Схемы электроснабжения: Виды схем электроснабжения промышленных предприятий | СРС

Виды схем электроснабжения промышленных предприятий | СРС

Электроснабжение от энергосистемы можно осуществить по двум схемам (рис. 1):
глубокого ввода двойной магистрали напряжением 35…220 кВ на территорию предприятия с подключением отпайкой от обеих испей нескольких пар трансформаторов;
с одной мощной ГПП на все предприятие. Первая схема (см. рис. 1, а) применяется на крупных предприятиях, занимающих большие территории и располагающих площадями для прохождения линии напряжением 35…220 кВ. Вторую схему (см. рис. 1, б) применяют на предприятиях средней мощности с концентрированным расположением нагрузок. Эти схемы являются основными электротехническими чертежами проекта, на основании которых выполняют все другие чертежи, производятся расчеты сетей и выбор основного электрооборудования.

Рис. 1. Схемы внешнего электроснабжения для крупных (а) и средних (б) предприятий

При проектировании электроснабжения промышленных пред приятии на схемах высокого напряжения должны быть показаны источники питания, распределительные пункты и трансформа торные подстанции со сборными шинами, основная коммутационная аппаратура (масляные или воздушные выключатели, реакторы), размещение устройств АВР, все трансформаторы и электроприемники высокого напряжения (высоковольтные электродвигатели, преобразовательные агрегаты, электропечи и др.

). Ря дом с соответствующими графическими обозначениями нужно указать номинальное напряжение сборных шин, типы выключателей, номинальные токи и реактивные сопротивления реакторов, номинальные мощности и напряжения обмоток трансформаторов и схемы их соединения, номинальные выпрямленные токи и напряжения преобразовательных агрегатов, номинальные мощности электродвигателей. Около изображений кабельных и воздушных линий указывают их длину, а также марки и сечения кабелей, материал (медь или алюминий) и сечения проводов воз душных линий и токопроводов.

Рис. 2. Магистральные схемы электроснабжения:
а — одиночная; б — сквозная с двусторонним питанием; в — кольцевая; г — двойная; ТП1—ТП6 — трансформаторные подстанции

Напряжение 110 кВ наиболее широко применяют для электроснабжения предприятий от энергосистемы. Рост мощностей промышленных предприятий, снижение минимальной мощности трансформаторов на 110/6… 10 кВ до 2500 кВ А способствуют использованию напряжения 110 кВ для питания предприятий не только средней, но и небольшой мощности.
Напряжение 220 кВ применяют для электроснабжения от энергосистемы крупных предприятий, создания глубоких вводов с разукрупнением подстанций. В некоторых случаях применению напряжения 220 к В в СЭС способствует близкое расстояние от предприятия до трассы линий напряжением 220 кВ энергосистемы.

Распределительная сеть напряжением 6 (10) кВ (реже 35 кВ) — это внутренняя сеть предприятия, служащая для передачи электроэнергии с шин ГПП и ПГВ в распределительные и трансформаторные пункты по воздушным, кабельным линиям и токопроводам. В зависимости от категории нагрузок и от их расположения распределительная сеть от одного или двух независимых источников строится по радиальной, магистральной или смешанной схеме.

Магистральные схемы могут быть одиночными, сквозными с двусторонним питанием, кольцевыми и двойными.
Одиночную схему (рис. 2, а) применяют для потребителей третьей категории. При этой схеме требуется меньшее число линий и выключателей. К одной магистрали подключают два-три трансформатора ТП мощностью 1000… 1600 кВ • А или четыре-пять трансформаторов мощностью 250…630 кВ А (ограничение вносит чувствительность релейной защиты). Недостаток схемы — отсутствие резервного канала электроснабжения на случай повреждения линии. Поэтому для кабельных линий такую схему не применяют, так как время отыскания мест повреждений и ремонта кабелей может превышать 24 ч.

Более надежна сквозная схема с двусторонним питанием (рис. 2, б). Магистраль присоединяют к разным источникам питания. В нормальных условиях она разомкнута на одной из подстанций. Схема применяется для питания потребителей второй категории.
Кольцевая схема (рис. 2, в) создается путем соединения двух одиночных магистралей перемычкой на напряжение 6 (10) кВ. Схема применяется для питания по воздушным линиям потребителей второй категории. В нормальном режиме кольцо разомкнуто и питание подстанций осуществляется по одиночным магистралям. Но при выходе любого участка сети питание ТП прерывается лишь на время операций по отключению в ремонт поврежденного участка и включению разъединителя перемычки.
Двойная схема (рис. 2, г) достаточно надежна, так как при любом повреждении на линии или в трансформаторе все потребители (в том числе первой категории) могут получать электроэнергию но второй магистрали. Ввод резервного питания происходит автоматически с помощью устройств АВР. Данная схема дороже, чем рассмотренные выше, так как расходы на сооружение линий удваиваются.

Рис. 3. Радиальные схемы электроснабжения для питания потребителей третьей (а), второй (б) и первой (в) категорий надежности электроснабжения

Радиальные схемы (рис. 3) применяют для питания сосредоточенных нагрузок и мощных электродвигателей. Для потребителей первой и второй категорий предусматривают двухцепные радиальные схемы, а для потребителей третьей категории — одноцепные схемы. Радиальные схемы надежнее и легче автоматизируются, чем магистральные.
Схема, показанная на рис. 3, а, предназначена для потребителей третьей категории. При подключении устройства автоматического повторного включения (АПВ) воздушной линии эту схему можно применять для потребителей второй категории, а при наличии аварийных источников питания — и для потребителей первой категории.

Схему, показанную на рис. 3, б, используют для потребителей второй категории. В некоторых случаях ее можно применять и для потребителей первой категории. При исчезновении напряжения на одной из секций шин часть потребителей, присоединенных к другой секции, остается в работе.
Схему, приведенную на рис. 3, в, применяют для потребителей первой категории. Питание потребителей при исчезновении напряжения на одной из секций шин восстанавливается автоматическим включением секционного выключателя.

Рис. 4. Смешанная схема электроснабжения
осуществляется по радиальным линиям, а резервное — по одной сквозной магистрали, показанной на рис. 4  штриховой линией.

На всех приведенных схемах секционные аппараты в нормальном режиме находятся в отключенном состоянии. В основном в распределительных сетях

Смешанные схемы сочетают элементы магистральных и радиальных схем (рис. 4). Основное питание каждого из потребителей
применяют разомкнутые схемы, отвечающие требованиям ограничения токов короткого замыкания и независимого режима работы секций.
Замкнутые сети применяют редко, так как в них значительно (до двух раз) повышаются токи короткого замыкания, требуются выключатели на обоих концах линий, усложняются релейные защиты. Однако замкнутые сети имеют ряд преимуществ: большую надежность питания приемников, которые всегда подключены к двум (или более) источникам питания; меньшие потери энергии благодаря более равномерной загрузки сети; меньшее падение напряжения. Эти достоинства особенно существенны при электроснабжении крупных установок. В таких установках пуск мощного электродвигателя может вызвать при разомкнутой схеме большие отклонения напряжения, делающие пуск и самозапуск двигателя под нагрузкой невозможными, поскольку пусковой момент становится ниже момента сопротивления на валу двигателя.

Включение трансформаторов и линий на параллельную работу резко (почти вдвое) уменьшает эквивалентное сопротивление сети питания и обеспечивает успешный пуск двигателя. В некоторых случаях такое включение используется только на время пуска основных двигателей (например, на крупных насосных, компрессорных станциях, где применяются двигатели соизмеримой с трансформаторами мощности).
Электроснабжение металлургических заводов, имеющих полный цикл производства (доменный, сталеплавильный и прокатный цехи), осуществляют, как правило, от ближайшей энергосистемы через подстанцию энергосистемы при напряжении 110 или 220 кВ и от местной заводской ТЭЦ (рис. 5). Местная заводская ТЭЦ обычно имеет связь с энергосистемой напряжением 110 кВ (220 кВ).
Ударные нагрузки прокатных цехов должны восприниматься энергосистемой. Это необходимо учитывать при разработке проекта электроснабжения металлургического завода. Энергосистема должна быть мощной, чтобы обеспечить минимальный допустимый уровень колебаний напряжения в питающей сети 110 кВ (220 кВ).
Для ограничения вредного влияния ударных циклических нагрузок на качество электроэнергии в системе электроснабжения рекомендуются следующие мероприятия.

1. Ограничение реактивной мощности, потребляемой вентильными преобразователями при их работе с глубоким регулированием.
2. Разработка и внедрение электроприводов с пониженным потреблением реактивной мощности.

Рис. 5. Структурная схема электроснабжения блюминга 1150 (ионный привод)

3. Приближение источников питания к электроприемникам с ударной нагрузкой; питание дуговых электропечей при повышенном напряжении; питание крупных электродвигателей непосредственно от ГПП или ПГВ, минуя соответствующую цеховую подстанцию, и т.п.
4. Уменьшение реактивного сопротивления линий, питающих крупные электроприемники, за счет применения кабелей и токопроводов с пониженной реактивностью, уменьшения реактивности реакторов и т.п.; применение выключателей с повышенным предельным отключаемым током.

 

Рис. 6. Схемы питания ДСП с использованием сдвоенного реактора

5. Присоединение ударных и спокойных нагрузок к разным ветвям сдвоенного реактора (рис. 6), параметры которого должны быть выбраны исходя из условий стабилизации напряжения на ветви реактора, питающей электроприемники со спокойным режимом работы.

1. Применение на ГПП и ПГВ трансформаторов, имеющих расщепленные обмотки вторичного напряжения с коэффициентом расщепления Кр > 3,5, при выделении на одну из обмоток питания резкопеременных ударных нагрузок.
2. Питание групп электроприемников с ударными нагрузками (при значительной их мощности) через отдельные трансформаторы.
3. Применение синхронных компенсаторов с быстродействующим (тиристорным) возбуждением, а также синхронных электродвигателей, имеющих свободную реактивную мощность для ограничения влияния ударных и вентильных нагрузок.

Для синхронных электродвигателей, получающих питание от общих шин с ударными нагрузками, следует применять автоматические быстродействующие регуляторы возбуждения.
Из перечисленных схем наиболее широкое применение, особенно для предприятий средней мощности, находят схемы с расщепленными обмотками трансформаторов ГПП и сдвоенными реакторами (см. рис. 6).
Колебания напряжения на секциях со спокойной нагрузкой под влиянием резкопеременной нагрузки на других секциях будут меньше, чем при подключении всех нагрузок к одной секции шин.

Основные схемы электроснабжения

Хотя бы раз в жизни мы с вами слышали выражение от специалистов “переключили на резервное питание”. Что это значит? Оказывается, речь идет о схеме электроснабжения.

Схема электроснабжения в доме.

Основным вопросом распределения электроэнергии является выбор схемы. Правильно составленная схема должна обеспечивать надежность питания потребителей. Все встречающиеся на данный момент схемы представляют собой конструкцию отдельных элементов: фидеров, магистралей и ответвлений.

Фидер – линия, предназначенная для передачи электроэнергии от распределительного устройства к распределительному пункту, магистрали или отдельному электроприемнику.

Магистраль – линия, предназначенная для передачи электроэнергии нескольким распределительным пунктам или электроприемникам, присоединенным к ней в разных точках.

Ответвление – линия, отходящая от магистрали и предназначенная для передачи электроэнергии к одному распределительному пункту или электроприемнику.

Одним из главных вопросов при проектировании сетей электроснабжения является выбор схем.

Основными являются магистральные и радиальные.

На рисунке ниже мы представили наиболее часто встречающиеся на практике схемы:

• а – радиальная с односторонним питанием.
• б – радиальная с двухсторонним питанием
• в – радиально-магистральная (смешанная)
• г – магистральная с односторонним питанием.

При магистральной схеме снабжения одна линия-магистраль обслуживает несколько распределительных пунктов или приемников, присоединенных к ней в разных ее точках.

Схема электроснабжения.

При радиальной схеме электроснабжения каждая линия является как бы лучом, соединяющим узел сети с единственным потребителем. Ну, а в общем комплексе сети эти схемы могут сочетаться.

Радиальная схема применяется в случаях, когда имеются отдельные узлы достаточно больших сосредоточенных нагрузок, по отношению к которым подстанция занимает центральное месторасположение. При радиальной схеме отдельные мощные электроприемники могут получать питание непосредственно от подстанции. К числу радиальных схем с непосредственным питанием от подстанции относятся все схемы питания электроприемников высокого напряжения либо от распределительного устройства высшего напряжения на подстанции.

К достоинствам радиальных схем можно отнести следующее:

1. Максимальная простота.
2. Аварийное отключение радиальной линии не отражается на электроснабжении остальных потребителей.

Но есть и недостатки:

1. Большой расход кабельной продукции и, следовательно, высокая стоимость системы.
2. При одиночных радиальных линиях невысока надежность электроснабжения.

Магистральная схема электроснабжения применяется, когда нагрузка имеет сосредоточенный характер, но отдельные ее узлы оказываются расположенными в одном и том же направлении по отношению к подстанции и на сравнительно небольших расстояниях друг от друга. При магистральных схемах с сосредоточенными нагрузками присоединение отдельных групп электроприемников, так же как и при радиальных схемах, производится обычно через распределительные пункты. Размещение распределительных пунктов имеет важное значение.

Здесь можно перечислить следующие требования:

Схема радиального электроснабжения.

1. Протяженность магистралей должна быть минимальной.
2. Распределительные пункты должны быть размещены в местах, удобных для обслуживания.
3. Должны быть сведены к минимуму случаи обратного питания электроприемников.

Как и в радиальных схемах, так и в магистральных есть свои преимущества и недостатки.

К преимуществам можно отнести следующее:

1. Меньше расход кабеля.
2. Лучшая загрузка линий.

К недостаткам относятся:

1. Трудности при нахождении места повреждения.
2. Более низкая надежность электроснабжения.

