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通信电源 2012年4月1日 一 通信电源系统概述二 蓄电池三 高频开关电源四 UPS电源和逆变器 2 一 通信电源系统概述 3 在通信行业中 通常把电源比喻为通信系统的 心脏 通信电源本身并不能为运营商带来直接效益 占用的资本也不高 但是从确保通信质量 生产安全和财产安全的角度 必须重视通信电源的运行管理与应用 通信电源的作用 在通信枢纽大楼 卫星地面站 微波中继站 国际海底光缆登录站 所有需要安装电气和通信设备的地方 都需要首先建设好电源 电源设备需要能在不同类型的外电环境中输出不同种类容量的多种电源 以满足不同设备的需求 做到稳定 可靠和安全 因此电源是一切通信必不可少的坚实基础 而且也是非常主要的根本保证 为各种通信设备及有关通信建筑负荷供电的电源设备组成的系统 称为通信电源系统 该系统由交流供电系统 直流供电系统 接地系统 防雷系统和集中监控系统组成 一 交流供电系统包括交流供电线路 油机发电机组 低压交流配电屏 逆变器 交流不间断电源 UPS 等部分组成 通信电源系统的组成 二 直流供电系统由直流配电屏 整流设备 蓄电池 直流变换器 DC DC 等部分组成 1 直流配电屏 可接入两组蓄电池 其中一组供电不正常时 可自动接入另一组工作 同时 可监测电池组输出总电压 电池浮 均充电流和供电负载电流 可发出过压 欠压和熔断器熔断的声 光告警信号 2 整流设备 输入端由交流配电屏引入交流电 其作用是将交流电转换成直流电 输出端通过直流配电屏与蓄电池和需供电的负载并联连接 并向它们提供直流电源 3 蓄电池处于整流器输出并联端 在市电正常时 由整流器浮 均充电 不断补充蓄电池容量 并使其保持在充足电量的状态 当市电中断时 蓄电池自动为负载提供直流电源 不需要任何切换 4 直流变换器 DC DC 可将基础直流电源的电压变换成通信设备所需要的各种直流电压 以满足负载对电源电压的不同要求 三 接地系统接地系统有交流工作接地 直流工作接地 保护接地和防雷接地等 现一般采取将这四者联合接地的方式 交流接地 可避免因三相负载不平衡而使各相电压差别过大现象发生 工作接地 可保证直流通信电源的电压为负值 保护接地 可避免电源设备的金属外壳因绝缘受损而带电 防雷接地 可防止因雷电瞬间过压而损坏设备 联合接地 是将交流接地 直流接地 保护接地和防雷接地共用一组地网 由接地体 接地引入线 接地汇集排和接地体连接线 引出线等部分组成 这个地网是一个闭合的网状网络 地网的每个点都是等电位的 四 防雷系统避雷针 接地引下线 接地体 等电位连接 各级浪涌保护器等组成 五 监控系统由各种采集设备 网络传输设备和监控终端组成 通信电源系统的特点 设备品种多高 低压配电设备 发电设备包括柴油 汽油发电机 风能 太阳能和燃汽轮发电机 即一次电源 把其他能量转换成电能 交直流变换设备包括AC AC AC DC DC DC DC AC UPS 即二次电源 在供电电源与负载之间对电能进行变换或稳定处理 和蓄电池设备 即化学电源 等 通信电源系统的特点 涉及专业学科知识多通信电源的专业维护需要动力机械学 化学 电子 通信与自动控制技术和计算机应用知识 3 维护好通信电源责任重大电源专业工作常处于高电压 大电流 使用易燃油类和防雷保护等特殊环境 对安全生产 通信防护和消除火灾等方面有着不可推卸的责任 4 电源专业方面存在的问题 生产安全近年来供电事故不断发生 严重影响并威胁到通信安全 例如 根据已了解到的电源设备事故分析 蓄电池事故占 高压切换事故占 高频开关电源事故占 强排风 灰尘侵入设备 全通信专业对通信电源的使用也存在很多的不安全因素 众多的火灾事件也都与电源或其使用有很多关联 技术管理对运行维护中存在的问题要进行及时 有效的研究并采取有效的对策 对事故的分析 特别是通信电源的应用安全 通信机房环境 蓄电池的容量和放电等问题 深入研究使用维护方法 完善和提高监控系统的技术规范 企业化管理 通信电源的使用要适应新的电源维护响应模式 采用企业化管理的应对策略 例如 全方位服务 电源维护成本 高质量的通信电源应用技术支持问题等 常见通信用电设备种类 传输系统 公务电话系统 专用电话系统 无线系统 时钟系统 数字集中录音系统 信息网络系统 集中告警系统 综合监控系统 广播系统 视频监控系统 乘客信息系统 环境与设备监控系统 火灾自动报警系统 自动售检票系统 