Разработка и исследование системы бесперебойного питания в сетях с напряжением до 24 В

Цели. От эффективности и стабильности систем электропитания зависит время бесперебойной работы конечных потребителей. Такие системы должны иметь возможность распределения и накопления энергии от возобновляемых источников с различными параметрами и конфигурациями. Развитие источников возобновляемой энергии постоянно увеличивает требования к системам вторичного электропитания. Целями работы являются разработка научно-обоснованных технических решений и создание эффективной системы бесперебойного вторичного питания в низковольтных сетях постоянного тока.

Методы. Использованы современные схемотехнические решения для выполнения импульсных преобразований с высокой эффективностью. Для реализации системы контроля параметров применен гибкий программно-аппаратный комплекс.

Результаты. Разработана система бесперебойного питания для низковольтных сетей постоянного тока. Приведено описание работы блоков системы и расчеты основных элементов, в т.ч. и силовых. С применением современной элементной базы собран прототип системы, проведена настройка и измерение ее параметров. За счет представленных решений достигается универсальность комплекса по диапазону входных и выходных напряжений. Интегрирована поддержка современного протокола быстрой зарядки Power Delivery. Примененный контроллер зарядки Li+ аккумуляторов позволяет изменять количество заряжаемых ячеек и регулировать токи и напряжения заряда аккумуляторной батареи (АКБ). Блок мониторинга и управления отслеживает текущие параметры сети и управляет автоматикой системы. Использование микроконтроллера в качестве управляющего устройства дает возможность изменения параметров управления без конструктивных изменений благодаря редактированию программного обеспечения. Для безопасности функционирования системы применено двукратное резервирование модуля контроля параметров встроенной аккумуляторной батареи. Поддержка стандартизированного протокола обмена данными по шине I2C с отдельной шиной питания позволяет подключать любые необходимые датчики для отслеживания параметров системы. При необходимости могут быть добавлены сторонние устройства повышенной мощности, управляемые сигналом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Приведен рекомендуемый производителями профиль заряда Li+ АКБ.

Выводы. Спроектированная система позволяет обеспечивать стабильное электропитание потребителей с энергопотреблением до 40 Вт в течение времени не менее 45 мин. Автоматика демонстрирует безотказное функционирование.

1. Лукутин Б.В., Муравлев И.О., Плотников И.А. Системы электроснабжения с ветровыми и солнечными электростанциями: учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета; 2015. 128 с.

2. Даценко В.А., Сивков А.А., Герасимов Д.Ю. Монтаж, ремонт и эксплуатация электрических распределительных сетей в системах электроснабжения промышленных предприятий: учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета; 2007. 132 с.

3. Traister J.E., Kennedy T. Low voltage wiring: Security/Fire alarm systems. NY: The McGraw-Hill Companies; 2002. 408 p.

4. Битюков В.К., Лухт М.А., Михневич Н.Г., Петров В.А. Системная плата учебного лабораторного стенда с виртуальной передней панелью для исследований характеристик линейных стабилизаторов. Российский технологический журнал. 2017;5(4):22-31. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2017-5-4-22-31

5. Ревич Ю.В. Программирование микроконтроллеров AVR: от Arduino к ассемблеру. СПб.: БХВ-Петербург; 2020. 448 с. ISBN 978-5-9775-4076-6

6. Битюков В.К., Симачков Д.С., Бабенко В.П. Источники вторичного электропитания. Москва; Вологда: ИнфраИнженерия; 2020. 376 с. ISBN 978-5-9729-0471-6

7. Миленина С.А., Миленин Н.К. Электротехника, электроника и схемотехника: учебник и практикум для вузов. М.: Юрайт; 2021. 406 с. ISBN 978-5-534-04525-3

8. Гололобов В.Н. Схемотехника с программой Multisim для любознательных. СПб.: Наука и техника; 2019. 272 с. ISBN 978-5-94387-880-0

9. Methekar P.N., et al. Optimum charging profile for lithium-ion batteries to maximize energy storage and utilization. ECS Trans. 2010;25(35):139-146. https://doi.org/10.1149/1.3414012