При выборе схем электроснабжения потребителей руководствоваться надо не только тем, что мы рассмотрели выше. Основным и, пожалуй, главным критерием выбора является категория электроснабжения того или иного потребителя. Все они разделяются на 3 основных категории.

Магистральная схема электроснабжения.

1 категория – потребители и электроустановки, перерыв которых в электроснабжении может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства. К потребителям и электроустановкам 1 категории относятся металлургические предприятия химической и горной промышленности, операционные, установки водоснабжения и канализации. Из состава потребителей и электроустановок 1 категории выделяется особая группа. К данной группе относятся особо важные госучреждения, военные объекты и объекты гражданской обороны.

2 категория – потребители и электроустановки, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недодопуску продукции, массовым простоям рабочих и механизмов, нарушению нормальной деятельности большого количества городских и сельских жителей. К потребителям и электроустановкам 2 категории относятся предприятия машиностроительной и легкой промышленности, учебные, детские дошкольные учреждения.

3 категория – это все остальные потребители и электроустановки.

Потребители и электроустановки 1-й категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых, взаимно резервирующих источников питания, и перерыв при нарушении электроснабжения одного из источников питания может быть лишь на время автоматического восстановления питания.

Потребители и электроустановки 2-й категории обеспечиваются электроэнергией от двух независимых, взаимно резервирующих источников питания, и перерыв в электроснабжении должен составлять время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной бригадой.

И для потребителей и электроустановок 3-й категории электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы в электроснабжении, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы, не превышают одних суток.

Характерные схемы электроснабжения промышленных предприятий

Внешнее электроснабжение,
а) Питание от энергосистемы без собственных электростанций. На рис. 9-9 приведены основные характерные схемы электроснабжения промышленных предприятий, питание которых производится только от энергосистем.
На рис. 9-9, а представлена схема радиального питания. Здесь напряжение сети внешнего электроснабжения совпадает с высшим напряжением сети на территории внутри предприятия (система внутреннего электроснабжения), благодаря чему не требуется трансформация для предприятия в целом. Такие схемы электроснабжения характерны при питании прежде всего на напряжениях 6, 10 и 20 кВ.
На рис. 9-9, б приведена схема так называемого «глубокого ввода» 20—110 кВ и редко 220 кВ, когда напряжение от энергосистемы без трансформации вводится по схеме двойной транзитной сквозной магистрали на внутреннюю территорию предприятия. В этой схеме при напряжении 35 кВ понижающие трансформаторы устанавливаются непосредственно у зданий цехов и имеют низшее напряжение 0,69—0,4 кВ. Однако при напряжениях энергосистемы 110 — 220 кВ непосредственная трансформация на 0,69—0,4 кВ для цеховых сетей оказывается обычно нецелесообразной из-за сравнительно малой суммарной мощности потребителей отдельного цеха. В таких случаях может оказаться целесообразной промежуточная трансформация на напряжение 6—10 кВ на нескольких промежуточных понизительных подстанциях, каждая из которых должна питать свою группу цехов. В случаях крупных печных или специальных преобразовательных установках большой мощности может оказаться целесообразным трансформировать напряжение 110 или 220 кВ непосредственно на технологическое напряжение (обычно отличное от 0,69 или 0,4), устанавливая специальные для этого назначения понижающие трансформаторы непосредственно у зданий цехов.
На рис. 9-9, в приведена возможная схема электроснабжения промышленного предприятия с наличием трансформации, осуществляемой в месте перехода от схемы внешнего к схеме внутреннего электроснабжения, которая характерна для предприятий значительной мощности и большой территории.
На рис. 9-9, г дана схема при условии трансформации на два напряжения, что характерно для мощных предприятий, находящихся на значительном расстоянии друг от друга.

Рис. 9-9. Характерные схемы электроснабжения промышленных предприятий при питании их только от энергосистемы.

б) Питание от энергосистемы при наличии на промышленном предприятии собственной электростанции. На рис. 9-10 приведены характерные схемы электроснабжения промышленных предприятий при наличии на предприятии собственной электростанции. На рис. 9-10, а дана схема для случая, когда место расположения электростанции совпадает с центром электрических нагрузок предприятия и питание предприятия от энергосистемы осуществляется на генераторном напряжении. На рис. 9-10, б приведена схема для случая, когда электростанция находится в удалении от центра его электрических нагрузок, но питание от системы происходит на генераторном напряжении. На рис. 9-10, в представлена схема для случая, когда питание от системы осуществляется на повышенном напряжении и распределение электроэнергии по территории предприятия происходит на генераторном напряжении. Электростанция предприятия помещена вне центра электрических нагрузок.
На рис. 9-10, г изображена схема, условия которой аналогичны схеме, представленной на рис. 9-10, в, но трансформация производится на два напряжения.

Рис. 9-10. Характерные схемы электроснабжения предприятий, питающихся от энергосистемы и собственных электростанций.

В схемах на рис. 9-9, б и г, 9-10, в и г для питания от системы на напряжениях 35—220 кВ могут применяться варианты, приведенные на рис. 9-11. Схема на рис. 9-11, а (без выключателей на стороне высшего напряжения) рекомендуется как более дешевая в исполнении и не менее надежная в эксплуатации, чем схема на рис. 9-11, б. Однако применение схемы на рис. 9-11, а возможно только для тех случаев, когда операция по включению и отключению трансформаторов не производится ежедневно по причине соблюдения экономически целесообразного режима работы. Если отключение и включение трансформаторов происходит ежедневно, следует выбрать схему, представленную на рис. 9-11,6.

в) Питание только от собственной электростанции (рис. 9-12). Это имеет место весьма часто для предприятий, удаленных от сетей энергосистем, но по мере развития электрификации количество таких случаев будет все время уменьшаться.

Рис. 9-11. Схемы присоединения трансформаторов ГПП к сети энергосистемы напряжением 35—220 кВ.

Рис-9-12. Характерная схема электроснабжения при питании промышленного предприятия только от собственной электростанции, расположенной на его территории.

Внутреннее электроснабжение. Схемы электроснабжения обеспечивающие питание предприятия на его территории, ввиду большой разветвленности, большого количества аппаратов должны обладать в значительно большей степени, чем схемы внешнего электроснабжения, дешевизной и надежностью одновременно. Это положение обеспечивается тем, что в зависимости от конкретных требований обеспечения приемников и потребителей применяются различные схемы питания.
а) Схемы радиального питания. Радиальными являются такие схемы, в которых электрическая энергия от центра питания (электростанция предприятия, подстанция или распределительный пункт) передается прямо к цеховой подстанции, без ответвлений на пути для питания других потребителей. Из сказанного видно, что такие схемы должны обладать большим количеством отключающей аппаратуры и иметь значительное число питающих линий. Исходя из этого основного положения, характеризующего схемы радиального питания, можно сделать вывод, что применять их следует только для питания достаточно мощных потребителей. На рис. 9-13 приведены характерные схемы радиального питания для систем как внешнего, так и внутреннего электроснабжения промышленных предприятий.
Схема на рис. 9-13, а предназначается для питания потребителей 3-й категории или потребителей 2-й категории с пониженной ответственностью, где допустим перерыв в электроснабжении на срок до 1—2 сут. Схема на рис. 9-13, б предназначается для потребителей 2-й категории, перерыв питания у которых может быть допущен в пределах не более 1—2 ч. Схема на рис. 9-13, в предназначается для электроснабжения потребителей 1-й категории, но часто используется и для питания потребителей 2-й категории, перерыв в питании которых влечет за собой недоотпуск продукции, имеющих народнохозяйственное значение в масштабе страны.
б) Схемы магистрального питания. Магистральные схемы применяются в системе внутреннего электроснабжения предприятий в том случае, когда потребителей достаточно много и радиальные схемы питания явно нецелесообразны. Обычно магистральные схемы обеспечивают присоединение пяти-шести подстанций с общей мощностью потребителей не более 5000—6000 кВА. На рис. 9-14 приведена типичная схема магистрального питания. Эти схемы характеризуются пониженной надежностью питания, но дают возможность уменьшить число отключающих аппаратов высокого напряжения и более удачно скомпоновать потребителей для питания в группе по пяти-шести подстанций.

Рис. 9-13. Характерные радиальные схемы питания промышленного предприятия (схемы внутреннего электроснабжения).

Рис 9-14. Характерная магистральная схема питания промышленного предприятия в системе внутреннего электроснабжения.

В тех случаях, когда необходимо сохранить преимущества магистральных схем и обеспечить высокую надежность питания, следует прибегать к так называемой системе двойных транзитных (сквозных) магистралей (рис. 9-15). В этой схеме при повреждении любой из питающих магистралей высшего напряжения питание надежно обеспечивается по второй магистрали путем автоматического переключения потребителей на секцию шин низшего напряжения трансформатора, оставшегося в работе. Это переключение происходит со временем не более 0,1—0,2 с, что практически не успевает отразиться на электроснабжении потребителей.

Рис. 9-15. Характерная схема питания сквозными двойными магистралями в системе внутреннего электроснабжения предприятия.

в) Схемы смешанного питания. В практике проектирования и эксплуатации промышленных предприятий редко встречаются схемы, построенные только по радиальному или только по магистральному принципу питания. Обычно крупные и ответственные потребители или приемники питаются по радиальной схеме. Средние и мелкие потребители группируются, их питание проектируется по магистральному принципу. Такое решение позволяет создать схему внутреннего электроснабжения с наилучшими технико-экономическими показателями. На рис. 9-16 приведена такая комбинированная схема.

 

Рис. 9-16. Схема смешанного питания потребителей в системе внутреннего электроснабжения промышленного предприятия.

43. Выбор схемы распределительной сети предприятия.

 Выбор рациональной схемы электроснабжения наряду с выбором напряжения

является одним из главных вопросов, решаемых при разработке проекта реконст-

рукции системы электроснабжения. Оба данных вопроса рассматриваются в нераз-

рывной связи друг с другом.

    Проектируемая схема должна включать в себя элементы существующей при

соответствии их пропускной способности новым расчетным условиям. Равным об-

разом это касается ТП, РУ высокого напряжения, кабельных линий, токопроводов

и других элементов. При необходимости замены кабельных или воздушных линий,

их сечения выбираются на основании ТЭР /9/.

    Схема распределения электроэнергии строится с соблюдением принципов

приближения высокого напряжения к потребителям, отказа от холодного резерва,

раздельной работы линии и трансформаторов, глубокого секционирования. Схема

должна быть простой, удобной в эксплуатации, ремонтопригодной, предусматри-

вать применение комплектного электрооборудования и индустриальных способов

монтажа. При выборе схемы обязательно учитывается перспектива развития пред-

приятия на 8-10 лет. Существующая схема внешнего электроснабжения анализиру-

ется с точки зрения обеспечения требуемой степени бесперебойности питания. При

необходимости добавляются новые линии и трансформаторы.

Виды схем:

1)           Радиальные

2)           Магистральные

3)           Смешанные

Факторы влияющие на выбор схемы:

1)           Категория потребителя по надежности эл.снабж

2)           Расположение цехов относит. Друг друга и источника питания

3)           Режим работы эл. Оборудования в цехе, который определяет график нагрузки цеха

 

Радиальная схема — электроснабжение осуществляется линиями, не имеющими распределения энергии по их длинам (рис. 1, а). Такие линии называют радиальными. В электроснабжении городов радиальные линии называют питающими. Линии W1—W4 на рис. 1, а — радиальные. Питание потребителя П1 на рис. 1, а производится двумя линиями W1 и W2. Такая схема называется радиальной с резервированием. С целью повышения надежности, линии W1 и W2 приемников I категории подключают к разным НИП.

Рис. 1. Схемы электроснабжения: а— радиальная; б— магистральная; в— смешанная

Магистральная схема — линии, питающие потребителей (приемники), имеют распределение энергии по длине (рис. 1, б). Такие линии называют магистральными (линия W). При магистральном подключении ТП (на проходной ТП) целесообразно на некоторых из них на питающих или отходящих линиях использовать силовые выключатели с защитами, с целью локализации поврежденного участка сети и ограничения числа отключенных при этом ТП.

Смешанная схема — электроснабжение осуществляется радиальными и магистральными линиями. На рис. 1, в линия W1 — радиальная, W2 — магистральная, т. е. схема является смешанной.

Достоинство радиальных схем: максимальная простота; аварийное отключение радиальной линии не отражается на электроснабжении остальных потребителей.

Недостаток: большой расход кабельной продукции обусловливает высокую стоимость системы. Кроме того, при одиночных радиальных линиях невысока надежность электроснабжения.

Магистральные схемы имеют следующие достоинства:

— лучшая загрузка линий, т. к. к каждой линии подключена не одна, а группа ТП;

— меньший расход кабелей;

— на ЦП и РП нужно устанавливать меньшее количество выключателей.

Недостатки одиночных магистралей заключаются в трудностях при отыскании места повреждения магистрали и в более низкой надежности электроснабжения по сравнению с радиальной схемой. Последнее объясняется тем, что на надежность работы магистрали влияют показатели надежности стороны ВН ТП, включая силовые трансформаторы. Применение двухстороннего питания одиночных магистралей (петлевая схема) не решает проблемы обеспечения надежности и решения трудностей при отыскании места повреждения. Двойные магистрали с двухсторонним питанием (двухлучевые схемы) могут обеспечить достаточную надежность электроснабжения всех категорий электроприемников. Это обусловило их широкое распространение в электроснабжении городов.

С Сопоставив перечисленные схемы электроснабжения, можно сделать следующие выводы.

1. Наиболее простыми и отвечающими требованиям III категории надежности являются сети, выполненные по радиальной схеме без резервирования и с одиночными магистралями.

2. Требованиям II категории надежности отвечают широко распространенные магистральные многолучевые схемы, чаще всего двухлучевые.

3. Электроснабжение приемников I категории удобно производить с помощью радиальных схем с резервированием, а также двухлучевых схем. Во всех случаях питания приемников I категории должен применяться АВР.

