Телекоммуникационные применения

     Надежные системы связи очень критичны к безопасности отдельных объектов и являются неотъемлемой частью в продвижении бизнеса. Сегодняшние системы сигнализации, коммуникации и контроля за вредными источниками имеют целью не только локальную передачу аудио информации, но и передачу видео и цифровых данных также как и использование внутреннего радио, усилителей, центрального и удаленного переключения устройств и ретрансляторов. Основное свойство информации и ожидаемые запросы потребителей в том чтобы коммуникация была исключительно надежной и, следовательно, энергосистема общего пользования не может быть единственным источником постоянного энергоснабжения.

     Сердцем подсистемы аварийного питания, использующейся в этих коммуникационных системах, является резервная батарея для обеспечения постоянным током при сбое работы сети общего пользования. Покупатель выбирает VRLA батареи из-за высокой плотности мощности, небольшого объема работ по техническому обслуживанию, экономичности и возможности дистанционного расположения.

     Типичное применение VRLA батареи показано на рис. 1. В этом случае, критическая нагрузка, которой может быть телефонный коммутатор или радио ретранслятор, потребляет для работы от 42 до 57 Вольт постоянного тока. Выпрямитель/зарядное устройство, преобразующие переменный ток сети общего пользования в постоянный ток, используются как для питания критической нагрузки, так и для поддержания постоянного заряда набора резервных батарей. Батарея в этом случае имеет 24 элемента, и заряд поддерживается 54-мя Вольтами постоянного тока (от 2.25 до 2.30 Вольт на элемент), это же напряжение используется первичным источником для поддержания критической нагрузки. В случае перерыва подачи питания от общей сети, батарея, с номинальным напряжением 48 В, немедленно подаст энергию на критическую нагрузку. При питании критической нагрузки от батареи, ее напряжение будет падать, пока не достигнет минимального рабочего напряжения нагрузки. Как только возобновится питание от общей сети, выпрямитель/зарядное устройство продолжит свою функцию питания критической нагрузки, одновременно заряжая систему батарей

Рис. 1. Типичная подсистема питания коммуникационной системы

     Некоторые типы коммуникационного оборудования не могут принимать повышенное напряжение, необходимое для заряда батареи. Например, оборудование может иметь максимально допустимое входное напряжение 53 В. Однако, необходимо 57.6 В для стабилизации и 54 В для заряда VRLA батареи. В этом случае, система может включить в себя счетчика ЭДС (противоЭДС) или сбрасывающие диоды для уменьшения напряжения между батареей и нагрузкой во время зарядки, как показано на рис. 2.


Рис. 2. Типичная подсистема питания коммуникационной системы с элементами противоЭДС

     В этой конфигурации, вовремя стабилизациипри57.6 В, обапереключателя, S1 and S2, открыты, иэлементы противоЭДС, каждый сбрасывающий по 3 В, сделают напряжение равное 51.6 В, которое можно приложить к критической нагрузке. Когда батарея находиться в состоянии плавающего заряда при 54 ÷ 55.2 В, S1 закрыт и диод D2 сбрасывает напряжение до 51 ÷ 52.2 В, прикладываемое к критической нагрузке. При сбое сети общего пользования, батарея должна питать нагрузку, переключатель S2 закрыт и полное напряжение батареи (около 48 В) прикладывается к критической нагрузке для непрерывной работы. Обычно система включает в себя прерыватель, для отключения батареи от нагрузки при достижении минимального рабочего напряжения (например, 41 В) для предотвращения ущерба батареи в следствии переразрядки.
Как только возобновляется питание от сети общего пользования и выпрямитель/зарядное устройство возобновляет свои функции, управляющая логика приводит переключатели S1 и S2 в первоначальное положение для защиты нагрузки от перенапряжения во время зарядки.

     Обычно в этих применениях батареи должна поддержать нагрузку от 3 до 72 часов. Поэтому их называют батареями для продолжительных применений.

                VRLA батареи и номинальная емкость

     Вообще, коммуникационные нагрузки относятся к активным нагрузкам, которые потребляют постоянный ток за определенный период времени. Следовательно, батареи для таких типов нагрузки характеризуются тем, сколько Ампер она может обеспечить за определенный период времени при нормальных условиях. VRLA батарея измеряется в ампер-часах, что означает, сколько Ампер она может выдать в час до определенного конечного напряжения при 25°С (77°F). В зависимости от типа VRLA батареи и ее применимости они разделяются на разные времена разряда и интенсивности разряда.
Например, для батареи серии MRS основные свойства указываются для 20 ч. разряда. MPS12-50 это 12-ти вольтовая батарея разряжающаяся при 50 Ач. Она дает возможность получить 50 Ач емкости при 20 часовом разряде с 2.50 Амперами (2.50 А x 20 ч = 50 Ач) до 10.5 В при 25°С (77°F).