门禁系统等 二 蓄电池 阀控式铅酸蓄电池的基本结构 其主要组成 正负极板组 隔板 电解液 安全阀及壳体 此外还有一些零件如端子 连接条 极柱等 1 正负极板组正极板上的活性物质是二氧化铅 负极板上活性物质为海绵状纯铅 2 隔板阀控式铅酸蓄电池中的隔板材料普遍采用超细玻璃纤维它的主要作用有 吸收电解液 提供正极析出的氧气向负极扩散的通道 防止正 负极短路 3 电解液铅蓄电池的电解液是用纯净的浓硫酸与纯水配置而成的 它与正极和负极上活性物质进行反应 实现化学能和电能之间的转换 4 安全阀一种自动开启和关闭的排气阀 具有单向性 内有防酸雾垫 只允许电池内气压超过一定值时 释放出多余气体后自动关闭 保持电池内部压力在最佳范围内 同时不允许空气中的气体进入电池内 以免造成自放电 5 壳体蓄电池的外壳是盛装极板群 隔板和电解液的容器 阀控蓄电池的工作原理 阀控蓄电池正极板上的活性物质是二氧化铅 负极板上的活性物质为纯铅 电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定的比例配制而成 因为正负极板上的活性物质是不同的 当两种极板放置在同一硫酸溶液中 各自发生不同的化学反应而产生不同的电极电位 在电池内部 正极和负极通过电解质构成电池的内电路 在电池外部接通两极导线和负载构成电池的外部电池 蓄电池充电方法 1 浮充充电当整流器在浮充过程中断工作后 VRLA蓄电池单独向负荷供电 当整流器恢复工作后 以0 1C10A的恒压限流对电池组充电 当整流器输出电压升高至浮充电压设定值后 进入浮充状态 使蓄电池内电流按指数规律衰减至浮充电流值时为充足 2 均衡充电蓄电池在使用过程中 有时会产生比重 端电压等不均衡情况 为防止这种不均衡扩展成为故障电池 所以要定期履行均衡充电 通信电源配置容量的计算方法 2 电池容量 1 设备负载电流 IL 负载工作电流WL 负载功率 瓦特VL 负载工作电压C 蓄电池容量 AhT 设计备电时间 小时 电池温度系数 1 0 01 0 06K 蓄电池放电效率放电时间T 1h 2h K 0 55 0 6放电时间T 3h 5h K 0 75 0 8放电时间T 5h 10h K 0 85 1放电时间T 10h K 1 5 整流模块数目 注 对于1000A以上的系统 每十个模块冗余一个 3 电池均充电流 4 总输出电流 IM 模块额定电流CEIL 向上取整 如3 3 4 通信电源配置容量的计算方法 通信电源容量计算实例 例 直流通信设备功率为2KW 市电情况较好 要求电池备电时间8小时1 通信设备工作电流 2KW 48V 42A2 电池容量 42 8 1 25 0 85 494AH根据实际电池规格 可选两组300AH蓄电池 共600AH电池均充电流取0 15 则电池均充所需电流为 600 0 15 90A3 电源需输出的最大电流为 42 90 132A可选择30A模块 配置个数为 132 30 1 5 4取整为6即最终配置为30A模块构成的180A输出的系统 三 高频开关电源 通信开关电源技术 1 整流器工作原理2 软开关技术3 功率因数4 均流技术5 电池管理技术6 防护技术 1 整流模块工作原理框图 通信开关电源技术 核心技术 DC DC变换技术 软开关技术 功率补偿技术 均流技术 散热技术 智能化技术 DC AC DC DC PWM调制基本原理 Q1 Q4导通 原边电流Q1 C1 变压器 Q4 副边半波整流 D6导通 输出电压 Q1Q2Q3Q4关闭 Q3 Q2导通 原边电流Q3 C1 变压器 Q2 副边半波整流 D5导通 输出电压 Q1Q2Q3Q4关闭 下一周期 在变压器T一定情况下 输出电压将取决于功率器件导通时间 驱动PWM波的脉冲宽度 开关频率f越高 变压器尺寸越小 高频整流 高频逆变 通信开关电源技术 36 关键技术 有源功率因数校正电路PFC 开关电源稳压 37 关键技术 有源功率因数校正电路PFC PFC电路原理 开关电源稳压原理图 410VDC 310VDC 38 关键技术 有源功率因数校正电路PFC 电流尖峰产生的原因 能量的传递过程只发生在交流电压波形的峰值点附近交流电流波形含有高次谐波 开关电源稳压 39 关键技术 有源功率因数校正电路PFC PFC电路是个典型的升压变换器 U LdI dTU 电感电压Di 电感电流的增量dT 电感电流的增量所对应的时间 开关电源稳压 40 原理介绍 开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件 