Содержание
Введение
Систему электропитания средств
автоматизации (далее система электропитания)
можно рассматривать как своего рода небольшую
систему электроснабжения, электроприемниками
которой являются различные приборы, аппараты,
регулирующие устройства, электроприводы
исполнительных механизмов, задвижек,
вентилей и т. п. От надежного электропитания
этих электроприемников, устанавливаемых
на щитах и пультах систем автоматизации
и рассредоточенных по всему автоматизируемому
объекту, зависит нормальная работа объекта
(технологического процесса) в целом.
Система электропитания должна обеспечить
необходимую надежность (бесперебойность)
питания, соответствующее качество электроэнергии
(допустимые отклонения и колебания напряжения,
несинусоидальность формы кривой, пульсацию
напряжения), экономичность, удобство
и безопасность обслуживания.
Цель работы – рассмотреть
рациональные схемы энергоснабжение.
Задачи: рассмотреть понятие
систем энергоснабжения, провести обзор
вторичных схем энергоснабжения.
1. Схемы электропитания
При построении схем электропитания(энергоснабжения)
необходимо учитывать, что сосредоточенно
установленные (например, на щитах) и отдельно
стоящие электроприемники должны, как
правило, получать питание от специальных
щитов и сборок питания (последние для
электроприводов задвижек или вентилей),
на которых размещается аппаратура управления
и защиты всех присоединений системы электропитания.
Щиты и сборки питания должны
располагаться возможно ближе к питаемым
группам.
Если количество электроприемников
ограничено и нецелесообразно предусматривать
специальный щит питания, то аппаратуру
управления и защиты системы электропитания
допускается размещать на щитах, где установлены
приборы, или на релейных щитах; для электроприводов
задвижек (вентилей) и в этом случае целесообразно
также предусматривать отдельно сборки
питания.
Схема электропитания подразделяется
на следующие основные звенья (рис.1):1
а) питающая сеть (питающие линии)
- сеть от источников питания до щитов
и сборок системы электропитания;
б) распределительная сеть -
сеть от щитов и сборок системы электропитания
до электроприемников; к распределительной
сети относятся также цепи всех назначений,
связывающие первичные приборы и датчики
с вторичными приборами и регулирующими
устройствами.
Питающая и распределительная
сети систем электропитания могут выполняться:
однофазными двухпроводными (с одним фазным
и одним нулевым проводами); двухфазными
двухпроводными (с двумя фазными проводами);
двухпроводными постоянного тока; трехфазными
трехпроводными и трехфазными четырехпроводными.
Однофазные и двухфазные двухпроводные
сети должны применяться при наличии только
однофазных электроприемников, если это
допустимо по условию равномерной нагрузки
фаз источника питания.
Трехфазные трехпроводные сети
должны применяться:
а) для смешанных электроприемников,
трех- и однофазных одинакового напряжения
или только трехфазных электроприемников
- при питании от системы с изолированной
нейтралью;
б) для однофазных электроприемников,
когда устройство двухпроводной сети
недопустимо по условию равномерной нагрузки
фаз источника питания.
Трехфазные четырехпроводные
сети должны применяться:
а) для смешанных электроприемников,
трех- и однофазных разных напряжений
или только трехфазных - при питании от
системы с глухозаземленной нейтралью;
б) для однофазных электроприемников,
когда устройство двухпроводной сети
недопустимо по условию равномерной нагрузки
фаз источника питания.
Надежность (бесперебойность)
электропитания систем автоматизации
должна соответствовать (быть не ниже)
надежности системы электроснабжения
автоматизируемого объекта (агрегата,
установки, цеха и т.п.) в целом.
Вопрос о необходимости резервирования
в схеме электропитания системы автоматизации
должен решаться с учетом наличия резервирования
в системе электроснабжения объекта с
соблюдением следующих основных требований:
а) количество независимых вводов
(питающих линий) в системе электропитания
должно быть равно количеству независимых
вводов, питающих объект в целом.