В начало

Радиальные схемы электроснабжения в сетях до 1000 В

Радиальные схемы электроснабжения применяют в случаях, когда необходимо питать относительно мощные электроприемники, например электроприводы насосов, воздуходувок, дымососов и прочих установок, а также в случаях, когда электроприемники малые по мощности распределены неравномерно и сосредотачиваются группами на отдельных участках, как на схеме ниже:

Из показанной схемы видно, что от распределительного щита, установленного либо в помещении цеха, либо в помещении трансформаторной подстанции, отходят линии, которые запитывают либо другие распределительные щиты, от которых питаются электроприемники меньшей мощности, либо они непосредственно питают крупные электроприемники. Каждая линия подключена к главному распределительному щиту через защитный аппарат и отключающий аппарат, выполненный автоматическими выключателями или плавкими предохранителями.

Для линий небольшой мощности для удешевления и уменьшения габаритов главного распределительного щита иногда устанавливают общие отключающие аппараты на несколько линий.

Главным достоинством радиальной системы электроснабжения является ее высокая надежность и удобство в эксплуатации. При коротком замыкании на линии или обрыве провода от электроснабжения будет отключен только один потребитель (группа потребителей), который подключен к этой линии. А остальные в это время продолжают нормально работать.

Отключающие аппараты каждой линии в распределительном щите позволяют проводить осмотр и ремонт довольно удобно, так как каждый из аппаратов подключает или отключает только свою линию. Также удобно управлять всем электрооборудованием из одного пункта.

Естественно радиальная система не идеальна и имеет некоторые минусы:

• Много питающих линий;
• Увеличивается протяженность электросети и, как следствие, увеличения расходов цветных металлов и рост капитальных затрат;
• Возрастает число коммутирующей и защитной аппаратуры, установленной на распределительном щите, а это увеличивает его стоимость и габариты;

Ниже показана схема электроснабжения районной котельной с тремя котлами:

Из схемы видно, что все электроприемники питаются от двух трансформаторов (1,2), установленных на подстанции. От сборки на стороне низшего напряжения трансформатора проложены магистрали, питающие главный распределительный щит, который, в свою очередь, состоит из трех секций, из которых щиты 3,4 предназначены для питания силового электрооборудования. Щит устанавливается в отдельном запираемом помещении.

На главном распределительном щите находятся находятся переключатели 5,6,7, которые в случае аварии на одном из трансформаторов переключат нагрузку на другой, тем самым обеспечивая надежную работу котельной. Силовая сеть от главного распределительного щита строится по радиальной схеме, где каждая отходящая от главного щита линия 11,12,13,14 питает только один силовой пункт. Силовые пункты 15,16,17,18 расположены на участках, где группами сосредоточено основное электрооборудование котельной. Каждый электроприемник питается от силового пункта отдельной линией питания.

Схемы электроснабжения | Проектирование электроснабжения объектов горно-обогатительных предприятий | Архивы

Страница 21 из 32

1. СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПОСТРОЕНИЮ СХЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Основными, наиболее надежными и экономичными источниками питания электроэнергией горно-обогатительных предприятий являются электрические сети районных энергосистем.
Электрической сетью называется совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящей из подстанций, распределительных устройств, электростанций, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории.
Совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией, называется системой электроснабжения.
Приемник электрической энергии (электроприемник) — это аппарат (агрегат, механизм), предназначенный для преобразования электрической энергии в другой вид энергии.
Совокупность электроприемников и их электрической сети (включая секцию, или систему сборных шин, от которой осуществляется их электроснабжение), объединенных общностью технологического процесса и едиными требованиями к общему уровню надежности электроснабжения, составляет комплекс электроприемников.
Потребителем электрической энергии (потребителем) называется электроприемник, группа или комплекс электроприемников, объединенных в той или иной степени технологическим процессом и размещающихся на определенной территории.
Узел нагрузки — это секции (системы) сборных шин одного или нескольких распредустройств в совокупности с электроприемниками, комплексами электроприемников и электрической сетью, по которой осуществляется их электроснабжение от одного или нескольких распредустройств.
При проектировании систем электроснабжения должны быть рассмотрены следующие вопросы.

1. Перспектива развития системы электроснабжения с учетом рационального сочетания вновь сооружаемых электрических сетей с действующими, в том числе других классов напряжения.
2. Обеспечение комплексного централизованного электроснабжения всех потребителей, расположенных в зоне действия электрических сетей независимо от их ведомственной принадлежности.
3. Ограничение токов к.з. предельными значениями, определяемыми на перспективу.
4. Снижение потерь электрической энергии.

При этом следует рассматривать в комплексе внешнее и внутреннее электроснабжение с учетом возможностей и экономической целесообразности технологического резервирования. При решении задач резервирования необходимо учитывать перегрузочную способность элементов электроустановок, вид их обслуживания (постоянное дежурство, дежурство на дому, выездные бригады и др.) и наличие резерва в технологическом оборудовании.
Относя источники питания к категории независимых, надо учитывать характер изменения и уровень напряжения на вводе электроприемника, на секции (системы) сборных шин, от которых питается комплекс электроприемников, а также на секции (системе) сборных шин узла нагрузки в аварийном и послеаварийном режимах при расчетных видах отказов. Ремонтные аварийные и послеаварийные режимы следует учитывать при отнесении источников питания к категории независимых, принимая во внимание уровень напряжения в этих режимах при расчетных видах отказов на вводе электроприемника, на секции (системе) сборных шин, от которых питается комплекс электроприемников.

1. КАТЕГОРИЙНОСТЬ НАГРУЗОК

Режимы, связанные с проведением ремонтов (предупредительных и послеаварийных), требуется учитывать также при отнесении электроприемников, комплексов электроприемников и узлов нагрузки к той или иной категории надежности в зависимости от допустимой длитель
ности нарушения их электроснабжения в ремонтных режимах. Нормирование надежности электроприемников, комплексов электроприемников и узлов нагрузки осуществляется путем отнесения их к определенной категории надежности. В отношении требуемых кратностей и вида резервирования электроприемники, комплексы электроприемников и узлы нагрузки разделяются на три категории надежности в соответствии со следующими признаками.
К категории надежности I относятся электроприемники, комплексы электроприемников и узлы нагрузки, перерыв в электроснабжении которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, нанести значительный ущерб народному хозяйству, вызвать повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства.
К категории надежности II относятся электроприемники, комплексы электроприемников и узлы нагрузки, перерыв в электроснабжении которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих механизмов и промышленного транспорта.
К категории надежности III относятся все остальные электроприемники, комплексы электроприемников и узлы нагрузки, не подходящие под определение категорий I и II. Кроме того, в составе электроприемников и комплексов электроприемников категории I выделяется особая группа электроприемников и комплексов электроприемников, работа которых необходима:
для безаварийного останова технологического процесса в целях предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования;
для поддержания технологических установок в горячем резерве или поддержания технологического процесса в рабочем режиме со сниженной производительностью при сложных технологических процессах, требующих длительного времени их восстановления.
Электроснабжение электроприемников, комплексов электроприемников и узлов нагрузки различных категорий надежности должно осуществляться в соответствии с указанием глав 1 и 2 ПУЭ.
Электроприемники, комплексы электроприемников и узлы нагрузки категории I должны обеспечиваться электроэнергией не менее чем от двух независимых источников питания, а особой группы категории I — не менее чем от трех независимых источников питания. Нарушение электроснабжения для категории I допускается только на время автоматического восстановления напряжения.
Электроприемники, комплексы электроприемников и узлы нагрузки категории II должны обеспечиваться электроэнергией, как правило, от двух независимых источников питания. Нарушение электроснабжения для категории II допускается только на время, необходимое для включения резервного питания действиями местного оперативного (дежурного) персонала или персонала оперативно-выездных или оперативноремонтных бригад, но не более чем на 2 ч.
Электроприемники, комплексы электроприемников и узлы нагрузки категории III могут обеспечиваться электроэнергией от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения допускаются на время, необходимое для проведения аварийного ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, но не более 1        сут.

1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

 

Схемы электроснабжения следует строить исходя из следующих основных принципов [4].
Первый принцип — максимальное приближение источников высокого напряжения к электроустановкам потребителей в целях использования минимума сетевых звеньев, числа промежуточной трансформации и коммутации.
Второй принцип — отказ от »холодного» резерва. Специальные резервные, нормально не работающие линии и трансформаторы, как правило, не должны предусматриваться. Резерв закладывается в самой схеме электроснабжения, т.е. все элементы должны нести постоянную нагрузку, а в аварийных ситуациях оставшиеся в работе элементы электроснабжения должны быть способны принять на себя нагрузку временно выбывшего элемента в результате ее перераспределения между оставшимися в работе с учетом их категорийности.
Третий принцип — глубокое секционирование всех звеньев системы электроснабжения, начиная от шин подстанции и кончая сборными шинами вторичного напряжения цеховых подстанций.
Четвертый принцип — выбор режима работы элементов системы электроснабжения (линии, трансформаторы, токопроводы), принимая за основу режим раздельной работы, при котором снижаются токи к.з., упрощаются коммутация, релейная защита и системная автоматика. Режимы работы с параллельным включением элементов систем электроснабжения применяют при очень высоких требованиях к бесперебойности питания, когда АВР не удовлетворяет требованиям быстродействия восстановления питания либо в других обоснованных случаях.
Пятый принцип — безопасность, которая должна обеспечиваться рациональным расположением элементов электроснабжения, ясностью и простотой схемы, чтобы персонал даже средней квалификации мог успешно выполнять все необходимые операции.
Шестой принцип — надежность, обеспечивающая как эффективную долговременную эксплуатацию, так и работу с наименьшим числом отказов (тяжелые и долговременные аварии).
Седьмой принцип — гибкость электроснабжения, т.е. оно должно быть рассчитано на «рост» в случае необходимости расширения предприятия и должно допускать легкое приспособление к изменению технологических процессов.

Схемы электроснабжения | Электроснабжение промышленных предприятий | Архивы

Страница 4 из 14

Наиболее экономичной и надежной системой электроснабжения является такая, при которой источники высшего напряжения максимально приближены к потребителям электроэнергии, а прием электроэнергии рассредоточивается по нескольким пунктам. Происходит децентрализация электроснабжения. При этом сводятся к минимуму число сетевых звеньев и количество ступеней промежуточной трансформации и коммутации. Система электроснабжения строится таким образом, чтобы все ее элементы постоянно находились под нагрузкой. «Холодный» резерв в линиях и трансформаторах не применяется. При таком режиме работы уменьшаются потери электроэнергии и повышается надежность, так как долго находившийся в бездействии «холодный» резервный элемент может при его включении отказать в работе вследствие каких-либо неисправностей, образовавшихся в нем за это время и оказавшихся незамеченными. Так называемый «скрытый» резерв предусматривается в самой схеме электроснабжения, которая в послеаварийном режиме должна быть в состоянии принять на себя нагрузку временно выбывшего элемента путем перераспределения ее между оставшимися в работе частями сети с использованием перегрузкой способности электрооборудования. Восстановление питания потребителей производится автоматически с использованием простейшей автоматики на переменном оперативном токе. Применяется также автоматическое отключение неответственных потребителей на время послеаварийного режима, если питающие линии или трансформаторы даже с учетом перегрузки не могут обеспечить полное резервирование.

В большинстве случаев применяется раздельная работа элементов системы электроснабжения: линий, токопроводов, трансформаторов. При этом существенно снижается ток короткого замыкания и упрощается коммутация и релейная защита трансформаторов и вводов, на которых в некоторых случаях устанавливается только разъединитель или выключатель нагрузки или даже осуществляется глухое присоединение трансформаторов.
Благодаря применению автоматики надежность питания при раздельной работе в большинстве случаев оказывается не меньшей, чем при параллельной. Применяется секционирование всех звеньев системы электроснабжения от источника питания до сборных шин низкого напряжения ТП, а иногда и цеховых силовых распределительных пунктов. На секционных аппаратах предусматриваются простейшие схемы автоматического включения резерва (АВР). Это значительно повышает надежность питания.
Однако практика последнего времени показала, что при раздельной работе даже с применением АВР не всегда удается добиться необходимого быстродействия восстановления питания. На подстанциях с мощными синхронными двигателями нужно считаться с замедлением действия АВР, выполняемого по схеме с пуском по напряжению. Применение схемы с пуском по напряжению и по частоте хотя и улучшает положение, но не всегда обеспечивает своевременное действие АВР с точки зрения самозапуска электродвигателей. Иногда схема действует неселективно. При питании секций подстанции от разных источников имеется опасение включения несинхронных напряжений при действии АВР. Увеличились число и мощности электроприемников с большими и частыми толчками активной и реактивной нагрузки, передающимися в питающую электрическую сеть и вызывающими в ней соответствующие колебания напряжения, а иногда и частоты, недопустимые для других потребителей электроэнергии, питаемых от этой сети.
В связи с изложенным возникает вопрос о переходе в отдельных случаях на параллельную работу источников питания. При этом решении вводы или понижающие трансформаторы работают параллельно, секционный выключатель замкнут. При нарушении нормальной работы одной из цепей секционный выключатель автоматически отключается (см. § 1-2-7 ПУЭ).
Параллельная работа может оказаться целесообразной и необходимой:
при питании ударных резкопеременных нагрузок
электроприводы прокатных станов, электропечи, крупная электросварка;
если АВР не обеспечивает необходимое быстродействие восстановления питания с точки зрения самозапуска электродвигателей и при вероятности неселективного действия схемы;
если имеется вероятность включения несинхронных напряжений при действии АВР (например, при наличии заводской ТЭЦ).
Параллельная работа требует повышения качества электрооборудования и, в частности, повышения его отключающей и пропускной способности, что связано с увеличением затрат. Поэтому необходимость применения параллельной работы требует в каждом отдельном случае технико-экономического обоснования с учетом необходимой степени бесперебойности электроснабжения и эксплуатационной надежности той и другой схем.
Схемы электроснабжения строятся по ступенчатому принципу. Число ступеней определяется мощностью предприятия и размещением электрических нагрузок на его территории. Обычно применяется две-три ступени. При большем числе ступеней усложняются коммутация, защита и эксплуатация. Схемы с числом ступеней более двух применяются в отдельных случаях на периферийных участках, для питания отдельных выносных трансформаторов или же они возникают в процессе эксплуатации по мере роста предприятия.
На малых и некоторых средних предприятиях в ряде случаев целесообразно применение только одной ступени распределения энергии между пунктом приема энергии от системы и пунктами ее потребления — цеховыми ТП или упомянутыми выше электроприемниками высокого напряжения; вторая ступень применяется лишь для отдельных удаленных от приемного пункта потребителей.

