного преобразователя с прямым включением диода (а) и временные диаграммы его работы (б)
157
Если принять, что индуктивность намагничивания достаточно велика, то на интервале времени /и открытого состояния транзистора VT эквивалентная схема ИПН представляется последовательнымсоединением источника Е, приведенным значением индуктивности L схемы и приведенной величиной напряжения U . В соответствии с этим ток коллектора VT увеличивается согласно уравнению
iK (О = 4о + ^пЕ ~U*\	(4-22)
nL
достигая значения /О1 к концу интервала времени его открытого состояния, Здесь коэффициент трансформации п -	• Для рассматриваемого
ИПН справедливы формулы приведения (4.19).
На протяжении интервала времени /л, когда VT закрыт, преобразователь представляется эквивалентной схемой, состоящей из последовательного соединения ранее заряженной током 7^ индуктивности L и источника L/H. Ток через нее уменьшается до величины / 0, что определяется выражением
<4-23>
Процессы работы ИПН с прямым включением диода такие же, как в ИСН, поэтому пульсации A Un его выходного напряжения определяются уравнением (4.9). Выражение для определения выходного напряжения рассматриваемого ИПН отличается от понижающего ИСН наличием сомножителя п и имеет вид
ии -=пуЕ.	(4.24)
Двухтактные ИПН делятся на три основных вида: со средней точкой, мостовые и полумостовые.
Рассмотрим двухтактный регулируемый ИПН со средней точкой. Его схема и временные диаграммы работы приведены на рис. 4.10. Здесь TV является традиционным трансформатором напряжения, индуктивность намагничивания L которого должна быть максимальной.
Как вид но из временных диаграмм, на входы транзисторов VT1 и VT2 подаются противофазные импульсы иу j и ^упр2 длительностью Ги1 и Ги2 соответственно. Для того чтобы трансформатор TV работал в линейной части кривой намагничивания В -fiH) магнитного материала сердечника, необходимо выполнение следующих равенств:
Znl ~ Zh2’ Znl2 = Zn2T
158
a
^ynplA
б
Рис. 4.10. Схема двухтактного импульсного преобразователя со средней точкой (с?) и временные диаграммы работы двухтактного импульсного преобразователя со средней точкой (б)
159
По существу процессов работы этот преобразователь условно может быть представлен как два параллельно включенные и функционирующие поочередно во времени однотактных преобразователя с прямым включением диода (см. схему рис. 4.9, а). Первый включает в себя транзистор VT1, обмотки ии>21 трансформатора TV и диод VD1. Второй преобразователь состоит из обмоток w12 и w2? и Диода VD2. Общими для обоих преобразователей являются диод VD3, дроссель L и конденсатор фильтра Сф.
Передача энергии первичного источника Е в нагрузку С7Н при помощи первого условного преобразователя соответствует открытому состоянию VT1 на интервале времени /и1. Появление увеличивающегося тока коллектора /к1 обусловливает открытие диода VD1, что вызывает накопление энергии электрического тока в индуктивности дросселя L, который к концу рассматриваемого интервала времени достигает значения /КМ1. При этом выходное напряжение ии увеличивается. Последующее запертое состояние транзисторов VT1 и VT2 на интервале времени /п12 вызывает изменение полярности напряжения на дросселе L, открывание диода VD3 и уменьшение напряжения ив. Это определяет разряд индуктивности L в нагрузку. На этом функционирование первого условного преобразователя завершается.
С появлением на входе wynp2 импульса ?и9 начинается этап работы второго условного преобразователя. Включается транзистор VT2, начинается увеличение его тока коллектора /к2, открывается диод VD2, появляется возрастающий ток дросселя L, и выходное напряжение ии возрастает. Запирание VT2 определяет процессы работы, аналогичные рассмотренным для первого условного преобразователя, которые приводят к уменьшению напряжения ин.
Идентичность процессов работы определяет правомерность использования для рассматриваемого ИПН полученных ранее уравнений (4.22), (4.19) и (4.23), описывающих изменения токов схемы и выражения (4.9) для определения Д С7 .
Вследствие применения двухтактного принципа работы ИПН среднее значение выходного напряжения определяется уравнением
С/и =2пуЕ.	(4.25)
Здесь напряжение в два раза больше величины, определенной из (4.24).
160
Временные диаграммы рис. 4.10, а показывают, что i ipoi leccbi работы выходной цепи ИПН имеют двойную частоту, что уменьшает пульсации AUH или дает возможность уменьшить емкость конде! юатора Сф.
Регулирование (стабилизация) выходного напряжения рассмотренного ИПН осуществляется изменением соотношения длительности импульсов и периода Г . Если /п12 = /п21 = 0, он превращается в нерегулируемый и его выходное напряжение будет равно
UH=nE.	(4.26)
Тогда ток через диод VD3 прекращается, а дроссель L перестает выполнять функции накопителя энергии электрического тока, поэтому элементы VD3 и L могут быть исключены из схемы. Функционально такой нерегулируемый ИПН превращается в «трансформатор постоянного напряжения», коэффициент трансформации которого определяется коэффициентом трансформации п трансформатора TV.
На рис. 4.11 приведены схемы мостового и полумостового двухтактных ИПН. Мостовой преобразователь состоит из четырех транзисторов VT1, VT2, VT3 и VT4.
а	б
Рис. 4.11. Схемы двухтактных мостового (а) и полумостового (б) импульсных преобразователей
В процессе работы управление этими транзисторами при помощи соответствующих управляющих сигналов w происходит таким образом, что одновременно открытыми могут быть транзисторы VT 1 и VT4 илиУТ2иУТЗ.
Это приводит к тому, что в зависимости от включенного состояния той или иной пары транзисторов источник напряжения Е подключается к
11 Вл. Сапожников
161
первичной обмотке трансформатора TV различной полярностью. К выходной обмотке и’2 трансформатора TV для реализации функции регулируемости выходного напряжения мостового двухтактного ИПН может быть подключена цепь, аналогичная вторичной схеме ИПН со средней точкой (см. рис. 4.10, а).
Полумостовой двухтактный ИПН отличается от мостового тем, что одна из пар транзисторов заменена конденсаторным делителем напряжения Cl, С2. Это позволяет уменьшить количество транзисторов в ИПН и упростить схему формирования управляющих импульсов гт
В рассмотренных схемах ИПН управление транзисторами осуществляется источниками внешних управляющих импульсов и Принципиально все они могут быть реализованы в виде самовозбуждающихся, т. е. автоколебательных генераторов, транзисторы которых переключаются за счет внутренних импульсных регенеративных процессов. В устройствах СЦБ нашли применение двухтактные ИПН с самовозбуждением.
Типовая схема преобразователя с самовозбуждением приведена на рис. 4.12. Если в рассмотренных ИПН с управлением от внешних импульсов магнитный материал сердечников трансформаторов работает в линейной части кривой намагничивания, то здесь принципы переключения транзисторов VT1 и VT2 определяются моментами насыщения магнитопроводов трансформатора TV.
Примем, что ИПН работает в установившемся импульсном режиме и транзистор VT1 открывается. При этом вследствие соответствующего включения обмоток трансформатора TV открытое состояние VT 1 под
Рис. 4.12. Схема двухтактного импульсного преобразователя с самовозбуждением
162
держивается током базы, создаваемым обмоткой и’^ • На протяжении интервала времени его открытого состояния увеличивается ток в индуктивности намагничивания L трансформатора TV. Когда индукция в магнитопроводе достигнет величины Внас (индукции насыщения), индуктивность L станет равной нулю. Напряжение на обмотке w61 также уменьшится до нуля, что приведет к запиранию транзистора VT1. За счет резкого изменения токов в обмотке появится напряжение, обусловливающее открывание транзистора VT2.
Первоначальный пуск рассматриваемого ИПН при подключении его к источнику напряжения Е выполняется при помощи резистора Rn, (показано на рис. 4.12 пунктиром). На базу транзистора VT1 отделителя напряжения, образованного резисторами Rn и R61, подается напряжение, открывающее VT 1, чем обеспечивается первый этап работы ИПН.
Области применения рассмотренных ИПН распределяются следующим образом. Однотактные ИПН с обратным включением диода используются при относительно малых величинах мощности нагрузки Рп. Однако абсолютный диапазон этих мощностей велик. В частности, они применяются в малогабаритных электронных устройствах с Рн = (0,1... 5) Вт, к которым можно отнести калькуляторы, лампы-вспышки, радиометры и т.д. Их используют в источниках электропитания большинства зарубежных и отечественных телевизоров с мощностью Рн = (50... 100) Вт. Верхний предел мощности Рн применения однотактных ИПН с обратным включением диода не превышает нескольких десятков ватт. Для получения ббльших величин мощности Рн используют однотактные ИПН с прямым включением диода. Если Рн составляют несколько сотен ватт, то рациональным является применение двухтактных ИПН. При этом рациональность использования различных двухтактных схем ИПН при увеличении мощности Рн определяется следующим рядом: вначале ИПН со средней точкой, затем полумостовые и далее мостовые.
В рассмотренных ИПН импульсы управления и силовыми транзисторами формируются специальными схемами управления. Для стабилизации напряжения ип требуется знать функции изменения временных параметров импульсов/(/и, Zn), описываемые, в частности, выражениями (4.20), (4.24) и (4.25). Существуют два основных метода получения функций изменения временных параметров импульсов схем управления. Первый заключается в реализации ИПН в виде замкнутой системы автоматического регулирования (САР), что соответствует ком
163
пенсационному стабилизирующему ИПН. По второму методу стабилизирующий ИПН выполняется параметрическим, где обратная связь с выхода стабилизирующего ИПН отсутствует, а дестабилизирующие воздействия, способные вызвать отклонения напряжения г/н, вводятся в схему управления, которая в соответствии с этим изменяет временные параметры импульсов управления. Стабилизирующие ИСН также могут быть выполнены компенсационными и параметрическими.
Кроме рассмотренных ИПН, которые можно назвать классическими преобразователями, существуют различные их модификации. В частности, рассмотренные схемы однотактных ИПН могут быть выполнены самовоз-буждающимися, у которых управление силовым транзисаоромпроизводшся от базовой обмотки силового трансформатора, как это выполнено в двухтактном преобразователе (см. рис. 4.12). Это же относится к мостовому и к полумостовому двухтактным преобразователям. Тогда подобные преобразователи становятся нерегулируемыми, т. е. без стабилизации выходного напряжения и{1 (в этом случае интервалы времени / = const, /п = const).
В источниках электропитания используются линейные и импульсные методы преобразования электрической энергии. ИВЭП с линейным преобразованием проще, содержат существенно меньшее число элементов, в их состав не входят такие дорогостоящие и материалоемкие элементы, как трансформаторы или дроссели, емкости используемых конденсаторов гораздо меньше. Это приводит к их меньшей стоимости. Однако КПД линейных стабилизаторов невелик, что обусловливает области их применения невысокими токами нагрузки, которые обычно не превосходят нескольких десятков миллиампер. Кроме того, возрастание мощности, отдаваемой в нагрузку, приводит к увеличению габаритов теплоотводящих устройств. Импульсные стабилизаторы и преобразователи, нашедшие гораздо более широкое применение, используются для получения в нагрузке мощностей от единиц до нескольких сотен ватт', что оправдывает увеличение их стоимости.
В существующих ИВЭП используются как ИСН, так и ИПН. Так как для электропитания современной электронной аппаратуры требуется иметь электрическую изоляцию (гальваническую развязку) выходных напряжений от входного (первичного), ИСН используются только как составная часть ИВЭП. Вследствие лого в состав ИВЭП обязательно должен входить ИПН, обеспечивающий гальваническую развязку. В малогабаритной пере-
164
i юснои электронной аппаратуре, питающейся от электрохимических источников тока, используются обычно ИСН, функциональные возможности которых I юзволяют понижать пост оянное напряжение, повышать его или I юлунать обратную по отношению к первичному полярность напряжения.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	В чем состоит отличие параметрических методов стабилизации постоянного напряжения от компенсационных? Каковы преимущества и недостатки?
2.	Укажите основные отличительные свойства схемы линейного компенсационного стабилизатора постоянного напряжения,.
3.	Каковы преимущества и недостатки импульсных методов преобразования электрической энергии по сравнению с линейными?
4.	Какие существуют принципиальные схемы типов ИСН?
5.	В чем заключаются отличие и сходство ИПН и ИСН?
6.	Объясните работу ИПН с внешним управлением и с самовозбуждением.
Глава 5 ИСТОЧНИКИ И СИСТЕМЫ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
5.1.	Назначение и основные параметры ИБП
Широкое внедрение информационных технологий на железнодорожном транспорте привело к массовому применению средств вычислительной техники. Если ранее компьютерные системы использовались лишь как справочно-информационные, то за последнее время они стали применяться в качестве информационно-управляющих систем для управления перевозочным процессом. Важную роль в обеспечении работоспособности средств вычислительной техники играет электропитание, так как отключения питающих устройств, даже кратковременные, могут привести к полной или частичной потере важной информации [25].
Одним из основных средств повышения надежности работы информационных систем является использование источников бесперебойного электропитания (ИБП), по зарубежной терминологии, Uninterruptible Power Supply (UPS).
Функциональным назначением ИБП является обеспечение вычислительной аппаратуры переменным напряжением, которое должно удовлетворять заданным нормам при всех возможных эксплуатационных изменениях напряжения первичных сетей.
ИБП характеризуются рядом основных входных и выходных параметров.
Входные параметры. Основной входной параметр—это первичное переменное напряжение сети Ес. Для серийно выпускаемых ИБП диапазон допустимых значений первичного напряжения Ес лежит в пределах от нуля до 280 В (для номинального значения 220 В). В этом диапазоне обеспечиваются нормируемые показатели качества выходного напряжения ИБП (напряжение нагрузки Uu). Существует два режима работы ИБП. В первом из них (основном) функционирование ИБП осуществляется от первичного источника Ес, второй режим (автономный) характеризуется отключением ИБП от источника Ес и переходом на электропитание от внутренних аккумуляторов. Переход из основного режима в автономный, и наоборот, производится при помощи конгроллеров, осуществляющих
мониторинг внешних и внутренних параметров ИБП и выполняющих соответствующие переключения.
В реальных условиях эксплуатации входным для ИБП является напряжение промышленных, специализированных или бытовых сетей Ес = 220 или 380 В частотой/^=50 Гц. На железнодорожном транспорте качество напряжения Ес обеспечивается соответствующими подразделениями служб электроснабжения. Анализ материалов обследования электропитающих устройств СЦБ и связи ряда железных дорог России показал, что возможные эксплуатационные изменения напряжения Ес находятся в пределах от Ес мин = 160 до Ес макс = 260 В. Причем это относится к статическим, т. е. «медленным» изменениям напряжения Ес. Импульсные отклонения напряжения могут быть значительно больше. Например, в эксплуатации возможно снижение напряжения Ес до нуля продолжительностью в доли, единицы секунд, а аварийных случаях—гораздо больше. Существуют кратковременные импульсные и высокочастотные помехи значительной амплитуды, диапазон которых нормируется рядом отечественных и международных стандартов. Этот род помех является типичным и наиболее значимым для обеспечения устойчивой работы аппаратуры СЦБ и связи. В первую очередь это обусловлено тем, что каналы передачи информации на железнодорожном транспорте чрезвычайно разнесены в пространстве, дайны линий связи лежат в пределах от десятков метров до десятков километров и более. Это определяет их восприимчивость к мешающим сигналам, возникающим от таких мощных генераторов помехи, как грозовые разряды, коммутации токов подвижного состава, выпрямители тяговых подстанций и т.д.
При выборе типа ИБП для какой-либо конкретной аппаратуры необходимо, чтобы показатели всех значений реальной нестабильности (статические, импульсные и высокочастотные изменения) входили в допуски, устанавливаемые в паспортных данных на ИБП.
Выходные параметры. Выходным для ИБП является переменное напряжение J7H = 220 или 380 В частоты 50 Гц. Для типовых, серийно выпускаемых ИБП допускаемая нестабильность напряжения UH лежит в пределах от ±3 до ±7 % при 100 % изменения мощности нагрузки от нуля до максимальной. Форма напряжения UH обычно синусоидальная с коэффициентом нелинейных искажений КНИ не более 5 %, однако некоторые маломощные модели ИБП имеют прямоугольную форму напряжения UH, действующее значение которого равно 220 В.
166
167
Выходная мощность ИБП находится в пределах от 100.. .200 Вт до сотен киловатт, причем при мощности свыше 1 кВт в качестве входного напряжения Ес используется, как правило, трехфазное напряжение. При этом выходное напряжение Ц{ также трехфазное. В некоторых ИБП имеется трансформаторная гальваническая развязка между напряжениями [7 и Ес
Для большинства типов ИБП нормируется перегрузочная способность со следующими наиболее типичными параметрами: длительность 120 % мощности нагрузки допускается в течение 30 мин, 150 %—в течение 30 с.
Промышленно выпускаемые ИБП в зависимости от типа используемых аккумуляторов способны поддерживать работу компьютеров (режим автономной работы) от нескольких минут до десятков часов при отсутствии напряжения Ес. Аккумуляторы могут быть встроенными в ИБП или выполненными в виде отдельных конструктивно законченных модулей. Последние предназначены для работы при больших интервалах времени отключения напряжения £с. Напряжение аккумуляторов, применяемых в ИБП, соответствует следующему стандартному ряду: 12,24,36,48 или 120 В с емкостью 5 А/ч и более. Для ИБП с большой выходной мощностью (1 кВт и более) используются модульные аккумуляторы с единичной емкостью модуля до 150 А/ч. При изменении числа модулей от 1 до 11, время автономной работы ИБП лежит в пределах 7—470 мин. Наиболее распространенный тип аккумуляторов — свинцово-кислотные, герметичные, необслуживаемые. Время их заряда до 90 % полной емкости изменяется от 3 до 6 часов.
В большинстве случаев для корректного выключения (свертки) компьютера при пропадании напряжения £7Н и последующего его запуска в комплект ИБП входит соответствующее аппаратное и программное обеспечение, предполагающее его функционирование в различных операционных системах: Windows 95/98/2000/NT, Novel Netware, Linux, Free BSD и др. При этом обмен информацией между ИБП и компьютером может происходить по последовательному интерфейсу RS-232 или по сети—через адаптер SNPP NTTP. Это же оборудование ведет журнал событий и выполняет мониторинг входных и выходных параметров ИБП, а также аккумуляторов. Обеспечивается возможность вывода текущей и накопленной информации на специальное рабочее окно монитора.
Практически все серийно выпускаемые ИБП предназначены для работы в диапазоне температур окружающей среды от 0 до +40°С с влажностью
168
до 90 % без конденсации. Это является существенным ограничением их применения в аппаратуре СЦБ и связи железнодорожного транспорта.
5.2.	Принципы построения ИБП
В соответствии с международным стандартом IEC 60146-4 источники бесперебойного электропитания делятся по схемотехнической реализации и принципу действия на следующие три основные группы [23,24]:
1)	с отключением сети (off-line);
2)	линейно-интерактивного типа (line-interactive);
3)	с включенной сетью (on-line).
Структурная схема ИБП типа off-line приведена на рис. 5.1. В основном режиме работы, когда первичное переменное напряжение удовлетворяет заданным показателям качества, питание нагрузки Uu осуществляется через фильтр. Основной канал передачи энергии в рассматриваемых ИБП здесь и далее показан утолщенными линиями схемы. Контроль качества напряжения Сн осуществляется соответствующим контрольным реле, контакт которого S производит переключение нагрузки. В фильтре используются элементы, выполняющие также функции ограничителя импульсных помех. Одновременно с этим через выпрямитель заряжаются аккумуляторы. Инвертор, постоянно подключенный к аккумуляторам, предназначен для преобразования постоянного напряжения в переменное — При работе ИБП в основном режиме инвертор может быть отключен от аккумуляторов, а его включение обеспечивается контактом (аналогичным S) контрольного реле, однако при этом должно учитываться время выхода инвертора на номинальный режим установления выходного напряжения, которое обычно бывает значительным.
Рис. 5.1. Структурная схема ИБП типа off-line
169
Когда контрольное реле выявляет отклонение напряжения Д выходящее за допустимые нормы, контакт S переключается, ИБП переходит в автономный режим работы и нагрузка обеспечивается электропитанием от ин вертора. ИБП имеют время переключения контакта S в пределах = “ 4... 15 мс. Такой интервал времени пропадания переменного напряжения UVi в подавляющем большинстве случаев не влияет на работоспособность аппаратуры вычислительной техники, так как ее собственные источники электропитания, имея внутренние сглаживающие фильтры, допускают большие значения / . Если инвертор в основном режиме отключен от аккумуляторов, то требуется выполнить пуск инвертора, и тогда типичная длительность времени t} составит 10—20 периодов частоты сети и более, что для частоты 50 Гц составляет Z > 200 мс.
К недостатку ИБП типа off-line относится его неудовлетворительная работа при низком качестве напряжения Ес, когда имеют место частые переключения контакта S. Это определяет трудность восстановления емкости аккумулятора. Кроме того, так как нагрузка U подключается непосредственно к сети Ес, к фильтру предъявляются жесткие требования по подавлению различного рода импульсных помех.
Таким образом, термин off-line (отключенная сеть) означает, что при появлении недопустимых отклонений первичного напряжения нагрузка £/н от ключается от сети Ес и переходит на питание от инвертора.
Структурная схема ИБП типа line-interactive приведена на рис. 5.2. Ее отличие от схемы на рис. 5.1 заключается в применении регулятора, который улучшает качество напряжения на нагрузке при работе в основном режиме.
Регулятор обычно реализуется в виде ступенчатого переключателя напряжения, построенного на основе трансформатора или автотрансформатора с несколькими обмотками. В некоторых моделях ИБП используются более сложные стабилизаторы переменного напряжения.
Рис. 5.2. Структурная схема ИБП типа line-interaktive
170
Основным преимуществом рассматриваемого ИБП является то, что при изменениях величины напряжения Ес переключение контактом S на работу в автономном режиме происходит гораздо реже. Причем чем больше диапазон допустимых изменений напряжения компенсируемых регулятором, тем реже источник будет переходить в автономный режим работы. Снижается также жесткость требований к электрическим характеристикам фильтра, что уменьшает его стоимость. Это обусловливает повышение надежности работы ИБП и уменьшение энергопотребления от аккумуляторов. Однако здесь имеется такой недостаток, как кратковременное пропадание напряжения при переключении контакта S.
Большую надежность и лучшее качество напряжения £7Н обеспечивают ИБП типа on-line (структурная схема на рис. 5.3). В подобных источниках сетевое напряжение Ес через выпрямитель поступает на преобразователь постоянного напряжения ИПН.
Инвертор постоянно подает питание на нагрузку, чем устраняются переходные процессы переключения механических контактов. Параллельное соединение выходов ИПН и аккумуляторов обеспечивает непрерывность работы инвертора при коммутации его входного напряжения, что исключает даже кратковременные перерывы напряжения Z7H. Очевидно, что диапазон допустимых изменений входного напряжения Ес ИПН может быть значительным и рассчитанным на длительные статические и импульсные помехи.
Преимуществом ИБП подобного типа является высокая стабильность напряжения /7Н в широком диапазоне воздействия дестабилизирующих факторов со стороны источника Ес. Практически стабильность напряжения Un известных моделей ИБП подобного типа обеспечивается в пределах ±1 ...3 % при изменении напряжения Ес от нуля до 280 В. Наличие импульсных преобразователей (ИПН) в основном и резервном каналах
Выпрямитель
ИПН
Инвертор
Выпрямитель
Аккумуляторы
Рис. 5.3. Структурная схема ИБП типа on-line
171
передачи энергии позволяет получить более широкие возможности по реализации функций защиты нагрузки и собственно ИБП от перегрузок. Типовые ИБП обеспечивают работу устройств без переключения на аккумуляторы в диапазоне величин напряжений Ес = 160.. .280 В.
Недостатком ИБП типа on-line является сравнительно невысокий КПД, что обусловлено двойным силовым преобразованием энергии постоянного напряжения (в преобразователе ИПН и инверторе) по отношению к ранее рассмотренным структурам ИБП. В частности, для источников последних модификаций КПД находится в пределах h = 85—92 %, в то время как для on-line практические значения Л на 7—-15% ниже. Кроме того, наличие двух преобразователей электрической энергии увеличивает стоимость ИБП. Несмотря на эти недостатки, ИБП типа on-line нашли большое применение, так как они обеспечивают разумный компромисс между стоимостью, безопасностью и надежностью работы аппаратуры вычислительной техники.
Таким образом, термин on-line (включенная сеть) означает, что сеть первичного напряжения ИБП остается подключенной к основному каналу регулирования в существенно большем диапазоне изменений напряжения Е.
Дальнейшее повышение надежности ИБП типа on-line достигается путем введения в него пассивного капала (by-pass) передачи энергии из источника Ес к нагрузке £/н. Структурная схема этого ИБП приведена на рис. 5.4. Здесь канал by-pass подключается контактом S при возникновении отказов, например, в инверторе или в ИПН и в аккумуляторе одновремегшо. Так как подобная ситуация довольно редка, введение в схему контакта S, переключение которого вызовет появление одного кратковременного перерыва напряжения L/H, вполне оправданно. Последние модели ИБП обеспечивают переключение его работы в режим by-pass без переходных процессов в питании нагрузки (intelligent by-pass).
Выпрямитель
ИПН
Инвертор
II
Выпрямитель
Аккумуляторы
by-pass
Рис. 5.4. Структурная схема ИБП типа on-line by-pass
172
Существуют различные пути совершенствования структур ИБП. Перспективным направлением является использование модульных принципов наращивания мощности нагрузки. Примером может служить параллельная двухуровневая структурная система включения ИБП (master-slave), функциональная схема которой приведена на рис. 5.5. Здесь ИБП1 master первого уровня управляет распределением нагрузки между ИБП slave второго уровня. При отказе одного из ИБП увеличивается нагрузка на ИБП master. Это вызывает передачу соответствующих сигналов по информационным каналам связи на функционирующие ИБП slave, что создает соответствующее перераспределение выходной мощности между ними доя поддержания неизменности выходного напряжения (7Н.
Рассмотренная система ИБП обладает по сравнению с предыдущими более высокой надежностью и позволяет при появлении отказов в системах электропитания и электроснабжения, в том числе и железнодорожного транспорта, обеспечить функционирование нагрузки. Кроме того, наличие в ИБП типа master сигнала об отказе того или иного блока позволяет передавать предупредительную информацию доя эксплуатационного штата при сохранении работоспособности системы электропитания.
Существуют также различные модификации систем электропитания (рис. 5.5).
Наиболее перспективным и общим принципом их построения является использование параллельно включенных ИБП, работающих в режиме «горячего» резервирования. При этом живучесть и надежность функционирования подобных ИБП обеспечивается за счет модульного исполнения и возможности блочного наращивания выходной мощности.
Рис. 5.5. Структурная схема системы ИБП типа master-slave
173
5.3.	Функциональные узлы ИБП
Для рассмотрения принципов работы и построения функциональных узлов рассмотрим варианты блок-схем ИБП типа on-line by-pass, поскольку именно такие ИБП имеют наилучшие показатели надежности и живучести. Первый вариант (соответствует источнику типа NetPro производства IMV) приведен на схеме рис. 5.6. Здесь, так же как и в предыдущих схемах, утолщенными линиями показано направление передачи энергии в основном режиме работы ИБП.
Установленные во входной и выходной цепях фильтры предназначены для подавления высокочастотных помех и импульсов перенапряжения длительностью в единицы микросекунд и менее. В некоторых случаях в состав этих фильтров входят ограничители напряжения, позволяющие выполнять ограничение амплитуды импульсных помех существенно большей длительности. Трансформатор TV служит для обеспечения гальванической развязки напряжений, действующих в схеме, от напряжения Е. Коэффициент трансформации TV равен единице, так как его выходное напряжение в режиме работы by-pass равно напряжению UlV Цепь передачи энергии by-pass включается контактом S только при отсутствии выходного напряжения <7Н и при наличии напряжения сети Ес, т. е. при отказе канала автономной передачи энергии через инвертор схемы ИБП. Выпрямитель, подключенный ко вторичной обмоткеТУ, обычно выполняется в виде мостового вьшрямителя с емкостным сглаживающим фильтром. Работа
Рис. 5.6. Первый вариант блок-схемы ИБП типа on-line by-pass
174
выпрямителя и фильтра рассмотрена в гл. 3. Импульсный преобразователь ИПН служит для преобразования постоянного выходного напряжения выпрямителя в постоянное, являющееся входным для регулируемого инвертора, преобразующего постоянное напряжение в переменное ии = 220 В, 50 Гц.
С целью повышения КПД импульсного преобразователя постоянного напряжения (ИПН) его электропитание осуществляется от относительно высокого напряжения, равного выпрямленному напряжению Ес. Однако применять аккумуляторы, которые осуществляют электропитание ИПН при снижении качества напряжения сети Е'с, на это же высокое напряжение нерационально по экономическим соображениям. Поэтому на выходе аккумуляторов включен умножитель напряжения, в качестве которого используется ИСН повышающего типа, его принципы изложены в гл. 4 (см. рис. 4.6). Зарядное устройство аккумуляторов работает от постоянного напряжения с выхода ИПН. Это отличает рассматриваемую блок-схему от структурной схемы рис. 5.3 и 5.4. Обычно в качестве зарядного устройства применяется ИСН понижающего типа (гл. 4, рис. 4.5).
Инвертор представляет собой даухтактный мостовой или полумостовой импульсный преобразователь напряжения, аналогичный рассмотренным в гл. 4 (см. рис. 4.11, я, б), у которых, однако, выходным является переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора ГГУ. Для получения синусоидального переменного напряжения из прямоугольного служат выходные CLC фильтры, выделяющие первую гармонику напряжения 50 Гц. Регулирование величины выходного напряжения инвертора транзисторы осуществляется при помощи ШИМ контроллера. Применение высокочастотных методов преобразования позволяет увеличить эффективную амплитуду основной гармоники выходного напряжения и снизить уровень более высокочастотных гармоник.
Управление переключением режимов работы ИБП и работой функциональных узлов осуществляется при помощи микропроцессора. Для выдачи сигналов диагностики и дистанционного управления в ИБП имеется разъем стандартного интерфейса типа RS-232. На передней панели устанавливаются светодиодные устройства индикации режимов работы и диагностики. Кроме того, возникновение аварийных ситуаций и изменений режимов работы ИБП вызывает появление предусмотренных звуковых сигналов тревоги. В наиболее современных моделях ИБП имеется программный режим самотестирования, в течение которого
175
нагрузка питается от аккумуляторов. При успешном выполнении программы самотестирования источник переходит в режим работы от сети. Обычно самотестирование выполняется автоматически при включении, а также через каждые две недели.
Принципы реализации фильтра, установленного на входе ИБП, рассмотрены в гл. 10.
Второй вариант ИБП on-line by-pass (соответствует ИБП серии OMNI компании TRIPP LITE) показан на блок-схеме рис. 5.7. Его основное отличие от предыдущих (рис. 5.6) заключается в том, что при возникновении отклонений напряжения сети Ес свыше допустимых норм происходит переключение отводов первичной обмотки , благодарячему напряжение на входе инвертора приводится к заданным нормам. Здесь заряд аккумуляторов производится устройством, подключенным к одной из вторичных обмоток трансформатора TV. Зарядное устройство, в отличие от предыдущей схемы ИБП, питается от переменного напряжения одной из вторичных обмоток трансформатора TV и реализуется различными и довольно простыми схемотехническими решениями. Схема управления реализована на специализированных микроконтроллерах. В остальном функциональные узлы ИБП не отличаются от рассмотренных в предыдущей схеме рис. 5.6.
by-pass
Рис. 5.7. Второй вариант блок-схемы ИБП типа on-line by-pass
176
Практически все выпрямители переменного напряжения, которые используются в ИБП, имеют на своем выходе конденсаторный сглаживающий фильтр. Как показано в гл. 3, ток, потребляемый подобным выпрямителем, имеет существенно нелинейную импульсную форму. Это приводит к появлению значительной по величине реактивной составляющей полной мощности потерь, потребляемой ИБП от сети переменного напряжения Е. В этом случае, даже если к выходу выпрямителя подключена активная нагрузка, коэффициент мощности ИБП уменьшается до значений coscp = 0,5...0,6, в то время как для реальной активной нагрузки он составляет 0,96...0,99. Это вызывает дополнительную нагрузку на сеть переменного напряжения Ес, увеличивает энергопотребление ИБП и является его недостатком.
С целью устранения этого недостатка разработан ряд международных стандартов, в которых оговаривается требование введения в источники электропитания с потребляемой мощностью свыше 300 В-А, имеющих на входе выпрямитель с кондет юаторным фильтром, специальных устройся в— корректоров мощности искажений (КМИ), предназначенных для увеличения коэффициента мощности coscp. Функциональное назначение КМИ заключается в том, что импульсная форма тока, потребляемого ИБП, преобразуется в синусоидальную. Это определяет включение КМИ на входе ИБП. Вместе с этим если мощность, потребляемая аппаратурой вычислительной техники превышает 300 В-А, то на входе источников ее электропитания также необходимо устанавливать КМИ. Таким образом, КМИ является функциональным узлом, который должен использоваться во многих источниках электропитания, имеющих входной выпрямитель с конденсаторным сглаживающим фильтром.
Принципиальная схема КМИ и упрощенные временные диаграммы его работы приведены на рис. 5.8, а9 б. По существу происходящих в схеме процессов КМИ является повышающим импульсным стабилизатором постоянного напряжения, устройство которого рассмотрено в гл. 4 (см. схему рис. 4.6).
Транзистор VT (см. схему рис. 5.8, а) работает в импульсном режиме с высокой частотой преобразования/^, во много раз превышающей низкую частоту / переменного напряжения сети Ес. В современных КМИ частота f равняется нескольким десяткам килогерц и используется в основном модуляция типа ШИМ. В этом случае можно считать, что за время периода 7’ = 1 //1ф изменения напряжения Ес на входе КМИ будут
12 Вл. Сапожников
177
пренебрежимо малы. На интервале открытого состоянии VT электромагнитная энергия тока выпрямителя, представляющего собой низкочастотную однополярную несглаженную полусинусоиду, накапливается в дросселе L. После запирания VT эта энергия вместе с энергией первичного источника Ес передается в нагрузку Еп. Функционирование КМИ обеспечивается только при ненулевых начальных условиях протекания импульсных токов через дроссель L.
Временные диаграммы рис. 5.8, б показывают, что на протяжении полупериода 7 = 1//с переменного напряжения сети Ес происходят следующие процессы работы устройства. В начале показанного полупериода, когда мгновенные значения переменного напряжения сети Е
а
б
Рис. 5.8. Принципиальная схема корректора мощности искажений
178
малы, длительность А, закрытого состояния транзистора VT относительно велика. По мере увеличения мгновенных значений напряжения сети Ес длительность импульса /3 уменьшается, достигая минимума при напряжении, равном Ес макс. Далее, по мере уменьшения мгновенных значений напряжения сети £с, происходят обратные процессы.
Следовательно, по мере увеличения мгновенных значений переменного напряжения сети происходит уменьшение интервалов времени, когда выход выпрямителя VDB подключается к выходу Еп, а при уменьшении длительность этих интервалов увеличивается. Если закон изменения временных параметров импульсов, управляющих работой транзистора VT, будет иметь синусоидальный характер вида
у = 1- зшсосг,	(5.1)
где у = (7С - L) /71 — скважность управляющих импульсов; JL A кЭ	А	V >
СОс
то форматока, потребляемого КМИ, будет синусоидальной, что показано на эпюретока /д, протекающего через диод VD временных диаграмм рис. 5.8, б.
Конденсатор С схемы рис. 5.8, а предназначен для сглаживания высокочастотных пульсаций, обусловленных импульсной работой КМИ (частота / ), и не влияет на низкочастотные процессы (частота/с) работы устройства.
5.4.	Энергетические и временные характеристики ИБП и нагрузки
Источники бесперебойного электропитания должны эксплуатироваться с соблюдением всех норм входных и выходных параметров. Невыполнение заданных норм может привести к отказу ИБП или к недопустимому отклонению величин выходного напряжения. Поэтому при выборе типа ИБП необходимо оговаривать значения первичного Ес напряжения и мощности нагрузки Рн, которые должны полностью соответствовать параметрам серийно выпускаемых или разрабатываемых ИБП.
В соответствии с нормативными документами возможные изменения среднего значения первичного переменного напряжения Ec для постовых устройств СЦБ находятся в пределах 183...260 В, а для напольных —
179
60...	260 В при номинальном значении 220 В. В соот-ветсгвии с этим ИБП в зависимости от области применения должен нормально функционировап > в указанных диапазонах напряжений Ес.
Выходная мощность ИБП также должна соответствовать определенным параметрам нагрузки. Расчет мощности нагрузки, в качестве которой выступают устройства вычислительной техники, имеет определенную специфику. В справочных данных на устройства вычислительной техники задается или возможный диапазон потребляемой мощности, или ес максимальное значение. Однако, по существу, эта максимальная мощность является усредненной на протяжении большого числа периодов частоты 50 Гц и измеренной измерительными приборами среднего или действующего 311ачения параметров. В аппаратуре вычислительной техники имеют мест о импульсные режимы работы, не фиксируемые обычными измерительными приборами. Катим режимам относятся моменты первоначального включения аппаратуры или некоторые определенные процессы работы, когда энергопотребление на протяжении нескольких десятков, сотен миллисекунд, а иногда и секунд увеличивается в 1,5—2 раза и более.
Специфика электрических характеристик ИБП в момент первоначального включения аппаратуры вычислительной техники определяется двумя факторами. К первому относится использование в аппаратуре бестрансформаторных источников вторичного электропитания (ИВЭП), на входе которых установлен сетевой выпрямитель с емкостным фильтром. Особенности работы подобного вьшрямителя описаны в гл. 3. Основным недостатком этого выпрямителя является наличие больших по величине импульсов токазарядаконденсаторафильтра, что определяет дополнительную нагрузку на ИБП. Другой фактор, вызывающий дополнительную нагрузку на ИБП, вызван, например, тем, что при первоначальном включении монитора, выполненного на электронно-лучевой трубке, происходит размагничивание его экрана, которое осу ществляется за счет пропускания видеоимпульса переменного напряжения частоты 50 Гц через размагничивающую обмотку. Амплитуда этого импульса практически превышает среднее значение тока, потребляемого монитором, в 4-8 раз при его длительности в 6-12 периодов частоты 50 Гц сета переменного напряжения. В мониторах с жидкокристаллическим экраном эта составляющая потребляемого тока отсутствует.
180
С учетом изложенного мощность, на которую должен быть рассчитан ИБП, определяется выражением
вых ИБП	зап
ср (макс)
(5.2)
coscp
где —коэффициент запаса, определяемый импульсными процессами работы аппаратуры вычислительной техники (обычно принимается = 1,3);
ЕР (макс) — сумма средних максимальных значений мощности, потребляемой комплексом аппаратуры (системный блок, монитор, модем, принтер и т.д.);
coscp—коэффициент мощности нагрузки источника вторичного элекгро-питания компьютера и монитора.
Если в них не применяются КМИ, то принимается coscp = 0,6, а при наличии КМИ — coscp = 0,95...0,98.
Рассмотрим пример расчета требуемой выходной мощности ИБП (Вт) для персонального компьютера с процессором Pentium следующей комплектации:
системный блок с ОЗУ 128 Мбайт и НМЖД
емкостью 4 Гбайт.....................................90... 100
монитор HP, NEC или ViewSonic с диагональю экрана от 17 до 21 дюйма с электронно-лучевой
трубкой..............................................90... 100
модемы........................................... Не более 10
суммарная максимальная потребляемая мощность
Рср (макс)...............................................210
Подстановка этих данных в (5.2) для coscp - 0,6 дает: Рвых ИБП = 450 Вт. Таким образом, при потребляемой, по паспортным данным, аппаратурой вычислительной техники максимальной мощности равной 210 Вт, ИБП должен быть рассчитан на выходную мощность 450 Вт. Очевидно, что при увеличении coscp, в случае использования КМИ, эта мощность снизится.
Интервалы времени ?авт, в течение которых ИБП должен обеспечивать выходное напряжение UH в режиме автономной работы (при отсутствии переменного напряжения Ес сети), распределяются следующим образом: для персональных компьютеров «домашнего» варианта /авт = 5—15 мищ для сложных вычислительных комплексов типа серверов — более 30 мин; для устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи длительность автономной работы определяется временем реакции
181
обслуживающего или ремонтного персонала на отключение напряжения 220 В (или 380 В) и последующего устранения неисправности.
Таким образом, для современной электронной аппаратуры, что в большей степени относится к вычислительно-информационным системам, необходимо использование источников бесперебойного электропитания, так как сети переменного напряжения220/380 В не обеспечивают требуемых показателей качества и возможны случаи пропадания напряжения, что может привести к необратимой потере информации в электронных приборах. Это недопустимо для железнодорожных систем, выполняющих информационно-управляющие функции и обеспечивающих оперативной информацией эксплуатационный штат сети дорог.
Существуют несколько основных и наиболее широко применяющихся вариантов структурных схем ИБП, отличающихся друг от другасложносгью, стоимостью и качеством выходного напряжения при воздействии различных дестабилизирующих факторов по входам ИБП. В состав всех ИБП водят аккумуляторные батареи, которые обеспечивают функционирование электронной аппаратуры на заданные интервалы времени. При длительном пропадании первичного напряжения используют модульный принцип суммирования мощности аккумуляторных батарей. Для преобразования постоянного напряжения в переменное выходное в ИБП имеются инверторы, которые по существу процессов работы рассмотрены в гл. 4 преобразователями постоянного напряжения, у которых, однако, для получения переменного напряжения используются выходные фильтры на частоту 50 Гц и специальные законы модуляции постоянного напряжения. Наиболее перспективными являются ИБП с параллельно включенными силовым структурами, что обеспечивает большую живучесть, надежность и универсальность применения ИБП для нагрузок различной мощности.
При мощностях ИВЭП, подключаемых к выходу ИБП, более 300 Вт требуется применение КМИ, которые дают снижение входной реактивной мощности, что позволяет снизить установленную мощность ИБП.
КОНТРОЛЬНЫЕВОПРОСЫ
1.	Каковы назначение и основные параметры ИБП?
2.	Каковы функциональные возможности современных ИБП?
3.	Назовите принципы построения ИБП.
4.	Объясните принцип действия схемы ИБП типа off-line.
5.	Объясните принцип действия схемы ИБП типа line-interactive.
6.	Объясните принцип действия схемы ИБП типа on-line.
7.	Укажите назначение и принцип действия каналов by-pass и intelligent by-pass.
8.	Какие существуют способы построения ИБП? Каковы принципы их действия, основные недостатки и преимущества?
9.	В чем состоит взаимосвязь энергетических и временных характеристик ИБП и нагрузки? Каково влияние нелинейного характера cos(p на выходные параметры ИБП?
Глава 6 УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ
6J. Классификация электрических воздействий и объекты защиты
Среди факторов, определяющих надежность электропитания, существенную роль играет защищенность элементов электропитающих установок от повреждений при внешних электрических воздействиях сверх допустимого предела. В практике наиболее часто встречаются два видгг электрических воздействий (рис. 6.1): импульсные помехи, образованные грозовыми разрядами, а также аварийными и коммутационными процессами, причем мощность импульсных помех превышает предел тепловой устойчивости защищаемых элементов; токовые перегрузки, причинами которых являются короткие замыкания в цепях разводки питания, аварийные режимы нагрузок (например, заторможенное состояние электродвигателя), ферромагнитные процессы, блуждающие токи от промышленных предприятий, электротяговых устройств и других источников, попадающие в цепи питания, например, через пробитые разрядники, и способные вызвать перегрев проводов.
Известно, что на линии электроснабжения автоблокировки приходится в среднем 10-11 прямых ударов молнии на каждые 100 км при 30 грозовых часах в году. Каждый случай прямого удара молнии вызывает срабатывание защиты и автоматического включения резерва, а в некоторых случаях—автоматического повторного включения линии под напряжение. Следовательно, импульсные прогхессы, вызванные молнией, сопровождаются затем коммутационными процессами импульсного характера. Отключаше ненагруженных или малонагруженных трансформаторов вызывает появление импульсных помех, превышающих в 3—5 раз напряжение в линии. Наличием этих помех, а также воздействием грозовых разрядов обусловлена значительная доля (до 40 %) случаев повреждения устройств железнодорожной автоматики, связанных с системами электроснабжения.
Мощные импульсные помехи имеют первичный параметр воздействия —повышенное напряжение, поэтому их иногда называют перенапряжениями. Результатом воздействия этих помех бывает пробой изоляции
184
Рис. 6.1. Классификация воздействий и защит от них
185
проводов и других элементов схем, необратимый пробой переходов в полупроводниковых приборах, насыщение сердечников в трансформаторах и в других магнитных элементах. Эффект насыщения магнитопроводов током мощных импульсных помех часто не учитывают при проектировании устройств электроснабжения, а на практике это приводит к снижению надежности средств питания.
Очевидным методом защиты от мощных импульсных помех является ограничение напряжения на уровне, более высоком, чем рабочее напряжение, но меньшем, чем допустимое напряжение пробоя изоляции, полупроводниковых переходов или насыщения магнитопроводов. Однако реализация метода ограничения напряжения наталкивается на ряд трудностей, обусловленных неидеальностыо характеристик ограничителей. Кроме того, нет полных и достоверных данных о параметрах мощных импульсных помех, что дополнит ельно усложняет задачу выбора типа и расчета элементов ограничителей.
Для защиты от токовых перегрузок используется отключение перегруженной цепи от источника с последующим автоматическим включением или без включения питания цепи. Типичным защитным элементом для второго случая является плавкий предохранитель. Значительно реже применяют эффективный, но сложно реализуемый метод ограничения тока перегрузки с помощью положительного нелинейного сопротивления, значение которого растет при превышении! ока нагрузки сверх заданного порога.
Данная классификация электрических воздействий на средства электропитания и меры защиты от них предполагают объектами защиты элементы средств электропитания. Однако существует и другой объект защиты—обслуживающий персонал. Возможность поражения человека, обслуживающего электропигающие установки, можно понять из рис. 6.2, а, ?№ Z1 — сопротивление утечки между токоведущими частями с напряжением Uи корпусом установки, a Z2—сопротивление между корпусом и землей. Потенциал корпуса относительно земли определяется сопротивлениями Z1 и Z2, в совокупности представляющими собой делитель напряжения:
корп
(6.1)
186
Рис. 6.2. Принцип образования на корпусе электропитающего устройства напряжения с уровнем, опасным для жизни людей, через сопротивление утечки (а) и при повреждении изоляции (6)
Если Z1 мало, a Z2 велико, то напряжение f/KOpn стремится к напряжению Uи становится угрожающим для жизни человека. Так как надежный контроль сопротивлений Z1 и Z2 очень затруднен, необходимо принимать меры по защите человека от поражения электрическим током при его прикосновении к корпусу установки.
Общепринятым методом защиты для этого случая является заземление корпуса. При этом Z2 стремится к нулю, следовательно, и ^корп также стремится к нулю.
Если в результате повреждения между токоведущими частями электроустановки и ее корпусом образуется прямое соединение (Z1 - 0), а источник питания заземлен и имеет предохранитель (рис. 6.2, б), заземление корпуса обеспечивает возможность создания цепи короткого замыкания, в результате чего предохранитель перегорает и снимает напряжение с корпуса.
6.2. Методы и средства защиты от мощных импульсных помех
Типичным методом защиты от мощных импульсных помех является ограничение напряжения помехи . Обычно в качестве средств ограничения используют разрядники барьерного типа, сопротивление которых имеет излом на уровне порогового напряжения и состоит из двух линейных участков: до порога срабатывания с большим, а после порога—с малым дифференциальным сопротивлением.
По мере увеличения тока через разрядник его пороговое напряжение не уменьшается до нуля, поэтому этот тип защитных элементов называют барьерным.
187
При эксплуатации электропитающих устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи используют газонаполненные разрядники типа Р-34 (двухэлектродные, напряжение зажигания U3 = 1100 В, которые защищают элементы дистанционного питания усилительных пунктов кабельных линий связи от мощных импульсных помех, вызванных грозовыми разрядами); высоковольтные разрядники типа РБП-10 или РВП-6 (разрядники вентильные, подстанционные, с рабочим напряжением в сети 10 или 6 кВ) и низковольтные типа РВНШ-250 (разрядники вентильные, низковольтные, штепсельные, с рабочим напряжением в сети 250 В), а также ряд других газонаполненных и вентильных разрядников [6.1].
Существенным недостатком разрядников, наполненных инертным газом, является их свойство подхвата тока от рабочего источника после срабатывания под воздействием мощных импульсных помех. Поэтому область применения газонаполненных разрядников для защиты элементов электропитания ограничена теми устройствами, у которых сопротивление цепей питания достаточно велико, а рабочее напряжение меньше остаточного напряжения горения разрядников.
Вентильные разрядники конструктивно состоят из последовательно соединенных искрового промежутка ИП и нелинейного сопротивления НС (рис. 6.3, а). Искровой промежуток обеспечивает высокие изоляционные свойства разрядников в «дежурном» режиме, т. е. при отсутствии мощных импульсных помех.
Нелинейное сопротивление служит для среза амплитуды напряжения этих помех, поэтому при малом напряжении его значение велико, а при подъеме напряжения выше порогового—резко уменьшается. В качестве нелинейного сопротивления разрядников РВП-6 и РВП-10 обычно используют полупроводниковый материал—вилит или тервит (термически обработанный вилит), а в разрядниках типа РВНШ-250—диоксид цинка и титана. Вилит (тервит) состоит из зерен электротехнического карборунда, скрепленных между собой массой из смеси жидкого стекла с мелом. Нелинейным сопротивлением обладает поверхностный слой зерен карборунда. По сравнению с вилитом нелинейное сопротивление из диоксида цинка и титана имеет более высокую нелинейность и пропускную способность по току, а также нсгигроскопично.
Разрядник типа РВНШ-250 (рис. 6.3, б) наиболее широко применяют в устройствах электропитания железнодорожной автоматики, телемеханики
188
и связи. Он имеет пластмассовое основание 7, в которое запрессованы электроды 2 и 77, соединенные с двумя выводными штырями 72. Последние имеют плоские пружины 75, необходимые для создания надежного контакта с гнездами. Между электродами размещены соединенные последовательно нелинейное сопротивление 3 и искровой промежуток, образованный электродами 4 и б, а также изолирующей шайбой 5. Изолирующая шайба, изготовленная из рутила (диоксида титана), имеет высокую диэлектрическую проницаемость и стабилизирует напряжение пробоя искрового промежутка благодаря активизации воздушного зазора. Винтом 7, изолированным от электродов пластмассовой втулкой 5, и гайкой 9 можно регулировать размер искрового промежутка между электродом 4 и подпружиненным электродом 6. Крышка из прозрачной пластмассы винтами прижимается к резиновой прокладке 10, которая обеспечивает герметичность соединения с основанием 7.
Применение ограничителей барьерного типа позволяет существенно снизить число повреждений в аппаратуре электропитания, однако имеет
Рис. 6.3. Схема включения вентильного разрядника типа РВНШ-250 (а) и его устройство (б)
189
определенные недостатки. Наиболее существенным недостатком является выделение значительной мощности на ограничителях при воздействии мощных импульсных помех, поэтому ограничители могут находиться в тепловых режимах, превышающих предельно допустимые. Вследствие этого возможно ухудшение характеристик со временем, что обусловливает необходимость в их периодической проверке. Нередким бывает и тепловое разрушение ограничителей, поскольку при нормативном значении тепловой стойкости ограничителей 65 000 А2с (джоулева интеграла) их фактическая стойкость составляет около 3000 А2с [6.1]. Ежегодно на сети железных дорог в период весенней проверки из-за теплового разрушения и по другим причинам заменяют десятки тысяч разрядников РВНШ-250. Проблема усугубляется тем, что повреждение ограничителей типа «короткое замыкание» в цепях электропитания устройств железнодорожной автоматики, изолированных от земли, не обнаруживается до тех пор, пока не подойдет срок их периодической проверки. Однако заземление через неисправный разрядник одного из питающих проводов существенно снижает надежность электропитания (например, заземление второго провода приводит к короткому замыканию для источника электропитания), а в случае установки на одном проводе двух ограничителей и более, заземленных на разные заземлители, может возникнуть условие прохождения через этот провод блуждающего тягового тока, способного вызвать перегрев провода и как следствие пожар в электроустановке.
Другим недостатком, характерным для вентильных разрядников, является значительное дифференциальное сопротивление в надпороговой области вольт-амперной характеристики. Например, пробивное напряжение разрядника типа РВНШ-250 составляет700.. .900 В, а при токе 2,5 кА, протекающем через разрядник, падение напряжения на нем 1400 В, т.е. вероятность незащищенности элементов электропитания повышается при возрастании тока мощных импульсных помех.
Более совершенны ограничители ключевого типа—ключевые защит-ные устройства (КЗУ) (рис. 6.4). Силовыми элементами этих устройств являются диоды VD1, VD2 и тиристоры VS 1, VS2, которые выбирают так, чтобы при максимально возможных токах мощных импульсных помех не происходило бы тепловой перегрузки в структуре полупроводников. Так как прямое падение напряжения на диодах и тиристорах невелико (1... 2 В), они способны пропускать значительные ударные токи без теплового разрушения.
190
Рис. 6.4. Схема ключевого защитного устройства и его подключение к защищаемому проводу
Диоды VD3, VD4 как вспомогательные средства служат для развязки цепей управления тиристорами.
Порог срабатывания КЗУ определяется параметром стабилитрона VD5. Среди множества пороговых элементов стабилитроны являются наиболее подходящими элементами для КЗУ, поскольку, во-первых, они имеют температурный дрейф порога, благоприятный доя температурного дрейфа характеристик чувствительности тиристоров по
управлению (с увеличением температуры возрастание чувствительности тиристоров компенсируется некоторым повышением порога срабатывания стабилитронов); во-вторых, обладают малым дифференциальным сопротивлением в надпороговой области вольт-амперной характеристики, благодаря чему уровень ограничения напряжения практически не зависит от тока мощных импульсных помех, проходящего через КЗУ.
По свойствам совместимости с тиристорами к стабилитронам приближаются оксидно-цинковые варисторы типа СН2 (сопротивление нелинейное, цифра 2 указывает, что материалом СН является оксид цинка). Кремниевые варисторы типа СН1 несовместимы с тиристорами по условию температурного дрейфа, поэтому их нельзя применять в качестве порогового элемента КЗУ.
В исходном (дежурном) состоянии тиристоры VS1 и VS2 закрыты, поэтому ток через КЗУ очень мал и определяется лишь токами утечки
через диоды и тиристоры.
При появлении мощной импульсной помехи от превышения ее амплитуды над порогом стабилитрона VD5 в цепи управления одного из тиристоров (для которого положительная полярность помехи приложена к аноду) протекает ток управления. При достижении этим током уровня включения тиристора последний открывается и шунтирует цепь управления. Остаточное напряжение от мощной импульсной помехи определяется падением напряжения на открытых диоде и тиристоре и
191
составляет 2...3 В. При пропускании тока в сотни и даже тысячи ампер тепловая энергия, выделяемая на этих элементах КЗУ, незначительна. Следовательно, и надежность КЗУ намного выше, чем ограничителей барьерного типа.
Вольт-секундные площади мощной импульсной помехи, полученные экспериментально (рис. 6.5), образованы на вторичной обмотке трансформатора мощностью 0,3 кВ-А с помощью разряда конденсатора на его первичную обмотку. Площадь а отражает амплитуду и время воздействия напряжения на изоляцию проводов, подключенных к вторичной обмотке, без использования КЗУ, а площадь б—амплитуду и время процесса, ограниченные с помощью КЗУ. Пороговое напряжение 416 В задано тремя последовательно включенными стабилитронами. Из них два имеют тип КС680А с порогом напряжения по 180 В каждый, а третий (Д817А) взят с порогом напряжения 56 В. Суммарный уровень порога 416 В выбран с учетом того, чтобы максимальная амплитуда питающего напряжения с номиналом 220 В не достигала бы этого порогового уровня. Время ограничения мощной импульсной помехи на уровне 416 В определяется временем включения тиристора, после чего цепь стабилитронов шунтируется. После окончания действия этой помехи или при прохождении сопровождающего тока через нуль КЗУ автоматически переходит в дежурный режим.
Рис. 6.5. Экспериментальная вольт-секудная площадь мощной импульсной помехи без КЗУ, прикладываемая к изоляции проводов (я), и с КЗУ, подключенным параллельно проводам (б)
Таким образом, главной особенностью ключевых ограничителей является рассеяние основной энергии мощной импульсной помехи на теплоемких элементах электропитающих устройств (проводах, обмотках трансформаторов, местах соединений и др.), и поглощение ключевым ограничителем только незначительной части этой энергии (см. рис. 6.5).
Опытная эксплуатация партии КЗУ, использованных для защиты вводов питания напряжением 220 В в постах ЭЦ малых станций, подтвердила их высокую эффективность и надежность.
192
Переход с ограничителей барьерного типа на кл ю<юные ограничители дает возможность не только существенно повысить i шдежт юсть защиты устройств электропитания средств автоматики, то юмеханики и связи, но и избежать значительных трудозатрат, необходимых для ежегодных испытаний огромного числа ограничителей барьерного типа (главным образом разрядников типа РВНШ-250).
Одной из важных проблем эффективного применения ограничителей любого типа является сложность получения исходных данных для их расчета. Например, для того чтобы выбрать типы диодов, тиристоров и стабилитронов для КЗУ (см. рис. 6.4), необходимо знать динамические и энергетические параметры мощной импульсной помехи. Однако определение этих параметров как аналитически, так и экспериментально очень трудоемко и недостаточно достоверно. Вместе с тем решение этой проблемы существенно упрощается, если принять во внимание, что электропитающие установки содержат трансформаторы. Как известно, при передаче импульсного процесса через трансформатор преобразуются его динамические и энергетические свойства, обусловленные индуктивностью трансформатора и насыщением его сердечника. Таким образом, рассматривая в наихудшем случае мощную импульсную помеху в виде скачка напряжения (максимальную амплитуду скачка устанавливают исходя из физики процесса), а также оценив дифференциальную индуктивность конкретного типа трансформаторов, можно найти предельные производные токаи ватт-секундные площади мощной импульсной помехи на выходе трансформатора, по которым легко выбрать нужный тип элементов для КЗУ или любого другого защитного устройства. Предельные значения динамической и энергетической характеристик мощной импульсной помехи, найденные по приведенной методике, могут служить нормативной базой не только для расчета защитных средств, но и для выбора параметров элементов нагрузки, устойчивых к действию мощной импульсной помехи.
6-3. Методы и средства защиты от токовых перегрузок
В общем случае способы и реализация защиты от перегрузок зависят от вероятности их проявления. Так, если вероятность кратковременных самоликвидирующихся перегрузок велика, целесообразно использовать
13 Вл. Сапожников
193
ограничение или отключение тока перегрузки с последующим автоматическим восстановлением цепи питания. И, наоборот, если характер перегрузки в основном постоянный (например, устойчивое короткое замыкание), то предпочтительно отключение тока перегрузки без последующего восстановления питания.
Ограничение величины тока как метод защиты находит узкое применение, поскольку реальные характеристики ограничителей существенно отличны от идеальных. Простейшим примером токоограничивающего защитного средства может служить нить лампы накаливания. На ряде дорог для резервирования и контроля плавких предохранителей используют электровозные прожекторные лампы типа ПЖ50-500 (на напряжение 50 В и мощность 500 Вт). В холодном состоянии они имеют сопротивление нити 0,45 Ом, в горячем (полный накал)—5 Ом, а при токе ЗА—около 1 Ом. Лампы по дключают параллельно плавким предохранителям. При перегорании предохранителя и самоликвидации перегрузки ток через нить лампы продолжает проходить через нагрузку, сохраняя ее функционирование. Если же причиной перегрузки стало устойчивое короткое замыкание, то нить лампы нагревается, а ее сопротивление увеличивается, ограничивая ток короткого замыкания. Однако из-за того что сопротивление увеличивается лишь в несколько раз, ограничение тока в ряде случаев оказывается недостаточным и возможен перегрев проводов. Поэтому при проектировании устройств электропитания средств автоматики и телемеханики ограничение тока как метод защиты применяют лишь в специфических устройствах, например в устройствах, питающих рельсовые цепи, а ограничителями служат, как правило, линейные сопротивления, так как они проще и надежнее.
