Sähkötekniikan osasto
Jyri Rajamäki
TELELAITTEIDEN TEHONSYÖTÖN TEKNISTALOUDELLINEN OPTIMOINTI
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa -bö
Työn valvoja Matti Mård
2b
Työn ohjaaja Kaarle Marttila
18111
.TKK SÄ H KÖTF. K N ! i KAN OSASTON KIRJASTO OTA KAARI 5 A 02150 ESPOO
ALKULAUSE
Kiitän professori Matti Mårdia, joka toimi työni valvojana.
Työ on tehty Posti- ja telelaitoksen teletekniikkakeskuksen voimalaiteryhmässä. Työni ohjaajaa dipl. ins. Kaarle Martti
laa kiitän työni aiheesta, työni ohjauksesta sekä lukuisista arvokkaista neuvoista työni sisältöön ja ulkoasuun liittyen.
Voimalaiteryhmän päällikköä ins. Mauri Nikkasta kiitän mahdollisuudesta työn tekemiseen sekä avusta ja hyödyllisistä neuvoista työni eri vaiheissa. Lisäksi haluan osoittaa kiitokseni koko voimalaiteryhmän henkilökunnalle, erityisesti puh. mest. Pertti Joenpolvelle ja tekn. Juhani Lehikoiselle, saamastani tuesta, asiallisista kommenteista sekä miellyttä
västä ja kannustavasta työilmapiiristä.
Espoossa 28. päivänä joulukuuta 1990
Yläkartanontie 28 A 54 02360 ESPOO
TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ
Tekijä ja työn nimi: Jyri Rd j dllläkl
Telelaitteiden tehonsyötön teknis
taloudellinen optimointi
Päivämäärä: 28. 12. 1990 Sivumäärä: 104
Osasto: Professuuri:
Sähkötekniikan osasto Svt-81 Sähkökäyttö ja tehoelektroniikka Työn vaivoja: Professori Matti Mård
Työn ohjaaja: DI Kaarle Marttila
Työssä on selvitetty uusien telelaitteiden tehonsyöttövaa- timukset, optimoitu teknistaloudellinen tehonsyöttöratkaisu paikallisverkon keskuksille sekä tarkasteltu uuden tehon- syöttöratkaisun taloudellisuus ja tekninen toteutus nykyi
siin normeihin verrattuna. Lopuksi työssä on tarkasteltu monipalveluverkkoj en tulon vaikutusta tehonsyöttöön.
Telekeskuskuksilla vaihtosähkön tarve lisääntyy jatkuvasti.
Kun vaihtosähkön tarve ylittää tasasähkön tarpeen, kannat
taa nykyisestä tasasähkösyötöstä siirtyä vaihtosähkösyöt- töön.
Uudet tehonsyöttölaitteet voidaan sijoittaa samaan tilaan keskuslaitteiden kanssa, jolloin säästetään erillisten voimalaitehuoneiden käydessä tarpeettomiksi. Samalla mahdollistetaan syöttöjärjestelmien hajautus, joka pienen
tää syöttökustannuksia sekä syöttövikoj en vaikutuksia.
Voimalaitteiden moduulirakenteen myötä päästään lähelle todellisen tarpeen mukaista mitoitusta ja huollettavuus paranee.
Automaattisen kaukomittauksen (AKM) käyttöönotto akusto- huollossa pienentää kustannuksia. Mittaustiheydellä ei tällöin ole rajoituksia, joten luotettavuus lisääntyy ja akustojen käyttöaikaa voidaan pidentää. Mikään tutkituista akustoista ei joutunut 100 %:n käyttöön. Tämän ja AKM:n seurauksena akustojen mitoitusta voidaan väljentää.
Yleisesti ottaen voimala!tepuolella kannattaakin tulevai
suudessa siirtää resursseja ylimitoituksesta tehokkaaseen valvontaan.
Optisten tilaajaverkkojen tulon myötä tavallisen puhelimen tehonsyöttö sähkökatkoksen aikana tulee ongelmaksi. Lähi
ajan ratkaisu on tehon syöttö päätösjakamon voimalaittees
ta: aluksi kuparisia signaalijohtimia myöten, myöhemmin va
lokaapeliin lisättävää kuparia myöten. Myöhemmin tehonsyöt- töongelmat ratkaistanee tehovalokuidun ja laserin avulla.
