通信电力与电磁环境第一章 绪论.ppt

第一章 绪论 通信电力与电磁环境 通信电力 通信电源的基本原理 智能型电源 通信的整个供电系统的自动监控系统 黄小军老师 电磁环境 无线资源频谱分配 基站共站 无线网络优化 电磁频谱兼容等 李书芳老师 现代社会各方面都离不开现代化的通信 而不论是各种交换机 光通信设备 无线通信 Internet网等通信设备 一刻都离不开电 通信电源是确保通信系统正常运行的关键设备 常称为是通信系统的 心脏 任何一种形式的电通信 都应该有以下三部分组成 通信设备 通信线路 传输线路 电缆 光纤 通信电源 在通信过程中提供电能的设备 通信电源的重要性 稳定 不间断 精确的供电对于稳定正常的通信非常重要 如果通信电源或供电系统发生故障 就会给现代通信造成非常严重的影响 比如 1 通信局的电源系统供电发生间断如果电话交换机出现即使是极短暂的瞬间停电 此交换机所连接的所有正在通话电话将全部 挂断 紧接下来的是谁都要反复不止地重新拨号呼叫 使话务量过大 交换机远远超载而阻塞 这种状态无法自然恢复 要在总技术负责人指挥下 分片逐步接入 要完全接通电路一般都需要半天的时间 给各行各业带来很大的损失 同时在电话不通的时间里 火警 匪警 医疗急救等信息全部中断 扩大社会混乱和损失 所以是一个极为重大的事故 电话局的交换机采用直流供电 其主要原因是获得最大的可靠性 最大可能地保证不间断 数据通信2 计算机系统电源供电发生间断现代通信设备和系统中极为普遍地应用大 小计算机技术 即使电源瞬间停电 也会对计算机带来可恢复和不可恢复的损害 未保存的信息会丢失 正在执行的程序会出错 甚至某些程序会被破坏 即使是普通的个人计算机 在突然停电后再开机 也要进行较长时间的扫描各区的硬盘程序 纠错等操作 才能恢复正常运行 对大型计算机来说情况复杂 恢复更困难 例如 大型计算机的硬盘 是一称为硬盘机的独立的设备 其读数的磁头与硬盘之间不允许直接接触 要有一薄层微米数量级的空气层隔开 这薄层空气层是由交流电动机带动的高压气泵产生的高速气流随时吹进去的 一旦交流市电停电 高压气泵停止运行 磁头与硬盘间因失去空气层而直接接触 磁头会将硬盘刮坏 机器损坏 程序 数据丢失 损失严重 电源技术是一个实用性很强的技术 应用非常广泛 各种电子芯片的供电 各种通信网络的供电 自动监控系统的供电 计算机的电源 电视的电源 各种家电的电源等等 通过学习电源的最新技术 高频开关电源原理 软开关技术 功率因数校正技术和数字控制技术等 对搞网络系统和硬件开发者来说是很重要的 对各行各业的数据存储中心来说 电源技术更是其基本要求 通过学习 通信电源与环境的自动监控系统 的基本知识 对自控领域就有全面的了解 计算机 12V驱动硬盘 5V给主板供电 夜晶显示器供电5V 无论你将来从事什么行业 电源知识是一个基本常识 在这16学时里 我会将电源的基本知识使用浅显易懂的方式教给大家 使大家对电源知识有一个系统的了解 通信设备对通信电源的要求 随着通信技术的飞速发展 复杂的通信设备和通信系统对 通信电源 在多方面提出了更高的要求 1 多种直流供电现代通信设备普遍是电子电路和计算机电路组成 所以一些现代通信设备需要多种直流电压供电 5V12V24V48V等 3 不间断供电对通信设备来说 不间断供电极为重要 又分为交流不间断供电和直流不间断供电 在直流供电系统中 由蓄电池来保证直流不间断供电 由UPS 交流不间断系统 来保证交流不间断供电 3 要求电源供给的直流电压准确 稳定对于要求不高的一般数字电路为5V 0 25V 而对于12位AD变换器 若要保证其分辨率 其基准电压必须有2 10 4的精确度 