Отключение перегруженной цепи с последующим автоматическим включением применяют в высоковольтных линиях электроснабжения устройств автоматики, телемеханики и связи. При этом токовую отсечку и максимальную токовую защиту используют в сочетании с автоматическим включением резервного источника питания и автоматическим повторным включением (АПВ). По принципу действия токовая отсечка и максимальная токовая защита одинаковы и срабатывают от превышения тока нагрузки над установленным порогом токовых реле. Разница состоит в методе селекции. Токовая отсечка реагирует на ограниченную зону высоковольтной линии, в пределах которой может произойти короткое замыкание, и отсекает ее от смежной зоны при коротком замыкании.
Максимальная токовая защита в качестве порога имеет ток, несколько превышающий максимальный рабочий ток, а селективное отключение ближайшей к месту перегрузки зоны осуществляется с помощью выдержки времени (чем ближе находится выключатель к месту i юрсгрузки, тем меньше выдержка времени). Ступени выдержки времени обычно принимают равными 0,4...0,6 с.
В низковольтных цепях питания сигнальных установок автоблокировки предусма гривают автоматические выключатели многократного действия типа АВМ (рис. 6.6), имеющие в качестве рабочего органа биметаллическую термопластину, снабженную подпружиненным контактным размыкателем. При протекании тока перегрузки через биметаллическую пластину последняя изгибается и полукольцевой пружиной резко размыкает контакты, включенные последовательно с нагрузкой. Поскольку перегруженная цепь разрывается этими контактами, ток прекращает протекать через биметаллическую термопластину. Остывая, она принимает первоначальную форму и полукольцевой пружиной замыкает контакт. Время размыкания кош актов автоматического выключателя многократного действия типа ABM-1 составляет 2 мин при двукратном номинальном токе и температуре 20 С, а время автоматического обратного включения — 1 мин при той же температуре.
Для защиты от токовых перегрузок низковольтных цепей питания наиболее широко применяют предохранители с плавкими вставками (рис. 6.7), которые отключают перегруженную цепь без последующего автоматического восстановления, а также предохранители с подпружиненными контактами и магнитными или тепловыми расцепителями.
В качестве характеристик плавких предохранителей обычно указывают номинальный и предельный токи, а также ток плавления. Током плавления принято считать такой, который расплавляет плавкую вставку в течение 10 с. При предельном токе плавкая вставка не должна расплавляться в течение 20 мин. Необходимо, чтобы номинальный ток не приводил к плавлению вставки в течение неограниченного времени. Например, предохранитель на номинальный ток 1 А имеет предельный ток 1,5 А и ток плавления 2...2,3 А.
X	г
На номинальный ток до 0,4 А включительно в качестве плавких вставок предохранителей используют константановую проволоку, а на большие токи—красно-медную проволоку. Предохранители на номинальный ток до 5 А изготавливают с контролем перегорания (при пере-
194
108
Рис. 6.7. Предохранитель банановый на Рис. 6.6. Выключатель автоматический цоколе с контролем перегорания типа многократного действия типа ABM-1	20876М
горании вставки подпружиненный стержень опускается и замыкает сигнальные контакты). Чтобы контролировать перегорание предохранителей на большие номинальные токи, параллельно им подключают предохранители на 1 А с плавкими вставками из константановой проволоки и контролем перегорания.
В устройствах связи применяют линейные трубчатые теплоемкие плавкие предохранители типа СН или СК (С—спиральная нить, Н — ножевой контакт, К—конический контакт). Они представляют собой стеклянную трубку (рис. 6.8), заканчивающуюся ножевыми или коническими контактами, внутри которой помещены две спиральные пружины из стальной проволоки диаметром 0,4 мм, спаянные между собой легкоплавким припоем. Другие два конца пружин под натягом припаяны к контактам на концах стеклянной трубки. При прохождении через предохранитель предельного тока припой расплавляется, и спиральные пружины силой упругости разрывают перегруженную цепь. Время расплавления припоя зависит от величины тока. Например, для предохранителя типа СН-1 на номинальный ток 1А ток 2 А вызывает расплавление припоя через 20 с, а ток 6 А расплавляет припой через 2 с.
196
Припой
Рис. 6.8. Линейные трубчатые теплоемкие предохранители а — с ножевыми (СН-1) наконечниками; б—с коническими (СК-1,0-54)
Нелинейная функция времени срабатывания от тока любого плавкого предохранителя обусловлена тепловой инерционностью расплавления плавкой вставки и является, как правило, его положительным свойством, поскольку позволяет отделить кратковременные перегрузки от мощных импульсных помех, при которых плавкая вставка предохранителя должна оставаться целой, от длительных перегрузок (например, коротких замыканий), при которых предохранитель должен сработать. Путем подбора материала плавкой вставки, ее конструкции можно целенаправленно управлять тепловой инерционностью предохранителя, получая заданную селективность отключения перегруженных цепей.
Основная часть коротких замыканий происходит в цепях напряжением 220 В по причине выхода из строя аппаратуры, прожога плат реле и клеммных колодок, феррорезонансных явлений. Особенно часто это происходит в напольных устройствах. В то же время на основании анализа отказов срабатывание устройств защиты в низковольтных цепях вызывают в основном кратковременные перегрузки или неисправности самих предохранителей.
В настоящее время разработаны и находят все большее применение восстанавливающиеся предохранители многоразового действия на основе полимеров с положительным нешанейным температурным коэффициентом (НТК) (при увеличении температуры материала возрастает его электрическое сопротивление). Как и традиционные, такие предохранители срабатывают при превышении величины тока в цепи относительно некоторого выбранного номинального значения. Но в отличие от традиционных предохранителей, которые используются только один раз с последующей заменой, восстанавливающиеся предохранители при определенных условиях автоматически восстанавливают свои свойства, сокращая таким образом время отключения потребителя, а также расходы на их обслуживание
197
и ремонт. Будучи полимерными устройствами, восстанавливающиеся предохранители, кроме этого, имеют низкое сопротивление, лучшую прочность при механических ударах и вибрации, обеспечивают надежную защиту в широком диапазоне условий применения.
Первые элементы восстанавливающихся предохранителей появились в 1980 г. и предназначались для защиты никель-кадмиевых аккумуляторных батарей от повреждения большими токами заряда/разряда.
Рассмотрим устройство и принципы работы восстанавливающихся предохранителей.
Сопротивление материалов, подверженных фазовому превращению, может очень резко возрастать (в диапазоне от 104 до 107 Ом) в узком диапазоне температур. Такая характеристика свойственна определенным типам токопроводящих полимеров. Полимерный восстанавливающийся предохранитель с ПТК включается в электрическую цепь последовательно с нагрузкой. Он обеспечивает защиту цепи, переходя из состояния с низким в состояние с высоким сопротивлением, таким образом реагируя на перегрузку по току. Этот процесс называется срабатыванием предохра-нигепя. Такое изменение состояния элемента—результат быстрого повыше-ния температуры токопроводящего полимера прибора, обусловленного внутренней теплогенерацией при нагреве. Полимерный материал прибора с ПТК представляетсобой кристаллическую решетку органического полимера (полиэтилена), содержащую рассеянные токопроводящие частицы сажи в виде цепочек. Резкое повышение сопротивления обусловлено фазовым превращением в материале. В нормальном режиме работы, т.е. в холодном состоянии, материал является в основном кристаллическим, причем его токопроводящие частицы как бы втиснуты в аморфные области между мелкими кристаллами. Тепло, генерируемое элементом, и тепло, рассеиваемое в окружающей среде, находятся в равновесии при относительно низкой температуре. При возрастании тока, проходящего через элемент, и сохранении постоянной температуры окружающей среды тепло, генерируемое элементом, увеличивается. Возрастает также и температура элемента. Однако, если увеличение тока не слишком велико, вся генерируемая теплота может быть рассеяна в окружающей среде и элемент ост анется в устойчивом состоянии при более высокой температуре. Если возрастает' не ток, а температура окружающей среды, элемент также стабилизируется в устойчивом состоянии при более высокой температуре. При дальнейшем увеличении тока или повышении темпе-
198
ратуры окружающей среды или при одновременном воздействии этих факторов температура элемента увеличивается. При любом дальнейшем увеличении тока или повышении температуры окружающей среды скорость генерации тепла в элементе превышает возможную скорость его рассеивания в окружающей среде. При этом возрастает объем аморфной фазы и разрушается структура токопроводящих цепочек, что вызывает резкое увеличение сопротивления элемента. На этой стадии даже небольшое изменение температуры приводит к очень значительному (до 107 Ом) увеличению сопротивления, что, в свою очередь, вызывает соответствующее снижение тока и защиту электрической цепи от повреждения. В течение периода, пока приложенное напряжение достаточно высоко, элемент остается в активном состоянии (т.е. обеспечивает защиту), причем температура элемента достигает предельного значения 120...130 °C. При снижении напряжения до уровня, при котором количество теплоты, генерируемое элементом, и теплоты, рассеиваемой в окружающей среде, уже не компенсируют друг друга, происходит разрушение полимерных изолирующих участков и элемент переключается в исходное состояние (восстанавливается). При последующих срабатываниях рабочее сопротивление предохранителя равно исходному рабочему сопротивлению. Макси
мальное время возврата в состояние с низким сопротивлением—от сотых
долей секунды до нескольких секунд, в зависимости от величины тока, вызвавшего срабатывание предохранителя. Число срабатываний восстанавливающихся предохранителей возможно до 3000 циклов. Предохранители рассчитаны на применение в диапазоне температур от-40 °C до +85 °C и при относительной влажности окружающей среды до 95 %. Их можно использовать в цепях переменного тока с частотой до 100 МГц.
Общий внешний вид полимерного восстанавливающегося предохранителя типа RUE500 фирмы Raychem показан на рис. 6.9, а основные рабочие характеристики предохранителей этой фирмы приведены в табл. 6.1.
Рис. 6.9. Общий вид полимерного восстанавливающегося предохранителя корпорации Raychem (для прибора типа RUE500 на номинальный ток 5 А и напряжение 30 В; С = - 14 мм, В = 24,9 мм)
199
Таблица 6.1
Рабочие характеристики предохранителей фирмы Raychem
Типы приборов	Рабочее напряжение Отах, В	Диапазон рабочих токов /п, А	Диапазон токов срабатывания Zcp> А	Диапазон рабочего сопротивления Апах? См
RXE	60	0,10...3,75	0,20...7,50	0,05...5,21
RUE	30	0,90-9,00	1,80...18,0	0,01-0,12
SRP	15...30	1,20...4,20	2,70-7,60	0,024-0,16
SMD	40...60	0,30...2,50	0,60...5,00	0,09-4,80
TR	,	60	0,09...0,16	3,00...10,0	2,00-20,0
LTP	15...24	1,00...3,40	2,50...6,80	0,027...0,13
тс	60	0,09...0,16	3,00...10,0	2,00-20,0
Из принципа работы восстанавливающихся предохранителей следует, что д ля восстановления рабочего состояния необходимо принудительно снижать ток через них путем кратковременного отключения либо шунтирования приборов, поскольку после устранения перегрузки рабочее сопротивление защищаемых цепей, как правило, ниже, чем это необходимо для автоматического процесса восстановления.
6.4. Заземление*
Заземление служит для канализации максимально возможных токов любого происхождения (от грозовых разрядов, коммутационных процессов, соприкосновения цепей от разных источников, коротких замыканий на корпус и т. п.) таким образом, чтобы выделенное на сопротивлении заземления падение напряжения от этих токов не превышало допустимые значения. Следовательно, если допустимые напряжения известны (например, шаговое напряжение, напряжение пробоя изоляции и др.), то, за давая ток канализации, можно определить нормативное сопротивление заземления.
По функциональному признаку заземляющие устройства принято подразделять на защитные (с сопротивлением 2...30 Ом), рабоче-защитные (2...30 Ом), лгшейно-защитные (2...20 Ом), рабочие (10...30 Ом) и измерительные (100...200 Ом).
*П. 6.4 и 6.5 написаны совместно Костроминовым А.М., Костро-миновым Александром М., Костроминовым Алексеем М.
200
Защитное заземление предназначено для защиты от поражения электрическим током или напряжением людей и технических средств с помощью соединения с «землей» оборудования, нормально не находящегося под напряжением. При рабочем заземлении «землю» используют в качестве одного из проводов электрической цепи. Рабоче-защитное заземление совмещает функции рабочего и защитного заземлений. Линейно-защитное заземление защищает кабели и воздушные линии. Измерительное заземление служит для подключения аппаратуры с целью определения сопротивлений заземлений.
При выполнении заземления необходимо придерживаться определенных условий, нарушение которых может привести к значительным материальным потерям, Так, одним из главных условий устройства заземлений в электропитающих установках, находящихся вблизи электрифицированных железных дорог, является исключение образования контуров заземления. Контур заземления возникает, когда заземление образовано в двух точках и более (рис. 6.10). Тогда, например, тяговый ток по цепи, имеющей связь с точкой В, при нарушении у нее связи с землей имеет возможность пройти через провод электропитающей установки к точке А и далее к отсасывающему фидеру тяговой подстанции. Следствиями такого непреднамеренного протекания тягового тока по проводу могут быть его перегрев, возгорание изоляции и пожар в электросистеме.
Одним из распространенных методов разрыва контура заземления является гальваническое разделение участков схем с разными точками заземления с помощью трансформаторов. Этот метод широко применяют, например, при проектировании электропитающих панелей для систем электрической централизации стрелочных приводов и сигналов, диспетчерской и горочной централизации.
Контур заземления может возникнуть не только в результате ошибки проектирования или при неисправностях заземления, но и в случае одновременного пробоя двух раз
Рис. 6.10. Образование контура при двух точках заземления:
СЭ1 и СЭ2—соответственно первая и вторая части схемы электро питания; СП — соединительные провода; КЗ — контур заземления
рядников, подключенных к разным заземлителям. Поэтому перед выбором схемы включения ограничителей необходимо проанализировать потенциальную возможность образования контуров заземления.
201
Существует влияние величины тока, стекающего с заземлителя, на его сопротивление. При определенном значении тока напряженность поля вблизи заземлителя возрастает до критического значения, при котором возникает электрический пробой грунта, развивающийся в виде разветвленных проводящих каналов. Эти каналы шунтируют участки земли, прилегающие к электроду, в результате чего размеры электрода-заземлителя как бы увеличиваются. Вследствие этого сопротивление заземления уменьшается, причем тем сильнее, чем больше величина тока, стекающего с заземлителя. Область фунта, в которой напряженность электрического поля превышает критическую величину Д принято называть искровой зоной.
Рассмотрим математическую модель образования напряжения между жилой кабеля, расположенного радиально относительно заземлителя, и «землей» с учетом образования искровой зоны. При этом будем полагать, что удельное сопротивление грунта в области искровой зоны равно нулю.
Дифференцируя потенциал электрического поля вертикального стержневого заземлителя вблизи поверхности земли, найдем зависимость напряженности поля от радиальной координаты. При этом границу искровой зоны определим из уравнения
где Е( г)—вектор напряженности электрического поля заземлителя в точке с радиальной координатой г.
Исходя из уравнения (6.2) и предположения о постоянстве потенциала в области искровой зоны, находим интересующее нас распределение потенциала поля вокруг заземлителя. Используя теперь предположение о линейности электрического потенциала в жиле кабеля, получаем величину напряжения между жилой кабеля и землей как разность потенциалов кабеля и грунта в соответствующих точках. Полученный результат, учитывающий искрообразование, может быть представлен в следующем виде:
ж—з  УХД Дф ? р? Д),	(6.3)
где г—удельное сопротивление грунта;
/—длина заземлителя;
L—длина кабеля;
/— амплитуда тока молниевого импульса;
иж з — напряжение между жилой и грунтом (на оболочке кабеля).
202
Формула (6.3) есть математическая модель грозового перенапряжения в кабеле с учетом образования искровой зоны и решает задачу определения величины напряжения жила—«земля» вдоль кабеля.
При вычислении напряжения между кабелем и грунтом основной проблемой является определение электрического поля в грунте, возбуждаемого током молнии. Поскольку рассматривается вертикальный стержневой заземлитель, можно полагать, что искровая зона симметрична он юсительно его оси. Полагая удельное сопротивление грунта в области искровой зоны равным пулю, приходим к задаче об определении потенциала электрического поля вне искровой зоны. В качестве граничного условия будем использовать условие постоянства потенциала на поверхности искровой зоны. Для определения потенциала электрического поля ср в грунте вне области искровой зоны находим решение уравнения Лапласа с указанным граничным условием
Дф = 0
ф = const,
(6.4)
где s—поверхность искровои зоны;
ф — потенциал электрического поля на поверхности заземлителя.
Для определения потенциала ф принимаем потенциал на бесконечности равным нулю. Из приведенного выше механизма формирования искровой зоны следует, что ее поверхность совпадает с эквиградиентной поверхностью, соответствующей величине напряженности электрического поля Е
Произведем замещение эквиградиентной поверхности на некоторую подходящую эквипотенциальную. Тогда при рассмотрении стержневого заземлителя (замещаемого полуэллиптическим) решение уравнения (6.2) вблизи поверхности земли принимает следующий вид:
ф(г) = <р0
где ф0— по тенциал электрического поля в точке поверхности земли, удаленной на расстояние г от оси электрода, /—длина заземлителя.
Приближенную границу искровой зоны по поверхности грунта определим из уравнения, полученного приравниванием производной функции <р(г) величине Екр:
2фо^о
кр’
Если теперь в качестве г взять радиус заземлителя г0 и учесть, что '< 1, то получим
А ~ 2 In
(6.7)
Потенциал (р0 связан с протекающим через заземлитель током /соотношением
Фо =v?ln
2л/
>0)	х 7
где г—удельное сопротивление грунта.
Решив уравнение (6.6) относительно г с учетом (6.7) и (6.8), получаем выражение для радиуса искровой зоны (вдоль поверхности земли)
кр
Учитывая (6.6) и (6.7), получаем окончательно из формулы (6.2) потенциал электрического поля в грунте \|/(г) с учетом искровой зоны
V Q,	если г < г3;
у(г) = <!
если г > г (6.10)
О
204
О -
потенциал в пре-
делах искровои зоны.
Распределение потенциала вдоль жил кабеля фж предполагается линейным
<РЖ О') = аг + р, Для определения констант аир используем условия
'<рж (0) = и о;
„Фж (L) = y(L),
(6.11)
(6.12)
где/.—длина кабеля.
Таким образом, имеем
a-(\|/(L)-tZ0)/L.
(6.13)
Тогда для определения напряжения на изоляции кабеля (между жилой и грунтом) вычтем (6.10) из (6.11); получим
J А V. vJ
1/ж-з W = ((v(O - С/0 )/A + и0 - W).	(6.14)
Результаты расчетов по формуле (6.14) приведены на рис. 6.11. Анализ полученных результатов показывает, что при наличии искровой зоны вокруг вертикального стержневого заземлителя зависимость максимума напряжения U от тока молнии не только нелинейна, но в определенных условиях (в частности, при повышении удельного сопротивления грунта и повышении тока молнии) имеет экстремум. Примером тому служит семейство графиков, приведенных на рис. 6.11.
Представленная модель указывает на возможность управления величиной максимального перенапряжения на изоляции кабеля посредством изменения длины заземлителя. Анализ результатов вычислений показал, что при тех значениях параметров модели, при которых напряжение на оболочке достиг аст опасной величины (порядка 170 кВ), возможность уменьшения уровня напряжения на оболочке посредством увеличения длины заземлителя оказывается достаточно эффективной для грунтов р0 < 200 Омм.
Результаты имитационного моделирования показали, что чем выше удельное сопротивление грунта, тем больше экстремальная величина
205
г, м
Рис. 6.11. Расчетные значения напряжения между жилой и землей U при следующих параметрах модели: Е =110 кВ/м; L - 50 м; I - 2 м; I - 20 кА
перенапряжения. Данный вывод согласуется с результатами наблюдений повреждений изоляции, находящихся в эксплуатации кабелей. Так, на участках, имеющих скальные грунты, грозовые поражения происходят чаще, чем на участках с болотистыми грунтами. Эффект естественного ограничения напряжений объясняется нелинейным снижением сопротивления заземлителя при расширении искровой зоны вокруг вертикального электрода.
Следует отметить весьма важное обстоятельство, связанное с размером искровой зоны вокруг заземлителя. Как показали расчеты, размер искровой зоны вдоль поверхности грунта зачастую составляет несколько метров, т.е. сопоставим сданной заземлителя. Это означает, что образование искровой зоны приводит к снижению сопротивления заземления, причем это уменьшение тем слабее зависит от длины заземлителя, чем больше размер искровой зоны. В то же время размер искровой зоны тем больше, чем выше удельное сопротивление грунта. Теперь становится понятно, почему изменение длины заземлителя не может достаточно эффективно влиять на уровень напряжения на изоляции кабелей, проложенных в высокоомных грунтах.
6-5. Феррорезонанс и защита от него
Исследования показали, что источником токовых перегрузок в некоторых ЛТС-цепях питающих устройств СЦБ служат несанкционированные нелинейные процессы, которые проявляются в определенных
206
условиях. Особенностью, ALC-цепей в системах железнодорожной автоматики является наличие в них катушек индуктивности (в частности, трансформаторов), имеющих резко нелинейные вебер-амперные характеристики. Экспериментально установлено, что при возникновении несанкционированного нелинейного процесса в ALC-цепи действующие значения тока процесса превышают действующие значения рабочего тока в цепи в 7—10 раз. Электромагнитные процессы в таких ЖС-цепях относят к классу феррорезонаисных (ФР).
Выявлено, что сильное отклонение токов ФР от синусоидальной формы приводит к появлению высших гармонических составляющих, которые могут оказывать опасное и мешающее влияние на функционирование, например, систем СЦБ с тональными рельсовыми цепями (ТРЦ). Также установлено, что подмагничивание сердечника катушки индуктивности при асимметрии тяговых токов в рельсах приводит к изменению условий возникновения ФР.
Для математического моделирования ферромагнитных процессов применяется схема замещения в виде последовательного ЛЛС-контура (рис. 6.12) с катушкой индуктивности, имеющей резко нелинейную характеристику намагничивания (рис. 6.13).
При построении математической модели приняты следующие допущения:
-	потери в сердечнике катушки индуктивности на гистерезис и вихревые токи пренебрежимо малы;
-	активное сопротивление и емкость не зависят от процессов в цепи и не меняются во времени;
-	затухание контура мало;
-	вебер-амперная характеристика катушки аппроксимируется кусочнолинейной функцией \|/(/) с резким изломом (см. рис. 6.13).
Процессы, происходящие в последовательном 7?£С-контуре (см. рис. 6.12) описываются следующим дифференциальным уравнением:
d v(r) dt
—ток в цепи;
у(/)—потокосцепление;
qo — начальный заряд емкости;
u(t)—внешнее напряжение контура.
f i(t’)dt' + -^ + i(t)R = и(?),	(6.15)
С о
207
Рис. 6.12. Исследуемая схема
V A L
Рис. 6.13. Аппроксимация функции \|/(0
Дифференцируя обе части уравнения (6.15) по времени, получаем:
di(t) i(f) __ du(t)
dt2 dt C dt	(6.16)
Потокосцепление \|/ зависит от тока, проходящего через индуктивное сопротивление. Эта зависимость рассматривается как кусочно-линейная и описывается следующим выражением:
(6.17)
4(0“Vo при/<-г0.
График зависимости (6.17) приведен на рис. 6.13 и отражает резкое изменение магнитной проницаемости сердечника индуктивности при изменении тока в обмотке, что является характерной особенностью поведения ферромагнитных материалов. В случае приведенной зависимости уравнения (6.15) и (6.16) справедливы при всех значениях тока, за исключением точек +z’q и -z'q. Возникшая неопределенность устраняется следующим образом. Обозначим через момент времени, в который ток переходит через точку излома t®. При переходе через эту точку ток меняется непрерывно, т.е. i и уравнение 6.15, получаем:
d у
о
0. Используя это условие
о
_ d\\f dt
di
(6.18)
/п+0
4 О
4+0
Аналогичные соотношения можно получить и для точки излома -м. Они справедливы как для возрастания, так и для убывания тока.
208
Допустим, что на вход контура подается гармоническое воздействие:
u(t) = £/msin(cy + (р),	(6.19)
где U—амплитуда входного напряжения, со - циклическая частота входного напряжения со=2л/, (р—начальная фаза.
При i
ii} и i > z0 уравнение (6.16) принимает следующий вид:
d i(f) di(t^ + й/) _ COs(cof + (р), /< = 1, 2.	(6.20)
k dt2 dt С
Введем безразмерные переменные х = со£ и у - —, после чес о запишем уравнение (6.20) в виде:	z°
у" +2Х0'/ + а//\у = Л*со8(х + ф), к = 1, 2,	(6.21)
безразмерные коэффициенты).
т
Если j i I < z0 (в этом случае у < 1), то процесс в цепи описывается
линейным дифференциальным уравнением второго порядка:
у” + 2ХаУ + а/ у = Aicos(x + <р).	(6.22)
Решение уравнения (6.22), соответствующее установившемуся режиму, имеет следующий вид:
у (t) =	~	sin(x н- (р + 0!),	(6.23)
J(«,2 - О2 + «7
Это решение справедливо, пока выполнено условие:
А1
(6.24)
Теперь предположим, что ток переходит точку ±z0 (модуль тока i > ±z0, у > 1, к = 2), при этом сердечник становится насыщенным, и условие (6.24) не выполняется.
14 Вл. Сапожников
209
Примем, что переход тока через z0 происходит в момент времени = О
(х0 = 0). Рассмотрим пару (^ <р), где £, = —	— производная норми-
ах „ „
л0 и
рованного тока непосредственно до перехода. Назовем эту пару
«состоянием». При х > 0 и Дх) > 1 цепь описывается линейным дифференциальным уравнением второго порядка. Добавив начальные условия, получаем следующую задачу Коши:
У\ + 2X2yJ + «22л = A2cos(x + ср)
(0) = 1,
(6.25)
Й(0) = £а,
где N =
Решение задачи Коши (6.25) имеет следующий вид:
(х) = е (A sin(p2x) + В cos([32x)) + A2sin(x + ф + 62),	(6.26)
ОС 9	1	/ о Т ~~
где 02 = arctg--—, р2 =V«22 -Х22 , Л2 =	2
2Л2	^(а-У -1) + 4Л2
В = 1 - A2sin(<p + 02), А =-2-(i;7V - A2cos((p + 02 ) + Х25).
₽2
Это решение справедливо, пока уДх) > 1. Пусть Х| — минимальный отличный от нуля корень уравнения у ](х) = 1. Когдау^х) переходит через dy
значение 1 (момент Xj), производная —уменьшается скачком в Араз (см. (6.25)). Дальнейшее поведение системы описывается дифференциальным уравнением:
у2 + 2X^2 + «]2у2 = A,cos(x + ср) ^2(^1) =1
(6.27)
210
Здесь y'i (xj) —значение производной непосредственно до перехода через 1. Запишем выражение для этой производной
Х(х) = е^х((-^2Л - M)sin(P2x) +
+ (-Л2В + р2 A)cos(₽2*)) + A2cos(x + (р + 62).
(6.28)
Решение уравнения (6.27) имеет вид
у2(х) = е ^(CsnXPj(%-%!)) +
(6.29)
+ Z)cos(P1 (х - xt)) + A1sin(x + (р + 0j),
Это решение справедливо, пока у2(х) 1 ♦ Пусть х2—минимальный превосходящий %! корень уравнения у2(х) = -1. Далее принципиальное значение имеет производная функции (6.29):
у'2(х) = е Х,х ((-XjC - ₽!Z>)sin(P1 (х - Х])) +
(6.30)
+ (-XjD + p1C)cos(p1 (х - Xj)) 4- A2cos(x + ср + 02 ).
Последующие построения основаны на симметрии характеристики \р(г). Определим отображение Ф: (£>, (р)—»(т|, ф), (^ > 0,0 < ср < 2п) следующим выражением:
П = у'(х2),
(6.31)
Здесь Г| — производная функции (6.29) непосредственно до перехода через -1; ф — изменение фазы входного напряжения при изменении тока от z0 до -z0 относительно полупериода.
Введем вспомогательные отображения %]:(г|, ф)
где [а]
целая часть числа а.
хуС'П.Ф)
211
Построим находящееся в основе данного подхода отображение
Ф: (£, ф)	(£', ф'):
Фо = %2 °Ф°Х1 °Ф-
(6.32)
Здесь символом ° обозначена композиция функций.
Это отображение описывает изменение состояния системы за один период, при этом под периодом понимается время между двумя последовательными переходами тока через значение z‘o. Установившемуся процессу в рассматриваемой цепи соответствует неподвижная точка отображения (6.19), т. е. состояние (5,0, <р0), переходящее в себя при этом отображении:
Фо^О’Ро) “ (^0>Фо)‘
(6.33)
Проверка существования устойчивых неподвижных точек этого отображения позволяет ответить на вопрос о возможности возникновения в нелинейном ALC-контуре процесса, отличающегося от имеющегося при выполнении условия (6.24) гармонического колебания. Нужно иметь в виду, что уравнение j2(x) = -1 может не иметь решения, а это означает, что отображение (6.32) не определено для данных £ и (р. В этом случае вопрос о существовании нелинейного состояния остается открытым. Для ответа на него используется следующая вычислительная процедура. Отображение (6.32), будучи достаточно сложным, легко моделируется в вычислительном эксперименте. Основным моментом в построении этого отображения является определение корней уравнений j’j(x) = 1 и j2(x) ~ “1 • Исходя из точности приближения функций ^(х) и у2(х) к значениям ±1 соответственно вычисляется шаг по переменной х, после чего производится вычисление значений этих функций. Изменяя параметр точности, можно произвести грубую оценку погрешности метода приближенного вычисления корней.
С целью проверки адекватности построенной математической модели проведено сравнение результатов, получаемых с помощью математической модели, с данными измерений в схеме на рис. 6.12. В качестве критериев верификации приняты следующие величины: напряжение возникновения феррорезонанса 17®; напряжение исчезновения феррорс-зонанса £7”; ток возникновения феррорезонанса 7®; ток исчезновения феррорезонанса I".
212
Кроме того, в качестве критерия верификации i ici пользовались формы тока и напряжений на элементах цепи, полученные в результате вычислений и измерений.
Верификационные эксперименты показывают хорошую сходимость с результатами расчетов как по виду характеристик (рис. 6.14 и рис. 6.15), так и по абсолютным значениям.
Чтобы защитить нелинейные ALC-цепи от вредных последствий феррорезонансных процессов, можно рекомендовать несколько путей, вытекающих из разработанных выше математических моделей.
Один из методов борьбы с ФР-процессами — подбор параметров цепи (емкости, индуктивности и активного сопротивления) таким образом, чтобы возможность возникновения этого явления исключалась. Однако реализация этого варианта приемлема в основном для вновь разрабатываемых устройств.
Другой метод—включение параллельно конденсатору нелинейного элемента, который бы ограничивал напряжение на уровне выше рабочего и ниже напряжения возникновения феррорезонанса, учитывая, что для поддержания процесса феррорезонанса используется энергия конденсатора /?£С-цепи.
Рис. 6.14. Осциллограммы входного напряжения напряжения на конденсаторе u^t), напряжения на щансфор-маторе uL(t) и тока /(/) при феррорезонансе на интервале двух периодов
Рис. 6.15. Расчетные формы и фазовые соотношения для входного напряжения и х(0, напряжения на конденсаторе мс(/), напряжения на трансформаторе и L(t) и тока z(0 при феррорезонансе
213
В эксплуатируемых системах СЦБ наиболее целесообразен способ защиты от появления феррорезонанса, основанный на ограничении уровня напряжения на конденсаторе, которое в основном и определяет устойчивость феррорезонансного процесса.
Для развития феррорезонансного процесса в цепи необходимо появление эффекта обратной связи, который создается за счет лавинообразного увеличения тока через катушку при подходе к равенству индуктивного и емкостного сопротивлений. В этом случае напряжение на конденсаторе может в несколько раз превышать напряжение источника питания. Если же параллельно конденсатору включить устройство, которое будет ограничивал ъ напряжение на нем, то для последующих полупериодов пропадает эффект суммирования источников, когда напряжение на конденсаторе складывается с напряжением источника питания, и они вместе приводят железный сердечник катушки индуктивности (трансформатора) в глубокое насыщение.
В качестве таких ограничивающих элементов можно использовать защитные устройства порогового типа, например стабилитроны.
Поскольку для ликвидации феррорезонанса, вызванного воздействием инициирующего фактора, достаточно ограничить величину напряжения на конденсаторе хотя бы в одном полупериоде, при синтезе схемы защиты возможно встречное включение стабилитрона и диода. Практическая защитная схема с указанием типов элементов для устройства числового кодирования в автоблокировке с тональными рельсовыми цепями приведена на рис. 6.16.
Схема построена таким образом, что происходит срез только одной полуволны напряжения на конденсаторе (в другом направлении включен диод VD1), поскольку достаточно погасить процесс только на одном полупериоде, чтобы при отсутствии внешних инициирующих факторов он не возобновлялся на последующих полупериодах. Резистор 7? необходим, чт обы ограничить ток, ответвляемый в стабилитроны.
Применение такой защиты позволяет избавиться от феррорезонансных процессов в рассматриваемых цепях. При этом характеристики стабилитронов стационарны во времени, что позволяет создавать надежную и предсказуемую
Рис. 6.16. Стабилитронный блок защиты от феррорезонанса
защиту систем электропитания, находящихся в эксплуатации.
214
КОНТРОЛЬНЫЕЮПРОСЫ
1.	Какие виды электрических воздействий на устройства электропитания обуславливают необходимость защиты от них?
2.	Какими методами можно защититься от мощных импульсных помех?
3.	Какие существуют средства защиты от мощных импульсных помех?
4.	Как осуществляется защита устройств от токовых перегрузок?
5.	В чем заключена опасность образования контура заземления?
6.	Какие процессы происходят в грунте вокруг стержневого заземлителя при стекании с него тока молнии?
7.	В чем состоит опасность феррорезонансных процессов ALC-цепях питания и какие существуют методы и средства борьбы с ними?
Глава 7
ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИКИ
И ТЕЛЕМЕХАНИКИ
7.1-	Электропитание устройств автоматической и полуавтоматической блокировки
7.1.1.	Высоковольтные линии
Для питания аппаратуры автоблокировки (ДБ) вдоль железнодорожного полотна строится высоковольтная линия автоблокировки. (ВЛ СЦБ) напряжением 10 кВ, частотой 50 Гц—трехфазная ЛЭП с изолированной нейтралью. По этой линии передается электрическая энергия от питающих пунктов к каждой сигнальной установке размещенных на перегоне устройств, а на промежуточных станциях—к входным светофорам и к постам электрической централизации (ЭЦ), а при отсутствии ЭЦ—к помещениям дежурного по станции (ДСП). Для резервного питания используется высоковольтная линия продольного энергоснабжения (ВЛ ПЭ) железнодорожных потребителей напряжением 10—35 кВ.
От ВЛ СЦБ получает питание только аппаратура устройств СЦБ и связи: сигнальные установки АБ, посты ЭЦ, станционная оперативнотехнологическая связь и обслуживаемые усилительные пункты магистральной связи на промежуточных станциях, а также технологическая аппаратура устройств обнаружения перегретых букс, переездной, обвальной и тоннельной сигнализации. Присоединение к ВЛ СЦБ других потеребителей не допускается [28]. От ВЛ ПЭ получают электроэнергию железнодорожные линейные и районные потребители.
На электрифицированных железных дорогах провода ВЛ ПЭ прокладываются на опорах контактной сети, поэтому на участках с электрической тягой сооружаются одноцепные линии ВЛ СЦБ (рис. 7.1). На участках с автономной тягой при отсутствии на них ВЛ ПЭ сооружаются двухцепные линии с совмещением на общих опорах ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ. Две одноцепные линии проектируются, как правило, только в районах, неблагоприятных по метеорологическим условиям [29].
При электрической тяге переменного тока широкое распространение получила трехфазная система ВЛ ПЭ напряжением 27,5 кВ, так называемая система ДПР «два провода—рельс» (рис. 7.2). Два провода этой системы подвешены на опорах контактной сети, а третьей фазой являются рельсы.
216
ВЛ ПЭ 10 кВ
217
Каждый из дополнительных проводов системы ДПР присоединяют к двум различным фазам, от которых питаются смежные секции контактной сети, расположенные по обе стороны нейтральной вставки. Рельсы в системе ДПР используют в качестве третьего провода трехфазной цепи. Отбор мощности от линий ДПР осуществляется обычно комплектными трансформаторными подстанциями (КТП). Линия ДПР нормально питается от смежных тяговых подстанций и имеет раздел питания в середине между ними [30].
Линии ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ разделяются на отдельные участки—плечи питания, каждое из которых должно обеспечиваться двухсторонним питанием от располагаемых по их концам пунктов питания. На участках железных дорог с электрической тягой высоковольтные линии присоединяется к пунктам питания, расположенным на тяговых подстанциях. Пункт питания ВЛ СЦБ представляет собой ряд камер наружной или внутренней установки (рис. 7.3). В камере масляного трансформатора КМТ смонтирован трехфазный повышающий трансформатор 0,4/10 кВ.
Первичная обмотка трансформатора ТМ через предохранители ПР, трансформаторы тока ТК и разъединитель Р подключается к шинам ШСН 0,4 кВ собственных нужд, которые предназначены для питания наиболее ответственных цепей тяговой подстанции. Вторичная обмотка ТМ через высоковольтный разъединитель РВЗ подключена к шинам 10 кВ. От шины 10 кВ через камеры силового оборудования КСО1 и КСО2 получают питание высоковольтные фидеры Ф1 и Ф2 плеч А—Б и Б—В ВЛ СЦБ. В камерах КСО смонтированы масляные выключатели МВ, предназначенные для коммутации фидеров под нагрузкой, устройства контроля напряжения, подключаемые через трансформаторы напряжения НОМ, и трансформаторы тока ТПЛ, к которым подключаются аппаратура для максимальной защиты фидеров по току и устройства защиты от замыкания высоковольтных проводов на землю. Питающие фидеры Ф1 и Ф2 подключаются к высоковольтным линиям посредством кабельных вставок КВ 1 иКВ2через линейные разъед инители РЛНД1 и РЛНД2 с диспетчерским управлением.
Пункты питания каждого плеча должны допускать параллельную работу, должны быть сфазированы, т.е. иметь одинаковое чередование фаз и их начальный угол.
На участках железных дорог с автономной тягой пункты питания ВЛ СЦБ подключают к трансформаторным подстанциям. Для этого используются шины 0,4 кВ, предназначенные для электроснабжения приемников I и II категории.
218
219
Душна плеча питания, как правило, не должна превышать 50 км. ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ основного и резервного электроснабжения автоблокировки рассчитываются при одностороннем питании плеча (от одного до другого смежного с ним пункта питания). При этом потеря напряжения в конце линии не должна превышать 5 %. Для повышения надежности электропитания устройств СЦБ, упрощения поиска поврежденных участков линии и обеспечения возможности ремонтных работ без отключения энергоснабжения потребителей I категории ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ секционируются разъединителями. Разъединители оборудуются электроприводами с дистанционным управлением от дежурного по станции, а при наличии диспетчерской централизации или систем ТУ-ТС—и от энергодиспетчера.
Кроме того, дистанционно управляемые разъединители устанавливаются на выходе кабельных вставок (см. рис. 7.3-—РЛНД1 и РЛ НД2), подключающих пункты питания к ВЛ СЦБ, а также для объединения
ТП
Шины 0,4 кВ
Шины 10 кВ
КВ1	КВ2
!Ф1	ТФ2
* V \РЛНД1 РЛНД2 \
ВЛ СЦБ, плечо А— Б 9	у ВЛ СЦБ, плечо Б
---------ffl------i---------О*С------------1---------------
РЛПДЗ
Рис. 7.3. Схема пункта питания ВЛ СЦБ
220
смежных плеч питания (РЛНДЗ). Это позволяет резервировать питающие кабели, а при неисправностях отключать пункт питания, сохраняя двухстороннее электроснабжение двух объединенных плеч питания. При этом процент падения напряжения не нормируется. При выключении электропитания с основного пункта плеча питания автоматически подключается резервный пункт другого конца плеча. В ВЛ СЦБ перерыв между отключением напряжения основного пункта питания и подключением напряжения резервного не должен превышать 1,3 с.
7.1.2.	Высоковольтные и низковольтные заземления
ч
В эксплуатационных условиях изоляция электрооборудования ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ подвергается воздействию кратковременных перенапряжений, которые по своей величине значительно превышают рабочее напряжение. Перенапряжения в зависимости от причин их возникновения делятся на внутренние, или коммутационные, и внешние, или атмосферные. Внутренние перенапряжения возникают при резких изменениях режима работы схем, при включениях и отключениях цепей с индуктивностями и емкостями. Внешние перенапряжения вызываются прямыми ударами молнии в элементы схем и их конструкции, в также грозовыми разрядами вблизи их (последние называются индуктированными перенапряжениями). При прямом ударе молнии в какой-либо из элементов ВЛ СЦБ происходит перекрытие изоляции между фазами и по опорам на землю.
Защита от перенапряжений однофазных силовых трансформаторов типа ОМ, присоединяемых к ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ для питания устройств автоблокировки, и, следовательно, всего низковольтного оборудования достигается путем установки в непосредственной близости от них вентильных разрядников, подключенным к высоковольтным, заземлениям. Падение напряжения на разрядниках при протекании влияющих токов не должны превышать допустимого значения напряжения для изоляции каждого элемента. Для защиты людей и аппаратуры от перенапряжении, а также при пробое изоляции между высоковольтными и низковольтными цепями предусматриваются отдельные низковольтные заземления [31].
Для высоковоль тного оборудования предусматривают минимально два заземлителя в заземляющем устройстве, для низковольтного—один.
221
К высоковольтному заземляющему устройству присоединяют корпуса силовых трансформаторов, металлические оболочки и броневые покровы высоковольтных кабелей, разрядники, приводы разъединителей, шкафы комплектных трансформаторных подстанций, шкафы с линейными трансформаторами ОМ и разъединителями, металлические и железобетонные опоры линий 10 кВ. К низковольтному заземляющему устройству подключают корпуса кабельных ящиков и жгут проводов, прокладываемый для заземления устройств сигнальной точки при автономной тяге. Низковольтное заземляющее устройство располагают так, чтобы его заземлители отстояли от заземлителей высоковольтного заземляющего устройства на расстоянии не менее 5 м. Конструкция заземлителей подробно рассмотрена в [31].
Сопротивление высоковольтных заземляющих устройств в зависимости от удельного сопротивления грунта не должно превышать значений, приведенных в табл. 7.1.
Таблица 7.1
Сопротивление высоковольтных заземляющих устройств
Удельное сопротивление грунта р, Ом-м	До 100	100...500	500... 1000	Более 1000
Сопротивление заземляющего устройства, Ом	10	15	20	30
Наибольшие допустимые значения сопротивлений низковольтных заземляющих устройств в зависимости от удельного сопротивления грунта на трассе и от числа разрядников, установленных в кабельных ящиках, приведены в табл.7.2.
Таблица 7.2 Сопротивление низковольтных заземляющих устройств
Характеристика грунта	Удельное сопротивление грунта р, Ом-м	Максимальное сопротивление заземляющего устройства, Ом, при числе разрядников в кабельном ящике		
		До 10	И...20	Более 20
Торф, перегной, болотистая почва, суглинок и глина влажностью 20—40 % Глина и суглинок слабовлажные, пахотная земля, каменистая глина	50 100	30 40	15 20	10 15
222
Продолжение табл. 7.2
Характеристика грунта •	Удельное сопротивление грунта р, Ом-м	Максимальное сопротивление 1 заземляющего устройства, Ом, при числе разрядников в кабельном ящике		
		До Ю	11...20	Более 20
Чернозем	200	40	20	15
Глина и суглинок сухие	300	50	30	25
Супесь и песок слабовлажные	500	70	40	30
Песок слабовлажный	1000	70	40	30
Гравий и щебень	2000	70	40	30
Каменистые почвы	4000	70	40	30
Скальные породы	1000... 10 000	70	40	30
В грунтах с высоким удельным сопротивлением устанавливают протяженные, групповые и выносные заземлители, выполняют искусственную обработку грунтов, забивают заземлители в тело земляного полотна, устанавливают дополнительные заземлители.
7.1.3.	Подключение питания к сигнальным установкам
Перегонные сигнальные установки автоблокировки получают питание от двух однофазных масляных трансформаторов типа ОМ-10/0,23 мощностью 0,63; 1,25 и 4 кВ-А, присоединенных к линиям основного питания ВЛ СЦБ и резервного питания ВЛ ПЭ (рис. 7.4).
Трансформаторы ОМ допускают перегрузки сверх номинальной мощности: 30 % в течение 1 ч, 60 %—45 мин, 100 % —10 мин, 200 %— 1,5 мин [7.1]. Размещение линейных трансформаторов основного и резервно! о питания на одной опоре не допускается. Питание в релейные шкафы от трансформаторов основного ОПХ-ООХ и резервного РПХ-РОХ питания подается по кабелям, которые должны быть проложены в раздельных траншеях. Для резервного питания сигнальных установок допускается использовать трансформаторы, питающие электроэнергией линейных потребителей, кроме трансформаторов для путевого инструмента. Если нейтраль используемых трансформаторов заземлена, для устройств автоблокировки необходимо устанавливать изолирующий трансформатор.
223
Выводы а-х первичных обмоток трансформаторов ОМ подключаются к высоковольтным проводам напряжением 10 кВ через предохранители ПКН (см. рис. 7.4).	'	'
Для защиты от перенапряжений на опоре с трансформатором устанавливаются вентильные разрядники РВ5, присоединяемые к тем же проводам высоковольтной линии, что и трансформатор ОМ. Таким образом, входные зажимы предохранителей ПКН через вентильные разрядники РВ5 соединяются с высоковольтным заземлением ВВЗ.
Заземляемые выводы разрядников соединяются с корпусом трансформатора и с заземлителем ВВЗ, расположенным у опоры. Вывод х вторичной (низковольтной) обмотки трансформатора к его корпусу через пробивной предохранитель ПП2, напряжение пробоя которого должно быть не более 1,0... 1,2 кВ. Броня и металлическая оболочка кабеля, соединяющего корпуса кабельного ящика и релейного шкафа, присоединяются к отдельному заземлителю, который по условиям обеспечения безопасности обслуживания этих цепей не должен соединяться с высоковольтным заземлителем.
Пробивной предохранитель ПП2 дублирует (см. рис. 7.4) низковольтные разрядники РВНШ-250, установленные в РШ между каждым из питающих проводов ПХ и ОХ и землей. Он повышает безопасность персонала, обслуживающего цепи РШ, в случае пробоя изоляции между обмотками ОМ. Кроме того, ПП2 предотвращает пробой на корпус обмоток ОМ и между обмотками после срабатывания высоковольтных вентильных разрядников РВ5 при ударах молнии и протекании через высоковольтный заземлитель больших токов.
Включение пробивного предохранителя ПП2 должно точно соответствовать схеме. Один из электродов ПП2 присоединяется к корпусу трансформатора, а другой—к тому из выводов вторичной обмотки jq, х2 или х3, к которому присоединен провод ОПХ (РПХ), идущий в кабельный ящик. Автоматический выключатель АВМ или плавкий предохранитель (устанавливаемые в кабельном ящике) должны подключаться в цепь провода ООХ (РОХ), подсоединенный к выводам а2 или а2 вторичной обмотки трансформатора ОМ. Соблюдение этих правил обеспечивает защиту трансформатора ОМ от повреждения при замыкании одного из проводов ООХ или ОПХ на землю, проходящих от трансформатора к релейному шкафу.
224
РДУ
рду
ВЛ СЦБ
Заземление ВВЗ
ПП2
ХЖрпх
20 ООХ
Релейный шкаф сигнальной установки АБ РВНПК250---------
РВ5
ПКН
РВ5
РДУ
Разъединители РДУ высоковольтных линий устанавливаются по проекту П КН	энерго снабжения
Трансформатор | ОМ 10/0,23 I Кабельный I __ящик__ 1 ! АВМ
Заземление
АВМ
ПП2
Кабельный ящик
Заземление
НВЗ
ПКН
IPBHIII-250
ВОЦ 20 рпх
^РОХ
= Заземление
к средней
II1IIIIIII
IIIIIIIIII
!
I
х___'Трансформатор Подключение:
ОМ 10/0,23 при электротяге точке дроссель-трансформатора;
при автономной тяге — к низковольтному заземлению
рду
ВЛ ПЭ
I
Рис. 7.4. Подключение питания к сигнальным установкам автоблокировки

15 Вл. Сапожников
1
7.1.4.	Питание аппаратуры сигнальных установок
На рис. 7.5 приведена схема электропитания сигнальной установки автоблокировки с тональными рельсовыми цепями без изолирующих стыков. Электропитание обеспечивается переменным током от высоковольтных линий В Л-СЦБ и ВЛ-ПЭ.
Для защиты приборов сигнальной установки от атмосферных перенапряжений между питающими проводами ОПХ и ООХ, РПХ и РОХ включены разрядники типа РКН/600 и выравниватели типа ВОЦШ/220. Предохранители 20 А предназначены для отключения напряжения при техническом обслуживании.
В основной ОПХ-ООХ и резервный РПХ-РОХ фидеры электропитания включены аварийные реле А и А1 типа АСШ2/220. Через усиленные контакты реле А напряжение подается в питающие провода ПХ и ОХ, дополнительно защищенные выравнивателями ВОЦШ/220. Контакты реле АиА1 используются для контроля наличия напряжения в фидерах питания в устройствах диспетчерского контроля.
Для электропитания путевых генераторов тональных рельсовых цепей напряжением 35 В используется понижающий трансформатор Т1 типа СОБС-2А—полюса питания С35—МС35. Для питания путевых приемников предназначен трансформатор Т2 (СОБС-2А)—полюса питания С17—-МС17. Огэтогоже^фансформатораполучаюгпитаниерелейныесхемы автоблокировки, номинальное напряжение которых составляет 24 В. Для этой цели используется блок питания БП1 (БВ), подключенный к трансформатору Т2. На выходе БП1 (полюса питания П-М) напряжение составляет 27,8 В. Блок питания типа БВ представляет собой выпрямительный мост, размещенный в корпусе реле РЭЛ [7.5].
Для питания светофорных ламп напряжением 12 В (полюса С-МС) устанавливается трансформатор ТЗ типа СОБС-2. Полюса питанияС31-МС используются для питания огневых реле, контролирующих целостность нитей ламп в холодном состоянии. От этого же трансформатора снимается напряжение 4 В (полюса СЛ-МСЛ), предназначенное для питания линейных цепей автоблокировки через повышающий трансформатор Т4 (СТ-5) и блок питания БП2. На выходе БП2 напряжение постоянного тока составляет 48 В (полюса ЛП-ЛМ). Регулировка выходного напряжения блока БП2 достигается изменением коэффициента трансформации Т4. Полюса ЛПХ-ЛОХ используются на предвходных сигнальных установках для питания трансмиттерных реле на станции, примыкающей к перегону.
226
Рис. 7.5. Схема электропитания сигнальной установки автоблокировки с тональными рельсовыми цепями
Электропитание генераторов кодов автоматической локомотивной сигнализации (на рис. 7.5 не показано) выполняется от отдельного изолирующего трансформатора типа ПОБС-3 А.
7.1,5.	Питание линейных цепей автоблокировки и полуавтоматической блокировки
Питание линейных цепей автоблокировки и полуавтоматической блокировки должно выполняться от отдельных источников питания, не имеющих гальванической связи со станционными батареями электри
227
ческой централизации. Это необходимо для исключения ложного срабатывания отдельных схем ЭЦ при понижении сопротивления изоляции относительно земли проводов кабельных или воздушных линий [34].
При наличии на станции, оборудованной ЭЦ, источников переменного тока гарантированного электроснабжения (цепи ПХР—ОХР) для питания линейных цепей АБ и ПАБ могут быть использованы блоки питания типа БПШ. В противном случае для питания ответственных цепей АБ и ПАБ следует использовать автономные полупроводниковые преобразователи типа ППШ-3.
Блок питания БПШ (рис. 7.6) предназначен для питания постоянным током линейных цепей различного назначения, например для питания линейных цепей в кодовой автоблокировке [33].
ПХ220
ЛМ
0X220
72
Рис. 7.6. Схема питания лилейных цепей кодовой автоблокировки
VD1-VD4
ЛП
В линейную цепь АБ
БПШ
Блок БПШ представляет собой выпрямительное устройство, получающее питание от сети переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 110 или 220 В. На выходе блока выпрямленное напряжение составляет 16 В ±5 %, 20 В ±5 % при токе нагрузке 100 мА и 60 В ±5 % при токе
228
нагрузки 50 мА. Детали блока смонтированы в корпусе малогабаритного штепсельного реле. Необходимое выпрямленное напряжение получают путем установки перемычек на контактных выводах штепсельной розетки (табл. 7.3).
Таблица 7.3
Характеристики блока питания типа БПШ
Номинальное напряжение на входе блока, В	Перемычки между контактными выводами розетки	Постоянное напряжение на выходе блока, В	Выпрямленный ток нагрузки, мА	Напряжение переменной составляющей на выходе, не более, В
110 220 ПО 220 ПО 220	11-13, 31-33; 32-73, 12-53 11-33, 32-73; 12-53 11-13, 31-33; 51-73, 12-53 11-33, 51-73; 12-53 11-13, 31-33; 71-73, 12-53 11-33,71-73; 12-53	16 В ±5 % 20 В ±5 % 60 В ±5 %	100 100 50	8,0 8,0 7,0
Полупроводниковый преобразователь 1111Ш-3 применяется для питания цепей смены направления автоблокировки и линейных цепей ПАБ. Преобразователь изготавливается в габаритах реле НШ и устанавливается на штепсельной розетке статива релейного помещения [32].
Преобразователь может получать питание напряжением 12 В от источника переменного тока, а при его выключении—от аккумуляторной батареи через контакты аварийного реле. Кроме того, возможны режимы питания ППШ-3 только от источника постоянного или переменного тока напряжением 12 В.
Установкой перемычек на штепсельной розетке между соответствующими контактами (табл. 7.4) па выходе преобразователя может быть получено напряжение постоянного тока (22± 1) В; (55±2) В; (77±3) В при токе нагрузки 77 мА.
Принципиальная схема блока ППШ-3 представлена на рис. 7.7. В этой схеме преобразователь напряжения выполнен на трансформаторах TV 1, TV2 и транзисторах VT1 и VT2, включенных но схеме с общим эмиттером.
229
Трансформатор имеет магнитопровод, изготовленный из холоднокатаной стали, т.е. из материала с прямоугольной петлей гистерезиса. Для подключения преобразователя на переменное напряжение 12В используются входные клеммы 12-13, а д ля подключения на постоянное напряжение 12В— клеммы 1 -4. Рассмотрим динамику работы преобразователя напряжения.
Таблица 7.4
Характеристики преобразователя типа ППШ-3
Режим питания преобразователя
Положение перемычек при напряжении на выходе преобразователя (ток нагрузки 77 мА)
Нормально от источника переменного тока 12 В, а при его выключении — от источника постоянного тока 12 В (с реле А)
От источника постоянного тока 12 В
От источника переменного тока 12 В
(77±3) В 11-12 А, 82-11 А, 81-13 А, 22-72-83 22-83, 81-82 72-83, 11-82
(55±2) В 11-12 А, 82-11 А, 81-13 А, 21-71-83 21-83, 81-82 71-83, 11-82
(22±1)В 71-12 А, 82-11 А, 21-13 А, 22-72-83 22-83, 21-82 72-83, 71-82
В нормальном режиме через фронтовой контакт 31 -32 реле А на клеммы 12-13 преобразователя подается переменный ток напряжением 12 В (СХ12-МСХ12), который трансформируется до требуемого напряжения и затем выпрямляется диодным мостом, собранном на диодах VD 1—VD4. К выводам 2-3 преобразователя подключается нагрузка—линейная цепь полуавтоматической блокировки (ЛПБ-ЛМБ).
При выключении переменного тока аварийное реле А переключает выпрямитель с трансформатора TV2 на трансформатор TV 1 и включает автогенератор, собранный на транзисторах VT1 и VT2 типа П216Б. Автогенератор подает на первичную обмотку импульсы переменного тока. Со вторичной обмотки снимается переменный ток требующегося напряжения и подается на выпрямительный мостик. Нормальная нагрузка на преобразователь составляет 77 мА, кратковременная (до 3 мин) может достигать 300 мА.
При замыкании тыловых контактов реле А возникают базовые токи транзисторов VT1 и VT2, протекающие через выводы 4-5,5-6 обмотки II
230
ПБ12	СХ12
Рис. 7.7. Схема включения преобразователя напряжения ППШ-3 для питания линейной цепи полуавтоматической блокировки
231
трансформатора TV 1 и резистор R2. В результате возникают коллекторные токи 7К| и /к2 транзисторов VT2 и VT3, протекающие по обмоткам 1 -2 и 3-2 в противоположных направлениях.
Эти токи из-за неизбежной асимметрии параметров транзисторов и обмоток трансформатора не будут равны между собой. Допустим, что 41 >42*Т°гда1^Уль™РУющаямаг^	^12^К1 ~ ^32^к2
создает в сердечнике трансформатора магнитный поток Ф такого направления, что ЭДС, наведенная в базовых обмотках 4-5 и 5-6, еще больше будет увеличивать ток 7К । транзистора VT 1 и уменьшать ток /к2 транзистора VT2. Изменения токов закончатся, когда транзистор VT1 полностью откроется, а транзистор VT2 закроется. Процесс изменения коллекторных токов и, следовательно, откры тия и закрытия транзисторов, происходит лавинообразно, в результате чего в выходном напряжении формируется крутой передний фронт.
Возросший скачок тока /к1 приводит к изменению магнитной индукции' сердечника до величины, при которой происходит насыщение сердечника. Если в процессе нарастания тока 1к[ магнитный поток Ф в сердечнике нарастал по линейному закону, то при насыщении сердечника скорость нарастания потока уменьшается. Изменение магнитного потока в сторону уменьшения изменит направления ЭДС, наводимых в обмотках 4-5 и 5-6. За счет положительной обратной связи это приводит к запиранию транзистора VT1 и отпиранию транзистора VT2. Лавинообразный процесс открытия VT2 и закрытия VT 1 приводит к формированию крутого заднего фронта выходного импульса.
Таким образом, транзисторы VT1 и VT2 работают в ключевом режиме, поочередно подключая к обмоткам 1-2 и 3-2 трансформатора постоянное напряжение 12 В. Изменяющейся магнитный поток в сердечнике трансформатора индуцирует в обмотке III переменную ЭДС, форма которой приближается к прямоугольной. Напряжение требуемой величины через выводы 21-83 и 81-82 поступает на выпрямительный мост VD 1-—VD4 и затем в нагрузку.
Преобразователь защищается от перегрузок и коротких замыканий в линии следующим образом. На стороне питающего напряжения устанавливаются плавкие предохранители: в цепях переменного тока на 1А и постоянного тока на 2 А. На выходе преобразователя для защиты прибора от короткого замыкания во внешних схемах включается электрическая лампа 220 В, 60 Вт. При расчетах питания линейных цепей
232
преобразователь следует рассматривать как источник напряжения с большим внутренним сопротивлением. При напряжении на выходе преобразователя, равном 22 В, это сопротивление составляет 30 Ом, при напряжении 55 В — 70 Ом, а при 77 В —150 Ом. Сопротивление нити лампы накаливания в холодном состоянии составляет примерно 150 Ом.