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
ABSTRACT OF THE MASTER'S THESIS
Author: Jyri Rajamäki
Name of the thesis: Technical and Economical Optimization of the Power Supply of Telecommunications Equipments
Date: 28 • 12* 1990 Humber of pages: 104
Department: Professorship:
Department of Electrical Svt-81 Electrical Drives
Engineering and Power Electronics
supervisor: Professor Matti Mård
instructor: Mr Kaarle Marttila M.Sc. (E.E.)
The demands on power supply of new telecommunications equipments, the new technical and economical optimum solution of power supply and the economy and the technical implementation of the new solution compared with the standards be in force has been solved in this thesis. The influence of the power supply when ISDN and В-ISDN come has been surveyed in the end of this thesis.
The need of ac power is increasing continuosly in telephone exchange. When the need of ac power becomes larger than the need of dc power, it's better to shift ac powering instead of present dc powering.
The new powering equipments can be put in the same room with exchange equipments and so money can be saved when the own rooms of powering equipments become unnecessary. In the same time the decentralization of powering comes possible and this decreases the costs and the effects of powering faults.
The modular structure of powering equipments makes it possible to dimension approaching the real need ond also the serviceability becomes better.
Use of the automatic remote measuring (BRM) in the battery servicing saves money. There is no limitation in the frequence of measuring and so the reliability improves and the living time of the batteries becomes longer. Becouse of no one of the researched batteries have been in 100 % use and becouse of BRM, the dimensioning of batteries can be made looser. In general, it is profitable to move the resources from overdimensioning of the power supply to the effective controlling.
When the optical subscriber's lines come, it couses problems for the powering of the usual telephone at commercial ac power failure condition. At the early date the decision is the remote powering from concentrator: first using copper data lines and then using added copper in optical fiber.
Later the powering problems can be solved by optical power fiber and laser.
SISALLYSLUETTELO
sivu
ALKULAUSE ... i
TIIVISTELMÄ...ii
ABSTRACT...lii SISÄLLYSLUETTELO... iv
TYÖSSÄ KÄYTETYT MERKIT JA LYHENTEET ... vii
LIITELUETTELO ... ix
1 JOHDANTO ... 1
2 TELEKESKUKSEN TEHONSYÖTTÖJÄRJESTELMÄN OPTIMIVALINTA 2 2.1 Yleistä telekeskusten tehonsyötöstä .... 2
2.2 Syöttöj ärj estelmätyypit... 3
2.2.1 Keskitetty tasasähköjärjestelmä . . 4
2.2.2 Rinnakkaiset keskitetyt tasa- ja vaihtosähköj ärj estelmät... 8
2.2.3 Keskitetty vaihtosähköjärjestelmä . 10 2.2.4 Hajautetut tehonsyöttöjärjestelmät 11 2.3 Valintakriteerit ... 12
2.4 Syöttöjärjestelmätyypin valinnan optimointi 15 2.4.1 Parhaan keskitetyn syöttöjärjestelmä- tyypin valinta ... 15
2.4.2 Keskitetty vai hajautettu syöttö- järjestelmätyyppi? ... 16
2.5 Tulevaisuuden näkymät ... 17