Под первой ступенью распределения энергии имеются в виду сети на напряжение 110—220 кВ, соединяющие источники питания предприятия (УРП, ТЭЦ, ГПП) с ПГВ, если распределение производится при напряжении 110—220 кВ, или же сети между ГПП и распределительными пунктами (РП), если распределение производится при напряжении 6—10 кВ. Под второй ступенью распределения энергии подразумеваются распределительные сети на напряжение 6—10 кВ, идущие от PП или распредустройства вторичного напряжения ПГВ к цеховым ТП или же отдельным электроприемникам высокого напряжения: электродвигателям, электропечам, преобразователям и др.
На первой ступени распределения энергии применяются:
магистральные или радиальные линии глубоких вводов 110 (220) кВ при передаваемых по ним мощностях около 50 MB • А и более;
магистральные (иногда радиальные) токопроводы 6—10 кВ при передаваемых мощностях свыше 15—20 до 60—80 MB-А;
магистральные или радиальные кабельные сети 10 или 6 кВ при передаваемых по ним мощностях менее 15— 20 MB-А.
При сопоставлении и выборе схем с глубокими вводами 110—220 кВ или магистральными токопроводами 6—10 кВ, кроме передаваемых мощностей, необходимо также учитывать следующие соображения. Если по условиям размещения нагрузок и построения генплана возможно без особых затруднений осуществить принцип дробления подстанций и глубокие вводы 110 кВ, то необходимость в токопроводах отпадает. Если же размещение большого числа подстанций 35—220 кВ и прохождение воздушных линий глубоких вводов представляет затруднение, то применяются токопроводы. Окончательное решение принимается при построении генплана на основании технико-экономического расчета. Иногда одновременно применяются обе эти прогрессивные системы. Примером такого сочетания может служить схема электроснабжения крупного комбината, приведенная на рис. 17.

Electric Power System — Производство, передача и распределение электроэнергии

Типовая схема системы электроснабжения (производство, передача и распределение электроэнергии) и элементы системы распределения

Что такое электроэнергетическая система?

Электроэнергетическая система или электрическая сеть известна как большая сеть электростанций, которые подключены к потребителям нагрузки .

As, хорошо известно, что « Энергия не может быть создана или уничтожена , но может быть преобразована только из одной формы энергии в другую форму энергии».Электрическая энергия — это форма энергии, при которой мы передаем эту энергию в виде потока электронов. Итак, электрическая энергия получается путем преобразования различных других форм энергии. Исторически сложилось так, что мы делали это с помощью химической энергии, используя элементы или батареи.

Однако, когда произошло изобретение генератора, это стало методом сначала преобразовать некоторую форму энергии в механическую форму энергии, а затем преобразовать ее в электрическую форму энергии с помощью генератора. Генераторы вырабатывают два типа мощности переменного и постоянного тока.Тем не менее, 99% существующих энергосистем используют генераторы переменного тока.

Электроэнергия значительно выросла за два столетия благодаря гибкости, которую она обеспечивает для ее использования. Разнообразие использования привело к монотонному росту спроса. Однако по мере увеличения нагрузки или спроса практически одно требование остается неизменным. То есть мы должны сгенерировать количество, необходимое для нагрузки, в этот самый момент, потому что это большое количество не может быть сохранено для удовлетворения такого высокого объема спроса.

Следовательно, выработка электроэнергии происходит одновременно с тем, как мы ее используем. К тому же наш спрос всегда меняется. Следовательно, с ней меняется и поколение. Помимо меняющегося спроса, различается и тип потребляемого нами тока. Эти вариации ставят множество ограничений и условий. Это причина сложных и больших диспетчерских по всей энергосистеме.

Сеть из линий между генерирующей станцией (электростанцией) и потребителем электроэнергии можно разделить на две части.

• Система передачи
• Система распределения

Мы можем изучить эти системы в других категориях, таких как первичная передача и вторичная передача , а также первичная передача и вторичная распределительная . Это показано на рисунке 1 ниже (однолинейная или однолинейная схема типовой схемы энергосистемы переменного тока).

Необязательно, чтобы все ступени, которые засеваются на фиг.1, должны быть включены в другие схемы питания.Может быть разница. Например, во многих схемах нет вторичной передачи, в других (малых) схемах энергосистемы нет передачи энергии, а есть только распределение.

Основная цель системы электроснабжения — получить электроэнергию и сделать ее безопасной для точки нагрузки, где она используется в пригодной для использования форме. Это выполняется в пять этапов, а именно:

1. Генерирующая станция
2. Первичная передача
3. Вторичная передача
4. Первичная распределительная
5. Вторичная распределительная

Следующие части типовой схемы электроснабжения показаны на рисунке 1.

Рис. 2: Типовая схема системы электроснабжения переменного тока (производство, передача и распределение)

После этих пяти уровней энергия должна быть доступна в указанной форме с точки зрения величин напряжения, частоты и согласованности. Генерация означает преобразование формы энергии в электрическую. Передача подразумевает транспортировку этой энергии на очень большие расстояния с очень высокой величиной напряжения. Кроме того, распределение удовлетворяет потребности потребителей на сертифицированном уровне напряжения, и это осуществляется по фидерам.Питатели — это маленькие-маленькие куски груза, физически распределенные в разных местах.

Похожие сообщения:

Давайте объясним все вышеперечисленные уровни один за другим.

Генерирующая или генерирующая станция

Место, где электроэнергии, вырабатываемой параллельно соединенными трехфазными генераторами / генераторами, называется генерирующей станцией (т. Е. Электростанцией).

Обычная мощность электростанции и генерирующее напряжение могут составлять 11 кВ , 11.5 кВ 12 кВ или 13 кВ . Но с экономической точки зрения целесообразно увеличивать производимое напряжение с (11 кВ, 11,5 кВ или 12 кВ) до 132 кВ, , 220 кВ, или 500 кВ, или более (в некоторых странах, до 1500 кВ ) на шаг вверх. трансформатор (силовой трансформатор).

Генерация — это часть энергосистемы, в которой мы преобразуем некоторую форму энергии в электрическую. Это источник энергии в энергосистеме. Он работает все время.Он вырабатывает электроэнергию при разных уровнях напряжения и мощности в зависимости от типа станции и используемых генераторов. Максимальное количество генераторов вырабатывает электроэнергию на уровне напряжения около 11кВ-20кВ . Повышенный уровень напряжения приводит к увеличению требуемого размера генератора и, следовательно, к стоимости.

В настоящее время мы используем следующие генерирующие станции в основном по всему миру: —

1. Тепловая электростанция
2. Электростанция Hydel (гидроэлектрическая)
3. Атомная электростанция
4. Дизельная электростанция
5. Газовая электростанция
6. Солнечная энергия электростанция
7. Приливная электростанция
8. Ветряная электростанция.И т. Д.

С помощью этих электростанций мы вырабатываем электроэнергию на разных уровнях напряжения и в разных местах в зависимости от типа электростанции. Они используются для разных целей, а именно.

• Установка базовой нагрузки : — Когда установка используется для обработки потребности в базовой нагрузке в системе
• Установка пиковой нагрузки : — Когда установка предназначена для обработки потребности в пиковой нагрузке в системе

Соответственно, установка рассчитана на то, чтобы выдерживать нагрузку.Эта категоризация важна для качества электроэнергии. Также важно, что мощность должна генерироваться в тот же момент, когда нагрузка принимает мощность. Итак, поскольку мы знаем тип нагрузки и примерный размер нагрузки на станции, выбирается другой тип генерирующей станции.

Например; Тепловая установка, установка Hydel, атомная установка, солнечная установка, ветряная установка и приливная установка выбраны для обработки базовой нагрузки на систему, тогда как газовые установки, дизельные установки используются для обработки пиковой нагрузки.Это в основном определяется характером времени, которое им требуется в процессе начала подачи энергии. Установки с базовой нагрузкой требуют больше времени для выдачи мощности, тогда как установки с пиковой нагрузкой должны запускаться очень быстро, чтобы удовлетворить спрос.

Связанное сообщение: Почему кабели и линии передачи энергии не закреплены на электрических столбах и опорах передачи?

Первичная передача

Электроснабжение (в 132 кВ , 220 кВ , 500 кВ или больше) передается к центру нагрузки по трехфазному трехпроводному соединению ( 3 фазы — 3 провода , также известному как Соединение треугольником ) система воздушной передачи.

Поскольку уровень генерируемого напряжения составляет около ( 11-20 ) кВ , а спрос находится на различных уровнях напряжения и в очень удаленных от электростанции местах. Например, генерирующая станция может генерировать напряжение 11 кВ, но центр нагрузки находится на расстоянии 1000 км друг от друга и на уровне 440 В .

Следовательно, для доставки электроэнергии на такое большое расстояние необходимо устройство, которое сделает это возможным.Следовательно, система передачи необходима для доставки электроэнергии. Это стало возможным благодаря использованию линий передачи разной длины. Практически во всех случаях это воздушные линии электропередачи. Некоторые исключения случаются, когда необходимо пересечь океан. Затем возникает необходимость использовать подземные кабели.

Но по мере того, как система росла и требовалась нагрузка, задача в этом процессе становилась очень сложной. При низком уровне напряжения величина тока, протекающего по линии при высокой нагрузке, больше, и, следовательно, падение напряжения из-за сопротивления и реактивного сопротивления линии передачи очень велико.Это приводит к большим потерям в линиях передачи и снижению напряжения на стороне нагрузки.

Это влияет на стоимость системы и работу оборудования, используемого потребителями. Итак, трансформатор используется для повышения уровня напряжения на определенные значения в диапазоне от 220 кВ до 765 кВ . Это делает текущее значение меньше для той же нагрузки, которая будет иметь более высокие значения тока при определенной нагрузке. Текущее значение может быть рассчитано по формуле: —

Где = действующее значение линейного напряжения

= действующее значение линейного тока

* обозначает сопряжение вектора.

Повышенный спрос и ограничение местоположения генерирующей станции сделали возможным потребность в очень сложной системе, называемой «Grid». Эта система объединяет несколько генерирующих станций, генерирующих напряжение на разных уровнях, которые соединяются вместе в виде комбинированной системы.

Это позволяет системе работать с различными центрами нагрузки, и это обеспечивает отличную систему с более высокой надежностью. В настоящее время эта система выросла до размеров страны. Еще одна система, которая используется сейчас, — это использование HVDC.HVDC используется для больших расстояний и иногда используется для соединения двух сетей с разными уровнями напряжения или частоты. HVDC также обеспечивает более низкие потери на коронный разряд, меньшие помехи связи, устранение индуктивного эффекта и устранение рабочей частоты.

Линии передачи различаются по размерам. Этот размер определяет его характеристики и поведение в системе. Например, в длинных линиях передачи напряжение на стороне потребителя становится выше своего номинального значения в условиях малой нагрузки из-за преобладающей емкостной природы линий передачи.

Вторичная передача

Район вдали от города (окраина), соединенный линиями с приемными станциями, называется вторичной передачей . На приемной станции уровень напряжения понижается понижающими трансформаторами до 132 кВ, 66 или 33 кВ , и электроэнергия передается по трехфазной трехпроводной ( 3 фазы — 3 провода ) воздушной сети в разные подстанции .

Первичное распределение

На подстанции уровень напряжения вторичной передачи ( 132 кВ, 66 или 33 кВ ) снижен до 11 кВ при понижении преобразуется в .

Как правило, электроснабжение обеспечивается тем потребителям с большой нагрузкой (коммерческое электроснабжение промышленных предприятий), где потребность составляет 11 кВ, от линий, на которые подается напряжение 11 кВ (в трехфазной трехпроводной воздушной системе), и они создают отдельную подстанцию контролировать и использовать тяжелую энергию в промышленности и на заводах.

В остальных случаях для потребителей с большей нагрузкой (в крупных масштабах) потребность составляет до 132 кВ или 33 кВ. Таким образом, электроснабжение обеспечивало их напрямую вторичной передачей или первичным распределением (в 132 кВ, 66 кВ или 33 кВ), а затем понижало уровень напряжения с помощью понижающих трансформаторов на их собственной подстанции для использования (т.е. для электрической тяги и т. д.).

Когда линии электропередачи приближаются к центрам спроса, уровень напряжения снижается, чтобы сделать его практичным для распределения в различных местах нагрузки. Таким образом, мощность берется из сети и снижается до 30-33кВ , в зависимости от мест, куда она подается. Затем он передается на подстанции. Например, напряжение системы на уровне подстанции в Индии составляет 33 кВ .

Связанные сообщения:

На подстанциях предусмотрено множество механизмов управления, чтобы сделать подачу электроэнергии управляемым и непрерывным процессом без особых помех.Эти подстанции подают питание на более мелкие блоки, называемые « Feeders ». Это осуществляется с помощью « воздушных линий » или « подземных кабелей ». Эти фидеры находятся в городах или деревнях, или это может быть какая-то группа предприятий, которая берет энергию от подстанции и преобразует ее уровень напряжения в соответствии с ее собственным использованием.

Для домашнего использования , напряжение дополнительно снижается до 110–230 В ( фаза на землю ) для использования людьми с другим коэффициентом мощности.Совокупный объем спроса — это нагрузка на всю систему, которая должна быть сгенерирована в этот момент.