7.2.	Электропитание устройств диспетчерской централизации
7.2,1.	Электропитание центральных постов диспетчерской централизации
Центральные посты диспетчерской цешрализации (ДЦ) по надежности электроснабжения относятся к потребителям особой группы I категории. В соответствии с нормами [28] электроснабжение центральных постов должно проектироваться от двух независимых источников питания по двум раздельным линиям с резервированием от аккумуляторной батареи. Источник электроснабжения пригоден для питания устройств ДЦ, если к нему присоединены потребители I и II категории. Допускается как исключение питание от одного источника по двум линиям, подключаемым к различным точкам сети. При этом должен устанавливаться автоматизированный дизель-генераторный агрегат (ДГА) и аккумуляторная батарея. Емкость аккумуляторов рассчитывается на резервное питание устройств поста ДЦ в течение 6 ч.
Электропитающая установка (рис. 7.8) центрального поста ДЦ систем ЧДЦ, «Нева», «Луч» [36] состоит из вводной панели ПВ-60 и панели выпрямителей ПДЦ. Вводная панель предназначена для включения двух фидеров переменного тока и одного фидера от резервной электростанции. Коммутационная мощность панели составляет 60 кВ-А, что обеспечивает питание устройств поста ДЦ, обслуживающего до шести диспетчерских кругов. При большем числе кругов устанавливают вторую панель ПВ-60. Помимо устройств ДЦ от вводной панели получают питание устройства связи, освещения и вентиляции. На каждый диспетчерский круг, имеющий не более трех каналов ТС, устанавливают одну панель ПДЦ. Для систем ДЦ с четырьмя каналами ТС необходимо устанавливать две такие панели. На каждый диспетчерский круг в аккумуляторном помещении АКП устанавливают также группу аккумуляторов, состоящую из двух секций по шесть аккумуляторов (на рис 7.8 — 6 акк.) каждая.
233
1Ф 2Ф ЗФ О
PQf 1Ф
Рис. 7.8. Схема электропитающих устройств центрального поста ДЦ «Луч»
На посту ДЦ питание релейно-контактной аппаратуры осуществляется от аккумуляторной батареи (полюса ПБ-МБ), работающей в режиме непрерывного подзаряда, а питание полупроводниковой аппаратуры—от стабилизированных выпрямителей (U2, Ul, М) с переходом на аккумуляторный резерв при отсутствии переменного тока. Чтобы исключить влияние релейно-контактной аппаратуры на цепи питания полупроводниковых приборов, их резервное питание организуют по отдельным проводам ПБП, ОБП, МБП, подключенным непосредственно к зажимам аккумуляторной батареи.
На панели ПДЦ установлены два выпрямителя типа ЗБВ-12В/20А для импульсного подзаряда аккумуляторных батарей и питания релейной аппаратуры, а также два стабилизированных выпрямителя типа ВСП-12/10x2 для безбатарейного питания бесконтактных устройств. Стабилизация напряжения этих выпрямителей достигается за счет феррорезонансного стабилизатора. Каждый из выпрямителей типа ВСП-12/10x2 имеет два выхода с постоянным напряжением 12 В и максимальным током нагрузки 10 А. Эти выходы в каждом выпрямителе соединяются последовательно, а между выпрямителями—параллельно, что позволяет получить ток нагрузки до 20 А при напряжении 24 В.
234
Для питания полупроводниковой аппаратуры требуется два источника питания напряжением 12В ±10% для коллекторных цепей U1 -М и цепей смещения U2-U1. С этой целью в нормальном режиме питания используются два стабилизированных выпрямителя, а в режиме резервного питания—две секции аккумуляторной батареи. Питание для полупроводниковой аппаратуры подается от панели выпрямителей на каждый статив отдельными проводами, чтобы исключить излишние потери напряжения (не более 0,5 В).
7.2.2.	Электропитание устройств линейных пунктов ДЦ
Электропитание аппаратуры линейного статива типа ЛПЛ (рис. 7.9) выполняется от двух выпрямительных блоков ВУ1 иВУ2типаВУ-ДЦ 14/1,5. Блок ВУ1 обеспечивает питание нагрузок основных цепей (U1 и U2), а блок ВУ2 (U1 и М) Аварийные реле Р, включенные на выходе каждого блока, фронтовыми контактами включают цепи основного питания, а тыловыми контактами — цепи резервного питания аппаратуры. Для осуществления резервного питания ток от батареи напряжением 24 В поступает через защитный блок ЗБ, гасящий импульсы перенапряжений, возникающие при коммутациях других нагрузок и от внешний перенапряжений. При отключении переменного тока от ВУ1 реле Р в этом блоке подключает аккумуляторную батарею через резисторы 7?8 и R9, с помощью которых напряжение снижается до 12 В. Для питания цепей (U1 и М) предусмотрен гальванически развязанный с батареей преобразователь напряжения ПР, преобразующий постоянный ток напряжением 24 В в постоянный ток напряжением 12 В.
Принцип действия преобразователя основан на схеме инвертора с насыщающимся трансформатором (рис. 7.10). В таком инверторе двухтактный колебательный процесс возникает за счет поочередного открытия и закрытия транзисторов VT1 и VT2.
При подаче в схему постоянного напряжения 24 В через оба транзистора начинают протекать эмиттерные токи. Проходя по обмоткам 2-3 и 4-3 трансформатора TV, эта токи создают в магнитопроводе встречно направленные магнитные потоки. В результате неизбежной асимметрии схемы ток в одной из обмоток нарастает несколько быстрее, чем в другой, ,
235
Рис. 7.9. Электропитающие уст ройства линейного пункта ДЦ системы «Луч»
что создает в магнитопроводе трансформатора магнитный поток, индуцирующий ЭДС в базовых обмотках 1-2 и 5-4.
В зависимости от направления этих ЭДС открывается тот транзистор, который обеспечивает больший ток в эмиттерной обмотке, а другой закрывается. В результате переходного процесса, например, транзистор VT 1 переходит в режим насыщения, a VT2—в режим отсечки. Параметры обмоток 2-3 и 4-3 трансформатора TV рассчитаны таким образом, чтобы
236
Выход
Рис. 7.10. Схема преобразователя напряжения типа ПР
при полностью открытом транзисторе сердечник трансформатора оказывался в состоянии насыщения. В момент насыщения магнитопровода магнитный поток перестает изменяться, следовательно, ЭДС в базовых обмотках сначала уменьшается до нуля, а затем за счет уменьшения тока эмиттера транзистора VT 1 и увеличения тока эмиттера транзистора VT2 меняет полярность, что приводит к насыщению транзистора VT2 и закрытию VI" 1. Далее описанный процесс повторяется. Частота переключения транзисторов зависит от магнитных свойств трансформатора и в рассматриваемом преобразователе составляет около 1000 Гц. Индуцированное во вторичной обмотке переменное напряжение выпрямляется мостом VD1—VD4. Конденсатор С1 предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.
237
7.2.3.	Электропитание микропроцессорных систем диспетчерской централизации
Особенностью электропитания систем диспетчерской централизации, выполненных на средствах вычислительной техники, является необходимость защиты высокочувствительной аппаратуры от перерывов в электроснабжении и от воздействия электромагнитных помех. Недопустимы даже кратковременные перерывы, так как исчезновение питающего напряжения на доли одного периода может вызвать сбой в работе компьютеров, потере данных, вплоть до необратимого разрушения программныхкодов. Электромагнитные помехи, распространяющиеся по цепям электропитания, могут вызвать не только неправильную работу программного обеспечения, но и выход из строя аппаратуры ДЦ. Поэтому электропитающие установки микропроцессорных систем выполняют на основе источников бесперебойного питания (ИБП).
Источники бесперебойного питания (ИБП) выполняют две основные функции: обеспечивают требуемое качество электроэнергии на выходе и резервное электропитание устройств в случае полного отключения (или отклонения за пределы установленных норм) внешнего электроснабжения. Из всего многообразия типов ИБП для питания микропроцессорных систем ЖАТ наиболее приемлемым является ИБП, выполненный по технологии on-line (см. гл. 5). Преимуществами ИБП типа on-line являются отсутствие разрыва кривой выходного напряжения при переходе на резервный источник—аккумуляторную батарею, синусоидальная форма выходного напряжения в любом режиме работы, лучшие, по сравнению с другими ИБП, стабилизационные и помехоподавляющие характеристики. В случае нарушения работы какого-либо элемента ИБП входное напряжение посредством автоматического внутреннего байпаса напрямую коммутируется на нагрузку (режим обхода — by-pass mode).
На основе ИБП проектируются системы гарантированного электроснабжения (СГЭ) [37]. Под СГЭ понимают комплекс организационнотехнических мероприятий, позволяющий обеспечить бесперебойное и качественное электроснабжение нагрузки по децентрализованному или централизованному принципу. Децентрализованные СГЭ предполагают установку большого количества маломощных ИБП для каждого защищаемого прибора (компьютера, коммуникационного узла и т.д.). В случае централизованных СГЭ проектируется централизованное преобразование,
238
стабилизация и распределение энергии для и и га 11 и я всех i ютребителей от общего ИБП (одного или нескольких работа ющг ix параллельно) и одного или нескольких дизель-генераторов.
На рис. 7.11 приведена структурная схема цс1 и рализованной системы гарантированного электроснабжения автоматизированного центра диспетчерского управления (АДЦУ) [37]. В этой системе на вход мощного ИБП типа on-line поступаеттрехфазное напряжение220/380 В через панель переключения от сетей внешнего электроснабжения (фидеры 1 и 2) или резервного дизель-генераторного агрегата ДГА.
Генераторы ДГА комплектуются панелями управления, которые позволяют выполнить их ручное и автоматическое включение и отключение, синхронизацию нескольких генераторов между собой, аварийные остановы, например, при превышении частоты вращения двигателя, перегреве, низком уровне топлива в баках и др.
Рис. 7.11. Структурная схема электропитания микропроцессорных систем АДЦУ
239
Для проведения штатных профилактических работ в ИБП или аккумуляторной батарее предусмотрен внешний байпас.
Для надежной работы нагрузок АДЦУ посредством адаптера в СГЭ контролирует параметры электроэнергии, исправность своих звеньев и своевременно реагирует на возникшие аварийные ситуации. Основными задачами программного обеспечения адаптера являются: закрытие операционных систем без потери данных, диагностирование ИБП, контроль параметров электроснабжения, дистанционное управление ИБП, прогнозирование возможных сбоев в электроснабжении с целью принятия превентивных мер по обеспечению бесперебойной работы АДЦУ.
Дальнейшее повышение надежности электроснабжения А ДТIУ достигается резервированием ИБП. В этом случае ИБП включают параллельно, а при отказе одного из них неисправный отключается, а другой ИБП берет на себя электроснабжение всего диспетчерского центра управления. В этом случае каждый ИБП должен быть рассчитан на полную мощность нат рузок АДЦУ.
7-3. Электропитание оповестительной сигнализации и автоматических шлагбаумов на переездах
7.3.1.	Схема электропитания релейного шкафа переезда
Особое место в обеспечении безопасности движения поездов занимают устройства, предназначенные для автоматического и полуавтоматического ограждения переездов. Это объясняется тем, что переезд, представляя собой пересечение в одном уровне железнодорожного пути с автотранспортными дорогами, является потенциальным источником железнодорожных происшествий. Поэтому к системам автоматической переездной сигнализации (АПС), заградительной сигнализации (ЗС), автоматических и полуавтоматических шлагбаумов (АШ и АППГ) предъявляются высокие требования по обеспечению их надежной и безопасной работы. Отсюда следуют и высокие требования к надежности электроснабжения устройств СЦБ на переездах.
В соответствии с ВНТП [28] электроснабжение устройств СЦБ на переездах должно проектироваться от двух независимых источников
переменного тока как потребитель электроэнергии I категории. Кроме того, в качестве резервного питания светофоров АПС, ЗС, а также электродвигателей АШ и АПШ должна предусматриваться аккумуляторная батарея. Емкость аккумуляторных батарей должна обеспечивать 12-часовой резерв питания светофорных ламп и электродвигателей шлагбаумов, а мощность зарядных устройств—восстановление емкости батарей после их полного разряда не более чем за 6 часов.
Питание светофорных ламп переездной сигнализации, заградгггельных светофоров, а также электродвигателей шлагбаумов, как правило, выполняют постоянным током от выпрямителей с параллельным подключением аккумуляторных батарей.
На рис. 7.12 приведена схема электропитания релейного шкафа автоматической переездной сигнализации с автошлагбаумами. Электроснабжение I геременным током предусмотрено от высоковольтных линий ВЛ-СЦБ и ВЛ-ПЭ. Для защиты приборов сигнальной установки от атмосферных перенапряжений между питающими проводами ОПХ и ООХ, РПХ и РОХ включены разрядники типа РВНШ-250 и выравниватели типа ВОЦШ-220. Предохранители 20 А предназначены для отключения напряжения при техническом обслуживании.
В основной ОПХ-ООХ и резервный РПХ-РОХ фидеры электропитания включены аварийные реле А и А1 типа АСШ2-220. Через усиленные контакты реле А напряжение подается в питающие провода ПХ и ОХ. Контакты реле А и А1 используются для контроля налшчия напряжения в фидерах питания в устройствах диспетчерского контроля.
В батарейном шкафу устанавливаются 14 аккумуляторов типа АБН-72 (80), разделенные на две секции по 7 аккумуляторов. К каждой секции прокладываются силовые провода ПБ-ВПБМ и ВПБ-МБ, предназначенные для заряда аккумуляторов и питания нагрузок, и контрольные провода КПБ1 -КМБ1 и КПБ2-КМБ2—для контроля напряжения секций. Заряд аккумуляторов выполняется от выпрямителей ВП1 и ВП2 типа РТА с автоматическим регулированием тока. Переменное напряжение на вход выпрямителей снимается со вторичных обмоток трансформаторов СБ 1 иСБ2типаПОБС-2А.
Суммарное напряжение секций батареи аккумуляторов ПМБ-МБ напряжением 28 В (14+14) используется для питания электродвигателей приводов шлагбаумов (рабочий ток от 8 до 20 А). Для питания огней
16 Вл. Сапожников
240
241
Рис. 7.12. Схема электропитания релейного шкафа переезда с автошлагбаумами
заградительных и переездных светофоров используются выводы от одной секции ПБ—МБ. Питание реле АПС и схем АБ организуется аналогично (см. рис. 7.5). Разделение источников питания позволяет сохранить действие АБ при повреждении цепей управления автошлагбаума. При применении автоматической переездной сигнализации без автошлагбаумов устанавливается батарея 14 В.
Трансформатор ОТ (СОБС-2А) с термодатчиком ТД и резисторы R1 и R2 предназначены для электроотопления релейного шкафа. При техническом обслуживании используется электроосвещение шкафа (выключатели Bl, В2), а также штепсельные розетки ШР1 и ШР2.
7.3.2.	Автоматический регулятор тока типа РТА
Автоматический регулятор тока типа РТА (РТА1, см. п. 7.4.2) широко применяется для заряда шести или семи аккумуляторов типа АБН-72 или АБН-80 сигнальных установок автоблокировки постоянного тока, входных светофоров электрической централизации, автоматической переездной сигнализации, устройств релейной полуавтоматической блокировки и других устройств железнодорожной автоматики [33,35,38].
Регулятор РТА может устанавливаться в напольных релейных шкафах, так как рассчитан для работы при температуре окружающей среды от -50 до + 60°С. РТА используется совместно с выпрямителями типа ВАК-13 или с трансформатором ПОБС-2А. При работе с ПОБС-2А ток нагрузки должен быть не менее 1 А.
РТА обеспечивает два режима заряда: при исправном электроснабжении устройств переменным током — режим постоянного подзаряда (ПЗ) аккумуляторной батареи, а в результате отключения электроснабжения и его последующего восстановления — режим форсированного заряда (ФЗ) аккумуляторов. В режиме ПЗ на батареях поддерживается стабильное напряжение, что увеличивает срок службы аккумуляторов. В режиме ФЗ заряд батареи выполняется максимальным током выпрямителя, что сокращает время подготовки аккумуляторов к новому циклу разряда. Переключение режимов ПЗ и ФЗ выполняется автоматически в зависимости от напряжения аккумуляторной батареи. Напряжение постоянного подзаряда и напряжения переключения форсированного заряда в зависимости от числа аккумуляторов приведены в табл. 7.5. Наибольший ток нагрузки батареи в режиме постоянного подзаряда приведен в табл. 7.6.
243
Таблица 7.5
Напряжение на аккумуляторной батарее в различных режимах работы РТА
Режим работы РТА	Напряжение, В, при числе аккумуляторов	
	6	7
Постоянный подзаряд батареи	13,2 ±0,3	15,4 ±0,35
Включение форсированного заряда	12 ±0,3	14 ±0,3
Выключение форсированного заряда	14,4 ±0,3	16,8 ±0,35
Таблица 7.6
Токи нагрузки аккумуляторной батареи
Приборы, включаемые совместно с РТА	Ток, А, при числе аккумуляторов	
	6	7
ВАК-13	1,5	1
ПОБС-2А	6	4
Принцип действия РТА основан на выпрямлении переменного тока управляемым выпрямителем УВП (рис. 7.13), который состоит из мостового выпрямителя на диодах и тиристора, включенного в цепи постоянного тока. Режимное устройство РУ включает форсированный заряд батареи при напряжении на ней ниже номинального и постоянный подзаряд после достижения напряжения выключения форсированного заряда.
В режиме форсированного заряда (ФЗ) режимное устройство РУ подает непрерывный сигнал на формирователь импульсов ФИ, являющийся усилителем постоянного тока. Тиристор полностью открыт, и выпрямитель обеспечивает заряд аккумуляторной батареи максимальным током.
В режиме постоянного подзаряда (ПЗ) сигнал на выходе РУ отсутствует, и ФИ получает импульсы с широтно-импульсного модулятора ШИМ, который включает в себя формирователь пилообразного напряжения ФИН и генератор импульсов ГИ. Регулятор работает по принципу вертикального управления. Потенциометром Rn устанавливается напряжение постоянного подзарядгг батареи при конкретных параметрах источников (число аккумуляторов, сопротивление питающих проводов и др.).
Регулятор РТА работает следующим образом (рис. 7.14). Переменное напряжение с трансформатора TV подается на выпрямительный мост’ из диодов VD6—VD9. Выпрямленное напряжение ПБ-МБ прикладывается
244
Рис. 7.13. Структурная схема автоматического регулятора тока РТА
к батарее через тиристор VS. Ток в этой цепи проходит только при открытии тиристора в каждом полупериоде выпрямленного напряжения. К концу полупериода за счет ЭДС аккумуляторной батареи ток прерывается, и тиристор запирается.
Режимное устройство РУ (триггер на транзисторах VT 1 и VT2) питается от батареи по контрольным проводам КПБ—КМБ через LC-фильтр (ДР—С5). Сигнал на вход триггера по цепи база—эмиттер VT1 и стабилитрон VD 1 подаются с резисторов R2, R3. Падение напряжения на этих резисторах зависит от напряжения на батарее, так как создается током, протекающим по цепи: КПБ, диод VD3, резисторы R1, R2, R3, КМБ.
При выключении переменного напряжения происходит разряд аккумуляторов. Если напряжение батареи становится ниже номинального, то падение напряжения на резисторах R2, R 3 будет меньше опорного напряжения стабилитрона VD1. Ток через стабилитрон не проходит, поэтому транзистор VT1 заперт. Транзистор VT2, база которого через резистор R4 соединена с коллектором VT1, также находится в закрытом положении. Усилительный транзистор VT3, являющийся эмиттерным повторителем VT2, закрыт напряжением смещения с открытого диода VD3, подаваемым через резистор R8. Управляющий транзистор VT4 закрыт из-за отсутствия напряжения на выходе выпрямительного моста. Цепь управления транзистором VT4 подключена к выпрямителю VD6— VD9 для того, чтобы РТА восстанавливал работу после прерывания переменного тока при отключенной аккумуляторной батарее.
245
Рис. 7.14. Принципиальная схема автоматического регулятора тока РТА
246
При включении сети переменного тока открывается транзистор VT4 базовым током, протекающим по цепи: плюс выпрямителя VD6—VD9, полюс ПБ, дроссель ДР, полюс КПБ, диод VD3, переход эмиттер-база VT4, диод VD4, резисторы R10 и R24, минус выпрямителя VD6—VD9. Через открытый транзистор VT4 напряжение с выпрямительного моста подается через резистор R14 и диод VD10 на управляющий электрод тиристора относительно его катода. В результате этого тиристор открыт в течение всего полупериода, и ток заряда батареи имеет максимальное значение. Через открытый транзистор VT4, кроме того, проходит ток светодиода VD5. Этот ток ограничен сопротивлением резистора R12. Включенный светодиод сигнализирует режим, форсированного заряда батареи.
По мере заряда батареи напряжение на аккумуляторах возрастает. Поэтому увеличивается ток в потенциометре, образованном резисторами R1—R3. Как только падение напряжение на резисторах R2, R3 достигает значения выключения форсированного заряда, т.е. напряжение на резисторах R2, R3 будет равно опорному напряжению стабилитрона VD1, этот стабилитрон начинает проводить базовый ток транзистора VT1.
В результате VT1 открывается. Ток коллектора VT1 является базовым током транзистора VT2, который, открываясь, через резисторы R5, R7 и диод VD2 увеличивает положительный потенциал базы транзистора VT 1, приводя к еще большему его открытию. Происходит лавинообразный процесс опрокидывания триггера.
При открытии VT2 возникает базовая цепь транзистора VT3: КПБ, диод VD3, переход эмиттер—база VT3, переход эмиттер—коллектор VT2, резистор R9, КМБ. В результате открытия транзистора VT3 цепь эмиттер-база транзистора VT4 оказывается зашунтированной, поэтому он закрывается под действием напряжения смещения, подаваемого с открытого диода VD3 через резистор R11. С управляющего электрода VS снимается непрерывно действующий сигнал, а светодиод VD5 гаснет. Схема РТА переходит в режим постоянного подзаряда, в котором используется широтно-импульсное управление тиристором VS.
В режиме постоянного подзаряда напряжение с мостового вьшрямителя VD6—VD9 через резистор Rm (0,03 Ом) и полюс ШПБ поступает на резистор R15, который является входом формирователя пилообразного напряжения (ФПН). Стабилитроны VD13 и VD14, включенные после-
247
довательно, с резистором R16 преобразуют пульсирующее напряжение ^VD6—VD9 (Рис- 7-15) в усеченную трапецеидальную форму ?7СТ с амплитудным значением, равным напряжению стабилизации С/ р Напряжение С/ст приложено к интегрирующей цепи R17—С6. Напряжение на конденсаторе С6 плавно возрастает в каждом полупериоде, пока U =	.
При мгновенном значении UCT ниже напряжения стабилизации t/CTi конденсатор С6 разряжается по цепи R15—VD12—VD15 до опорного напряжения Uct2 стабилитрона VD12. На конденсаторе С6 появляется пилообразное напряжение Un. Кри постоянной времени т = R17 C6, превышающей длительность полупериода частоты сети (10 мс) в три раза и более, Un на возрастающем участке есть линейная функция угла отсечки от до ^1Т1ал- Этот наклонный участок напряжения С/п является зоной регулирования угла отсечки тока тиристора VS.
Для управления тиристором VS используется генератор импульсов (ГИ), собранный на транзисторах VT5 и VT6. Вход ГИ есть базовая цепь транзистора VT5 (выводы 1-14 платы ШИМ). Пороговым напряжением, определяющим срабатывание схемы ГИ, является напряжение стабилизации стабилитрона VD17. На вход ГИ поступаюттри напряжения, включенных между собой последовательно: пилообразное напряжение U ( с конденсатора С6; напряжение С7Н = 7Н Rm с резистора RUJ, пропорциональное току нагрузки /н; и напряжение (/б, пропорциональное напряжению батареи (КПБ—КМБ) с левого плеча потенциометра, образованного резисторами R27, R23 и R28. Суммарное напряжение Uu + UR стремится открыть VT5, а напряжение t/6 его закрыть. Таким образом, входное напряжение, при-ложенное к эмиттеру и базе транзистора VT5, равно: Um=Un+ ип-иб.
Если сумма мгновенных значений напряжений UBX становится выше опорного напряжения стабилитрона VD 17 (точки 1 и 2 на рис. 7.15), то возникает базовый ток транзистора VT5, протекающий по замкнутой цепи: КПБ, резисторы R27, R23 вывод 1 ШИМ, резистор R18, база—эмиттер VT5, стабилитрон VD 17, вывод 14 ШИМ, конденсатор С6 полюс ШПБ, резистор R [tI полюс КПБ. Этот ток открывает транзистор VT5, поэтому открывается транзистор VT6, имеющий с VT5 коллекторно-базовую связь.
Потенциал	коллектора VT6 увеличивается, и через конденсатор
С2 проходит положительный импульс, которым кратковреме! шо запирается усилительный транзистор VT3 и открывается VT4. На управляющий
248
' VD6—VD9
СО/
Рис. 7.15. Временные диаграммы управления тиристором в режиме ПЗ
электрод тиристора VS с мостового выпрямителя подается импульс тока I по цепи: полюс ПБ моста, Ш-1, Ш-4, дроссель ДР, полюс КПБ, диод VD3, эмиттер—kojii тектор транзистора VT4, R14—С1, VD 10, управляю!ций электрод-катод тиристора VS, минус моста. В результате тиристор
249
открывается. Для увеличения мощности импульса параллельно резистору R14 включен конденсатор С1. Таким образом открытие тиристора VS происходит по фронту импульса с ГИ, а его закрытие—при уменьшении напряжения с мостового выпрямителя до нуля.
С возрастанием тока нагрузки увеличивается падение напряжения на резисторе Rm, что влечет за собой увеличение напряжения £7ВХ на величину АС/вх1 и далее на величину Д£/вх2. Поэтому импульс управления тиристором VS, вырабатываемый генератором ГИ, сдвигается влево, в точки 3 и 4, а затем в точки 5 и 6. Таким образом, увеличивается длительность открытого состояния тиристора и, следовательно, ток 7VS заряда батареи. При увеличении напряжения батареи повышается падение напряжения на резисторах R27, R23, действующее навстречу пилообразному напряжению, и срабатывание генератора ГИ происходит позже, т.е. ток заряда уменьшается.
Резистором R23 регулируется номинальное выходное напряжение РТА. Конденсатор С7 улучшает плавность регулирования тока заряда резистором R23.
Резисторы R25, R26 и диод VD20 введены в схему для повышения стабильности напряжения батареи от напряжения сети. Напряжение, выпрямленное мостовым выпрямителем VD6—VD9, через резисторы R25 и R26 и диод VD20 подается на резистор R27 и левое плечо резистора R23. За счет этого падение напряжения на резисторах R27 и R23 зависит не только от напряжения батареи, но и от напряжения сети. Стабилитрон VD19 предусмотрен для стабилизации напряжения постоянного подзаряда при изменении температуры окружающей среды.
При работе РТА с выпрямителем ВАК-13 диоды VD6—VD9 не используются, так как на вход РТА (клеммы 10-18) подается не переменный, а выпрямленный ток.
От аккумуляторной батареи Б, расположенной в батарейном шкафу БШ, в релейный шкаф подаются два силовых и два контрольных провода. По силовым проводам заряжается батарея и подключается нагрузка. Контрольные провода служат для измерения напряжения батареи. Сечение силовых проводов выбирается из условия падения напряжения в них не более 0,5 В, а сечение контрольных проводов с учетом измерения напряжения — с точностью 0,5 %.
7.4.	Устройства электропитания входных светофоров
7.4.1.	Схемы электропитания релейных шкафов входных светофоров
К наиболее ответственным схемам станционных устройств железнодорожной автоматики относятся схемы управления входными светофорами. Красные огни входных светофоров ограждают станцию со стороны перегонов, поэтому отключение их питания может привести к аварийной ситуации. При неисправности станционных устройств используется пригласительный сигнал входного светофора—лунно-белый мигающий огонь. разрешающий прием поезда на станцию со скоростью не более 20 км/ч, с особой бдительностью машиниста. Отсутствие питания пригласительных сигналов может существенно осложнить регулирование движения поездов при неисправности устройств СЦБ. Поэтому современные схемы управления входными светофорами строятся, как правило, с двукратным резервированием питания красных и лунно-белых ламп светофоров [7.12]. Лампы разрешающих огней входных светофоров получают центральное питание.
При исправных устройствах аппаратура релейного шкафа, красная и лунно-белая лампы получают питание постоянным током П-М с выхода выпрямителя БВ (рис. 7.16). Вход выпрямителя БВ через трансформатор КТР подключен к питающим проводам К-ОК. На посту ЭЦ в провода К-ОК подключается основное питание—переменное напряжение 220 В гарантированного электроснабжения ПХРШ-ОХРШ. Наличие переменного напряжения в проводах К-ОК контролируется аварийным реле СА, а постоянного напряжения на выходе Б В—	_ “	- *
отсутствии напряжения в проводах К подключая полюсами ПХ-ОХрезервное питание 1 жение ЛПХ-ЛОХ со вторичной обмотки трансформатора ОМ-10/0,23 высоковольтной линии ВЛ-СЦБ. Наличие напряжения в проводах ЛПХ-ЛОХ контролирует аварийное реле А. При отключении напряжения в ВЛ-СЦБ или при неисправном выпрямителе БВ выключается реле БА, через тыловые контакты которого в полюса П-М подается резервное питание 2— напряжение аккумуляторной батареи ПБ-МБ.
— аварийным реле БА. При -ОК реле СА выключается, переменное наиря-
250
251
Рис. 7.16. Схема электропитающих устройств релейного шкафа входных светофоров
252
Аккумуляторная батарея, состоящая из 7 аккумуля горов типа АБН-80, подключена в буфере с регулятором тока Р Г типа РТА-1. Вход РТ через трансформатор СБ1 и полюса ПХ-ОХ подключав гея к питающему напряжению ЛПХ-ЛОХ. От этого же напряжения получают питание лампы освещения Л1, Л2 с выключателями Bl, В2, штепсельная розетка ШР1 и трансформатор ОГ с термодатчиком ТД элсктрообогрева шкафа.
Контроль напряжения аккумуляторной батареи выполняет реле КНБ, включенное на выходе реле напряжения PH типа РПН. Исправное состояние питающих устройств релейного шкафа контролируется в цепи общего реле КИ, состояние которого по цепи КИ—ОКИ передается на пост электрической централизации.
7.4.2.	Схема регулятора тока типа РТА-1
Автоматический регулятор тока РТА-1 предназначен для регулирования тока заряда аккумуляторной батареи в режиме постоянного подзаряда и ее автоматического послеаварийного форсированного заряда максимальным током выпрямителя типа ВАК-1 ЗБ (2 А) или трансформатором ПОБС-2А (10 А). РТА-1 рассчитан для работа в металлических шкафах наружной установки (ШРУ-М), устанавливаемых на сигнальных точках автоблокировки, у входных светофоров и на переездах с автоматической переездной сигнализацией в диапазоне рабочих температур от -40 до +60°С [33,38].
Регуляторы РТА и РТА-1 взаимозаменяемы. По сравнению с РТА при эксплуатации регулятора РТА-1 не требуется регулировки выходного напряжения, необходимые параметры устанавливается заблаговременно в заводских или лабораторных условиях. Не требуется устанавливать наружный проволочный резистор Rur На выходе прибора может быть включено реле контроля режима форсированного зарада. Характерные напряжения переключения режимов работы РТА-1, выходное напряжение в режиме ПЗ и состояние контрольных элементов приведены в табл. 7.7.
Принцип действия РТА-1 аналогичен РТА (см. 7.3.2), однако его схема имеет существенные отличия. Схема (рис. 7.17) содержит управляемый выпрямитель УВП, устройство синхронизации УС, формирователь пилообразного напряжения ФПН, стабилизатор СТ, компаратор КП, режимное устройство РУ.
253
Напряжения переключения режимов РТА-1
Таблица 7.7
Режим работы	Светодиод красного цвета	Внешнее контрольное реле	Напряжение. В, при числе аккумуляторов	
			6	7
Включение ФЗ Выключение ФЗ и включение ПЗ Постоянный подзаряд		Горит Погашен Погашен	Включено Выключено Выключено	12,00 ±0,15 14,40 ±0,15 * 13,20 ±0,06	14,00 ±0,15 16,80 ±0,15 15,40 ±0,07
Регулятор РТА-1 (рис. 7.18) подключается к батарее четырьмя проводами, присоединенными непосредственно к аккумуляторной батарее Б. По силовым проводам П-М проходит ток заряда и ток нагрузки. Контрольные провода КП-КМ используются для работы регулирующей схемы.
Напряжение от сети переменного тока через трансформатор TV подается на управляемый выпрямитель (УВП), который состоит из мостового выпрямителя на диодах VD 1—VD4 и тиристора VS, включенного в цепь постоянного тока. Этот выпрямитель нагружен на аккумуляторную батарею Б и нагрузку Н. Тиристор VS, являющийся регулирующим элементом, открывается по цепи управляющего электрода и запирается
Рис. 7.17. Структурная схема автоматического регулятора тока РТА1
254
Рис. 7.18. Принципиальная схема автоматического регулятора тока РТА1
255
в результате снижения до нуля мгновенного значения выпрямленного тока, когда напряжение батареи становится выше вторичного напряжения трансформатора. Сдвигом фазы управляющего импульса относительно напряжения сети изменяется момент отпирания тиристора. Этим меняются угол отсечки выпрямленного тока и его среднее значение. В закрытом состоянии тиристора все выпрямленное напряжение приложено между анодом и катодом, ток утечки близок к нулю. В открытом состоянии тиристора от выпрямителя через батарею протекает ток заряда. При этом падение напряжения на тиристоре составляет доли вольта, и потери мощности незначительны.
Режимное устройство (РУ) предназначено для управления режимами заряда батареи. Форсированный заряд (ФЗ) включается при напряжении на батарее ниже номинального, а также постоянный подзаряд (ПЗ) после достиже! 1ия напряжения выключения напряжения форсированного заряда.
Режимное устройство собрано на дискретной микросхеме DD1 с элементами DD1.1—DD1.4 и аналоговой микросхеме DA2. Элементы DD1.1—DD1.4 используется как логические схемы, a DA2 — как компаратор. На входы 6 и 10 DA2 (точка А) подается стабилизированное напряжение А-КМ, которое непрерывно сравнивается с сигналом на входе 13, пропорционалы 1ым фактическОлМу напряжению батареи КП-КМ. Сигнал на вход 13 DA2 подается с потенциометра на резисторах R26, R27, R30, R33, R34, R36. Резисторы R25, R28, R29, R31, R32 через диод VD 16 включены в положительную обратную связь для формирования порога опрокидывания компаратора. Если батарея состоит из шести аккумуляторов, перемычкой 14-15-16 резисторы R25, R26, R27, R29 шунтируются. На выходе 11 DA2 в режиме ФЗ имеется сигнал 0, а в режиме ПЗ — сигнал 1.
В формирователь пилообразного напряжения (ФПН) входят следующие элементы: резисторы R8—R11, R13, R14, конденсатор С9, транзистор VT2 и аналоговая микросхема DA1. Конденсатор С9 используется для формирования пилообразного напряжения. Формирование возрастающей части пилообразного напряжения происходит в промежутке между синхроимпульсами при заряде С9 от стабилизированного напряжения А-КМ через резисторы R8—R11. Через эмиттерный повторитель VT2 это напряжение подается на вход 13 компаратора DA1. При поступлении каждого синхроимпульса конденсатор С9 разряжается на выводы 2-16
256
микросхемы DAI. На опорный вход 12 DA1 подается напряжение сигнала, снимаемого с потенциометра R20 (R22), VD15 и R21, R23 (R24), подключенного к нагрузке по цепи КП-КМ. У правляющий импульс на выходе 11 компаратора DA1 формируется в момент равенства постоянного напряжения сигнала управления, пропорционального напряжению на батарее (вход 12), и мгновенного значения напряжения пилообразной формы (вход 4), синхронизированного с пульсирующим напряжением выпрямительного моста VD 1 —VD4.
Синхронизация ФПН с сетью переменного тока производится устройством синхронизации (УС). Он состоит из следующих элементов: диодов VD7, VD8, резисторов R2—R5 и конденсаторов С4, С5, С7. На выходе УС в конце каждой полуволны питающего напряжения образуется синхронизирующий импульс.
Стабилизатор СТ выполнен на микросхеме DA1 и транзисторе VT1.
Светодиод VD5 сигнализирует включение питания прибора со стороны переменного тока.
Режим форсированного заряда, В режиме ФЗ сигнал 0 (потенциал низкого уровня) с выхода 11 DA2 (точка В) подается на микросхемы DD1.1 и DD1.2. С выхода 10 инвертора DD1.3 сигнал 0 поступает на вход 4 DA2. В результате в микросхеме DA2 выводы 2,3 отключаются от вывода 16, поэтому транзистор VT4 закрыт, а транзистор VT3 открыт. По коллекторной цепи транзистора VT3 на управляющий электрод тиристора VS поступает напряжение. Тиристор полностью открыт, выпрямительный мост VD1—VD4 обеспечиваетзаряд аккумуляторной батареи максимальным током. Индикацию включения режима ФЗ обеспечивает светодиод VD6, получающий питание через открытый транзистор VT5. В коллекторную цепь VT5 через вывод 17 может быть включено внешнее контрольное реле.
После достижения на батарее напряжения выключения режима ФЗ компаратор DА2 опрокидывается, и на его выходе 11 появляется логический сигнал 1 (потенциал высокого уровня). На выходе 11 DD1.4—сигналнизкого уровня, в результате чего светодиод VD6 выключается, а транзистор VT5 закрывается.
Режим постоянного подзаряда. В режиме ПЗ сигнал 1 на выходе 11 микросхемы DA2 (точка В) переключает элементы DD 1 в импульсный режим. Схемы DD 1.1 и DD 1.2 повторяют импульсы с выхода ШИМ (вывод 11 DAI), acxeMaDD1.3 инвертирует эти импульсы. Когда на
17 Вл. Сапожников
257
выводе 10 DD1.3 появляется сигнал 1, в микросхеме DА2 объединяются выводы 2,3 с выводом 16, к базе транзистора VT4 через резистор R38 прикладывается минусовой полюс КМ, что приводит к открытию VT4 и закрытию VT3. Если на выходе DD 1.3 сигнал 0, то транзистор VT4 закрыт, a VT3 открыт. Таким образом, импульс управления тиристором VS будет подаваться, когда с выхода 11DA1 будет поступать сигнал 1.
7,4.3.	Полупроводниковое реле напряжения РНП
Полупроводниковое реле напряжения РНП (рис. 7.19) предназначено для контроля исправности сети переменного тока с номинальным напряжением 110, 220, 380 В (на рис. 7.19 ПХ 220 и ОХ 220 показано пунктиром) и напряжения аккумуляторных батарей 24 В [35]. При использовании РНП в релейных шкафах входных светофоров для контроля напряжения батарей (ПБ и МБ) из 6 или 7 аккумуляторов резистор R5 типа МЛТ-0,5-330 Ом заменяют резистором МЛТ-0,5-1 кОм [39].
Схема реле РНП представляет собой триггер, имеющий два стабильных и независимо регулируемых порога опрокидывания: прямой — напряжение притяжения Un и обратный—напряжение отпускания UQ. Коэффициент возврата kB = UJ Un может регулироваться в широких пределах от 0,82 до 0,95.
Контролируемое напряжение (ПБ—МБ) через диод VD2 приложено к потенциометру, составленному из резисторов R8, R9, R10, средняя точка которого подключена к базе транзистора VT2. Напряжение нижнего плеча потенциометра (R9, R10) является сигналом управления работой РНП, так как подается в цепь база—эмиттер транзистора VT2 и стабилитрона VD4, напряжение стабилизации [7СТ которого составляет 8В. Если напряжение на резисторах R9, R10 больше [7ет, то через стабилитрон протекает ток, открывающий транзистор VT2.
Ток коллектора транзистора VT2, протекающий через резистор R6, является током базы транзистора VT1, поэтому он открывается. С коллектора VT1 через резисторы R2, R7 и диод VD4 проходит дополнительный ток управления транзистором VT2. Это происходит потому, что параллельно резистору R8 через переход эмиттер-коллектор транзистора VT1 подключаются резисторы R2, R7. Сопротивление верхнего плеча
258
В РПН резистор R9 (МЛТ-0,5 330) заменить резистором МЛТ-0,51 кОм
Рис. 7.19. Принципиальная схема реле напряжения типа РПН
259
потенциометра снижается. В результате возрастает напряжение на шикнем плече потенциометра и ток через стабилитрон VD4 и базу VT2. Через открытый транзистор VT1 напряжение подается на обмотку реле КНБ. Конденсатор С1 исключает срабатывание триггера при импульсном повышении напряжения питания.
С уменьшением напряжения до такого значения, при котором напряжение на нижнем плече потенциометра (R9, R10) становится меньше С/ст, ток через стабилитрон VD4 выключается и транзистор VT2 запирается. Транзистор VT1 запирается положительным напряжением, подаваемым на его базу с диода VD2 через резистор R5. Реле КНБ отпускает якорь.
Напряжение срабатывания триггера регулируется резистором RIO (L/n), причем чем выше сопротивле!ше, тем ниже пороговое значение напряжения притяжения. Напряжение отпускания может регулироваться ступенями за счет включения резисторов R2, R3, R4 и плавно—резистором R7 (t/Q). Чем больше сопротивление, тем выше пороговое значение напряжения, т. е. напряжение отпускания приближается к напряжению срабатывания. Для того чтобы при регулировании напряжения отпускания не изменилось пороговое значение напряжения срабатывания, последовательно с резисторами обратной связи (R2, R7) включен диод VD4. Он препятствует включению этих резисторов параллельно нижнему плечу потенциометра (R9, R10).
В батарейных шкафах входных светофоров для контроля напряжения предельного разряда батареи (1,8 В на один аккумулятор), состоящей из 6 аккумуляторов, устанавливают С70 = 10,8 В, а при 7 аккумуляторах— 12,6 В. Напряжение притяжения Un, характеризующее заряд аккумуляторов, устанавливают соответственно 12 и 14 В.
7.5.	Станционная аккумуляторная батарея постов электрической централизации
7.5.1.	Назначение батареи
На всех станциях, оборудованных электрической централизацией, в аккумуляторных помещениях центральных постов ЭЦ (в батарейных шкафах у постов ЭЦ) устанавливается аккумуляторная батарея с номинальным напряжением 24 В, составленная, как правило, из 12 стацио
260
нарных кислотных аккумуляторов типа С или СК (см. гл. 2). Полюса питания станционной батареи обозначаются П-М (( 11Б-СМБ).
Основное назначение этой батареи—резерв! юе питание релейных устройств ЭЦ и красных ламп входных светофоров при отключении внешних источников электроснабжения. Емкость аккумуляторов определяется специальным расчетом (п. 7.5.2).
Бесперебойное электроснабжение релейных устройств ЭЦ обеспечивает безопасное выполнение технологических алгоритмов электрической централизации (п. 7.5.3) и исключает преждевременное размыкание маршрутов при переключениях фидеров питания (п. 7.5.4) [34].
7,5.2.	Расчет емкости аккумуляторной батареи поста электрической централизации
Кислотные аккумуляторы обозначаются буквами СК, а их емкость, кратная 36 А-ч, — 36N, где N—индекс аккумуляторов, обозначаемый арабскими цифрами. Например, аккумулятор типа СК1 имеет емкость 36 А-ч, типа СК2 — емкость 72 А-ч, а типа CKN — емкость 36N А-ч. Таким образом, чтобы рассчитать емкость станционной аккумуляторной батареи, необходимо определить индекс N применяемых аккумуляторов.
Емкость аккумуляторов рассчитывается исходя из условий работы батареи в двух аварийных режимах: основном и дополнительном. Основной аварийный режим наступает при выключении основного и резервного фидеров переменного тока и продолжается до момента включения дизель-генераторного агрегата (ДГА). Максимальная расчетная длительность основного аварийного режима Z устанавливается равной двум часам. Предполагается, что если автоматический запуск ДГА не состоялся, то он должен быть запущен через два часа вручную специально вызванным электромехаником.
Если в течение двух часов ДГА не смогли запустить, то питание блочных, штепсельных стативов и статива диспетчерской централизации должно быть отключено от контрольной батареи дежурным электромехаником путем изъятия на стативах предохранителей питания «П», после чего прекращается основной режим разряда контрольной батареи. Дополнительный аварийный режим наступает в случае невозможности запуска ДГА в течение указанных двух часов. При длительности местного
261
аккумуляторного резерва красных огней входных светофоров 12 ч продолжительность дополнительного Z режима принимается 10 ч.
Если считать, что аккумуляторная батарея должна обеспечивать ток нагрузки /но в основном аварийном режиме и ток I в дополнительном режиме, то в идеальных условиях полная полезная емкость батареи должна быть не ниже Q = Г + 7НД Z а индекс аккумуляторов N = Q/36.
Практически на величину емкости, отдаваемой аккумуляторной батареей, влияет ряд факторов, снижающих эффективность протекания электрохимических процессов в аккумуляторах. К ним относятся: температура электролита аккумуляторов, наличие нерастворимых солей в электролите и на пластинах (так называемое старение аккумуляторов), ограниченная скорость протекания электрохимических реакций при разрядах аккумуляторов и явление саморазряда, обусловленное замыканием цепей тока внутри аккумуляторов от одной i шастины к другой. Точный учет указанных факторов является сложной задачей, поэтому в инженерных расчетах вводят ряд эмпирических коэффициентов: г] — коэффициент интенсивности разряда (отбора мощности), —коэффициент старения, и Кт—температурный коэффициент.
Таким образом, индекс аккумуляторной батареи N рассчитывается по формуле
Лк/ро Лад^рд
(7.1)
где 71Ю, I —токи разряда аккумуляторной батареи в основном и дополнительном режимах, А;
/р0 > ^рД — расчетное время разряда в основном и дополнительном режимах до допустимого минимального напряжения на аккумуляторах, ч;
36—номинальная емкость аккумуляторов типа СК1, А-ч.
В формуле (7.1) старение аккумуляторов и их саморазряд оцениваются коэффициентом который обычно принимается равным 0,85. Отдача емкости аккумуляторов в зависимости от времени их полного разряда С характеризуется коэффициентом интенсивности разряда Т| (рис. 7.20).
Каждая точка зависимости вида Т| (/ ) получена в предположении, что аккумулятор, заряженный до номинального напряжения (ном=2,2 В), разряжается до предельно допустимого минимального значения напряжения (t/aK min = 1,8 В) постоянным током I = const. В случае разряда аккумуляторов в двух режимах разными токами пользуются приведенным
262
коэффициентом Т| отбора мощности [7.2], который определяется по кривой ц(7 ) при расчетном времени разряда:
It +1 t
— н0 Р° НД РД (7.2) * р расч	j
* но
Величина Кт знаменателя (7.1) представляет собой температурный коэффициент, учиты-вающий возможное снижение емкости аккумуляторов в зависимости от снижения температуры
Рис. 7.20. Зависимость коэффициента отбора емкости аккумуляторной батареи от режима разряда
аккумуляторного помещения.
Коэффициент Кт определяется по эмпирической формуле
Кт= 1 + 0,008(7 -20),
(7.3)
где Т— температура электролита, равная низшей расчетной температуре аккумуляторного помещения, °C. Для зданий с центральным отоплением температура принимается равной+15°С (7vT=0,96), а для зданий с печным отоплением +10°С (7СТ = 0,92).
Токи (7Н0,7 ) разряда аккумуляторной батареи в основном и дополнительном режимах складываются из тока непосредственного питания приборов электрической централизации (ЭЦ) постоянным током (7ноб, 7вдб) и тока питания преобразователей (/ноп, /вдп), снабжающих приборы ЭЦ переменным током:
— л + т
НО	НО б	НОП’
I — J +7 нд ндб НДП*
(7-4)
(7.5)
Ток 7ноб — основного режима питания приборов ЭЦ непосредственно от аккумуляторной батареи имеет следующие составляющие:
а) ток л/ потребляемый аппаратурой ЭЦ, величина которого зависит от числа п централизованных стрелок; ток I представляет собой суммарный ток релейной аппаратуры ЭЦ, отнесенный к одной централизованной стрелке (табл. 7.8) [40].
263
Таблица 7.8
Расчетные токи для определения числа панелей ПВП и емкости аккумуляторной батареи
Система централизации	Расчетный ток для определения числа панелей ПВП системы ЭЦК для послеаварийного режима, на стрелку, мА	Расчетный ток для определения емкости аккумуляторной батареи для аварийного режима, на стрелку, мА
	(7б = 27,6 В	= 24,0 В
ЭЦИ, ЭЦ-12	450	215
БМРЦ	450	230
УЭЦ	445	262
б)ток/поп, потребляемый аппаратурой ЭЦ и контрольными лампами, величина которого не зависит от количества централизованных стрелок. В свою очередь ток /1ЮИ включает следующие составляющие (цифровые данные относятся к примеру расчета батареи для станции с системой ЭЦИ и питающей уст ановкой типа ЭЦК, в реальных расчетах подлежат уточнению):
ток, потребляемый приборами питающей установки (блоки, реле, сигнализаторы заземления и др.), 7н1 = 0,43 А;
ток, потребляемый реле групповых комплектов,	- 0,98 А;
ток, потребляемый контрольными лампами на табло и панелях питающей установки (получение контроля об отсутствии напряжения в фидерах, работы преобразователей, контроля снижения напряжения до предельной нормы, контроля режима включения светофорных ламп «День-Ночь»), 7и3 = 0,18 А;
ток, потребляемый аппаратурой диспетчерской централизации (при наличии системы ДЦ) /и4 = 2,50 А.
Особен! юсть расчета тока ZH011—тока нагрузки батареи в основном ава-рийном режиме питания приборов ЭЦ от преобразователя—состоит в несииусоидальносги их выходных напряжений. На выходе преобразователей постоянного тока в переменный, как правило, имеется переменное напряжение с прямоугольной формой кривой [Ь с коэффициентом формы кривой Лф. Это вызывает необход имость увеличения действующего значения напряжения на нагрузках, обычно работающих от синусоидального напряжения, в кф = 0,25л/2л = 1,11 раза [41 ], что, в свою очередь, увеличивает мощность, потребляемую прибором, в кф =1,23 раза.
264
Таким образом, для получения номинальной мощности 5Н0М налом или ином приборе к нему должна быть подведена мощность 5иф =&ф£ном-Формула для расчета тока I} f аккумуляторной батареи с номинальным напряжением ном, необходимого для создания мощности 5пф в преобразователе, должна учитывать коэффициент полезного действия Т|п преобразователя, который обычно не превышает 0,8. Отсюда
ф°ном
I 23\ 1,^к?пом
Л б ном
0,8 • 24
= 0,0645НОМ.
(7.6)
Формула (7.4) показывает, что для создания мощности на нагрузке, эквивалентной 1 В-А, преобразователь потребляет ток от аккумуляторной батареи, равный 0,064 А.
Ток основного режима /ноп питания приборов от аккумуляторной батареи через преобразователь постоянного тока в переменный имеет следующие составляющие:
ток резервного питания красных ламп входных светофоров	, одна
лампа потребляет мощность = 25 В-А;
ток питания дешифраторных ячеек перегонных путей, примыкающих к станции, /п2; S2 - 24 В-А;
ток питания схемы смены направления движения и контроля занятости прилегающих перегонов Zn3; - 14 В-А;
ток питания схемы двойного снижения напряжения на светофорах прилегающих перегонах Zn4; 54 = 14 В-А;
ток питания схемы двойного снижения напряжения на станционных светофорах Zn5; S5 - 38 В-А;
ток питания схем ограждения составов на приемо-отправочных путях /п6; S6 = 18 В-А.
Питание цепей 7п1—Zn6 на крупных станциях выполняется через преобразователь ППВ-1 панели ПВП-ЭЦК.
Таким образом, ток разряда батареи в основном аварийном режиме определяется формулой (7.4)
Лю ^Лтр + Ail + “н2 + АтЗ + Л14 + Ail + Лт2 + ЛтЗ + Лг4 + Лт5 + Лтб* (7-7)
В дополнительном режиме отключаются нагрузки Zll2, /н4и/п6, поэтому ток I определяется формулой (7.5)
4д= 41 + 'H3+41+WAi3 + /n4 + 'n5-	(7-8)
265
По индексу N, рассчитанному с помощью выражения (7.1), определяется тип аккумуляторов станционной батареи. Индекс аккумуляторов выбирают в сторону увеличения емкости. При этом для уменьшения разновидностей применяемых в эксплуатации сосудов разной величины рекомендуются к применению аккумуляторы типов СК4, СК6, СК8, СК10, СК12 [29].
7.5.3.	Граф переходов электрической централизации
Исправная система ЭЦ может находиться в одном из семи состояний Sг.. .S7 графа переходов (рис. 7.21). Из одного состояния в другое система переходит под воздействием векторов .. .<710 входных переменных, представляющих собой результат выполнения соответствующих технологических алгоритмов Aj... А4 [42].
В исходном состоянии ЭЦ характеризуется состоянием S j, при котором предполагается, что система исправна, маршруты не заданы, светофоры закрыты, стрелки разомкнуты, стрелочные и бесстрелочные секции горловин станции свободны, приемо-отправочные пути разомкнуты и свободны или разомкнуты и заняты подвижным составом, находящимся в статическом положении. В этом состоянии ЭЦ может быть выполнен перевод стрелок и открыты светофоры. Например, (здесь и далее все примеры относятся к системе ЭЦ-12-00) свободное состояние путей и секций контролируется включенным состоянием повторителей путевых реле СП1 и ГИ, получающих питание от шин ПНЗ и ПЧЗ (полюс П станционной батареи через отдельный предохранитель) и полюса М. Разомкнутое состояние путей и секций проверяется включенным состоянием замыкающих реле 3 и исключающих реле И, которые получают питание П-М от станционной батареи через тыловые контакты контрольно-секционных реле КС по цепям самоблокировки.
Переход Sj—> S2 или Sj —> S3 выполняется под воздействием входного вектора а। или «3, как результат выполнения алгоритма Aj — задания маршрута при свободном или занятом участке приближения. В результате система переходит в состояние S2, при котором маршрут замкнут, светофор открыт, поезд на участке приближения отсутствует (предварительное замыкание маршрута) или S3—маршрут замкнут, светофор открыт, участок приближения занят (окончательноезамыкание маршрута). Переход S2 > S3 происходит под воздействием входа при занятии участка
266
приближения. Вид замыкания маршрута определяет реле извещения приближения ИП. При предварительном замыкании маршрута реле ИП включено по цепи самоблокировки от полюсов П-М через фронтовой контакт путевого реле участка приближения.
При движении поезда по трассе заданного маршрута автоматически выполняется алгоритм А2—размыкания маршрута, поэтому система вначале под действием входа а4 из состояния S3 автоматически переходит в S4. Это состояние характеризуется закрытым положением светофора и замкнутым маршрутом. С проверкой фактического движения поезда по трассе маршрута (вход а5) и освобождения горловины станции (вход а5) система ЭЦ переходит в состояние S5, а затем в исходное состояние S j. В схемах ЭЦ при размыкании каждой секции маршрута происходит последовательное включение маршрутных реле IM, 2М и замыкающего реле 3 от шин лучевого питания 1ММ, 2ММ (см. п. 7.5.4) и полюса П станционной батареи.
Если при нахождении системы в состоянии S2 или S3 возникла необходимость отмены маршрута, то задается выполнение алгоритма А3 — отмены маршрута. В результате система переходит в состояние S6 или S7— отмены маршрута со свободного или занятого пути. Входами н7 или aQ) задается выдержка времени 6 с или 3 мин 15 с. По истечении выдержки времени (входы или a w) система переходит в состояние Sp В схемах ЭЦ срабатывают реле разделки Р, через фронтовые контакты которых включаются замыкающие реле 3 от шины РП (полюс питания П через отдельный предохранитель) и полюса М.
Если при нахождении ЭЦ в состояниях S j, S2,..., S5 возникают отказы питающих устройств, например, отключение и последующее восстановление напряжения на полюсах П-М станционной батареи, то ЭЦ должна переходить (выходы пн) в защитное состояние Sg. Защитное состояние системы характеризуется невозможностью перевода стрелок (выключены замыкающие реле 3, поэтому отключены управляющие цепи стрелочных электроприводов) и открытие светофоров (отсутствуют цепи питания начальных реле). Подчеркнем, что после восстановления питания П-М защитное состояние системы должно сохраняться. Именно по этой причине в схемах ЭЦ в цепь питания реле 3 в состоянии Si введен собственный контакт.
Из состояния Sg в состояние Sj система может быть выведена после восстановления питания П-М только алгоритмом А4—искусственной разделки. Во всех системах ЭЦ искусственная разделка выполняется с выдержкой времени 3 мин 15 с (выход «п). На первый взгляд кажется
267
ненужным переход S j —»S8 (на рис. 7.21 показан пунктиром). Однако при отключении питания П-М в системе отсутствует память предыдущего состояния, т. е. состояния Sj.. ,S7 различить невозможно, поэтому из любого возможного состояния система должна перейти в состояние So.
Рис. 7.21. Граф переходов системы электрической централизации
Для исключения опасных ситуаций в микропроцессорных системах каждый перезапуск системы должен сопровождаться выходом ее в защитное состояние Sg с дальнейшим переходом в исходное состояние Sj с выдержкой времени не менее 3 мин 15 с.
7.5.4.	Шины электропитания маршрутных реле и повторителей путевых реле
Выполнение алгоритма А2 — автоматического размыкания маршрута после прохода подвижного состава по его трассе — предполагает последовательное отслеживание движения поезда по секциям горловины станции. В схемах ЭЦ контактами повторителей путевых реле СП1 вцепях маршрутных реле 1М и 2М проверяется последовательное занятие и освобождение рельсовых цепей заданного маршрута. При переключении питающих фидеров рельсовые цепи, получающие электроснабжение переменным током, кратковременно лишаются питания. Следовательно,
268
путевые реле секций выключи ются, а затем вновь включаются. Это может привести к опасному отказу—самопроизвольному размыканию маршрута. Для исключения этого явления питание маршрутных реле и повторителей путевых реле организуют от cnei шальных шин—шин лучевого питания. Рассмотрим схему подключения питания в эти шины на примере ЭЦ-12-00.
Электропитание фазочувствительных рельсовых цепей частотой 25 Гц промежуточной станции выполняется от путевых преобразователей частоты Ш и 2П типа ПЧ50/25 (рис. 7.22). Преобразователи частоты размещаются в панели питания ПР2-ЭЦ.
От каждого преобразователя получают питание две отдельные группы рельсовых цепей. Для повышения надежности ЭЦ объединение рельсовых цепей в эти группы стремятся выполнить по признаку возможности задания маршрутов с участием рельсовых цепей только данной группы. Например, на станциях двухпутных линий в каждой горловине в одну группу объединяют рельсовые цепи секций, входящие в маршруты приема, а в другую—рельсовые цепи секций маршрутов отправления. Провода и кабельные жилы, подводящие питание к рельсовым цепям каждой группы, называют лучами питания. Лучи питания, подключенные к одному преобразователю, разделяются предохранителями FU28—FU31 и FU32—FU35. Таким образом, рельсовые цепи станции получают питание по четырем лучам: ПХРЦ1-ОХРЦ1, ПХРЦ2-ОХРЦ2, ПХРЦЗ-ОХРЦЗ, ПХРЦ4-ОХРЦ4 (см. рис. 7.22). В нечетной горловине станции, как правило, используются первый и третий лучи (ПХРЦ1 -ОХРЦ1, ПХРЦЗ-ОХРЦЗ), а в четной—второй и четвертый (ПХРЦ2-ОХРЦ2, ПХРЦ4-ОХРЦ4).