     Серия TEL батарей VRLA указывается при 8 часовом разряде, который традиционно используется на коммуникационном рынке. Например, TEL12-90 это 12-ти вольтовая батарея разряжающаяся при 88 Ач. Это дает возможность получить 11 А в течение 8 часов (11 А x 8 ч = 88 Ач) до 10.5 В при 25°С (77°F). Если указывается при 20 часовом разряде, эта же батарея будет классифицироваться как 100 Ач батарея, т.к она может выдавать 5 А в течение 20 часов до такого же конечного напряжения в 10.5 В при 25°С (77°F) (смотрите таблицу 3).

     При сравнении батарей очень важно осознавать, что номинальная емкость VRLA батареи является функцией интенсивности разряда (время разряда) и температуры. Батарея, выдающая 100 Ач при 20 часовом разряде не может дать 100 А в один час. Эффективность батареи тем меньше, чем больше интенсивность разряда (или больше время разряда). Это показано на рис. 3, где обычная VRLA батарея, отнесенная к 8 часовым, имеет только 92% эффективность при 5 часовом разряде и 70% и 46% эффективность при 1 и 0.25 часовых разрядах, соответственно. Однако, имеет 113% эффективность при 20 часовом разряде.

Рис. 3. Зависимость емкости 8-ми часовой батареи от времени разряда до 1.75 В на эл.

Типичные интенсивности разряда некоторых VRLA батарей DYNASTY показаны в таблицах 1, 2 и 3.

Таблица 1. Амперные характеристики серии MPS при 25°С (77°F)

Таблица 2. Амперные характеристики серии UPS при 25°С (77°F)

Таблица 3. Амперные характеристики серии TEL при 25°С (77°F)

 

               Выбор VRLA батареи для разряда постоянным током при 25 °С (77° F)

     Обратите внимание, что в предыдущих таблицах емкость, выраженная в Амперах, представлена при определенных конечном напряжении на элемент (например, 1.75 В на эл.) и температуре в 25 °С (77° F). Следовательно, для выбора батареи подходящей к определенным применениям, необходимо только знать:

  1.  Нагрузка оборудования в Амперах (интенсивность разряда)
  2.  Необходимое время работы в резервном режиме (автономность)
  3.  Конечное напряжение разряда на элемент

      Например, предположим, что 12-ти вольтовое устройство потребляет 13.0 Ампер в течение 6 часов до минимального конечного напряжения в 10.5 Вольт. Ток нагрузки и время разряда в этом случае очевидны, однако необходимо вычислить конечное напряжения на элемент.

     В начале определим количество элементов. Обычное напряжение шины - 12 В и номинальное напряжение на элемент батареи VRLA - 2 В. Следовательно, будет использоваться 12 В или батарея из 6 элементов (12 В/2 В на эл. = 6 эл.). Т.к. минимальное рабочее напряжение - 10.50 В и применяется батарея из 6 элементов, то конечное напряжение на элемент равно 1.75 В (10.50 В/6 эл. = 1.75 В на эл.)
Выберем батарею серии Multi Purpose Series (MPS) из таблицы 1, которая выдает 13.0 А в течение 6 часов до 10.50 В при 25 °С (77° F).

     Первоначальный выбор это MPS12-100 т.к она может вырабатывать 13.95 А до 1.75 В на эл. при 25 °С (77° F). Рассмотрим электронный коммутатор частной сети связи (EPBX), который может быть использован как телефонная система для коммерческого потребителя. Пусть EPBX потребляет 11.4 А и рабочее напряжение постоянного тока равно номинальным 48 В, но изменяться в рамках от 58 В до 44.4 В. Выберем подходящую батарею Dynasty для обеспечения резервной работы в течение 3-х часов при 25 °С (77° F).
Т.к. рабочее напряжение постоянного тока равно 48 В, то необходимо 24 элемента (48 В/2 В на эл. = 24 эл.)
Конечное напряжение на элемент равно отношению минимального рабочего напряжения EPBX к количеству элементов или 1.85 В на эл. (44.4 В/24 эл. = 1.85 В на эл.)
Т.к. необходимо 48 В, то можно использовать четыре батареи по 12 В или восемь батарей по 6 В, соединенные последовательно. Теперь, используя таблицы 1 – 3, найдем батарею, удовлетворяющую требованиям: 11.4 А в течение 3 часов до конечного напряжения 1.85 В на элемент.

