Фриман Р.Л. Волоконно-оптические системы связи

Подождите немного. Документ загружается.

ch ba L



 (13.2)

где

- ток батареи. Эти токи показаны на рис. 13.4. Другой параметр,

который должен быть рассмотрен, — время перезарядки Т

, выраженное в

часах. Средний ток, требуемый для перезарядки батареи можно выразить

следующим образом:

Рис. 13.4. Упрощенная схема, показывающая зарядное устройство, токи, ба-

тарею и нагрузку.



Комбинируя последние два уравнения, получаем:

ch L





Объединяя далее полученное выражение с выражением (13.1), получим

ch L







Энергия, требуемая для перезарядки батарей представлена членом



Lr ch

TT , при условии, что батарея имеет 100% эффективности. Однако

часть энергии необходима для компенсации химических и тепловых потерь;

обычно на это требуется 10%. Следовательно,

1,1

ch L











или

1,1



Используя это выражение, можно определить ток I

. Ток I

называемый иногда бюджетом мощности, обычно задается. Резервное

время и время перезарядки являются проектными параметрами и должны

быть определены.

Стандартные, с номинальным напряжением в 2 В, свинцово-кислотные

элементы считаются полностью разряженными, когда напряжение элемента

падает до 1,75 В при температуре 25°С. Это напряжение называется

конечным напряжением и используется в качестве стандартного в

промышленности. Однако некоторые системные проектировщики

используют и более консервативное значение конечного напряжения в 1,84

В. Конечное напряжение считается действующим при 8-часовой скорости

разряда (резервное время — 8 часов).

Для того, чтобы иметь возможность сопоставить емкость при

резервном времени в 8 часов с другими подобными емкостями, приведена

табл. 13.1. Она демонстрирует новый аспект в определении требуемой

емкости батареи.

Таблица 13.1

Таблица преобразования емкости для подобранного резервного времени к

другим емкостям.

Рейтинг (час)

Емкость на положительную

пластину (А-час), при

конечном напряжении 1,75В

Емкость (%)

24 75 125

12 66 НО

8 60 100

6 55 91

4 50 83

2 40 66

Источник. [13.2], табл. 34-1, с. 3091.

Размеры батареи (т.е. требуемая емкость в А-час) определяется в

терминах одной положительной пластины. Общий рейтинг элемента

определяется путем умножения рейтинга одной пластины на число пластин в

элементе. Следует иметь ввиду, что всегда существует на одну

отрицательную пластину больше числа положительных пластин в элементе.

При спецификации установки батарей/зарядных устройств используют-

ся термины, приведенные в табл. 13.2. Эта таблица показывает термины с

примерами значений, полученных для 48 В (DC) установки. Термины при-

ведены в порядке убывания эквивалентного напряжения.

Таблица 13.2

Термины, используемые при спецификации установок батарей/ зарядных

устройств.

Термин Напряжение на 1

элемент

Напряжение на 24

элементах

Выравнивающий

2,30 55,20

Плавающий

б)

2,17 52,08

АС нет (нагрузка не подключена)

в)

2,05 49,20

АС нет, начальная полная нагрузка

г)

1,97 47,28

АС нет, средняя полная нагрузка

д)

1,92 46,08

АС нет, конечная полная нагрузка

е)

1,75 42,00

а)

Выравнивающее напряжение значительно выше, чем 2,05 В (DC) на

1 элемент и применяется относительно короткий период времени.

б)

Плавающие условия допускают медленный заряд, используя

напряжение достаточно высокое для преодоления внутреннего

сопротивления элемента. Следовательно, зарядное напряжение должно быть

на десятые доли выше, чем 2,05 В (DC) на элемент.

в)

Полностью заряженная свинцово-кислотная батарея без нагрузки

имеет разность потенциалов между отрицательной и положительной

пластинами элемента 2,05 В. Относительная плотность электролита батареи

будет 1,215. Некоторые батареи в таких устройствах используют

высокоплотные электролиты, для которых плотность в полностью

заряженном состоянии составляет 1,300.

г)

Напряжение при начальной полной нагрузке равно 2,05 В (DC) -

intL

R , где

int

— внутреннее сопротивление элемента в Омах.

д)

Напряжение при средней рабочей нагрузке, которое может ожидаться

тогда, когда элемент «на полпути» между полным зарядом и конечным

напряжением. При этом предполагается постоянная скорость разряда.

е)

Конечное напряжение - стандартный параметр.

Источник. [13.2], табл. 34-2, с. 3091.

При выборе размеров батареи и зарядного устройства проектировщик

должен быть уверен, что представленная нагрузка сможет выдержать обыч-

ные изменения входного напряжения (DC) ±10%. Эти значения должны быть

проверены по спецификации на оборудование, которое является рас-

сматриваемой нагрузкой.