Наличие напряжения в каждом луче контролируется лучевыми аварийными реле 1 ЛА—4ЛА. Для фиксации неисправности питания лучей по горловинам станции используются их общие повторители ЗА-Н и ЗА-Ч. Эти реле устанавливаются во водной панели ПВ2-ЭЦ и получают питание через отдельные предохранители FU6 и FU7. От этих же предохранителей получают питание повторители путевых реле (полюса ПЧЗ, ПНЗ), контакты которых используются в цепях маршрутных реле для секционного размыкания маршрутов при движении поездов.
Маршрутные реле системы ЭЦ получают питание с вводной панели ПВ2-ЭЦ от шин питания 1 ММ - для секций нечетной горловины и 2ММ— для секций четной горловины через фронтовые контакты лучевых управляющих реле ЛУ-Н и ЛУ-Ч. При исправном питании лучей реле ЛУ-Н и ЛУ-Ч включены и не влияют на алгоритм секционного размыкания маршрутов.
269
шп<п
LrtDi

ZM-ETM иШ
8I-EIW I8I-EIM
51-£1ЯХУ£Щ£1-£1^
V£h
-EIM . HJAK
S-EIM
ИМ I
91 -£IMТЕНП| g
При отключении питания какого-либо луча выключаются путевые реле рельсовых цепей, входящих в этот луч, и их повторители. Кроме того, выключается лучевое аварийное реле данного луча 1 ЛА... 4ЛА, затем |хле ЗА-Ч или ЗА-Н и реле ЛУ-Н или ЛУ-Ч. Поэтому отключается питание маршрутных реле 1 ММ или 2ММ и прекращается секционное размыкание маршрутов, если в данный момент происходило движение поездов по трассам заданных маршрутов.
После восстановления питания рельсовых цепей включение управляющих j 1учевых реле ЛУ-Н или ЛУ-Ч и, следовательно, шин питания 1 ММ или 2ММ к маршрутным реле должно быть задержано (гарантированное время задержки установлено 6 с [28]) до окончания переходных процессов включения путевых реле и их повторителей. Иначе, из-за разброса временных параметров срабатывания путевых реле или их повторителей возможен эффект имитации движения поезда по трассе заданного маршрута. В результате может произойти опасный отказ—размыкание секций окончательно замкнутого маршрута.
Задержка (замедление) включения реле ЛУ-Н или ЛУ-Ч достигается схемой блока выдержки времени СБ1 типа БВМШ и выходным реле выдержки времени ПЛА (см. рис. 7.22). При нормальной работе реле ПЛА включено по цепи самоблокировки через фронтовые контакты ЗА-Н и ЗА-Ч. При выключении питания лучей фронтовые контакты реле ЗА-Н и ЗА-Ч размыкаются, поэтому реле ПЛА также выключается. При восстановлении напряжения в лучах питания ПЛА срабатывает через 6 с за счет разряда конденсатора блока СБ 1 через тиратрон (выводы 32-33 блока БВМШ). Далее через фронтовые контакты ПЛА и ЗА-Н или ЗА-Ч включается реле ЛУ-Н или ЛУ-Ч, подавая питание М в шины 1ММили2ММ.
Схема работает аналогично при отключении и последующем восстановлении питания полюса П или перегорании и дальнейшей замене предохранителей FU6 и FU7 в шинах ПНЗ или ПЧЗ питания повторителей путевых реле.
7.6.	Сигнализаторы заземления
В соответствии с Правилами [34] построения ответственных цепей железнодорожной автоматики и телемеханики защита от ложного срабатывания приборов СЦБ при сообщениях между цепями, имеющих внешние соединительные линии, должна быть выполнена посредством двухполюсного отключения этих приборов от источников питания. Это
271
объясняется высокой вероятностью сообщений между цепями при понижении сопротивления изоляции воздушных или кабельных линий. На постах централизаций допускается однополюсное размыкание, а для повышения безопасносптфункционирования систем источники питания должны снабжаться сигнализаторами заземления. Ниже рассматривается принцип действия таких приборов на примере сигнализаторов типа СЗИ.
Сигнализаторы заземления типа СЗИ [35] предназначены для непрерывного контроля и индикации понижения сопротивления изоляции относительно земли источников питания постоянного и переменного тока, веющих нормированное минилгалыtoe сопротивление изоляции 1 кОм/В. Сигнализаторы выпускаются двух типов: СЗИ 1 —для контроля сопротивления изоляции источников переменного тока напряжением 220 и 24В, а также постоянного тока напряжением 24В; СЗИ2—для источников постоянного тока напряжением 220,60 и 48 В.
Сигнализатор СЗИ представляет собой пороговый прибор, фиксирующий увеличение выше нормативного тока утечки через сопротивление изоляции R полюсов контролируемых источников КИ относительно земли. Схемы СЗИ снабжены выдержкой времени на срабатывание, что защищает их от ложной работы при переключениях питающих фидеров или при подключении нагрузки с разветвленной кабельной сетью.
Электрические схемы сигнализаторов типа СЗИ 1 (рис. 7.23) и СЗИ2 (рис. 7.24) содержат контрольный орган КО (транзистор VT2), фиксирующий пороговое значение тока утечки; формирователь временной задержки (транзисторы VT1, VT3, VT4, VT5), проверяющий д лительность действия утечки; исполнительный орган (тиристор VS3); элементы местной (светодиод VD5) и дистанционной сигнализации (реле РВДС). Миллиамперметр, предназначенный для измерения тока утечки, устанавливается один на все СЗИ поста централизации.
Схемы сигнализаторов СЗИ1 и СЗИ2 отличаются друг от друга построением входных цепей КО. В сигнализаторе СЗИ1 внутренний источник ВШ напряжением 135 В положительным полюсом через R4 резисторы R4, R1 и R2 подключен к полюсам контролируемого источника, а через сопротивление утечки—к нижней части регулируемого резистора R. В сигнализаторе СЗИ2 контрольный орган получает питание от напряжения контролируемого источника. Например, при утечке в минусовом полюсе РМ падение напряжения с резистора R1 прикладывается к выпрямительному мосту ВП1 через резисторы R5 и R а с ВП1 — к нижнему плечу ретулируемого резистора R. При заземлении плюсового или минусового полюса контролируемого источника питания напряжение
272
липвохэи
HiqjvoXdHirodxHox
Рис. 7.23. Принципиальная схема сигнализатора заземления типа СЗИ 1
18 Вл. Сапожников	273
ПХ220 ।	10X220
МИНЬОГЭИ
HHKsXdHirodiHox
Рис. 7.24. Принципиальная схема сигнализатора заземления СЗИ2
274
11a входе СЗИ2 изменяет знак, но выпрямитель ВП1 обсы ючивает постоян-1 юе направление тока через резистор R.
Напряжение, выделяемое током утечки на нижнем плече RH резистора R, через его верхнюю часть RB подается на вход контрольного органа, выполненного с использованием однопереходного транзистора VT2. Это I ыпряжение прикладывается к переходу эмиттер—база 1V Г2 и обкладкам конденсатора С4. Схема включения транзистора VT2 представляет собой релаксационный генератор, порог срабатывания которого устанавливается резистором.
Если ток утечки не превышает установленной величины, то напряжения на входе недостаточно для его открытия. Поэтом}7 двухступенчатая схема временной задержки находится в исходном состоянии: транзисторы VT1, VT3, VT5 закрыты, а транзистор VT4 открыт. Исполнительный орган— тиристор VS3 —также закрыт.
Первая ступень схемы временной задержки состоит из RS-триггера (транзисторы VT3 и VT4) и схемы его автовозврата в исходное состояние (транзистор VT5). При включении питания исходное состояние триггера обеспечивается за счет несимметричности сопротивлений резисторов, включенных в базовые цепи VT3 и VT4: (R12 + R13) < (R19 + R21). Автоматическое запирающее смешение обеспечивает падение напряжения на открытом диоде VD4. Схема автовозврата в исходном состоянии не работает, так как конденсатор С5 зашунтирован через диод VD6 и резистор R18 переходом эмиттер—коллектор открытого транзистора VT4.
Вторая ступень схемы временной задержки содержит однопереходной транзистор VT 1, открытие которого поставлено в зависимость от величины напряжения на конденсаторе СЗ. Зарядный ток СЗ возникает через резисторы R17 и R9 лишь при закрытом состоянии транзистора VT4 триггера.
При увеличении тока утечки до критического значения напряжение на обкладках конденсатора С4 и переходе эмиттер—база 1 транзистора VT2 достигает напряжения открытия VT2, равного = Г| । Б2, где Т| = = 0,65...0,9—коэффициент передачи транзистора, а (УБ1Б2—межбазовое на пряжение. В результате VT2 открывается, а конденсатор С4 разряжается на резистор R12. После разряда С4 ток через переход эмиттер—база 1 транзистора VT2 уменьшается до величины менее 1мА, вследствие чего VT2 закрывается. Такой процесс повторяется периодически и определяется постоянными времени Tj = RC4 и т2 = R12-C4 (рис. 7.25).
Открываясь, транзистор VT2 опрокидывает триггер на транзисторах VT3 и VT4, при этом VT3 открывается, a VT4 закрывается. В этом
275
положении триггера снимается шунтирование цепи эмиттер—база 1 транзистора VT5, и конденсатор С5 заряжается через резистор R23 с постоянной времени т3 = R23-C5. При напряжении на конденсаторе С5, равном Е7ЭБ1 = Т| 1 б2’ транзистор VT5 открывается, а конденсатор С5 разряжается на резистор R23 с постоянной времени т4 = R21 С5, что приводит к возврату триггера в исходное состояние.
Рис. 7.25. Временные диаграммы сигнализатора заземления типа СЗИ
276
С коллек тора транзистора VT3 и VT4 прямоу г ол ы гыс i1 мпульсы напряжения поступают на времязадающую цепь R9— СЗ и i юреход эмиттер— база 1 транзистора VT1. Напряжение на конденсаторе СЗ нарастает до открытия VT1 с постоянной времени т5 = R9-C3 за i юсколько периодов работы триггера. При открытии VT1 за счет разряда конденсатора СЗ на управляющий электрод тиристора VS3 подастся импульс с постоянной времени т6 = R10C3, который открывает тирис гор VS3. В анодную цепь VS3 включен светодиод VD5 с ограничивающим резистором R22 и герконовое реле РВДС. Для сброса информации о срабатывании сигнализатора параллельно тиристору включена кнопка SB без фиксации.
При контроле сопротивления изоляции источников питания, нагрузка к которым подключается на время менее 0,9 с (например, электродвигатель горочного стрелочного привода), параллельно резистору R9 подключается резистор R8, для чего устанавливается перемычка 42-81. В этом случае транзистор VT3 и VT4 срабатывает при однократном опрокидывании триггера на транзисторах VT3 и VT4, а замедление на срабатывание СЗИ не превышает 0,2 с. Для повышения помехоустойчивости СЗИ к его выводам 23-12 подключается конденсатор типа МБГО емкостью 2 мкФ.
При контроле сопротивления изоляции источников питания, соединенных с нагрузкой через разветвленную кабельную сеть (светофоры, маршрутные указатели и т.п.), время заряда емкости жил кабеля относительно земли оказывается больше времени замедления на срабатывание СЗИ. В этом случае для исключения ложного срабатывания СЗИ параллельно R (выводы 23-12) подключается фронтовой контакт медленнодействующего обратного повторителя аварийного реле.
Питание схемы СЗИ осуществляется через понижающий трансформатор TV. Дополнительньш вывод 2 первичной обмотки TV используется при питании СЗИ переменным напряжением прямоугольной формы. С выводов 6-7 вторичной обмотки переменное напряжение поступает на выпрямительный мост, а затем стабилизируется диодом VD2 на уровне (22 ± 2)В. Переменная составляющая выпрямленного напряжения снижается за счет конденсатора С.
Для непосредственного измерения тока утечки предусмотрен внешний миллиамперметр, подключаемый кнопкой SB к выводам 12-23 СЗИ. Зависимость сопротивления изоляции от тока утечки для различных контролируемых источников приведена на рис. 7.26. Эти зависимости построены по результатам экспериментов.
277
7.7- Электропитание устройств электрической централизации промежуточных станций
7Л.1. Системы питания электрической централизации промежуточных станций
Устройства электрической централизации (ЭЦ) промежуточных станций с числом централизованных стрелок до 30 относятся к потребителям электроэнергии I категории.
Электропитание устройств ЭЦ промежуточных станций должно, как правило, проектироваться по так называемой «безбатарейной системе». При этой системе аккумуляторные батареи на постах ЭЦ устанавливаются только для резервирования питания релейной аппаратуры, аппаратуры телеуправления и телесигнализации (ТУ-ТС) диспетчерской централизации (ДЦ), устройств связи, аварийного освещения поста ЭЦ и гаран
278
тированного питания силовых нагрузок. Кроме i01 о, предусматривается резервирование питания красных и лунно-белых ламп входных светофоров от аккумуляторных батарей, расположенных в батарейных шкафах в непосредственной близости от этих светофоров.
При безбатарейной системе энергоснабжение устройств ЭЦ переменным током выполняется по одному из следующих вариантов:
-	от двух независимых источников энергии, удовлетворяющих требованиям питания электроприемников I категории;
-	от высоковольтной линии автоблокировки (ВЛ СЦБ) и дополнительно от высоковольтной линии продольного энергоснабжения (ВЛ ПЭ), подвешенной на отдельных опорах, т.е. не на опорах ВЛ СЦБ;
-	от трех источников: от ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ, подвешенных на общих опорах, если эти же линии обеспечивают энергоснабжение устройств автоблокировки (АБ) с рельсовыми цепями (РЦ) переменного тока, а также от резервной электростанции (от дизель-генератора—Д Г А) с автоматическим запуском;
-	от трех источников: от ВЛ СЦБ, от местных сетей, обеспечивающих питание электроприемников II категории, и резервной электростанции с автоматическим запуском.
Батарейная система питания устройств ЭЦ промежуточных ст анций должна применяться при невозможности обеспечения вышеперечисленных условий внешнего энергоснабжения для безбатарейного питания.
При батарейной системе энергоснабжение устройств ЭЦ должно быть выполнено по одному из следующих вариантов:
-	от двух источников: от ВЛ СЦБ и ВЛ ПЭ, подвешенных на общих опорах, если эти же линии обеспечивают энергоснабжение устройств АБ с рельсовыми цепями постоянного тока;
-	от двух источников: от ВЛ СЦБ и местных сетей, обеспечивающих питание электроприемников II категории;
-	от одного источника электроэнергии энергосистемы и резервной электростанции с автоматизированным запуском.
На постах электрической централизации, которые подключаются к ВЛ СЦБ как к основному источнику питания (фидер 1), от этого фидера должны получать питание только электроприемники I категории, которыми являются технологическое оборудование устройств ЭЦ, ДЦ, связи и нагрузки гарантированного энергоснабжения. Освещение и силовые нагрузки негарантированного энергоснабжения подключаются к фидеру 2.
279
На станциях, оборудованных ЭЦ со стрелочными электроприводами постоянного тока (СЭППТ), питание устройств может быть выполнено от ВЛ СЦБ черезоднофазный масляный трансформатортипаОМ-10. На участках с автономной тягой и электротягой переменного тока такая схема питания допускается на станциях с числом централизованных стрелок до 15, а на участках с электротягой постоянного тока на станциях с числом стрелок до 11. При большем числе стрелок оба питающие фидера должны быть трехфазными. На станциях, оборудованных ЭЦ со стрелочными электроприводами переменного тока (СЭПТТ), оба фидера должны быть трехфазными независимо от числа централизованных стрелок.
7Л2. Структурные схемы электропитающих установок
Для питания устройств электрической централизации на промежуточных станциях с числом централизованных стрелок до 30 разработаны два вида панелей: вводная ПВ2-ЭЦ и распределительная ПР2-ЭЦ (рис. 7.27).
Панель ПВ2-ЭЦ может работать в одном из двух режимов: в режиме преобладания фидера 1 и в режиме равноценных фидеров. Схемой панели контролируется исправность пускателей обоих фидеров, а при отказе одного из них нагрузка автоматически переключается на исправный фидер или резервную электростанцию типа ДГА. Панель ПВ2-ЭЦ содержит приборы грозозащиты, счетчик электроэнергии, устройства контроля чередования фаз трехфазной сети, реле максимального напряжения и детектор повышенного времени одновременного выключения двух фидеров питания. Установленный в панели ПВ2-ЭЦ сигнализатор заземления СЗМ дает возможность измерить не только ток утечки полюсов питания через землю, но и ток утечки между цепями различных источников питания.
Панель ПР2-ЭЦ содержит два выпрямителя УЗА24-20, каждый из которых имеет максимальный выходной ток 20 А. В панели предусмот
рено автоматическое включение резервного выпрямителя при отказе основного выпрямителя, а также контроль исправности аккумуляторной батареи. Индикация контроля режимов работы устройств в панелях ПВ2-ЭЦ и ПР2-ЭЦ выполнена на светодиодах.
280
Маршрутные реле
1ПМ, 1ММ
2ПМ, 2ММ
ЗФ I о
Резервная электростан i щя
2Э16АЗ	ЗФ + 0 	
ПВ2-ЭЦ
„ j 11сгарантированная
) нагрузка
_ 1 Связь и гарантированная
1 нагрузка
_ I Повторители
) путевых реле
1 Обогрев
(ТР1, обмотка Ср автопереключателей СЭП
КПХ, КОХ г
(ТР1, обмотка А
ЗФ । О
ПНЗ, 1143
(ТР1, обмотка С) ПХ1,ОХ1
Фидер 1
Фидер 1
ЗФ + 0
Фидер 2
ЗФ + 0
Трансмитерные реле
Разъединители высоковольтной линии
Релейные шкафы
(ТР1, обмотка В) J и стативы
ПХРШ, ОХРШ 3 Гарантированное питание J входных светофоров
ПЧ50/25-300
Рельсовые цепи (2 луча)
ЩВП-73
Фидер 2
GB_	24В
	СК-4
П, М
—’----->
Ш, 1М
ПК, МК
ПР2-ЭЦ25Т
Рабочие цепи СЭП
Бесконтактная аппаратура ДЦ
^РУА, РУ В, РУС (ТР1, обмотка А) БП, БМ
Релейные стативы
Лампы табло
ЩП, П, М
,МС
ТСЗ 10/0,66 380/220
УЗА, Табло, СОБС-2А, ПЧ25/50-300
ПХВ, QXB и (TP 1, обмотка В)
ПХС, ОХС , (TP 1, обмотка В) ПХМУ, ОХМУ
(ТР1, обмотка В) ПХМ, ОХМ
(ТС,ПЧ50/25 - П) ПХЛ, ОХЛ
(ТС,ПЧ50/25 - 1П, 2П) J рельсовых путей (4 луча)
'l Перегонные РЦ 50 Гц,
J кодирование 50 Гц
_ 3 Контроль
“ J предохранителей
Входные светофоры
Светофоры
Маршрутные указатели
Местные обмотки путевых реле
Лучи питания
ПКХ, ОХК
(ТР1, обмотка А) кодирование КПБ, КМБ
КПЗ
ЛП, ЛМ
Внепостовые схемы
ПХКС, ОХКС -------;-----► (ТР1, обмотка А)
Контроль стрелок
Станции от 12 до 30 стрелок. Электротяга помтояпиого тока. Стрелочные электроприводы переменного тока
Рис. 7.27. Ст руктурная схема электропитающей установки промежуточных станций при батарейном питаний
281
При безбатарейной системе питания устройств ЭЦ применяются только панели ПВ2-ЭЦ и ПР2-ЭЦ. Панель ПР2-ЭЦ имеет 4 варианта исполнения
в зависимости от частоты сигнального тока в рельсовых цепях, частоты тока АЛСН и рода рабочего тока стрелочных электроприводов (табл. 7.9).
Таблица 7.9
Варианты исполнения панели ПР2-ЭЦ
Вариант исполнения ПР2-ЭЦ	Частота тока рельсовых цепей	Частота тока аппаратуры АЛСН	Род рабочего тока сэп
ПР2-ЭЦ 50Т	Тональные РЦ	50 Гц	Переменный ток
ПР2-ЭЦ 75Т	Тональные РЦ	75 Гц	Переменный ток
ПР2-ЭЦ 25Т	25 Гц	25 или 50 Гц	Переменный ток
ПР2-ЭЦ 25П	25 Гц	25 или 50 Гц	Постоянный ток
При батарейной системе питания распределительная панель ПР2-ЭЦ не используется, а вводная панель ПВ2-ЭЦ применяется совместно с панелями ПРПТ-ЭЦ, ПРП-ЭЦ, ПП50-ЭЦ, ПП25-ЭЦ, ПП50-ЦАБ и ПП75-ЦАБ (табл. 7.10), которые обеспечивают резервирование питания рабочих и контрольных цепей стрелочных электроприводов, светофорных
Таблица 7.10
Состав электропитающей установки при батарейной системе питания
Напряжение контрольной батареи,В	Частота тока станционных рельсовых цепей	Рабочий ток стрелочного электропривода	Панели электропитающей установки
24	50 Гц	Постоянный	ПВ2-ЭЦ, ПРП-ЭЦ
24	50 Гц	Трехфазный	Г1В2-ЭЦ, ПРПТ-ЭЦ
48	50 Гц	Постоянный	ПВ2-ЭЦ, ПРП-ЭЦ, ПП50-ЭЦ
48	50 Гц	Трехфазный	ПВ2-ЭЦ ПРПТ-ЭЦ, ПП50-ЭЦ
48	25 Гц	Постоянный	ПВ2-ЭЦ, ПРП-ЭЦ, ПП25-ЭЦ
48	25 Гц	Трехфазный	ПВ2-ЭЦ ПРПТ-ЭЦ, ПП25-ЭЦ
282
Продолжение таблицы 7.10
Напряжение контрольной батареи, В	Частота тока станционных рельсовых цепей	Рабочий 'гок стрелойно।о электропривода	Панели и I ск I роли тающей установки
24 или 48	ЦАБ, тональные РЦ, АЛСН — 75 Гц	Постоянный	ПВ2-ЭЦ, ПРП-ЭЦ ПП75-ЦАБ
24 или 48	ЦАБ, тональные РЦ, АЛСН — 75 Гц	Трехфазный	ПВ2-ЭЦ ПРПТ-ЭЦ ПП75-ЦАБ
24 или 48	ЦАБ, тональные РЦ, АЛСН — 50 Гц	Постоянный	ПВ2-ЭЦ, ПРП-ЭЦ ПП50-ЦАБ
24 или 48	ЦАБ, тональные РЦ, АЛСН — 50 Гц	Трехфазный	ПВ2-ЭЦ ПРПТ-ЭЦ ПП50-ЦАБ
ламп и рельсовых цепей от аккумуляторных батарей с напряжением 24 В или 48 В (12 или 24 кислотных аккумуляторов типа С).
На рис. 7.27 и 7.28 приведены примерные с фуктурные схемы электропитания устройств электрической централизации при безбатарейной и батарейной системах питания.
7.7.3.	Панель вводная ПВ2-ЭЦ
Вводная панель ПВ2-ЭЦ в комплекте с другими панелями предназначена для центрального питания устройств электрической централизации промежуточных станций с числом централизованных стрелок до 30 на участках с любым видом тяги.
Панель ПВ2-ЭЦ выполненав виде металлического шкафа с двусторонний! обслуживанием. Ввод внешнего монтажа выполняется сверху.
При безбатарейной системе питания устройств ЭЦ панель ПВ2-ЭЦ применяется совместно с панелью ПР2-ЭЦ, а при батарейной — совместно с панелями ПРПТ-ЭЦ, ПРП-ЭЦ, ПП50-ЭЦ, ПП25-ЭЦ, ПП50-ЦАБ ИПП75-ЦАБ.
Панель ПВ2-ЭЦ в зависимости от тока нагрузки, потребляемого от источника переменного тока, выпускается с плавкими вставками в каждой из фаз первого и второго фидеров, рассчитанными на номинальный ток 25, 31,5 или 40 А.
Панель рассчитана для эксплуатации в условиях умеренного и холодного климата при температуре окружающего воздуха от +1 до
283
Резервная электростанция
	2Э16АЗ
	
ЗФ + О
ПП25-ЭЦ
ЗФ + 0
ЗФ + О
ЗФ + О
ПВ2-ЭЦ
пнз, пчз
Связь и гарантированная
J нагрузка
4 Негарантированная
J нагрузка
ч| Повторители
J путевых реле
Фидер 1
Фидер 1 ЗФ + О Фидер 2
ЗФ + О
Э, ОЭ
ШМ, 1ММ
2ПМ, 2ММ ПХ 1,0X1
Обогрев
электропереключателей
СЭП
Маршрутные реле
Релейные шкафы и стативы
Фидер 2
	2П
GB2	24 В
	
	2М
	’ 1П
GBJ_	24В
	
	1М
ЩВП-73
Нагрузка
Ш, 1М
Заряд 1ПК, 1МК Контроль
2ПБС
Преобразователи 1МБС
Преобразователи
2П, 2М Заряд 2ПК, 2МК
Контроль
ПРПТ-ЭЦ
ПП25-ЭЦ
КПХ, КОХ,
ПХС, ОХС
ЛИ, ЛМ
ПХК, ОХК
От панел и 1 IB 1 -ЭЦ
ЗФ + О
Траясмиттерные реле
Светофоры
Виепостовые системы
Перегонные РЦ 50 Гц кодирование 50 Гц
ПХРЗ, ОХРЗ > Разъединители ) высоковольтной линии
ПХМУ, ОХМУ
Маршрутные указатели
МС
РУА, РУВ, РУС
ПХКС, ОХКС
КПБ, КМБ
КПЗ ’
ПХВ, ОХВ
Лампы табло
Рабочие цепи СЭП
Контроль стрелок
Контроль предохранителей
Релейные стативы

пп-зоом
220 В
БП, БМ
Входные светофоры
ПХЛ, ОХЛ
ПХМ, ОХМ
_ 1 Бесконтактная
J аппаратура ДЦ
_  Лучи питания
) рельсовых цепей (4 луча)
) Местные обмотки
J путевых реле
Станции от 6 до 20 стрелок. Стрелочные электроприводы переменного тока
Рис. 7.28. Структурная схема электропитающей установки промежуточных станций при батарейном питании
284
+40°С и относительной влажности не более 80 %, измеренной при температуре + 25°С.
Вводная панель ПВ2-ЭЦ обеспечивает:
1)	подключение двух фидеров трехфазного переменного тока, а также дизель-генераторной установки в качестве резервной электростанции;
2)	автоматическое переключение нагрузки с одного фидера на другой при выключении или нормируемом снижении напряжения в работающем фидере, а также переключение нагрузки на резервную электростанцию при выключении напряжения в обоих фидерах;
3)	ручное переключение нагрузки с одного фидера на другой, отключение фидеров для ремонта, а также ручной запуск дизель-генераторной установки как с переключением, так и без переключения на нее питания устройств электрической централизации;
4)	электрическую изоляцию цепей питания устройств электрической
I централизации от внешних источников переменного тока, а также защиту
их от перегрузок;
5)	оптическую сигнализацию работающего фидера, а также оптическую и акустическую сигнализацию выключения напряжения в фидерах;
6)	оптическую сигнализацию запуска и работы дизель-генераторной установки;
7)	оптическую сигнализацию понижения сопротивления изоляции основных цепей питания относительно земли, а также перегорания предохранителей, установленных на панели (питающей установке);
8)	измерение величин напряжений и токов в фазах обоих фидеров, а также включение аварийного освещения при выключении источников переменного тока;
9)	контроль исправности пускателей обоих фидеров и обеспечение резервирования питания нагрузки устройств ЭЦ от фидера с исправным пускателем или резервной электростанции;
10)	контроль числа выключений, перенапряжения, нарушения чередования фаз в фидерах и повышенного времени одновременного выключения двух фидеров.
В табл. 7.11 приведены наименования нагрузок, подключаемых к панели ПВ2-ЭЦ, их обозначения в принципиальных схемах, допустимая мощность или ток, а также клеммы, к которым подсоединяются соот
ветствующие цепи.
285
Таблица 7.11
Характеристики нагрузок панели ПВ2-ЭЦ
Наименование нагрузки	Обозначение цепи	Напряжение, В	Мощность или ток нагрузки
Панели питания при без-батарейной или батарейной системе питания	1Ф-2Ф-ЗФ-0 (А-В-С-О)	220	15 А
Гарантированная нагрузка (связь, освещение и силовая нагрузка)	1Ф-2Ф-ЗФ-0 (А-В-С-О)	220	15 А
Негарантированная нагрузка (мастерские, отопление, освещение)	1Ф-2Ф-ЗФ-0 (А-В-С-О)	220	20 кВ-А, 30 А
Рабочие цепи стрелочных электроприводов горловин станции	АХ-ВХ-СХ	3 х 220	1,5 кВ-А на все СЭП
Рабочие цепи стрелочных электроприводов удаленных районов	УАХ-УВХ-УСХ	3x235	
Лампы светофоров	ОСА220-ОСАО ОСА 180-ОС АО ОСА 11 О-ОС АО	220 180 НО	1,5 кВ-А
Тональные рельсовые цепи. Кодирование станционных путей 50 Гц	ПХР-ОХР	220	1,5 кВ-А
Релейные шкафы	ПХРШ-ОХРШ	220	
Стабилизатор панели ПП-ЦАБ	ПХР 180-ОХР	180	
Трансмиттерныс реле	ПХР НО-ОХР	НО	
Обогрев стрелочных электроприводов	э-оэ	220	1,5 кВ-А
7.7.4.	Панель распределительная ПР2-ЭЦ
Распределительная панель ПР2-ЭЦ совместно с вводной панелью ПВ2-ЭЦ предназначена для центрального питания устройств электрической централизации промежуточных станций с числом централизованных стрелок до 30 на участках с любым видом тяги и получения переменного тока для гарантированного питания ряда нагрузок электрической централизации в аварийном режиме.
286
Панель выполнена в виде металлического шкафа с двухсторонним обслуживанием. Ввод внешнего монтажа производится сверху панели.
Распределительная панель ПР2-ЭЦ применяется при безбатарейной системе питания совместно с панелью ПВ2-ЭЦ и имеет четыре варианта исполнения (см. табл. 7.9) в зависимости от частоты тока питания рельсовых цепей (РЦ), частоты тока автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН) и рода рабочего тока стрелочных электроприводов (СЭП).
Панель ПР2-ЭЦ применяется с аккумуляторной батареей напряжением 24 В (12 кислотнььх аккумуляторов типа CK-N), от которой обеспечивается гарантированное питание ряда нагрузок (реле поста ЭЦ, аппаратура диспетчерской централизации и др.). Для заряда аккумуляторной батареи используется автоматическое зарядное устройство типа УЗА 24-20.
Панель предназначена для эксплуатации при температуре окружающего воздуха от+1 до +40°С и относительной влажности не более 85 %, измеренной при температуре +20°С, а также при отсутствии в воздухе испарений кислот и других веществ, вызывающих коррозию изделий.
Характеристика питающих цепей панели приведена в табл. 7.12.
Таблица 7.12
Характеристики нагрузок панели ПР2-ЭЦ
Наименование нагрузки	Обозначение цепи	Напряжение, В	Мощность или ток нагрузки
Стативы поста ЭЦ	П-М	24	В сумме 17 А В сумме 10 А
Пульт-табло	щп-щм	24	
	сх-мс	Режимы: «День» — 24 «Ночь»— 19	
	с-мс		
	кс-кмс		
	схм-мс	Импульсное питание 24	
	см-мс		
	РСХМ-МС		
Рабочие цепи СЭП	РПБ-РМБ	220	1,5 кВт
	РА-РВ-РС	3x220	В сумме 1,5 кВ-А
	РУА-РУВ-РУС	3x235	
Контрольные цепи СЭП	пхкс-охкс	220	
Тональные рельсовые цепи	ПХН( 1-4)-ОХН(1-4)	220	
287
Продолэ1сение табл. 7.12
Наименование нагрузки	Обозначение цепи	Напряжение, В	Мощность или ток нагрузки
Кодирование АЛСН	ПХЛ(1,2)-ОХЛ(1,2)	220	1,5 (0,6) кВА
Рельсовые цепи 25 Гц	ПХР1Ц1-4)-ОХРЦ(1-4)	220	
Местные элементы ДСШ	ПХМ-ОХМ	220	1,2 А
Разъединители	ГПХ220-ГОХ220	220	0,3 кВ-А
Светофоры	ПХС-ОХС	«День-Ночь-ДСП» 220—180—110	В сумме 1,5 кВ-А
Мигание входных светофоров	ПХСМ-ОХС		
Мигание выходных светофоров	ПХСМК-ОХС	220	
Маршрузныс указатели	ПХМУ-ОХМУ	220	
Внепостовыс схемы	лп-лм	24	1,6 А
I (рсобразоватсли типа ПП-0,3 на стативах	ппп-ппм	24	32 А
Аппаратура ДЦ	БП-БМ	24	8 А
Батарея связи	КПП-КПМ	24	
Примечание. Питание маршрутных указателей (ПХМУ-ОХМУ) в режиме ДСП отключается. Батарея связи (КПП-КПМ) используется для резервного питания цепей контроля исправности предохранителей как в релейном помещении, так и на панелях ПВ2-ЭЦ и ПР2-ЭЦ.
7-8. Электропитание устройств электрической централизации крупных станций
7.8.1.	Характеристика питающих устройств
Установки электрической централизации крупных станций с числом стрелок более 30 относятся к потребителям особой группы I категории [28]. Такие системы должны обеспечиваться электроэнергией от двух
независимых источников питаний переменного тока, предназначенных д) 1я электроснабжения потребителей I и II категорий, и от резервного дизель-
288
генераторного агрегата с автоматическим запуском. В случае менее I гадежного внешнего электроснабжения пуск ДI Л до.) окси выполняться 11ри отключении одного из источников и работа*! ь до его восстановления. Емкость станционной аккумуляторной батареи должна обеспечивать питание релейных схем и аварийного освещения не менее 2 ч, а также резервное питание красных огней входных све тофоров не менее 12 ч.
В эксплуатации находятся электропитаюн ще уста! ювки систем ЭЦК и ЭЦК1 [33,35], составленные из стандартных панелей: вводных ПВ-ЭЦК (одна панель рассчитана для станций с ЭЦ до 50 стрелок, при большем числе стрелок допустима параллельная работа нескольких панелей), ПВ1 -ЭЦК (аналогично до 170 стрелок); распределительных ПР-ЭЦК (до 170 стрелок), ПР1-ЭЦК(до 200 стрелок); выпрямительно-преобразовательных ПВП-ЭЦК (до 50 стрелок), ПВШ-ЭЦК (до 200 стрелок); преобразовательных ПП25-ЭЦК и ПП25.1 -ЭЦК (до 60 стрелок), а также ряда панелей питания стрелочных электроприводов (СЭП).
В зависимости от рода тока электродвигателей СЭП применяются следующие типы стрелочных панелей: ПСТН-ЭЦК и ПСТН1 -ЭЦК—для электродвигателей переменного тока и ПСПН-ЭЦК — для электродвигателей постоянного тока без резервирования питания рабочих цепей СЭП от аккумуляторных батарей. При соответствующем техникоэкономическом обосновании контрольные и рабочие цепи СЭП резервируются, и тогда используются панели ПСТР-ЭЦК и ПСПР-ЭЦК. Все стрелочные панели рассчитываются на одновременный (параллельный) перевод 10 централизованных стрелок, что достаточно для станций ЭЦ с любым числом стрелок [40].
Панели имеют конструкцию в виде шкафа с двусторонним обслуживанием. На лицевой стороне панелей изображена мнемосхема разводки питания, располагаются коммутационные, измерительные и индикационные приборы. Все панели имеют одинаковый размер: 2300 х 900 х 500 мм. Внешний монтаж вводится сверху панелей со специальных кабельросгов. Панели устанавливаются в релеш том помещении поста ЭЦ и располагаются втакой последовательности: ПВ, ПР, ПВП, ПСГ (ПСП), ПП25-ЭЦК(рис. 7.29).
В модернизированных панелях ПВ 1 -ЭЦК, ПР 1 -ЭЦК, ПВП 1 -ЭЦК, ПП25.1 -ЭЦК, ПСТН1 -ЭЦК существенно сокращен расход электротехнических материалов (стали и меди) на ус тройство стабилизированных блоков питания и преобразователей за счет применения методов высокочастогного преобразования энергии.
19 Вл. Сапожников
289
Рис. 7.29. Внешний вид элсктропитающей установки системы ЭЦК1
290
7.8.2.	Вводная панель ПВ1-ЭЦК
Вводная панель ПВ1-ЭЦКпредназиаче1 ia дня ввода, распределения, контроля и измерения переменного тока от;хвух с| и iдеров 1Y, 2Y и резерв-пого генератора 3Y с номинальным напряжатем 380/220В (рис. 7.30). В зависимости от максимального тока, потребляемого нагрузкой, панели комплектуются плавкими вставками 1Ф, 2Ф и ЗФ с номинальным током 80, 100 и 125А.
Вводная панель обеспечивает автоматическое переключение нагрузки с одного фидера на другой в режиме равноценных фидеров или преобладания фидера 1. Качество напряжения питающих фидеров контролируется электронными блоками включения фидеров В1 и В2, которые управляют пускателями 1 КМ и 2КМ. Блоками В1, В2 контролируются следующие параметры:
-	напряжение отключения фидера — 183 ±4 В;
-	минимальное напряжение подключения фидера — 198 ±4 В;
-	задержка подключения фидеров на нагрузку после восстановления напряжения в источниках энергоснабжения (при наличии напряжения в нагрузке) — от 1,3 до 1,4 мин;
-время, на которое фиксируется одновременное отключение фидеров, — от 1,3 до 1,5 с.
Предусмотрена возможность ручного переключения питания с одного фидера на другой и отключение фидеров для ремонта приборов панели. Для этой цели предназначены тумблеры SAI, SA2 и SA3, установленные непосредственно на мнемосхеме. Коммутационно-защитные приборы каждого фидера расположены с разных сторон панели и снабжены видимыми врубными разъединителями (1Q, 2Q), благодаря чему на рабочем месте обеспечивается техника безопасности при обслуживании и ремонте панели.
Для контроля состояния фидеров предусмотрена светодиодная индикация. Непрерывное свечение на мнемосхеме зеленых светодиодов 1Ф и 2Ф указывает на наличие номинального напряжения на соответствующем фидере, а импульсное—на превышение нормы напряжения. Непрерывное свечение желтых светодиодов 1ВФ и 2ВФ — соответствующий фидер включен на нагрузку, импульсное—в соответствующем фидере нарушено чередование фаз. При включении и выключении каждого фидера на табло включается звонок. Одновременное выключение обоих фидеров на время
291
Рис. 7.30. Мнемосхема вводной панели ПВ1-ЭЦК
292
более нормировш-пюго Г1ндицируетсясвечениемс1^е1<)д1к)да >Т. Перегорание предохранителей и срабатывание автоматического выключателя SF индицируется индикатором «предохранигель» i ia мнемосхеме панели, включением звонка YA панели и посылкой сигнала в цепь КПЗ для контроля на табло. Неисправность пускателей КМ I, КМ2 индицируются красными свето-диодами 1КМ, 2КМ, а также блоков В1 и В2 включения фидеров—светодиодом КН.
ВсхемепанелипредусмотренанастройканапредварительньшзапускДГА при выключении первого фидера. Ручной пуск и остановка ДГА выполняется нажатием кнопок с пульта управления дежурного по станции. Индикация работы ДГА осуществляется включением светодиодов: красного ЗФ—ДГА включен и желтого ЗВФ—ДГА работает на нагрузку.
Вводная панель обеспечивает защиту устройств электропитания от внешних перенапряжений (предохранители 3 и защитный блок FV); измерение линейных напряжений фидеров (вольтметр PV на мнемосхеме не показан), фазных токов фидеров (амперметр РА1 с переключателями 8АФ, 1SAA, 2SAA) и токов нагрузки фаз (амперметр РА2 с переключателями SAAH). Посредством элекгромагнитных счетчиков 1РС и 2РС регистрируется число отключений фидеров, а при помощи электрических счетчиков IPWh и 2PWh ведется учет потребления электроэнергии.
Панель питания обеспечивает максимально допустимые фазные токи нагрузок: панели питания (на мнемосхеме ЭЦ)—90 А; связь (С) — 32 А; маневровые посты (М) — 15 А; гарантированное освещение и нагрузка (ГН) — 15 А; негарантированное освещение и силовая Hai рузка (Н)—32 А. При возникновении неисправностей в нагрузках М, ГН и Н они отключаются автоматическим выключателем SF.
7.8.3.	Распределительная панель ПР1-ЭЦК
Распределительная панель ПР 1 -ЭЦК (рис. 7.31) в комплексе устройств электропитания электрической централизации крупных станций предназначена для распределения переменного тока по нагрузкам, изоляции источников от заземленных фидеров энергосистем, включения ламп светофоров и маршрутных указателей на различные режимы питания.
Панель ПР1-ЭЦК обеспечивает:
-ручное и автоматическое переключение дневного и ночного режимов питания светофоров и контроль их переключения;
293
Рис. 7.31. Мнемосхема распределительной панели ПР 1 -ЭЦК
294
-	автоматическое включение нагрузкой pc i ie 11 м 11уj i ьсного питания светофоров и пультов ограждения составов;
-	оптическую сигнализацию понижения coi ipo гивления изоляции । шгрузок ЭЦ относительно земли.
Кроме этого, панель позволяет:
-	измерять напряжение переменного тока i ia oci ювных нагрузках ЭЦ;
-	измерять ток, потребляемый панелью от каждой фазы источника, и токи утечки основных цепей питания нагрузок на землю;
-	контролировать перегорание предохранителей и срабатывание автоматов.
Для изоляции нагрузок от заземленной сети в панели установлены три трехфазных трансформатора TV3, TV6 и TV 10 на 4,5 кВ-А. При электротяге постоянного тока трехфазные трансформаторы устраняют влияние блуждающих токов на надежность работы устройств ЭЦ. Включение и защита трансформаторов TV3, TV6 и TV 10 выполняется автоматическими выключателями SF1, SF2 и SF3. Вторичные обмотки трансформаторов TV3,TV6 имеют отводы от напряжения 110,180и220В— для питания светофоров и маршрутных указателей. Предусмотрена возможность отключения цепей питания однофазных нагрузок посредством предохранителей.
Ко вторичной обмотке трансформатора TV3 подключено питание следующих устройств: светофоров первой группы (на мнемосхеме С1); через трансформатор TV2 и датчик импульсов М блока В1.1 управление проблесковой сигнализации на светофорах (СМ); через контакт аварийного реле А цепи гарантированного питания красных ламп входных светофоров (Р1), контрольные цепи стрелочных электроприводов (КС); через трансформатор TV9 питание реле местного управления (МУ); маршрутных указателей первой и второй групп (У 1 и У2); через вольтодобавочный трансформатор TV4 удаленных маршрутных указателей двух групп (УС1 и УС2); питание рельсовых цепей частотой 50 Гц (РЦ).
Вторичная обмотка трансформатора TV6 используется для питания светофоров второй, третьей и четвертой групп (С2, СЗ и С4); через трансформатор TV 1 и датчик импульсов М управление проблесковой сигнализации па светофорах (СМВ); рельсовых цепей частотой 50 Гц маневровых районов (X, XI, Х2); через контакт аварийного реле А и трансформатор TV7 дешифраторные ячейки (Х12, Х16 ДШ); через трансформатор TV8 цепи питания маневровых колонок (Х24); через
295
трансформатор TV8 и выпрями гель В5 пульты ограждения составов (О); через датчик МПО блока В1.2 импульсное питания пультов ограждения составов (ОМ); панель питания ПВП1 -ЭЦК (Х220).
Для резервирования питание красных ламп входных светофоров и цепей увязки с перегоном с панели ПВП 1 -ЭЦК на тыловые контакты реле А поступает гарантированное питание (на мнемосхеме ХГ).
Вторичная обмотка трансформатор T V 10 предназначена для питания путевых генераторов тональных рельсовых цепей (на мнемосхеме РЦ1, РЦ2,РЦЗ).
В панели использован групповой сигнализатор заземления СЗМ (на мнемосхеме не показан), который защищен от ложного срабатывания при включении питания, имеет встроенные приборы проверки и дает возможность измерять ток утечки на «землю» и между различными источниками питания. При увеличении тока утечки на землю загораются светодиод на соответствующем месте сигнализатора и светодиод «земля», расположенный на мнемосхеме панели.
Для измерения напряжения в цепях электропитания светофоров, маршрутных указателей, контроля стрелок и рельсовых цепей 50 Гц на лицевой стороне панели установлен вольтметр переменного тока PV. Подключение вольтметра к соответствующим цепям осуществляется переключателем SAV. Переменный ток, потребляемый панелью от каждой фазы источника, измеряется амперметром РА. Подключение амперметра к соответствующим фазам через трансформаторы тока производится переключателем SAA (на мнемосхеме не показан).
7.8.4.	Выпрямительно-преобразоеательная панель ПВП1-ЭЦК
Выпрямительно-преобразовательная панель ПВП 1-ЭЦК (рис. 7.32) применяется в устройствах электропитания электрической централизации крупных станций ддя получения постоянного тока заряда аккумуляторной батареи, питания релейной iтагрузки, светодиодного таб) ю и преобразователя постоянного напряжения аккумуляторной батареи в переменное напряжение гарантированного питания ряда нагрузок.
За счет модульного исполнения стабилизированных блоков питания ограниченной мощности (300 Вт), СН, СТ и их резервирования путем избыточности в 1,5 раза сокращены условная стоимость и масса изделий.
296
TV1
Рис. 7.32. Мнемосхема выпрямительно-преобразователыюй панели ПВП 1-ЭЦК
297
Панель ПВП 1 -ЭЦК обеспечивает:
-	высокую стабильность напряжения (± 1 %) на аккумуляторной батарее от блоков питания СН1, СН2, что открывает перспективу применения герметизированных аккумуляторов, не требующих обслуживания;
-	контроль отключения аккумуляторной батареи в блоке БУЗ.
Крометого, сохраняется электропитаниерелеЭЦотСНЗ—СН5иСТ1— СТ4 при неисправности аккумуляторной батареи. Предусмотрено также безразрывное гарантированное питание персональной ЭВМ от преобразователя ПП1. Панель имеет следующие основные характеристики.
Источники питания аккумуляторной батареи и релейной нагрузки (СНиСТ):
напряжение в режиме постоянного подзаряда (ПЗ) на батарее (26,4 ± 0,26) В;
напряжение на нагрузке (реле) (26,4 ± 0,52) В;
напряжение в режиме заряда (3) (28,0 ± 0,6) В;
максимальных! ток заряда батареи не менее 20 А;
максимальный ток релейной нагрузки не более 50 А;
максимальное напряжение пульсаций на релейной нагрузке не более 0,2 В.
В панели предусмотрено автоматическое резервирование блоков питания релейной нагрузки и аккумуляторной батареи.
Источники питания светодиодного табло (ИП1, ИП2):
напряжение на нагрузке (6,0 ± 0,2) В;
максимальный ток нагрузки 10 А;
число импульсов шины частого мигания (60 ± 9) в минуту;
число импульсов шины редкого мигания (40 ± 6) в минуту;
длительность импульса (0,5 ± 0,08) с;
максимальный ток нагрузки в импульсе шины частого мигания, не более 5 А;
максимальный ток нагрузки в импульсе шины редкого мигания, нс более 0,5 А.
В панели в резерве имеется дополнительный блок питания табло БПТ, который включается взамен основного блока сигналом с пульта управления и реле РИП.
Источники резервного питания гарантированных нагрузок переменного тока:
поминальное напряжение 220 В частотой 50 Гц;
номинальный ток нагрузки 1,6 А;
298
время включения питания для ПЭВМ 10 мс;
время включения нагрузок СЦБ 300 мс.
На мнемосхеме панели (см. рис. 7.32) показано размещение измерительна приборов, функциональных изделий и i iai рузок, а также контрольных индикаторов и приборов защиты.
Инвертор И1 (типа ИТ-0,3-24) постоянного напряжения аккумуляторной батареи 24 В (на мнемосхеме Н) в переменное напряжение 220 В (ПХП, ОХП) предназначен для безразрывного питания персональных компьютеров автоматизированных рабочих мест дежурного по станции и электромеханика. Инвертор И2 (типа ИТ-0,3-24)—для гарантированного питания нагрузок устройств СЦБ переменным током (ПХГ,ОХГ), перечисленных в п. 7.5, в которых допускается перерыв электроснабжения. При исправном внешнем электроснабжении инвертор И2 отключен тыловым контактом повторителя аварийного реле ПА, а через фронтовой контакт ПА в полюса ПХГ, ОХГ поступает переменное напряжение (на мнемосхеме ~ - тильда) с распределительной панели. Включенное состояние инверторов И1, И2 контролируется свечением красных светодиодов (К).
Для заряда аккумуляторной батареи (Б) используются стабилизаторы напряжения CHI, СН2 (типа БПС80-Н24-10), на вход которых подается переменное напряжение 220 В с распределительной панели (на мнемосхеме 3~). Ток заряда батареи и ток, потребляемый преобразователем И2 от батареи, измеряется амперметром РА1.
Стабилизаторы напряжения СНЗ—СН5 (типаБПС80-Н24-10) и тока СТ1—СТ4 (типа БПС80-Т-10-24) предназначены для питания релейной нагрузки (П-М) и приборов питающей установки (ЩП-ЩМ). Суммарный ток этих полюсов питания измеряется амперметром РА2. Работу стабилизаторов напряжения СН1—СН5 и тока СТ1—СТ4 в оптимальном режиме поддерживает блок управления зарядом БУЗ (типа БУЗ).
Источники шттания ИП1, ИП2 (типа БПТ, один является основным, а другой резервным) предназначены для питания светодиодных табло аппаратной поста ЭЦ. Для переключения источников используется реле резервирования РИП. По отдельным проводам подается непрерывное питание (ПТ-МТ), импульсное питание с частотой 60 имп/мин (ПТМ- МТ) и импульсное питание с частотой 40 имп/мин (РПТМ-МТ). В цепях импульсного питания применяется датчик импульсов ДИ (типа ДИМ-3) с автозапуском. Светодиоды объектов гарантированного питания (контроль источников питания, участков приближения, удаления и смены направления) получают питание по цепи ПТГ—МТ.
299
Выпрямитель БВ1 (типа БВ) предназначен для питания внепостовых схем (ЛП-ЛМ). Переменное напряжение гарантированного питания (Г) на блок подается через трансформатор TV 1. Контроль исправности блока выполняет реле КБВ. При выключении фидеров переменного тока питание TVI переключается на источник гарантированного питания ПХГ-ОХГ и выход ЛП-ЛМ остается изолированным от батареи. Резервное питание внепостовых схем от батареи включается только при повреждении блока БВ1 через тыловой контакт реле КБВ. Выпрямитель БВ2 (типа БВ) с трансформатором TV2 используется для питания электропневматических клапанов (ЭПК) обдува стрелочных переводов.
На мнемосхеме панели показаны индикаторы: красный АИ—контроля неисправностей блоков питания В1—В9; желтый светодиод ОАИ -отключения аварии блоков питания В1—В9 при переключении соответствующих переключателей на лицевой стороне блока БУЗ. Красный светодиод Н — индикация неисправностей, связанных с обрывом цепей аккумуляторной батареи, понижении напряжения батареи до предельного значения и повреждением блока БУЗ. Зеленый и желтый светодиоды — контроль режимов постоянного подзаряда и форсированного заряда батареи (на мнемосхеме стилизованное изображение режимов в виде прямоугольника и трапеции). Красный светодиод— контроль неисправности вентиляторов аккумуляторного помещения (на мнемосхеме круг с раструбом); Красный светодиод — контроль иеисправ-ности предохранителей питающей установки (на мнемосхеме— изображение предохранителя).
На лицевой ст ороне панели установлен вольтметр PV (на мнемосхеме не показан), подключаемый переключателем SAV для измерения напряжения на аккумуляторной батарее, напряжения на выходе панели для питания релейной нагрузки, напряжения питания внепостовых схем и напряжения питания табло.
7,8.5.	Панель преобразовательная ПП25.1-ЭЦК
Панель ПП25.1-ЭЦК (рис. 7.33) предназначена для питания переменным током частотой 25 Гц фазочувствительных рельсовых цепей с путевым реле типа ДСШ. В панели установлено восемь преобразователей частоты типа ПЧ 50/25-300: два местных — Ш, 2П, и шесть путевых — 11П, 12П, 1ЗП, 21П, 22П, 23П. Все преобразователи получают
300
питание переменным током 220 В от панели П BI 11 - ИДК (i ia мнемосхеме знак ~) через общий автоматический выключатель SB и индивидуальные предохранители 1Х,2Хи 11—13Х, 21—23Х. Ток, потребляемый гсшелью от сети переменного тока при максимальных на! рузках, не превышает 25 А при номинальном напряжении 220 В.
От каждого из местных преобразователей 111 и2П получают питание две группы местных элементов путевых реле (на мнемосхеме 1ХМ1, 1ХМ2 и 2ХМ1, 2ХМ2), всего 4 группы. Максимальный ток каждой группы не должен превышать 1,4 А при напряжении 100—115 В. Питание рельсовых цепей с выхода каждого путевого преобразователя 11— 1ЗП и 21—23П разделено на два луча (11ХЛ1, 11ХЛ2,.. .23ХЛ1, 23ХЛ2), всего 12 лучей. Максимальный ток каждого луча не должен превышать 0,75 А при напряжении 200—230 В. Расчеты показывают [7.13], мощности одной панели достаточно дл я питания рельсовых цепей станции, имеющей 60 цен грализованных стрелок. Для более крупных станций устанавливают несколько панелей ПП25.1 -ЭЦК.
Исправное состояние всех местных и путевых преобразователей контролируется на мнемосхеме панели общим светодиодом желтого цвета (не подписан, располагается между изображениями предохранителей 1ЗХ и 21Х). При отключении напряжения какого-либо из лучей или при отсутствии напряжения на выходе местного преобразователя общий контрольный светодиод желтого цвета гаснет и загорается соответствующий индивидуальный светодиод красного цвета. При отключении неисправного луча соответствующим тумблером (11SA1, 11SA2,... 23SA1,23SA2) питание желтого индикатора восстанавливается.
Переменный ток нагрузки на выходах путевых преобразователей 11П— 1 ЗП измеряется амперметром РА1, а на выходах преобразователей 21П— 23П—амперметром РА2 панели. Подключение амперметра РА 1 (РА2) к выходу соответствующего преобразователя производится переключателем 1SAA (2SAA). Для исключения обрыва лучей питания рельсовых цепей из-за возможных нарушений электрического контакта при поворотах в переключателях 1SAA и 2SAA при их поворотах вначале производится подключение амперметра PAI (РА2) к выходу соответствующего преобразователя переключателем 1SAA (2SAA), а затем нажимается кнопка SB соответствующего преобразователя (USB, 12SB, 13SBn21SB, 22SB, 23SB).
Для измерения напряжения сети на входе панели и напряжений на выходах преобразователей на лицевой стороне панели установлен
301
Рис. 7.33. Мнемосхема преобразовательной панели ПП25.1 -ЭЦК
302
вольтметр PV (на мнемосхеме не показан). Подключение вольтметра к соответствующей цепи осуществляется переключателем SAV.
В панели установлен сигнализатор заземления типа СЗМ (на мнемосхеме не показан), который используются для проверки сопротивления 1130ЛЯЦИИ выходных цепей путевых преобразователей. При срабатывании сигнализатора на мнемосхеме включается светодиод красного цвета, обозначенный изображением разряда на «землю».
7,8.6,	Стрелочная панель ПСТН1-ЭЦК
Стрелочная панель ПСТН1 -ЭЦК (рис. 7.34) предназначена для питания рабочих цепей электродвигателей трехфазного переменного тока стрелочных электроприводов (СЭП) и цепей электрообогрева контактов автопереключателей СЭП.
Для электропитания двух групп рабочих цепей СЭП в панели установлены два трехфазных трансформа тора TV 1 и TV2, а для цепей электрообогрева два трехфазных трансформатора TV3,TV4. Эти трансформаторы предназначены для изоляции от земли соответствующих источников питания. Каждый из трансформаторов имеет номинальную емкость 4,5 кВ-А. Первичные обмотки трансформаторов TV1—TV4 получают питание от смежной панели ПП25.1-ЭЦК переменным током напряжением 220 В (на мнемосхеме 3~) через автоматические выключатели SF1—SF4. Максимально допустимый ток, потребляемой панелью ПСТН1 -ЭЦК от сети трехфазного тока, составляет не более 30 А.
От каждого из трансформаторов TV 1 и TV2 рабочие цепи СЭП могут получать питание с линейным напряжением 225—232 В (на мнемосхеме Р1 и Р2) и с линейным напряжением 238—246 В (РУ 1 и РУ2). Для увеличения напряжения питания рабочих цепей СЭП удаленных стрелок на 7 % (РУ1 и РУ2) используются дополнительные обмотки силовых трансформаторов TV 1 и TV2. Для защиты питающих цепей от внешних перенапряжений—предохранители 1 А, 1 В, 1СсвыравнивателямиК1Л-3 и 2А, 2В, 2С с выравнивателями RU4-6. Напряжение питания цепей электрообогрева (Э1 и Э2) составляет 225—232 В.
Амперметр РА с переключателем S АА (на мнемосхеме не показан) измеряет токи фаз на выходе панели. На лицевой стороне панели установлен вольтметр PV (на мнемосхеме не показан), подключаемый к
303
Рис. 7.34. Мнемосхема стрелочной панели ПСТН1-ЭЦК
304
I
соответствующим цепям переключателем SAV, служит для измерения между фазами нормального и увеличенного напряжения питания двух 1 рупп рабочих цепей стрелок.
Срабатывание автоматических выключателей SF1—SF4 и перегорание 11редохранителей панели контролируется светодиодом красного цвета (на мнемосхеме—изображение предохранителя).
7.8.7.	Щиты выключения питания
Щиты выключения питания с дистанционным управлением ЩВПУ и ЩВПУ1 предназначены для отключения всех источников электропитания в служебно-технических зданиях с аппаратурой СЦБ и связи при возникновении пожара, стихийных бедствий и других необходимых случаях посредством сигнала, посылаемого по кабелю или вручную.
Щиты допускают ввод питающих кабелей трех фидеров трехфазного I временного тока с нулем (ЩВПУ) или двух фидеров и аккумуляторной батареи напряжением 48 В со средним выводом (ЩВ1 ТУ 1); обеспечивают включение (вручную) и отключение (вручную или дистанционным сигналом управления) трех (ЩВПУ) или двух (ЩВПУ 1) трехфазных фидеров и аккумуляторной батареи; обеспечивают первичную грозозащиту и контроль исправности цепей дистанционного управления.
Электропитание схемы щитов ЩВПУ и ЩВПУ1 выполняется от введенных в щиты напряжений переменного тока с номинальным фазным напряжением 220 В и частотой 50 Гц при допускаемых изменениях напряжения в пределах от 187 до 242 В или от аналогичного однофазного источника гарантированного питания, а также от введенного в щит источника постоянного тока с номинальным напряжения 24 В при допускаемых изменениях напряжения в пределах от 21,6 до 28,0 В. Мощность, потребляемая каждым из щигов, составляет не более 60 В-А.
Ток, коммутируемый щитом от источников переменного или постоянного тока, должен составлять не более 200 А в каждой фазе или проводе. По способу защиты от поражения электрическим током щиты относятся к классу I по ГОСТ 12.2.007.0-75.
При отключении питающих фидеров с помощью дистанционного сигнала управления в щитах автоматически формируется сигнал на выключение дизель-генераторного агрегата. В щитах ЩВПУ и ЩВПУ 1
20 Вл. Сапожников
305
предусмотрен контроль исправности и неисправности внутренних цепей и приборов дистанционного управления. На лицевой стороне щитов имеется сигнализация отключенного состояния всех разъединителей, внутри щитов — осветительная лампа, автоматически включаемая при дистанционном выключении разъединителей.