3 TELEKESKUSTEN TEHONSYÖTTÖLAITTEET JA NÄIDEN VALINTA KRITEERIT 18 3.1 Yleistä... 18
3.2 Valintakriteerit ... 18
3.2.1 Luotettavuus ...20
3.2.2 Hankintahinta...20
3.2.3 Käyttö- ja huoltokustannukset ... 20
3.2.4 Laitteen vaatiman tilan kustannukset 20 3.2.5 Käyttöikä... 21
3.3 UPS-laitteet ... 21
3.3.1 DC-UPS-laitteet... 21
3.3.2 АС-UPS-laitteet... 22
3.4 Tasasuuntaajat ... 24
3.4.1 Tyristoritasasuuntaaj at... 25
3.4.2 Hakkuritasasuuntaaj at... 27
3.4.3 Tasasuuntaajatyypin valinta .... 31
3.5 Vaihtosuuntaajat ... 32
3.5.1 Siltakytketyt vaihtosuuntaajat . . 33
3.5.2 Kaksisuuntaiset vaihtosuuntaajat . 35 3.6 Jännitteen säätäjät ... 36
3.7 Akustot... 37
3.7.1 Avoimet lyijyakut ... 38
3.7.2 Suljetut akut... 39
3.7.3 Akustotyypin valinta ... 39
3.8 Varavoimalaitokset ... 41
3.9 Jakokeskukset... 42
4 AKUSTON MITOITUKSEN OPTIMOINTI LUOTETTAVUUS TARKASTELUN PERUSTEELLA... 43
4.1 Yleistä... 43
4.2 Luotettavuuskäsitteistöä ... 44
4.2.1 Käyttövarmuus... 45
4.2.2 Toimintavarmuus...45
4.2.3 Huollettavuus ja huoltovarmuus . . 46
4.3 Sähköverkon luotettavuus ... 47
4.4 Suorakäyttöjärjestelmän luotettavuus ... 49
4.4.1 Laitevikojen vaikutus käyttö varmuuteen ... 50
4.4.2 Varmistusaikaa pidempien verkko- katkosten vaikutus käyttövarmuuteen 52 4.4.3 Suorakäyttöjärjestelmän käyttö varmuus ... 52
4.5 Akuston mitoitusajan optimointi ... 55
5 TEHONSYÖTTÖLAITTEIDEN HUOLLON OPTIMOINTI ... 59
5.1 Yleistä... 59
5.2 Huollon jaottelu ... 60
5.2.1 Ehkäisevä huolto ... 60
5.2.2 Korjaava huolto... 60
5.2.3 Valvonta ... 61
5.3 Huollon nykytilanne ja kehittämiskohteiden kartoitus... 62
5.3.1 Huollon vaatimukset ... 62
5.3.2 Huoltokäytännön perusteet ... 63
5.3.3 Kustannusten jakaantuminen .... 64
5.3.4 Kehittämiskohteet ... 65
5.4 Yleistä tasasähköjärjestelmien huollosta . 65 5.4.1 Yleistä akustohuollosta ... 65
5.4.2 Nykyinen akustohuolto ... 66
5.4.3 Akustohuollon kehittämis mahdollisuudet ... 68
5.4.4 Tasasuuntajien huolto ... 68
5.5 Akustojen etähuolto ... 69
5.5.1 Vaatimukset... 70
5.5.2 Käyttötavat... 70
5.5.3 Edut... 71
5.5.4 Akustojen kaukomittausjärjes- telmä (AKM)... 72
5.6 Akustohuollon optimointi ... 73
5.6.1 Huoltokustannukset nykymenette- lyllä... 73
5.6.2 Huoltokustannukset kauko- mittausta käyttäen ... 74
5.6.3 Kustannusten vertailu ... 75
5.7 Varavoimalaitokset ... 78
5.8 Yhteenveto ... 79
6 MONIPALVELUVERKKOJEN TUOMAT MUUTOKSET TEHONSYÖTÖN RAKENTEESEEN ... 81
6.1 Yleistä... 81
6.2 ISDN-verkko... 83
6.2.1 Yleistä... 83
6.2.2 Tehonsyötön periaate ... 84
6.2.3 Tilaajaliitynnän tehonsyöttö ... 84
6.3 Optiset tilaajaverkot ... 89
6.3.1 Päätelaitteiden tehonsyöttö- vaihtoehdot ja -ongelmat ... 90
6.3.2 Keskitetty tehonsyöttöratkaisu . . 93
6.3.3 Loppupäätelmät ... 97
7 YHTEENVETO... 99
LÄHDELUETTELO 101
TYÖSSÄ KÄYTETYT MERKIT JA LYHENTEET A ampeeri, käytettävyys a vuosi, positiivinen vakio
AKM Akustoj en kaukomittausjärjestelmä b akusto, positiivinen vakio
ас vaihtovirta
ATY alueellinen tulosyksikkö
В-ISDN laajakaistainen optinen monipalveluverkko C kapasiteetti, kapasitanssi, kondensaattori Ca, Cb ohj ausj aksoja
CCITT Comité Consultatif International de Télégraphique et Téléphonique