Предположим, что имеем блок питания 48 В (DC). Тогда наибольшее

напряжение будет 52,8 В, а наименьшее - 43,2 В. Если заряд выравнивания

был 55,2 В (DC), см. табл. 13.2, тогда на выравнивание зарядное устройство

использовало бы регулирующий элемент Cemf с противо-ЭДС, показанный

на рис. 13.1. Падение напряжения на этом элементе должно быть равно 2,4 В

(55,2 - 52,8 = 2,4). В конструкции такого элемента должно быть предус-

мотрено его отключение при отказе основного питания переменного тока, так

чтобы нагрузка получила полное напряжение батареи. Этот элемент также

должен выдерживать полную токовую нагрузку.

Эту концепцию иллюстрирует следующий пример:

Пример.

Регенератор радиолинии, 48 В (DC)

8 групп приемопередатчиков 20 А

2 блока служебной связи 1

1 блок сигналов аварийного состояния 1

Мачтовые огни, проблесковые огни 10

Внутреннее освещение 3,5

Нагрев и вентиляция 14,5

Итого: 50 А

Пункт не посещаемый и достаточно изолированный. Резервное время

равно 12 часам.

= 50 A, T

= 12 ч., Т

= 48 ч.,

= 50 (1 + 1,1012/48) = 63,75 А (рейтинг зарядного устройства)

Батарея: 48 В (DC) или 24 элемента.

Конечное напряжение элемента: 1,75 В (DC).

Из рис. 13.5 (ниже) получаем (как проекцию точки пересечения прямой

с параметром 12 ч и кривой с параметром 1,75 FV) ток 5,5 А на каждую поло-

жительную пластину.

Число положительных пластин: 50/5,5 = 9,9, округляемое до 10.

Число отрицательных пластин: 10 + 1 = 11.

Общее число пластин на элемент: 21.

На рис. 13.5 приведены семейства кривых, используемых для определе-

ния количества ампер, приходящихся на одну положительную пластину ти-

пичной батареи. Эта информация важна при определении размера новой

батареи при установке UPS.

Рис. 13.5. Кривые для определения количества ампер на положительную пла-

стину. Здесь FV - конечное значение напряжения элемента в вольтах, (h —

ч) (С разрешения компании Warren G-V Communications, [13.2], рис. 34-3, с.

3093.)

13.3.2. Указания по использованию вторичных элементов

Вторичные элементы, соединенные вместе, составляют батарею. Она

называется стационарной батареей. Существует два типа стационарных

батарей, широко используемых в индустрии телекоммуникаций: одна —

свинцово-кислотная электрохимическая пара, вторая — никель-кадмиевая

электрохимическая пара.

Можно сказать, что свинцово-кислотные батареи менее дорогие (по на-

чальным затратам), чем никель-кадмиевые. Однако начальные капитальные

затраты могут быть только одной из составляющих затрат во многих приме-

нениях, так как никель-кадмиевые батареи имеют больший срок службы,

большую жесткость конструкции и меньше затрат на обслуживание. Мень-

шая стоимость может быть перекрыта требованиями приобретения допол-

нительных батарей для получения необходимого напряжения.

Существуют три типа конструкций, используемых для стационарных

свинцово-кислотных батарей с положительными пластинами: Форе (Faure),

Планта (Plante) и многополостная (multitubular). Отрицательные пластины

рассматриваемой батареи относительно мало изменились и фактически все

производители используют стандартизованную конструкцию Форе для от-

рицательных пластин.

Пластины Форе (или пастированные пластины) имеют два варианта:

свинцово-сурьмянистые и свинцово-кальциевые. В любом из вариантов

сплав свинца с сурьмой или кальцием наносится в виде пасты (пастируется)

на плоскую свинцовую сетку. Преимущество свинцово-сурьмянистого

варианта в возможности поддерживать длинный и частый разряд с

минимальными структурными изменениями. Его недостатком является

требование более частой доливки воды при старении элементов. Версия

свинец-кальций требует небольшой добавки воды в процессе эксплуатации,

однако частый разряд батарей может вызвать структурный рост,

способствующий сокращению срока службы батарей.

Стационарные никель-кадмиевые батареи обычно конструируются с

пластинами в миниатюрном (карманном) варианте. Другая конструкция ис-

пользует спеченные пластины, она нежелательна тем, что имеет эффект

«памяти», описанный ниже.

Свинцово-кислотная электрохимическая пара имеет номинальное

напряжение 2 В, тогда как никель-кадмиевая - номинальное напряжение 1,2

В. Поэтому при формировании батареи на нужное напряжение потребуется

больше никель-кадмиевых элементов, чем свинцово-кислотных.

Число элементов батареи для конкретной системы является фактором

адаптации, позволяющим удовлетворить требуемому уровню напряжения

заряда и напряжению в конце разрядного периода (окно напряжений). Наи-

более часто встречающиеся в эксплуатации системы и число используемых в

них элементов приведены в табл. 13.3.

Таблица 13.3

Число элементов для получения требуемого напряжения.