Изоляция всех токоведущих частей по отношению к корпусу щита должна выдерживать без пробоя и явлений разрядного характера в течение 1 мин испытательное напряжение 2000 В переменного тока частотой 50 Гц. Сопротивление изоляции, измеренное мегомметром М4100/3 при напряжении 500 В, между всеми соединенными между собой токоведущими частями и корпусом щита должна быть не менее 50 МОм.
Габаритные размеры щитов ЩВПУ и ЩВПУ1 1200 х 400 х 1900 мм, масса 120 кг.
В качестве разъединителей питающих фидеров и аккумуляторной батареи в щите используются автоматические выключатели QF1—QF4 типа ВА51 -35 с независимыми расцепителями. Выключатели QF отключаются вручную или автоматически внешним напряжением 220 В переменного тока, подаваемым через контакты управляющих реле КЗ (1У) и К10 (2У) на катушки независимых расцепителей (рис. 7.35).
Для проверки готовности схемы щита к автоматическому разъединению при пожарной опасности основные элементы в рабочем состоянии обтекаются постоянным током от батареи П24-М24. При перегорании предохранителей FV1, FV2 контактами контрольных реле К1 (БК) питание схемы переключается на выпрямитель В, контроль исправности которого осуществляет реле К2 (ВК). Реле К2 одновременно контролирует исправность предохранителей FV3—FV6, трансформатора TV, а также наличие переменного напряжения ПХ—ОХ, которое снимается с фазы А одного из включенных фидеров и предназначено для работы независимых расцепителей.
Первая цепь контрольного тока обтекает катушки независимых расце-I жителей QF 1—QF4, включенных последовательно контактами управляющих реле КЗ на обмотку реле К4.1 (1К). Вторая цепь контрольного тока проходит через обмотку реле КЗ (1У), контакт 31-32 реле К8 (Ш), контакт 31-32 реле К2 (ВК), контакт 51-52 реле К1 (БК) и катушку реле К4.2 (2К). Так как реле К4.2 высокоомное, а реле КЗ низкоомное, от этого тока находится в притянутом состоянии якорь реле К4.2 и контролирует исправность управляющего реле КЗ и включенное состояние реле KI, К2 и К8. Через
306
307
фронтовые контакты контрольных реле К4.1 (1К) и К4.2 (2К) на табло включена белая лампа КЩ, контролирующая исправность схемы ЩВПУ.
Связь схемы управления щита с пультом управления ЭЦ осуществляется с помощью поляризованных однополярных реле К8 (Ш) и К9 (2П), имеющих поляризующие обмотки с выводами 1-2 и рабочие обмотки с выводами 3-4. Срабатывание якоря реле происходит при наличии определенной полярности тока в обеих обмотках.
В исходном состоянии кнопки ВЩ пульта управления притянут якорь реле К8 и контролируется исправность этой цепи. При нажатии кнопки ВЩ, полярность тока в обмотках 3-4 изменяется, выключается реле К8 и срабатывает реле К9. Через контакт 31-32 реле К9 от конденсатора С на время более 1 с срабатывает управляющее реле КЗ, через фронтовые контакты которого переменное напряжение ПХ-ОХ подается на катушки независимых расцепителей выключателей QF1—QF3. После разъединения выключателей QF1—QF3 через их блок-контакты 3-4 и контакт 51 -52 КЗ образуется цепь управляющего реле К10 (2У), фронтовыми контактами 31-32 и 51-52 которого напряжение ПХ-ОХ подается на катушку выключателя QF4 для его разъединения. Реле К10 самоблокируется. Контакт 71-72 К10 используется для включения внутри щита осветительной лампы EL.
Последовательно включенными размыкающими контактами 5-6 выключателей QF1—QF4 на двери щита включается светодиод VD 0 красного цвета, а параллельно включенными замыкающими контактами 1-2QF1—QF4 посылается сигнал выключения ДГА.
7.9.	Электропитание устройств микропроцессорной централизации
7,9.1.	Требования к электропитающей установке МПЦ
Основным способом повышения надежности электроснабжения релейных систем электрической централизации является резервирование питающих фидеров. Практика показывает, что использование двух независимых фидеров питания от энергосистем и третьего — от дизель-генераторного агрегата в качестве резервной электростанции позволяет
308
значительно снизить вероятность полного отключения переменного напряжения. Это следует считать для релейных систем ЭЦ достаточной мерой бесперебойности электроснабжения, а качество электроэнергии энергосистем по ГОСТ 13109-97—вполне приемлемым. Более того, по ПТЭ допустим перерыв электроснабжения ЭЦ при переключении с основного фидера на резервный длительностью до 1,3 с.
Функционирование устройств микропроцессорных централизаций (МПЦ) основано на применении синхронных интегральных схем, работающих на тактовой частоте 100 кГц и выше, что влечет за собой более высокие требования к качеству электроэнергии (табл. 7.13), чем это могут обеспечить питающие фидеры, непосредственно подключенные к энергосистеме.
Таблица 7.13
Требования к качеству электроэнергии питания микропроцессорной централизации
Показатели	Нормы качества электроэнергии поГОСТ 13109-97	Требования к качеству электроэнергии питания МПЦ
1.	Отклонение напряжения 2.	Отклонение частоты 3.	Колебания напряжения 4.	Провал напряжения 5.	Временное перенапряжение 6.	Импульс напряжения	± 10% ± 0,4 Гц ±10% Длительность до 30 с Коэффициент 1,47 До 4,5 кВ длительностью до 10 мс	± 1,0% ±0,1 Гц ± 1,0% Недопустим Недопустимо Недопустим
Для обеспечения необходимой электроэнергии питания МПЦ по первым пяти показателям (см. табл. 7.14) используют источники бесперебойного питания (ИБП), изготовленные по технологии on-line. Для защиты от высокочастотных атмосферных и коммутационных импульсов напряжения (6-й показатель качества в табл. 7.14) — изолирующие трансформаторы, а также входные и выходные фильтры. Таким образом, необходимая структура электропитающей установки МПЦ имеет следующий вид (рис. 7.36).
309
7.9.2.	Режимы работы электропитающей установки
Основной режим характеризуется наличием переменного напряжения 220 (380)В в фидерах 1 и 2 энергосистемы и исправным состоянием устройств электропитания. Вводная панель обеспечивает первую ступень защиты питающего напряжения от атмосферных и коммутационных перенапряжений. Напряжение 3x220 В с изолированной нейтралью, снимаемое со вторичной обмотки изолирующего трансформатора TV1 через входной фильтр — вторую ступень защиты от внешних помех — поступает на вход управляемого выпрямителя УВК источника бесперебойного питания ИБП. Постоянное напряжение с выхода УВП через фильтр выпрямителя ФВП (отфильтровываются высокочастотные составляющие выпрямленного напряжения) поступает на управляемый преобразователь УПР (инвертор) и аккумуляторную батарею Б. Аккумуляторная батарея, находящаяся в режиме постоянного подзаряда, заряжена до номинального напряжения. Инвертор УПР преобразует постоянное напряжение в переменное трехфазное напряжение с синусоидальной формой кривой. Это напряжение через выходной изолирующий трансформатор TV2 и выходной фильтр (отфильтровываются высокочастотные составляющие процесса преобразования) поступает в распределительную панель для питания нагрузок МПЦ. Выходная мощность ИБП должна обеспечивать гарантированное питание всех потребителей из расчета 0,6...0,9 кВА на одну централизованную стрелку.
Режим переключения фидеров питания. При переключениях фвдеров энергосистемы возникает перерыв в электроснабжении переменным током. В этом случае инвертор ИБП продолжает работать от постоянного напряжения аккумуляторной батареи. В выходном переменном напряжении отсутствует даже кратковременный разрыв синусоидальной кривой. При восстановлении переменного напряжения энергосистемы выпрямитель УВП начинает работать автоматически, подаст питание на инвертор и подзаряжает аккумуляторную батарею.
Аварийный режим энергосистемы. В отличие от предыдущего режима аварийный режим характеризуется длительным отсутствием внешнего напряжения от энергосистемы. Устройства МПЦ должны получать электроснабжение переменным током от резервной электростанции (ДГА), запуск которой производится автоматически. В случае отказа запуска
311
ДГА инвертор УПР должен работать автономно, только от аккумуляторной батареи, обеспечивая работу в течение двух часов всех устройств мпц в основном и 10 часов в дополнительном аварийном режимах. Таким образом, емкость аккумуляторной батареи ИБП может быть рассчитана по необходимому току разряда (см. формулу (7.6) п. 7.5).
Аварийный режим ИБП, При возникновении неисправностей в схемах выпрямителя УВП, аккумуляторной батареи или преобразователя УПР электропитающая уст ановка МПЦ должна обеспечивать автоматический байпас (обход) неисправных устройств: напряжение с вводной панели подключается непосредственно к распределительной панели. Для исключения перегрузки процессоров МПЦ такое переключение должно происходить за доли одного полупериода питающего напряжения, а начальные фазы напряжений на входе и выходе ИБП должны совпадать.
Режим перегрузки инвертора. При увеличении выходного тока инвертора из-за перегрузки или короткого замыкания нагрузка должна мгновенно (за доли одного пол у периода частоты 50 Гц) переключаться через автоматический байпас на напряжение энергосистемы. После восстановления номинальных параметров нагрузки работа инвертора должна восстанавливается, а нагрузка—автоматически переключаться на напряжение инвертора.
Режим технического обслуживания ИБП. Для производства работ в ИБП должен быть предусмотрен режим его отключения посредством ручного байпаса (байпаса технического обслуживания). В этом режиме отключаются и изолируются все питающие устройства. Цепи байпаса технического обслуживания переключают нагрузку на напряжение энергосистемы без прерывания синусоиды питающего напряжения, одновременно i aj тьванически отделяя устройства ИБП от этого напряжения.
7.9.3.	Проектирование фидеров электропитания
Основные расчетные соотношения при реализации электропитающих устройсгв МПЦ должны учитывать нелинейность фазных входных токов, потребляемых ИБП. Эти токи имеют импульсный характер, что объясняется наличием в структуре ИБП сетевого выпрямителя, сглаживающего емкостного фильтра и параллельно включенной аккумуляторной батареи. При
312
приближении кривой питающег о напряжения к максимальному значению электронные вентили диод| юг о моста скачкообразно меняют свое сопротивление от бесконечности до определенного малого значения. Этот характер изменения сопротивления вентилей равносилен включению или отключению ими нагрузки. Таким образом, периодическое включение и отключение цепи приводит к появлению в фазах коротких импульсов потребляемого тока.
Эти токи в каждой фазе выпрямителя представляют собой несинусоидальный периодический сигнал, который можно представить в виде суммы бесконечного ряда синусоидальных сигналов без постоянной составляющей с нечетными кратными частотами. Например, ток фазы А может быть представлен в виде zA = qА + /ЗА + z5A + z'7A + z9A +...
В симметричной трехфазной системе гармонические составляющие токов во всех трех фазах сдвинуты на 120° по отношению друг к другу, и в результате сумма токов нечетных гармоник, не кратных трем (т. е. 1, 5, 7, 11 и т.д.), в нейтральном проводе трехфазной сети равна нулю. Следовательно, не возникает и падения напряжения на сопротивлении провода нейтрали в кабеле. Гармоники тока, кратные трем (т.е. 3,9,15, 21 и т. д.), сдвинуты на 360° друг к другу, совпадают по фазе и образуют нулевую последовательность. Нечетные гармоники, кратные трем, суммируются в проводнике нейтрали, поэтому действующее значение тока в нем равно
/АГ - 3^/3 +/9 +7(5 +?.. .
В результате с учетом того, что эти гармоники составляют большую долю в действующем значении фазных токов, общий ток в нейтрали может превышать (в пределе) фазные токи в Уз раз. Например, исследования сетей с импульсными источниками питания показывают [7.20], что при фазных токах, равных 37 А, ток нейтрали составляет 55 А при частоте, равной 150 Гц.
Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании четырехпроводных кабелей питающих фидеров МПЦ, подключенных к энергосистеме. Нулевой провод этих кабелей должен быть рассчитан для пропуска тока в Уз раз большего, чем максимальный ток фазы.
313
7.10.	Техническое обслуживание устройств электропитания
Техническое обслуживание (ТО) и текущий ремонт (ТР) устройств железнодорожной автоматики и телемеханики—основные виды деятельности дистанций сигнализации и связи.
Целью ТО и ТР является поддержание работоспособности систем автоматики и телемеханики на заданном уровне надежности функционирования при обеспечении безопасности движения поездов [43,44]. Необходимость ТО вызвана тем, что в процессе эксплуатации из-за износа, старения, дефектов изготовления, а также воздействия окружающей среды изменяются характеристики аппаратуры, что может стать причиной опасных или защитных отказов устройств. В эксплуатационных условиях различают [43] регламентное ТО, техническое обслуживание с периодическим контролем и ТО с непрерывным контролем.
Регламентное техническое обслуживание выполняется с периодичностью и в объеме, установленном Инструкцией ЦШ-720 [45], как правило, независимо от технического состояния устройств. Регламентное ТО—основной вид технического обслуживания устройств железнодорожной автоматики и телемеханики и носит планово-предупредительный характер в отношении отказов устройств.
Техническое обслуживание с периодическим контролем устройств СЦБ выполняется с периодичностью, определяемой соответствующим нормативным документом, а объем необходимых работ устанавливается в зависимости от фактического технического состояния контролируемого устройства. Поэтому такой вид ТО называют также обслуживанием по состоянию.
Техническое обслуживание с непрерывным контролем предполагает автоматизированный контроль состояния устройств СЦБ с использованием технических средств диспетчерского контроля. Эти средства в зависимости от назначения должны в простейшем случае фиксировать отказ устройства, а в общем случае распознавать более сложное событие — переход устройства в предотказное состояние.
Все работы по ТО должны выполняться строго в соответствии с утвержденными технологиями [46] обслуживания, как правило, в два
314
лица, с обязательным контролем качества выполненных работ. При производстве работ, в том числе регламентных, способных нарушить нормальное действие устройств СЦБ, долж1 ю быть получено разрешение дежурного по станции или поездного диспетчере!, оформленное записью в Журнале осмотра путей, стрелочных переводов, устройств СЦБ, связи и контактной сети формы ДУ-46. Перечень таких работ приведен в инструкции ЦШ-530 [44]. Основные технические указания по проведению ТО устройств СЦБ приведены в Инструкции ЦШ-720 [45].
Плановые работы, сопряженные с выключением действия устройств СЦБ с сохранением или без сохранения пользования сигналами, должны выполняться, как правило, в технологические «окна», предусмотренные в графике движения поездов. Запрещается при выполнении работ на устройствах ЖАТ, не выключенных установленным Инструкцией ЦШ-530 порядком, устанавливать перемычки и создавать искусственные цепи электропитания приборов СЦБ.
Периодичность регламентного технического обслуживания устройств электропитания приведена в табл. 7.14.
Таблица 7.14
Периодичность технического обслуживания устройств электропитания
Вид устройств и наименование работ	Исполнитель	Периодичность выполнения работ
1. Основные и резервные источники электропитания		
1.1.	Проверка напряжения всех цепей питания на питающей установке 1.2.	Внешний осмотр элементов питающей установки 1.3.	Проверка правильности фа-зировки основного и резервного источников электропитания 1.4.	Проверка состояния выпрямителей с измерением выпрямленного напряжения	ШНС, ШН ШНС, ШН, работник РТУ ШНС, ШН ШН	Один раз в месяц Один раз в два года После переключения кабелей электропитания Один раз в год
315
Продолжение табл. 7.14
Вид устройств и наименование работ	Исполнитель	Периодичность выполнения работ
1.5.	Проверка наличия и исправности резервного питания переменного тока на станциях путем переключения с основного источника на резервный с измерением напряжения: - при отсутствии контроля	ШН	Один раз
резервного питания у дежурного персонала - при наличии контроля ре-	ШН	в квартал Два раза в год
зервного питания у дежурного персонала 1.6. Проверка состояния и проб-	ШПС, ШН	Два раза в год
ный запуск преобразователей напряжения резервного питания с подключением нагрузки 1.7. Проверка соответствия но-	ШН,	Один раз в год
миналов плавких вставок предохранителей и автоматических выключателей в кабельных ящиках, релейных шкафах и вводных панелях постов ЭЦ, ДЦ, а также мощности, потребляемой устройствами 1.8. Измерение напряжения на	работник ЭЧ ШН,	Два раза в год
вводных панелях постов ЭЦ, ДЦ и в релейных шкафах на станциях и перегонах со стороны основного и резервного источников электропитания; переход питания с основного на резервное и обратно с проверкой отсутствия перекрытия светофоров по главным и приемоотправочным путям, по которым предусматривается безостановочный пропуск поездов	работник ЭЧ	
316
Продолжение табл. 7.14
Вид устройств и наименование работ	Исполнитель	Периодичность выполнения работ
1.9. Участие в проводимой работниками ЭЧ проверке времени переключения фидеров высоковольтной линии АБ и постов ЭЦ, ДЦ на пунктах электропитания с основного на резервный и обратно 1.10. Проверка правильности подключения устройств заземления опор контактной сети, постов	секционирования, мостов и других конструкций, присоединений отсасывающих линий, междупутных электротяговых соединителей к электрическим рельсовым цепям с анализом плана их подключения	Работник ЭЧ, ШН Работник ЭЧ, ШН	Один раз в год Один раз в год
2. Аккум]	ляторы	
2.1.	Проверка состояния кислотных аккумуляторов с измерением напряжения и плотности электролита на каждом аккумуляторе при выключенном переменном токе на станциях и перегонах: -	с автоматической регулировкой напряжения заряда -	без автоматической регулировки напряжения заряда 2.2.	Проверка напряжения всех цепей питания на питающей установке 2.3.	Проверка работы блоков автоматической регулировки напряжения аккумуляторных батарей: -	при сменном режиме работы -	без сменного режима работы	• ШН ШН ШНС, ШН ШН ШН	Один раз в четыре недели Один раз в две педели Один раз в месяц Один раз в смену Один раз в неделю
317
Продолжение табл. 7.14'
Вид устройств и наименование работ	Исполнитель	Периодичность выполнения работ
2.4. Проверка работы схемы контроля разряда аккумуляторной батареи на станциях	ШН	Два раза в год
2.5. Проверка состояния и работы вентиляционной установки	ШН	Один раз в квартал
2.6. Окраска аккумуляторных стеллажей	ШЦМ	По необходимости
3. Дизель-генераторный агрегат (ДГА)		
3.1. Внешний осмотр и чистка ДГА; проверка наличия топлива, уровня масла и воды; пуск ДГА без нагрузки; проверка вырабатываемых частот и напряжений, действия системы сигнализации и контроля	ШН	Один раз в месяц
3.2. Проверка крепления и натяжения ремней, зазоров в клапанах; замена масла; чистка и проверка деталей установки; промывка фильтров; проверка генератора и стартера; чистка монтажа и деталей щитов управления и блока автоматики	ШНС, ШН	Один раз в год
3.3. Проверка состояния реле, кнопок, рубильников, чистка и регулировка контактных пружин	шнс,шн	Два раза в год
3.4. Проверка состояния и пробный запуск ДГА с подключением нагрузки	ШНС, ШН	Два раза в год
3.5.	Технический осмотр установки ДГА: -	проверка топливной системы, угла опережения подачи топлива; промывка системы охлаждения и смена пресной воды; проверка системы смазки; -	промывка воздушного фильтра, колеса турбины, трубок холодильника воздуха, маслоотделителя системы, вентиляции картера; проверка кривошипно-шатунного механизма, топливного насоса, муфты отбора мощности, привода генератора;	Исполнителя работ устанавливает шч	Один раз в год
318
Продолжение табл. 7.14
Вид устройств и наименование работ	Исполнитель	Периодичность выполнения работ
- проверка действия ДГА после осмотра с подключением нагрузки.		
4. Защитные устройства		
4.1. Проверка состояния предохрани-	ШН	Один раз в три
телей, действия схем контроля перегорания, надежности крепления, соответствие их номиналов утвержденной документации		года
4.2. Измерение тока нагрузки на пре-	ШНС,ШН	После перемон-
дохранитель		тажа устройств
4.3. Замена предохранителей (незави-	ШН	По инструкции
симо от их состояния) на проверенные в РТУ		№ ЦШ-720
4.4. Проверка и регулировка приборов	ШН,	По инструкции
грозозащиты, замена разрядников	работник	№ ЦШ-720
и выравнивателей	РТУ	
4.5. Проверка состояния видимых элементов заземляющих устройств	ШН	Один раз в год
постов ЭЦ, релейных шкафов, кабельных ящиков, светофорных мачт и других сооружений СЦБ		
4.6. Выборочное вскрытие грунта и	ШН,	Один раз в пять
осмотр элементов заземляющих устройств, находящихся в земле	Illi I^M	лет
4.7. Проверка состояния и исправности искровых промежутков, диодных заземлителей релейных шкафов и светофоров измерительным прибором	ШН	Один раз в год
4.8. Измерение сопротивления всех	ШН,	Один раз в три
защитных заземлений оболочек	работник	года
кабеля; проверка целостности выравнивающих контуров измерительным прибором	РТУ	
4.9. Проверка состояния дренажных и	ШН,	Один раз в год
катодных защитных установок на	работник	
участках с электротягой постоянного тока	РТУ	
319
Продолжение табл, 7.14
Вид устройств и наименование работ	Исполнитель	Периодичность выполнения работ
5. Кабельная сеть и внутренний монтаж		
5.1. Измерение сопротивления изоля-	ШНС,	Перед пуском
ции жил кабеля по отношению	работник	устройств в экс-
к земле и другим жилам	РТУ	плуатацию или замены кабеля
5.2. Измерение сопротивления изоляции жил кабеля, в том числе запасных, по отношению к земле с минимальным отключением монтажа на станциях и перегонах	ШНС, шы	Два раза в год
5.3. Измерение на станциях и псрего-	ШН,	Один раз в квар-
нах сопротивления изоляции монтажа электрических цепей с кабелем, неконтролируемых сигнализатором заземления. Проверка состояния изоляции кабелей от корпусов релейных шкафов и светофоров на участках с электротягой 5.4. Проверка сопротивления изоляции монтажа на станции, оборудованной сигнализатором заземления:	шцм	тал
- при сменном режиме работы	ШН	Один раз в смену
- без сменного режима работы	ШН	Один раз в неделю
5.5. Проверка работоспособности схем контроля сопротивления изоляции цепей питания относительно земли	ШН	Один раз в квартал
КОНГРЭЛЬНЫЕВОПТОСЫ
1.	Как выполняется электропитание устройств автоблокировки и переездной сигнализации на участках с электротягой переменного тока?
2.	Каковы правила сооружения низковольтных и высоковольтных заземлений на сигнальных установках автоблокировки?
3.	Поясните принцип действия полупроводникового преобразователя напряжения типа ППШ-3.
4.	Как организуется электропитание аппаратуры центральных постов и линейных пунктов диспетчерской централизации?
5.	Какие функции выполняют регуляторы напряжения типов РТА?
6.	В чем заключаются особенности электропитающих устройств входных светофоров?
7.	Поясните принцип действия регулятора напряжения типа РТА-1 и реле напряжения типа РНП.
8.	Что такое индекс кислотного аккумулятора типа СК?
9.	В чем заключается суть расчета емкости станционной аккумуляторной батареи?
10.	Как предотвращаются опасные отказы в устройствах электрической централизации при отключении и переключении фидеров питания?
11.	С какой целью на постах ЭЦ и ДЦ используются сигнализаторы заземления?
12.	Поясните принцип действия сигнализатора заземления СЗИ-1.
13.	Какие применяются варианты электроснабжения промежуточных станций?
14.	Какие функции выполняют вводные панели питающих установок ПВ2-ЭЦиПВ1-ЭЦК?
15.	Какие функции выполняют распределительные панели питающих установок ПР2-ЭЦ и ПР1 -ЭЦК?
16.	Поясните принципы организации электроснабжения электрической централизации крупных станций.
17.	Как составляется комплектация панелей электропитающей установки системы ЭЦК?
18.	Чем объясняется необходимость применения источников бесперебойного питания в микропроцессорных системах?
19.	Как в эксплуатационных условиях организуется техническое обслуживания устройств электропитания?
20.	Какова периодичность работ по техническому обслуживанию аккумуляторных батарей?
21 Вл. Сапожников
321
Глава 8
ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ СВЯЗИ
8Л. Выпрямительные устройства
Для аппаратуры автоматики и связи одним из основных конструктивно законченных элементов электропитающих установок являются выпрямительные устройства. В разное время было разработано и выпускалось промышленностью большое число различных выпрямителей, многие из которых нашли применение на железнодорожном транспорте. Многообразие вьшрямительных устройств затрудняло их эксплуатацию и ремонт, поэтому теперь стремятся уменьшить число различных типов выпрямителей и унифицировать их элементы.
Все выпрямительные устройства условно можно разбить на две группы—неавтоматизированные и автоматизированные. Неавтоматизированные выпрямители чаще всего предназначены для заряда отдельных аккумуляторов и небольших аккумуляторных батарей. Они получают питание от однофазных сетей переменного тока, имеют небольшую мощность и простейшие регуляторы или вообще не имеют устройств регулирования. Автоматизированные выпрямительные устройства используют в основном для буферной системы питания совместно с кислотно-свинцовыми аккумуляторами. Некоторые типы автоматизированных выпрямителей служат для безаккумуляторной системы питания. Выпрямители этого типа имеют элементы стабилизации напряжения и тока, а также ряд других элементов, обеспечивающих автоматизацию процесса эксплуатации. Автоматизированные выпрямители подключают к одно- или трехфазным сетям переменного тока, рассчитанным на различные мощности.
В конце 40-х г. заводы начали выпуск вьшрямителейтипа ВУ, которые неоднократно модернизировали. Первая серия этого типа—ВСК- выпрямитель селеновый системы Казаринова—выпущена в 1946 г. Затем были разработаны выпрямители других серий: ВСС—выпрямитель селеновой стабилизированный; ВУ—выпрямительное устройство; ВУК—выпрямительное устройство на кремниевых вентилях; ВУТ—выпрямительное устройство с тиристорами. Выпрямители этого типа широко применяют на железнодорожном транспорте.
322
Специально для использования в системах автоматики и связи были разработаны выпрямители ти1 ia ВСП, которые выпускают заводы отрасли. Ряд устройств для питания аппаратуры автоматики был разработан конструкторским бюро Главно! о управления сигнализации и связи МПС с участием института «Гипротранссигналсвязь». К ним относятся: аппаратура электропитания ЭЦ промежуточных и крупных станций, автоматические зарядные устройства аккумуляторных батарей, сигнальных точек автоблокировки и переездной сигнализации, полупроводниковые реле контроля напряжения, автоматические переключатели режима светофорных ламп «День-ночь» и ряд других устройств. Новая аппаратура разработана на современной элементной базе с безынерционными статическими тиристорными преобразователями и управляемыми выпрямителями.
Выпрямительные устройства типа ВАК (выпрямитель автоблокировочный купроксный) применяют для питания устройств автоблокировки, которые используются для непосредственного питания устройств автоматики, а также при работе (в буферном режиме) с аккумуляторными батареями. Выпрямитель типа ВАК содержит однофазный трансформатор с магнитным шунтом, с помощью которого регулируется напряжение на его вторичной обмотке. На выходе трансформатора включена схема мостового выпрямителя. Первые выпрямители были с купроксными вентилями, затем их заменили на селеновые, а позднее — на кремниевые. Эти выпрямители не содержат устройств стабилизации, рассчитаны на небольшие мощности, выпускают на номинальные напряжения 2,2 и 13,2 В и имеют диапазон изменения тока нагрузки от 0,1 до 2,4 А.
Выпрямительные устройства типаВУС (выпрямительные устройства для питания стрелочных электроприводов) используют для питания электроприводов с электродвигателями постоянного тока. Они содержат однофазный трансформатор с мостовой схемой выпрямления, выполненной на кремниевых вентилях. Эти выпрямители выпускают на номинальную мощность 1,3 кВт. Номинальное напряжение на выходе выпрямителя 160 В, максимальное—190 В при номинальном входном напряжении 220 В.
Выпрямительные устройства типа В А С (выпрямители с селеновыми вентилями для заряда аккумуляторов) широко применяют для питания устройств автоматики и связи с небольшим потреблением тока.
323
Они содержат однофазный трансформатор, подключаемый к сети переменного тока. На выходе трансформатора имеется мостовая схема выпрямителя на селеновых вентилях. Выпрямители выпускают на различные выходные напряжения в диапазоне от 6 до 120 В с токами потребления от 2 до 12,6 А.
Стабилизированные выпрямители типа ВБ (выпрямитель для безаккумуляторного питания) служат для питания АТС небольшой емкости (до 500 номеров). Они могут работать в буферном режиме непрерывного подзаряда с аккумуляторными батареями и непосредственно на нагрузку. Выпрямитель типа ВБ содержит феррорезонансный стабилизатор, выпрямительный мост и сглаживающий фильтр. Выпрямитель подключают к однофазной сети переменного тока с напряжением 220 В. Три изменении входного напряжения от 80 до 100 % и тока нагрузки от 5 до 100 % погрешность стабилизации напряжения +4 % от номинального значения. Фильтр снижает пульсацию псофометрического напряжения до 5... 10 3 £. Основные электрические характеристики этих выпрямителей приведены в табл. 8.1.
Выпрямители стабилизированные полупроводниковые типа ВСП предназначены для работы в двух режимах: автостабилизации напряжения (при буферной системе питания в режиме непрерывного подзаряда) и автостабилизации тока (при заряде аккумуляторных батарей). Точность стабилизации напряжения +2,5 % от номинального при колебаниях напряжения сети от 80 до 100 % и изменении тока нагрузки от 20 до 100 % от номинальных значений (см. табл. 8.1). Их выпускают заводы ОАО «РЖД» на малые и средние мощности от 0,2 до 4 кВт и на различные номинальные напряжения от 24 до 400 В.
Эксплуатационные переключения выполняю!' вручную с помощью элементов коммутирующего устройства (КУ). Отсутствие устройств, обеспечивающих автоматический переход из режима стабилизации тока в режим стабилизации напряжения, не позволяет использовать выпрямители типа ВСП в автоматизированных ЭПУ. Имеется возможность параллельной работы двух одинаковых выпрямителей типа ВСП.
Выпрямители можно применять без буферных аккумуляторных батарей. В этом случае для уменьшения пульсации вместо основных элемен] ов должны быть включены батареи конденсаторов соответствующей емкости. При использован™ одаогруппных аккумуляторных батарей вместо основных элементов второй группы также включают батарею
324
sp		СЗ у о	я о я я	ихэонтпогм		СП		МП МП О	40 О		о	о	о		О'	Гч О	0,72	О'	ОС 4© О
vi		н с о	я ’§		КИЯХЭИ9Е	сл			мп		т—<	СП				ОС	С-4	С-4	CS ГУ7
		Я к	л to		ОЛОНЕЭ1ГОЦ			о	<ч		о	с	o’		о	о	С4 О	*4 о	о
		о п<																	
		a Irenes	у . дя ЧхэонТподо квжжкдэдхоц			Y—(		2,21	МП 00		1Г) сП «4	сП оо	сл		00	16,7 1	29,5	о	оо оо"
	>s ©	я о о	а (огг) os с иинэжксЬ.тен иди ‘у <^ojj			О		о Т" -Я	24,4/13		6,6/11,4 ।	27,9/48,1	‘су »—< UO 4©		ОС Гч С J сл 04 СП*4	25,4/34,2	40 7 оо	106,4/84	13,3/23,1
	*4 © S S к Он e	Я Я я сЗ			% ‘ЕМОХ ИИП верши дихо чхэоннод,	04		О	о		сч <1		О cq 1 о		10—20	10—20	10—20	10—20 !	10—20
	2 co a * a H Q	со S tx а VO са н о	тока	д ‘кинэжкднкн кинэнэмеи iqirgtfadjj		оо	ямители	мп СП 1 4© сл	о 04 МП 40	ямители	40 СП 40 СЛ	40 СО 40 С4	о О 40 ио	пели	40 1 ОС 40)	58—67	58—67	58—67 !	116—140
	a a. © s Я fin cs	я * о кГ id			у ‘ПЛОХ 0Л0И1ЭЕ9 -икявнехэК rnfstfedjj		шые выпр.	S 1 ОО	40 сп 1 сл	шые выпр.	18—60	О 40 С) £2	vn 7 ип <4	выпрямит	21—70	42—140 j	78—260 1	150—600	35—140
	и © s й u ©	О о о я а		(Ф°эидп) QIAI ‘кин -EHNXEgEdO киПеэчеЛц		чо	ю-буфер	(2,4)	м7	ю-буфер	(2,4)	250/15	S	ж §-			У		3000
	a a S © <*>	« о н о о с СЗ Я	(X Я Я о * W Cl	;е.пы	у ‘иясЛдх -ЕН ЕЯОХ КИНОПЭКЕИ	ю	1 со	О СО 1 ЧО	о 40 о	В	S 40	о 40 ГО 1 •40 СЛ	W) 04 UO С4		1,25—25	ОД—94'	о	30—600	м^) СП мп <4
	Ф л M M Й	о о	СЗ Я	Пред	g ‘KHHQJKKduEH			оо СЛ	40 40		СП	СП	40		о	40 1	40	40	7г
	© a о О				ОЛОИЭЕЯИИЯЕНЕХЭЛ			СП сл	СО МП		40 СЛ	чО СЛ	ОО		So 40	1 ОО МП	ОО мп	оо 4Г)	40
		хдя ‘чхэоШткж ЬЕНЧ1ГЕНИН0Н				СП		0,72	40 сп		сл	04	СЛ сл			04	40	О	хГ
				1	9 ‘эинажкднвн				ГЛ		—X.		C^J		г-*)		СП	гп	о
					90НЧ1ГЕНИМ0Н	сл		СЛ	Ч—Z 40		\| сЛ	?1	40		40	40	40	40	сл •J—®
			ЕЯХОИОд хэЛ охончиохимкдшчд uhjl			> !		О СП сл с	О 40 S		''К 36/60	HG6/260	90/25		О 40	К67/140 !	К67/260	Кб 7/600	К140/55
								РО	ри		CQ	CQ			CQ	2	ри	рп	CQ
325
Продолжение таблицы 8.1
со	ямители		 	 	 		0,68	0,66		0,7	0,67	о	пели 	 	 		0,69	1	С		С	UO О	0,75	ос о
сч		0,78	ос •4		04 О	0,80	0,84		0,85	1	1		1	0,57	0,62	4D
г-Н		1	1		1	>	1		1	1	1		1	।	1	1
О		1	1		1	1	1		1	1	1		1	1	1	1
04		20		0Z		|	20		I	20		20		20	20	20		20	1	1	1
ОС		40 ср сч сч	40 СО		40 СЧ СЧ	40 СО 1 сч СЧ	56—90			56—74			56—74	f	60—84	60—84
																
			сч сч								40 ио					
	50 S з:	1			1	1	1	выпрямш	1	1			1	1	1	1
40	Й" о	о	с с		100/10	100/10	1	-ферные	250/15	250/15	1/ С 1/ С	5 ) ч	250/15	(2,4)	(S)	•7?
		О 40	V г	ч	Со сч	о ю	-25			125	с	5	о 40	40	о V—<	-15
																
V” )					1	1							1		со	UO
							1	J									
					о	о				о			О		О	гч
xj-		со Г1 СЧ	е* г с	> Ч	22—31	со СЧ СЧ	56—90 ;		56—67	56—67	4£ 4£ 1/	р 1	56—67	1	34—72	54—72
СО		сч			ос	16	сч		тГ,	ос	91		о	0,14	0,6	0,9
СЧ		24	24		24	24	60		09	60	09		09	24	09	60
		ВУТЗ 1/60	ВУТЗ1/125		ВУТЗ 1/250	ВУТЗ 1/5 00	ВУТ90/25		ВУТ67/70	ВУТ67/125	ВУТ67/250		ВУТ67/600	ВБ 24/6-3	ВБ 60/10-3	ВБ 60/15-3
Примечания: 1. КПД и коэффициент мощности cos ср указаны при номинальном напряжении сети и максимально отдаваемой мощности.
2. В числителе указана пульсация для частоты f до 300 Гц, а знаменателе — для частоты f=300 Гц и выше.
конденсаторов, обеспечивающую сглаживание пульсации в период отключения батареи для ремонта или профилактики.
Для безаккумуляторпого питания выпускают специальные выпрямители типа ВСП, работающие совместно с полупроводниковыми преобразователями. При аварии сети переменного тока эти преобразователи автоматически подключаются к батарее с напряжением 24 В, обеспечивающей питание соответствующей аппаратуры.
Комплекты вьшрямительных устройств типа СВСП-24/10 и СВСП-24/20 состоят из блоков выпрямителей типа ВСП-24/10 и коммутирующих устройств, смонтированных на стойке. Все остальные выпрямители и коммутирующие устройства изготовляют в виде отдельных шкафов.
Выпрямительное устройство типа ВСП-60/20 (рис. 8.1) предназначено для питания АТС. Номинальное выпрямленное напряжение 60 В, максимальный ток в нагрузке 20 А.
Рис. 8.1. Структурная схема выпрямителя типа ВСП-60/20
Основными элементами выпрямителя являются силовой трансформатор ТС, основной выпрямитель ВО и сглаживающий фильтр Ф. Блок автоматической регулировки состоит из измерительной системы ИС, контролирующей напряжение на выходе выпрямителя, усилителя сигнала рассогласования УСР и вольтодобавочных трансформаторов ВДТ, регулирующих напряжение на выходе силового трансформатора ТС.
327
Усилитель сигнала рассогласования УСР содержит преобразователь постоянного тока в переменный—модулятор М, усилитель переменного токаУС и фазочувствительный детектор ФД, преобразующий переменный ток в постоянный с учетом знака сигнала рассогласования.
При отклонен ии напряжения на выходе выпрямителя от заданного в измерительной системе ИС появится сигнал рассогласования постоянного тока, который в модуляторе М преобразуется в сигнал переменного тока, усиливается в УС и поступает на ФД. После детектирования сигнал постоянного тока поступает на ВДТ. В зависимости от знака сигнала рассогласования переменное напряжение на выходе ВДТ будет в фазе или в противофазе по отношению к сетевому. Это напряжение складывается (или вычитается) с напряжением сети, т.е. напряжение на входе силового трансформатора ТС поддерживается практически постоянным независимо от колебаний напряжения сети или изменения тока нагрузки.
В режиме непрерывного подзаряда на выход выпрямителя подключаются основные элементы ОЭ аккумуляторной батареи. При аварии в сети или в выпрямителе напряжение основной батареи уменьшается. Для обеспечения необходимого напряжения на нагрузке последовательно с основными элементами подключают дополнительные элементы ДЭ, которые подзаряжаются от трансформатора TV и дополнительного выпрямителя ВД.
Выпрямительные устройства типа ВУК (рис 8.2) предназначены для питания устройств связи. Различают два типа таких выпрямителей— буферные и зарядно-буферные. Буферные выпрямители (ВУК-67/70, ВУК-67/140 и т.д.) работают в режиме непрерывного подзаряда с аккумуляторными батареями.
Зарядно-буферные выпрямители (ВУК-36/60, ВУК-90/25 ит. д.) с широким пределом устанавливаемого напряжения, кроме буферного режима, позволяют осуществлять также режим двухступенчатого заряда аккумуляторных батарей. Первый этап заряда происходит в режиме стабилизации тока, второй—в режиме стабилизации напряжения.
Выпускаюттакже выпрямитель типа ВУК-8/ЗОО, служащий для заряда двух или трех аккумуляторов в ЭПУ с секционной батареей. Его используют в качестве вольтодобавочного (буферного) выпрямителя с выпрямителями, предназначенными только для буферной работы. Выпрямители типа ВУК выпускают на различные номинальные напряжения (24,60, 120, 220, 320В) и мощности (2, 4, 9, 16, 40 кВт).
328
Рис. 8.2. Структурная схема выпрямителя типа ВУК
В режиме стабилизации напряжения выпрямители обеспечивают 1 югрешность стабилизации ±2 % при изменении входного напряжения от-15 до 4-5 %. В режиме стабилизации тока выпрямители типа ВУК обеспечивают погрешность стабилизации +10 % при изменении тока нагрузки в диапазоне от 50 до 100 %. Эти режимы выдерживаются при отклонении частоты питающего напряжения сети от 49 до 51 Гц.
Выпрямительные устройства имеют автоматическую защиту от 11ерегрузок и короткого замыкания. Они отключаются автоматически при । фопадании питающего напряжения и также автоматически включаются 11ри его появлении. При восстановлении напряжения сети выпрямители типа ВУК включаются в режиме стабилизации тока с последующим автоматическим переключением в режим стабилизации напряжения, ориентируясь по напряжению буферной аккумуляторной батареи. Выпрямительные устройства допускают параллельную работу от 2 до 4 выпрямителей типа ВУК. При выходе из строя одного из рабочих выпрямителей он автоматически выключается и заменяется на резервный.
Электроиитающие установки, оборудованные выпрямительными устройствами типа ВУК, обеспечивают работу в автоматизированном режиме.
Основным элементом силовой цепи выпрямителей типа ВУК (рис. 8.2) является силовой трансформатор ТС, включенный через трансформаторы тока ТТ. На выходе ТС включен дроссель насыщения ДН, регулирующий и стабилизирующий выпрямленное напряжение и ток. Основной
329
выпрямитель ВО преобразует переменный ток в постоянный. На выходе ВО включен фильтр Ф, сглаживающий пульсацию выпрямленного напряжения. К сети переменного тока выпрямительное устройство подключается через контакты КТ контактора переменного тока, а к нагрузке — через контакты КП контактора постоянного тока. Кроме основных элементов силовой цепи выпрямитель типа ВУК содержит дополнительные устройства, обеспечивающие режим его работы. Полупроводниковый стабилизатор ПС является элементом сравнения сигналов, подаваемых с выхода основного выпрямителя или с трансформатора тока, с заданным (опорным) сигналом. При работе выпрямителя в режиме стабилизации напряжения (переключатель SА2 находится в положении 1 с выхода основного выпрямителя (после фильтра Ф) сигнал поступает на ПС, где он сравнивается с опорным. Если выпрямительное устройство работает в режиме стабилизации тока (переключатель S А2 находится в положении 2), на вход ПС сигнал подается от одного из трансформаторов тока через вспомогательный выпрямитель ВВ2 и также сравнивается с опорным. В обоих случаях отклонение параметров от номинальных значений сравнивается в полупроводниковом стабилизаторе ПС, усиливается и подается на обмотку подмагничивания дросселя насыщения ДН. При этом индуктивное сопротивление ДН изменяется так, что регулируемые параметры напряжения или тока доводятся до номинальных значений.
От трансформатора тока ТТ управляются системы защиты, ограничения тока и параллельной работы выпрямителя. С помощью вспомогательного выпрямителя ВВ1 от сети переменного тока питаются системы управления и сигнализации. Выпрямительное устройство отключается от сети ремонтным разъединителем SA1. По своим электрическим характеристикам выпрямители типа ВУК превосходят выпрямители, выпускавшиеся ранее (см. табл. 8.1). Они имеют более высокий КПД и совершенную систему регулировки. Однако на кремниевых вентилях, применяемых в основном выпрямителе, рассеиваются довольно значительные мощности. Поэтому вместо выпрямительных устройств этой серии разработаны и выпускаются нашей промышленностью более экономичные тиристорные выпрямители типа ВУТ.
Выпрямительные устройства типа ВУТ используют в неавтоматизированных и автоматизированных ЭПУ. Эти выпрямители работают в режиме автостабилизации напряжения при буферной работе с аккуму-
330
няторными батареями по способу непрерывного подзаряда и в режиме < )i раничения тока при заряде аккумуляторных батарей. Выпрямители вы-। |ускают на номинальные nai [ряжения 24 и 60 В, номинальные мощности 4,9.16 и 40 кВт. Разработка и внедрение выпрямителей серии ВУТ дали я 1ачительный экономический эффект за счет снижения расхода цветных металлов, трансформаторной и конструкционной стали. С применением । иристоров уменьшились масса и габаритные размеры выпрямительных устройств, увеличился их КПД. Для преобразования переменного тока в постоянный в выпрямителях используют управляемую трехфазную мос-। овую схему на тиристорах с импульсно-фазовым способом управления.
Схема выпрямительного устройства типа ВУТ (рис. 8.3) содержит силовую часть из ремонтного разъединителя Q, контакторов постоянного 11 переменного токов КМ 1 и КМ2, трансформаторов тока ТТ, силового
Рис. 8.3. Структурная схема выпрямителя типа ВУТ
331
трансформатора ТС, тиристорного выпрямителя В, сглаживающего фильтра Ф; систему управления тиристорами из трансформаторов питания и сигнализации Т, блока питания 577, задающего генератора ЗГ, усилителя постоянного тока УПТ, двух фазосдвигающих устройств ФС1 и ФС2, распределителя импульсов РИ; систему автоматики из трансформатора ТА, вспомогательного выпрямителя ВВ и элементов автоматики, защиты и сигнализации А.
В силовой части трехфазный переменный ток преобразуется в постоянный. Регулирование и стабилизация выпрямленного напряжения и тока осуществляются за счет изменения момента включения (угла регулирования а) тиристоров. Для получения заданных выходных параметров выпрямителя угол регулирования изменяется от a j до атах Система управления создает синхронизированную с напряжением питающей сети многофазную систему сигналов управления, обеспечивающую четкое отпирание тиристоров в выпрямительном мостике. Кроме того, она обеспечивает сдвиг фазы управляющих сигналов относительно переменного напряжения питающей сети в зависимости от напряжения на выходе или тока нагрузки.
Система автоматики дает ограничение выходного тока в режиме стабилизации напряжения до (105+10) % от номинального значения при перегрузке выпрямителя; изменение установки выпрямленного напряжения с 2,3...2,35 В на элемент аккумуляторной батареи на напряжение до 2,2 В, включение в работу при появлении напряжения питающей сети, если выпрямитель выключался в результате пропадания этого напряжения, включение резервного выпрямителя (при необходимости) для заряда аккумуляторной батареи, включение резервного выпрямителя взамен любого рабочего, если выпрямитель выключился в результате неисправности.
Система защиты обеспечивает автоматргческое выключение выпрямителя: при перегорании предохранителей, повышении выпрямленного напряжения до (115 ±5) % от номинального, коротком замыкании на выходе выпрямителя или повышении тока до 220 % от номинального в режиме стабилизации напряжения, повышении выпрямленного тока до 120 % в режиме стабилизации тока, пропадании напряжения.
Автоматическое включение и выключение выпрямительного устройства (рис. 8.4) осуществляются со стороны переменного тока контакторами магнитного пускателя КМ2, а со стороны постоянного тока — контакторами КМ1.
332
Рис. 8.4. Принципиальная схема выпрямителя типа ВУТ
333
Первичные обмотки силового трансформатора ТС включаются в сеть переменного тока, перемычками по схеме «звезда» или «треугольник». В выпрямителях на большую мощность (16, 40 кВт) первичные обмотки ТС включаются только по схеме «треугольник» и рассчитаны на напряжение 380 В.
Вторичные обмотки ТС всех выпрямителей соединены в треугольник и подключаются к основному трехфазному выпрямительному мосту, выполненному на тиристорах VS1—VS6. Для снижения пульсаций выпрямленного напряжения на выходе моста включен двухзвенный фильтр L1C4; L2C5. Конденсаторы каждого звена фильтра защищены силовыми предохранителями FV1 и FV6. Регулирование и стабилизация выходного напряжения и тока осуществляются импульсами, подаваемыми на катоды тиристоров от распределителя импульсов системы управления АЗ. Элементы системы управления размещены в специальном блоке, который содержит трансформаторы питания и синхронизации Т1—ТЗ, импульсные трансформаторы Т4—T9, три фильтра L1C9; L2C10; L3C11 и печатную плату (рис. 8.5).
Трансформаторы Т1—ТЗ питаются отсети переменного тока. Сигнальные предохранители FV1—FV3 служат для защиты от короткого замыкания. При перегорании одного из них замыкается цепь питания реле KV2 (см. рис. 8.4), и выпрямитель выключается. В усилителе постоянного тока (см. рис.8.5) сравнивается выходное напряжение (сигнал обратной связи) с опорным напряжением и усилением сигнала рассогласования. В качестве источника опорного напряжения используют стабилитроны VD67, VD68. Диоды VD70, VD71 предназначены для температурной стабилизации. Два каскада усилителя выполнены на транзисторах VT19, VT18. Выходной каскад на транзисторе VT17 построен по схеме эмит-терного повторителя, нагрузкой которого служит резистор R48. Первый и третий каскады усилителя питаются от компенсационного стабилизатора, выполненного на транзисторе VT13 и стабилитронах VD46, VD47. Второй каскад усилителя на транзисторе VT18 питается от параметрического стабилизатора напряжения, состоящего из стабилитрона VD66 и резисторов R49, R50. Напряжение, снимаемое с VD66, подается на входы 5 микросхем А4, А5 (в качестве опорного) фазосдвигающих устройств ФС1 и ФС2. Это напряжение всегда должно быть больше выходного напряжения усилителя УПТ(что необходимо для нормальной работы фазосдвигающих устройств. При увеличении сигнала обратной связи на
334
к
Рис. 8.5. Принципиальная схема управления тиристорами в выпрямителе типа ВУТ
335
входе УПТ (диоды VD71, VD70, VD68, VD67 резисторы R56 и R54) транзистор VT 19 частично открывается, а транзисторы VT 18 и VT 17 закрываются, уменьшается напряжение на резисторе R48. При снижении величины сигнала обратной связи напряжение на выходе УПТ увеличивается. Сигнал с выхода УПТ подается на вторые входы ФС (элштгсры транзисторов VT10, VT15).
В задающем генераторе формируются короткие импульсы, синхронизированные напряжением сети. Он выполнен на транзисторе VT16 с нагрузкой в коллекторной цепи—резистор R42. Переменное напряжение с вторичных обмоток трансформаторов Т1—ТЗ через сглаживающие фильтры L1С9, L2C10, LC11 подастся на выпрямительные мосты VD50— VD53; VD54—VD57; VD58—VD61. С их выхода выпрямленное напряжение через разделительные диоды VD62—VD64 и резисторы R44—R46 поступает на базу транзистора VT 16. На резисторах R44—R46 создается падение напряжения, которое превышает напряжение на стабилитроне VD65. Транзистор VT 16 при этом закрыт. При уменьшении напряжения на одном из резисторов R44—R46 до напряжения меньшего напряжения стабилизации VD65 открывается один из диодов VD62—VD64, что ведет к открыва! 1ию транзистора VT 16. Этот процесс повторяется каждый раз, когда полуволна напряжения, снимаемая с LC-фильтра, проходит через нуль. Таким образом, на выходе генератора формируются импульсы малой длительности (порядка 280 мкс), синхронизированные напряжением, сдвинутым по фазе относительно друг друга на 60°. Через резистор R42 эти импульсы подаются на базу транзистора VT 15 фазосдвигающего устройства ФС1.
Фазосдвигающее устройство служит для преобразования сигнала рассогласования (с выхода УПТ) в соответствующее фазовое положение последовательности импульсов от 3? относительно сетевого питающего напряжения. В нем осуществляется непосредственный фазовый сдвиг (угол регулирования), определяющий моменты включения силовых тиристоров. Фазосдвигающее устройство состоит из двух аналогичных устройств ФС1 и ФС2, состоящих из генератора пилообразного напряжения, выполненного на транзисторе VT15 в ФС1 и на транзисторе VT 10 в ФС2. Сравнивающее устройство (нуль-орган) ФС1 построено на базе интегрального операционного усилителя А4, на выходе которого через дифференцирующую цепь С5—R38 включен усилитель, выполненный на транзисторе VT14 (для ФС2 нуль-органом является операционный
336
усилитель А5, дифференцирующая цепь С2—R28, усилитель на транзисторе VT19). Во время отсутствия синхронизирующих импульсов от ] енератора конденсатор С7 заряжается напряжением от стабилизатора через резисторы R39, R40, которое подводится к входу 4 операционного усилителя А4. При поступлении синхроимпульса от ЗГ транзистор VT 15 открывается, и конденсатор С7 разряжается до выходного напряжения УПТ	С прекращением синхроимпульса VT15 вновь закрывается
и начинается заряд конденсатора С7, время которо! о зависит от конечного напряжения на нем при разряде, а оно определяется напряжением С^48. Если выходное напряжение УПТ равно нулю, то конденсатор С7 разряжается до нуля. Время его разряда максимально и соответствует промежутку времени между двумя синхронизирующими импульсами минус время восстановления фазосдвигающего устройства в исходное положение. Наличие двух фазосдвигающих устройств ФС1 и ФС2 обеспечивает изменение угла регулирования а^п- остах в диапазоне (15,5.. .91,5)°.
Сигналы с выходов ФС1, ФС2 поступают на импульсные усилители соответственно ИУ1, ИУ2, которые формируют сравнительно мощные импульсы для запуска распределителя импульсов РИ и управления силовыми тиристорами. Они выполнены на транзисторах разной проводимости, ИУ1 — на транзисторах VT11 и VT12, а ИУ2 — на транзисторах VT17 и VI8. Диод VD37 исключает образование обратных импульсов на обмотках трансформаторов Т4—T9 распределителя импульсов вследствие размагничивания сердечников.
Распределитель импульсов РИ распределяет управляющие импульсы между тиристорами силовой схемы выпрямителя. При этом РИ предусматривает подачу управляющих импульсов на анодные и катодные группы только тех тиристоров, которые должны открываться в случаях естественной коммутации. На остальные тиристоры схемы выпрямления управляющие импульсы не подаются. Распределитель импульсов состоит из двух трехфазных схем выпрямления на диодах VD 1—VD6 и VD7—VD 12. В анодные цепи этих диодов включены резисторы R1—R5, R6—R10, а в катодные цепи — тиристоры VS 1—VS6, разделительные диоды VD13—VD30 и импульсные трансформаторы Т4—T9. На выходе импульсных трансформаторов включены вьшрямигельные VD15, VD17,... VD29 и ограничительные VD14, VD16,... VD28 диоды. Импульсы, поступающие от ЗГ в зависимости от выходного напряжения УПТ, сдвигаются в фазосдвигающем устройстве на угол anlin- c/.m, 1Х и затем через РИ подаются на управляющие электроды
22 Вл. Сапожников
337
одного из нечетной VS1, VS3, VS5 и одного из четной VS2, VS4, VS6 групп силовых тиристоров (см. рис.8.4).
В зависимости от угла регулирования будет изменяться и напряжение на выходе тиристорного силового выпрямителя. В УПТ фаза выходного сигнала изменяется на 180° относительно входного сигнала, т.е. при уменьшении входного напряжения выпрямителя выходное напряжение усилителя УПТ и соответственно выходное напряжение выпрямителя возрастают. При увеличении входного напряжения выпрямителя д инамика воздействия будет обратной. Таким образом, под воздействием дестабилизирующих факторов (изменения входного напряжения или тока нагрузки) цепь обратной связи будет изменять входное напряжение так, что выходные параметры выпрямителя будут поддерживаться в заданных пределах, т.е. они стабилизируются.
Устройства выпрямителя обеспечивают возможность полностью автоматизированного заряда аккумуляторных батарей по модифицированному способу, осуществляемому в две ступени. На первой ступени разрядившаяся батарея подключается к выпрямителю, работающему в режиме стабилизации тока с установкой соответственно по 2,3.. .2,35 В на каждый элемент. При такой установке напряжения батарея будет потреблять большой ток, но его рост уменьшается системой ограничения тока выпрямителя на уровне 100-105 % от номинального значения. Этим током батарея быстро заряжается, и напряжение на ней увеличится. Когда оно достигнет 2,3.. .2,35 В на элемент, выпрямитель выйдет из режима ограничения тока и батарея будет заряжаться при постоянном напряжении. Это вторая ступень заряда. Ток заряда аккумуляторной батареи контролирует устройство индикации тока (УИТ), которое не входит в комплект выпрямителя. Когда ток аккумуляторной батареи уменьшится до пяти-, восьмикратного значения тока подзаряда, контрольное устройство подает сигнал в систему автоматики выпрямителя, которая переведет выпрямитель в чисто буферный режим непрерывного подзаряда при напряжении на каждый элемент 2,2 В.
В цепь каждой фазы выпрямителя между контактами КМ2 и первичными обмотками трансформатора ТС включены первичные обмотки трансформаторов токаТА!—ТА6 (см. рис. 8.4). Вторичные обмотки этих трансформаторов через выпрямительные мосты VD11, VD12 и VD20 подключены к цепям автоматики защиты и параллельной работы
338
выпрякпггеля. Напряжение выпрямительныхмостов пропорционально току нагрузки, так как фазный ток пропорционален току нагрузки выпрямителя.
В схеме защиты от перенапряжения и от перегрузки по току в качестве контрольных устройств применено устройство контроля напряжения (УКН) (выпрямительный мост VD4—VD6 и блок А2).
Цепи защиты и сигнализации питаются от однофазного трансформатора TV2 через выпрямительные мосты VD8, VD9. Защита от пропадания напряжения на выходе выпрямителя осуществляется реле KVL
Выпрямители типа ВУТ допускают возможность совместной работы с однотипньгми выпрямителями типа ВУК, что дает возможность развития ЭПУ. Допускается параллельная работа выпрямителей типа ВУТ в режиме стабилизации напряжения более четырех устройств без равномерного распределения нагрузок между ними при ухудшении КПД (см. табл. 8.1).
Шкафы-выпрямители типа ВУТ выполнены из унифицированных элементов. Возможна их установка в ряд или вдоль стены.
Выпрямительные устройства лучевой системы типа ВУЛС-2 и ВУЛС-3 предназначены для безаккумуляторного питания аппаратуры связи. Их выпускают в комплекте из двух выпрямителей типа ВУЛ и шкафа фильтров типа ШФ, в котором установлен фильтр Ф, общий для обоих выпрямителей (рис. 8.6). Каждый выпрямитель получает питание от отдельного независимого источника переменного трехфазного тока Ф1 и Ф2 напряжением 220 или 380 В и обеспечивает 50 % нагрузки. Основными элементами выпрямителя являются силовой трансформатор ТС, дроссель насыщения ДН, основной выпрямитель ВО.
Автоматическая коммутация в цепи переменного тока осуществляется контактором КТ 1, а в цепи постоянного тока— контактором КТ2. Ручное отключение выпрямителей от сети перемен-
НОГО тока выполняется с ПОМОЩЬЮ Рис 8 6 Структурная схема ремонтных разъединителей РР.	выпрямителя типа ВУЛС
339
Выпрямители работают в режиме стабилизации напряжения, на выходе выпрямителя или на входе аппаратуры.
Погрешность стабилизации напряжения при изменении нагрузки в пределах от 5 до 100 % и напряжения в сети переменного тока от 90 до 105 % от номинального не более +2 %.
Технические данные выпрямителей типа ВУЛС приведены в табл. 8.2.
Таблица. 8.2
Технические данные выпрямителей типа ВУЛС
Тип комплекта	Сторона постоянного тока					Сторона переменного тока	
	Номинальные		Пределы			Коэффициент	
	Напряжение, В	Мощность, кВт	устанавливаемого напряжения, В	изменения тока, А	пульсации, мВ 			полезного действия	мощности
ВУЛС-	24	3,1	23,0—26,4	26—130	230/15	0,7	0,60
24/130-2	21,2	2,8	20,8—22	26—130	130/15	0,68	0,55
ВУЛС-	24	6,3	23,0—26,4	52—260	230/15	0,71	0,60
24/360-2	21,2	5,5	20,8—22	52—260	230/15	0,68	0,55
ВУЛС-60/260-2	60	8,4	59—64	14—140	(5)	0,82	0,62
ВУЛС-	60	15,6	59—64	26—260	(5)	0,83	0,65
60/260-2 ВУЛС-220/14-2	208	2,9	2,3—213	2,8—14	230/15	0,75	0,62
Примечания: 1. Номинальным выпрямленным током является максимальный ток.