对于保证不停电的蓄电池的长期浮充电压通常为 2 23V 0 02V 只 否则价格很贵的蓄电池的寿命缩短 4 电压杂音小对通信的干扰小 例如 语音通信时的噪声小 图像通信时的条纹干扰小 数字通信时影响的误码率小等 2 直流供电和交流供电一个电力电子设备可设有内部电源 整流 变换等 可以变换 通常大型通信设备和大型计算机等专用设备用直流供电 考虑的是可靠性最高 而一些小型通用型设备用交流供电 取其机动性好 比如个人计算机 虽然其内部的电路芯片需要直流供电 但在它内部设置了整流模块和直流变换器 所以可直接对计算机进行交流供电 7 自动保护一旦出现不正常现象 如输入 输出电压或电流过大 温升过高等应立即采取切断电源等保护措施 避免故障的扩大 并要保证系统的正常供电 所以现代电源要求有自动监控功能 8 防雷防过电压雷击和电网的操作过电压是环境的偶发因素 但并非少见 而且是使设备意外损坏的重要因素 10 通信设备机房环境要求在规定的环境温度和湿度范围内能正常工作 是为了降低故障率 保证通信设备的使用寿命等 9 通信电力和环境的自动监测和集中控制可节省人力和提高供电系统的可靠性 大部分通信局 站 和区域都实现了集中监控 正在向城市集中监控方向努力 目标是全国集中监控 6 少污染不影响和提高电网供电质量 电网绿化 要求输入高功率因数 减少谐波电流 软起动减小冲击电流等 功率因数校正和有源滤波 5 高的效率从节能 减小电源设备的发热 提高可靠性 减小设备的体积与重量都为了高效率 许多电路技术 软开关技术 回能吸收等 的发展都是为了高效率 环境影响电网质量的体现 通信供电是将市电电网供电通过通信电源系统转化来的 而市电电网是暴露在室外和公用的系统 会受到雷击 过载 轻载 短路和操作等等电压聚变 电源系统和电源设备要经受这些冲击 并保证通信设备的安全 1 电涌 powersurges 电网电压有效值短期内达110 额定值以上 过压持续时间为一个周期 20ms 至数个周期 主要由电网中大型电气设备跳闸时 电感储能释放所产生 电涌 浪涌 又可作为各种过电压的广义名称 2 高压尖峰 highvoltagespikes 电压峰值可高达6000V 持续时间从0 1ms 10ms 主要由雷击 电弧放电 静态放电 大型电气设备的开关操作引起 3 暂态过电压 switchingtransients 峰值电压可高达20000V 持续时间从1 s至100 s的脉冲电压 由雷击等产生 4 电压跌落 powersage 电压有效值小于额定值的80 至85 之间的低压状态 持续1周期 20ms 至数周期 由点焊机 大型电动机起动 或大型电力变压器接入等所造成 5 噪声电压 electricallinenoise 线路上的射频干扰 RFI 和电磁干扰 EMI 由广播发射 微波辐射 大型电机电刷打火 大型断路器动作 汽车发动机的高频点火放电等引起 环境影响电网质量的体现 6 频率偏移 frequencyvariation 电网交流电频率应该为50Hz 我们把它叫做工频交流电 但实际中 电网频率有偏差 有时电网频率超过 3Hz以上 这主要由柴油发电机 水力发电机等转速不稳所引起 7 持续低压 brownout 电网电压有效值长期低于额定值 主要是由线路过载等引起 8 市电中断 powerfail 电网供电中断 持续大于两个周波至数小时 主要是电网的断路器跳闸 电网故障等引起 一 集中供电方式的通信电源系统 通信局站电源供电系统 目前世界上有三种供电方式 集中式供电 分散式供电和混合供电 3降压电力变压器 安装在变压器室 将三相10 或6 kV 50Hz交流变为三相220 380V Y形 星形 接法 有中线 并接地的 三相四线制低压电 