В зависимости от схемы распределительной сети она подразделяется на радиальную или кольцевую. Это придает системе разную степень надежности и стабильности. Все эти системы защищены с помощью различных схем защиты, включающих автоматические выключатели, реле, ограничители молнии, заземляющие провода и т. Д.

Многие измерительные и чувствительные элементы также связаны, такие как «Трансформатор тока» и « Трансформатор потенциала », а также измерения в целом. места от подстанций до фидеров до мест потребителей.

Вторичное распределение

Электроэнергия передается (от первичной распределительной линии, например, 11 кВ) на распределительную подстанцию, известную как вторичное распределение . Данная подстанция расположена вблизи бытовых и потребительских территорий, где уровень напряжения понижен до 440В понижающими трансформаторами .

Эти трансформаторы называются Распределительные трансформаторы , трехфазная четырехпроводная система (3 фазы — 4 провода, также известные как Соединение звездой ).Таким образом, между любыми двумя фазами и 230 В ( однофазное питание ) между нейтралью и фазным (живым) проводом имеется 400 Вольт (трехфазная система питания) .

Жилая нагрузка (например, вентиляторы, освещение, телевизор и т. Д.) Может быть подключена между одной фазой и нулевым проводом, а трехфазная нагрузка может быть подключена непосредственно к трехфазным линиям.

Короче говоря, вторичное распределение электроэнергии можно разделить на три части, такие как фидеры, распределители и линии обслуживания (подробности ниже).

Связанное сообщение:

Комбинированный процесс энергосистемы

Вся структура энергосистемы состоит из источника (генерирующая станция), передачи (передача и распределение) и нагрузки (потребителя). Задачи: —

• Номинальное напряжение и частота до центров нагрузки.
• Надежность системы, обеспечивающая непрерывную подачу электроэнергии.
• Гибкость системы, обеспечивающая доступность питания при различных уровнях напряжения
• Более быстрое устранение неисправностей, чтобы система работала хорошо в течение более длительного времени и увеличивалась срок ее службы
• Стоимость электроэнергии должна быть как можно ниже
• Потери в системе должно быть как можно ниже.

Рис. 3: Комбинированный процесс энергосистемы

Все эти цели достигаются за счет использования различных комплектов генерирующих станций, систем передачи, систем распределения и повышенного качества оборудования безопасности.

В любой момент наша нагрузка меняется в разной степени. Следовательно, чтобы следовать за спросом, поколение должно измениться и догнать спрос. Для этого существует множество механизмов управления, таких как регулирующий клапан на тепловых станциях, регулирующие стержни на атомных станциях, которые изменяют количество вырабатываемой энергии. И для этой цели существует набор мер, направленных на передачу спроса на генерирующую станцию. Это PLC, SCADA, волоконно-оптическая связь, GSM-связь и т. Д.

Кроме того, в энергосистеме используются некоторые методы оценки состояния для прогнозирования потребности в нагрузке в различные моменты времени. Это помогает определить количество энергии, которое необходимо произвести в нужное время. Теперь, с появлением новых технологий, очень многообещающим является использование «мягких вычислений» для управления работой энергосистемы. Кроме того, он сопровождается различным программным обеспечением и численными методами. Следовательно, можно констатировать, что этапы, на которых работает энергосистема, следующие: —

• Изменение потребности в нагрузке
• Связь между подстанцией и генерирующей станцией
• Операции управления на генерирующих станциях
• Непрерывная оценка изменений на подстанции востребован

Современная энергосистема работает и буквально обрабатывает такое большое количество электроэнергии с помощью этих четырех основных этапов.Чем лучше регулируется подаваемая мощность, тем выше будет качество электроэнергии, потому что качество энергии — это просто поддержание номинального значения напряжения и частоты в каждом месте. Эта цель достигается только тогда, когда вся система работает в постоянной координации и эффективности.

Поскольку наша нагрузка меняется от состояния с небольшой нагрузкой до состояния с высокой нагрузкой, подстанция связывается с генерирующей станцией, чтобы увеличить выработку электроэнергии, и продолжает проверять требования, чтобы обеспечить непрерывную подачу электроэнергии.

Обмен данными осуществляется в соответствии с величиной нагрузки и стоимостью, задействованной в процессе. Более того, это увеличение спроса затем подтверждается генерирующей станцией путем изменения мощности, потребляемой генератором. Кроме того, от генерирующей станции до центров нагрузки существуют различные уровни (а именно, передача и распределение).

Следовательно, для обеспечения качества и надежности электроэнергии используется множество устройств для эффективного выполнения различных механизмов управления, которые включают системы управления неисправностями, системы повышения коэффициента мощности, системы измерения и т. Д.

Все эти операции выполняются непрерывно в любой энергосистеме по всему миру, чтобы обеспечить возможность и эффективность подачи энергии. С увеличением спроса произошло увеличение изобретений различных устройств.

Кроме того, доходы, полученные от распределения электроэнергии, сделали возможным дальнейшее изобретение и использование новых технологий. Это позволяет нам использовать энергию в такой простой форме, тогда как на самом деле многие сложные операции выполняются постоянно.

ниже представляет собой полную типичную схему системы электроснабжения переменного тока, другими словами, вся история, приведенная выше на рис. 4.

Щелкните изображение, чтобы увеличить

Рис. 4: Типовая схема системы электроснабжения (производство, передача и распределение Электроэнергия)

Элементы системы распределения

Вторичное распределение можно разделить на три части следующим образом.

1. Фидеры
2. Дистрибьюторы
3. Сервисные линии или сервисная сеть

Связанная должность: Проектирование системы заземления в сети подстанции

Рис. 5: Элементы распределительной системы

Фидеры

Те линий электропередач, которые соединяют генерирующую станцию ​​(электростанцию) или подстанцию ​​с распределителями, называются фидерами .Помните, что ток в фидерах (в каждой точке) постоянный, а уровень напряжения может быть разным. Ток, протекающий в фидерах, зависит от размера проводника. Рис. 5.

Распределители

Те ленты, которые извлекаются для подачи электроэнергии к потребителям или линиям, от которых потребители получают прямое электроснабжение, известны как распределители, как показано на рис. 5. Ток различается в каждой секции. У распределителей при этом напряжение может быть таким же.Выбор распределителей зависит от падения напряжения и может быть рассчитан на различный уровень падения напряжения. Это потому, что потребители должны получать номинальное напряжение в соответствии с правилами и конструкцией.

Полезно знать: основное различие между фидером и распределителем заключается в том, что ток в фидере такой же (в каждой секции), с другой стороны, Напряжение одинаково в каждой секции распределителя

Соответствующий пост : Техническое обслуживание трансформатора — силовые трансформаторы Техническое обслуживание, диагностика и мониторинг

Сервисные линии или сервисная сеть

Обычный кабель, который подключается между распределителями и терминалом нагрузки потребителя, называемый сервисной линией или сервисной сетью. другими словами, кабель, который был подключен к линиям электропередачи 11 кВ (взят от понижающего трансформатора) для получения трехфазного или однофазного источника питания. Фаза или питание нейтрали составляет 230 В переменного тока (110 в США ) и 440 В переменного тока (208 в США ) в трехфазной системе (между фазами).

Статьи по теме:

Система электроснабжения | Схема источника питания переменного тока

Система электроснабжения:

Передача электроэнергии от электростанции к помещениям потребителей известна как Система электроснабжения.

Система электроснабжения состоит из трех основных компонентов, а именно электростанции, линий передачи и системы распределения. Электроэнергия вырабатывается на электростанциях, которые расположены в благоприятных местах, как правило, вдали от потребителей. Затем он передается на большие расстояния к центрам нагрузки с помощью проводов, известных как линии передачи. Наконец, он распространяется среди большого количества мелких и крупных потребителей через распределительную сеть.

Систему электроснабжения в целом можно отнести к

(i) d.c. или c. система

(ii) надземная или подземная система.

В настоящее время, 3-фазный, 3-проводный переменный ток Система повсеместно принята для производства и передачи электроэнергии как экономичное предложение. Однако распределение электроэнергии осуществляется по 3-фазному, 4-х проводному переменному току. система. Подземная система дороже, чем надземная. Поэтому в нашей стране для передачи и распределения электроэнергии в основном * принята воздушная сеть.

Схема источника питания переменного тока:

Большая сеть проводов между электростанцией и потребителями может быть в общих чертах разделена на две части, а именно, систему передачи и систему распределения. Каждую часть можно дополнительно разделить на две части: первичная передача и вторичная передача, первичная передача и вторичная передача. Рис. 7.1. показывает схему типичного переменного тока. схема электроснабжения по однолинейной схеме. Можно отметить, что необязательно, чтобы все схемы питания включали все каскады, показанные на рисунке.Например, в определенной схеме мощности может не быть вторичной передачи, а в другом случае схема может быть настолько маленькой, что будет только распределение, а не передача.

1.Генераторная станция: На Рис. 7.1 G.S. представляет собой генерирующую станцию, где электроэнергия вырабатывается 3-фазными генераторами переменного тока, работающими параллельно. Обычное напряжение генерации — 11 кВ. Для экономии при передаче электроэнергии напряжение генерации (т.е. 11 кВ) повышается до 132 кВ (или более) на генерирующей станции с помощью трехфазных трансформаторов.Передача электроэнергии при высоком напряжении имеет несколько преимуществ, включая экономию материала проводника и высокую эффективность передачи. Может показаться целесообразным использовать максимально возможное напряжение для передачи электроэнергии для экономии материала проводника и получения других преимуществ. Но есть предел, до которого это напряжение можно увеличить. Это связано с тем, что повышение напряжения передачи приводит к проблемам с изоляцией, а также к увеличению стоимости распределительного и трансформаторного оборудования.Следовательно, выбор подходящего напряжения передачи — это, по сути, вопрос экономики. Обычно первичная передача осуществляется при напряжении 66, 132, 220 или 400 кВ.

2. Первичная передача: Электроэнергия 132 кВ передается по трехфазной трехпроводной воздушной сети на окраину города. Это формирует первичную передачу.

3. Вторичная передача: Первичная линия передачи оканчивается на приемной станции (RS), которая обычно находится на окраине города.На приемной станции напряжение понижается до 33 кВ понижающими трансформаторами. С этой станции электроэнергия 33 кВ передается по трехфазной трехпроводной воздушной сети на различные подстанции (ПС), расположенные в стратегических точках города. Это формирует вторичную передачу. Рис.7.2

4. Первичное распределение: Вторичная линия передачи оканчивается на подстанции (ПС), где напряжение снижается с 33 кВ до 11 кВ, трехфазное, трехпроводное. Линии 11 кВ проходят вдоль основных дорог города.Это формирует первичное распределение. Можно отметить, что крупным потребителям (имеющим потребность более 50 кВт), как правило, предоставляется мощность 11 кВ для дальнейшей обработки на их собственных подстанциях.

5. Вторичное распределение: Электроэнергия от первичной распределительной линии (11 кВ) подается на распределительные подстанции (ДР). Эти подстанции расположены вблизи населенных пунктов потребителей и понижают напряжение до 400 В, 3-х фазные, 4-х проводные для вторичного распределения. Напряжение между любыми двумя фазами составляет 400 В, а между любой фазой и нейтралью — 230 В. Однофазная осветительная нагрузка в жилых помещениях подключается между любой одной фазой и нейтралью, тогда как трехфазная нагрузка двигателя 400 В подключается к трехфазным линиям. напрямую.

Здесь стоит упомянуть, что вторичная распределительная система состоит из фидеров, распределителей и обслуживающей сети. На рис. 7.2 показаны элементы системы распределения низкого напряжения. Питатели (SC или SA), излучающие электроэнергию от распределительной подстанции (DS). Подают электроэнергию распределителям (AB, BC, CD и AD). Прямое подключение от фидеров к потребителю не предоставляется. Вместо этого потребители подключаются к дистрибьюторам через свои сервисные сети.

Примечание. Практическая энергосистема имеет большое количество вспомогательного оборудования (например, предохранители, автоматические выключатели, устройства контроля напряжения и т. Д.). Однако такое оборудование не показано на рис. 7.1. Это потому, что количество информации, включенной в диаграмму, зависит от цели, для которой диаграмма предназначена. Здесь наша цель — показать общую схему энергосистемы. Поэтому расположение автоматических выключателей, реле и т. Д. Не имеет значения.

Далее структура энергосистемы представлена ​​однолинейной схемой.Полная трехфазная цепь редко требуется для передачи даже самой подробной информации о системе. Фактически, полная диаграмма скорее скроет, чем прояснит информацию, которую мы ищем с точки зрения системы.

Типовые схемы электроснабжения резервных и производственных генераторных установок

Турбины и дизельные двигатели

Основными типами первичных двигателей, используемых в генераторных установках с приводом от двигателя для промышленных объектов и коммерческих зданий, являются Дизельные двигатели, газовые турбины и паровые турбины .Турбины используются в основном для производственных установок, тогда как дизельные двигатели могут использоваться как для производственных, так и для резервных агрегатов.

Типовые схемы электропитания для резервных и производственных генераторных установок

Темы, затронутые в этой статье, не зависят от типа используемого первичного двигателя, поэтому будет использоваться общий термин генераторная установка . Выбор первичного двигателя определяется такими соображениями, как наличие и тип топлива, и не рассматривается в этой технической статье.

Так как дизельные двигатели используются очень часто, будет дана некоторая конкретная информация о дизель-генераторных установках.

Резервные генераторные установки

Типичный источник питания основных нагрузок для коммерческих зданий, небольших промышленных объектов или для аварийного питания блочных подстанций на более крупном объекте показан на рисунке 1.

В нормальных условиях эксплуатации основная нагрузка подается от электросети. При пропадании этого питания срабатывает автоматический выключатель Q3 , генераторная установка запускается, а затем нагрузка питается от резервной генераторной установки путем включения автоматического выключателя генератора Q2 .