2.	Номинальная выходная мощность определена при номинальном выпрямленном токе и напряжении.
3.	КПД и коэффициент мощности cos (р указаны при номинальном напряжении сети, токе нагрузки и выпрямленном напряжении.
4.	В числителе указана пульсация для частоты/до 300 Гц, ср в знаменателе—для 300 Гц и выше.
Выпрямительное устройство типа ВУЛ-2 модернизированный выпрямитель типа ВУЛС. Выпрямитель типа ВУЛ-3 имеет специальное устройство—тиристорную приставку, смонтированную в шкафу т ипа ШФ, которая обеспечивает уменьшение выбросов напряжения на выходе
340
выпрямителя, предназначь п юго для питания транзисторной аппаратуры. По остальным показателям oi ш соответствуют выпрямителю типа ВУЛ-2.
Выпрямители типа ВУЛС выполняют в виде шкафов, которые можно устанавливать в ряд или пристенно.
Устройства связи на железнодорожном транспорте объединяются в
узлы и станции связи.
Узлом (станцией) связи называют объединенный территориально и организационно комплекс технических средств первичной сети электросвязи с коммутационными станциями вторичных сетей электросвязи.
В зависимости от расположения на сети узлам и станциям связи присваивают наименования: центральный, дорожный, отделенческий; участковый или крупной станции. Аппаратуру дорожных узлов связи обычно устанавливают в зданиях управлений железных дорог \ Оборудование отделенческих узлов связи, как правило, размещают в отдельных технических зданиях-домах связи, выполняемых по типовым проектам. В этих же зданиях часто находятся административно-технические помещения дистанций сигнализации и связи. Устройства связи участковых и крупных станций, обслуживаемых усилительных (ОУП) и регенеративных (ОРП) пунктов размещают в зданиях постов ЭЦ или пассажирских и технических помещениях станций.
Необслуживаемые усилительные (НУП) и регенерационные (НРП) пункты на сети связи также размещают в основном на станциях и только в отдельных случаях на перегонах в специальных подземных контейнерах.
Для удобства эксплуатации и уменьшения капитальных затрат всю аппаратуру узлов связи объединяют и устанавливают в отдельных помещениях.
Аппаратура систем передачи с частотным разделением каналов (ЧРК), аппаратура цифровых систем передачи и вводно-коммутационное оборудование, обеспечивающее организацию каналов и трактов первичной сети связи, сосредоточены в линейно-аппаратном цехе (ЛАЦ). В этом же помещении размещают аппаратуру тонального телеграфирования и оперативно-технологической связи.
На больших узлах для этой аппаратуры предусматривают отдельные
помещения.
Коммутационное оборудование автоматических (АТС) и междугородных (МТС) телефонных ст анций, абонентского телеграфа прямых
341
соединений, передачи данных (АТ-ПС-ПД) и телеграфную аппаратуру также устанавливают в отдельных помещениях.
Для работы аппаратуры связи требуется в основном электрическая энергия постоянного тока. Номинальные и рабочие напряжения электропитания для различных типов аппаратуры приведены в табл. 8.3.
Необходимая для работы аппаратуры связи электрическая энергия обеспечивается электропитающими установками ЭПУ (рис. 8.7), которые являются основной частью электроустановок (ЭУ) узла связи. Электри-
Таблииа 8.3
Номинальные и рабочие напряжения электропитания аппаратуры связи
Наименование оборудования	Напряжение питания, В
Линейно-аппаратный цех (ЛАЦ)	
В водно-коммутационная аппаратура: ВИС, СЧДП и др. Аппаратура систем передачи с ЧРК: В-3-3 В-12-3; К-12 ± 12; К-24Т; K-102Q; К-60П Сигнальные цепи Основные цепи	-24 ±2,4 -24 ±2,4; -21,2 ±0,6 127/220 (±22,-44) -24 ±2,4 -24 ±2,4 —21,2 ±0,6
Аппаратура цифровых систем передачи	
ИКМ-30 ИКМ-120	-60 ±6; -220 (±22, -33) -24 ±2,4; -60 ±6
Аппаратура оперативно-технологической связи	
РСДТ, ИСТ, ДРС, МСС всех видов	-24 ±2,4
Аппаратура тонального телеграфирования	
ТТ-12, ТТ-48 и др. ТТ-144 Телефонные станции Координатные АТС Квазиэлектронные АТС Комплекты дальнего набора ДАТС-60М Междугородные коммутаторы М-60	-24 ±2,4; -220 ±22 -60 ±6; - 220 ±22 -60 ±(±12,-6) -60 ±6 -60 (±6, -2) -24 ±2,4
Телеграфные станции Электронные аппараты	
РТА-80/7; F 1100, F 2000 Коммутационные станции АТ-ПС-ПД	±60 ±6 ~ 127/220 ±2,2; ±60 ±6
342
ческая энергия переменно! о i ока от внешних источников (энергосистемы, электростанции) через ус тройства электроснабжения —линии электропередачи (ЛЭП) и трансформаторные подстанции (ГП) поступает на распределительные устройства связи—щит переменного тока (ЩИТ). Энергия, необходимая для питания определенной группы аппаратуры связи, поступает на соответствующую электропитающую установку (ЭПУ), где переменный ток преобразуется в постоянный с определенным номинальным напряжением, стабилизируется напряжение и уменьшается амплитуда пульсации до допустимого значения. Через токораспределительные сети (ТРС) полученные токи поступают на аппаратуру (АП), расположенную в различных цехах связи.
Внешние источники
Рис. 8.7. Структурная схема электроустановки
Электропитание современной аппаратуры, такой как цифровые системы передачи, телефонные станции с программным управлением, осуществляется от ЭПУ или непосредственно от источников электроснабжения через собственные источники вторичного электропитания (ИВЭП). В этом случае ИВЭП рассматриваются как элементы аппаратуры и не входят в состав ЭПУ. Электрическая энергия, необходимая для освещения и работы силового оборудования СО: мастерских, систем вентиляции и др., через ТРС поступает к соответствующим потребителям. Повышение надежности электроснабжения достигается за счет использования нескольких внешних независимых друг от друга источников электрической энергии. Один внеплшй источник переключается на другой
343
устройствами автоматического ввода резерва (АВР), устанавливаемыми на трансформаторных подстанциях, или используются соответствующие устройства распределительного оборудования переменного тока, размещаемого в узле связи.
При отказе внешних источников тока используют местные, резервные электростанции (ДГА), которые запускаются и подключаются автоматически. В качестве резервных источников электроэнергии широко используют аккумуляторные батареи. Для питания ответственных потребителей переменного тока в современных ЭПУ применяют автоматические системы бесперебойного питания (АБП). В этих устройствах при отказе внешних источников переменного тока автоматически без перерыва в электропитании за счет использования транзисторных ключей включается инвертор, преобразующий постоянный ток резервной аккумуляторной батареи в переменный, необходимый для питания аппаратуры. Увеличение числа каналов систем передачи вызывает необходимость уменьшения длины усилительных (регенерационных) участков, что приводит к возрастанию числа усилительных пунктов. При большом числе этих пунктов экономически невыгодно оборудовать каждый собственной ЭПУ. Поэтому на магистралях связи широко применяют дистанционное питание (ДП) части усилительных (регенерационных) пунктов.
Электропитающие установки следует проектировать в соответствии с требованиями стандартов и других нормативных документов [47,48].
8.2.	Технические требования на проектирование электропитающих установок
Исходные данные при проектировании ЭПУ узла связи—это сведения о типах и числе устанавливаемой аппаратуры связи и дополнительных потребителях электрической энергии.
На основании этих сведений, используятехническоеописаниеаппаратуры и справочную литературу [49,50,51], определяют необходимые данные об электропитании потребителей: род тока (постоянный или переменный), частоту; номинальное напряжение, допустимые отклонение отноминального напряжения и амплит уду пульсации, потребление тока в час наибольшей
нагрузки и др.
344
Электроснабжение. Основными внешними источниками электрической энергии должны быть сети трехфазного переменного тока напряжением 380/220 В частотой 50 Гц. Допустимые пределы изменения фазного напряжения 187—242 В или 213—227 В. Пределы изменения частоты 47,5—52,5 Гц. Коэффициент нелинейных искажений не более 10 %.
Узлы связи железнодорожного транспорта и обслуживаемые усилительные и регенеративные пункты по надежности электропитания относятся к особой группе первой категории электроприемников, которые должны обеспечиваться электрической энергией от трех независимых источников переменного тока. В домах связи и на совмещенных постах электрической централизации и связи в качестве любого резервного источника переменного тока необходимо предусматривать местную электрическую станцию (дизель-генераторные агрегаты ДГА). Устройства связи в необслуживаемых усилительных и регенерационных пунктах получают дистанционное питание. Все электроприемники, питающиеся от внешних ист очников переменного тока, подразделяют на две группы: гарантированного и негарантированного электропитания.
К первой группе наряду с устройствами связи относятся сеть гарантированного освещения, устройства вентиляции и отопления помещений аккумуляторной и ДГА, устройства подкачки топлива, масла и воды для обеспечения длительной работы ДГА. Все приемники этой группы питаются от внешних источников переменного тока, а в случае их аварии—от ДГА.
Ко второй группе относятся сеть общего освещения, оборудование вентиляции, силовое оборудование мастерских и других вспомогательных помещений. Приемники этой группы питаются от внешних источников переменного тока, а при их повреждении выключаются.
ЭПУ выпускаются на различные номинальные напряжения. Для каждого номинального напряжения постоянного тока в домах связи предусматривается отдельная ЭПУ, общая для аппаратуры всех цехов (рис. 8.8, а).
В электропитающих установках обычно один полюс соединяют с заземлением (заземляют), что дает возможность упростить токораспределительную сеть, выполнив заземленную часть общей для ЭПУ на разные номинальные напряжения и исключить из нее все устройства защиты и коммутации. В ЭПУ с номинальными напряжениями 24 и 60 В принято заземлять положительный полюс. Когда это правило нарушается, перед обозначением номинального напряжения ставят знак «+» или «-»,
345
характеризующий потенциальный (незаземленный) полюс источника тока. Так, обозначение номинальных напряжений +60 В и-60 В говорит о том, что эти напряжения должны быть получены от разных ЭПУ. У первой должен быть заземлен отрицательный полюс, а у второй—положительный (рис. 8.8, б). Аппаратура с большим номинальным напряжением может питаться от нескольких отдельных источников тока с меньшими номиналь-йыми напряжениями. Аппаратура с различными, но близкими номинальными напряжениями (например, 24 и 21,2 В) может питаться от одной ЭПУ (рис. 8.8, в). Каждая ЭПУ должна обеспечивать ток, необходимый для питания всей аппаратуры, рассчитанной на данное иомигтальное напряжение, 7 = Е/ш, где7н/—токи, потребляемые различной аппаратурой.
Рис. 8.8. Структурные схемы электропитающих установок
Для коммутационного оборудования телефонных и телеграфных автоматических станций характерно неравномерное потребление тока в течение суток.
В дневные часы расходуется большой ток, а ночью—малый. Неравномерность потребления тока вызывает падение напряжения в проводах токораспределительной сети и тем самым снижает эффективность действия стабилизаторов, включенных на выходе ЭПУ. Для повышения эффективности действия регуляторов напряжение контролируется непосредственно на входе питаемой аппаратуры.
Системы электропитания и степень автоматизации ЭПУ. В качестве основной системы электропитания для ЭПУ домов связи приняты буферная многобатарейная система и режим непрерывного подзаряда. Однобата-рейиую систему используют в ЭПУ небольшой мощности (менее 1 кВт). При низкой надежности электроснабжения проектируют автономную систему с питанием от аккумуляторов в режиме «заряд—разряд ». Питание
346
коммутаторов станционной связи, каналообразующей аппаратуры, автоматических коммутацио! шых станций телеграфной связи и передачи данных допускается от сети переменного тока через вьп грямителыюе устройство (безаккумуляторная система питания). При электроснабжении высокой надежности, когда мощность ЭПУ достигает сотен киловатт, также применяют безаккумуляторную двухлучевую систему питания. Оборудование аппаратных залов, телеграфных станций и телеграфных аппаратов абонентских пунктов питается от сети переменного тока.
Безбатарейная, или двухлучевая, система может применяться, когда внешнее электроснабжение объекта связи получают от двух заведомо надежных и независимых источников электроэнергии, а необходимые напряжения постоянного тока—от выпрямителей, работающих параллельно, но питаемых от разных лучей электроснабжения. Эта система рекомендуется при надежном внешнем электроснабжении. Для питания АТС небольшой емкости возможно применение электропитающих установок с отдельной батареей. Электропитающие установки на различные номи-I хальные напряжения в зависимости от потребляемой мощности и надеж-। юсти электроснабжения можно проектировать автоматизированными и I хеавтоматизированными.
Электропитающие установки с номинальным напряжением 24 В на токи менее 40 А (ЭПУ-24) обычно проектируют неавтоматизированными. ЭПУ-24 на токи более 40 А и ЭПУ-60 можно проектировать как автоматизированными, так и неавтоматизированными. В автоматизированных ЭПУ во время работы в послеаварийном режиме сначала обеспечивается заряд аккумуляторов при стабилизации тока, и как только напряжение на каждом аккумуляторе достигает 2,3 В, установка автоматически переходит в режим стабилизации напряжения, который длится несколько суток. При электроснабжении высокой надежности подача энергии переменного тока прекращается очень редко, и аккумуляторы успевают зарядиться. В случае низкой надежности электроснабжения после аварии аккумулятор должен заряжаться как можно быстрее (в течение 7—10 ч). Напряжение к концу заряда необходимо повысить до 2,7 В на аккумулятор. В этом случае напряжение на батарее сильно возрастет и намного превысит допустимое для питания аппаратуры связи. Поэтому в послеаварийном режиме аккумулятор должен заряжаться с отключением от нагрузки. Это характерно ; цы неавтоматизированных ЭПУ.
Способы регулирования напряжения. При буферной системе питания ЭПУ в большинстве случаев не могут обеспечить допустимые
347
пределы изменения напряжения на входе аппаратуры без специальных
мер регулирования.
Для ЭПУ небольшой мощности (до 1 кВт) широко используют способ регулирования напряжения полупроводниковыми диодами (рис. 8.9,а), а для ЭПУ средней и большой мощности—регулирование дополнительными аккумуляторами (рис. 8.9, б). Перспективно регулирование конверторами (рис. 8.9, в).
Эти способы дают невысокую точность регулирования (10—20 %), Большая точность обеспечивается полупроводниковые стабилизаторы СНП (рис. 8.9,г).
Рис. 8.9. Схемы различных способов регулирования напряжения
В некоторых случаях при питании различных типов аппаратуры от одной ЭПУ применяют несколько ступеней регулирования напряжения. Так, при использовании аппаратуры с рабочим напряжением 24 +2,4 В и аппаратуры с рабочим напряжением 21,2 +0,64 В возможно использование одной ЭПУ с двумя ступенями регулирования: на первой ступени— дополнительными аккумуляторами, а на второй—полупроводниковыми стабилизаторами СНП (рис. 8.9, д). При небольших токах нагрузки (менее 30 А) можно отказаться от первой ступени, а регулировать оба номинальных напряжения полупроводниковыми стабилизаторами.
348
Аккумуляторные батареи. Их часто выполняют из двух групп, что I ювышает надежность ЭПУ, так как при отключении одно!} группы для ремонта или профилактики вторая остается подключенной к ЭПУ и обеспечивает питание аппаратуры. Двухгруппные аккумуляторные батареи следует применять в ЭПУ-24 для питания аппаратуры ЛАЦ, в неавтоматизированных ЭПУ-60 для питания АТС с током нагрузки более 40 А и автоматизированных ЭПУ-60 для питания АТС стоком нагрузки более 140 А. В остальных случаях можно использовать одногруппные батареи аккумуляторов.
Для автономной системы в режиме «заряд—разряд» аккумуляторные батареи обычно состоят из двух, реже из трех групп. При буферной системе питания наиболее часто используют кислотно-свинцовые аккумуляторы типа СК, предназначенные для кратковременных режимов разряда. Они имеют наибольшее число градаций номинальных емкостей. Реже применяют более дефицитные аккумуляторы типа СН, а иногда типа АБН и др. При работе с ЭПУ в режиме «заряд—разряд» применяют аккумуляторы типа С и реже типа СН. Щелочные аккумуляторы для I титания стационарной аппаратуры используют редко ввиду сильного изменения напряжения в процессе разряда. Для буферной системы питания аккумуляторы должны обеспечивать питание аппаратуры в течение 2 ч, а работающие в автономной системе и в режиме «заряд— разряд» в течение 10—12 ч.
8.3.	Функциональные схемы
электропитающих установок
На основании технических данных с учетом принятой системы электропитания, а также тока, потребляемого нагрузкой, и других данных намечают варианты выполнения ЭПУ на каждое номинальное напряжение. После оценки вариантов и выбора основного варианта рассчитывают параметры отдельных элементов и проверяют работу ЭПУ в
различных режимах.
ЭПУ при буферной системе электропитания. Разработан ряд типовых схем на основные номинальные напряжения 24 и 60 В, которые широко используют для различной аппаратуры связи. Основные технические данные этих схем [52] приведены табл. 8.4.
349
Неавтоматизированные ЭПУ-2 4 на токи до 60 А с устройством коммутации типа КУ 24/20 и выпрямительным устройством ВСП (рис. 8.10) состоят из одного-двух рабочих выпрямителей РВ типа ВСП, включенных на параллельную работу; резервно-зарядного выпрямителя РЗВ того же типа (каждый выпрямитель типа ВСП состоит из основного ОБ и вспомогательного БВ); устройства коммутации КУ типа КУ 24/60; двухгрупп! юй секционированной Р батареи из 13 аккумуляторов ОБ (каждая
Таблица 8.4
Основные технические данные электропитающих установок при буферной системе электропитания
Наибольший ток нагрузки, А	Выпрямительное устройство		Устройство коммутации			Число	
	Тип	Число	Тип	Число		аккумуляторов	групп
Неавтоматизированные ЭПУ-24							
10 20 30—60 40—400	СВСП 24/10 СВСП 24/20 ВСП 24/30 ВУТ 31/60 — ВУТЗ 1/230 ВУТ 36/60 — ВУ КЗ 6/260	1 1 2—3 2—4	КУ 24/60 ЩБ2-24/50 ЩБ2-24/400	1 2		12+ 1 = 13 12+ 1 = 13 12+ 1 = 13 13	2 2 2 2
Неавтоматизированные ЭПУ-60							
6—8 20—40 60—100	ВСП 60/6А ВСП 60/20 ВСП 60/60	2—3 2—3 2—3	КУ 60/40 КУ 60/100	1 1		29 + 3-32 29 + 3 = 32 29 + 3 = 32	1 1 1—2
Автоматизированные ЭПУ-24							
40—500	ВУТ 31/60— ВУТ 31/500 ВУК 36/60— ВУК 36/260		АКАБ-24/500-2	1		11+2=13	2
Автоматизи			рованные ЭПУ-60				
5—15 17—25 31—150 125—260	ВБ-60/5— ВБ-60/15 ЭВУ-60/25 ВУТ 67/60— ВУТ 67/125 ВУК 67/70— ВУК 67/140 ВУТ 67/125— ВУТ 67/250	2 1 2	БАЗ ШК-60/150 АКАБ-60/800	1 . 1 1		31 32 28 + 3 + 2 = 33 28 + 3 + 2 = 33	1 1 1 1—2
350
группа состоит из основных ОЭ и дополнительных ДЭ элементов). При электроснабжении высокой надежности батарея может быть выполнена только из одной группы аккумуляторов. (Эсновньюэлемегггьгдругойгруппь! заменяют батареей конденсаторов, обеспечивающей необходимое сглаживание пульсации при отключении аккумуляторной батареи. Емкость конденсаторов батареи (мкФ)
c=ioW/6,
гдеД —частота первой гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения, Гц,
гб—внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи переменному току, Ом.
При буферном режиме питание аппаратуры и непрерывный подзаряд основных элементов осуществляются от рабочих основных выпрямителей, а подзаряд дополнительных элементов—от вспомогательных.
При аварийном режиме нагрузка питается от основных элементов ОЭ аккумуляторной батареи. При понижении напряжения на ОЭ до минимально допустимого происходит автоматическое, безобрывное подключение дополнительных элементов ДЭ (при подключении ДЭ цепь питания нагрузки сохраняется за счет диода VD).
В условиях послеаварийного режима нагрузка питается от основных выпрямителей, каждая группа аккумуляторной батареи заряжается по очереди от резервно-зарядного выпрямителя. Аккумуляторная группа подключается к РЗВ вручную с помощью переключателей SA 1, SA2 и SA5.
Неавтоматизированная ЭПУ-24 на токи от 40 до 400 А с устройством коммутации типа ЩБ2 и выпрямительным устройством типа ВУК или ВУТ (см. рис. 8.5) состоит из одного-трех рабочих выпрямителей РВ типа ВУК или ВУТ, включенных на параллельную работу резервнозарядного выпрямителя РЗВ того же типа, двух батарейных щитов ЩБ2, а также двухгруппной несекционированной аккумуляторной батареи GB из 13 элементов.
В ЭПУ для регулирования напряжения используют полупроводниковые диоды VD и устройство коммутации УК.
Устройство коммутации УК (рис. 8.10) состоит из чувствительного реле Р, контролирующего напряжение на батарее GB, и контактора К,
351
который выключает диодную сборку VD с помощью ее шунтирования при понижении напряжения на батарее ниже допустимого.
При нормальном режиме питание аппаратуры и непрерывный подзаряд батареи осуществляются от рабочих выпрямителей.
При аварийном режиме нагрузка питается от батареи, в послеаварийном — от рабочих выпрямителей, а каждая группа аккумуляторных батарей заряжается последовательно от резервно-зарядного выпрямителя при его ручном подключении.
Нагрузка
Рис. 8.10. Схема неавтоматизированной ЭПУ-60 с устройством коммутации типа КУ 24/60 и выпрямительным устройством ВСП
352
Автоматизированная ЭПУ-24 на токи от 40 до 600А с устройством коммутации типа АКАБ-24/500-2 и выпрямительным устройством типа ВУК или ВУТ (рис. 8.11) состоит из одного-трех рабочих выпрямителей РВ типа ВУК или ВУТ, включенных па параллельную работу, резервно-зарядного выпрямителя РЗВ того же типа, зарядного выпрямителя ЗВ типа ВУК-8/300, устройства автоматической коммутации акку-муляторных батарей типа АКАБ-24/500-2 с выпрямителем содержания (ВС), а также одно- или двухгруппной секционированной аккумуляторной батареи GB из 13 элементов.
При буферном режиме аппаратура получает питание от выпрямителей РВ, одновременно подзаряжаются основные элементы (ОЭ) при напря-жении 24,2 В [(2,2 +0,04) В на элемент]. Дополнительные элементы (ДЭ) в это время подзаряжаются от выпрямителя типа ВС-6/8.
Во время аварийного режима при пропадании напряжения в сети аппаратура начинает получать питание от ОЭ. Когда напряжение в точке подключения устройства контроля напряжения (УКН1) па последней стойке последнего ряда аппаратуры уменьшится до (21,6 ±0,1) В, отпускает якорь реле К4, срабатывает HP реле К2, включающее контактор К1 и сигнальную лампу Н. Контактор без обрыва цепи питания за счет диода VD2 подключает дополнительные элементы ДЭ к нагрузке.
В случае послеаварийного режима при восстановлении напряжения в сети РВ и РЗВ включаются и работают в режиме стабилизации тока, обеспечивая питание нагрузки и заряд всей батареи (ОЭ и ДЭ). Когда напряжение в точке подключения устройства контроля УКН2 на первой стойке первого ряда аппаратуры достигнет (26,4 ±0,1) В, сработает реле К5, разорвет цепь питания реле К2, а последнее — цепь контактора К1, который без обрыва цепи питания за счет диода VDI отключает ДЭ от нагрузки. Одновременно реле К2 подключает выпрямитель ЗВ от сети. Выпрямитель ЗВ осуществляет окончательный заряд ДЭ до напряжения 4,6 В, а затем с помощью своего вольтметрового реле отключает' ЗВ от сети F и вместо него к ДЭ подключается ВС, обеспечивая дальнейший подзаряд ДЭ.
Основные элементы батареи ОЭ продолжают заряжаться от РБ и РЗВ до напряжения 2,3 *11= 25,3 В. Г 1ри достижении этого напряжения реле контроля напряжения Р переводит РВ в режим стабилизации напряжения и выключает РЗВ, схема приходит в состояние, соответствующее нормальному режиму.
23 Вл. Сапожников
353
Сеть
-----------------------------------
Разряд Авария Отклонение напряжения
Авария Разряд Перегори- Отклонение
Нагрузка, ближняя к ЭПУ		ние Пр2 напряжения
	2	
Нагрузка, удаленная от ЭПУ
Рис. 8.11. Схема ЭПУ-24 с устройством коммутации типа АКАБ-24/500-2
354
Устройства сигнализации. Подключение дополнительных элементов при разряде аккумуляторной батареи сигнализируется лампой Н1. Срабатывает реле сигнализации КЗ и зажигается сигнальная лампа Н2, если не притягивает якорь контактор К1, при наличии команды от контактора К4 не отпускает якорь контактор К1, при наличии команды от контактора К5, а также если перегорает предохранитель FU1.
При длительном отклонении напряжения на нагрузке от заданных пределов 21,6—26,4 В по сигналу УКН1 или УКН2 включается реле Кб, загорается лампа НЗ. Замедление сигнала на время около 5 с осутцествляет-ся конденсатором С, который при замыкании контактов реле К4 заряжается через резистор R2. В момент, когда напряжение на конденсаторе С превысит напряжение на стабилитроне VD6, открывается транзистор VT и срабатывает реле Кб. Загорание сигнальных ламп Н2 и НЗ сопровождается включением звонка Н5. До устранения неисправности звонок может быть отключен переключателем S3. Одновременно загорается сигнальная лампа Н5.
Автоматизированная ЭПУ-60 на токи от 30 до 150 А с устройством коммутации типа ШК-60/150 и выпрямительным устройством типа ВУК или ВУТ (рис. 8.12) состоит из одного-трех рабочих выпрямителей РВ типа ВУК или ВУТ, включенных на параллельную работу, резервнозарядного выпрямителя РЗВ того же липа шкафа автоматической коммутации типа ШК-60/150 с выпрямителями содержания ВС1 и ВС2, зарядными блоками ЗБ1 и ЗБ2, а также из секционированной аккумуляторной батареи из 33 элементов.
Во время буферного режима аппаратура получает питание от выпрямителей РВ, одновременно подзаряжаются основные элементы ОЭ при напряжении 61,6В (2,2 В на элемент). Дополнительные элементы 1 гр ДЭ и 2гр ДЭ подключены к выпрямителям содержания ВС1 и ВС2, которые обеспечивают их подзаряд.
При аварийном режиме в случае пропадания напряжения сети аппаратура начинает получать питание от батареи ОЭ. При снижении напряжения на батарее ОЭ до 59 В вольтметровое реле К19 отключает контактор К1 и включает контактор К2 (контакторы, реле, цепи управления и сигнализации на схеме не показаны). При этом последовательно с ОЭ включается 1гр ДЭ. При повторном снижении напряжения реле К20 отключает КЗ и включает К4. При этом последовательно с ОЭ и 1гр ДЭ подключается 2гр ДЭ.
355
Сеть
Разряд
Нагрузка
Нагрузка
Разряд Нагрузка
Рис. 8.12. Схема ЭПУ-60 с устройством коммутации типа ЩК-60/150
В случае послсаваришюго режима после восстановления напряжения сети Б В и РЗВ включаются параллельно в режиме с i абилизации тока для заряда всей батареи и питания аппара туры. Когда напряжение на батарее увеличится до 66 В, реле К20 от кл ючает контактор К4 и включает koiгтак тор КЗ. Доио.111 пттсльные ojicmci гты 2тр ДЭ о тключаю тся от нагрузки
356
и подключаются к зарядному блоку ЗБ2. При вторичном повышении напряжения до 66 В реле К19 отключает контактор К2 и включает кон I актор KI. Пр11 этом дополнительные элементы 1 гр ДЭ отключаются от нагрузки и подключаются к зарядному блоку ЗБ1. Напряжение на нагрузке становится равным 60.5 В. Когда напряжение на ОЭ.повЫсизся до 64.5 В, срабагывает реле иерею 1ючыгия режимов РР, ко торое переводи т все выпрямители РВ в режим стабилизации напряжения и выключает выпрямитель РЗВ. После достижения на 1 гр ДЭ заданного напряжения (2.3 или 2,7 В на элемент) зарядные блоки ЗБ1 и ЗБ2 отключаются, и к дополнительным элементам подключаются выпрями гели содержания ВС1 и ВС2. Схема приходит в исходное состояние, соответствующее нормальному режт гму.
Автоматизированная ЭПУ-60 на токи от 140 до 800 А с устройством коммутации типа АКАБ 60/800 и выпрямительным устройством типа ВУК или ВУТ (рис. 8.13) состоит из одного-трех рабочих вып-рямителейЙВ типа ВУК или ВУ (.включенных на параллельную работу, резервно-зарядного выпрями i ел я РЗВ того же типа, дву,х зарядных вы i i-ря Мигелей ЗВ1 и ЗВ2 типа ВУК-8/300, устройства автоматической коммутации аккумуляторных баз арен типа АКАБ-60/800 с выпрями гелями содержания ВС1 и ВС2 типа ВС-6/8, а также одно- или двухгруппной секционированной аккумуляторной батареи из 33 элемен тов. Схема управления и cm нализации показана на рис 8.14.
Во время буферною режима аппаратура, получает питание от выпрямителей РВ (см. рис. 8.13). Одновременно подзаряжаются ОЭпри напряжении 61,6 В [(2,2 +0.04) В на элемент]; ДЭ подключены к выпрямителям содержания ВС1 и ВС2. которые обеспечивают их нодзаряд.
I Ipi 1 аварийном режиме в случае npoi кщания напряжения сети пита! inc нагрузки в первый момент осу ществляется о г ОЭ. Но при отключении напряжения сети отпускаю г якори реле Рби Р7 (см. рис. 8.14), контролирующие напряжение на рабочих выпрямителях. При этом срабатывает реле Р1, а затем РЗ. подключая контактами 1 гр ДЭ к нагрузке. Напряжение на нагрузке увеличивается на 6 В. В момент переключения контактов РЗ нагрузка получает питание через диод VD8.
Если в результате отказа выпрямителей напряжение на нагрузке уменьшится до 59 В. а реле Р6 и Р7 останутся в рабочем состоянии, то о 11 lycKaei якорь волы мы ровое реле РВ 1, коз орое коиз актами замыкает
357
Сеть
Рис. 8.13. Схема ЭПУ-60В с устройством коммутации типа АКАБ-60/800
358
Рис. 8.14. Принципиальная схема управления и сигнализации устройства коммутации типа АКАБ-60/800
цепь питания реле Р8. Реле Р8 срабатывает и включает реле Р1, а оно реле РЗ. После срабатывания реле РЗ к нагрузке также подключается 1гр ДЭ. В случае отказа реле РВ 1 при понижении напряжения до 58 В на ОЭ отпускает' якорь реле РВЗ, срабатывает реле Р1, а затем РЗ и к нагрузке также подключается 1 гр ДЭ. Если в процессе дальнейшего разряда ОЭ и 1 гр ДЭ напряжение вновь снизится до 59 В, то реле РВ 1 отпустит якорь и замкнет цепь заряда конденсатора С. При возрастании напряжения на конденсаторе до напряжения, превышающего напряжение на стабилитроне VD5 на 0,5 В, транзистор VT открывается и срабатывает реле Р2, вызывающее срабатывание реле Р4, которое последовательно с ОЭ и 1 гр ДЭ подключает 2гр ДЭ. В момент переключения контактов реле Р4 нагрузка получает питание через диод VD9.
Во время послеаварийного режима при восстановлении напряжения сети выпрямители РБ и РЗВ включаются параллельно в режиме стабилизации тока, обеспечивая заряд всей батареи и питание нагрузки. Когда напряжение на батарее увеличится до 66 В, срабатывает реле РВ2 и контактами обрывает цепь базового тока транзистора VT. Реле Р2 отпускает якорь и обрывает цепь питания реле Р4. Дополнительные элементы 2гр ДЭ отключается от нагрузки. Контактами реле Р2 включается выпря
359
митель ЗВ2 в режиме стабилизации тока, обеспечивая дальнейший заряд 2гр ДЭ. При переключении контактов реле Р4 ток заряда протекает через диод VD10. Этим предотвращается резкое увеличение напряжения на выходе РВ и РЗВ.
Основные элементы ОЭ и дополнительные 1 гр ДЭ продолжают заряжаться от РВ и РЗВ. При повышении напряжения на ОЭ до 59,5 В (2,125 В на элемент) срабатывает РЗВ, отключается Р1, а затем РЗ. Последнее отключает 1 гр ДЭ от нагрузки и контактами включает ЗВ 1 в режиме стабилизации тока для дальнейшего заряда 1 гр ДЭ. В момент переключения контактов реле РЗ зарядный ток проходит через диод VD7, ОЭ продолжает заряжаться от РВ и РЗВ до напряжения 2,3 28 = 64,4 В, после чего срабатывает реле переключения режимов и переводит выпрямители РВ в режим стабилизации напряжения, а РЗВ выключает. Выпрямители ЗВ 1 и ЗВ2 заряжают 1гр ДЭ и 2гр ДЭ до напряжения 2,35 В на элемент, затем вольтметровое реле этих выпрямителей выключает ЗВ 1 и ЗВ2 и включает выпрямители содержания ВС 1 и ВС2. Схема приходит в исходное состояние, соответствующее нормальному режиму.
При выходе из строя одного из выпрямителей РВ автоматически включается резервный выпрямитель РЗВ.
Устройство АКАБ-60 позволяет выполнять ручное включение и отключение ДЭ при заряде и разряде батарей, а также ручное подключение батареи к РЗВ для заряда ее до напряжения 2,7 В на элемент (при отключенной нагрузке).
В схеме АКАБ-60/800 предусмотрена местная и дистанционная сигнализация. Местная сигнализация осуществляется сигнальным реле PC, шестью сигнальными лампами и звонком. Реле PC срабатывает при перегорании любого предохранителя. В случае неисправности цепей подключения и отключения ДЭ (подключение через РВ1 и Р4 или РВЗ и РЗ, отключение через РВ2, РЗ, Р4). Сигнальные лампы включаются: Л1 — при подключении 1 гр ДЭ, Л2 — при подключении 2гр ДЭ, Л3 — при выключении звонка, Л4—при перегорании предохранителей и несоответствии режимов работы, Л 5—при включении ВС1, Л6—при включении ВС2. Дистанционная сигнализация выполняется при понижении напряжения до 58,5 В (РВ1), при повышении напряжения до 66 В (Р2), при включении 1 гр ДЭ (Р1) и 2гр ДЭ (Р2) и неподключении 1 грДЭ (Р1).
ЭПУ при автономной системе электропитания на токи до 400 А для работы в режиме «заряд—разряд» может быть выполнена на любые
360
номинальные напряжения. В качестве выпрямительных устройств могут быть использованы любые типы выпрямителей, которые могут обеспечить заряд аккумуляторов. ЭПУ (рис. 8.15) состоит из зарядного выпрямителя ЗВ и резервного выпрями теля РВ того же типа. В качестве коммутирующего устройства служат батарейные щиты типа ЩБ2. Аккумуляторная батарея состоит из двух групп или более . Все переключения делаются вручную соответствующими однополюсными выключателями (SA2 и SA3). Выключатель SA1 в данной схеме не используют. Заряд батареи контролируется вольтметром PV и амперметром РА2, разряд— вольтметром PV и амперметром РА 1.
ЭПУ для безаккумуляторной системы питания с выпрямительным устройством типа ВУЛС (рис. 8.16) состоит из выпрямителей типа ВУЛС на различные номинальные напряжения и токи данной нагрузки.
В нормальном режиме напряжение от одного из источников внешнего электроснабжения полинют 1 подается через устройства автоматического
Нагрузка
Рис. 8.15. Схема ЭПУ для режима «заряд-разряд»
361
Щит переменного тока
Рис. 8.16. Структурная схема безаккумуляторной ЭПУ с выпрямителем типа ВУЛ С
включения резерва АВР 1 и АВРЗ, щит переменного тока ЩПТ1, автоматический блок переключения (БП1) на шины 1, с которых распределяется ио всем выпрямителям ВУЛ 1 выпрямительных устройств ВУЛС. Аналогично по линии 2 напряжение подается от другого независимого внешнего источника на выпрямители ВУЛ2.
При нарушении энергоснабжения на одной из линий вся нагрузка получает электропитание от другой линии через соответствующие ВУЛ, одновременно автоматически запускается ДГА и подключается вместо аварийной линии. После восстановления внешнего электропитания схема автоматически переходит в исходное положение.
8.4.	Расчет аккумуляторной батареи
Целью расчета является определение номинальной емкости и общего числа аккумуляторов в батарее. Батарею рассчитывают в такой последовательности.
Аварийный ток. Этот ток складывается из тока, необходимого для питания аппаратуры связи, и токов других потребителей, работа которых
362
должна быть обеспечена от аккумуляторной батареи в случае отказа устройств электроснабжения переменным током:
Лш * н <ш ’
где /н—ток питания аппаратуры связи в час наибольшей нагрузки, А;
/,ш—суммарный ток аварийных потребителей, А.
Номинальнаярасчетная емкость. Условия эксплуатации аккумуляторов часто отличаются от условий, для которых задана номинальная емкость.
Поэтому номинальная расчетная емкость, необходимая для выбора аккумуляторов, определяется с учетом действительного тока разряда и температуры:
где Z — аварийный ток, А;
Г—время разряда аккумуляторной батареи, ч;
р—коэффициент интенсивности разряда, который определяется по графику (рис. 8.17);
ос—температурный коэффициент емкости, 1/град;для аккумуляторов типа С равен 0,008, для СН — 0,007, для АБН — 0,01;
t — минимальная температура электролита, град; для зданий с центральным отоплением+15 °C, с печным+10°С;
Т— температура, для которой задана номинальная емкость, град; для всех типов стационарных аккумуляторов +20°С.
При двухгруппной батарее аккумуляторов и надежном внешнем электроснабжении вероятность совпадения событий отключения одной из групп батареи и аварии устройств внешнего электроснабжения очень мала. Поэтому расчеты ведутся при условии, что во время аварии будут включены обе группы аккумуляторов и каждая будет разряжаться током, равным половине аварийного.
Номинальная емкость аккумуляторов. На основании полученной номинальной расчетной емкости Снр для выбранного типа аккумуляторов по таблице технических данных выбирают аккумуляторы с ближайшей номинальной емкостью (Сн).
Возможное время разряда аккумуляторов. Номинальная емкость выбранных аккумуляторов Сн, как правило, превышает расчетную Снр, поэтому батарея аккумуляторов может разряжаться в течение большего
363
времени /рв, чем задано г Это время определяют по графику (см. рис. 8.17) на основании коэффициента у= С* /7 •
Напряжение на аккумуляторе к концу аварийного режима. Если /рв > /р, то напряжение на аккумуляторах при разряде в течение заданного времени / не понизится до предельно допустимого (для кратковременных режимов разряда t7 min - (1,75... 1,78) В, а будет несколько выше. Конечное напряжение (7 определяют по кривым (рис. 8.18). Если необходимая кривая для полученного г на графике отсутствует, ее ориентировочно намечают для этого времени.
Число аккумуляторов в батарее. Общее число аккумуляторов в батарее определяют исходя из условий обеспечения минимального допустимого напряжения на входе питающей аппаратуры к концу аварийного реяшма:
^K=Kin+A^)/^p,
где	— минимально допустимое напряжение на входе питаемой
аппаратуры, В, которое определяется согласно техническим данным на аппаратуру;
A U— падение напряжения в токораспределительной сети и на элементах коммутации, защиты, регулировки напряжения и на других элементах,
включенных в цепь питания аппаратуры.
Рис. 8.17. Зависимости коэффициента hi 1тенсивности разряда Р от заданного времени разряда и фактического времени разряда от коэффициента у
Рис. 8.18. Зависимости напряжения у аккумуляторов типа С от времени в процессе разряда:
(рВ — J Ч’	^рв — “ Ч’ 5 1рв ~	4 £рВ —
= 4 ч; 5—/рв = 5 ч; 6- /рв = 7,5 ч; 7—Грв = 10 ч
364
При ориеьпировочных расчетах напряжение может быть принято равным 3 % номинального напряжения питания для данного типа аппаратуры. Полученное число аккумуляторов округляют в большую сторону.
8.5.	Расчет элементов регулирования напряжения
Целью расчета является определение числа и способа включения регулирующих элементов для выбранного способа регулирования. Регулирование напряжения полупроводниковыми диодами. Если ток нагрузки превышает допустимый ток диода, то диоды включают параллельно. Их число
^пар ~~ /0,91/тах >
где /н—ток нагрузки, А;
0,9 — коэффициент, учитывающий неравномерность загрузки параллельно включенных диодов;
7—максимальный ток диода, А.
Если избыточное напряжение превышает падение напряжения на одном диоде, то диоды включают последовательно. Число диодов, соединенных последовательно,
N\^ = (Vf,NaK+^U-UmJ/Ua,
где Uq—напряжение на аккумуляторе в буферном режиме, В; для режима непрерывного подзаряда = 2,2;
Аакк—число аккумуляторов в батарее;
U—падение напряжения па диоде, В;
LZ—максимально допустимое напряжение на входе аппаратуры, В.
Когда напряжение на нагрузке достигает минимально допустимого, диоды выключаются, так как шунтируются контактными реле. Е1ри этом возникает скачок напряжения А (7Н = Сд Агюсл. Если этот скачок больше допустимого изменения напряжения на нагрузке А Свд= Цвах ~ Цпйг то диоды разбивают на группы и выключают их по мере уменьшения напряжения.
Регулирование напряжения полупроводниковыми стабилизаторами. Е(олупроводниковые стабилизаторы напряжения (СНП) установлены на стойках тина САРН-П.
365
Возможность включения СНП определяется сравнением предельных напряжений на выходе ЭПУ при различных режимах работы с допустимыми напряжениями на входе стабилизаторов:
^СНПтш — {^ЭПУтах “ ^б^ак — ^СНПтах ?
^ЭПУ min — {^ЭПУ min — ^р-^ак — АС/}< Пснп max ?
где ^cHIImin’ Цзнптах—соответственно минимальное и максимально допустимое напряжение на входе стабилизатора, В;
С/б—напряжение на аккумуляторе в буферном режиме, В;
AL7—падение напряжения в токораспределительной сети, В;
С7 — напряжение на аккумуляторе при разряде, В.
Кроме того, сравнивают максимальный ток нагрузки с допустимым током для данного стабилизатора 7CHrj max” Должно выполняться условие АстАзНП max'
К каждому стабилизатору можно подключить различные устройства, но так, чтобы общий ток нагрузки не превышал допустимого для данного стабилизатора:
Азнп max “
Регулирование напряжения дополнительными аккумуляторами.
Число элементов основной группы
^э = (б/н+ДС/)/1/б,
где 1/н—номинальное напряжение на нагрузке, В;
A U— падение напряжения на токораспределительной сети и других элементах, В;
Щ—напряжение на аккумуляторе в буферном режиме, В.
Число дополнительных элементов
N -N дэ ак оэ’
где Уак—общее число аккумуляторов в батарее.
Дополнительные элементы подключаются, когда напряжение на нагрузке при разряде батареи достигает минимально допустимого.
При этом возникает скачок напряжения
Д^н=%’
где U— напряжение на аккумуляторе в процессе разряда.
366
Если этот скачок больше допустимого изменения напряжения на нагрузке ДС7 = t>max - то дополнительные элементы разбивают на две секции или более и включают их по мере понижения напряжения.
Необходимое число секции дополнительных элементов Nc = Д Ц/Д С7 В цепях постоянного тока дополнительные элементы переключаются устройствами коммутации АКАБ, ШК и др. Число секций и элементов в секциях согласовывают с техническими данными этих устройств.
8.6.	Расчет и выбор выпрямительных устройств
Задачей расчета является определение типа и числа рабочих и резервных выпрямительных устройств (ВУ).
Выпрямители серий ВУК и ВУТ. Эти выпрямители выпускают двух модификаций: зарядно-буферные и буферные. Исключение составляют выпрямители на 24 В, которые выпускают только в заряднобуферном исполнении.
Все выпрямители этих серий рассчитаны на работу в двух режимах: автостабилизации тока, требуемого условиями заряда батарей аккумуляторов, и автостабилизации напряжения, необходимого при буферной работе.
Зарядно-буферные выпрямители позволяют заряжать батареи в расчете до 2,7 В на аккумулятор, и их можно использовать в ЭПУ как в схеме с несекционированной, так и в схеме с секционированной батареей. При высокой надежности электроснабжения аварийные разряды батарей происходят редко, следовательно, и заряд будет происходить также редко. Поэтому зарядно-буферные выпрямители будут использоваться неэффективно.
Буферные вьшрямители повышают КПД мощности ЭПУ. Максимальное напряжение этих выпрямителей ниже, чем у зарядно-буферных, и может быть установлено равным или несколько выше максимально допустимого для питания аппаратуры, Следовательно, буферные вьшрямители не смогут обеспечить работу ЭПУ при наличии диодов в качестве элементов регулировки, поэтому их применяют только с секционированной батареей аккумуляторов. Вьшрямители серии ВУК и ВУТ можно использовать как в неавтоматизированных, так и в автоматизированных ЭПУ.
Выпрямители серии ВУК, ВУТ и ВСП допускают параллельную работу. Число параллельно работающих выпрямителей серий ВУК и ВУТ, как
367
правило, не должно превышать трех. Как исключение допускается параллельная работа четырех, если в номенклатуре нет выпрямителей большей мощности. На параллельную работу включают выпрямители одинаковой мощности.
Комплекты выпрямителей для одной ЭПУ могут быть выполнены из двух выпрямителей большей мощности или трех выпрямителей меньшей мощности, включенных в параллельную работу.
Выпрямители типа ВСП. Данные выпрямители подразделяют на зарядно-буферные и выпрямители непосредственного питания без буферной аккумуляторной батареи с резервированием полупроводниковыми преобразователями по однобатарейной системе электропитания. На параллельную работу включают не более двух выпрямителей типа ВСП.
Тип и число рабочих выпрямителей определяют, ориентируясь на номинальное (максимальное) напряжение и тип режима работы (буферные, зарядно-буферные) с учетом требуемого тока и мощности. Технические данные выпрямителей приведены в табл. 8.1.
Напряжение на выходе выпрямителя при буферной работе и в режиме заряда
^вб“ и Цвз“
где	— напряжение на аккумуляторе при буферной работе, В; для
режима непрерывного подзаряда ~ 2,2 В.
U3 — напряжение на аккумуляторе в конце заряда, В; для автоматизированных ЭПУ в послеаварийном режиме заряда U3 - 2,3 В; для неавтоматизированных U3 - 2,7 В.
Nq , N3—число аккумуляторов в группе соответственно в буферном и зарядном режимах, определяемое на основании принципа работы ЭПУ.
Ток при буферной работе комплекта рабочих выпрямительных устройств
^б —	+ Znwn’
где ZH—ток, потребляемый аппаратурой в час наибольшей нагрузки, А;
/п = 0,0015СН—ток подзаряда батареи, А;
пп—число групп подзаряжаемых аккумуляторных батарей;
Cv—номинальная емкость, мкФ. г!	У
368
Ток выпрямительных устройств, обеспечивающих заряд аккумуляторов батарей,
где/3—зарядный ток на один индексный номер аккумулятора, А; для автоматизированных ЭПУ при заряде одной группы не менее 2 А, при одновременном заряде двух групп не менее 4 А и для неавтоматизированных ЭПУ;
N— индексный номер аккумулятора;
/?3—число одновременно заряжаемых групп аккумуляторных батарей.
В автоматизированных ЭПУ послеаварийный заряд обеих групп аккумуляторных батарей без отключения их от нагрузки осуществляется одновременно, а в неавтоматизированных ЭПУ заряд группы может выполняться отдельно с отключением от нагрузки.
Мощности, отдаваемые комплектом рабочих выпрямителей при буферной работе, кВт, Рб = С/вб/б*10“3 и заряде аккумуляторов, кВт, Р3= ивз1; 10-3.
На основании полученных величин мощностей и токов, потребляемых от выпрямителей в различных режимах, и учитывая максимальное напряжение на выходе выпрямителя, выбирают число рабочих выпрямителей.
Резервные выпрямители выбирают из соображений возможности замены любого из рабочих выпрямителей.
При высокой надежности электроснабжения и наличии Д Г А аккумуляторы заряжаются редко. Для заряда аккумулятора устанавливать специальный выпрямитель экономически нецелесообразно, поэтому аккумулятор обычно заряжается от резервного выпрямителя.
8.7.	Устройства ввода и коммутации цепей переменного тока
Электрическая энергия от внешних источников электроснабжения через вводные фидеры и аппаратуру коммутации переменного тока поступает к различным устройствам узла связи. Для выбора устройств ввода и коммутации цепей переменного тока предварительно определяют максимальные мощности, необходимые для работы отдельных устройств
24 Вл. Сапожников
369
узла связи, а затем общую мощность и ток, потребляемый от внешних источников.
11ри расчету мощности ЭПУ, необходимо учитывать, что наибольшая мощность потребляется в послеаварийном режиме, когда необходимо обеспечить питание аппаратуры и заряд аккумуляторных батарей. Общая мощность в этом режиме Рв = Ра + Р3, где Ра и Р3 — соответственно мощности питания аппаратуры и при заряде аккумуляторных батарей.
Активная Ру и реактивная Q мощности (кВт, квар), потребляемые отдельными устройствами от источников внешнего электроснабжения,
где Р—мощность, необходимая для работы данной аппаратуры, кВт;
г|—КПД установки (выпрямителя, преобразователя и др.);
cos ф—коэффициент мощности установки.
Общая активная Р и реактивная Q мощности, потребляемые от внешних источников, соответственно
Р-ЕРуи2 = ^у.	(8.1)
Полная мощность (кВ-A), потребляемая от внешних источников электроэнергии,
5 = р2+<22 ,
(8.2)
а коэффициент мощности cos ф = P/S.
Полный ток, А,
/ = 5-103/л/3{7л,
где С/л—напряжение питающей сети, В. Для трехфазной системы соединения звездой при равномерной загрузке фаз [7 = 380 В.
Ток /используют для выбора устройств коммутации переменного тока.
В качестве устройств ввода и коммутации цепей переменного тока наиболее часто используют автоматизированные щиты переменного тока типов ЩПТА-4/200-2, ЩПТА-380/600 и вводную панель переменного тока типа ПВ-60.
Щиты переменного тока автоматизированные типов ЩПТА-4/200-2 и ЩПТА-380/600 предназначены для распределения тока по потребителям, защиты и контроля распределительных цепей.
370
С помощью щита Щ1ГГА-4/200-2 (рис. 8.19) обеспечиваются следующие функции.
Подводится электрическая энергия от одного внешнего источника тока (сеть напряжением 380/220 В) и контролируются напряжение и ток (индикаторная лампа Н1, вольтметр PV, амперметр РА). При наличии двух вводов от внешних источников последние подключают через устройства, имеющие автоматическую коммутацию входящих линий (типов ПРПТ-65, ПВ-60 и др.).
Через контакты реле К11 автомата чески запускается местная резервная электростанция ДГА при отключении напряжения, подводимого от внешних источников; отпускает якорь реле К1. Подключается напряжение от ДГА к шинам гарантированного питания ШГП и отключается от шин негарантированного питания ШНП контактами К1.
Контроль Понижение
ДГА Запуск напряжения напряжения
Сеть 380/220 В 380/220 В ДГА 24 В 60 В
------р----О  р--------р р-------р— о—о р—р-
ч 1	2 z +24 В ~ Неисправ- ч 3	4	5 z z Аварийное
Нагрузка	ности ЭПУ Нагрузка / освещение
Освещение -220 В
Рис. 8.19. Схема щита переменного тока типа ЩПТА-4/200-2
371
Рис. 8.20. Схема вводной панели типа ПВ-60
К батарее аккумуляторов подкл ючается сеть аварийного освещения при отключении напряжения на шинах гарантированного питания (реле Кб).
Контролируется напряжение источников 24 и 60 В (устройство контроля напряжения УКН1 и УКН2). При изменении напряжения ниже заданного включаются местная сигнализация (лампы НЗ, Н4 и звонок Н5) и внешняя сигнализация (от контактов К7 и К8). Дублируются сигналы неисправности различных устройств (лампы Н7, Н8 и Н9).
Щит переменного тока типа ЩПТА 380/600 имеет аналогичные устройства.
Панель вводная переменного тока типа ПВ-60 (рис. 8.20) служит для коммутации двух питающих фидеров и распределения переменного тока по нагрузкам.
Панель обеспечивает подвод и контроль напряжения от двух внешних источников и местной резервной электростанции ДГА, автоматическое и ручное переключение внешних источников, автоматический и ручной запуск ДГА при отсутствии напряжения на обоих фидерах, оптическую и акустическую сигнализацию.
Для учета электрической энергии в фидерах установлены трансформаторы тока, ккоторыммогутбьпъ подключены счетчики электрической энергии. Счетчики в комплект панели не входят. Панель выполнена в виде шкафа.
8.8.	Структурная схема электропитающей установки узла связи
После расчета и выбора всех основных элементов сост авляют общую структурную схему ЭПУ узла связи (рис. 8.21), на которой указывают следующие элементы:
- вводы от внешних источников электроснабжения и от местной резервной электростанции;
372
Рис. 8.21. Структурная схема ЭПУ узла связи
373
-	основное оборудование; устройства коммутации постоянного тока; группы аккумуляторных батарей с указанием номера группы, число и тип аккумуляторов;
-	места подключения основной нагрузки (аппаратуры связи) и дополнительных потребителей (освещения, вентиляции, силового оборудования и др.);
-	соединения между отдельными устройствами в однолинейном изображении с указанием числа проводов (показывают числом штрихов или штрихом и цифрой);
-	места подключения нагрузочных сопротивлений НС и ящиков выключателей закрытых ЯВЗ для защиты оборудования от токов перегрузки и короткого замыкания;
-	общую земляную шину и место подключения щита заземления ЩЗ с указанием назначения заземлений (защитного, рабочего и измерительного);
-	места включения шунтов для устройств индикации тока УИТ.
Электроснабжение осуществляется от внешних источников по двум фидерам. В резервный фидер (Ф2) включен трансформатор Т, повышающий напряжение до 380 В. Оба фидера Ф1 и Ф2 подключены к шкафу управления типа ШУ-8254, обеспечивающему автоматическое переключение фидеров при пропадании напряжения. Резервное электроснабжение переме! шым током предусматривается от ДГА. В качестве устройства коммутации переменного тока использованы щиты типа ЩПТА-4/200-2 для основной нагрузки и типа ЩПТА-380/600—для дополнительной.
Устройства электропитания аппаратуры связи содержат три автоматизированных установки на номинальное напряжение: 24 В; -60 В и +60 В. В электропитающей установке тапаЭПУ-24 для подключения одной из групп аккумуляторных батарей к нагрузочным сопротивлениям НС при контрольных разрядах и перезарядах использованы батарейные щиты типа ЩБ2-24/1000. Для контроля токов в цепях установки типа ЭПУ-24 включены шунты устройств индикации тока УИТ. В цепь нагрузочных сопротивлений установки типа ЭПУ-60 включены однолинейные ящики-выключатели типа ЯВЗ-23, защищающие и коммутирующие эти цепи.
Во время аварии источников внешнего электроснабжения запускается местная резервная электростанция, которая обеспечивает питанием основные устройства узла связи. В качестве резервной электростанции
374
обычно используют дизсль-i ci юраторпыс автоматизированные установки (ДГА), которые должны обса ici 1иыгтьэлектроэнергиейследуюшцеустройства*. всю аппаратуру связи, питаемую постоянным и переменным током; сеть гарантированного освещения; устройства вентиляции аккумуляторных помещений; собственные нужды электростанции (освещение, отопление, вентиляцию). Кроме того, в домах связи с автоматизированными ЭПУ должна быть предусмотрена возможность заряда всех аккумуляторных батарей, а при неавтоматизированных ЭПУ—заряд одной группы наиболее мощной батареи. Остальные группы могут быть заряжены в другое время. Часть потребителей во время аварии источников внешнего электроснабжения отключается. К таким устройствам относятся негарантированное освещение, силовое оборудование мастерских и др.
По известным формулам определяют общую активную и реактивную мощности, а также общую полную мощность, потребляемую от ДГА. На основании общей активной мощности выбирают ДГА [8.6].
Длительная активная нагрузка ДГА должна находиться в пределах 50—100 % от номинальной мощности. Допускается перегрузка на 10 % в течение 1 ч, а на 15—20 %—не более 5 с. Запуск ДГА осуществляется автоматически при пропадании напряжения на фидерах питания Ф1 и Ф2. Через 25—30 с после отключения фидеров к ДГА подключается нагрузка. При появлении напряжения в одном из фидеров ДГА автоматически отключается и останавливается.
8.9. Дистанционное питание
Электропитающие установки размещают в пунктах, где установлено оконечное оборудование систем передачи (ОП), и в усилительных или регенерационных пунктах, где имеется обслуживающий персонал (ОУП, ОРП). Большая часть усилительных и регенерационных пунктов не имеет постоянного обслуживающего персонала (НУП, HP Л). Аппаратура, устанавливаемая в этих пунктах, получает питание от соседних ОУП, ОРП (или ОП) по тем же проводам, по которым передаются сигналы связи. Такое электропитание называют дистанционным (ДП). Участок магистрали между двумя смежными ОУПами (ОРП) или между ОП и ОУП (ОРП), на котором осуществляется дистанционное питание, называют
375
секцией дистанционного питания. Часто одна часть НУII (НРП) получает питание с одного ОУП (ОРП), а другая часть—с другого ОУП (ОРП). В этом случае секцию ДП разбивают на две полусекции. Дистанционное питание применяют на воздушных и особенно широко—на кабельных линиях связи. Передача электрической энергии в цепях ДП по сравнению с передачей энергии в сетях энергосистем имеет ряд особенностей. В цепях ДП передаются небольшие мощности на значительные расстояния по проводам с небольшой площадью поперечного сечения. Напряжение ДП гораздо ниже, чем в энергосистемах. Это вызвано необходимостью снижения мешающего действия токов ДП на сигналы связи, электрической прочностью кабеля и обеспечением безопасности обслуживающего персонала. В цепях ДП допускаются большие потери, обусловленные значительным сопротивлением линейных проводов и относительно низким напряжением дистанционного питания.
В зависимост и от рода тока, используемого для питания аппаратуры ПУП, различают ДП постоянным и переменным током.
Система питания постоянным током. Такая система питания заключается в том, что с питающего пункта в цепь ДП посылают постоянный ток, который через линейные провода поступает непосредственно в питаемую aiшаратуру НУП. К достоинствам способа относят практически полное отсутствие помех от тока ДП на передаваемые сигналы связи; простоту устройств ДП в НУП: возможность использования в качестве обратного провода землю, что уменьшает потери в цепях ДП и позволяет увеличить дальност ь передачи токов ДП.
Система питания переменным током. В данной системе питающего пункта в цепь ДП посылают переменный ток промышленной частоты 50 Гц, а в НУП устанавливают выпрями гели для получения постоянного тока.