Kansainvälinen neuvotteleva lennätin- ja puhelinkomitea
D pulssisuhde, diodi
dB desibeli
dc tasavirta
e" elektroni
ET exchange termination keskuspääte
F$/h toiminnan keskeytymisestä yhdessä tunnissa aiheutuvat kustannukset
g tasaj ännitejakelu
h tunti
H vety
Hz hertsi
I sähkövirta, vaihtosuuntaaja
IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers
INTELEC International Telecommunications Energy Conference
ISDN Integrated Services Digital Network digitaalinen monipalveluverkko
ISO International Organisation for Standardization Kansainvälinen standardisoimisjärjesto
J joule
K kytkin, keskus
к kilo
KTV kaapelitelevisio
L induktanssi
LT line termination linjapääte
m metri
M muuntaj a, meka MDT mean down time
keskimääräinen toimintakyvyttömyysaika
mk markka
MTBF mean time between failures keskimääräinen vikaväli MTTF mean time to failure
keskimääräinen vikaantumisaika
MTTR mean time to failure, mean time to recovery keskimääräinen korjauksen toimitusaika
n2/n! muuntosuhde Na,Nb,Ne ohj ausj aksoj a
NT/NTI/NT2 Network termination
ISDN-liittymän viitekokoonpanon verkkopääte NTT Nippon Telegraph and Telephone
0 happi
Pb
lyijy
R resistanssi, tasasuuntaaja
S tehokytkin, rikki, vaihtosähköverkko SBS staattinen kytkin
STM Sähköturvallisuusmääräykset
T tyristori, transistori, jaksonaika TA terminal adapter
päätesovitin
TE terminal equipment päätelaite
TEP telepiiri
U epäkäytettävyys, jännite UPS Uninterruptible Power Supply
katkeamattomaan sähkönsyöttöön tarkoitettu laite V voltti, potentiaali
w
wattiX syöttöjännitteen varmistusaika
$ kustannukset
LIITELUETTELO
LIITE I Verkkokatkostilasto Iisalmen ja Pielave den verkkoryhmästä ajalla 7.11.1988 11.3.1990
1 JOHDANTO
Telelaitteiden kehityksen myötä on niiden tehontarpeessa ja sähkön laatuvaatimuksissa tapahtunut voimakasta muutosta.
Uudet telelaitteet sallivat oleellisesti suuremmat syöttö- jännitevaihtelut kuin vanhat, eikä erillisiä jännitteensää- täjiä siten enää tarvita. Syöttötasajännitteen tasaisuuden määräävät akut, koska ne vaativat stabiilin kestovarausjän
nitteen. Lisäksi vaihtosähkön osuus teleasemien syötössä kasvaa jatkuvasti.
Myös voimalaitetekniikka on kehittynyt huomattavasti viime vuosina. Uuden tekniikan soveltamisella voidaan olennaisesti vaikuttaa uusien telekeskusten rakennuskustannuksiin sekä tehonsyötön kustannusrakenteeseen optimoimalla voimalaittei
den sijoitus, mitoitus ja huolto. Lisäksi voimalaitejärjes
telmien luotettavuutta voidaan uuden tekniikan avulla parantaa kustannuksia lisäämättä.
Tämän työn tavoitteena on selvittää uusien telelaitteiden vaatimukset tehonsyötölle ja luoda teknistaloudellisesti edullisempi tehonsyöttöratkaisu paikallisverkon asemille soveltamalla uutta tekniikkaa sekä laitteissa että niiden käytössä ja huollossa. Lisäksi tässä pyritään selvittämään uuden voimalaiteratkaisun taloudellisuus ja tekninen toteutus nykyään käytössä oleviin normeihin verrattuna. Työn tuloksena on optimi tehonsyöttöratkaisu uusille asemille sekä selvitys vanhojen asemien tehonsyötön käyttökustannusten pienentä- mismahdollisuuksista.