     После изучения таблиц 1, 2 и 3, становится ясно, что имеется батарея в каждой серии, которая может отвечать поставленным требованиям резервного источника питания. Обе MPS12-50 и TEL12-45 могут обеспечить 12.7 А в течение 3 часов до 1.85 В на эл., также как и UPS12-200, обеспечивающая 13.7 А. Вопрос только в том, что все три модели имеют одинаковые физические размеры и отвечают требованиям EPBX, так какая модель является оптимальной?

     Надо отметить, что модели UPS, при тех же физических размерах, имеют значительно большие амперы по сравнению с моделями MPS и TEL при 5, 10, 15 минутном и даже 3-х часовом разряде. Это означает, что UPS серия оптимизирована для высокоинтенсивных разрядов из-за более тонкого и хрупкого электрода, чем в моделях MPS и TEL и как результат, не может обеспечивать буферный и цикличный режимы.
     
     Из первоначального рассмотрения характеристик моделей MPS и TEL следует, что они имеют схожие электроды. Однако, при последующем исследовании обнаруживается, что решетка электрода серии TEL изготовлена из уникального сплава свинца (олово и серебро остаются пока достаточно дорогими) увеличивающего срок службы в буферном режиме. К тому же, серия TEL имеет огнестойкий пластиковый корпус и внутренние резьбовые клеммы, в соответствии стандартом Bellcore для батарей, применяемых в телекоммуникации. Поэтому, если цена является определяющим фактором, то следует выбрать MPS12-50. И соответственно, если необходимы: огнестойкость, наиболее длительный срок службы в буферном режиме и соответствие телекоммуникационным стандартам, то лучше выбрать TEL12-45.

               Вычисление количества элементов

     Количество элементов, обычно использующихся в коммуникационных системах из VRLA батарей, равно 6, 12, 24 или 60. Эти применения и типичные конечные напряжения на элемент, показаны на рис. 4. Как отмечалось в предыдущих примерах, количество элементов может быть вычислено из отношения номинального рабочего напряжения постоянного тока к 2 В на элемент. Однако, очень важно проверить, что бы реальное рабочее напряжение оборудования соответствовало заряду батарейных систем.

Рис. 4. Обычное количество элементов в батареях для коммуникационных систем

     Это может быть записано следующим образом:
Max количество элементов = Max рабочее напряжение (с выхода выпрямителя)/Рекомендованное выравнивающее напряжение элемента
Min количество элементов = Min рабочее напряжение нагрузки/Min рекомендованное Вольт на элемент
Например, если диапазон рабочего напряжения от 40 до 60 Вольт, то интервал количества элементов вычисляется как:
Max 25 = 60/2.4
Min 22.86 = 40/1.75
Логичный выбор в этом случае будет 24 элемента, т.к. элементы могут быть заряжены в достаточной мере и каждая батарея содержит 3 или 6 элементов. Если нагрузка не может принять более высокое выходное напряжение с выпрямителя, необходимое для выравнивания элементов, то надлежит применить ячейку контрЭДС, как показано на рис. 2.


               Температурный эффект емкости

     VRLA батареи измеряются в ампер-часах при температуре 25°С (77°F). Более низкие температуры сокращают реальное время работы, в то время как более высокие температуры увеличивают его. На рис. 5. представлены зависимости мощности батареи, отнесенные к ее номинальной емкости при 25°С (77°F), от рабочей температуры.

Рис. 5. Зависимость рабочих характеристик от температуры

     Например, батарея, работающая при 10°С (50°F) может обеспечить только 89% тока в течение 8-ми часового разряда, чем она может выдать при 25°С (77°F). Таким образом, если батарея обеспечивает ток "А" при 10°С (50°F), то она может выдать "А" х 1/0.89 при 25°С (77°F).
      В прошлом примере, была выбрана батарея TEL 12-45 для обеспечения 11.4 А в течение 3 часов до конечного напряжения 1.85 В на эл. Если эту нагрузку необходимо обеспечить при 10°С (50°F), где батарея имеет эффективность приблизительно 87% при 3-х часовом разряде, эффективный ток для расчета конфигурации необходимо вычислить как: 13.10 А при 25°С (77°F) = 11.4 А при 10°С (50°F) x 1/0.87
      Из таблицы 3 следует, что TEL12-45 может выдать только 12.7 А при 25°С (77°F) и поэтому слишком мала для обеспечения требований при 3-х часах и 10°С (50°F). Поэтому, надо выбрать более мощную батарею, т.е. TEL12-70, которая выдает 18.3 А при 25°С (77°F).
      Справедливо, что работа при повышенных температурах, увеличивает возможности батареи, но этот эффект не отображается при выборе батареи, т.к. негативно влияет на срок службы.