Основным достоинством данной системы питания является возможность использования достаточно высокого напряжения. Эго позволяет снизить потери в линейных проводах, увеличить дальность передачи токов ДП и число питаемых пунктов. К недостаткам относятся: значительные мешающие влияния на передаваемые сигналы связи, сложность обеспечения защиты от влияния линий электропередачи и тяговых токов промышленной частоты, сложность оборудования электропитания в НУП. Питание переменным током применялось для усилителей многоканальных систем передачи с электронными лампами (типа К-1920 и др.).
376
Всю аппаратуру сис i см i юредачи изготавливают с использованием полупроводниковых 9J ICMCi НОВ, I юэтому ДП постоянным током широко применяют как на симметричных, так и на коаксиальных кабелях.
В зависимости от характера цепей, применяемых для передачи тока от ОП и ОУП в НУП, раз;i и чают две системы ДП «провод—земля» и «провод—провод».
В схемах питания «провод —земля» (рис. 8.22, а) источник тока в ОУП и питаемая аппаратура в НУП только частично соединены проводами линии связи. В качестве части цепи ДП используют землю. Достоинством системы «провод—земля» является малое сопротивление линейной цепи, обусловленное небольшим сопротивлением между заземлениями в ОУП (ОП) и НУП, что обеспечивает большую дальность ДП. Недостатком является малая защищенность от посторонних ЭДС и токов вследствие несимметричности цепей ДП. Тяговые сети переменного тока и линии электропередачи индуцируют в одноироводных цепях ДП большие напряжения, которые оказывают мешающее действие на передаваемые сигналы связи и могут повредить устройства связи, а также опасны для обслуживающего персонала.
Контактные сети постоянного тока, магнитные бури и блуждающие токи создают дополнительную разность потенциалов между заземлениями в ОУП и НУП, которая может привести к изменению тока ДП и нарушить работу аппаратуры связи.
В схеме питания «провод—провод» (рис. 8.22, б) источник тока в ОУП и питаемая аппаратура в НУП полностью соединены между собой проводами линии связи. Достоинством системы ДП «провод—провод»
Рис. 8.22. Схемы ДП: а —-«провод—земля»; б —- «провод—провод»
377
является то, что симметричные двухпроводные цепи хорошо защищены от помех, создаваемых линиями электропередачи и тяговыми сетями переменного тока.
Схема хорошо защищена от блуждающего токов, создаваемых тяговыми сетями постоянного тока. Недостатком системы является значительное сопротивление линейной цепи, которое вызывает большие потери и ограничивает дальность передачи ДП.
На железнодорожном транспорте в настоящее время часть участков электрифицирована, остальные также подлежат электрификации. Поэтому на кабельных линиях связи, прокладываемых вдоль железных дорог, наибольшее распространение получила система ДП «провод—провод» как наиболее помехозащищенная.
Для организации цепей ДП могут быть использованы различное число жил кабеля, отдельные жилы, пары четверки (рис. 8.23, а—г) и т.д. Чем больше жил в цепи ДП, тем меньше потери в линии. Для ДП на различных участках может быть применено различное число жил кабеля (рис. 8.19,3). При организации ДП с одной жилой для разделения токов ДП и сигналов связи необходимо устанавливать специальные развязывающие элементы L и С (см. рис. 8.19, усложняющие устройства ДП. Поэтому т акую схему практически не применяют. Наиболее часто ДП организуют по паре или по четверке, где для разделения токов ДП и сигналов связи используют линейные трансформаторы (ЛТ) с отводом от средней т очки. Принятые условные обозначения цепей ДП показаны на рис. 8.23, в—д.
Рис. 8.23. Схемы ДП: а — по жиле, бив — по паре, г — по четверке, д — по паре и четверке
378
Дистанционное питание НУП может быть осуществлено по индивидуальному и групповому способам. При индивидуальном способе по каждой цепи передается электроэнергия только для той аппаратуры, которая работает по да! шой цепи, а при групповом способе—часть или все жилы кабеля обьедттняюi в одну цепь ДП для питания всей аппарат уры НУП.
Индивидуальный способ нашел наибольшее распространение. Он позволяет легко включать и выключать любую систему передачи с помощью подачи или отключения ДП; облегчает контроль за работой системы передачи, контролируя ток ДП; упрощает стабилизацию токов и напряжений ДП.
Существуют три способа включения в цепь ДП аппаратуры системы передачи, расположенной в НУП. Параллельное включение аппаратуры (рис. 8.24, а) применяют при питании аппаратуры переменным током, последовательное включение аппаратуры (рис. 8.24, б)—при питании аппаратуры на транзисторах постоянным током, а индивидуальное включение аппаратуры (рис. 8.24, в)—при питании аппаратуры, выполненной на лампах, постоянным током.
Резервирование ДП возможно также тремя способами.
Одна часть НУП получает основное питание из одного ОУП 1, другая часть—из другого ОУП2. Резервное питание осуществляется из тех же ОУП по жилам того же кабеля К (рис. 8.25, а).
Рис. 8.24. Схемы включения аппаратуры в цепь ДП: а - параллельное, б последовательное, в - индиви-дуальнос
ОУП1 НУП НУП НУП!НУП НУП НУП ОУП2
Рис. 8.25. Схемы резервирования ДП
379
Одна часть НУП получает основное питание из одного ОУП 1, другая часть—из другого ОУП2. Резервное питание предусматривается из тех же ОУП, но по жилам другого кабеля (рис. 8.25, б).
Все НУП получают основное пи гание из одного ОУП. Резервное питание выполняется из другого ОУП по жилам другого кабеля (рис. 8.25, в).
Преимущество второго и третьего способов заключается в том, что имеется возможность при ремонтных работах или при других профилактических мероприятиях отключить напряжение ДП на одном из кабелей и этим значительно облегчить рабочие операции.
Дистанционное питание НУП в системе передачи К-60П. Аппаратура системы передачи выполнена на транзисторах. Малые токи ДП (0,2 А) и низкое напряжение (36—48 В), необходимое для питания промежуточных усилителей, позволили аппаратуру, расположенную в разных НУ Пах, включить в цепь ДП последовательно.
Г (ри изменении разности потенциалов между заземлениями и в ОУП и НУПах до ± 15В применяют систему питания «провод—земля», а при большой разности потенциалов—систему «провод—провод».
В схеме дистанционного питания НУПов К-60П по системе «провод— провод» (рис. 8.26) цени ДП получают электрическую энергию от электро-нитающей установки типа ЭПУ-24 через полупроводниковые стабилизаторы напряжения СНП стоек типа САРН-П и полупроводниковые преобразователи Пр стоек дистанционного питания СДП. Каждая цепь ДП организована по двум парам одной четверки кабеля. По каждой цепи ДП получают питание две системы передачи. Одна система включена в провода прямого направления цепи, другая—в провода обратного направления. В каждом кабеле создано по две цепи ДП, но которым получают питание восемь систем передачи по первому кабелю—устштели нечетных систем, по второму — четных систем передачи.
Для уменьшения влияния выходов усилителей систем передачи на их входы через гальванически неразделенные (третьи) цепи в промежуточных пунктах скрещиваются ВЧ четверки магистрального кабеля.
Дистанционное питание НУПов по схеме «провод—земля» имеет следующие особенности. Каждая цепь ДП создается по двум парам одной четверки в прямом направлении, а в обратном направлении проводником служит земля. По каждой цепи ДП получает питание одна система передачи. В каждом кабеле создаются четыре цепи ДП, по которым получают питание восемь систем передачи.
380
Рис. 8.26. Схема дистанционного питания НУПов в системе передачи типа К-60П по системе «провод—провод»
381
Защитные и развязывающие устройства в цепи ДП аппаратуры типа К-60П, которая выполнена по схеме «провод—земля», показаны на рис. 8.27. Ток ДП проходит по цепи:«+» преобразователя стойки СДП на ОП или ОУП, защитное устройство ЗУ, средняя точка обмотки фантомного трансформатора ФТ, фильтры нижних частот ДВ, средние точки обмотки линейных трансформаторов ЛТ, линия (две пары жил магистрального кабеля), средние точки обмотки линейных трансформаторов в промежуточном НУПе, фильтры ДВ, средняя точка обмотки трансформатора ФТ, защитное устройсгво ЗУ, блоки дистанционного питания ДП1, ДП2, устройство ЗУ, трансформатор ФТ, трансформатор ЛТ, линия, другие промежуточные НУПы, линия, средние точки линейных трансформаторов НУПа (последнего в цепи ДП), фильтр ДВ, трансформатор ФТ, устройство ЗУ, блоки ДП1 и ДП2, заземление в НУПе, земля, заземление в ОП (ОУП);«-» преобразователя стойки СДП.
Стойка автоматической регулировки напряжения САРН-П служит для получения стабилизированного напряжения (21,2 ± 0,6)В, необходимого для работы преобразователей стойки СДП.
Стойка дистанционного питания СДП типа К-60П предназн ачена для преобразования напряжения (21,2 ± 0,6)В в более высокое напряжение (от 60 до 475 В), а также для защиты и коммутации цепей ДП. На стойке установлены девять преобразователей, восемь преобразователей для питания цепей ДП и один—резервный.
Блоки дистанционного питания ДП1 и ДП2 (рис. 8.28) обеспечивают в НУПе стабилизацию питающего напряжения 18,6 В с точностью не ниже ±0,93 В при изменении тока ДП от номинального на 0,18 (+0,05, -0,02)А. Кроме того, блоки обеспечивают защиту аппаратуры от перегрузок значительными импульсами тока и большими обратными напряжениями, возникающими в аварийных условиях.
Изменение тока ДП приводит к изменению напряжения на резисторе R2 и участке эмиттер—база транзистора VT. Увеличение (уменьшение) этого напряжения приводит к уменьшению (увеличению) сопротивления перехода эмиттер—коллектор транзистора. В результате этого напряжение на нагрузке (линейный усилитель ЛУс, усилитель низкой частоты УНЧ, устройства телемеханики ТМ) остается неизменным (в пределах обусловленных точностью стабилизации блока). Резистор R1 служит для термокомпенсации. Стабилитрон VD1 обеспечивает опорное напряжение на транзисторе. Диод VD2 защищает блок ДП 1 от больших обратных
382
Рис. 8.27. Схема развязывающих и защитных устройств в цепях ДП системы передачи типа К-60П
Рис. 8.28. Схема включения блоков ДП 1 и ДП2 и устройств «обратной полярности» системы передачи типа К-60П
напряжений, возникающих в аварийных ситуациях. Диод VD3 шунтирует блок при дистанционном питании напряжением обратной полярности. Схема и работа блока ДП2 аналогичны изложенному.
Устройства «обратной полярности» предназначены для дистанционного питания усилителей служебной связи УНЧ в аварийных условиях (при обрыве кабеля) и определения поврежденного участка непосредственно с ОУПа. При подаче в цепь ДП напряжения прямой полярности обеспечивается питание усилителя УНЧ (или устройств ТМ) через диод VD4. При этом диод VD5 отключает остальные элементы устройств «обратной полярности». При подаче с ОУПа (ОПа) в цепь ДП напряжения «обратной полярности» усилитель УНЧ (или устройства ТМ) получает питание через резистор R3, диоды VD5, VD2 и VD3. Стабилитрон VD6 через диод VD7 обеспечивает стабилизацию напряжения питания УНЧ. Усилители систем передачи ЛУс при этом питания не получают, так как отключаются диодом VD4. С помощью переменного резистора R3 устанавливается необходимый ток питания усилителя УНЧ.
Защитноеустройство ЗУ (см. рис. 8.27) ограничивает токи, создаваемые продольными ЭДС, наведенными линиями электропередачи (ЛЭП) и тяговыми токами на электрифицированных участках.
384
Каждое ЗУ состоит из двух дросселей L1 и L2 и резонансного контура, настроенного на частоту 50 Гц. Если нет оснований ожидать появления продольных ЭДС в цепях ДП (например, на участках с электротягой на постоятюм токе или с автономной тягой), то один из дросселей ЗУ (со стороны станции) может быть выключен. Т-образный фильтр преобразуется в Г-образный, что уменьшает сопротивление цепи ДП и позволяет увеличить число питаемых НУПов.
Фильтры нижних частот ДВ (см. рис. 8.27) уменьшают влияние между цепями, по которых! работают различные системы передачи. Это влияние может возникнуть вследствие асимметрии проводов кабеля и обмоток линейных трансформаторов. Фильтры имеют небольшое затухание для постоянного тока ДП, токов служебной связи, телеуправления и телесигнализации, т.е. в диапазоне до 8 кГц.
Защита аппаратуры от перенапряжений, вызванных грозовыми разрядами, осуществляется в ОП (ОУП)—с помощью разрядников FV1 типа РВ-1 000, искровых разрядников и дренажных катушек ДР, в НУП— с помощью разрядников FV2 типа Р-24 с напряжением зажигания 1100 В.
Напряжение ДП
ГДП ~ ^(^ДП^Л^Ср -1’ 2/дПГраз + ИНуП)+ U 3,
где п—число необслуживаемых усилительных станций, включенных в одну цепь;
I —ток ДП для одной системы передачи с учетом тетания усилителей низкой частоты для служебной связи, устройств телеуправления и телесигнализации;
гл—сопротивление 1 км четверки жил кабеля, соединенных параллельно;
/—средняя длина усилительного участка в полусекции ДП;
Граз—сопротивление цепи развязывающих устройств;
Ц - 37,2 В—напряжение электропитания оборудования каждого НУПа;
Ц—суммарное падение напряжения на заземляющих устройствах от токов ДП, в ОУПе (ОПе) и в последнем НУПе, В.
Для системы «провод—земля» п принимается равным числу НУПов в полусекции ДП, а для системы «провод—провод»—удвоенному числу НУПов в полусекции ДП.
При диаметре жил кабеля 1,05 мм гл = 5,3 Ом/км, а при диаметре жил кабеля 1,2 мм г т ~ 3,99 Ом/км.
25 Вл. Сапожников
385
Средняя длина усилительного участка в полусекции ДП
zcp = + h + h + ••• + 0/и-
Если используют Т-образные фильтры, то сопротивление г = 31 Ом, а если Г-образные, то сопротивление г	= 16 Ом.
Дистанционное питание в системе передачи ИКМ-120. Дистанционное питание осуществляется по фантомным цепям четверки симметричного кабеля. Устройство приема на каждой НРП (рис. 8.29) представляет собой пять последовательно соединенных стабилитронов. Напряжение питания каждого одностороннего регенератора РЛ определяется напряжением двух последовательно соединенных стабилитронов VD. Устройство дистанционного питания УДП представляет собой двухтактный регулируемый конвертор стабилизирующий выходной ток на уровне 125 мА. Частота преобразования конвертора 16 кГц. Устройство УДП снабжено искусственно заземленной средней точкой, за счет чего повышается напряжение ДП до 980 В.
Направление
Рис. 8.29. Схема одной полусекции ДП НРП системы передачи типа ИКМ-120
Дистанционное питание в системе передачи типа ИКМ-30 выполняется так же, как для системы передачи типа ИКМ-120.
В качестве УДП использован двухтактный нерегулируемый конвертор, получающий питание от импульсного регулятора напряжения.
386
Дистанционное питание в системе передачи типа К-1020С. Данная система передачи предназначена для замены двух систем К-60П в многопарном кабеле. Дистанционное питание организуется по фантомным цепям пар кабеля (рис. 8.30). В зависимости от длины секции ДП возможны различные варианты построения цепей ДП. При числе НУП в секции до 25 ДП может осуществляться по фантомным цепям высокочастотных пар. При числе НУП в секции до 47 ДП может предусматриваться также с одного ОУП, но по двум цепям ДП.
НУП 47
Рис. 8.30. Схема одной полусекции ДП системы передачи типа К-1020С
В первой цепи ДП аппаратура НУП 1-НУП25 получает питание также по фантомным цепям высокочастотной пары кабеля. Вт орая цепь ДП на первом участке организуется по фантомным цепям пары, используемой для служебной связи и передачи сигналов телемеханики. На НУП25 цепь ДП переходит на высокочастотную пару кабеля и обеспечивает питание НУП26-НУП47. При числе НУП в секции до 94 ДП выполняется с двух смежных ОУП.
В качестве УДП используют двухтактные нерегулируемые конверторы, выполненные по схеме со средней точкой. Конверторы получают питание от электропитающей установки типа ЭПУ-24. Частота преобразования конверторов 20 кГц. Напряжение на выходе УДП зависит от числа НУПов и может достигать 900 В.
387
КОНТЮЛЬНЫЕВОПРОСЫ
1.	Что называют узлом связи?
2.	Каковы основные составные части электроустановки?
3.	Какие устройства коммутации цепей постоянного тока используют в ЭПУ?
4.	На основании каких данных выбирают тип и число рабочих, резервных выпрямителей?
5.	Какие устройства ввода и коммутации цепей переменного тока используют в ЭПУ?
6.	Какую систему дистанционного питания НУПа используют на симметричных кабелях?
7.	Каковы преимущества и недостатки схемы питания «провод—провод»?
8.	Как осуществляется дистанционное питание в системах типа К-60П, ИКМ-120.К-1020С?
Глава 9
СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
К радиотехническим устройствам, используемым на железнодорожном транспорте, относятся в основном стационарные, локомотивные и переносные радиостанции. Стационарные радиостанции устанавливаются на станциях или перегонах, что определяет возможность использования для их питания электропитающих сетей переменного напряжения 220 В. Электропитание локомотивных радиостанций осуществляется от напряжения цепей управления локомотивов с номинальными значениями 50, 75 или 110 В. Существуют также варианты радиостанций, которые устанавливаются на самоходном подвижном составе с первичным напряжением 24 В. Первичными источниками электропитания переносных радиостанций служат малогабаритные аккумуляторные батареи.
Важность получения устойчивой и надежной связи между машинистами локомотивов, дежурными по станции, диспетчерами, составителями поездов и другими работниками железнодорожного транспорта диктует необходимость специального подхода к разработке систем и источников электропитания радиостанций.
Наиболее ответственными считаются стационарные радиостанции, которые есть, по существу, центральные пункты, через которые осуществляется связь работников и объектов железнодорожного транспорта. Поэтому электропитание стационарных радиостанций происходит как минимум от двух первичных источников, один из которых является автономным и независимым от внешних систем электроснабжения. Таким источником служат стационарные аккумуляторные батареи, работающие в буферном режиме гюдзаряда.
Первичным источником электропитания локомо пивных радиостанций являются аккумуляторные батареи, заряд которых в зависимости от типа локомотива происходит от генераторов или трансформаторно-выпрямительных устройств. В некоторых случаях для электропитания радиостанций используются специальные отводы от аккумуляторных батарей, что улучшает стабильность напряжения питания и повышает помехоустойчивость радиосвязи. Повышенный уровень помех внутри кузова локомотива определяет необходимость применения специальных мер по исключению их проникновения в схему радиостанций, включая
389
источники вторичного электропитания (ИВЭП) и надежной электрической защиты.
Электропитание переносных радиостанций осуществляется от одного обычно нерезервируемого электрохимического источника.
Эта специфика эксплуатационных требований определяет особенности построения ИВЭП радиостанций различного назначения [53].
9.1.	Источники электропитания стационарных радиостанций
Функциональное назначение ИВЭП стационарных радиостанций— преобразование одного или двух (основное и резервное) переменных напряжений 220 В частоты 50 Гц в необходимые постоянные напряжения, требующиеся для функционирования радиостанции в режимах приема и передачи. Одновременно с этим при пропадании переменных напряжений ИВЭП должен обеспечивать получение необходимых постоянных напряжений от аккумуляторных батарей.
Структурная схема ИВЭП стационарной радиостанции 42РТС-А2-ЧМ приведена на рис. 9.1. Здесь имеются три первичных источника электропитания: два переменных напряжения 220 В (основное и резервное) и аккумуляторная батарея напряжением 24 В. В штатном режиме работы ИВЭП функционирует от основной или резервной сети 220 В. В аварийном режиме электропитание осуществляется от аккумуляторной батареи, цепи и устройства заряда которой не показаны.
При питании радиостанции от сетей переменного напряжения во входной цепи ИВЭП имеется ВЧ-фильтр, подавляющий высокочастотные помехи, характерные для электрических сетей железнодорожного транспорта и обусловленные функционированием выпрямителей тяговых подстанций, коммутациями тягового тока, работой силовых коммутационных приборов, наличием грозовых разрядов и др. Фильтр состоит из высокочастотных дросселей L1—L4 и конденсаторов С1—С7, которые предназначены д ля фильтрации как синфазной, так и дифференциальной составляющей помех. Переключение с основной сети переменного напряжения на резервную осуществляет ся контактами реле Р1. Выходное напряжение ВЧ-фильтра поступает на низкочастотный (50 Гц) трансформатор с выпрями 1 елями ТВ, на выходе которого формируются постоянные напряжения <7н1, £7Н? и С/ 3.
390
Рис.9.1. Структурная схема ИВЭП стационарной радиостанции 42РТС-А2-ЧМ
При отсутствии напряжения в обеих сетях переменного напряжения 220 В исчезнут выходные напряжения блока ТВ и реле Р2 выключится. Тогда питание радиостанции будет осуществлятся через фильтр С8, L5, С9 от аккумулят орной батареи, положительный полюс которой, в отличие от батарей СЦБ, соединен с землей. Начнет работать импульсный преобразователь постоянного напряжения ИПЙ. Его выходные напряжения подключены параллельно выходным цепям напряжений блока ТВ. В данной схеме ИПН представляет собой двухтактный нерегулируемый импульсный преобразователь на транзисторах КТ808А с самовозбуждением, принцип работы которого рассмотрен в гл. 4 (см. рис. 4.12).
Так как в блоках ТВ и ИПН отсутствует стабилизация выходных напряжений, для компенсации дестабилизирующих воздействий со стороны первичных сетей 200 и 24 В в ИВЭП введен блок стабилизаторов БС. При подаче на его вход нестабильных выходных напряжений от ТВ и ИПН на выходе БС будут присутствовать стабилизированные напряжения С/н1 = 24 В, Сн? = 12,6 В и Ц13 = -27 В, требующиеся для работы радиостанции. Общие полюса этих напряжений заземлены.
Функционально блок БС состоит из трех автономнььх стабилизаторов. Для получения напряжений Сн2 = 12,6 и Сн3 = -27 В применяются описанные в гл. 4 (см. рис. 4.4) линейные стабилизаторы напряжения, так как энергопотребление по этим напряжениям относительно невелико. Для выходного напряжения Сн1 = 24 В (наиболее мощная выходная цепь)
391
применяется импульсный стаоилизатор постоянного напряжения, позволяющий снизить тепловую мощность потерь и уменьшить энергопотребление ИПН от аккумуляторной батареи. Принципы работы такого стабилизатора рассмотрены в гл. 4 (см. рис. 4.5). Он представляет собой ИСН понижающего типа с силовым импульсным транзистором типа КТ808А и силовым диодом, в качестве которого использован тот же транзистор в диодном включении. Дополнительное напряжение-8 В на входе блока БС необходимо для работы схемы управления силовым транзистором ИСН.
Для защиты ИПН от подачи обратной полярности напряжения аккумуляторной батареи предусмотрен диод VDaKK, который, шунтируя в этом режиме входную цепь, вызывает перегорание предохранителя FU. Схемы стабилизаторов и преобразователя выполнены на дискретных транзисторах без применения интегральных микросхем.
Иной вид имеет структурная схема ИВЭП стационарной радиостанции 1Р22С «Транспорт» (рис. 9.2). Здесь первичными являются переменное напряжение 220 В и постоянное 24 В аккумуляторной батареи, у которой положительный полюс также заземлен.
Рис. 9.2. Структурная схема ИВЭП стационарной радиостанции 1Р22С
392
На входе ИВЭП со стороны переменного напряжения, как и в предыдущем случае, имеется ВЧ-фильтр, состоящий из двухобмоточного дросселя Ц t и конденсаторов С1, СЗ, С4.
Схема содержит импульсные преобразователи постоянного напряжения ИПН1 и ИПН2. Они обеспечивают выходное напряжение = 13,2 В при питании радиостанции от аккумуляторных батарей (ИПН 1) и при питании от сети переменного напряжения (ИПН2). В этом ИВЭП, в отличие от предыдущего, имеется лишь одно выходное напряжение, что упрощает схему его стабилизации и повышает КПД источника электропитания.
Схемотехнически ИПН1 и ИПН2 представляют собой однотактные преобразователи с прямым включением диода, которые описаны в гл. 4 (см. рис. 4.9). Схема управления СУ силовыми каскадами, обеспечивающая стабилизацию выходного напряжения ИВЭП, является объединенной для обоих преобразователей.
Входным для преобразователя ИПН2 является высокое напряжение, которое образуется после выпрямления переменного напряжения сети выпрямителем VDC и его сглаживания конденсатором С5. Среднее значение его лежит в пределах Еп? = 280—310 В при действующем значении переменного первичного напряжения, равном 220 В. Специфика работы подобного выпрямителя рассмотрена в п. 3.2.2.
Для возможности отключения радиостанции от источников электропитания имеется ключ S. При включенном его состоянии (нажатом) питание на функциональные узлы ИВЭП подается как от сети переменного напряжения, так и от аккумуляторов. При отжатом состоянии ключа вход выпрямителя VD отключается от сети переменного напряжения, а так как аккумуляторная батарея постоянно подключена, подачей сигнала Е на вход ИП СУ отключается преобразователь ИПН 1. В зависимости от наличия того или иного первичного напряжения питание СУ осуществляется следующим образом. Если на входе имеются оба напряжения, то на СУ поступают питающие напряжения Ев и Ев2. При этом СУ вырабатывает управляющие импульсы Упр2, подаваемые на ИПН2 для управления работой силовых транзисторов, а управляющие импульсы Упр 1 отсутствуют и ИПН2 выключается. При отсутствии переменного напряжения 220 В на СУ поступают питающие напряжения Ев и Eb1 , что обусловливает включение в работу преобразователя ИПН 1. Структурно ИП СУ представляет собой двалинейных ст абилизатора, осуществляющих,
393
кроме стабилизации напряжений, описанные функции выбора тех или иных выходных напряжений. Таким образом, преобразователь ИПН1 функционирует при отсутствии переменного напряжения 220 В, а ИПН2 работает при наличии обоих первичных напряжений или при отсутствии постоянного напряжения 24 В аккумуляторной батареи и наличии переменного напряжения 220 В.
Отличительной особенностью подключения выходных цепей ИПН1 и ИПН2 является использование одного выходного сглаживающего фильтра для сглаживания импульсных напряжений обоих преобразователей, что позволяет уменьшить стоимость ИВЭП и снизить его материалоемкость. Стабилизация выходного напряжения осуществляется подачей сшнала ОС на вход СУ и последующим воздействием на временные параметры управляющих импульсов Упр! или Упр2.
Рассмотренные структурные схемы ИВЭП показывают, что для стационарных радиостанций используются несколько первичных источников электропитания (от двух до трех). Причем источник постоянного напряжения 24 В имеет заземленный плюс, что требует применения автономной аккумуляторной батареи, отдельной от устройств СЦБ, а в структурных схемах рассмотренных ИВЭП видно, что при работе ИВЭП от аккумуляторов преобразование электрической энергии выполняется при помощи высокочастотных импульсных преобразователей постоянного напряжения. При работе от сетей переменного напряжения могут использоваться как низкочастотные трансформа горы 50 Гц, так и высокочастотные импульсные преобразователи. Во всех случаях в ИВЭП выполняется гальваническая развязка выходных напряжений от входных.
9.2.	Источники электропитания локомотивных радиостанций
Функциональным назначением ИВЭП локомотивных радиостанций является преобразование постоянного напряжения цепей управления в необходимые постоянные напряжения, требующиеся для функционирования радиост анции в режимах приема и передачи.
Электропитание локомотивных радиостанций от источников некачественных постоянных напряжений локомотивных цепей управления определяет ряд специфических особенностей на построение ИВЭП.
394
Наиболее важной из них является большой диапазон изменений первичного напряжения, в котором должна функционировать радиостанция. Причем этоо^шосигсянетолькоксредышзпачснрыхитагфяженийщоикт^шульсьтьтм изменениям в широком спектре частот от единиц герц до десятков мегагерц. Основная причшзазначшельнькизмененийвеличиннапряжения обусловлена тем, что коммутации тягового тока и переключения мощных индуктивных электромагнитных устройств внутри кузова локомотива вызывают появление мощных электромагнитных помех в различных проводниках, соединительных линиях и устройствах. Другая причина заключается в том, что разводка соединительных проводников внутри кузова локомотива задана заводами-изготовителями из соображений оптимизации монтажных схем и практически не учитывает’ требований минимизации воздействия помех на маломощные электронные приборы.
В отдельных случаях для повышения качества питающих напряжений используются отдельные выводы от локомотивной аккумуляторной батареи. Это, например, выполнено в системах электропитания тепловоза 2ТЭ116 (рис. 9.3). При пуске дизеля, когда контакт Д2 замкнут, напряжение аккумулят орной батареи поступает на стартер-генератор С-Г, начинающий работать в двигательном режиме. После перехода дизеля в рабочий режим контакт Д2 размыкается и напряжение на выходе С-Г через диод VD и резистор R заряжает аккумуляторную батарею. В нормативных документах нестабильность рабочих напряжений +50 и +75 В оговаривается в пределах ±3 %, однако даже в номинальном режиме работы дизеля отклонения достигают значений ±25 %. Кроме того, в момент пуска дизеля имеют место импульсные уменьшения (провалы) напряжения до 10-15 В и менее. За последнее время тепловозы различных типов оборудуются импульсными конденсаторами сверхвысокой энергоемкости, которые в значительной степени компенсируют провалы напряжения в момент пуска дизеля.
Другой вариант подключения ИВЭП локомотивной радиостанций приведен на схеме рис. 9.4, показывающий организацию питания цепей управления электровозов постоянного т ока ВЛ 11. Этот пример наиболее типичен для электровозов и электропоездов, так как ИВЭП радиостанций подключается к точкам напряжения цепей управления, которые пространственно отнесены довольно далеко от выводов аккумуляторной батареи. Кроме того, точки подключения ИВЭП соединены с аккумуляторной батареей через контакторы и другие функциональные элементы
395
схемы локомотива. Как видно из схем, возможности воздействия мощных генераторов помех на напряжение цепей управления здесь гораздо более значительные.
Рис. 9.3. Схема подключения ИВЭП радиостанции на тепловозе 2ТЭ116
Рис. 9.4. Схема электропитания цепей управления элект ровоза ВЛ 11
В схеме рис. 9.4 питание цепей управления, к которым подключен ИВЭП радиостанции, осуществляется от генератора G через замкнутый контакт контактора S2, резистор R1 и диод VD1, чем исключается непосредственное влияние емкости аккумуляторной батареи на процессы
396
шунтирования помех и провалов напряжения различного рода. В схеме имеются две группы аккумуляторных батарей GB1 и GB2, которые в момент пуска генератора G включаются на последовательное соединение, а далее после выхода его на установившийся режим, когда напряжение на нем достигает 40 В, контактами S3, S4 и S5 переключаются на параллельное соединение. Это усложняет схему формирования напряжения цепей управления, делает ее пространственно более разветвленной и более уязвимой для возникновения помех в ИВЭП и радиостанции, а также провалов и превышения напряжений.
Очевидно, что оптимальным является подключение ИВЭП радиостанций непосредственно к клеммам аккумуляторных батарей, однако в большинстве случаев это не выполняется, что усложняет задачу обеспечения электропитания радиостанций и других электронных устройств на локомотиве.
Проблема электропитания локомотивной электронной аппаратуры в настоящее время решается путем установки на локомотивах специальных централизованных источников электропитания, которые преобразуют некачественное напряжение цепей управления 50, 75 или НО В в стабилизированное напряжение 50 В. К ним, в частности, относится ряд источников электропитания локомотивной электроники типов ИП-ЛЭ-50/600, ИП-ЛЭ-75/600 и ИП-ЛЭ/600, которые имеют выходную мощность 600 Вт при напряжении на нагрузке 50 ±5 В. Подобными источниками электропитания, которые предназначены для электропитания электронной аппаратуры САУТ, КЛУБ, радиостанций и др., оборудуются локомотивы различных типов.
На рис. 9.5 приведена структурная схема ИВЭП локомотивного варианта радиостанции 42РТМ-А2-ЧМ. Здесь, как и в стационарных радиостанциях, на входе присутствует ВЧ-фильтр, состоящий из проходных конденсаторов С1 и С2, двухобмоточного дросселя Сф и конденсатора СЗ. Диод VD служит для защиты ИВЭП при подключении его обратной полярностью к аккумуляторной батарее. Питание ИВЭП радиостанции может осуществляться от двух напряжений цепей управления 50 или 75 В. При работе ИВЭП от напряжения 50 В коммутирующей перемычкой S замыкается резистор R2. Радиостанция может работать в двух энергетически отличных режимах: приема и передачи. В режиме передачи контактом реле Р шунтируются резисторы R1 и R2, чем компенсируется снижение С7ВХ, вызванное повышенным
397
потреблением мощности радиостанции. Мощность радиостанции по напряжению Z7h1 при переходе от режима приема в режим передачи изменяется от 50 до 120 Вт.
ВЧ-фильтр
Рис. 9.5. Структурная схема ИВЭП локомотивного варианта радиостанции 42РТМ-А2-ЧМ
ИВЭП имеет два выходных напряжения Сн1 = 24 В (для передатчика) и Ц<2 = 12,6 В (для передатчика и приемника). Импульсный преобразователь ИПН с входным напряжением 1/исн является нерегулируемым преобразователем, осуществляющим электрическую изоляцию выходных напряжений и преобразование их электрических значений. Стабилизация выходных напряжений всего ИВЭП обеспечивается путем передачи сигнала обратной связи ОС на управляющий вход импульсного стабилизатора постоянного напряжения ИСН.
ИСН, схема которого приведена на рис. 9.6, является импульсным стабилизатором постоянного напряжения понижающего типа (см. гл. 4, рис. 4.5), где силовой транзистор ¥ТИ включен в силовую шину отрицательной полярности напряжения [7ВХ. Основные элементы сглаживающего фильтра стабилизатора—VDH, L, Сф. Для облегчения режимов работы силового транзистора УТИ применены два параллельно включенных транзистора типа КТ808А с выравнивающими резисторами в цепях эмиттеров (на схеме рис. 9.6 не показаны). Транзистор ¥Ти1 является усилителем тока и совместно с VTH образует составной транзистор. Напряжение с обмотки силового трансформатора TVC преобразователя ИПН через выпрямительный диод VD0C преобразуется в импульсное напряжение отрицательной полярности которое служит сигналом отрицательной обратной связи автоматической системы стабилизации выходных напряжений ИВЭП. Конденсатор относительно небольшой емкости служит для демпфирования высокочастотных колебательных
398
,). На базу VT
процессов, образующихся на фронтах импульсного напряжения обмотки и ос. Схема сравнения представляет собой усилитель на транзисторе VT^, в эмиттерную цепь которого включен источник опорного напряжения Соп (стабилитрон VDCT и компенсирующий диод VDK0Mn через делитель напряжения, в цепь которого включен регулировочный резистор Rper, подается напряжение, пропорциональное U^. Сигнал рассогласования между напряжениями UCT и Соп усиливается транзистором ¥Тгсиуправляегтокомколлекгоратранзистора^ЕШ1широтно-импульсного модулятора (ШИМ).
Рис. 9.6. Схема ИСН локомотивного варианта радиостанции 42РТМ-А2-ЧМ
Частота импульсов напряжения на обмотке woc равна частоте преобразования ИПН (3000—4000 Гц). Она является задающей для работы ШИМ. При закрытом состоянии	конденсатор Сшим заряжается от напря-
жения (7ВХ через резистор R3ap. При появлении импульса напряжения Сст конденсатор Сшим разряжается, а затем перезаряжается до напряжения обратной полярности через открывающийся при этом транзистор VTmiLM. Моменты времени открывания и запирания составного транзистора VTH, УТи1 зависят от напряжения на конденсаторе Сшим следующим образом. Когда напряжение на нем имеет положительную полярность и примерно равно падению напряжения на трех ^-«-переходах, составной транзистор
399
открыт. При меньшем напряжении или его отрицательной полярности транзистор закрыт. С изменением амплитуды импульса напряжения U изменяется длительность открытого и закрытого состояний составного транзистора VTH, УТи1 стабилизатора, что обусловливает стабилизацию выходных напряжений ИВЭП.
Диоды VD 3 служат для защиты переходов база—эмиттер транзисторов \ТИ и VTH1 от обратного напряжения, возникающего при перезаряде конденсатора Сшим. Конденсатор С является корректирующим и обеспе-чивает устойчивую работу замкнутой системы автоматического регули-рования ИВЭП.
Работа силовой части (транзистор VTH, диод VDH, дроссель L, конденсатор Сф) описана в гл. 4 (см. рис. 4.5).
ИПН, схема которого приведена на рис. 9.7, выполнен на транзисторах КТ808А по двухтактной схеме со средней точкой (см. гл. 4, рис. 4.12). Здесь силовые транзисторы VT 1 и VT2 переключаются базовым током вторичной обмотки трансформатора TVC. В коллекторные цепи транзисторов включены полуобмотки силового трансформатора TVC, к управляющей обмотке w подключена первичная обмотка трансформатора TVn, определяющего частоту переключения преобразователя. Введение в схему ИПН переключающего трансформатора позволяет повысить надежность работы силовых транзисторов благодаря уменьшению амплитуды коммутационных импульсов тока коллектора VT1 и VT2. Начальный запуск преобразователя происходит через резистор R3an, который обеспечивает положительный (открывающий) ток смещения перехода база— эмиттер транзистора VT1. Назначение защитных диодов VD3 такое же, как и в схеме ИСН рис. 9.6.
К выходным обмоткам TVC подключены два двухполупериодных выпрямителя со средней точкой (диоды VD11, VD 12 и VD21, VD22).
Наиболее мощным является выход 6/н1, предназначенный для питания выходных каскадов передатчика. Переключение радиостанции в режим передачи осуществляется контактом реле Р1. В момент размыкания контакта Р1 прекращается ток в дросселе Ьф j и па нем возникает значительный импульс напряжения. Он демпфируется защитной цепью, состоящей из последовательного соединения стабилитрона VD3 и даода VD.
Вторая выходная цепь ИПН содержит линейный стабилизатор постоянного напряжения (см. гл. 4, рис. 4.4) с регулирующим транзистором УГЛСП, который управляется транзистором VTCC (схемы сравнения).
400
Рис. 9.7. Схема ИПН локомотивного варианта радиостанции 42РТМ-А2-ЧМ
Источник опорного напряжения Uon выполнен на стабилитроне VDCT. Делителем напряжения, в который входит потенциометр R12 6, устанавливается напряжение 12,6 В. Для повышения стабильности напряжения питания функциональных узлов радиостанции обратная связь на вход стабилизатора подается непосредственно с этих узлов.
Мощность ИВЭП по наиболее энергоемкому выходу t/Hj = 24 В изменяется от 50 до 120 Вт. Вследствие потерь мощности на силовых элементах ИСН и ИПН заданные пределы нестабильности напряжений Сн1 и Z7 9 обеспечить сложно. Поэтому потребовалось введение линейного стабилизатора.
Существует вариант исполнения радиостанции 42РТМ-А2-ЧМ, который используется на самоходном подвижном составе. Структурная схема ИВЭП этой радиостанции показана на рис. 9.8. Основных! отличием этой радиостанции является сниженное первичное напряжение, равное 24 В. Это определило необходимость применения в качестве ИСН импульсного стабилизатора повышающего типа, чго позволило повысить КПД импульсного преобразователя ИПН и снизить рассеиваемую им мощность потерь. Работа этого стабилизатора описана в гл. 4 (см. рис. 4.6). В качестве силового в ИСН используется транзистор КТ808А.
26 Вл. Сапожников
401
ВЧ-фильтр
Рис. 9.8. Структурная схема ИВЭП радиостанции 42РТМ-А2-ЧМ для дрезин
В схеме ИПН применяется двухтактный преобразователь со средней точкой с самовозбуждением, принцип действия которого рассмотрен в гл. 4 (см. рис. 4.12), линейный стабилизатор для напряжения С7н2 в выходных цепях ИПН отсутствует. Это сделано для упрощения схемы ИВЭП в связи со снижением требований к качеству и дальности радиосвязи самоходного подвижного состава. Но в отличие от схемы предыдущего ИВЭП здесь стабилизируется выходное напряжение ИСН, являющееся входным для ИПН. В ИПН применены силовые транзисторы КТ808А.
Радиостанция «Лен В-160» предназначена для установки на локомотивах (блок питания БПЛЗ) или на самоходном подвижном составе (блок питания БПЛЗ-24). Первичными являются напряжения 50,75,110 или 24 В соответственно с допустимыми отклонениями ±20 %. Структурная схема обоих вариантов ИВЭП одинакова, она приведена на рис. 9.9. Выходным является напряжение С/н = 13,2 В при максимальном токе нагрузки 1И = 3 А. Мощность, потребляемая ИВЭП от первичной сети, не превышает 80 Вт.
Рис. 9.9. Структурная схема ИВЭП локомотивной радиостанции «Лен В-160»
402
ИВЭП состоит из ВЧ-фильтра, импульсного преобразователя ИПН и импульсного стабилизатора ИСН. Преобразователь осуществляет нерегулируемое снижение первичного напряжения с электрической изоляцией выходного напряжения 6Н от первичного. ИСН стабилизирует напряжение Сн при воздействии дестабилизирующих факторов, в том числе и при различных напряжениях цепей управления (50,75 и 110 В). Индикатором наличия первичного напряжения служит светодиод VDcb1 , а выходного—VDCB?. Для защиты ИВЭП от подачи на вход напряжения обратной полярности служит диод VD, при включении которого резко возрастает входной ток и сгорает предохранитель (на схеме рис. 9.9 не показан).
По сравнению с предыдущими схемами ИВЭП здесь на входе установлен существенно более сложный фильтр С1, Ьф15 С2, Ьф2, СЗ, Ьф3, 1^, который в значительной степени ослабляет как синфазную, так и дифференциальную составляющую помех, проникающих из первичной сети. Усложнение фильтра вызвано повышением требований к помехозащищенности радиостанции, в которых был учтен негативный опыт эксплуатации радиостанций предшествующих разработок.
ИПН выполнен как нерегулируемый полумостовой преобразователь с внешним управлением силовыми транзисторами от маломощного генератора, обеспечивающим работу преобразователя на постоянной частоте 20 кГц. Использование схемы внешнего управления силовыми транзисторами позволяет по сравнению со схемами предыдущих ИПН исключить моменты насыщения магнитопровода силового трансформатора, что повышает надежность работы преобразователя и увеличивает его КПД. В преобразователе применены силовые транзисторы типа KU607 и выпрямительные диоды 2Д213А. Если в качестве первичного используется напряжение 24 В (установка радиостанции на дрезине), то первичная обмотка силового трансформатора ИПН переключается перемычкой в сторону уменьшения числа витков.
ИСН, на вход которого подается выходное напряжение преобразователя £7ИПН, фактически является импульсным преобразователем постоянного напряжения понижающего типа, принципы работы которого рассмотрены в гл. 4 (см. рис. 4.5). В схеме применены силовой транзистор типа KU607 и диод 2Д213А. В качестве схемы управления силовым транзистором ИСН применяется специализированная микросхема типа
403
1РН723. Для установки требуемого значения напряжения С7 = 13,2 В в схеме ИСН имеется регулировочный резистор R .
В ИСН введена зашита от чрезмерного повышения выходного напряжения ИВЭП, чем исключается повреждение радиостанции при появлении опасных отказов элементов в ИВЭП. Для этого параллельно выходу ИСН включен тиристор, который шунтирует выход при увеличении напряжения t/H свыше 16 В.
Для г Iитания локомотивной радиостанция РК-1 применяется ИВЭП типа BPL-K с одним выходным напряжением Сн = 13,2 В. Структурная схема ИВЭП приведена на рис. 9.10. Его существенным отличием от описанных выше ИВЭП является однократное силовое преобразование энергии постоянного напряжения только одним импульсным преобразователем. Это позволило упростить схему ИВЭП, увеличить КПД, снизить материалоемкость, повысить надежность работы и улучшить эксплуатационные показатели. Другая отличительная особенность этого ИВЭП заключается в том, что его работоспособность обеспечивается в широком диапазоне изменений первичного напряжения: от 35 до 150 В без каких-либо переключений в схеме.
Рис. 9.10. Структурная схема ИВЭП локомотивной радиостанции РК-1
На входе ИВЭП установлен ВЧ-фильтр, состоящий из элементов Cl, С2, Ьф!—Ьф4, СЗ, С4, в который введен нелинейный защитный резистор R3, шунтирующий входную цепь при появлении импульсов напряжения амплитудой свыше 160 В. Диод VD, как и в предыдущих ИВЭП, служит для защиты источника от подачи на его вход напряжения обратной полярности.
ИВЭП содержит два импульсных преобразователя: силовой СИПИ и вспомогательный ВИПН. СИПИ осуществляет преобразование энергии первичного источника с напряжением UBX в выходное t/ с его электри
404
ческой изоляцией от первичного. ВИПН предназначен для питания схемы управления СИПН и получения вспомогательного импульсного напряжения 1<в, требуемого для работы СИПН.
ВИПН представляет собой однотактный импульсный преобразователь с обратным включением диода, работа которого писана в гл. 4 (см. рис. 4.8). Управление импульсной работой его силового транзистора типа SU169 осуществляется специализированной микросхемой В260.
СИПН имеет схему однотактного импульсного преобразователя с прямым включением диода, описанного в гл. 4 (см. рис. 4.9). Стабилизация выходного напряжения преобразователя осу ществляется методом частотноимпульсной модуляции (ЧИМ).
Как следует из приведенного описания ИВЭП локомотивных радиостанций, все они работают по принципам высокочастотного преобразования энергии постоянного напряжения. Основными силовыми функциональными элементами ИВЭП являются импульсные стабилизаторы и импульа ые преобразователи постоянного напряжения, причем во всех ИВЭП имеется электрическая изоляция выходных напряжений от напряжения цепей управления. Все рассмотренные ИВЭП, кроме источника электропитания радиостанции РК-1, осуществляют двойное силовое преобразование электроэнергии. Специфической особенностью работы ИВЭП на локомотивах являемся повышен! гь ей уровень помех и широкий диапазон изменения напряжения цепей управления, что определяет специфические трудности при их эксплуатации и выполнении регламентных и ремонтных работ.
9.3.	Источники электропитания переносных радиостанций
В настоящее время на железнодорожном транспорте применяется большая номенклатура переносных радиостанций, в том числе и зарубежных, и соответственно велико и количество используемых аккумуляторных батарей различного тина.
Например, в переносных радиостанциях «Трапспорт-НБ» используются малогабаритные аккумуляторные батареи 10КВМ 0,5-12 с номинальным напряжением 12 В и емкостью 0,5 Ач. Существуют также переносные радиостанции с питанием от гальванических элементов.
405
Малогабаритность и относительная простота переносных радиостантдтй не означают, что электропитание их осуществляется пут ем простой подачи одного первичного напряжения на приемопередающий узлы. В системе электропитания радиостанции «Транспорт-НБ» используется маломощный параметрический стабилизатор напряжения с выходным напряжением 7,5 В для электропитания модуляционных каскадов. Кроме того, имеется схема автоматического контроля величины напряжения питания, выполненная на специализированной микросхеме ИСЗЗО, которая при снижении напряжения ниже уровня (9,8 ± 0,3) В вырабатывает звуковой сигнал в громкоговоритель, сигнализируя о необходимости замены аккумуляторной батареи. Гарантированные эксплуатационные параметры радиостанции обеспечиваются при напряжении питания 12,6 В с допустимым отклонением ±15 %.
В комплект радиостанций, питающихся от аккумуляторных батарей, входят зарядные устройства. Выпускается ряд отечественных зарядных устройств: УЗ-81, УЗ-84, УЗ-87, отличающихся эксплуатационными характеристиками и функциональными возможностями. Они содержат низкочастотные трансформаторы и питаются от сети переменного напряжения 220 В частотой 50 Гц, а стабилизация тока заряда осуществляется при помощи линейных стабилизаторов, выполненных на стабилитронах или на специализированных микросхемах или транзисторах. Принципиальные схемы подобных стабилизаторов рассмотрены в гл. 4. Имеются устройства для задания времени заряда аккумуляторных батарей, а также возможность для нормированного разряда батарей.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Какова специфика работы ИВЭП локомотивных радиостанций?
2.	В чем состоят основные принципы схемотехники ИВЭП стационарных радиостанций?
3.	В чем состоят основные принципы схемотехники ИВЭП локомотивных радиостанций?
4.	Объясните принцип действия ИВЭП стационарных радиостанций.
5.	Объясните принцип действия ИВЭП локомотивных радиостанций.
6.	Каковы принципы построения ИВЭП переносных радиостанций?
7.	Объясните принцип работы функциональных узлов локомотивного варианта радиостанции 42РТМ-А2-ЧМ.
406
Глава 10
ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ АППАРАТУРЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
10.1.	Специфика электропитания аппаратуры вычислительной техники
Широкое внедрение на железнодорожном транспорте аппаратуры вычислительной техники (ВТ), к которой относятся также и специализированные микропроцессорные устройства и системы, обусловило появление ряда новых требований к источникам электропитания.
В первую очередь это относится к обеспечению стабильности постоянных напряжений, питающих логические ИМС. Д ля большей части ИМС требуется, чтобы во всех условиях эксплуатации изменения питающего напряжения не превышали ±5 %, включая пульсации напряжения, возникающие как за счет работы источника электропитания, так изасчетфункционирования аппаратуры ВТ. Это определяет невозможность применения традиционных источников электропитания, использующихся в релейной аппаратуре СЦБ, для которой изменения напряжений допускаются до ±(10—20) %, а иногда и более.
Другой, не менее важной особенностью электропитания устройств ВТ является ее относительно невысокая помехоустойчивость, обусловленная высоким быстродействием ИМС и цифровыми принципами обработки информации.
Для релейной аппаратуры СЦБ импульсные помехи длительностью от долей микросекунд до десятков миллисекунд и амплитудой до нескольких десятков, а иногда и сотен вольт практически не влияют на надежность работы. Логические ИМС, лучшие из которых имеют времена задержки Г распространения сигнала в десятки и сотни наносекунд, чрезвычайно критичны не только к длительным импульсам помехи, но и к кратковременным, которые равны или соизмеримы с временами задержки tзад.
Перегрузочная способность ИМС по напряжению питания вследствие маломощности внутренних полупроводниковых структур невелика и не допускает увеличения напряжения свыше 5—10 % номинального значения.
407
Высокое быстродействие логических ИМС предопределяет большие скорости переключения электрических сигналов в функциональных узлах ВТ. В частности, для современных логических ИМС скорость изменения напряжения сигналов достигает величин A UI& - 250 В/мкс, а токов А/!&t - 20 А/мкс. Большие скорости переключений требуют учитывать даже достаточно малые реактивные электрические параметры конструктивных элементов функциональных узлов ВТ: индуктивностей дорожек печатных плат, характеристик питающих и информационных соединительных кабелей, паразитных параметров электрорадиоэлементов и т.д.
Характер работы цифровой аппаратуры ВТ определяет ее дискретное и скачкообразное энергопотребление от источников электропитания. С учетом невысокой помехоустойчивости логических ИМС это обстоятельство требует принятия специальных мер по уменьшению негативного влияния скачкообразных изменений потребляемого тока.
Важную роль играет обеспечение электромагнитной совместимости аппаратуры ВТ с релейными устройствами СЦБ и с другими довольно мощными источниками помех различного вида. Уровень электромагнитных помех, например в релейном помещении поста ЭЦ, таков, 41 о без принятия специальных мер по экранированию, высокочастотной фильтрации и использования специальных конструктивных мер не обеспечивает надежной работы аппаратуры ВТ. Гораздо больший уровень помех имеет место внутри кузова локомотивов, где различные электромагнитные устройства или мощные полупроводниковые приборы коммутируют тяговые токи величиной до нескольких тысяч ампер и высокие напряжения в несколько киловольт. При этом нерегулярное воздействие различных помех, вызывающее аналогичные непериодические сбои в работе аппаратуры, затрудняет поиски причин ненадежной работы маломощных информационных систем.
Отдельной и важной особенностью аппаратуры ВТ является ее критичность к несанкционированному отключению напряжений питания. Известно, что выключение, например, персонального компьютера осуществляется путем выполнения определенных операций, которые реализуют программную установку логических функциональных узлов и устройств памяти к требуемым состояниям. Невыполнение этих операций может привести к ошибкам на жестком диске и частичной потере информации. Более тяжелые последст вия могут возникнуть при кратко
408
временном пропадании питающих напряжений. В этом случае во время спада и последующего увеличения постоянных напряжений, питающих логические ИМС, возникают ситуации, когда нулевые и единичные уровни напряжений при взаимодействии их с соответствующими напряжениями платы BIOS, в которой имеется автономный электрохимический источник электропитания, могут привести к непредсказуемым последствиям в работе аппаратуры ВТ. Одновременно необходимо учитывать, что для приведения компьютера в нормальное состояние требуется определенное время для проверки жесткого диска, которое отсутствует при кратковременном пропадании напряжений.
Изложенные обстоятельства определяют важность и актуальность проблем электропитания аппаратуры ВТ. Подтверждением этому могут служить данные, которые приведены на диаграмме рис. 10.1. Они относятся к зарубежным промышленным функционально сложным комплексам вычислительной техники. Как видно, отказы электропитающих устройств составляют 45,3 % общего числа отказов. Очевидно, что для железнодорожной аппаратуры вычислительной техники, которая работает в жестких условиях эксплуатации, доля отказов может быть большей. Это заставляет предъявлять повышенные требования к разработке, внедрению и эксплуатации источников электропитания для электронной аппаратуры железнодорожного транспорта, которая является не только информационной, но и во многих случаях управляющей, непосредственно влияющей на грузовые и пассажирские перевозки.
Рис. 10.1. Распределение видов отказов аппаратуры вычислительной техники 1 вопросы электропитания (45 %); 2 — грозы (9,4); 3 — пожары или взрывы (8,2 %); 4 — аппаратные или программные сбои (8,2 %); 5 — наводнения (6,7 %); 6 землетрясения (5,5 %); 7 — неисправности электрических соединений (4,5 %); 8 ошибки персопапа или вредительство (3,2 %); 9 — отказ систем контроля(2,3 %); 10— прочие (6,7 %)
409
10,2.	Структурные схемы источников вторичного электропитания
Источники вторичного электропитания для электронной техники, включая ком пьюгерныс и м икропроцессорные устройства железнодорож-ноготранспорта, можно разделить на два основных типа. К первому относят сетевые ИБЗ I, у которых первичным является перемени ое напряжение 220 или 380 В промышленной частоты 50 Гц. Обычно элек тронная аппа-ратурасподобнымиИВЭПявляе гея стационарной. Для второ! отипаИВЭП первично постоянное напряжение, поэтому их условно называют бата-рзйпыми или аккумуляторными. Элект ронная аппаратура с батарейным питанием может быть как автономно й, так и стационары )й. К ней можно отнести переносные устройства считывания информации, приборы КЛУБ, КПД, САУТ и другие устройства, устанавливаемые на локомотивах, или стац] юнарные системы и приборы СЦБ, питающиеся от напряжет тия 12 или 24 В релейных шкафов или постов ЭЦ.
Функции, которые выполняют ИВЭП, рассмотрены на приведенных далее структурных схемах.
Обобщенные, наиболее широко применяемые структурные схемы сетевого и батарейного ИВЭП приведены на рис. 10.2, а, б. Здесь фильтры 34 служат для предотвращения проникновения высокочастотных и импульсных помех малой длительности из сети переменного ~£с или
Рис. 10.2. Обобщенные структурные схемы сетевого (а) и батарейного (б) ИВЭП для электропитания аппаратуры вычислительной техники
410
постоянного -Е. первичного напряжении в ИВЭЛ. Они же служат для защиты сети первичного напряжения от помех, возникающих в ИВЭП вследствие импульсного характера их работы. В состав фильтров мопт входить 1 акже ограничи гел и напряжен ия, ко горые демпфируют высоко
вольтные импульсы перенапряжения длительное! ью в десятки и сотни
миллисекунд.
В схеме рис. 10.2, а к выходу7 выпрямителя мостового типа подключен
конденсатор Свыполняющий функции сглаживания выпрямленного напряжения t/?x, которое является входным напряжением импульсного преобразователя ИПН, и получение требуемых норм пульсаций Д£/вх.
Д 1я ограничения пускового тока заряда конденсатора С в момент первоначального подю лечения ИВЭП к сети служит резистор Ro. В качестве ИПН могут применяться различные типы импульсных преобразователей,
конкретные области применения которых рассмотрены в гл. 4. Для сетевых ИВЭП использование ИПН является обязат ельным, так как они реализуют
функции электрической изоляции напряжений	от сети Е.
Батарейный ИВЭП (рис. 10.2, б) отл и чается от предыдущего тем, что он содержит только фильтр и ИПН. По существу преобразования электрической энергии батарейный ИВЭП является частным случаем сетевого ИВЭН, и процессы работы ИПН в том и другом слу чае схожи. Специфические особенности работы ИПН в сетевом ИВЭП связаны с тем, что в нем напряжение UBзначительно больше, чем в батарейном и при малых наг рузках на выпрямитель достигает значения С7ВХ макс - \ 2 Е,, где Ес—действующее значение напряжения сети. В частности, для Д = = 220 В получим: . 1акс = 311,13 В.
В багарейных ИВЭП, предназначенных для электропитания функционально сложной электронной аппаратуры, содержащей, например, микрощюцессорные устройства, п рименение ИПН является обязательным. Это, с одной стороны, обусловлено наличием в подобных устройствах нескольких, иногда разнополярных питающих напряжений, с другой— вызвано требованием обеспечить надежную работу аппаратуры ВТ и повысить ее помехоуст ойчивость. В функционально простой элек 1 ронной аппаратуре типа калькуляторов, переносных устройств считывания информации, радиостанций и т.п. вместо ИПН могут использоваться импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСН), устройство которых рассмотрено в гл. 4.
411
Рассматриваемые ИВЭ7 включают в себя регулируемые (стабилизирующие) ИПН, которые, как показано в гл. 4, представляют собой систему автоматического регулирования (САР). Если в ИВЭП имеется несколько выходных напряжений Сн1—<7н/, то обеспечение их требуемой стабильности вызывает определенные трудности. Известны различные методы схемотехнической реализации цепей образной связи САР. Их основные варианты приведены на структурных схемах рис. 10.3, а, б, в.
Наиболее простой является схема рис. 10.3, а. 3 устройстве схема сравнения электрически связана с транзисторными ключами ИПН и, следовательно, — со входным напряжением преобразователя. Выход схемы сравнения подключен ко вход)7 модулятора, выхо дные сигналы w которого управляют имп \ л ьсной работ ой транзисторных ключей ИПН. В зависимости от типа ИПН сигналы	могут содержать от одного до
четырех последовательностей импульсов с возможной электрической изоляцией друг от друга. Напряжения Н—LrH не имеют электрической связи со входом схемы сравнения, на который в этом случае поступает напряжение с обмотки обратной связи woc силового трансформатора TVC. Взаимодействие этого напряжения с внутренним о порным f/on вызывает соответствующие изменения временных параметров импульсов сигналов w , приводя к соответствующему изменению наг [ряжения на вторичных обмотках w21—w;2i трансформатора TVC. Таким образом, в этой схеме осуществляется стабилизация напряжения на обмотках трансформатора, а не на выходах ИВЭП. Это недостаток рассматриваемой схемы, гак как здесь в цепь регулирования СА? не включаются изменения падения напряжения на диодах выпрямителей и элементах фильтров/ , вследствие чего стабильность уровня выходных напряжений ИВЭЛ будет невелика.
