Устройства бесперебойного питания УЭП-МПК

Комплекс систем семейства МПК

Разработчики систем семейства МПК
Центр компьютерных железнодорожных технологий Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I – ЦКЖТ ПГУПС
(г. Санкт-Петербург)
Научно-исследовательская лаборатория «Компьютерные системы автоматики» Уральского государственного университета путей сообщения – НИЛ КСА УрГУПС (г. Екатеринбург)

Основные этапы развития

УЭП-МПК в комплексе микропроцессорных СЖАТ систем семейства МПК

Качество сети электропитания
Требования ГОСТ 13109 к качеству электропитания:
- напряжение - 220 В ±10%;
- частота - 50 Гц ±1 Гц;
- коэффициент нелинейных искажений (КНИ) менее
8% длительно и менее 12% кратковременно.
Некачественная сеть электропитания – угроза безопасности движения поездов

Некачественное
напряжение фидера

Без поезда Uд=240В

При проходе поезда Uд=299В

Решение для станций с некачественным внешним электроснабжением
Разделение измерительных цепей и цепей питания реле напряжения
Два режима питания реле напряжения – кратковременный от фидера, длительный от СБП
Применение выпрямителей с широким диапазоном входных напряжений
Понижение входного напряжения трансформатором с 220 до 190 В

Требования электробезопасности:
- средства вычислительной техники должны питаться от одной общей фазы; - все устройства должны быть заземлены.
Микропроцессорные устройства чувствительны к:
- провалам и всплескам напряжения;
- высоковольтным импульсным помехам.
Особенности электропитания микропроцессорных систем

Безопасность электропитания
рельсовых цепей

УЭП-МПК
УЭП-МПК – устройства электропитания микропроцессорных комплексов железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), таких как, например постовые микропроцессорные комплексы ЖАТ, включающих в себя микропроцессорные (МПЦ) и релейно-процессорные (РПЦ) системы электрической централизации (ЭЦ), системы механизации и автоматизации сортировочных горок, маневровые посты централизации, системы полуавтоматических (ПАБ) и автоматических блокировок с централизованным размещением оборудования (АБТЦ), системы диспетчерской централизации (ДЦ) и диспетчерского контроля (ДК) и т.п.

УЭП-МПК обеспечивает электропитание следующих устройств:
релейных схем электрической централизации и увязок;
средств вычислительной техники (АРМ, КТС УК, УВК);
напольного оборудования;
обеспечивающих подсистем (связь, освещение, отопление, вентиляция, кондиционирование, электрообогрев и очистка СЭП и др.).
Назначение

Варианты исполнения УЭП-МПК
УЭП-МПК — с системой бесперебойного питания на основе моноблочных УБП;
УЭП-МПК-ШПТ — с системой бесперебойного питания на основе шины постоянного тока;
УЭП-МПК-ГАЦ — система электропитания, адаптированная для горочной автоматической централизации;
УЭП-МПК-М — система электропитания, адаптированная для метрополитена;
УЭП-МПК-У — система электропитания облегченного типа, адаптированная для промышленного и малодеятельных участков магистрального транспорта.

Характеристики
В состав УЭП-МПК-ШПТ включена система бесперебойного питания на основе шины постоянного тока, обеспечивающая непрерывность работы ответственных устройств при перерывах и переключениях внешнего электроснабжения.
Комплекс УЭП-МПК-ШПТ позволяет реализовать системы заземления электрических сетей по ГОСТ Р 50571.2 типа TN-C, TT, IT.

Характеристики
Комплекс УЭП-МПК-ШПТ предназначен для эксплуатации в защищенных от атмосферных осадков служебно-технических помещениях (зданиях, транспортабельных модулях, контейнерах).
Комплекс УЭП-МПК-ШПТ предназначен для эксплуатации в жесткой электромагнитной обстановке и относится к техническим средствам III класса по ГОСТ Р 50656-2001.

Структура и внешний вид УЭП-МПК-ШПТ

Структура комплекса УЭП-МПК-ШПТ

Конкурентные преимущества
УЭП-МПК-ШПТ
Реализация принципов масштабируемости (увеличения мощности при изменении потребления);
Изоляция от земли на всем протяжении от фидеров до питаемого оборудования с её контролем;
Повышение живучести за счет уменьшения напряжения (количества) аккумуляторных батарей и трансформации последовательного включения аккумуляторов в последовательно-параллельную;
Напряжения на открытых токоведущих частях, доступных обслуживающему персоналу при ремонте, не превышает значения низких безопасных напряжений (шина 48 В постоянного тока);
При резервировании переход от дублирования к технологии N+1, позволяющей уменьшить проектную мощность ДГА;
При увеличении избыточности отказ от контактного АВР.
Унификация, заключающаяся в однотипности оборудования для разных категорий станций;