1高压交流电 10KV低压交流电 线电压380V相电压220V 动力用电 三相三线制 线电压380V 对称用电 照明用电 三相四线制 相线对中线可引出单相220V电压 2高压开关柜 安装在高压室 对高压进线系统操作 保护和计量 4低压配电屏安装在低压室 操作 保护 计量和功率因数校正 供局站的 一般建筑负荷 用电 见图1 1中注明 c 为允许中断 其中分为 5备用发电机组通常为柴油发动机 油机 带动的三相交流发电机组 安装在油机室 当市电停电时能自动开机发电作为备用电源 对于市电可靠而功率相对较小的几个局站 为减少投资 可以合用一个车载移动电站取代固定的机组 一 集中供电方式的通信电源系统 6 市电油机转换屏可以选择有市电供电或备用发电机组 含移动电站 供电 以保证交流配电屏及 保证建筑负荷 的可靠用电 见图中注明 b 为可短时间中断 7 低压交流配电屏与各整流器组和直流配电屏并列安装在电力室 操作 保护和计量 提供向通信直流系统供电的各整流器组 交流不间断电源和通信用空调的交流保证用电 见图中注明的 b 8 整流器是将交流变为直流 AC DC 48V的大功率开关电源 多台 数台 100台 并联运行输出大电流 是保证通信机用电质量的关键 是本书的重点之一 一 集中供电方式的通信电源系统 9 直流配电屏分路 保护 计量及对小电流分路 DC DC DC AC 的操作 10 蓄电池1 4组蓄电池安装在蓄电池室 通过直流配电屏与整流器和用电设备相连 蓄电池的输出电压为直流不间断电压 图1 1注明的 a 为不间断 13 交流不间断电源 AC AC 将交流变为不间断交流 14 通信用空调通信电源供给通信设备的电功率大量消耗在通信机内 要靠空调将热量散到室外 可短时间中断 b 15 机架电源多种DC DC变换 铃流发生器 DC AC 变为25Hz交流 等 16 监控要求对系统中所有设备的主要参数都进行监控 并将数据送到程监控中心 17 接地为工作 保护和防雷所不可缺 每台设备和机房都需可靠接地 电源系统的总价值 机架电源除外 约占电信局总投资的20 一 集中供电方式的通信电源系统 11 直流变换器 DC DC 将48V直流电压变为其他数值的不间断直流电压 12 逆变器 DC AC 将48V直流电压变为不间断交流 二 分散供电通信电源系统 将大功率的直流供电系统分为较小功率的多套 分散安装到通信机房附近或通信机房内 将 DC DC 及 DC AC 改用较小功率的多台 安装到通信机内 以减小低压大电流线路的压降和缩小故障所影响的范围 提高可靠性 目前国外采用的分散供电方式有三种形式 在各通信机房内设一套供电系统 包括整流 直流配电屏 蓄电池 在通信机房内设多个较小的供电系统在各通信设备机架上 设一个较小的供电系统 为本机架专用通信设备供电 要分散式供电必须满足两点 整流器 蓄电池和直流配电屏体积要小 蓄电池的密封要好 因为机房的通信设备要求恒温恒湿 用空调来保证 故机房是封闭式的 蓄电池内部液体有微毒 油机的自启动和供电质量要得到保证 因为要求蓄电池供电时间短 电池的容量小 电池的体积和重量也要减小 分散供电方式优点 减少工作人员 通信设备和通信电源在一屋里共同监控节约能源 有人计算过 从电力室到机房共300米远 对1万门程控交换机供电 传交流电比传直流电每年能节电7045KWh减小占地面积缩小故障所影响的范围 三 混合供电通信电源系统 另 市电质量差和可利用太阳能的地区 增设了太阳电池方阵 将太阳能转换为电能 输出直流电压 经直流控制屏中专用的 DC DC 变换器变换电压后 对通信机供电 作为市电停电时的备用能源和市电正常时的补充能源 通信电源的种类 