通过周期性通断开关 控制开关元件的占空比来调整输出电压 开关电源稳压 41 关键技术 开关电源稳压原理介绍 若用T表示开关的脉冲周期 Ton表示导通时间 占空比D Ton T n表示高频变压器的变比 在脉冲周期一定的前提下 功率变换器的输出电压Vo和输入电压Vi关系如下公式 Vo Vi D n开关电源的输入或者输出电压发生变化时 如电网电压升高或负载变化使输出电压升高或者降低时 只要适当控制占空比D 就可以使输出电压保持不变 上图的控制电路就是实现这个功能的 脉宽调制器是核心 它可产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动通信 控制开关管的通断状态 从而来调节输出电压的高低 达到稳压的目的 锯齿波发生器提供恒定的时钟频率通信 利用误差放大器和PWM比较器形成闭环调压系统 开关电源稳压原理图 t Vce ic t 开通损耗 关断损耗 开关管开关时电压 电流波形及功耗 功率器件在开通 关断时由于结电荷存在造成实际迟延 器件上电压 电流不可能突变 所以产生开关损耗 开关频率越高 开关损耗越大 变换器效率越低 1 硬开关损耗 Hardswitching 2 软开关技术 通信开关电源技术 零电流 ZCS Zero current switching 开关技术 零电流关断 在器件关断前 使其电流减小到零 关断损耗为0 零电压 ZVS Zero voltage switching 开关技术 零电压开通 在器件开通前 先使其电压减小到零 开通损耗为0 t Vce ic t 开通损耗 关断损耗 t Vce ic t 开通损耗 关断损耗 零电流开关 零电压开关 2 软开关基本思想 通信开关电源技术 非线性元件和储能元件结合 电流波形严重畸形 呈脉冲状 严重畸形的非正弦电流危害电网 输入端功率因数下降 3 功率因数校正技术 1 功率因数校正原因 功率因数校正方法 无源功率因数校正 主要由电感 电容组成 典型值0 92 有源功率因数校正 半导体器件及电感 电容组成 典型值0 99 PF 0 6 0 7 通信开关电源技术 2 有源功率因数校正基本原理 工作思路 在整流电路中加入辅助MOSFET 二极管 控制IC等有源器件及电感 电容等 工作时时刻检测输入电流 如果断续 则开启辅助功率管 能量在电感中储存 再关断功率管 电流续流 工作时辅助MOSFET工作频率很高 这样输入电流波形几乎为正弦波 且同电压同相位 功率因数几乎为1 PF 0 99 通信开关电源技术 4 均流技术 多个模块并机 通过冗余技术提高系统可靠性 为了使所有模块均担负载 必须采取均流技术 通信电源中主要均流技术 硬件均流 通过线路来实现均流 软件均流 利用监控模块实现均流 通信设备 1 整流模块常用均流方法 均流度 系统25 100 额定输出电流范围内模块间均分负载的不平衡度 通信开关电源技术 低差自主均流技术 建立速度快 可靠性高 电流不平衡度低 2 硬件均流基本工作原理 每一个模块电流与系统最大电流比较 如果小 通过放大器调高自身模块电压 电流增大 实现均流 通信开关电源技术 5 电池管理技术 具有小电流延时均充功能 通信开关电源技术 2 保护电池 3 辅助功能 深放电功能容量在线计算放电容量测试 均充预限流 限流 避免大电流损伤电池最大均充时间限制 避免均充转浮充失败导致的偿时间均充损坏电池温度自动补偿欠压告警 保护 切断 均充 浮充 电压可以根据电池要求调整小电流延时均充 转浮充浮充转均充 定期 浮充电流过大 容量损耗过大等 均充 1 常规管理 保证电池容量充满 蓄电池 通信电源 通信开关电源技术 功率器件降额阻容降额输入低压过欠压输出电压欠压输出短路PFC欠压软启动逐波限流死区保护过温风扇 6 电源保护技术 通信开关电源技术 智能高频开关电源系统的组成 系统组成 整流模块 监控模块 交直流配电 机架 通信电源系统 分立式电源系统 系统型号 PS481000 5 100 整流器 HD48100 5 监控模块 PSM A 整流架 RACK1000 5RACK1500 交流配电柜 直流配电柜 通信电源系统 组合式电源系统 整流 监控 配电位于同一个机架内部 交流配电部分 直流配电部分 整流模块 监控模块 四 UPS电源和逆变器 UPS分类UPS按输入输出相数分为单进单出 三进单出和三进三出UPS UPS按功率等级分类 把UPS分成微型 3KVA 小型 