Так, если на объекте имеются
потребители 1 и 2 категории и питание объекта
осуществлено по двум независимым линиям,
то система электропитания также должна
иметь два ввода от двух независимых источников
питания. Если объект отнесен к 3 категории
и питание его осуществлено по одной линии,
то система электропитания может иметь
один ввод. Если на объекте имеются потребители
различных категорий, то электроприемники
системы автоматизации относятся к потребителям
высшей категории;
б) пропускная способность каждой
питающей линии системы электропитания
должна определяться по 100%-ной нагрузке
данной системы;
в) режим работы питающих линий
системы электропитания (находятся в работе
обе линии или одна) принимается такой
же, как режим питания самого источника
питания;
г) в схемах электропитания
систем автоматизации объектов, отнесенных
к 1 и 2 категориям электроснабжения, автоматический
ввод резерва (АВР), как правило, не предусматривается,
если имеется АВР в системе электроснабжения,
в частности, на источнике питания. АВР
в схемах электропитания систем автоматизации
следует предусматривать в случаях, когда
питающие линии систем электропитания
проложены в неблагоприятных условиях
или имеются другие факторы, способствующие
возникновению в них повреждений. Действие
АВР электропитания не должно приводить
к нарушению работы систем автоматизации;
д) в схемах электропитания
систем автоматизации объектов, отнесенных
к 3 категории электроснабжения, допускается
предусматривать резервные вводы (с АВР
или ручным включением) во всех случаях,
когда на основании анализа конкретной
схемы электроснабжения объекта имеется
возможность повысить надежность питания
системы автоматизации.
В случаях, когда на объекте
выделены агрегаты или установки, отнесенные
в системе электроснабжения к потребителю
особой группы 1 категории, надежность
(бесперебойность) питания их систем автоматизации
должна отвечать требованиям ПУЭ, предъявляемым
к питанию потребителей особой группы
1 категории.
На разработку схем АВР (если
в них возникает необходимость) должны,
как правило, выдаваться задания подразделениям
проектирующим питающие линии. В соответствии
с требованиями резервирования и взаимным
расположением щитов (сборок) системы
электропитания и источников питания
схема питающей сети может быть следующей
конфигурации (рис. 2):2
а) радиальной с односторонним
или двухсторонним питанием;
б) радиально-магистральной
(смешанной);
в) магистральной с односторонним
или двухсторонним питанием от одного
источника или двух независимых (2.29).
Радиальные схемы следует применять
в тех случаях, когда щиты (сборки) питания
размещаются в различных направлениях
от источника питания и расстояние между
щитами больше, чем от источника до щитов.
При этом схемы с односторонним питанием
должны применяться для щитов (сборок),
допускающих питание по одной линии от
одного источника, а схемы с двухсторонним
питанием - при необходимости питания
щитов (сборок) от двух независимых источников.
Магистральные схемы следует
применять для электроснабжения группы
щитов (сборок), допускающих перерыв в
питании. Питание по магистральным схемам
от двух независимых источников должно
применяться для щитов (сборок), которые
необходимо питать по двум линиям от двух
независимых источников.
Схема распределительной сети
должна, как правило, строиться по радиальному
принципу: каждый электроприемник присоединяется
к щиту или сборке питания отдельной радиальной
линией.
Питание приборов, аппаратов
и средств автоматизации параллельных
технологических потоков должно, как правило,
осуществляться по отдельным питающим
линиям от распределительных щитов (источников
питания) системы электроснабжения указанных
технологических потоков.
При проектировании систем
электропитания во всех случаях следует
стремиться применять типовые блоки и
сборки питания, серийно выпускаемые промышленностью.
2. Обзор структурных схем вторичного
электропитания
Импульсные или ключевые, источники электропитания
в настоящее время получили распространение
не меньше, чем линейные стабилизаторы
напряжения. Их основными достоинствами
являются: высокий коэффициент полезного
действия, малые габариты и масса, высокая
удельная мощность. Это стало возможным
благодаря применению ключевого режима
работы силовых элементов. В ключевом
режиме рабочая точка большую часть времени
находится в области насыщения или области
отсечки ВАХ, а зону активного (линейного) режима
проходит с высокой скоростью за очень
малое время переключения. В состоянии
насыщения напряжение на транзисторе
близко к нулю, а в режиме отсечки отсутствует
ток, благодаря чему потери в транзисторе
оказываются достаточно малыми. Поэтому
средняя за период коммутации мощность,
рассеиваемая в ключевом транзисторе,
оказывается намного меньше, чем в линейных
регуляторах. Малые потери в силовых ключах
приводят к уменьшению или полному исключению
радиаторов.
Улучшение массогабаритных характеристик
источников питания обусловлено, прежде
всего, тем, что из схемы источника питания
исключается силовой трансформатор, работающей
на частоте 50 Гц. Вместо него в схему вводится
высокочастотный трансформатор или дроссель,
габариты и масса которого намного меньше
низкочастотного силового трансформатора.