Рис. 1 — Типичное аварийное питание для небольших промышленных предприятий

Критические нагрузки, которые не могут выдержать перебоев в электроснабжении, питаются от ИБП. ИБП оснащен статическим переключателем, который немедленно отключит выпрямительный / инверторный модуль в случае внутренней неисправности и, таким образом, обеспечит непрерывную подачу электроэнергии.

Типичные размеры генераторной установки для этой схемы: от 250 кВА до кВА 800 кВА. Достоинством этой схемы является ее простота и понятность.Все основные нагрузки подключаются к той же сборной шине, что и генераторная установка, поэтому отключение нагрузки не требуется. Время резервного питания ИБП обычно может быть ограничено до 10 минут , поскольку ИБП будет питаться от аварийного источника питания.

Как обычное, так и резервное питание ИБП следует брать от основной шины.

Для крупных промышленных объектов часто используется централизованная система аварийного электроснабжения, как показано на рисунке 2. Главный аварийный распределительный щит обычно питается от электросети, хотя на некоторых участках одна из генераторных установок может работать постоянно.

Аварийный распределительный щит спроектирован так, чтобы генераторные установки могли работать параллельно, а также быть подключенными к электросети .

Рисунок 2 — Типичное аварийное электроснабжение для крупных промышленных объектов

Автоматический переход от электросети к аварийному электроснабжению выполняется на каждой блочной подстанции. Поскольку аварийный распределительный щит обычно находится под напряжением, можно использовать быстрые переключения без потери нагрузки установки.

Использование централизованного аварийного электроснабжения имеет следующие преимущества:

1. меньшее количество генераторных установок для объекта (обычно максимум 2),
2. постоянно включенный аварийный источник питания, позволяющий использовать схемы быстрого переключения,
3. без потерь аварийного питания за счет обслуживания одной генераторной установки.

Генераторные установки для таких систем обычно находятся в диапазоне 1–4 МВт .

Нагрузочные испытания генератора 500 кВА

2. Производственные генераторные установки

На удаленных объектах, не имеющих электроснабжения, используются несколько генераторных установок. Типичная распределительная система показана на рисунке 3.

Количество установок N будет зависеть от требуемой мощности, но поскольку генераторные установки требуют периодического обслуживания, мощность станции должна быть обеспечена от установок N — 1 без каких-либо сброс нагрузки .

Размер генераторной установки должен быть таким, чтобы она была загружена на минимум на 50% . Плохой коэффициент нагрузки может нанести вред комплектам. Например, дизельные двигатели с нагрузкой менее 30% не будут достигать хорошей рабочей температуры , что приведет к плохому сгоранию и ухудшению качества смазочного масла.

Рисунок 3 — Промышленная площадка без коммунального снабжения

Также следует учитывать работу завода на N — 2 наборах , этот случай имеет место, когда один набор находится в обслуживании и есть потеря дополнительного набора.Наивысший коэффициент начальной нагрузки F , который может использоваться с N установленными генераторами, так что сброс нагрузки не требуется для режима N — 2 может быть определен из:

Например, самый высокий коэффициент нагрузки для N = 6 будет 80%. Автоматические выключатели для шинопровода часто используются для технического обслуживания . Во время нормальной работы установки все автоматические выключатели шинопровода нормально замкнуты. При расчетах короткого замыкания всегда следует принимать во внимание работу с N генераторами, так как обычно подключаются резервные агрегаты перед отключением агрегатов для обслуживания.

Источник питания, использующий локальную генерацию, обычно намного слабее, чем источник питания от электросети, и поэтому вполне вероятно, что для поддержания стабильности системы в аварийных условиях потребуется сброс нагрузки.

Определение того, какая нагрузка должна быть сброшена, требует динамического моделирования сети для различных условий неисправности, таких как потеря генератора или короткое замыкание. Перед исследованием необходимо определить, какие рабочие конфигурации следует учитывать.

Условия эксплуатации с автоматическим выключателем шинопровода как в разомкнутом, так и в замкнутом положениях значительно увеличивают сложность системы отключения нагрузки, поскольку каждая шина может работать независимо и потребует определенных критериев отключения нагрузки. Для большинства предприятий рекомендуется использовать только стандартную рабочую конфигурацию для динамического моделирования и определения стратегии сброса нагрузки.

На рисунке 3 показан каждый генератор с собственным трансформатором.Использование генераторных трансформаторов имеет несколько преимуществ:

1. Обеспечивает гибкость в выборе напряжения генератора,
2. Снижает пиковый ток короткого замыкания на главной плате,
3. Позволяет использовать заземление генератора с высоким сопротивлением (снижает возможное повреждение генератора) .

Турбинный генератор, работающий на природном газе, 1 мегаватт

Ссылка // Интеграция местного производства электроэнергии на промышленных объектах и ​​в коммерческих зданиях Т.Hazel (Schneider Electric)

Классификация источников питания и ее различные типы

Блок питания — это часть оборудования, которое используется для преобразования мощности, подаваемой из розетки, в полезную для многих частей внутри электрического устройства. Каждый источник энергии должен управлять своей нагрузкой, которая к нему подключена. В зависимости от конструкции блок питания может получать энергию от различных типов источников энергии, таких как системы передачи электроэнергии, электромеханические системы, такие как генераторы и генераторы переменного тока, преобразователи солнечной энергии, устройства хранения энергии, такие как аккумулятор и топливные элементы, или другие источник питания.Существуют два типа источников питания: переменного и постоянного тока. В зависимости от электрических характеристик электрического устройства оно может использовать питание переменного или постоянного тока.

Что такое блок питания?

Источник питания можно определить как электрическое устройство, используемое для подачи электроэнергии на электрические нагрузки. Основная функция этого устройства — изменение электрического тока от источника на точное напряжение, частоту и ток для питания нагрузки. Иногда эти блоки питания можно назвать преобразователями электроэнергии.Некоторые типы расходных материалов представляют собой отдельные элементы нагрузки, тогда как другие изготавливаются в виде устройств, которыми они управляют.

Блок-схема источника питания

Схема источника питания используется в различных электрических и электронных устройствах. Цепи питания подразделяются на различные типы в зависимости от мощности, которую они используют для обеспечения цепей или устройств. Например, схемы на основе микроконтроллера обычно представляют собой схемы регулируемого источника питания (RPS) 5 В постоянного тока, которые могут быть спроектированы с помощью различных методов для изменения мощности с 230 В переменного тока на 5 В постоянного тока.

Блок-схема источника питания и пошаговое преобразование 230 В переменного тока в 12 В постоянного тока обсуждаются ниже.

• Понижающий трансформатор преобразует 230 В переменного тока в 12 В.
• Мостовой выпрямитель используется для преобразования переменного тока в постоянный.
• Конденсатор используется для фильтрации пульсаций переменного тока и подает их на регулятор напряжения.
• Наконец, регулятор напряжения регулирует напряжение до 5 В и, наконец, используется блокирующий диод для измерения пульсирующей формы волны.

Блок-схема источника питания

Классификация источников питания и их различные типы

Здесь мы обсудим различные типы источников питания, которые существовали на рынке.В таблице ниже указаны основные типы источников питания для следующих условий.

	ВЫХОД = DC	ВЫХОД = AC
INPUT = AC	Настенное зарядное устройство Настенное зарядное устройство Стендовое зарядное устройство	Изолирующий трансформатор Переменный источник питания переменного тока Преобразователь частоты
ВХОД = DC

Переменный источник питания переменного тока

трансформатор.Трансформатор может иметь несколько обмоток или ответвлений, и в этом случае прибор использует переключатели для выбора различных уровней напряжения. В качестве альтернативы можно использовать регулируемый трансформатор (регулируемый автотрансформатор) для непрерывного изменения напряжения. Некоторые источники переменного тока включают измерители для контроля напряжения, тока и / или мощности.

Переменный источник питания переменного тока

Нерегулируемый линейный источник питания

Нерегулируемый источник питания содержит понижающий трансформатор, выпрямитель, конденсатор фильтра и спускной резистор.Этот тип источника питания из-за простоты является наименее дорогостоящим и наиболее надежным для требований низкого энергопотребления. Главный недостаток — непостоянство выходного напряжения. Оно будет варьироваться в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки, и пульсации не подходят для электронных приложений. Пульсации можно уменьшить, заменив конденсатор фильтра на фильтр LC (катушка индуктивности-конденсатор), но стоимость будет выше.

Нерегулируемый линейный источник питания

Входной трансформатор

Входной трансформатор используется для преобразования входящего линейного напряжения до необходимого уровня источника питания.Он также изолирует выходную цепь от сети. Здесь мы используем понижающий трансформатор.

Выпрямитель

Выпрямитель, используемый для преобразования входящего сигнала из формата переменного тока в необработанный постоянный ток. Пожалуйста, обратитесь по этим ссылкам. Доступны различные типы выпрямителей: однополупериодный и двухполупериодный выпрямители.

Конденсатор фильтра

Импульсный постоянный ток от выпрямителя подается на сглаживающий конденсатор. Это устранит нежелательную рябь в пульсирующем постоянном токе.

Сглаживающий резистор

Сдувающий резистор

также известен как резистор стока источника питания. Он подключается к конденсаторам фильтра для отвода накопленного заряда, поэтому источник питания системы не представляет опасности.

Программируемый источник питания

Этот тип источника питания позволяет дистанционно управлять его работой через аналоговый вход или цифровые интерфейсы, такие как GPIB или RS232. Контролируемые свойства этого источника питания включают ток, напряжение, частоту.Эти типы расходных материалов используются в широком спектре приложений, таких как производство полупроводников, генераторов рентгеновского излучения, мониторинг роста кристаллов, автоматическое тестирование оборудования.

Как правило, в этих типах источников питания используется необходимый микрокомпьютер для управления, а также мониторинга работы источника питания. Блок питания, снабженный интерфейсом компьютера, использует стандартные (или) проприетарные протоколы связи и язык управления устройством, такой как SCPI (стандартные команды для программируемых инструментов)

Блок питания компьютера

Блок питания в компьютер — это часть оборудования, которая используется для преобразования мощности, подаваемой из розетки, в полезную мощность для нескольких частей компьютера.Он преобразует переменный ток в постоянный.

Он также контролирует перегрев с помощью управляющего напряжения, которое может изменяться вручную или автоматически в зависимости от источника питания. Блок питания или блок питания также называют преобразователем мощности или блоком питания.

В компьютере внутренние компоненты, такие как корпуса, материнские платы и блоки питания, доступны в различных конфигурациях, размеры которых известны как форм-фактор. Все эти три компонента должны быть хорошо согласованы, чтобы правильно работать вместе.

Регулируемый линейный источник питания

Регулируемый линейный источник питания аналогичен нерегулируемому линейному источнику питания, за исключением того, что вместо резистора утечки используется трехконтактный стабилизатор. Основная цель этого источника питания — обеспечить нагрузку требуемым уровнем мощности постоянного тока. Источник питания постоянного тока использует источник переменного тока в качестве входа. Для разных приложений требуются разные уровни атрибутов напряжения, но в настоящее время источники питания постоянного тока обеспечивают точное выходное напряжение. И это напряжение регулируется электронной схемой, так что оно обеспечивает постоянное выходное напряжение в широком диапазоне выходных нагрузок.

Блок-схема регулируемого источника питания

Здесь представлена ​​основная принципиальная схема регулируемого линейного источника питания, представленная ниже.

Регулируемый линейный источник питания

Основные характеристики этого источника питания включают следующее.

• КПД этого источника питания колеблется от 20 до 25%.
• В качестве магнитных материалов, используемых в этом источнике питания, используются сердечники из CRGO или стали.
• Он более надежный, менее сложный и громоздкий.
• Дает более быстрый ответ.

К основным преимуществам линейного источника питания можно отнести надежность, простоту, дешевизну и низкий уровень шума.Наряду с этими преимуществами есть некоторые недостатки, такие как

Они лучше всего подходят для нескольких приложений с низким энергопотреблением, в результате, когда требуется высокая мощность; недостатки становятся более очевидными. К недостаткам этого источника питания можно отнести большие потери тепла, габариты и низкий КПД. Когда линейный источник питания используется в приложениях большой мощности; для управления мощностью требуются большие компоненты.

Сглаживание

После выпрямления из сигнала переменного тока необходимо сглаживать постоянный ток, чтобы удалить изменяющийся уровень напряжения.Для этой цели обычно используются конденсаторы большой емкости.

Регулятор напряжения

Линейный регулятор имеет активное (BJT или MOSFET) проходное устройство (последовательное или шунтирующее), управляемое дифференциальным усилителем с высоким коэффициентом усиления. Он сравнивает выходное напряжение с точным опорным напряжением и регулирует проходное устройство для поддержания постоянного уровня выходного напряжения. Есть два основных типа линейных источников питания. Узнайте больше о различных типах регуляторов напряжения с принципом работы.

Регулятор серии

Это наиболее широко используемые регуляторы для линейных источников питания.Как следует из названия, в схему помещается последовательный элемент, как показано на рисунке ниже, и его сопротивление изменяется с помощью управляющей электроники, чтобы гарантировать, что правильное выходное напряжение генерируется для потребляемого тока. Концепция

последовательного регулятора напряжения или последовательного регулятора прохода

Шунтирующий регулятор

Шунтирующий регулятор менее широко используется в качестве основного элемента в регуляторе напряжения. При этом переменный элемент размещается поперек нагрузки, как показано ниже. Сопротивление истока установлено последовательно со входом, а шунтирующий регулятор регулируется, чтобы гарантировать, что напряжение на нагрузке остается постоянным.

Шунтирующий регулятор напряжения с обратной связью

Импульсный источник питания (SMPS)

SMPS имеет выпрямитель, фильтрующий конденсатор, последовательный транзистор, регулятор, трансформатор, но он более сложен, чем другие источники питания, которые мы обсуждали.