Lopuksi tässä työssä on tarkasteltu monipalveluverkkojen ja etenkin optisten tilaajaverkkojen tulon aiheuttamien muutos
ten vaikutusta tehonsyötön tekniseen ja kustannusrakenteeseen sekä pyritty löytämään kokonaisuutena edullisin tehonsyötön toteutusperiaate.
2 TELEKESKUKSEN TEHONSYÖTTÖJÄRJESTELMÄN OPTIMIVALINTA 2.1 Yleistä telekeskusten tehonsyötöstä
Telekeskuksen tehonsyötöllä tarkoitetaan kaikkia niitä toimintoja, jotka ovat yleisen sähkönjakeluverkon ja keskuk
sen sähkötehoa kuluttavien laitteiden välillä. Tehonsyöttöön käytettäviä laitteita kutsutaan voimalaitteiksi. Eräs esi
merkki telekeskuksen syötössä käytettävästä tehonsyöt- töjärjestelmästä on esitetty kuvassa 2.1.
Sekundääri—
jännite Primäärijännite
400/230 V%
Verkko
Jännite- Jakelu muuttajat Varavoimalaitos
Kuva 2.1 Keskitetyn tehonsyöttöjärjestelmän periaate- kaavio
Koska yleisessä sähkönjakeluverkossa tapahtuu silloin tällöin keskeytyksiä, on tehonsyöttö varmistettava siten, että keskukset toimivat myös tänä aikana. Tämä toteutetaan katkeamattoman sähkön syötön laitteella (UPS kuvassa 2.1), jonka antojännite voi olla tasa- tai vaihtojännite. Tarvitta
va teho otetaan tällöin akuista. Suurissa järjestelmissä on lisäksi varavoimageneraattorit, jotka toimivat verkkojän
nitteen varmistajina.
Yleisestä sähkönjakeluverkosta ja varavoimageneraattorista saatavaa jännitettä kutsutaan primäärijännitteeksi /1, Girard, s. 30/. Katkeamattoman sähkön syötön laitteen antojännitettä nimitetään sekundäärijännitteeksi. Keskus- laitteissa olevien jännitemuuttajien antojännite on vastaa
vasti tertiäärij äänitettä.
Primäärijännite on yleensä yleisestä j akelusähköverkosta saatava 230 V vaihtojännite. Verkkojännitteen katkosten aikana primäärijännitelähteenä on suurissa järjestelmissä varavoimageneraattorij ärj estelmä. Primäärijännite voidaan saada syrjäseuduilla oleviin pieniin välityslaitteisiin myös muista lähteistä, kuten tuuli- ja aurinkoenergialaitteista.
Sekundäärijännite on perinteisesti ollut nimellisarvoltaan 48 V tasajännite, jossa plus-napa on maadoitettu. Sekundääri- jännitteen asetteluarvo on tällöin riippunut käytettävän akuston kennomäärästä ja -jännitteestä. Telessä on usein käytetty 23 kennon akustoa ja kennojännitettä 2,23 V, jolloin akuston kestovarausjännitteeksi on tullut 51,3 V. Sekundääri- jännite voi kuitenkin olla myös vaihtojännite, esimerkiksi Japanissa käytetään joillakin asemilla 415 V vaihtojän
nitettä /2, Kurane, s. 70/.
Tertiäärijännitteellä tarkoitetaan tässä keskuksen elekt
ronisten piirien ja muiden käyttölaitteiden varsinaisia käyttöj äänitteitä. Nämä jännitteet kehitetään yleensä sekundäärijännitteestä keskukseen kiinteästi liitetyillä jännitemuuttajilla. Eräissä tapauksissa tertiäärijännite voi olla sama kuin sekundäärijännite tai jopa primäärijännite.
2.2 Syöttöj ärj estelmätyypit
Telekeskusten tehonsyöttöj ärjestelmiä on kahta perustyyppiä:
keskitettyä ja hajautettua. Keskitettyjä tehonsyöttöjärjes
telmiä on puolestaan kolmea tyyppiä:
- keskitetty tasasähköj ärj estelmä, - keskitetty vaihtosähköj ärjestelmä,
- rinnakkaiset keskitetyt tasa- ja vaihtosähköj är- jestelmät.
