ИСТОЧНИК АВАРИЙНОГО ПИТАНИЯ МОБИЛЬНЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Область техники
Полезная модель относится к системам питания электросетей и распределения электрической энергии, включающим схемы зарядки батарей и схемы питания сетей от батарей. В частности, данное устройство может быть применено в качестве источника аварийного питания мобильных телекоммуникационных систем и другого оборудования, работающего в полевых условиях.
Уровень техники
Известно, что в качестве автономных источников энергоснабжения для мобильных систем широко используются бензогенераторы, дизель-генераторы, солнечные и ветряные генераторы и другие, в комплексе с источниками аварийного питания. Источники аварийного (резервного) питания (ИАП) позволяют не только продлить время работы мобильного комплекса в случае прекращения работы бензогенератора или дизель-генератора, но и позволяют поддерживать работу мобильных комплексов в широком диапазоне температур, характерных для полевых условий эксплуатации.
Источники аварийного питания (ИАП) предназначенные для обеспечения работоспособности аппаратуры при отключении внешней сети питания, как правило, состоят из стабилизированного преобразователя переменного напряжения в постоянное и кислотно-свинцовой герметизированной аккумуляторной батареи (АКБ), работающей в буфере с преобразователем.
Известны линейно-интерактивные ИАП с синусоидальным выходным напряжением для телекоммуникационного оборудования, например Intelligent II 600RM/RMLT. Однако эти источники не предназначены для использования в полевых условиях и используются в помещениях, в которых поддерживаются необходимые для работы ИАП уровни температуры и влажности.
Наиболее близким по технической сущности является ИАП производства ООО "Сибконтакт" (http://sibcontact.com/), например, типа ИБПС-12-600NM. Источник бесперебойного питания синусоидальный (ИБПС) является источником переменного тока, напряжением 220 В класса On-Line с внешней кислотно-свинцовой аккумуляторной батареей (АКБ). ИБПС предназначен: для бесперебойного питания стабилизированным напряжением синусоидальной формы и частотой 50 Гц электрооборудования в условиях перебоя напряжения питающей сети, для заряда АКБ от зарядного устройства, для использования в качестве инвертора напряжения, а так же для использования в качестве стабилизатора напряжения.
Недостатками данного источника аварийного питания являются:
1) применение кислотно-свинцовых аккумуляторов, которые существенно увеличивают массогабаритные параметры ИАП;
2) отсутствие возможности применения ИАП в полевых условиях;
3) отсутствие контроля температуры АКБ, что может привести к ее выходу из строя в результате перегрева.
4) узкий диапазон рабочих температур 0°С до +40°С, что не позволяет использование ИАП при отрицательных температурах.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является создание переносного источника аварийного питания, работающего в полевых условиях и в широком диапазоне температур окружающей среды от -40°С до +50°С.
Технический результат: обеспечение переносными системами аварийного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, работающей в полевых условиях и при отрицательных температурах без необходимости использования специальных систем термостатирования.
Поставленная задача решена созданием источника аварийного питания включающим:
- серийный источник бесперебойного питания типа on-line;
- литий-железо-фосфатные (LiFePO4) аккумуляторные батареи (АКБ), имеющие большую удельную емкость при меньших массогабаритных параметрах по сравнению с кислотно-свинцовыми АКБ;
- устройство контроля температуры ИАП и АКБ;
- устройство отключения зарядки АКБ при отрицательной температуре, при этом питание нагрузки от ИАП сохраняется;
- устройство аварийного выключения ИАП при температуре выше заданной;
- влагозащитный механически прочный корпус, позволяющий использование ИАП в полевых условиях - пыль, дождь, отрицательные и высокие температуры в диапазоне от -40°С до +50°С;
- устройство подогрева АКБ при температуре ниже рабочей температуры эксплуатации АКБ;
- интерфейсы для подключения ИАП к компьютеру по проводным и/или беспроводным каналам связи для передачи информационных сигналов уровня зарядки АКБ, температуры ИАП и АКБ, тока заряда и тока разряда.
Описание конструкции источника аварийного питания Функциональная схема источника аварийного питания (ИАП) для полевых условий эксплуатации поясняется фигурой 1, где:
1 - серийный источник бесперебойного питания (ИБП);
2 - аккумуляторные батареи (АКБ);
3 - источник вторичного питания (ИВП), преобразующий напряжение переменного тока на выходе ИБП в напряжение постоянного тока;
4 - контроллер управления источником;
5 - выход напряжения переменного тока;
6 - выход напряжения постоянного тока;
7 - устройство отключения зарядки АКБ при отрицательных температурах;
8 - датчик температуры АКБ;
9 - датчик температуры контроллера;
10 - беспроводный канал связи с компьютером управления;
11 - динамик для подачи звукового сигнала об аварийной ситуации;
12 - проводной интерфейс для подключения к компьютеру управления;
13 - вход внешнего питания;
14 - нормально замкнутое термореле, отключающее внешнее питание при перегреве ИАП;
15 - плата управления вентиляторами;
16 - вентиляторы;
17 - датчики приближения;
18 - пыле- и влагозащищенный ударопрочный корпус.