Импульсный источник питания

Показанная выше схема представляет собой простую блок-схему. Напряжение переменного тока выпрямляется до нерегулируемого постоянного напряжения с помощью последовательного транзистора и регулятора. Этот постоянный ток прерывается до постоянного высокочастотного напряжения, что позволяет значительно уменьшить размер трансформатора и позволяет использовать источник питания гораздо меньшего размера.Недостатки этого типа источника питания состоят в том, что все трансформаторы должны изготавливаться по индивидуальному заказу, а сложность источника питания не подходит для низкопроизводительных или экономичных применений с низким энергопотреблением. Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать все о SMPS.

Импульсный источник питания (SMPS)

Источник бесперебойного питания (ИБП)

ИБП — это резервный источник питания, который в случае сбоя или колебаний напряжения дает достаточно времени для правильного отключения системы или для резервного генератора. запускать.ИБП обычно состоит из группы аккумуляторных батарей и схем измерения и кондиционирования мощности. Кроме того, ознакомьтесь с принципиальной схемой ИБП и различными типами, пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о принципиальной схеме и работе ИБП.

Источник бесперебойного питания (ИБП)

Источник питания постоянного тока

Источник постоянного тока — это источник постоянного напряжения, обеспечивающий постоянное напряжение на нагрузке. Согласно его плану, источник питания постоянного тока может управляться от источника постоянного тока или от источника переменного тока, такого как сеть электропитания.

Источник питания постоянного тока

Это все о различных типах источников питания, в том числе линейных источниках питания, импульсных источниках питания, источниках бесперебойного питания. Кроме того, для реализации проектов в области электроники и электротехники или любой информации о типах источников питания вы можете оставить свой отзыв, чтобы дать свои предложения, комментарии в разделе комментариев ниже.

Руководство по основам импульсного источника питания

Аннотация: Импульсные источники питания — популярный, а иногда и необходимый выбор для преобразования энергии постоянного тока в постоянный.Эти схемы предлагают явные преимущества и недостатки по сравнению с альтернативными методами преобразования энергии постоянного тока. В этой статье представлен краткий обзор преимуществ и недостатков импульсных источников питания, а также предлагается простой обзор их работы и теории.

Эта статья также была опубликована в Maxim’s Engineering Journal, vol. 61 (PDF, 440кБ).

Учитывая, что многие электронные устройства требуют нескольких уровней постоянного напряжения, разработчикам нужен способ преобразования стандартных потенциалов источника питания в напряжения, определяемые нагрузкой.Преобразование напряжения должно быть универсальным, эффективным и надежным процессом. Импульсные источники питания (SMPS) часто используются для обеспечения различных уровней выходной мощности постоянного тока, необходимых для современных приложений, и незаменимы для создания высокоэффективных и надежных систем преобразования мощности постоянного тока в постоянный.

Почему SMPS?

Большинство электронных нагрузок постоянного тока питаются от стандартных источников питания. К сожалению, стандартные напряжения источника могут не соответствовать уровням, требуемым микропроцессорами, двигателями, светодиодами или другими нагрузками, особенно когда напряжение источника не регулируется.Устройства с батарейным питанием являются яркими примерами проблемы: типичное напряжение стандартной батареи Li + или NiMH либо слишком высокое / низкое, либо слишком сильно падает во время разряда для использования в обычных приложениях.

Универсальность

К счастью, универсальность SMPS решает проблему преобразования стандартного напряжения источника в пригодное для использования заданное выходное напряжение. Существует множество топологий SMPS, которые классифицируются по фундаментальным категориям — эти источники питания повышают, понижают, инвертируют или даже повышают и понижают входное напряжение.В отличие от линейных регуляторов, которые могут только понижать входное напряжение, SMPS привлекательны тем, что можно выбрать топологию, подходящую практически для любого выходного напряжения.

Настройка

Кроме того, современные ИС SMPS спроектированы с различными уровнями интеграции, что позволяет инженеру выбирать среди топологий с более или менее стандартными функциями SMPS, внесенными в ИС. Поступая таким образом, производители облегчают проектирование широко используемых источников питания для конкретных приложений или предлагают инженерам базовые ИС SMPS для индивидуальных проектов, тем самым повышая универсальность этих широко используемых устройств.

Эффективность

Инженеры также сталкиваются с другой распространенной проблемой — как эффективно преобразовать мощность постоянного тока. Например, часто требуется понизить входное напряжение для достижения более низкого выходного напряжения. Простым решением является использование линейного регулятора, поскольку для этого устройства требуется всего несколько конденсаторов и адекватное управление температурой. Однако там, где такая простота заканчивается, начинается неэффективность — даже до неприемлемых уровней, если разность напряжений велика.

КПД линейного регулятора напрямую зависит от мощности, падающей на его проходной транзистор.Это падение мощности может быть значительным, поскольку рассеиваемая мощность равна I _LDO × (V _IN — V _OUT ). Например, при понижении нагрузки 100 мА от батареи 3,6 В до выхода 1,8 В на линейном регуляторе падает 0,18 Вт. Это падение мощности дает низкий КПД 50%, что сокращает срок службы батареи на 50% (при условии идеальной работы).

Понимая эту потерю эффективности, добросовестный инженер стремится найти улучшенное решение, и именно здесь SMPS выделяется.Хорошо спроектированный SMPS может достичь КПД 90% или более, в зависимости от уровней нагрузки и напряжения. Как и в предыдущем примере, при использовании понижающего ИИП типа Рис. 1 вместо линейного регулятора наблюдается КПД 90%. Это повышение эффективности на 40% по сравнению с линейным регулятором. Преимущество понижающего SMPS очевидно, и аналогичный или более высокий КПД наблюдается в других топологиях SMPS.

Рис. 1. MAX8640Y используется в простой понижающей схеме SMPS.

Хотя высокий КПД является основным преимуществом конструкций SMPS, другие преимущества, естественно, возникают как прямой результат минимизации потерь мощности. Например, в SMPS наблюдается уменьшенный тепловой след по сравнению с его менее эффективными аналогами. Это преимущество означает снижение требований к управлению температурным режимом. Кроме того, что более важно, увеличивается срок службы за счет повышения надежности, поскольку компоненты не подвергаются чрезмерному нагреву, как это было бы в менее эффективной системе.

Топологии SMPS и теория преобразования

Как упоминалось в предыдущем разделе, SMPS могут преобразовывать входное напряжение постоянного тока в другое выходное напряжение постоянного тока в зависимости от топологии схемы. Хотя в мире инженерии используется множество топологий SMPS, три из них являются фундаментальными и встречаются чаще всего. Эти топологии (см. Рис. 2 ) классифицируются в соответствии с их функцией преобразования: понижающие (понижающие), повышающие (повышающие) и повышающие / понижающие (понижающие-повышающие или инверторные).Пути заряда / разряда индуктора, показанные на диаграммах на Рисунке 2, обсуждаются в следующих параграфах.

Рис. 2. Понижающий, повышающий и понижающий-повышающий составляющие составляют фундаментальные топологии SMPS.

Все три основные топологии включают переключатель MOSFET, диод, выходной конденсатор и катушку индуктивности. MOSFET, который является активно управляемым компонентом в схеме, подключен к контроллеру (не показан). Этот контроллер подает прямоугольный сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) на затвор полевого МОП-транзистора, тем самым включая и выключая устройство.Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, контроллер определяет выходное напряжение SMPS и изменяет рабочий цикл (D) прямоугольного сигнала, определяя, как долго полевой МОП-транзистор остается включенным в течение каждого периода переключения (T _S ). Значение D, которое представляет собой отношение времени включения прямоугольной волны к периоду ее переключения (T _ON / T _S ), напрямую влияет на напряжение, наблюдаемое на выходе SMPS. Это соотношение проиллюстрировано в уравнениях 4 и 5.

Включенное и выключенное состояния полевого МОП-транзистора делят схему SMPS на две фазы: фазу заряда и фазу разряда, каждая из которых описывает передачу энергии катушки индуктивности (см. петли на рисунке 2).Энергия, накопленная в катушке индуктивности во время фазы зарядки, передается выходной нагрузке и конденсатору во время фазы разряда. Конденсатор поддерживает нагрузку, пока индуктор заряжается, и поддерживает выходное напряжение. Эта циклическая передача энергии между элементами схемы поддерживает выходное напряжение на должном уровне в соответствии с ее топологией.

Катушка индуктивности играет центральную роль в передаче энергии от источника к нагрузке во время каждого цикла переключения. Без него SMPS не работал бы при переключении MOSFET.Энергия (E), запасенная в индукторе (L), зависит от его тока (I):

Таким образом, изменение энергии в индукторе измеряется изменением его тока (ΔI _L ), что связано с к напряжению, приложенному к нему (V _L ) в течение определенного периода времени (ΔT):

(ΔI _L ) является линейным нарастанием, поскольку постоянное напряжение подается на индуктор во время каждой фазы переключения ( Рисунок 3 ). Напряжение индуктора во время фазы переключения можно определить, выполнив петлю напряжения Кирхгофа, уделяя особое внимание полярности и соотношениям V _IN / V _OUT .Например, напряжение индуктора повышающего преобразователя во время фазы разряда составляет — (V _OUT — V _IN ). Поскольку V _OUT > V _IN , напряжение на катушке индуктивности отрицательное.

Рис. 3. Характеристики напряжения и тока подробно описаны для установившегося индуктора.

Во время фазы заряда полевой МОП-транзистор включен, диод смещен в обратном направлении, и энергия передается от источника напряжения к катушке индуктивности (рис. 2). Ток в катушке индуктивности нарастает, потому что напряжение V _L положительное.Кроме того, выходная емкость передает энергию, накопленную в предыдущем цикле, на нагрузку, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. Во время фазы разряда полевой МОП-транзистор отключается, а диод становится смещенным в прямом направлении и, следовательно, проводит ток. Поскольку источник больше не заряжает катушку индуктивности, клеммы катушки индуктивности меняют полярность, поскольку она разряжает энергию на нагрузку и пополняет выходной конденсатор (рис. 2). Ток катушки индуктивности снижается по мере передачи энергии в соответствии с тем же соотношением передачи, указанным ранее.

Циклы заряда / разряда повторяются и поддерживают установившееся состояние переключения. Во время перехода схемы в установившееся состояние ток индуктора нарастает до своего конечного уровня, который представляет собой суперпозицию постоянного тока и нарастающего переменного тока (или пульсирующего тока индуктора), возникающего во время двух фаз схемы (рисунок 3). Уровень постоянного тока связан с выходным током, но зависит от положения катушки индуктивности в цепи SMPS.

Импульсный ток должен быть отфильтрован SMPS, чтобы подать на выход истинный постоянный ток.Это фильтрующее действие осуществляется выходным конденсатором, который мало противодействует высокочастотному переменному току. Нежелательная пульсация выходного тока проходит через выходной конденсатор и поддерживает заряд конденсатора, пока ток проходит на землю. Таким образом, выходной конденсатор также стабилизирует выходное напряжение. Однако в неидеальных приложениях эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) выходного конденсатора вызывает пульсации выходного напряжения, пропорциональные току пульсаций, протекающему через него.

Таким образом, энергия передается между источником, катушкой индуктивности и выходным конденсатором для поддержания постоянного выходного напряжения и питания нагрузки. Но как передача энергии ИИП определяет коэффициент преобразования выходного напряжения? Это соотношение легко вычислить, если понимать установившееся состояние применительно к периодическим сигналам.

Чтобы быть в устойчивом состоянии, переменная, которая повторяется с периодом T _S , должна быть равна в начале и в конце каждого периода.Поскольку ток катушки индуктивности является периодическим из-за фаз заряда и разряда, описанных ранее, ток катушки индуктивности в начале периода ШИМ должен равняться току катушки индуктивности в конце. Это означает, что изменение тока индуктора во время фазы заряда (ΔI _CHARGE ) должно соответствовать изменению тока индуктора во время фазы разряда (ΔI _DISCHARGE ). Приравнивая изменение тока индуктора для фаз заряда и разряда, достигается интересный результат, который также называют правилом вольт-секунды:

Проще говоря, произведение напряжения индуктора на время во время каждой фазы цепи равно .Это означает, что, наблюдая за схемами SMPS на Рисунке 2, можно без особых усилий найти идеальные установившиеся отношения преобразования напряжения / тока. Для понижающей схемы петля напряжения Кирхгофа вокруг цепи фазы заряда показывает, что напряжение индуктора является разницей между V _IN и V _OUT . Аналогично, напряжение индуктора во время цепи фазы разряда составляет -V _OUT . Используя правило вольт-секунды из уравнения 3, определяется следующий коэффициент преобразования напряжения:

Кроме того, входная мощность (P _IN ) равна выходной мощности (P _OUT ) в идеальной схеме.Таким образом, найден коэффициент преобразования тока:

Из этих результатов видно, что понижающий преобразователь уменьшает V _IN в D раз, в то время как входной ток является D-кратным току нагрузки. В таблице 1 перечислены коэффициенты преобразования для топологий, изображенных на рисунке 2. Как правило, все коэффициенты преобразования SMPS можно найти с помощью метода, используемого для решения уравнений 3 и 5, хотя сложные топологии может быть более трудным для анализа.