Конкурентные преимущества
УЭП-МПК-ШПТ
работа с неодинаковыми фидерами (одно-, двух-, трех- и многофазными) в любом сочетании и с равномерной прогрузкой последних;
восстановление персоналом с квалификацией электромеханика полностью исправного состояния после отказа не более 1 часа;
«горячая» замена электронных блоков и узлов без прерывания электроснабжения потребителя;
вес элементов не превышает 20 кг – норму поднятия тяжестей на одного человека согласно требованиям нормативных документов по охране труда;
наличие корректора мощности для снижения реактивности входных цепей;
двойная гальваническая развязка – в выпрямителях и инверторах, исключающая необходимость установки изолирующего трансформатора и трансформаторов питания нагрузок;
расширенный рабочий диапазон входных напряжений (от 85 до 285В), обеспечивающий устойчивую работу при колебаниях и помехах во входной сети.

Вводные устройства

Вводные устройства

Вводные устройства

Вводные устройства
Дефицит производственных площадей вызывает необходимость реализации оборудования в модульном исполнении по принципу конструктора LEGO с односторонним обслуживанием, а затрудненные условия транспортировки оборудования к месту монтажа требует снижения массогабаритных показателей устройств.

Комплектное распределительное устройство

Комплектное распределительное устройство

Устройства бесперебойного питания Off-Line
Небольшая мощность и применение для отдельных устройств (РС, АРМ, офисного оборудования) в регионах с хорошим качеством электрической сети.
(+) простота и невысокая стоимость
(-) ненулевое время переключения, интенсивная эксплуатация АКБ

Устройства бесперебойного питания Line-Interactive
Применяется стабилизатор входного напряжения (бустер) на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками
Небольшая мощность и применение для отдельных устройств (РС, АРМ, офисного оборудования) в регионах с удовлетворительным качеством электрической сети.
(+) продлевает срок службы АКБ
(-) ненулевое время переключения нагрузки на питание от батарей и переходные процессы при коммутации реактивной и нелинейной нагрузки.

Устройства бесперебойного питания On-Line
Применяют при повышенных требованиях к качеству электропитания для систем управления ответственными технологическими процессами.
(+) идеальное питание нагрузки при любых неполадках в сети, нулевое время перехода на АБ без переходных процессов. Питание нагрузки без перехода на АБ в широком диапазоне напряжения сети (160 ... 276 В)
(-) сложность построения, высокая стоимость, падение общего КПД системы из-за потерь при двукратном преобразовании.

Устройства бесперебойного питания

Устройства бесперебойного питания

Компенсация реактивной мощности
Компенсация реактивной мощности — целенаправленное воздействие на баланс реактивной мощности в узле электроэнергетической системы с целью регулирования напряжения, а в распределительных сетях и с целью снижения потерь электроэнергии.
Осуществляется с использованием компенсирующих устройств.

Устройства бесперебойного питания

Устройства бесперебойного питания
Инвертор - Преобразователь постоянного напряжения в переменное.
По принципу преобразования различают 3 основных типа:
генерирующие напряжение прямоугольной формы,
с пошаговой аппроксимацией,
с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Манипулируя шириной отдельных импульсов ШИМ-сигнала, автоматически корректируют форму выходного напряжения при работе с нелинейной нагрузкой.

“Нормальный” режим работы
УЭП-МПК-ШПТ: статическая СБП
двойного преобразования (on-line)

“Аварийный” режим работы
УЭП-МПК-ШПТ: статическая СБП
двойного преобразования (on-line)

Режим работы BYPASS
УЭП-МПК-ШПТ: статическая СБП
двойного преобразования (on-line)

Внешний вид устройств
бесперебойного питания (УБП)
УБП1
УБП2

Web-интерфейс контроллера выпрямителей

Основные технические характеристики УБП
Активная Р (Вт) и полная S (ВА) мощность
Коэффициент мощности (Power Factor) К.П.Д. –
Sвых / Sвх
КНИ - степень отличия формы напряжения или тока от синусоидальной.
THD-фильтр - устройство во входной цепи СБП для уменьшения влияния на форму напряжения в питающей электросети.
Температурная компенсация зарядного тока АБ - продления срока службы АБ, особенно герметичных.

Коэффициент мощности (Power Factor)
Комплексный показатель, характеризующий линейные и нелинейные искажения формы тока и напряжения в электросети, обусловленные влиянием нагрузки.
K = P / S
(1 - идеально; 0.95 - хорошо; 0.9 – удовл.;
0.8 - плохо; 0.7 - влияние компьютерной нагрузки; 0.65 - влияние двухполупериодного выпрямителя).
При линейных искажениях равен косинусу угла сдвига между током и напряжением.
При нелинейных искажениях формы тока
К = Sпервой гармоники тока / S

Крест-фактор
Crest Factor - Показатель, характеризующий способность питать нелинейную нагрузку с импульсным током. Определяется как отношение амплитуды импульсного тока в нелинейной нагрузке Im (нелин.) к амплитуде тока гармонической формы Im (лин.) при эквивалентной потребляемой мощности. Должен быть не хуже 3:1

Температурная компенсация зарядного тока АБ
Технология, применяемая для продления срока службы аккумуляторных батарей.
Герметичные батареи крайне чувствительны к величине зарядного тока, оптимальное значение которого зависит от температуры окружающей среды.