Syöttöjärjestelmät koostuvat yleensä rinnakkaisista raken- neyksiköistä toisaalta tehontarpeen ja toisaalta varmennuksen takia. Järjestelmät voidaan koon puolesta luokitella lähinnä kolmeen ryhmään: pienet, keskikokoiset ja suuret eli yhdis
telmä järjestelmät /3, Packalén, s. 7/. Syöttöj ärj estelmän
perusyksiköt on perinteisesti sijoitettu eri tiloihin kuin keskukset. Konventionaaliset avoimet lyijyakut vaativat runsaan kaasunmuodostuksen takia oman akkuhuoneen. Voimalai
te järjestelmä on perinteisesti rakennettu keskitettynä tasasähköjärjestelmänä siten, että viestiasemalla kaikki ta
sasuuntaajat ja säätäjät on sijoitettu samaan huoneeseen ja akkuhuone tämän viereen. Syöttöjärjestelmä on sitten yhdis
tetty ns. pääjakokeskukseen, josta on vedetty syöttöjohdot keskustelineille.
Viimeaikoina tehoelektroniikka ja akkuteknologia ovat kehittyneet siten, että laitteet ovat tulleet pieniksi, kevyiksi ja lähes äänettömiksi sekä suljettujen akkujen kaasupäästöt ovat tulleet hyvin pieniksi. Tämä lisää voima- laitteiden hajautusta, niin että syntyy pieniä lähellä kuormaa olevia tehonsyöttöjärjestelmiä.
2.2.1 Keskitetty tasasähköj ärjestelmä
Tasajännite- muuttajat Primäärijännite
Sekundääri-
jännite Tertiääri-
jännitteet 400/230 V'v
Verkko
Tasa
suuntaaja Vaihto
suuntaaja
Varavoimalaitos Akusta Jakelu
Kuva 2.2 Keskitetyn tasasähköjärjestelmän periaa
tekaavio
Tässä perinteisessä tehonsyöttöjärjestelmässä kaikki kat
keamaton sähkö tasasuunnataan, varmistetaan akuilla ja syötetään tasasähkönä tele- sekä oheislaitteille (ks. kuva 2.2). Vaihtosähköä vaativille laitteille vaihtosuunnataan niiden tarvitsema teho. Yleisimmät keskitetyt tasasähköjär- jestelmät ovat suorakäyttö sekä sarjasäätäjäjärjestelmä.
Suorakäyttö
Yksinkertaisin keskitetyn tasasähkötehonsyötön toteutusperi
aate on suora- eli puskurikäyttö, joka koostuu vain tasasuun
taajasta ja akusta. Ks. kuva 2.3.
Tasasuuntaaja Keskus
Verkko Akusto
Kuva 2.3 Suorakäyttöperiaate /4, Marttila, s. 55/
Syöttöjännitteen määrää tässä kokonaan akustojännite.Verk
kokatkoksen aikana akustoa puretaan ja jännite laskee. Jos akustossa on 23 kennoa, on jännite purkauksen lopussa 23 x 1,83 V eli 42,1 V. Verkkojännitteen palattua akusto jälleen- varataan, jolloin sen jännite pikavarauksen aikana nousee
54,1 V:iin. Kuva 2.4 esittää kuormajännitteen maksimimuutos- ta, jossa verkkokatkos tulee pikavarauksen ollessa vielä päällä /5, Pökkinen, s.3/.
Jos halutaan päästä mahdollisimman suureen luotettavuuteen, voidaan järjestelmä moninkertaistaa kytkemällä useita kokonaisuuksia rinnakkain diodien avulla. Kuvassa 2.5 on kuvattu tapaus, jossa kaksi kokonaisuutta on kytketty rinnan.