Таблица 1.Коэффициенты преобразования SMPS

Топология	Коэффициент преобразования напряжения	Коэффициент преобразования тока
Понижающий	V ВЫХ / V IN = D	I IN / I OUT = D
Повышение	В ВЫХ / V ВХОД = 1 / (1 — D)	I IN / I OUT = 1 / (1 — D)
Повышение / понижение	V ВЫХ / V IN = D / (1 — D)	I IN / I OUT = D / (1 — D)

Недостатки и недостатки ИИП

Конечно, высокий КПД, обеспечиваемый ИИП, имеет свои недостатки.Возможно, наиболее часто упоминаемая проблема импульсных преобразователей — это их склонность к излучению электромагнитных помех (EMI) и кондуктивным шумам. Электромагнитное излучение вызывается быстрыми переходами сигналов переключения тока и напряжения, которые существуют в цепях SMPS. Быстро меняющиеся напряжения в узле индуктора вызывают излучаемые электрические поля, в то время как токи быстрого переключения в контурах заряда / разряда создают магнитные поля. Однако кондуктивный шум распространяется на входные и выходные цепи, когда входные / выходные емкости SMPS и паразитные характеристики печатной платы представляют более высокие импедансы для коммутирующих токов.К счастью, правильное размещение компонентов и разводка печатной платы могут успешно бороться с электромагнитными помехами и снижать уровень шума. SMPS

также могут быть довольно сложными и требовать дополнительных внешних компонентов, что может привести к увеличению общей стоимости источника питания. К счастью, большинство производителей ИС SMPS предоставляют подробную литературу не только о работе устройства, но и о правильном выборе внешних компонентов. Кроме того, высокий уровень интеграции в современные ИС SMPS может уменьшить количество требуемых внешних компонентов.

Несмотря на эти проблемы, SMPS широко используются во многих приложениях. С недостатками можно справиться, а эффективность и универсальность, получаемые от их использования, очень желательны и часто требуются.

Основные принципы проектирования источников питания для печатных плат

Одним из самых фундаментальных законов физики является Закон сохранения энергии, который можно резюмировать следующим образом:

«В замкнутой системе энергия не может быть создана или уничтожена, она только меняет форму.”

В принципе, это можно интерпретировать как изолированную систему, которая не взаимодействует с какой-либо внешней силой, сохраняет постоянный уровень внутренней энергии. Эта предпосылка послужила катализатором для многих схем построения самоподдерживающихся энергетических систем, которые могли бы работать вечно. Пока что полностью изолировать систему так, чтобы не было накопления или потери энергии, оказалось трудным. Это означает, что системы, требующие энергии, необходимо периодически подзаряжать, как и мы.

Требуется подзарядка

Цепи питания являются источником подзарядки электронных систем и печатных плат.Некоторые платы содержат подсхемы питания; однако печатные платы также часто используются в качестве источников питания. Эти платы на самом деле являются преобразователями, поскольку они преобразуют входной источник энергии в выход, который соответствует требованиям нагрузки, системы или схемы. Независимо от требований к источнику и нагрузке, всегда важно сделать сборку вашей платы неотъемлемой частью макета печатной платы для вашего дизайна. Сначала давайте обсудим различные типы цепей питания, а затем определим основы проектирования источников питания, которые следует применять при их разработке.

Типы плат питания

Являясь преобразователями или мостами между входным электрическим источником и электронной нагрузкой, цепи питания можно классифицировать в одну из групп в таблице ниже.

Типы цепей питания
Выходы		Выход переменного тока	Выход постоянного тока
Вход переменного тока		Изоляция, преобразователь частоты	Выпрямитель
Вход постоянного тока		Инвертор	Преобразователь постоянного тока в постоянный

Как показано выше, схемы источника питания в основном используются для изменения энергии из одного состояния в другое, переменного в постоянный или наоборот, для изменения уровней, повышения или понижения напряжения или частоты.Источники питания AC-AC также могут использоваться для изоляции входных цепей от выходов. В дополнение к перечисленным выше типам цепи питания можно разделить на регулируемые и нерегулируемые. К регулируемым источникам питания относятся устройства для поддержания уровня выходного напряжения. Эти регуляторы напряжения отсутствуют в нерегулируемых источниках питания, а выходная мощность зависит от входа и изменения тока нагрузки.

Цепи питания также классифицируются по принципу действия. Двумя основными рабочими типами являются линейный и переключаемый или переключаемый.

Линейный источник питания

Пример схемы линейного источника питания

Линейный источник питания, указанный выше, используется для преобразования сетевого входа переменного тока, первичной стороны трансформатора TR1, в постоянный ток для распределения. Эта схема включает в себя регулятор напряжения IC1, который будет обеспечивать постоянное напряжение независимо от нагрузки R1. Этот линейный источник питания демонстрирует базовую работу этих схем, которые могут иметь множество различных конфигураций. Линейные источники питания обычно используются в системах с низким энергопотреблением.Преимуществами являются простота, невысокая стоимость, надежность и низкий уровень шума; однако они неэффективны, что вызывает большую озабоченность в приложениях с более высокой мощностью.

Импульсный источник питания

Альтернативой использованию линейного источника питания является импульсный источник питания или SMPS, показанный на рисунке ниже.

Пример схемы блока питания SMPS

Блок питания SMPS содержит коммутационную схему; например, транзистор T1 выше, который преобразует выпрямленный постоянный ток из мостовой схемы B1 в высокочастотный переменный ток.Уровень частоты определяется или устанавливается управляющим сигналом, который включает и выключает транзистор. В приведенной выше схеме выходной сигнал сглаживается или регулируется LC-фильтром перед подачей на нагрузку R1. Как правило, схемы SMPS более сложны, чем линейные источники питания, и переключение вызывает шум, который может создавать электромагнитные помехи, которые могут повлиять на маршрутизацию трассировки во время разводки печатной платы. Однако эти источники питания более эффективны и могут использовать меньшие компоненты, чем линейные источники питания.SMPS чаще всего используются в цифровых системах.

Основы проектирования источников питания

При разработке SMPS или печатной платы линейного источника питания есть общие проблемы. К ним относятся тепловые характеристики, электромагнитные помехи или шум, а также в зависимости от веса меди на уровне мощности. Еще одно важное соображение — это конструкция фильтра блока питания. Хотя ваши конкретные требования к конструкции будут диктовать конкретный выбор конструкции, существуют общие основы проектирования источников питания для печатных плат, которым следует всегда следовать, как указано ниже.

• Оптимизируйте свой дизайн фильтрации

Производительность вашей схемы фильтрации зависит от выбора соответствующих значений компонентов для компонентов фильтра, индуктивности, емкости и сопротивления. Поскольку фактические доступные значения компонентов могут не совпадать с расчетными значениями, вам следует использовать комбинацию значений компонентов, которая обеспечивает наилучший отклик, определенный с помощью моделирования.

• Выберите соответствующую массу меди

Токи блока питания могут быть довольно высокими; Следовательно, необходимо убедиться, что ширина дорожек и толщина или вес меди могут выдерживать необходимые токи.Также важно убедиться, что ваша компоновка соответствует допускам зазоров, установленным правилами DFM вашего контрактного производителя (CM).

• Выберите материал в соответствии с типом платы

Для цепей большой мощности убедитесь, что ваша плата может выдерживать уровни температуры, которые будут генерироваться путем выбора материалов с подходящим коэффициентом теплового расширения (CTE). Для ИИП, если это высокоскоростная конструкция, такие свойства, как диэлектрическая постоянная, dk, коэффициент рассеяния, df, диэлектрические потери, потери в проводнике, Ploss, становятся важными и должны определять ваш выбор материала.

• Убедитесь, что ваша плата имеет достаточное рассеивание тепла

Одна, если не самая большая проблема для плат блока питания — это отвод избыточного тепла. Очень важно, чтобы ваша конструкция включала адекватные методы рассеивания тепла. Например, использование термопрокладок и радиаторов. Напротив, для сборки печатной платы также важно, чтобы ваша плата имела соответствующее тепловое сопротивление, чтобы можно было достичь хорошего качества паяного соединения.

Защита от перегрузки источника питания с использованием метода ограничения тока Foldback

Ключевые выносы

• Метод ограничения тока обратной связи в линейных источниках питания — это метод, используемый для удержания рассеиваемой мощности в безопасных пределах.

• Отвод выходного тока в источниках питания потенциально снижает тепловые, электрические и механические напряжения в компонентах схемы, продлевая срок службы этих компонентов.

• В режиме ограничения постоянного тока источник питания никогда не срабатывает до нуля. Метод ограничения тока с обратной связью отключает источник питания, и при этом выходное напряжение будет равно нулю.

Большая часть наших требований к напряжению удовлетворяется импульсными источниками питания (SMPS).В то время как легкие и высокоэффективные функции SMPS делают его постоянным элементом в бытовой электронике, его аналог, линейный источник питания, чаще встречается в радиочастотных (RF) схемах. Линейный источник питания очень надежен и невосприимчив к электромагнитным помехам, особенно радиочастотным, что делает его отличным выбором для радиочастотных и микроволновых схем. Обсуждая линейный источник питания, мы не можем игнорировать линейные регуляторы напряжения и связанную с ними рассеиваемую мощность. Метод ограничения тока обратной связи в линейных источниках питания — это метод, используемый для удержания рассеиваемой мощности в безопасных пределах.Он также защищает линейные источники питания от сбоев и перегрузок.

Метод ограничения тока обратной связи в линейных источниках питания

Возникновение условий перегрузки по току, перегрузки и короткого замыкания может повредить линейные источники питания и повлиять на общий срок службы источника питания. Для защиты линейных источников питания от таких неисправностей обычно используются несколько методов ограничения тока. Одной из таких схем защиты от перегрузки по току является метод ограничения тока обратной связи.Метод ограничения обратного тока линейно снижает выходное напряжение и выходной ток в условиях перегрузки и перегрузки по току, что приводит к ограничению рассеиваемой мощности.

Рассмотрим линейный источник питания с входным напряжением Vi, выходным напряжением Vo и выходным током Io. Рассеиваемая мощность линейного регулятора определяется следующим уравнением:

При увеличении подключенной нагрузки от источника потребляется больший выходной ток, что приводит к увеличению рассеиваемой мощности.Линейный источник питания пытается поддерживать постоянное напряжение, пока значение выходного тока не достигнет точки перегиба, как показано на изображении выше. Это момент, когда срабатывает схема ограничения тока обратной связи. После достижения точки перегиба схема ограничения тока обратной связи уменьшает выходной ток линейно с выходным напряжением. Выходной ток уменьшается до более низкого значения, а выходное напряжение линейно движется с током к нулевому значению. Когда текущее значение равно Isc, выходное напряжение источника питания будет нулевым.

Поскольку напряжение Vo и ток Io имеют тенденцию к снижению при работе схемы ограничения тока обратной связи, то же самое происходит и с рассеиваемой мощностью в линейном источнике питания. Такое отведение выходного тока назад потенциально снижает тепловые, электрические и механические напряжения в компонентах схемы и тем самым продлевает срок их службы. Выход из режима ограничения тока обратной связи может быть автоматическим или после временной задержки при снятии перегрузки.

Сравнение ограничения тока обратной связи с ограничением постоянного тока

Источники питания предназначены для подачи постоянного напряжения на нагрузку.Когда источник питания перегружен, выходной ток увеличивается и может превышать максимальный номинальный ток источника. Когда источник питания поставляется с функцией ограничения постоянного тока, источник питания переходит из режима постоянного напряжения в режим постоянного тока при перегрузках. Он продолжает снижать напряжение в режиме ограничения постоянного тока. Однако при использовании метода ограничения постоянного тока источник питания никогда не срабатывает до нуля. В этом режиме блок питания отключается, и выходное напряжение будет равно нулю.

Подобно ограничению обратного тока, метод ограничения постоянного тока также имеет значение ограничения тока, которое определяет, когда источник питания должен быть переключен в режим постоянного тока. Ограничение постоянного тока часто встречается в SMPS, тогда как метод обратной связи является наиболее распространенной защитой в линейных регулируемых источниках питания. В схеме защиты с ограничением постоянного тока источник питания вернется в режим постоянного напряжения после устранения перегрузки.

В условиях короткого замыкания ток, потребляемый от источника питания, не уменьшается линейно в методе ограничения постоянного тока, что приводит к значительному рассеянию мощности.Источник питания выходит из строя, когда схема ограничения постоянного тока поддерживает максимальное значение тока до тех пор, пока короткое замыкание не будет устранено. Схема ограничения тока с обратной связью снижает ток короткого замыкания и обеспечивает нагрузку требуемым током при номинальном выходном напряжении. Рассеивание мощности в источниках питания с ограничением тока обратной связи сравнительно невелико в условиях короткого замыкания.

Варианты схем обратной связи по току

Схема защиты от перегрузки по току, используемая в источниках питания, может быть разных типов.Есть схемы, в которых совмещены токовые ограничения и токовые фолдбэки. Основными 3 типами цепей обратной связи по току являются:

1) Ограничитель тока, обратная связь по току

Недостаточную точность схемы обратной связи по току можно исправить, включив в схему схему ограничения тока. В этой токовой защите всякий раз, когда ток пересекает пороговое значение, он переходит в режим ограничения постоянного тока. Когда напряжение достигает определенного значения в режиме ограничения постоянного тока, цепь обратной связи берет на себя защиту.На изображении выше кривая красного цвета показывает характеристики этой цепи.

2) Ограничитель тока, затем ограничитель тока

Эта схема защиты сочетает метод ограничения тока с ограничением обратного тока дважды. Во-первых, ток ограничивается до тех пор, пока одновременно не будут достигнуты ток точки перегиба и соответствующее пороговое напряжение. Затем схема снижает ток до более низкого значения. Как только текущая координата совпадает со вторым пороговым пределом, наступает второй поворот ограничителя тока, который снова появляется и начинает защищать цепь.Эта схема ограничения тока с обратной связью выделяет больше тепла, чем схема с обратной связью. Характеристики схемы этого конкретного типа обратной связи показаны на изображении выше зеленым.

3) Возврат по току, ограничитель затем-тока

В этом типе максимальной токовой защиты ток снижается до более низкого значения, а затем ограничивается. Когда складчатый ток достигает определенного предела, начинает работать схема ограничителя тока. На изображении выше синим цветом представлены характеристики этой схемы защиты.

Источники питания уязвимы для сверхтоков в условиях перегрузки. Наши инвестиции в источники питания имеют решающее значение, и по-прежнему важно обеспечить схемы защиты от перегрузки по току вместе с источниками питания. Метод ограничения тока обратной связи — одна из лучших схем защиты источника питания для защиты источника питания и подключенных устройств от сверхтоков и коротких замыканий.

.