Номинальное напряжение батареи 120 48 32 24 12

Число свинцово-кислотных

элементов 60 24 16 12 6

Число никель-кадмиевых

элементов 92 37 24 19 10

Напряжение выравнивания/

перезарядки 143 58 38 30 15,5

Плавающее напряжение 129 51 34 26 13

Конечное напряжение

105 42 27 21 10,5

Окно напряжений 143-105 58-42 38-27 30-21 15,5-10,5

а)

Конечное напряжение - это предел, накладываемый производителем

электрического оборудования, которое запитывается от источника. Однако,

как следует из эмпирического правила, свинцово-кислотная батарей не

должна разряжаться ниже 75% от своего номинального напряжения (1,5 В на

элемент), тогда как никель-кадмиевые батареи на должны разряжаться ниже

50% своего номинального напряжения, т.е. 0,6 В. Для избежания глубокого

разряда, большинство систем батарейного питания имеют реле напряжения,

которое автоматически отключает систему при достижении конечного

напряжения.

Замечание. Не исключен вариант изменения числа элементов для некоторых

применений.

13.3.3. Перезарядка/выравнивание заряда

В свинцово-кислотных батареях, даже если батареи не разряжены,

напряжение отдельных элементов начинает дрейфовать в сторону от

номинала и после 60-90 дней элементы с низким напряжением требуют

восстановления до состояния полной зарядки путем увеличения (на 25-30

часов) зарядного напряжения примерно на 10%. Этот процесс называется

выравниванием батареи. Никель-кадмиевые батареи имеют меньший

саморазряд, в результате, если никель-кадмиевые батареи не разряжаются за

счет действия внешней нагрузки, они остаются полностью заряженными на

многие годы с напряжением 1,2 В на элемент. Поэтому никель-кадмиевые

элементы не нуждаются в выравнивании.

Однако, никель-кадмиевые батареи нуждаются в режиме заряда с двой-

ной скоростью для плавающего/выравнивающего зарядного устройства ба-

тареи.

Как свинцово-кислотная, так и никель-кадмиевая батареи требуют ис-

пользовать примерно на 10% более высокое напряжение, для того чтобы

восстановить разряженную батарею до полностью заряженного состояния.

Резервные батареи обычно применяются при плавающем напряжении,

когда эти батареи, зарядные устройства и нагрузка соединены параллельно

(см. рис. 13.6). Мощность зарядного оборудования выбирается так, чтобы

обеспечить ту мощность, которая требуется для относительно стабильных

нагрузок (таких, как индикаторные лампы, катушки удержания реле), не-

больших периодически меняющихся нагрузок плюс достаточно дополни-

тельной мощности для сохранения полного заряда батарей. Сильно меняю-

щиеся нагрузки будут отбирать мощность у батареи, мощность батарей будет

восстанавливаться зарядным устройством в моменты, когда эта меняющаяся

нагрузка прекращается.

Когда переменный ток, питающий систему, отключается, батареи мгно-

венно воспринимают все подключенную нагрузку. Если батарея и зарядное

устройство определенным образом согласованы с нагрузкой и друг с другом,

то не возникает видимых падений напряжения при возвращении системы к

работе только от батарей.

Рис. 13.6. «Плавающая» диаграмма батареи.

Когда непредвиденная нагрузка на систему заканчивается и зарядная

мощность восстанавливается, зарядное устройство доставляет больше тока,

чем если бы батареи были полностью заряжены. Мощность зарядного уст-

ройства должна быть выбрана так, чтобы быть уверенным, что оно сможет

обслужить нагрузку и восстановить полный заряд батареи в приемлемое

время. Увеличенный ток, доставляемый зарядным устройством во время

восстановления батареи, будет уменьшен, как только батарея приблизится к

состоянию полного заряда. Управление зарядным устройством будет поддер-

живать плавающее напряжение батареи на предписанном уровне, когда

батарея будет полностью заряжена.

Односкоростное плавающее зарядное устройство будет адекватно под-

держивать полностью заряженную никель-кадмиевую батарею до тех пор,

пока она не разрядится под действием внешней нагрузки. Однако, с тех пор,

как она разрядится, она не перезарядится до напряжения большего 85% от

плавающего напряжения, независимо от того, какой емкостью обладает за-

рядное устройство. С каждым последующей перезарядкой никель-кадмиевая

батарея в такой зарядной цепи может продолжать терять емкость. Это

явление называют эффектом «памяти». В простейшем случае это результат

неадекватной перезарядки любой батареи. Это наблюдается даже в свинцово-

кислотных батареях. Однако, до того, как потери емкости будут замечены,

свинцово-кислотная батарея выйдет из строя за счет сульфатизации по-

ложительных пластин, что происходит очень быстро в результате

недозарядки свинцово-кислотных батарей.

Рис. 13.7. Типичная схема резервных цепей зарядного устройства.

Зарядный выпрямитель или батарейное зарядное устройство — очень

важная часть систем резервного питания и нужно обращать внимание на

резервирование самих зарядных устройств в ответственных ситуациях. На

рис. 13.7 показана концепция такого резервирования, которое может

существенно улучшить надежность устройства в целом, увеличивая, тем

самым, доступность системы. Общая формула для выбора емкости (размера)

такого батарейного зарядного устройства (БЗУ) для системы инвертора

такова:

БЗУ (А) = выход инвертора (ВА)

 100/напряжение входа 

 эффективность преобразования) + 1,15

 емкость батареи (А ч) / желаемое время перезарядки.

Выход батарейного зарядного устройства должен быть пересчитан с