К недостаткам импульсных источников
электропитания относятся: сложность
схемы, наличие высокочастотных шумов
и помех, увеличение пульсаций выходного
напряжения, большое время выхода на рабочий
режим. Сравнительные характеристики
обычных (т.е. с низкочастотным силовым
трансформатором) и импульсных источников
питания приведены в таблице 1.3
Сравнение этих характеристик показывает,
что КПД импульсных источников питания
увеличивается по сравнению с обычными
(линейными) в отношении 1:2, а удельная
мощность в отношении 1:4. При повышении
частоты преобразования с 20 кГц до 200 кГц
удельная мощность возрастает в соотношении
1:8, т.е. почти в два раза. Импульсные источники
питания имеют также большее время удержания
выходного напряжения при внезапном отключении
сети.
Это обусловлено тем, что в сетевом выпрямителе
импульсного источника используются конденсаторы
большой емкости и с высоким рабочим напряжением
(до 400 В). При этом размеры конденсаторы
растут пропорционально произведению
CU, а энергия конденсатора пропорционально CU2. Этой энергии конденсатора достаточно
для поддержания в рабочем состоянии источника
питания в течении примерно 30 мс, что очень
важно для сохранения информации в компьютерах
при внезапном отключении питания.
Таблица 1 – Сравнение импульсных и линейных
источников
Характеристика |
Импульсный |
Линейный |
КПД, % |
70…80 |
30…50 |
Удельная мощность, Вт/дм3 |
140…200 |
30…40 |
Время удержания выходного напряжения,
мс |
20…30 |
2…3 |
Нестабильность по напряжению, % |
0,05…0,1 |
0,01…0,1 |
Нестабильность по току, % |
0,1…0,5 |
0,02…0,1 |
Напряжение пульсаций, мВ |
20…50 |
2…5 |
Время нарастания переходной характеристики,
мкс |
100…500 |
20…50 |
В то же время пульсации выходного напряжения
в импульсных источниках питания больше,
чем у линейных, что обусловлено сложностью
подавления коротких импульсов при работе
импульсного преобразователя. Другие
характеристики у этих источников практически
совпадают.
При всем разнообразии структурных схем
рисунки 1…8 обязательным является наличие силового
каскада, осуществляющего преобразование
постоянного напряжения в другое постоянное,
условно будем считать, что импульсные
преобразователи реализуют функцию электрической
изоляции (гальванической развязки) входных
и выходных цепей, а импульсные стабилизаторы
нет. Функциональное назначение силовых
каскадов преобразователей и стабилизаторов
одинаково.
Широкое распространение получили ИВЭП
компенсационного типа, выполненного
с обратной связью рисунок 1, Силовой каскад
3,на управляющий вход которого подается
последовательность импульсов с определенными
временными параметрами, осуществляет
импульсное преобразование напряжения
постоянного тока от первичного источника
Еп в выходное напряжение Uн (утолщенными
линиями показаны силовые цепи ИВЭП).
В общем случае выходных цепей с напряжениями
Uн у одного ИВЭП может быть несколько.
Усилитель импульсов 2 может выполнять
не только функцию усиления управляющих
импульсов по мощности для транзисторов
3, но и функции формирования импульсов:
осуществляет временное разделение импульсов,
например, для двухтактных преобразователей
напряжения формирует короткие управляющие
импульсы для схем 3 с трансформаторами
тока или специальными типами силовых
транзисторов и др..
Рисунок 1 - Структурная схема импульсного
компенсационного ИВЭП
Импульсы, синхронизирующие работу ИВЭП,
вырабатываются модулятором 1. Выходное
напряжение постоянного тока Uн подается
на вход схемы сравнения 4, где сравнивается
с опорным напряжением Uоп. Сигнал рассогласования
(ошибки) поступает на вход модулятора,
который задает временные параметры синхронизирующих
импульсов. Увеличение или уменьшение
напряжения Uн приводит к изменению сигнала
рассогласования на выходе 4 и временных
параметров синхронизирующих импульсов
на входе 1, что вызывает восстановление прежнего
значения напряжения Uн, т.е. его стабилизацию.
Таким образом, ИВЭП, выполненный по схеме
рисунка 1 является стабилизирующим импульсным
преобразователем напряжения компенсационного
типа, поддерживающим неизменность выходного
напряжения при изменениях выходного
тока Iн, входного напряжения Еп, температуры
окружающей среды и воздействия других
дестабилизирующих факторов.
Рассмотрим ИВЭП с инвариантной (называемой
иногда параметрической ) стабилизацией
выходного напряжения на рисунке 2 .