Tällöin toisen järjestelmän vioittuessa jää toinen syöttämään kuormaa. Molempien tasasuuntaajien pitää tässä tapauksessa pystyä syöttämään koko kuormaa. /4, s. 44/
Suorakäyttöperiaatetta on tähän mennessä käytetty lähinnä pienissä järjestelmissä, joita on suurin osa olemassa olevista järjestelmistä. Sen etuna on luotettavuus, yksinker
taisuus ja halpuus. Lisäksi akuston kapasitanssista aiheutuva pienitaajuisten häiriöjännitteiden suodatusvaikutus /4, s.
41/ tulee hyödynnettyä mahdollisimman hyvin, koska akusto on yhdistetty suoraan kuorman napoihin.
Un-10%
verkkokatkos varaus
Kuva 2.4 Jännitteen maksimivaihtelut suorakäytössä /5, S.3/
Tasasuun
taaja 1
Akusto 1
Kuorma Verkko
Tasasuun
taaja 2
Akusto 2
Kuva 2.5 Kahdennettu puskurikäyttö /4, s.44/
Sarjasäätäj äj är j es telinä
Tehoelektroniikkaa soveltamalla voidaan rakentaa järjes
telmä, jossa keskuksen syöttöjännite pidetään syötön kanssa
sarjassa olevalla säätäjällä vakiona kuormavirran ja akusto- jännitteen muuttuessa. Tällaista järjestelmää kutsutaan sarjasäätäjäjärjestelmäksi.
Jakelu
Ug Akustojännite
antojänmte UD Jakelujännite Jälleen —
varaus i Normaali
tila
Verkko- katkos
Kuva 2.6 Sarjasäätäjäjärjestelmä jännitemuotoineen
Kuva 2.6 esittää erästä sarj asäätäj äj ärj estelmää ja sen jännitemuotoja verkkokatkostilanteessa /6, Wolpert, s. 33/.
Järjestelmä koostuu tasasuuntaajasta, akustosta, säätäjästä ja automatiikkalaitteistosta, joista viimeksimainittua ei ole merkitty kuvaan. Normaalitilassa tasasuuntaajan antojän
nite on 51 V ± 0,5 %, kun syöttöjohdoissa tapahtuva jännite
häviö on otettu huomioon. 23 kennon akusto pidetään kestova- rauksessa jännitteellä 2,23 V kennoa kohti ja sarjasäätäjät ovat lepotilassa. /4, s. 61/
Verkkokatkoksen tapahtuessa sarjasäätäjä käynnistyy, ja sen antojännite kasvaa sitä mukaa kuin akustojännite pienenee.
Keskuksen syöttö jännite pysyy täten vakiona. Kun verkko jänni
te palaa, automaattinen jälleenvaraus lähtee käyntiin.
Akustojännite nostetaan 54 V:iin (2,35 V/kenno), joka on myös syöttöjännitteenä kuormalle.
Säätäjä on toiminnassa vain kun akustojännite on normaalin kestovarausjännitetason alapuolella. Normaalitilassa ja jälleenvarauksessa syöttö tapahtuu ohitusdiodin kautta, joka tässä tapauksessa on sisäänrakennettu säätäjään (ks. s. 37 kuva 3.17).
Jos säätäjän ohitusdiodi poistetaan, saadaan järjestelmä, jossa kuormaan menevä jännite on riippumaton akuston jännit
teestä. Tällöin säätäjän on tietenkin oltava koko ajan toiminnassa. Systeemin hyötysuhde laskee, koska säätäjässä tapahtuu enemmän tehohäviötä kuin pelkässä ohitusdiodissa.
Myös luotettavuus heikkenee sarjaelimien lisääntyessä ja koska ko. järjestelmät ovat elektroniikaltaan varsin monimut
kaisia sisältäen paljon komponentteja. /4, s. 61/
2.2.2 Rinnakkaiset keskitetyt tasa- ja vaihtosähkö- järjestelmät
Telekeskuksilla pääasiallisesti oheislaitteet tarvitsevat katkeamatonta vaihtosähköä ja telelaitteet katkeamatonta tasasähköä. Näiden keskitetty syöttö voidaan toteuttaa rakentamalla rinnakkaiset keskitetyt tasa- ja vaihtosähkö- järjestelmät, jolloin vaihtosähköjärjestelmä syöttää vaih
tosähköä vaativia laitteita ja tasasähköjärjestelmä tasasäh- kölaitteita.