19 - вентиляционные отверстия в корпусе;
20 - крышки вентиляционных отверстий;
21 - электрический плоский нагреватель для подогрева АКБ.
Главным модулем ИАП является источник бесперебойного питания типа on-line (1), который позволяет работать как от внешнего источника переменного тока (13), так и от АКБ (2). Переключение на питание от АКБ происходит при обнаружении контроллером ИБП отсутствия внешнего источника питания (13). Входное питание ИАП (13) подается на ИБП (1) через термореле (14), которое отключает внешнее питание при достижении температуры ИАП выше заданной. Также ИБП (1) обеспечивает зарядку АКБ (2) при наличии внешнего питания (13). Выходное напряжение ИБП переменного тока выводится на выход (5), а так же на вход источника вторичного питания (ИВП) (3). ИВП преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, которое подается на выход ИАП (6) для питания систем, требующих питания постоянным напряжением, например 12 В или 24 В. Контроллер (4) обеспечивает общее управление работой ИАП и вывод информационных сигналов на компьютер управления по беспроводным линиям связи (10), и/или по проводным линиям связи (12). На компьютер передаются данные об уровне заряда АКБ, ток заряда и ток разряда АКБ, температура внутри корпуса ИАП, температура АКБ. Ток заряда и ток разряда контролируется с помощью датчика тока, установленного на плате контроллера (4). Температура ИАП контролируется датчиком температуры (9), расположенном на плате контроллера (4), Температура АКБ контролируется датчиком температуры (8), расположенным на конструкции крепления АКБ (2). В корпусе ИАП (18) напротив вентиляционных отверстий (19) расположены вентиляторы (16), управление которыми осуществляется платой управления (15), связанной с контроллером (4). Вентиляционные отверстия (19) закрываются герметичными крышками (20), рядом с которыми расположены датчики приближения (17), контролирующие присутствие (отсутствие) крышек (20). Фиксация крышек на вентиляционном отверстии крышек осуществляется байонетным способом или магнитными защелками, что повышает оперативность работы оператора в полевых условиях.
В качестве ИБП может использоваться источник бесперебойного питания синусоидальный типа on-line, например, ИБПС-12-600NM, производства ООО "Сибконтакт" (http://sibcontact.com/). Данный тип ИБПС позволяет подключать внешние аккумуляторные батареи любой емкости, что обеспечивает неограниченное увеличение резерва питания. При необходимости дополнительные аккумуляторы подключаются параллельно. Для этого случая ИБПС-12-600NМ обладает программируемым током заряда АКБ 5, 10, 15, 20, 30 А. Кроме того, ИБПС является еще и стабилизатором напряжения - имеет расширенный диапазон входного напряжения сети от 110 В до 260 В, что позволяет без крайней необходимости не переключаться на внешние аккумуляторы. Еще одним важным преимуществом ИБПС-12-600NM является наличие режима «онлайн». Это функция позволяет работать в режиме полный автомат: как только появляется внешнее питание - оборудование начинает работать от внешней сети и наоборот, когда пропадает внешняя сеть - оборудование переходит на работу от аккумулятора.
В качестве АКБ могут использоваться литий-железо-фосфатные (LiFePO4) аккумуляторы, которые имеют существенно лучшие показатели по удельной емкости и по массогабаритным параметрам по сравнению с кислотными свинцовыми аккумуляторами, что обеспечивает реализацию переносного источника. Особенностью данных аккумуляторных батарей является то, что их зарядка может осуществляться только при положительных температурах, а эксплуатироваться (выдавать ток разряда на нагрузку) могут при температуре не ниже -30°С. Для поддержания температуры АКБ выше -30°С батарея снабжена электрическим плоским нагревателем (21). Нагреватель питается от входной внешней сети и включается при температуре АКБ, контролируемой датчиком температуры (8), ниже -30°С и отключается при температуре АКБ выше -30°С. Включение/выключение нагревателя обеспечивается контроллером (4).
В качестве нагревателя (21) могут использоваться миканитовые плоские нагреватели (ООО "УралСпецГрупп"), керамические нагреватели (ООО «ПК «Марион»), стальные плоские нагревательные элементы (RU 2140134 от 21.07.1997, RU 170 028 от 12.12.2016).
В качестве источника вторичного питания (3) может использоваться импульсный источник (преобразователь) постоянного напряжения, на вход которого поступает переменное напряжение 220 В. Величина выходного напряжения ИВП (12 В, 24 В или др.) определяется параметрами нагрузки.
Устройство отключения зарядки АКБ (7) при отрицательных температурах может быть выполнено в виде установки диода, включенного в цепь зарядки АКБ (2) таким образом, чтобы запирать ток зарядки АКБ при отрицательной температуре ИАП, которая контролируется датчиком температуры (9). При этом ток разрядки АКБ для питания нагрузки сохраняется. Для включения тока зарядки АКБ при положительных температурах диод закорочен нормально замкнутым реле (7), управляемым от контроллера (4), которое размыкается при уменьшении температуры, контролируемой датчиком (9), до отрицательных величин.
