УДК 621.311.6:621.396.6
ББК 31.264.5
Ре ц е н з е н ты: доктор техн. наук, профессор В. Г. Карташевский;
канд. техн. наук В. А. Якушев
Ав т о ры: В. М. Бушуев, В. А. Деминский, Л. Ф. Захаров,
Ю. Д. Козляев, М. Ф. Колканов
Э45 Электропитание устройств и систем телекоммуникаций:
Учебное пособие для вузов / В. М. Бушуев, В. А. Деминский,
Л. Ф. Захаров и др.— М.: Горячая линия—Телеком, 2011. — 384 с.:
ил.
ISBN 978-5-9912-0077-6.
Рассмотрены вопросы организации электроснабжения предприятий телекоммуникаций
и его резервирования. Приведены основные сведения по элементной базе
устройств электропитания с учетом последних достижений и тенденций ее развития.
Большое внимание при изложении материала уделено принципам управления
и физическим процессам в современных высокочастотных устройствах преобразования
электрической энергии. Рассмотрены принципы построения и основные
характеристики как самих цифровых преобразовательных устройств, так и систем
электропитания телекоммуникационной аппаратуры, выполненных на базе этих
устройств. Рассмотрены вопросы организации мониторинга и управления в системах
бесперебойного электропитания, а также вопросы надежности этих систем.
Для студентов вузов, изучающих курс электропитание устройств и систем телекоммуникаций,
аспирантов и специалистов в области силовой преобразовательной
техники и источников электропитания.
ББК 31.264.5
Учебное издание
Бушуев Владимир Михайлович, Деминский Владислав Александрович,
Захаров Леонид Фёдорович, Козляев Юрий Дмитриевич,
Колканов Михаил Фёдорович
Электропитание устройств и систем телекоммуникаций
Учебное пособие
Редактор Ю. Н. Чернышов
Художник В. Г. Ситников
Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышова
Подписано в печать 30.10.08. Формат 60×90 1/16. Усл.-печ. л. 27. Тираж 2000 экз. (1-й
зав. 1000 экз.). Изд. № 8077.
ISBN 978-5-9912-0077-6
c
Л. Ф. Захаров, Ю. Д. Козляев, М. Ф. Колканов, 2011
⃝ Оформление издательства «Горячая линия—Телеком», 2011
⃝ В. М. Бушуев, В. А. Деминский,
c
Стр.2
Предисловие
Источники электропитания, являясь неотъемлимой частью любой
инфокоммуникационной системы и любого телекоммуникационного
устройства, во многом определяют надежность их функционирования
и другие технико-экономические показатели. Развитие средств
связи, широкое внедрение компьютерных технологий невозможно
без создания высокоэффективных источников электропитания, удовлетворяющих
требованиям современных интеллектуальных сетей связи.
Переход от низкочастотных технологий преобразования электрической
энергии к высокочастотным, широкое применение активной
коррекции коэффициента мощности, внедрение модульного принципа
построения устройств и систем электропитания, переход на цифровые
методы управления устройствами и системами электропитания, широкое
применение мониторинга с удаленного центра управления для
контроля за работой отдельных устройств и электроустановок в целом.
Вот далеко не полный перечень того, что отличает современные
системы электропитания от ранее разработанных и широко применяющихся
до настоящего времени.
Разработка и эксплуатация современных устройств и систем
электропитания невозможна без изучения и понимания физических
процессов, происходящих в них при различных состояниях системы,
и методов предупредительного обнаружения неисправностей. Это, в
свою очередь, требует глубокого знания основ силовой электроники
и умения ориентироваться в ее современных тенденциях, принципах
проектирования самих устройств, систем электропитания и систем
контроля и управления системами.
При подготовке учебника авторы основное внимание уделяли рассмотрению
физических процессов в изучаемых устройствах, тенденций
их дальнейшего развития и их взаимодействия в современных
системах электропитания.
Главы 1 и 9 написаны доц. В.М. Бушуевым; главы 4 и 10 — доц.
В.А. Деминским; глава 5 и раздел 2.3 — доц. Л.Ф. Захаровым; главы
3, 7 и раздел 2.1 — проф. Ю.Д. Козляевым; главы 6, 8 и разделы 1.6
и 2.2 — доц. М.Ф. Колкановым.