50赫正弦波交流市电常是电能最方便和廉价的电源 但要从市电种类 10kV或220 380V交流 和性能 不很稳定 有间断 有危险和干扰 变换到通信电路设备所需的电能种类 多种直流电压和交流 和性能 稳定 可靠 安全 以及需要的备用能源或独立获得能源 需要专门的全套电源设备统称为 通信电源 电源 两字 PowerSupply PS 也包含内部 无能源 而只是进行 功率变换 的设备 电力室的所有设备都为 电源 功率变换 的电源设备主要指 1 交流变为直流 AC DC 称为整流器或交流 直流变换器 2 直流变为交流 DC AC 称为逆变器 3 直流变为 另一性能的 直流 DC DC 称为直流变换器 4 交流变为交流 AC AC 视用途称为 1 交流不间断电源 保证输出交流电压不间断之用 2 变频器 例如用于变频调速 改变频率可调节交流电动机的转速等 通信电源种类 整流器 相控整流器 可控硅整流 当交流输入电压变化时 靠控制可控硅的导通相位来稳定直流输出 开关整流器 二极管整流 高频开关 当交流输入电压变化时 靠控制开关管的占空比来稳定直流输出 DC DC变换器 直流线性稳压器 开关稳压器 隔离式直流变换器 开关整流器 开关稳压器 隔离式直流变换器都为 开关电源 一 通信电源的发展方向 高效率仍然是电源的发展方向 通信开关电源要高频化和集成化 开关频率越高 电源体积越小 散热小 损耗小 功率集成技术的发展 使电源集成化 模块化 结构紧密 不仅减小了电源体积 还减小了能量损耗 提高了效率和功率密度 电源的高频化和集成化又促使电源的体积小型化 不仅占地面积小 而且更容易实现分散供电 各种软开关技术的研究与使用 谐振电源技术中ZVT ZCT的实现 大大降低了功率开关管的开关损耗 新型高性能功率器件的不断研发和应用 如绝缘栅双极型晶体管 IGBT 功率场效应晶体管 MOSFET 肖特基二极管 新型磁材料和变压器等能减小能量损耗和电源体积 2 设备智能和网络化监控管理电源设备供电的可靠性和供电质量直接影响整个通信系统的畅通性及其通信质量 电源设备内部都应该设有一监控模块 它不仅能监测自己的工作状态和输入输出参数 还更容易纳入网络监控管理中 比如目前的高频开关整流器 UPS 蓄电池等都具有这种监控模块 统称为智能电源设备 经过单局多种监控 发展到目前的多局多地区的监控网络 遥测 遥调 遥信和遥控各地区 各局站的电源设备 实现多级网络管理 随着工控 网络 多媒体技术的发展 通信电源网络监控技术也日趋成熟和完善 3 通信电源的低输入电流谐波符合绿色环保的要求如果大量使用谐波电流大的通信电源会给电网带来严重的污染 降低电网的能量利用率和实际负载能力 并存有安全隐患 目前大多通信开关整流器内部都设有源功率因数校正级 使交流输入电流为正弦波 且与输入电压同相位 具有高功率因数 低电流谐波输入 有些UPS也采用了功率因数校正 实现了绿色环保 随着功率因数校正技术的发展 通信电源更加的绿色环保 4 数字控制是通信电源的发展方向随着计算机 微电子 集成电路技术的发展 高性能电源设备的数字化控制方案已成为研究的热点 传统的模拟控制使用了比较器 误差放大器和模拟调变器等占空间大的分立元器件 且随着使用时间 温度和其所在环境条件的变化而变动 存在元件老化 参数漂移等问题 影响了系统的稳定性和响应能力 模拟系统的测试和维修都非常困难 数字控制是先将模拟参数转换成数字信号 在数字域里对这些参数进行计算 分析和处理 去掉了那些模拟控制器件 数字控制的精准和算法特性有助于发展更先进的控制算法以提高系统效能 它的实时改变控制响应的特性能让电源在各种输入电压或负载下都能达到理想的输出结果 数字控制大大缩减控制电路的复杂程度