В схеме второго варианта (рис. 10.3, б) обратная связь САР для стабилизации выходных напряжений ИВЭП связана с выходом С'п|. Напряжение С , поступает на вход схемы сравнения, управляющей яркостью излучения светодиода оптоэлектронной пары ОЭП. Светоприемный элемент ОЭП, в качест ве кот орого может быть использован фотодиод, фототранзистор или фот орсзистор, изменяет свои электрические характерно гики (фото-ЭДС ил и сопротивление) при изменении напряжения 1/н1. Эти изменения поступают на модулятор, который, как и в предыдущем случае, управляет импульсной работой транзисторных ключей ИПН. Таким образом, схема сравнения электрически связана с выходом С7Н j, а его и золяция от первичной цепи ИВЭП обеспе*гивается ОЭП.
412
б
Рис. 10.3. Варианты структурных схем стабилизации выходных напряжении ИВЭП
413
Светодиод и светоприемник ОЭП работают в линейном режиме передачи аналогового сигнала. Поэтому точностные характеристики при таком способе передачи сигнала неудовлетворительны и существенно зависят от температуры окружающей среды, а вход ОЭП в цепи САР не может подключаться непосредственно к выходу С7и1. В этом случае вход ОЭП должен подключаться к выходу схемы сравнения, выходной сигнал которой включает в себя результат измерения выходного напряжения Пн1 и сравнения его с напряжением L/on.
В качестве элемента электрической изоляции вместо ОЭП может использоваться маломощный индуктивный трансформатор. Тогда через него вместо аналогового должен передаваться импульсный сигнал.
Так как управление работой САР осуществляется путем измерения напряжения только на одном выходе ИВЭП (в данном случае С/н1), очевидно, что стабильность уровня напряжений на остальных выходах будет хуже. Это является при нципиальнь ем недостатком ИВЭП, так как наличие только одного канала импульсного управления ИПН приводит к одновременному изменению всех его выходных напряжений. Например, увеличение тока нагрузки по выходу 1/н1 вызовет увеличение падения напряжения на диодах соответствующего выпрямителя и элементах фильтра/^, что обусловит увеличение напряжения на остальных выходах ИВЭП. Аналогичные процессы будут происходить при уменьшении температуры окружающей среды, когда падение напряжения на диодах возрастает. Уменьшение тока нагрузки и увеличение температуры окружающей среды приведет к обратным последствиям. Для устранения этого недостатка, т. е. для повышения стабильности остальных выходных напряжений, в схемы ИВЭП вводят линейные или импульсные стабилизаторы, подключаемые к выходам, для которых требуется повысить стабильность напряжений. В качестве напряжения (7н1, по которому производится регулирующее воздействие САР, используется обычно наиболее энергоемкий выход с максимальной мощностью нагрузки.
Вариант структурной схемы, где в качестве элемента электрической изоляции используется силовой трансформатор TVC, приведен на рис. 10.3, в. Питание схемы сравнения Есс осуществляется от обмотки И;пит сс’ котоРое электрически изолировано от первичной цепи ИВЭП. Это дает возможность подключить выход Сн1 непосредственно ко входу схемы сравнения, а электрическая изоляция выходных импульсов и*пр от импульсов а , управляющих работой транзисторных ключей ИПН,
414
выполняется с использованием управляющего трансформатора (или трансформаторов) TV .
Существуют и другие варианты структурных схем ИВЭП, однако принципиальными вопросами, которые решаются при разработке, являются реализация электрической изоляции сигналов и получение требуемой точности передачи сигнала обратной связи для САР.
Основным требованием к САР стабилизирующих ИВЭП является обеспечение неизменности выходных напряжений при воздействии различных дестабилизирующих факторов. Это положительное качество превращается в недостаток в режиме первоначального подключения (пуска) ИВЭП к сети постоянного или переменного напряжений. На рис. 10.4 сплошными линиями показаны временные диаграммы процессов пуска, поясняющие возникновение этого недостатка, которые объясняются следующими причинами.
Свх
оЛ
V
Рис. 10.4. Временные диаграммы выхода ИВЭП на установившийся режим работы
415
При подаче на стабилизирующий ИВЭП питающего напряжения иъх канал регулирования САР стремится как можно быстрее увеличить выходное напряжение до номинального значения t/H. Однако так как конденсаторы выходных фильтров ИПН разряжены и напряжение и = О, этот момент времени эквивалентен появлению короткого замыкания выхода ИВЭП. Следовательно, входной ток ИВЭП убудет увеличиваться. Амплитуда импульса увеличенного тока показана на временных диаграммах рис. 10.4 значением 7ВХ макс1. По мере заряда конденсаторов выходного фильтра ток zBX уменьшается и по истечении времени z q снизится до установившегося значения 7 , соответствующего номинальному режиму работы ИВЭП. Если не принимать специальных мер, то амплитуда импульса входного тока 7ВХ макс в момент пуска ИВЭП может превышать величину тока 7в 10—30 раз, что недопустимо по требованиям обеспечения надежности работы полупроводниковых элементов.
Для снижения амплитуды импульса тока 7ВХ макс и ограничения ее до требуемых норм практически во всех стабилизирующих ИВЭП применяются устройства плавного выхода на режим. Функциональная схема подобного устройства на примере упрощенной схемы сравнения изображена на рис. 10.5. Условно, в качестве примера показано, что источником опорного напряжения является стабилитрон VDcг. В установившемся режиме работы величины напряжений на входах усилителя обратной связи (ОС) до: гжны соответствовать ис = U^. Если, как показано на схеме, параллельно стабилитрону VE>cr включен конденсатор С^, то в первоначальный момент подключения ИВЭП, когда в схеме сравнения появляется напряжение Е, напряжение на будет возрастать по экспоненциальному закону с постоянной времени тпч = Rnj]Cnjl от пуля до величины Ьст= (70П, где Ucl.—напряжение стабилизации VDCT. Следовательно, опорное напряжение в момент пуска ИВЭП не является постоянным, а плавно увеличивается с определенной постоянной времени, которую можно изменять путем выбора параметров Rnjl и С^.
Так как выходное напряжение С7н1 должно повторять опорное U , канал регулирования САР будет стремиться аналогично плавно увеличивать напряжение С7п1, что приведет к снижению амплитуды импульса пускового тока ИВЭП. Процессы плавного выхода на режим показаны на временных диаграммах рис. 10.4 пунктирными линиями. Видно, что амплитуда импульса пускового тока уменьшается до величины 7ВХ макс2, а длительность
416
установления напряжения J7H увеличивается до /уст2. То, что при применении схем плавного пуска интервал времени /усг увеличивается, иногда значительно, необходимо учитывать при разработке систем электропитания аппаратуры ВТ, содержащих несколько переключающихся ИВЭП, работающих на одну нагрузку в режиме холодного резерва.
Рис. 10.5. Функциональная схема устройства плавного выхода ИВЭП на установившийся режим
На практике применяемые схемы устройств плавного пуска ИВЭП сложнее показанной на рис. 10.5. Они включают в себя функциональные узлы быстрого разряда конденсатора С^, предназначенные для обеспечения повторного плавного пуска при кратковременном отключении напряжения (7ВХ, для формирования требуемой характеристики пуска путем измерения тока zBX и др.
Как для стационарной, так и локомотивной аппаратуры обязательным является требование обеспечения гальванической развязки выходных напряжений от первичного. Применение той или иной структурной схемы ИВЭП определяется требованиями, которые предъявляются электронной аппаратурой (нагрузкой). Если требования к стабильност и напряжений <7Н высоки и имеется существенная динамика токов /н, то надо использовать схемы рис. 10.3, б, в, т. е. ИВЭП с обратной связью, взятой непосредственно с выходных шин питания. Для аппаратуры с невысокими требованиями к стабильности напряжений можно применять более простую схему ИВЭП (см. рис. 10.3, а).
27 Вл. Сапожников
417
10.3.	Высокочастотные методы преобразования электрической энергии
В источниках вторичного электропитания, структурные схемы которых приведены на рис. 10.2, а, б, используются высокочастотные методы преобразования электрической энергии постоянного напряжения. В современных ИВЭП частота преобразования электрической энергии лежит в пределах /пр - 20—100 кГц. Необходимость применения высокой частоты вызвана следующими обстоятельствами.
Источники электропитания электронной аппаратуры, разработанные несколько десятилетий назад структурно представляли собой устройства, в подавляющем большинстве случаев включавших в себя низкочастотные трансформаторы^=50 Гц), вьшрямители, сглаживающие, низкочастотные, фильтры и различного рода стабилизаторы постоянного или переменного напряжения. Это же относится и к ИВЭП устройств СЦБ и связи железнодорожного транспорта. Во второй половине 70-х гг. в связи с широким использованием интегральных микросхем появились функционально сложные устройства ВТ и бытовой электроники. Количество этих устройств прогрессивно увеличивалось, и каждое из них имело ИВЭП. Масштабы использования аппаратуры ВТ на транспорте, в промышленности, системах связи, медицине, сельском хозяйстве и т.д. непрерывно возрастают. В этих условиях использование низкочастотных методов преобразования электрической энергии привело бы к значительному росту потребления меди для электрических проводов индуктивных элементов, а также трансформаторной стали для магнитопроводов. Это относится и конденсаторам низкочастотных сглаживающих фильтров, которые имеют значительную емкость и соответственно большие габариты.
Известно, что использование интегральных микросхем вызвало радикальное уменьшение материалоемкости электронной аппаратуры, ее массы и габаритов. Использование низкочастотных методов преобразования энергии приводит к тому, что низкочастотные ИВЭП имеют превышающие в несколько раз массу и габариты питаемой ими электронной аппаратуры. Поэтому все современные электронные приборы и системы, включая бытовую электронику, используют высокочастотные ИВЭП, которые позволяют снизить их материалоемкость.
Рассмотрим причины, обусловливающие снижение массы и габаритов ИВЭП при увеличении частоты преобразования/п .
418
Масса G и габариты F^ (объем) трансформатора TV преобразователя ИПН определяются в первую очередь индуктивностью его обмоток, которые, в свою очередь, зависят от числа витков и геометрических размеров магнитопровода. Основным критерием при проектировании трансформатора служит выполнение требования получения максимального КПД. При прочих равных условиях увеличение КПД достигается путем уменьшения тока холостого хода трансформатора, который в общем случае равен
XX
(10.1)
где Е — переменное напряжение частоты / , прикладываемое ко входу трансформатора TV;
—ршдуктивностьнах1агничиван11я TV. Очевгщно, что если увеличивать частоту/пр, то для тех же значений /хх индуктивность может быть пропорционально снижена, что приведет к уменьшению GTp и F .
Коэффициент сглаживания ЛфСх фильтра, который наиболее часто используется в выходных цепях ИПН и ИСН, для выпрямленного однофазного напряжения может быть определен выражением
А*с -4л2/пр ТфСф 1,
(10.2)
которое показывает, что для равных значений Кс увеличение частоты /пр приводит к квадратичному уменьшению величин L& или Сф. Это обусловливает снижение массы (GL + Gc)_ и габаритов (FL + F^) элементов фильтра.
Уменьшению массы и габаритов реактивных элементов преобразователей в определенной степени способствует также использование прямоугольной формы токов и напряжений вместо ранее применявшейся синусоидальной.
Весьма важным положительным следствием повышения частоты/пр является тот факт, что при этом исключается использование дорогостоящей высококачественной трансформаторной стали, так как магнитопроводы при этом заменяются на ферритовые сердечники, удельная стоимость которых в десятки и сотни раз меньше.
Наравне с описанными положительными качествами современных ИВЭП, которые обеспечиваются при использовании высокочастотных
419
методов преобразования электрической энергии, существуют и негативные, которые уменьшают КПД, снижают надежность работы ИВЭП и ставят определенные границы увеличения частоты /пр.
В первую очередь отрицательные качества определяются инерционностью полупроводниковых приборов, в частности импульсных выпрямительных диодов ср-п переходом. Иллюстрация этого свойства диодов приведена на рис. 10.6, 6/, б, где временные диаграммы (см. рис. 10.6, б) показывают процессы работы диода VD в схеме простейшего однополупериодного выпрямителя (см. рис. 10.6, а). Здесь принято, что падение напряжения на диоде VD в прямом направлении пренебрежимо мало.
Рис. 10.6. Временные диаграммы работы инерционного диода
420
На вход выпрямителя подается переменное напряжение прямоугольной формы e(f). По окончании импульса прямого тока /н длительностью происходит смена полярности напряжения e(t). Так как в полупроводниковой структуре диода VD за время протекания прямого тока накапливаются избыточные заряды, то в момент смены полярное ги напряжения появляется интервал времени рассасывания /расс этих зарядов. На протяжении времени t с диод остается в открытом состоянии и проводит обратный ток, что обусловливает появление импульса обратной полярности напряжения на сопротивлении нагрузки /?н. После окончании рассасывания зарядов начинаются процессы запирания диода, т. е. восстановления обратного сопротивления ?воссг. По окончании интервала времени /воссг диод запирается и напряжение становится равным нулю. Таким образом, на интервале времени t - t Q + /восст на нагрузке появляется обратная полярность напряжения. Это означает', что диод теряет свои выпрямительные свойства и среднее значение постоянного напряжения Un уменьшается.
Современные силовые импульсные диоды, использующиеся в ИВЭП, обладают особенностью, которая заключается в том, что для них выполняется неравенство:
^расс >> ^воссг	(10.3)
Практически у диодов, предназначенных для выпрямления токов от единиц до 10—20 А при напряжениях 100—800 В, время /расслежитв пределах от 0,1 до 1,0 мкс, а %ссг- от 0,01 до 0,05 мкс.
В схемах ИСН и ИПН описанное свойство инерционности диода может привести к существенно более тяжелым последствиям. Рассмотрим влияние величины интервала времени /расс на функционирование ИСН понижающего типа, идеализированные процессы работы которого были рассмотрены в разд. 4 (см. схему рис. 4.5). Иллюстрация реальных процессов работы этого ИПН, работающего в режиме непрерывных токов индуктивности L, показана на схеме рис. 10.7, а и временных диаграммах рис. 10.7, б, где кроме токов коллектора 7К транзистора VT и диода 7 приведена диаграмма изменения мощности рассеиваемой коллекторным переходом VT.
Временные диаграммы показыва ют, что в момент открывания транзистора VT через его коллекторный переход протекает импульс тока 7КИМ, обусловленный наличием времени рассасывания / диода VD. Очевидно,
421
б
Рис. 10.7. Временные диаграммы работы реального ИСН понижающего типа
что длительность интервала времени t определяется величиной тока 1д0 на предшествующем этапе работы ИСН. Чем больше ток 7д0, тем больше будет интервал времени /расс. Путь тока показан пунктирной линией на схеме рис. 10.7, а. Амш штуда импульса тока /ким, который равен току 7ДИ обр, может быть значительной и в несколько раз (или десятков раз) превышать
422
амплитуду импульса тока /км. Появляется импульс мощности, рассеиваемой транзистором, который на диаграммеpK(t) рис. 10.7, б показан как />ки макс. Это приводит к уменьшению КПД стабилизатора и к снижению показателей надежности его работы. При увеличении частоты преобразования/пр частота повторения импульсов тока /Ю1М и 7;,и обр будет увеличиваться, что обусловливает увеличение средней мощности потерь, рассеиваемой элементами схемы ИСН в соответствии с выражением:
^расс	Дасс
ЛДрасс = f \pjt) = f \EiR(t )dt. о	о
(Ю.4)
Для уменьшения мощности потерь ^расс можно использовать диоды Шоттки вместо диодов ср-п переходом, у которых время zpacc = 0 в силу иных физических принципов работы. Кроме того, если в ИСН или стабилизирующем ИПН используется режим прерывистых токов индуктивности дросселя L, то включение транзистора VT происходит при запертом состоянии диода VD, тогда интервал времени /расс - 0.
Инерционность транзисторов также влияет на энергетические характеристики ИСН и ИПН. Рассмотрим это на примере работы транзисторного ключа с индуктивной нагрузкой (трансформатором TV). Его схема и временные диаграммы функционирования приведены на рис. 10.8, а, б.
Появление импульса пупр, открывающего транзистор VT, влечет за собой появление импульса тока коллектора с длительностью фронта и затем VT входит в насыщение. По истечении интервала времени /и наступает этап времени рассасывания / с избыточных зарядов из полупроводниковой структуры VT, на протяжении которого транзистор открыт и ток его коллектора не изменяется: zK - 1К. На последующем интервале времени происходит спад тока коллектора, длительность которого равна /сп, причем в общем случае Ф /сп. В соответствии с изменениями тока zK и в зависимости от характера нагрузки в коллекторной цепи VT происходят изменения напряжения пкэ. Так как на интервалах времени и ZCI j транзистор работает в линейном режиме, транзистор будет рассеивать импульсы мощности Рки ф и Рки сп, соответствующие этим интервалам времени. Это показано на временной диаграммедк рис. 10.8, б. В большинстве случаев Рки ф Рки сп. Очевидно, что, как и в предыдущем
423
a
Рис. 10.8. Временные диаграммы работы транзисторного ключа
424
случае анализа работы диода в схеме ИСН, с возврастанием частоты преобразования аналогично будет происходить увеличение средней мощности, рассеиваемой транзистором VT. Это определяется выражением
гф
^сп
(10.5)
о
о
видно, что длительность интервала практически не влияет на мощность, рассеиваемую транзис-
Из временных диаграмм рис. 10.8,6,
AAJ^WAV-AAA AV/VJLA.* -А Л J.-W JLJL Jk/AV' JU JU Л ▼.!. ЧХ	»_Z W Л Л-Г VW-WA AAX W* ’ i -ч_Г A.
тором VT. Влияние времени рассасывания сказывается только в том, что длительность импульса тока коллектора 1к увеличивается на /расс по отношению к длительности управляющего импульса на величину tw
Влияние времени рассасывания Грасс может оказывать существенное влияние на КПД и надежность работы ИВЭП, если в нем применяются двухтактные импульсные преобразователи постоянного напряжения. Для примера рассмотрим процессы работы двухтактного мостового преобразователя при наличии в транзисторах времени /расс, идеализированные процессы работы которого рассмотрены ранее в гл. 4 (см. рис. 4.11, а). Схема этого преобразователя и временные диаграммы его работы приведены на рис. 10.9, а, б.
При появлении импульса Ги1 управлениям р1 открывается транзистор VT1. Одновременно с этим заканчивается импульс сигнала управления Мупр2, что должно было бы привести к запиранию транзистора VT2. Однако наличие времени /расс2 рассасывания избыточных зарядов из полупроводниковой структуры VT2 приводит к задержке его выключения. То есть, появляется интервал времени Zpacc2, на протяжении которого транзисторы VT1 и VT2 открыты, что приводит к появлению импульса «сквозного» тока коллектора 7КИМ через обатрапзистора, направление которого показано на схеме рис. 10.9, а пунктирной линией. На последующем этапе работы при подаче импульса /и2 сигнала управления мупр2, когда открывается транзистор VT2 и должен выключиться транзистор VT1, происходят аналогичные процессы, вызванные наличием времени рассасывания /расс1 транзистора VT1. Таким образом, на протяжении интервалов времени (/и1 + ?Расс1)и (zh2 + zpacc2)в коллекторных цепях транзисторов VT 1 и VT2 существуют два импульса «сквозного» тока, амплитуда которых может превышать установившееся значение тока /к в несколько десятков раз. Технологический разброс параметров транзисторов обусловливает
425
Рис. 10.9. Временные диаграммы работы двухтактного мостового преобразователя постоянного напряжения
426
выполнение неравенства: /расс1 Ф ^расс2* В Другой цепи мостового преобразователя, при переключении тока в цепи транзисторов VT3 и VT4, происходят аналогичные процессы. Наличие импульсов «сквозного» тока приводит к снижению надежности работы ИПН и появлению импульсов мгновенной мощности, амплитуда которых равна расс, что определяет величину средней мощности потерь, как
к pace J пр
^расс!	ГрассЗ	Zpacc4
J EiK7(t)dt + \ EiK]\t)dt-V J EiK4\t)dt + $EiK3\t)dt . (10.6)
о	о	о	о
Рис. 10.10. Зависимость массы и объема импульсного ИВЭП от частоты преобразованияэлектрической энергии
Здесь, как и в предыдущих выражениях (10.4) и (10.5), значение средней мощности пропорционально увеличению частоты преобразования^.
Таким образом, увеличение частоты преобразования/пр приводит не только к снижению массы и объема реактивных элементов схем ИСН и ИПН, но и обусловливает увеличение средней мощности, рассеиваемой импульсными транзисторами. Это вызывает увеличение массы и геометрических размеров теплоотводящих устройств, которые требуется устанавливать для обеспечения нормированных тепловых режимов транзисторов. Кроме того, увеличение f приводит к возрастанию мощности потерь в магнитопроводах трансформаторов и дросселей, что вызывает в отдельных случаях необходимость применения для них специальных теплоотводящих конструкций.
Следовательно, повышение частоты/пр приводит, с одной стороны, к уменьшению массы и объемаэлемен-тов импульсного ИВЭП, с другой— к их увеличению. Это иллюстрируется графиком, приведенным на рис. 10.10. Здесь обозначения соответствуют: С?эл, Иэл—масса и объем элементов ИВЭП; Степл, Итепл—масса, объем теплоотаодящих устройств; GS, VS— суммарная масса, объем ИВЭП. Как видно из графика, функция GS, имеет минимум, соответствующий оптимальной частоте преобразования / опт’ ПРИ которой масса (объем)
427
ИВЭП минимальны. При разработке ИВЭП одной из важных задач является аналитическое и экспериментальное определение частоты/11р опт, так как при этом снижается материалоемкость ИВЭП и уменьшается его стоимость.
Общим направлением улучшения массогабаритных характеристик импульсных ИВЭП является использование быстродействующих полупроводниковых приборов и применение более современной элементной базы, в частности, диодов Шоттки, МДП-транзисторов, высокочастотньгх ферритовых магнитопроводов и конденсаторов, а также использование специализированных силовых интегральных микросхем.
10.4.	Высокочастотные импульсные помехи ИВЭП
и пути снижения их уровня
Использование импульсных методов преобразования электрической энергии обусловливает быстрые процессы переключения токов и напряжений. За время, составляющее доли микросекунд, происходят изменения величин токов от нуля до 10...20 А и напряжений до сотен вольт. Для современной быстродействующей элементной базы ИВЭП это обусловливает высокие скорости переключения, равные, в частности: dildt - 200...500 А/мкс и duldt - 100...800 В/мкс.
Большие скорости коммутации токов и напряжений вызывают появление высокочастотных помех, которые вместе с этим являются импульсными, так как сигнал помехи появляется только в моменты коммутации и форма его является затухающим видеоимпульсом с частотой повторения/пр, заполненным несинусоидальным высокочастотным напряжением частоты/вч. Верхняя граница частотного спектра напряжения помех достигает десятков мегагерц и более. Очевидно, что увеличение быстродействия полупроводниковой элементной базы вызовет увеличение уровня помех и повышение верхней границы спектра.
Высокочастотные импульсные помехи ИВЭП вызывают их негативное воздействие на маломощные функциональные узлы ВТ. Так как частота их повторения/пр не равна и не кратна тактовым частотам/^^ функционирования аппаратуры ВТ, то могут возникать нерегулярные сбои в работе ВТ. Поиск причин подобных сбоев осложняется при осциллографических исследованиях процессов. Источники помех при отсутствии
428
надлежащих мер по учету и локализации существенно влияют на надежность работы аппаратуры (см. рис. 10.1).
Рассмотрим элементы и функциональные узлы импульсных ИВЭП, которые создают наибольший уровень высокочастотных импульсных помех.
На рис. 10.11, а, б приведена эквивалентная схема выпрямителя ИСН (или ИПН) и временная диаграмма напряжения высокочастотной помехи, возникающей при выключении диода ср-п переходом VD. Параллельно диоду VD подключен конденсатор Спар, который отображает паразитные параметры схемы выпрямителя: внутреннюю емкость диода VD, монтажные емкости соединительных проводников и конструктивных элементов ИВЭП. Индуктивность Lnap также отображает паразитные параметры схемы выпрямителя: индуктивность выводов диода и соответствующих соединительных проводников. Конденсатор Сф является
Рис. 10.11. Принцип возникновения высокочастотной помехи при запирании диода
429
фильтром, сглаживающим пульсации выпрямленного напряжения частоты преобразованияимпульсного ИВЭП.
На вход выпрямителя поступает переменное прямоугольное напряжение e(t). После смены полярности этого напряжения с величины +Е на -Е наступает процесс рассасывания избыточных зарядов из полупроводниковой структуры диода VD, длительность которого равна /расс. Длительность установления обратного тока до величины 7обр равна tyCT. Она зависит от величины индуктивности Lnap, что отличает временные диаграммы рис. 10.11, б от приведенных ранее на рис. 10.6, б, где интервал времени Zpacc рассмотрен в несколько идеализированном виде.
После окончания процессов рассасывания диод VD запирается, причем в соответствии с выражением (10.3) длительность восстановления его обратного сопротивления /восст мала. Резкое прекращение тока через диод приводит к возникновению высокочастотных колебаний с частотой /вч = 1/Твч. Так как импульсные ИВЭП представляют собой устройства с высоким КПД, активные сопротивления в силовых цепях схемы достаточно малы и для схемы рис. 10.11,6? частота этих колебаний определяется выражением
Лч - —Д=.	(10.7)
^-^AiapGiap
Форма высокочастотных колебаний имеет вид видеоимпульса, представляющего собой экспоненциально затухающую синусоиду, степень спада которой определяется добротностью паразитного колебательного контура ^'пар ^пар’
J^nap
Sl	(10.8)
/хпар
где Апар—резистор, отображающий сумму паразитных активных сопротивлений, входящих в силовые цепи выпрямителя. Так как они малы, в практических схемах импульсных ИВЭП высокочастотные колебания затухают обычно по прошествии 20—40 периодов Твч.
Распространение высокочастотных помех по электрическим проводникам внутри схемы и их влияние на входные и выходные цепи ИВЭП
430
может быть определено расчетными методами путем составления соответствующих эквивалентных схем. Другие пути распространения помех определяются электромагнитными связями, возникающими между находящимися на некотором расстоянии друг от друга проводниками и элементами схемы. Эти связи могут возникать через электрическое и магнитное поля, а также через электромагнитное излучение, что обусловливает большую «проникающую» способность более высокочастотных колебаний. Поэтому процессы распространения и влияния вь1сокочастоггнь1х помех довольно сложны и анализ их происхождения должен базироваться не только на расчете схем при помощи известных методов электротехники, но и на основе теории поля.
Наиболее радикальным способом снижения негативного влияния высокочастотных импульсных помех на работу электронной аппаратуры является их подавление в месте возникновения. В этом отношении существуют следующие рекомендации. Для снижения верхней границы частотного спектра генерируемых помех уменьшают резонансную частоту контура £пар, Спар. Это достигается, например, путем подключения параллельно диоду VD конденсатора емкостью несколько сотен пикофарад. Если последовательно с этим конденсатором включить резистор сопротивлением в несколько единиц или десятков Ом, то одновременно со снижением резонансной частоты будет уменьшена добротность контура, что приведет к более быстрому спаду экспоненты видеоимпульса. Подобные последовательные RC-цепи, включенные параллельно диодам, часто используются в ИСН и ИПН. Применяется также увеличение индуктивности Lnap, включенной последовательно с диодом VD. Практически это может быть реализовано нанизыванием ферритовых колец малого диаметра на выводы диода. Такое исполнение позволяет исключить введение дополнительных индуктивных элементов.
Применение диодов Шоттки, у которых интервал времени Zpacc = О, не снимает проблемы возникновения высокочастотных импульсных помех и их негативного влияния. Длительность ?воссг восстановления обратного сопротивления такого диода меньше, чем у диода ср-п переходом, что повышает верхнюю границу частотного спектра помех и требует более тщательного ее учета при разработке схемы.
Рассмотренный на рис. 10.11, а, б пример работы схемы и выводы относятся не только к выпрямительным диодам ИПН или ИСН. Диоды сетевого выпрямителя ИВЭП с питанием от сети переменного напряже
431
ния 220 В, работают на низкой частоте преобразования. Однако здесь также существуют рассмотренные аналогичные процессы интервалов времени /расс и /воссг, которые порождают высокочастотные импульсные помехи, но на частоте/пр = 50 Гц, что не исключает их негативного воздействия.
Импульсный ИВЭП содержит несколько источников возникновения высокочастотных помех, взаимодействующих между собой. Поэтому в общем случае реальная форма сигнала помехи существенно отличается от синусоидальной и представляет собой несинусоидальную сумму гармонических составляющих с различными часготами и амплитудами.
Нагрузкой транзисторов в ИПН являются трансформаторы, которые обладают рядом паразитных параметров. К одному из наиболее значимых из них относится индуктивность рассеяния Ls обмоток. Рассмотрим влияние Ls на работу транзистора и причины возникновения высокочастотных помех на примере однотактного ИПН с обратным включением диода, схема и временные диаграммы процессов работы которого приведены на рис. 10.12, а, б.
На схеме рис. 10.12, а параллельно коллектору и эмиттеру транзистора VT включена демпфирующая цепь, состоящая из диода VD^, конденсатора Сдф и резистора Ядф. Она служит для уменьшения амплитуды импульса перенапряжения, который возникает за счет того, что в момент выключения VT в индуктивности рассеяния Lsl первичной Wj обмотки TV значение тока равно /км. Так как этот ток не может мгновенно снизиться до нуля, возникающая при этом импульсная ЭДС самоиндукции прикладывается к напряжению коллектор—эмиттер VT таким образом, что она суммируется с питающим напряжением Е. Амплитуда импульса при отсутствии в схеме демпфирующей цепи показана на временной диаграмме напряжения икэ рис. 10.12, б как	. Так как сопротивление
закрытого транзистора VT достаточно велико, практические значения £/кми достигают величин (10—30) £, что требует обязательного применения мер по демпфированию этого импульса.
В момент запирания VT и увеличения напряжения и параллельно коллектору и эмиттеру VT открывается диод VD^ и подключается конденсатор Сдф, начальное напряжение ССдф(0) = 0. Благодаря ему длительность импульса коллекторного напряжения увеличивается, а амплитуда снижается, что показано на временной диаграмме лкэ значениями гдфИ Ц.ми соответственно. После полного разряда индуктивности
432
Рис. 10.12. Демпфирующая цепь транзистора и временные диаграммы работы
28 Вл. Сапожников
433
рассеяния (интервал времени /дф) диод VD^ запирается. Это, как и в ранее рассмотренной схеме рис. 10.11, а. приводит к появлению высокочастотных колебаний с периодом Твч. Для эффективной работы демпфирующей цепи необходимо, чтобы выполнялись соотношения
^разр1 < ^и’ ^разр2 < On - W-	<10-9>
Для снижения уровня помех, создаваемых диодом демпфирующей цепи применимы рассмотренные выше меры.
Кроме показанного на схеме рис. 10.12, а включения демпфирующей цепи, используется также ее подключение параллельно первичной обмотке h’j трансформатора. В этой схеме причины возникновения помех идентичны.
В схеме рис. 10.12, а используется биполярный транзистор, однако сделанные выводы полностью относятся и к транзисторным ключам с применением МДП-транзисторов.
Аналогично возникают высокочастотные помехи вследствие переключения токов и напряжения транзисторами, которые работают в импульсном режиме. Однако, как показывает практика, наиболее существенный вклад в создание высокочастотных импульсных помех вносят диоды, так времена их выключения, т. е. восстановления обратного сопротивления zbocct’ гоРазД° меньше, чем времена переключения токов и напряжений у импульсных транзисторов.
10.5.	Основные принципы рационального конструирования импульсных ИВЭП и аппаратуры ВТ
Принципы конструирования функциональных узлов импульсных ИВЭП и аппаратуры ВТ имеют определенную специфику, определяющую ряд факторов, которые необходимо учитывать при разработке. К их числу относится представление ИВЭП как генератора высокочастотных импульсных помех с принятием соответствующих мер по их подавлению. Вместе с этим функциональные узлы ВТ также являются генераторами импульсных помех, которые определяют надежность работы аппаратуры ВТ.
Рассмотрим влияние конструктивнььх параметров элементов, использующихся для фильтрации выпрямленных напряжений и снижения уровня высокочастотных помех.
434
Для сглаживания выходных напряжений в ИСН и ИПН обычно применяются электролитические конденсаторы. Эквивалентная схема подобного конденсатора представляет собой последовательное соединение конденсатора С и двух индуктивностей LB j и Lb2, как это показано на схеме рис. 10.13, a. LB j и Lb2 представляют собой индуктивности выводов конденсатора, внешний вид корпуса которого показан на рис. 10.13,6. Величина индуктивности выводов может существенно влиять на фильтрующие свойства конденсатора при высоких частотах помехи. Например, если длина вывода составляет 30 мм, то суммарная индуктивность LB двух выводов примерно 0,03 мкГн, а их реактивное сопротивление частоте 50 МГц равно xL = 2я/вчГв = 9,42 Ом, в то время как реактивное сопротивление «идеального» конденсатора емкостью 20 мкФ на той же частоте должно равняться хс = 1/2л/вчС = 1 х Ю-4Ом.
Рис. 10.13. Эквивалентные схемы и вид корпусов электролитических конденсаторов
Ток через фильтрующие конденсаторы ИСН и ИПН имеет форму прямоугольных импульсов с малыми длительностями фронтов и спадов. Если, например, в схеме фильтра имеется скачок тока через конденсатор А/с = 5 А с длительностью фронта Гфр = 0,05 мкс, то при наличии той же индуктивности выводов это приводи т к появлению на этом конденсаторе импульса напряжения AUc -	= 3 В.
Форму корпуса и вид выводов, показанные на рис. 10.13,6, имеют большинство электролитических конденсаторов. Для исключения негативного влияния индуктивности выводов применяются специальные
435
электролитические конденсаторы, обладающие существенно лучшими частотными характеристиками. Эквивалентная схема такого конденсатора приведена на рис 10.13, в. Как видно, здесь имеются четыре вывода и функционально конденсатор представляет собой L, С, L-фильтр, выходное напряжение которого через индуктивности LB3 и LB4 снимается непосредственно с обкладок конденсатора С. Это дает возможность получить гораздо более эффективное подавление высокочастотных импульсных помех, возникающих при переключении полупроводниковых элементов ИВЭП и при скачкообразных изменениях тока через конденсатор С. К четырехвыводным относятся, например, конденсаторы К53-28. Внешний вид корпуса этого конденсатора показан на рис. 10.13, г.
Принципиально электролитические конденсаторы обладают эквивалентным последовательным сопротивлением потерь (ЭПС), вызванным электрохимическими процессами в диэлектрике. Практические его величины лежат в пределах 7?эпс = 0,05...0,25 Ом. Для значения скачка тока - 5 А наличие 7?эпс вызовет увеличение амплитуды пульсаций выпрямленного напряжения за счет появления скачка напряжения: A Uc= = Д/с7?эпс = 0,25...0,75В.
Керамические конденсаторы обладают Яэпс = 0, поэтому практически во всех высокочастотных ИСН и ИПН параллельно электролитическим конденсаторам устанавливаются керамические конденсаторы, например, типаК10-17 или К10-47. Изложенные соображения о негативном влиянии индуктивности выводов полностью относятся и к керамическим конденсаторам. В этом смысле гораздо более эффективны безвыводные керамические конденсаторы, распаиваемые непосредственно на печатные дорожки плат.
На надежность функционирования аппаратуры ВТ влияют электрические параметры питающих шин, соединяющих ИВЭП и приборы-потребители. На рис. 10.14 приведена эквивалентная схема подобного соединения. Питающие шины представляются линией с распределенными параметрами (Ц—L/?), (Cj—СД в которой преобладающим является результирующий индуктивный характер входного и выходного сопротивлений. Здесь условно не показано (практически всегда имеющее место) продольное активное сопротивление 7?пр питающей шины.
При наличии реактивных параметров линии качество напряжения UH на нагрузке (приборе-потребителе) будет отличаться от напряжения L7 на выходе ИВЭП. Причины этого заключаются в специфике работы
436
нагрузки. При этом очевидно, что чем больше будут величины индуктивностей Ц—L , тем это отличие будет большим. Рассмотрим факторы, определяющие разницу между напряжениями входа и выхода.
Рис. 10.14. Эквивалентная схема соединения ИВЭП и прибора-потребителя
Известно, чт о энергопотребление функциональных узлов ВТ является импу.1 £ьсным, характеристики которого зависят от вида решаемой задачи, при этом кратность изменения потребляемого тока достигает 10—20, а иногда и более. Если не принимать специальных мер, то фронты изменения тока, определяемые быстродействием логических ИМС, довольно малы и составляют доли микросекунд. Это приводит к появлению импульсов уменьшения или увеличения напряжения 1/н. Причина их возникновения аналогична описанной при рассмотрении паразитных параметров конденсаторов.
Следовательно, даже если ИВЭП на своем выходе 17вых обеспечивает «идеальные» параметры, то это не гарантирует таких же параметров на входе Пн прибора-потребителя. Сюдавходиттакжестатическаянестабиль-ность напряжения t/H, вызванная наличием активного продольного сопротивления 7?пр.
Для сглаживания импульсов изменения потребляемого тока в приборах-потребителях, т. е. в функциональных узлах ВТ, устанавливаются конденсаторы, которые на схеме рис. 10.14 показаны как Сф! и Сф2. Один из них является электролитическим—Сф j, второй Сф2—безвыводным керамическим. Конструктивно конденсаторы должны устанавливаться в непосредственной близости от входного разъема прибора-потребителя, так как при этом сокращается длина соединительных линий, которые могут излучать высокочастотные помехи, в том числе и за счет электромагнитного поля.
437
Другой причиной, определяющей качество питающих напряжений внутри печатных плат и функциональных узлов ВТ, является специфика работы логических инверторов и других более сложных ИМС. На рис. 10.15, а. б приведены схема ТТЛ логического инвертора и временные диаграммы его работы.
Рис. 10.15. Схема I ?Л логического инвертора и временные диаграммы его работы
438
Внутри интервалов времени: —задержки распространения сигнала при переходе выхода У инвертора из единичного в нулевое состояние, и t д1—задержки сигнала при переходе выхода У из нулевого состояния в единичное, существуют другие интервалы времени, когда транзисторы VT1 и VT0, которые формируют единичный и нулевой уровни вых( >дного напряжения соответственно, находятся в открытом состоянии или работают в линейном режиме. Это приводит к возникновению импульсов сквозного тока, протекающего одновременно через оба транзистора. На схеме рис.10.15, а он показан пунктирной линией. В зависимости от того или иного интервала времени задержки распространения сигнала длительность импульса и его амплитуда может быть различной, что показано на времен! ю й диаграмме тока /(. <в (рис. 10.15, а) величинами ?1кв? ?скв и Л’ ^<в соответственно. Причины появления интервала времени одновременного открытого состояния транзисторов VT1 и V '2 заключаются в инерционности процессов их включения и выключения, в том числе и во влиянии времени рассасывания
Амплитуда импульсов тока j , в ограничивается резистором Rorp, однако она не может быть сделана сколь угодно малой, так как при этом снижается быстродействие инвертора. В практических ИМС токи /с л превышаю г установившееся значение тока, потребляемого ИМС в единичном и нулевом состоянии, в 5- -15 раз при длительности £скв = 0.02.. .0,1 мкс.
Появление импульсов тока г: в может привести к кратковременному снижению напряжения до величины мин, что показано пунктиром на временной диаграмме (рис. 10.15, 6). Снижение напряжения будет значительным, если в пени пит алия Е т инвертора существует паразитная индуктивность Lnap, ч го может привести к сбоям в работе аппаратуры ВТ. Кроме того, если в непосредственной близости от рассматриваемого инвертора установлена другая логическая ИМС, то это снижение напряжения будет негативно влиять и на ее работу. Для устранения влияния сквозных токов в практических конструкциях функциональных узлов ВТ устанавливаются распределенные керамические безвыводные конденсаторы. При этом наилучшим способом снижения уровня высокочастотных импульсных помех является установка этих конденсаторов вблизи каждого корпуса ИМС. Экспериментально установлено, что суммарная емкость распределенных конденсаторов платы или функционального узла ВТ должна быть не менее 4 мкФ на 1 А потребляемого тока. Очевидно, что для этих конденсате >ров требования к индуктивности их выводов должны быть ужесточены.
439
Временная диаграмма (рис. 10.15, б) показывает изменение мощности, рассеиваемой ИМС в режиме переключения. Она иллюстрирует причины возрастания средней мощности Римс при увеличении частоты переключения инвертора. Очевидно, уменьшение интервалов времени между моментами переключения ИМС обусловливает возрастание частоты повторения импульсов и Рс^в, что увеличивает Римс и приводит к возрастанию рассеиваемой ИМС тепловой мощности. Этим обусловливается применение вентиляторов, охлаждающих ИМС в персональных компьютерах, работающих на высоких тактовых частотах.
Так как КМОП логические инверторы также обладают определенной инерционностью процессов переключения, сделанные выводы распространяются и на их функционирование.
Следовательно, на надежность работы аппаратуры ВТ влияют не только помехи, генерируемые импульсными ИВЭП или проникающие из первичных питающих сетей, но и создаваемые собственно функциональными узлами ВТ, в которых имеются логические ИМС, и когда происходят коммутации потребляемого тока.
Рассмотрим принципы подавления помех, проникающих в ИВЭП со стороны первичных питающих сетей постоянного или переменного напряжений и защищающие первичные сети от помех, возникающих в ИВЭП. Для этого применяют ВЧ-фильтры, которые применяются практически во всех современных ИВЭП, что показано в гл. 5 и 9. Схема функционально наиболее полного фильтра приведена на рис. 10.16.
Сигналы электрических помех, воздействующие на ИВЭП и электронную аппаратуру, разделяются на два вида: дифференциальные и синфазные. Дифференциальный сигнал является напряжением С7диф между входными или выходными питающими проводниками фильтра. Напряжение
440
между точкой заземления (или корпуса прибора) и питающими проводниками является синфазным сигналом {7снф. Фильтр должен выполнять функции подавления обоих видов сигнала помехи.
В схеме фильтра рис. 10.16 конденсаторы С1, С4 и С5 предназначены для подавления дифференциального сигнала 17 ф, так как они включены параллельно питающим проводникам (шинам). Конденсаторы С2, СЗ, С6 и С7, включенные между7 питающими проводниками и точкой заземления (корпусом) фильтра, подавляют сигнал синфазной помехи С/снф. Двухобмоточный дроссель L1, L2, благодаря встречному включению обмоток (начало обмоток показано точками) предназначен для ослабления дифференциального сигнала помехи, дроссель L3, L4, имеющий согласное обмоток, ослабляет синфазный сигнал помехи.
Монтаж элементов фильтра и конструктивное их расположение должны быть выполнены с учетом изложенных выше требований и наличия у элементов паразитных параметров.
В качестве нелинейных резисторов MV 1 и MV2, выполняющих функции ограничения амплитуды относительно длительных импульсов напряжения, возникающих в сетях переменного напряжения, испол ьзуются варисторы, разрядники, новые нелинейные полупроводниковые структуры или другие элементы, виды и особенности применения которых описаны в гл.6.
На практике схема (см. рис. 10.16) функционально полного фильтра может быть более простой. В отдельных случаях в нем могут отсутствовать какие-либо от дельные элементы, например дроссель LI, L2 или L3, L4. Присутствие полного набора показанных конденсаторов является иногда не обязательным. Нахождение требуемой функциональной полноты схемы фильтра определяется, с одной стороны, его стоимостью, т. е. количеством примененных элементов, с другой—требованиями помехозащищенности. Это противоречие между экономическими и электрическими показателями разрешается при разработке и конструировании ИВЭП и аппаратуры ВТ и после проведения соответствующих испытаний на помехоустойчивость, когда будет определена практическая необходимость введения тех или иных элементов и значимость их влияния на уровень помех в ИВЭП и аппаратуре ВТ. Этим объясняется тот факт, что в различной электронной аппаратуре конфигурация схем ВЧ-фильтров различна.
Использование в электронной аппаратуре новой элементной базы, которая включает в себя в первую очередь быст родействующие маломощные и высокочувствительные интегральные микросхемы и устройства памяти,
29 Вл. Сапожников
441
повлекло за собой существенные изменения в разработке и конструировании ИВЭП. Насыщение электронной аппаратурой локомотивных устройств в еще большей степени осложнило задачу ее электропитания. Это определило специфический выбор структурных схем ИВЭП и различные подходы к реализации батарейных и сетевых источников электропитания. Для типовых заданных эксплуатационных требований, в том числе и по точности поддержания напряжений на нагрузке, используются различные структурные и схемотехнические решения, а также специальные конструкторские приемы.
Из современных ИВЭП в большинстве случаев исчезли крупногабаритные и материалоемкие низкочастотные трансформаторы, а преобразование электрической энергии выполняется высокочастотными ИСН и ИПН с применением специализированных силовых интегральных микросхем. Это повлекло за собой негативные последствия в функционировании электронной аппаратуры. В частности, инерционность полупроводниковых приборов обусловливает снижение надежности работы импульсных ИВЭП,уменьшештеКПДиповь1ше1-птеуровнявысокочастотнь1химпульснь1х помех. Однако эти трудности компенсируются снижением материалоемкости элементов импульсных ИВЭП, стоимости и эксплуатационных расходов. Кроме того, постоянный прогресс в области технологии и производства силовой полупроводниковой элементной базы дает возможность улучшать параметры ИВЭП. Использованиепринципов рационального конструирования импульсных ИВЭП делает задачу надежного функционирования импульсных ИВЭП и электронной аппаратуры вполне разрешимой, о чем свидетельствует опыт разработки и эксплуатации систем и приборов электронной аппаратуры железнодорожного транспорта.
КОНТЮЛЬНЫЕВОПРОСЫ
1.	В чем специфика электропитания аппаратуры ВТ?
2.	Какие существуют структурные схемы стабилизирующих ИВЭП и схемотехнические способы организации обратной связи САР?
3.	Зачем необходимо вводить устройства плавного пуска в стабилизирующих ИВЭП и какова схема плавного пуска?
4.	Какие существуют высокочастотные методы преобразования электрической энергии?
5.	Объясните влияние инерционности полупроводниковых приборов на показатели высокочастотных ИСН и ИПН.
6.	Укажите причины появления высокочастотных импульсных помех в ИВЭП, схемные узлы, являющиеся генераторами помех.
7.	Приведите основные принципы и способы снижения уровня высокочастотных импульсных помех.
8.	Каковыгфинц1шь1ращюнальногоконсгруирования11мпульсь1Ь1хИВЭП?
Рекомендуемая литература
К главе 1
1.	Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации. ЦРБ/756. - М.: РОО «Техинформ», 2000.
2.	ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
3.	Дмитриев В.Р., Смирнова В. И, Электропитающие устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Справочник. - М.: Транспорт; 1983.
4.	Правила устройства электроустановок / Минтопэнерго Российской Федерации. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Главгосэпергоиадзор России, 1998.
5.	Ведомственные нормы технологического проектирования. ВНТП/ МПС-85/Гипротранссигналсвязь.-Л.: Транспорт, 1986.
6.	Справочник по электроснабжению железных дорог. Т. 1 / Под ред. К.Г. Марквардта. - М.: Транспорт, 1980.
7.	ГОСТ 21128-83. Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения до 1000 В.
8.	ГОСТ 721-77. Системы энергоснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения свыше 1000 В.
К главе 2
9.	Кедринский И,А. и др. Химические источники тока. - М.: Энергоиздат, 1983.
10.	Теньковцев В. В., Центер Б.И. Основы теории и эксплуатации герметичных Ni-Cd аккумуляторов. - Л.: Энергоиздат, 1985.
11.	http//battery.rax.ru.
12.	Сербиновский М.Ю. Литиевые источники тока: конструкции, электроды, материалы, способы изготовления и устройства для изготовления электродов. - Ростов-на-Дону: РГУПС, 2001.
444
13.	Скундин А.М. Литий-ионные аккумуляторы: современное состояние, проблемы и перспективы И Электрохимическая энергетика. 2001. Т.1 № 1-2.
14.	http//www.cdma-gsm.ru/info/battery .htm
К главе 3
15.	Михайлов А.Ф., ЧастоедовЛ.А. Электропитающие устройства и линейные сооружения автоматики, телемеханики и связи железнодорожного транспорта.-М.: Транспорт, 1987.
16.	Электропитание устройств связи / Бокуняев А.А., Горбачев Б.В., Китаев В.Е. идр.;Подред. проф. Китаева В.Е.-М.: Радио и связь, 1988.
17.	Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. - М.: Мир, 1978.
18.	Иванов-Цыганов А.И. Электропреобразователи устройства РЭС.-М.: Высшая школа, 1991.
К главе 4
19.	СергеевБ.С, Чечулина А.Н. Источники электропиташы электронной аппаратуры железнодорожного транспорта. -М.: Транспорт, 1998.
20.	Готтлиб И.М. Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы / Пер. с англ. - М.: Постмаркет, 2000.
21.	Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Под ред. Г.С. Найвельта.-М.: Радио и связь, 1992.
22.	Сергеев Б. С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания: Справочник. - М.: Радио и связь, 1992.
К главе 5
23.	КучеровД.П. Ист очники электропитания ПК и периферии,- СПБ.: Наука и техника, 2002.
24.	Сергеев Б. С., Чечулина А.Н. Источники электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта. -М.: Транспорт. 1998.
25.	Устройства электропитания аппаратуры автоматики и телемеханики железнодорожного транспорта: Технические требования. РД 32 ЦШ 10.09-2003.-М.: ВНИИУП-МПС, 2003.
445
26.	Костиков В.Г., Парфенов Е.М., ШахновВ.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов.-М.: горячая линия-Телеком, 2001.
К главе 6
27.	Костроминов А.М. Защита устройств железнодорожной автоматики и телемеханики от помех. - М.: Транспорт, 1997.
К главе 7
28.	Ведомсгвенныенормы технологического проектирования. ВНТП/ МПС-85/Гипротранссигналсвязь. - Л.: Транспорт, 1986.
29.	Дмитриев ВТ, Смирнова В. И. Электропитающие устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Справочник. - М.: Транспорт, 1983.
30.	Асе Э.Е., Гончаров А.Я., Паничев В.В. Монтаж устройств железнодорожной автоматики и телемеханики. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Транспорт, 1988.
31.	Справочник по электроснабжению железных дорог. Т. 1 / Под ред. К.Г. Марквардта. - М.: Транспорт, 1980.
32.	Сорока В,И., Милюков В.А. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики. Справочник: В 2 кн. Кн. 1. - 3-е изд. - М.: НПФ «Планета», 2000.
33.	Сорока В.И., Розенберг Е.Н. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики. Справочник: В 2 кн. Кн. 2. - 3-е изд. - М.: НПФ «Планета», 2000.
34.	РТМ 32 ЦШ 1115842.03-94. Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики. Правила и методы обеспечения безопасности релейных схем. - Спб.: ПГУПС, 1994.
35.	Коган Д. А., ЭткинЗ.А. Аппаратура электропитания железнодорожной автоматики и телемеханики. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1987.
36.	Егоренков НТ., Конанов В. А. Устройства телеуправления диспетчерской централизации системы «Луч». - М.: Транспорт, 1988.
446
37.	Системы диспетчерской централизации: Учебник для вузов ж.-д. трансп. /Д.В. Гавзов, О.К. Дрейман, В. А. Кононов, А.Б. Никитин; Под общей ред. проф. Вл.В. Сапожникова. - М.: Маршрут, 2002.
38.	Архипов Е.В., Гуревич В.Н. Справочник электромонтера СЦБ. -2-е изд. перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1999.
39.	Электрическая централизация промежуточных станций с маневровой работой ЭЦ-12-00. Альбом 2: Типовые материалы для проектирования/МПС РФ. Гипротранссигналсвязь-Спб.: ГТСС, 2000.
40.	Электропитание устройств электрической централизации ЭЦ-10-88: Типовые материалы для проектирования / МПС СССР. Гипротранс-сигналсвязь. - Л.: ГТСС, 1988.
41.	Татур Т.А. Основы теории электрических цепей (справочное пособие). - М.: Высшая школа, 1980.
42.	Станционные системы автоматики и телемеханики: Учеб, для вузов ж.-д. трансп. / Вл.В. Сапожников, Б.Н. Елкин, И.М. Кокурин, Л.Ф. Кондратенко, В. А. Кононов; Под ред. Вл.В. Сапожникова. - М.: Транспорт, 1997.
43.	Техническая эксплуатация устройств и систем железнодорожной автоматики и телемеханики: Учеб, пособие для вузов ж.-д. трансп. / Вл.В. Сапожников, Л.И. Борисенко, А.А. Прокофьев, А.И. Каменев; Под ред. Вл.В. Сапожников. - М.: Маршрут, 2003.
44.	Инструкция по обеспечению безопасности движения поездов при производстве работ по техническому обслуживанию устройств СЦБ. ЦШ-530. -М.: Тансиздат, 1998.
45.	Инструкция по техническому обслуживанию устройств сигнализации, централизации и блокировки. ЦШ-720. - М.: Трансиздат, 2000.
46.	Устройства СЦБ. Технология обслуживани / Департамент сигнализации, связи и вычислительной техники МПС России. - М.: Транспорт, 1999.
К главе 8
41.	Аппаратура сетей связи: Справочник / М.И. Шляхтер, Э.Н. Дурбанова, М.И. Полякова, Ш.Г. Галиуллин; Подред. М.И. Шляхтера-М.: Связь, 1980.
48.	Бунин Д. А., ХейнД.Ш. Аппаратура транспортной связи: Справочник. - М.: Транспорт, 1981.
447
49.	Правила устройства электроустановок. - М.: Энергия, 1982.
50.	Руководство по проектированию сооружений электросвязи на железных дорогах Союза ССР//МПС СССР. - М.: Транспорт, 1982.
51.	Электропитающие устройства связи. Технологический процесс обслуживания//МПС СССР. - М.: Транспорт, 1980.
52.	Дмитриев В. Р., Смирнова В,И. Электропитающие устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Справочник. - М.: Транспорт, 1983.
К главе 9
53.	Сергеев Б.С., Чечулина А.Н. Источники электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт. 1998.
К главе 10
54.	Сергеев Б. С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания: Справочник. - М.: Радио и связь, 1992.
55.	Сергеев Б.С., Чечулина А.Н. Источники электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт, 1998.
56.	Барнс Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами / Пер. с англ. - М.: Мир, 1990.
57.	Конструирование электронной и радиоэлектронной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости / А.Д. Князев, Л.Н. Кечиев, Б.В. Петров. - М.: Радио и связь, 1989.
58.	Волин М.Л. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре. -М.: Радио и связь, 1981.
59.	Костроминов А.М. Защита устройств железнодорожной автоматики и телемеханики от помех. - М.: Транспорт, 1997.
Содержание
ВВЕДЕНИЕ......................................................3
Глава 1. Общие принципы распределения электрической энергии...5
1.1.	Понятие о Правилах устройства электроустановок........5
1.2.	Производство и распределение электрической энергии....8
1.3.	Классификация потребителей СЦБ и связи по надежности обеспечения электрической энергией.......................... 14
1.4.	Основные требования к устройствам электроснабжения.. 17
1.5.	Нормы качества электрической энергии.................23
1.6.	Ряды номинальных напряжений..........................27
Глава 2. Химические источники тока...........................32
2.1.	Первичные химические источники тока..................32
2.2.	Электрические характеристики.........................34
2.3.	Гальванические элементы марганцово-цинковой и ртутно-цинковой системы.............................................36
2.4.	Вторичные химические источники тока..................40
2.5.	Принцип действия кислотно-свинцовых аккумуляторов....43
2.6.	Щелочные аккумуляторы................................55
2.7.	Аккумуляторные помещения.............................57
2.8.	Новые перспективные химические источники тока........59
Глава 3. Системы электропитания..............................67
3.1.	Общие положения......................................67
3.2.	Автономная система питания...........................68
3.3.	Буферная система питания.............................69
3.4.	Безаккумуляторные и комбинированные	системы	питания.73
3.5.	Выпрямление переменного тока.........................75
3.7.	Преобразователи частоты.............................133
Глава 4. Стабилизаторы и преобразователи	постоянного тока , 138
4.1.	Принципы стабилизации и преобразования постоянного напряжения..................................................138
4.2.	Линейные стабилизаторы постоянного напряжения.....139
4.3.	Импульсные стабилизаторы и преобразователи постоянного напряжения..................................................144
Глава 5. Источники и системы бесперебойного электропитания...........................................166
5.1.	Назначение и основные параметры ИБП.................166
5.2.	Принципы построения ИБП.............................169
5.3.	Функциональные узлы ИБП............................ 174
5.4.	Энергетические и временные характеристики ИБП и нагрузки .... 179
449
Глава 6. Устройство защиты.....................................184
6.1.	Классификация электрических воздействий и объекты защиты ... 184
6.2.	Методы и средства защиты от мощных импульсных помех....187
6.3.	Методы и средства защиты от токовых перегрузок.........193
6.4.	Заземление.............................................200
6.5.	Феррорезонанс и защита от него.........................206
Глава 7. Электропитание устройств автоматики и телемеханики...........................................  216
7.1.	Электропитание устройств автоматической и полуавтоматической блокировки..............................................216
7.2.	Электропитание устройств диспетчерской централизации..233
7.3.	Электропитание оповестительной сигнализации и автоматических шлагбаумов на переездах.......................  240
7.4.	Устройства электропитания входных светофоров..........251
7.5.	Станционная аккумуляторная батарея постов электрической централизации..................................................260
7.6.	Сигнализаторы заземления..............................271
7.7.	Электропитание устройств электрической централизации промежуточных станций..........................................278
7.8.	Электропитание устройств электрической централизации крупных станций................................................288
7.9.	Электропитание устройств микропроцессорной централизации.... 308
7.10.	Техническое обслуживание устройств электропитания..314
Глава 8. Электропитание устройств связи........................322
8.1.	Выпрямительные устройства..............................322
8.2.	Технические требования на проектирование электропитающих установок....................................................  344
8.3.	Функциональные схемы электропитающих установок...................................349
8.4.	Расчет аккумуляторной батареи..........................362
8.5.	Расчет элементов регулирования напряжения............  365
8.6.	Расчет и выбор выпрямительных устройств................367
8.7.	Устройства ввода и коммутации цепей переменного тока...369
8.8.	Структурная схема электропитающей установки узла связи.372
8.9.	Дистанционное питание..................................375
Глава 9. Системы электропитания радиотехнических устройств................................................389
9.1.	Источники электропитания стационарных радиостанций.....390
9.2.	Источники электропитания локомотивных радиостанций.....394
9.3.	Источники электропитания переносных радиостанций.......405
450
Глава 10. Электропитание аппаратуры вычислительной техники...............................................  «407
10.1.	Специфика электропитания аппаратуры вычислительной техники	407
10.2.	Структурные схемы источников вторичного электропитания.410
10.3.	Высокочастотные методы преобразования электрической энергии	418
10.4.	Высокочастотные импульсные помехи ИВЭП и пути снижения их уровня...................................428
10.5.	Основные принципы рационального конструирования импульсных ИВЭП и аппаратуры ВТ.............................434
Учебное издание
Владимир Владимирович Сапожников д-р техн, наук профессор
Николай Прокофьевич Ковалев
Владимир Анатольевич Кононов канд. техн, паук доцент
Александр Михайлович Костроминов д-р техн, наук профессор
Борис Сергеевич Сергеев д-р техн, наук профессор
Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи
Учебник для вузов железнодорожного транспорта
Редактор В.А. Быков
Корректоры Л .П. Доценко, И.Ф. Солодкова Компьютерная верстка Н. А. Щугарева
Изд. лиц. ИД № 04598 от 24.04.2001 г. Подписано в печать 22.12.2005 г. Формат 60x84 1/16. Печ. л. 28,5. Тираж 4500 экз. Заказ 5136.
Учебно-методический центр по образованию па железнодорожном транспорте
Издательство «Маршрут», 107078, Москва, Басманный пер., 6
Отпечатано ООО «Прессиздат»
105094, г. Москва, ул. Золотая, д. 11, стр. 1