Стр.3
Введение
Бурное развитие средств связи, широкое внедрение цифровых методов
обработки информации, все увеличивающийся объем передаваемой
и обрабатываемой информации предъявляют все более жесткие
требования к надежности бесперебойной подачи к аппаратуре телекоммуникаций
электрической энергии необходимого качества. Работоспособность
любой аппаратуры телекоммуникаций возможна только
при условии нормального функционирования систем и устройств
электропитания. Широко и успешно применявшиеся в системах электропитания
в последние два десятилетия XX века низкочастотные тиристорные
выпрямительные устройства в настоящее время повсеместно
вытесняются высокочастотными выпрямительными устройствами
с бестрансформаторным входом. Поскольку первые не отвечают требованиям
современной аппаратуры телекоммуникаций не только по
энергетическим и массо-габаритным показателям, но и по динамическим
характеристикам, а также по уровню помех, вносимых ими в
питающую сеть переменного тока. Применение новых типов мощных
высоковольтных полевых транзисторов (MOSFET и IGBT), диодов,
конденсаторов и магнитных материалов позволяет осуществлять преобразование
энергии в устройствах электропитания (в выпрямителях,
инверторах, импульсных стабилизаторах) на частотах в сотни килогерц.
Повышение частоты преобразования с одновременным отказом
от методов «жесткой коммутации» транзисторов, широко применяюшихся
до настоящего времени при широтно-импульсном управлении
этими транзисторами, и переходом к методам «мягкой коммутации»
или частотно-импульсным способам управления транзисторами,
а также применение технологии поверхностного монтажа позволяют
существенно повысить КПД и удельную мощность (мощность на единицу
объема или массы) устройств электропитания. Кроме того, применяющиеся
для аналоговой аппаратуры связи устройства преобразования
энергии, входящие в состав систем электропитания, не приспособлены
к требованиям современных систем связи в части контроля,
мониторинга и программного управления с центра технической эксплуатации,
что затрудняет переход на интеллектуальные сети связи.
Поэтому в настоящее время в практике электропитания широко внедряются
процессорный мониторинг и управление не только режимами
Стр.4
Введение
5
работы устройств в системах электропитания, но и процессорное управление
их работой. B частности, отечественная промышленность
начала выпуск так называемых цифровых выпрямителей и инверторов
с синусоидальной формой кривой выходного напряжения.
Применение модульного принципа построения систем электропитания
с горячим резервированием устройств, выполненных в соответствии
с выше упомянутыми принципами, и децентрализация самих
систем электропитания требуют новых подходов к их изучению
и проектированию.
Основное внимание при изложении материала учебника уделялось
физическим принципам работы устройств преобразования энергии,
входящих в состав современных источников и систем электропитания
устройств телекоммуникаций. Рассмотрены тенденции дальнейшего
развития устройств и систем электропитания аппаратуры
связи.
Книга предназначена для студентов, обучающихся по направлению
210400 «Телекоммуникации», а также аспирантов и специалистов
в области силовой преобразовательной техники и источников электропитания
широкого применения.
Стр.5
Оглавление
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Список сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 1.Источники электроснабжения предприятий связи.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1. Понятия об энергосистемах и электрических сетях . . . .
1.2. Классификация предприятий связи по надежности
электроснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
6
7
7
9
1.3. Качество электроэнергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4. Заземление оборудования электроустановки и меры
защиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5. Трансформаторные подстанции. Автоматическое резервирование
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6. Аккумуляторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.6.1. Свинцово-кислотные аккумуляторы . . . . . . . . . . . . . . 26
1.6.2. Щелочные аккумуляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.7. Собственные электростанции с двигателями внутреннего
сгорания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.8. Преобразователи различных видов энергии в электрическую
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.8.1. Термоэлектрические генераторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.8.2. Электрогенераторы с фотоэлементами (солнечными
батареями) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.8.3. Электростанция с применением паротурбогенераторов
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
Глава 2.Электрические компоненты устройств электропитания
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.1. Полупроводниковые приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.1.1. Полупроводниковые диоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.1.2. Тиристоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.1.3. Биполярные транзисторы в режиме переключения 64
2.1.4. Полевые транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.1.6. Комбинированные транзисторные ключи . . . . . . . . . 76
2.1.7. Элементы цепей управления МОП транзисторов и
защиты от перенапряжения транзисторных ключей 79
2.1.8. Тепловая модель полупроводникового прибора . . . 84
2.2. Электромагнитные устройства электропитания . . . . . . .