В качестве беспроводных линий связи (10) могут использоваться устройства Wi-Fi, Bluetooth и т.п.
В качестве звукового оповещения (11) могут использоваться пьезоэлектрические излучатели (спикеры).
В качестве проводных линий связи (12) могут использоваться интерфейсы USB, LAN и т.п.
В качестве датчиков приближения (17) могут использоваться, например, оптические датчики приближения, емкостные, индукционные.
Корпус ИАП (18), обеспечивающий защиту от атмосферных осадков, пыли и механическую прочность ИАП в полевых условиях эксплуатации, может быть изготовлен из ударопрочного полипропилена с теплоизолирующим слоем.
Для удобства работы оператора и повышения безопасности эксплуатации ИАП крышки вентиляционных отверстий (20) могут быть снабжены устройством автоматического открывания, например, посредством электромагнитного толкателя или поворотного механизма с управлением от контроллера (4) ИАП.
Источник аварийного питания работает следующим образом
Источник аварийного питания размещают вблизи радиоэлектронной аппаратуры, которую необходимо обеспечить аварийным электропитанием. Внешнее питание (например, от бензогенератора) подключают к входу (13). К выходам напряжения переменного (5) и постоянного тока (6) подключают нагрузку (приборы, в том числе, компьютер управления). Выходной интерфейс (12) подключают к компьютеру управления. При наличии внешнего питания на входе (13) ИБП (1) обеспечивает его подачу на выход переменного тока (5) и на вход источника вторичного питания (3), выход с которого подается на выход постоянного тока (6). При этом ИБП (1) обеспечивает зарядку АКБ (2).
В случае отсутствия напряжения питания на входе (13) ИБП (1) переключает свой вход на питание от АКБ (2).
В случае уменьшения температуры АКБ (2), контролируемой датчиком (8), ниже нуля контроллер (4) размыкает контакты реле в устройстве (7), что приводит к прерыванию режима зарядки АКБ (2), при этом режим разряда не прерывается, благодаря диоду (см. 7), включенному в цепь питания от АКБ (2). То есть питание нагрузки от АКБ сохраняется. Датчик температуры (8), контролирующий температуру АКБ (2), укреплен на металлической подложке аккумуляторного блока.
В случае превышения температуры ИАП, контролируемой термореле (14), выше заданной, например +60°С, термореле автоматически размыкает входную сеть и работа ИАП прекращается, что обеспечивает безопасный режим работы ИАП.
Для поддержания температуры АКБ выше -30°С, батарея снабжена электрическим плоским нагревателем (21). Нагреватель питается от входной внешней сети и включается при температуре АКБ, контролируемой датчиком температуры (8), ниже -30°С и отключается при температуре АКБ выше -30°С. Включение/выключение нагревателя обеспечивается контроллером (4).
В случае превышения температуры ИАП, контролируемой датчиком (9), например выше +40°С, контроллер (4) выдает информационные сигналы на компьютер управления по проводному (12) и/или беспроводному (10) каналам связи. При этом включается звуковой сигнал оповещения (11) и включаются вентиляторы (16). Вентиляторы включаются только при условии снятых крышек (20), которое контролируется датчиками приближения (17). При закрытых крышках и при температурах выше +40°С контроллер включает сигнал оповещения (11) и выдает соответствующие информационные сигналы на компьютер управления по каналам связи (10) и/или (12). При температурах ниже -10°С вентиляционные крышки могут быть закрыты, поскольку внутренняя температура не превысит предельно допустимую при номинальной нагрузке.
В случае уменьшения температуры, контролируемой датчиком (9) ниже заданной, например -10°С, и при отсутствии крышек (20), которое контролируется датчиками приближения (17), контроллер (4) выдает информационный сигнал на компьютер управления и включает звуковой сигнал оповещения (11).
Таким образом, использование в одном устройстве:
- литий-железо-фосфатные (LiFePO4) аккумуляторных батарей, обеспечивающих необходимые массогабаритные параметры системы;
- системы отключения тока зарядки АКБ при отрицательных температурах, обеспечивающей длительную эксплуатацию АКБ;
- систем вентиляции ИАП и аварийного выключения ИАП при температуре выше заданной, обеспечивающих безопасную эксплуатацию ИАП;
- системы подогрева АКБ при температурах ниже рабочей температуры эксплуатации АКБ;
- внешних интерфейсов для передачи информационных сигналов на компьютер управления, также повышающих безопасность эксплуатации ИАП;
- пыле- и влагозащищенного ударопрочного корпуса, обеспечивающего работу в полевых условиях,
обеспечивают заявленный технический результат: обеспечение переносными, с малыми массогабаритными параметрами, системами аварийного электропитания аппаратуры, работающей в полевых условиях и в широком диапазоне температур от -40°С до +50°С.