               Срок службы батареи и функционирование

     Обычно емкость VRLA батареи растет в течение первых 5 % срока службы и затем выходит на 100 % плато расчетной емкости, протяженность порядка 70 % срока службы. В момент времени, когда батарея начинает терять емкость менее 80 % расчетной, считается окончанием ее срока службы. Это показано на рис. 6.

 

Рис. 6. Зависимость емкости VRLA батареи от срока службы


      Если заявленные ранее характеристики должны быть получены к концу срока службы батареи, то необходимо учесть в составление конфигурации падение емкости до 80%. Это вычисление компенсации похоже на использованное при расчете влияния температуры. Если в прошлом примере, 11.4 А необходимо получить при 10°С (50°F) к концу срока службы, тогда это только 80% от реальной емкости и амперы эффективной нагрузки должны быть вычислены следующим образом:
16.38 А = 11.4 А x 1/.87 x 1/0.80

     К счастью, в этом случае, емкость TEL12-70 будет значительно больше, т.к. она может давать 18.3 А в течение 3 часов до 1.85 В на эл. Однако, в других случаях, может потребоваться более мощная батарея, если учитывать старение в расчете конфигурации.


               Работа запараллеленных батарей

     Когда необходимые Ватты на элемент вычислены и обнаружено их превышение над параметрами отдельного элемента, то необходимо рассмотреть параллельное соединение.
Например, рассмотрим, что для специальных применений эффективная нагрузка (с температурной и возрастной компенсацией) будет равна 40 А при 5 часах до 1.85 В на эл. Самая большая батарея это TEL6-180 и она может выдавать только 30 А. Однако, две цепочки TEL12-125 могут работать параллельно, как показано на рис. 7. При такой параллельной конфигурации, каждая цепочка может производить до 21.8 А до 1.85 В на эл. при общей возможности до 43.6 А в течение 5 часов.
  
     Обычно, для системы коммуникационных VRLA батарей из 24 и более элементов рекомендуется использовать не более 8 ÷ 10 параллельных цепочек. Это сделано из практических соображений количества болтовых соединений и требований к техническому обслуживанию.
      Необходимо придерживаться следующих руководящих принципов при работе с запараллеленными батареями:

  • Все батареи должны быть из одной серии.
  • Каждая цепочка должна быть подсоединена к своему разъединителю или прерывателю цепи.
  • Кабельная разводка в каждой цепи должна быть одного размера и желательно длинны, как и остальные, для равенства сопротивлений цепочки.
  • Размер выбранного кабеля должен содержать возможное падение напряжения и максимальный ток нагрузки, ожидаемый в цепи.
  • Все параллельные цепочки должны быть соединены параллельно в клеммной коробке или в щитке.
  • Количество параллельных цепочек должно быть ограничено целесообразными размерами (т.е., 10 при 48 В и 12 при 24 В)

Рис.7. Работа параллельных цепочек батарей.

     Общие правила выбора конфигурации и формулы

  • Емкость в Ампер-часах указывается при определенных временах разряда, температурах и до определенного оконечного напряжения. Любые изменения этих параметров от стандартных приведут к изменению емкости в Ампер-часах.
  • Возможная емкость уменьшается с падением температуры.
  • Срок службы уменьшается с ростом температуры.
  • Емкость в Ампер-часах изменяется со сроком службы. Окончанием срока службы считается 80% номинальной емкости. Фактор старения равен 1.25 при расчете конфигурации.
  • При параллельном соединение должны использоваться батареи из одной серии.
  • При выборе количества элементов для системы, контролируйте выходное напряжение зарядного устройства для соответствия рекомендованному выравнивающему напряжению в батарее.
  • Полезные уравнения:

Номинальное количество элементов = Номинальное напряжение шины/Номинальные 2 Вольта на элемент
Max количество элементов = Max рабочее напряжение (с выхода выпрямителя)/Рекомендованное выравнивающее напряжение элемента
Min количество элементов = Min рабочее напряжение нагрузки/Min рекомендованное Вольт на элемент
Min Вольт на элементl = Min рабочее напряжение нагрузки/Количество элементов