КНИ, THD-фильтр
КНИ
Показатель, характеризующий степень отличия формы напряжения или тока от синусоидальной.
Типовые значения КНИ:
- 0% - синусоидальная форма сигнала;
- 3% - форма сигнала отлична от синусоидальной, но искажения не заметны на глаз;
- 5% - отклонение формы сигнала от синусоидальной заметно на глаз;
- от 21% - сигнал имеет трапецеидальную или ступенчатую форму;
- от 43% - сигнал имеет прямоугольную форму.
THD-фильтр
Устройство, устанавливаемое во входной цепи СБП для уменьшения ее влияния на форму напряжения в питающей электросети.

Комплектное распределительное устройство 1

Комплектное распределительное устройство 2

Комплектное распределительное устройство 2

Внешний вид вводных устройств (ВУ) и комплектного распределительного устройства (КРУ2)
ВУ
КРУ2

Элементная база УЭП-МПК
Автоматические выключатели.
Рубильники и контакторы.
Реле напряжения и тока.
Трансформаторы.
Выпрямители. Инверторы. Конверторы.
Зарядные устройства аккумуляторных батарей.
Импульсные вторичные источники электропитания.
Устройства защиты от импульсных перенапряжений.
Интегрированная подсистема технической диагностики.

Контактор с мотор-приводом
Реализация функции автоматического и ручного Bypass.

Реле напряжения и тока
Многофункциональное реле напряжения, перекоса и последовательности фаз предназначено для:
контроля допустимого уровня напряжения;
контроля правильного чередования и отсутствия слипания фаз;
контроля полнофазности и симметричности сетевого напряжения (перекоса фаз);
отключения нагрузки 380/220 В 50 Гц путем размыкания цепи питания нагрузки (коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока) при некачественном сетевом напряжении. Время срабатывания задается пользователем (Тср);
контроля качества сетевого напряжения после отключения нагрузки и автоматического включения ее после восстановления параметров напряжения. Время автоматического повторного включения (Твкл) задается пользователем;
индицирования аварии при возникновении аварийной ситуации и индикации наличия напряжения на каждой фазе.

Выпрямитель Flatpack2

Инвертор InverPack

Преобразователь DC/DC (48/24В)

Устройства бесперебойного питания

Высокая интенсивность движения требует минимизации времени поиска и устранения отказов путем применения новых принципов диагностики и мониторинга
Диагностика УЭП-МПК-ШПТ

Мониторинг УЭП-МПК-ШПТ
Диагностика УЭП-МПК-ШПТ

Графики изменения различных величин
Диагностика УЭП-МПК-ШПТ

Журнал событий
Диагностика УЭП-МПК-ШПТ

Диагностика УЭП-МПК-ШПТ
Техническое обслуживание.
Техника безопасности и охрана труда.

Диагностика УЭП-МПК-ШПТ

Техобслуживание УЭП
Переход на систему обслуживания по состоянию и сервисное обслуживание.
Самоконтроль и обнаруживаемость отказов.
Применение экспертных систем с возможностью воздействия на УЭП.
Резервируемость, как способ повышения надежности функционирования.

Применение УЭП-МПК- ШПТ в метрополитенах
Особенности применения устройств электропитания в метрополитене
Повышенная энерговооруженность на единицу объема ужесточает требования по электромагнитной совместимости (как помехоустойчивости, так и помехоэмиссии);
Проблематичность отвода тепла вызывает необходимость снижения тепловыделения, что требует повышения к.п.д. устройств и снижение потерь.

Уменьшение ступеней преобразования

Опыт применения УЭП-МПК-ШПТ на станциях Чкаловская, Ботаническая Екатеринбургского метрополитена

Организация электропитания СЭП

Основные нормативные документы
для проектирования:
Типовые материалы для проектирования НИИАС-19.01.00-ЭЦ10-2010 Электропитание устройств электрической централизации (взамен ЭЦ-10-88)
Технические решения УЭП-МПК
Технические описания и руководства по эксплуатации
Прочие НД (ВНТП/МПС-84, НТП СЦБ/МПС-99 и т.п.)