85
2.2.1. Электрические реакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.2.2. Трансформаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Стр.368
Оглавление
369
2.3. Конденсаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
2.3.1. Параметры конденсаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
2.3.2. Основные типы конденсаторов постоянной емкости
и особенности их применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Глава 3.Выпрямительные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.1. Режимы работы и основные параметры ВУ . . . . . . . . . . . 125
3.2. Работа идеальных неуправляемых выпрямителей на нагрузку
индуктивного характера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.2.1. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.2.2. Однофазная мостовая схема выпрямления . . . . . . . 136
3.2.3. Трехфазная однотактная схема выпрямления . . . . 139
3.2.4. Трехфазная мостовая схема выпрямления . . . . . . . . 142
3.2.5. Каскадные схемы выпрямления . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3.3. Работа реальных неуправляемых выпрямителей на нагрузку
индуктивного характера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
3.4. Управляемые выпрямители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.4.1. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.4.2. Однофазные мостовые схемы выпрямления . . . . . . 156
3.4.3. Трехфазная мостовая схема выпрямления . . . . . . . . 159
3.5. Элементы схем управления тиристорных выпрямителей 162
3.6. Работа выпрямителя на емкостную нагрузку . . . . . . . . . . 164
Глава 4.Сглаживающие фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
4.1. Сгаживающие RC-фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
4.2. Сглаживающие LC-фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.3. Переходные процессы в сглаживающих LC-фильтрах . 179
4.4. Расчет LC сглаживающих фильтров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
Глава 5.Стабилизаторы напряжения и тока. . . . . . . . . . . . . . . 188
5.1. Общая классификация и основные параметры стабилизаторов
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
5.2. Параметрические стабилизаторы напряжения и тока . . 191
5.3. Компенсационные стабилизаторы напряжения постоянного
тока с непрерывным регулированием . . . . . . . . . . . . . 198
Глава 6.Преобразователи напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
6.1. Однотактные ППН с непосредственной связью . . . . . . . . 218
6.2. Однотактные ПН с гальванической развязкой . . . . . . . . . 233
6.3. Двухтактные преобразователи напряжения постоянного
тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Глава 7.Инверторы напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
Стр.369
370
Оглавление
7.1. Принципы построения инверторов. Инверторы с прямоугольной
формой выходного напряжения . . . . . . . . . . . . . . 253
7.1.1. Рабочие процессы в типовых схемах однофазных
ИН . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
7.1.2. Анализ кривой выходного напряжения инверторов 263
7.2. Инверторы напряжения со ступенчатой формой кривой
выходного напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
7.3. Инверторы с синусоидальной формой выходного напряжения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
7.4. Инверторы напряжения с самовозбуждением . . . . . . . . . . 269
Глава 8.Выпрямительные устройства с бестрансформаторным
входом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
8.1. Структурные схемы выпрямительных устройств с бестрансформаторным
входом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
8.2. Входной помехоподавляющий фильтр . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
8.3. Сетевой выпрямитель и входной сглаживающий фильтр 277
8.4. Коррекция коэффициента мощности в ВБВ . . . . . . . . . . . 284
8.5. Регулируемый ПН . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
8.6. Функциональные схемы ВБВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Глава 9.Электропитание телекоммутационной аппаратуры
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
9.1. Системы электропитания аппаратуры связи . . . . . . . . . . . 302
9.1.1. Электроустановки предприятий связи . . . . . . . . . . . . 302
9.1.2. Классификация установок электропитания и технические
требования к их оборудованию . . . . . . . . . 304
9.1.3. Электропитающая установка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
9.1.4. Системы бесперебойного электропитания постоянного
тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
9.1.5. Системы электропитания переменного тока . . . . . . 320
9.1.6. Комбинированные системы бесперебойного
питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
9.1.7. Расчет и выбор оборудования установок бесперебойного
электропитания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
9.2. Электропитание аппаратуры необслуживаемых усилительных
и регенерационных пунктов кабельных линий
связи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
9.2.1. Принципы организации дистанционного электропитания
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
9.2.2. Принципы построения электропитания аппаратуры
необслуживаемых регенерационных пунктов
волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) . . 342
Стр.370
Оглавление
371
9.3. Система контроля и управления оборудованием электроустановок.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
9.3.1. Основные положения системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
9.3.2. Структура системы контроля и управления . . . . . . 348
Глава 10. Надежность устройств и систем электропитания
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
10.1. Основы теории надежности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
10.2. Аккумуляторная батарея как резервный элемент системы
электропитания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
Стр.371