3KVA 10KVA 中型 10KVA 100KVA 和大型 100KVA 按电路结构形式分类 有后备式 在线互动式 三端口式 单变换式 和在线式等 UPS按输出波形的不同 又可分为方波和正弦波两种 UPS电源主要由7部分组成 即输入整流滤波电路 功率因数校正电路 蓄电池组 充电电路 逆变器电路 静态开关电路 控制监测显示及保护电路 1 输入整流滤波电路UPS电源内部蓄电池 逆变器及控制电路均需要直流电 这就要求UPS电源内部必须有整流及滤波电路 整流电路的主要功能是 1 将交流电变换为直流电 2 具有输出电压保持能力 3 抑制电网的干扰信号 2 功率因数校正电路功率因数校正电路的作用就是提高功率因数 降低谐波干扰 使输入电流成为与输入电压接近同相位的正弦波 3 蓄电池组4 充电电路UPS中的充电器将蓄电池放电后损失的能量重新补充 5 逆变电路UPS逆变器的功能是将由市电整流所得的直流电压或蓄电池电压变换成交流电压 6 静态开关电路静态开关是UPS的保护设备和供电转换器件 它一方面保护UPS和负载 另一方面作为市电旁路供电和逆变器供电的转换器件 7 控制 监测 显示及保护电路控制是UPS电源的神经中枢 其输出电压精度高低 波形失真度大小以及可靠性的高低均与控制电路密切相关 控制电路主要有PWM产生电路 闭环调压电路 同步锁相电路等 为了使UPS电源可靠工作 它应具有较为完善的保护电路 一般的UPS电源都具有电池电压过低自动保护电路 逆变器输出过载或短路自动保护电路 逆变器过压输出自动保护电路 市电输入电压过高自动保护电路和UPS电源延迟启动自动保护电路等保护电路 为了随时掌握和了解UPS工作状态和运行情况 UPS电源一般还设有监测电路 显示电路及告警电路 逆变器 将直流电能转换成交流电能的过程称为逆变 实现这一过程的变换器称为逆变器 通信电源局 站 设备中的逆变器可分为两类 一类是UPS电源中的逆变器 一类是通信逆变器 二者区别仅在于输入 输出电压或频率量值不同 UPS逆变器输入直流电压高 而通信逆变器输入为 48V UPS逆变器一般输出为50Hz 单相220V或三相380V 而通信逆变器除上述输出外 还有铃流发生器输出为25Hz 75V 且失真度要求也稍低 二者都是把由市电整流滤波后的直流或来自蓄电池的直流电 逆变成频率稳定 电压稳定 波形失真小的交流电 2 逆变器的主电路和工作原理 逆变器能将与之配套的蓄电池组直流电压转换成交流电压 给使用交流电的通信设备供电 通信局 站 使用的逆变器 通常采用自换流式电压型正弦波无源逆变器 变流元器件采用全控型IGBT 绝缘门极晶体管 工作方式为PWM脉宽调制 单相全桥逆变器主电路如图6 13所示 单相全桥逆变器的工作原理如下 当逆变器接通直流电源后 先Q11 Q14导通 Q12 Q13截止 则电流由直流电源正极输出 经Qll 电感L 变压器一次绕组1 2 Q14回到电源负极 当Qll Q14截止后 Q12 Q13导通 电流从电源正极输出 经Q13 变压器一次绕组2 1 电感L Q12回到电源负极 此时在变压器一次绕组上已形成一个正负交变的方波 利用高频PWM控制两对IGBT管交替导通 截止 在变压器上产生交流电压 由于交流滤波器LC的作用 使输出端形成正弦交流电压 供给通信设备使用 直流配电屏 直流配电屏位于整流器与通信负载之间 主要用于整流器 蓄电池组的接入和直流负荷的分配 其主要技术要求如下 1 同一种电压同型号的直流配电屏应能并联使用 2 可接入两组蓄电池 3 负荷分路及容量可根据系统实际需要确定 4 在低阻配电系统中 直流屏带额定负荷时 屏内放电回路电压降 500mV 5 具有过压 欠压 过流保护和低电压告警以及输出端浪涌吸收装置 6 对于蓄电池充放电回路以及主要输出分路应能够进行监测 7 小型通信局 站 所用的直流屏应具有分级供电和电池切断保护功能 接地系统的组成和作用 1 接地接地就是将地面上的金属物体或电路中的某结点用导线与大地可靠地连接起来 使该物体或结点与大地保持同电位 2 接地系统的组成接地的组成是将电气装置的外露导电部分通过导电体与大地相连接的系统 由大地 接地体 接地电极 接地引入线 接地汇集线 接地线等组成3 接地系统的作用接地的作用主要是防止人身遭受电击 设备和线路遭受损坏 预防火灾和防止雷击 防止静电损害和保障通信系统正常运行 1 接地的必要性为了保证通信质量 系统正常运行并确保设备与人身安全 2 接地分类按照功能分 工作接地 交流工作接地 保护接地