УЭП-МПК-ШПТ утверждена к тиражированию в 2012 году

Основные положения ТМП
Крупные станции – более 30 стрелок
Два типа систем электропитания
Напряжение 220В плюс/минус 10% (было плюс 5%)
Потери в линии не более 5%
Негарантированные нагрузки от отдельного ВУ
Нагрузки связи от отдельного фидера
На вводе фидеров рекомендуется TN-S (было TN-C)
Питание СЦБ от ИТ без нейтрали по входу
Защита от атмосферных и коммутационных перенапряжений
Использование не укрупненных показателей на стрелку а фактический расчет потребления

Расчет нагрузок

Размещение оборудования

Результаты анализа потребления мощности системами ЭЦ
РЭЦ 1,00
РПЦ 1,10 – 1,15
МПЦ 1,35 – 1,40
Проблема применения моноблочных УБП и существующих ДГА

Правила подбора ДГУ
Существуют вполне определённые рекомендации для выбора мощности ДГУ при известной мощности ИБП, которые учитывают нелинейность токов, допустимую величину несинусоидальности напряжения генератора и его внутренние параметры. Согласно этим рекомендациям мощность ИБП определяется как
Sибп=Sген*(Хd//, сх / Xd// ген) , где
Sибп – номинальная мощность ИБП;
Sген – номинальная мощность генератора;
Xd//ген – сверхпереходное индуктивное сопротивление генератора по продольной оси ротора при синусоидальной нагрузке (обычно Xd//ген = 0,11- 0,15 о.е, указывается в паспортных данных генератора);
Хd//, сх = сверхпереходное индуктивное сопротивление генератора по продольной оси ротора при нелинейной нагрузке.
Хd//, сх при 6-импульсной нагрузке составляет около 0,04 о.е., при 12-пульсной – около 0,09 о.е.
Таким образом, при 6-пульсной схеме выпрямления
Sген= Sибп * (2,75... 3,75).
При 12-импульсной схеме выпрямления
Sген= Sибп * (1,22... 1,66).

Неравномерность нагрузок СЦБ – резерв для оптимизации

Исследование характера потребления мощности нагрузками поста ЭЦ

Оптимизация системы электропитания

Оптимизация системы электропитания

Патентная чистота
Федеральной службой РФ по интеллектуальной собственности выданы патенты на полезные модели:
№ 113087 Устройство бесперебойного питания
№ 116281 Устройство электропитания электрической централизации стрелок и сигналов

Ошибки при проектировании систем электропитания
Нерациональное размещение оборудования. Критерии:
функциональная доступность,
ремонтопригодность в условиях эксплуатации,
минимум длин кабелей,
эффективность охлаждения.
2. Размещение без учета массогабаритных показателей и конструктивных особенностей подключения.
3. Не обеспечение условий эксплуатации оборудования по климатическим показателям.
4. Не обеспечение равномерности загрузки трансформаторов с учетом временных и сезонных условий.
5. Не выполнение селективности внешних и внутренних защит.
6. Использование недостоверных данных о потребляемой мощности нагрузок.
7. Не учет всех потребителей.

Дальнейшие шаги по оптимизации энергопотребления
Планирование эксплуатационной работы станции по критерию энергозатратности.
Гашение части светофоров при отсутствии маневровой работы.
Выключение питания рельсовых цепей приемо-отправочных путей при отсутствии локомотива (для автоматического действия требуется введение в МПЦ дополнительного признака наличия локомотива).
Включение обогрева контактов СЭП по сигналам датчика температуры.
Регулирование электрообогрева помещений с учетом наличия или отсутствия эксплуатационного персонала.

География внедрения УЭП-МПК

Разъезд Тыдыл

Разъезд Тыдыл

Предложения замены УБП SitePro
рзд. Чашкино СВЕРД на ШПТ
Недостатки системы:
Внутренний bypass;
Резерв n+n;
Большое количество занимаемого места;
Дорогое СТО;
Низкая отказоустойчивость

Фрагмент схемного решения
для станций, оборудованных системой электропитания УЭП-МПК

Пример 3х фазной УЭП-МПК-ШПТ
для замены моноблочных УБП
Достоинство системы:
Внешний bypass;
Резерв n+1;
Минимальное количество занимаемого места;
Сравнительно недорогое СТО;
Значительный контроль предотказного состояния

План внедрения:
Исполнение УБП на любое напряжение системы электропитания (=24, 48, 220; ~24, 220, 380)
Срок изготовления – 1 месяц;
Срок доставки – 7-14 дней;
Срок СМР и ПНР – 3-4 дня;
Количество необходимых окон на переключение – 2 окна по 4 часа в одни сутки.

Ценообразование предложения

Система менеджмента бизнеса
IRIS

Система менеджмента бизнеса
IRIS
МЕЖДУНАРОДНЫЙ
СТАНДАРТ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
IRIS — International Railway Industry Standard
Всеобщая система менеджмента бизнеса для железнодорожной промышленности
Global business management system for the
railway industry

Область сертификации по IRIS

Система менеджмента бизнеса
IRIS