Rinnakkaiset keskitetyt tasa- ja vaihtosähköjärjestelmät voidaan toteuttaa esimerkiksi täydentämällä sarjasäätäjäjär-
АС-UPS
400/230 V'v Verkko
Varavoimalaitos
Kuva 2.7 Rinnakkaiset keskitetyt tasa- ja vaihtosäh- kösyötöt
'v 230 V
Varmennettu
verkko -48 V
Keskus Verkko
Oheis
laitteet
Kuva 2.8 Kaksoisvarmennettu vaihtosuuntaajalla varus
tettu sarjasäätäjäjärjestelmä
jestelmää staattisella vaihtosuuntaajalla. Tällöin kaksois- varmennetusta sarj asäätäj äj ärj estelmästä tulee kuvan 2.8 mukainen. Tätä rakennetta voidaan pitää ns. moni- tasasuuntaaj aj ärj estelmän perustyyppinä. Näitä on Telessä käytetty kuormitusvirtojen ollessa suuria, luokkaa 500. . . 5000 A /4, s. 64/.
2.2.3 Keskitetty vaihtosähköj ärj estelmä
Telekeskuksilla katkeamattoman vaihtosähkön tarve on jatku
vassa kasvussa tasasähköön verrattuna. Siksi on alettu rakentaa keskitettyjä vaihtosähköjärjestelmiä.
Varavoimalaitos 400/230 V'Xy
Verkko
Jakelu
Kuva 2.9 Keskitetty vaihtosähköjärjestelmä
Keskitetyn vaihtosähköjärjestelmän perustana toimii suurite
hoinen katkeamattoman vaihtosähkön syötön laite (АС-UPS) (ks.
kuva 2.9), joka on toteutettu pienemmistä rinnankytketyistä AC-UPS-laitteista. Tämä UPS-laite syöttää kaikkia telelait
teita sekä varmistettua sähköä vaativia oheislaitteita.
Tasasähköä vaativille laitteille tasasuunnataan niiden tarvitsema sähköteho paikallisesti lähellä kuormaa olevilla tasasuuntaajilla. Vaihtojännite voidaan muuntajien avulla muuntaa kuormalle sopivan tasoiseksi.
Keskitettyyn tasasähköjärjestelmään verrattuna tällä järjes
telmällä on se etu, että UPS-laite voidaan kytkeä verkkojän
nitteen rinnalle ja näin luotettavuus paranee sarjaankytket- tyjen laitteiden vähentyessä. Lisäksi jakeluhäviöt ovat pienempiä, koska jakelujännite on suurempi.
Keskitettyjä vaihtosähköjärjestelmiä ei Suomen teleasemille ole vielä käytössä, mutta esimerkiksi Japanissa /2, s. 70/
niitä on rakennettu.
2.2.4 Hajautetut tehonsyöttöjärjestelmät
Uuden teknologian myötä kaikkia voimalaitteita ei enää välttämättä tarvitse sijoittaa erillisiin voimalaitetiloihin.
Uusissa tehonsyöttöjärjestelmissä onkin hajautettu tehonsyöt
tö tekemässä läpimurtoa. Hajautus toteutetaan yleensä niin, että tehonsyöttö integroidaan keskusten yhteyteen.
- AC-UPS — ~
400/230 V ^ Verkko
Varavoimalaitos
Kuva 2.10 Täysin hajautettu tehonsyöttöjärjestelmä
Kuvassa 2.10 on esitetty täysin hajautetun tehonsyöttöjär
jestelmän periaate. Se koostuu paikallisista tasa- ja vaihtosähköjärjestelmistä, jotka sisältävät akustovarmistuk- set. Nämä paikalliset tehonsyöttöjärjestelmät saavat tehonsa suoraan primäärijännitteestä.
Syöttöjärjestelmä voi olla myös osittain hajautettu. Tällai
sesta järjestelmästä on esimerkki kuvassa 2.11, jossa on esi
tetty uuden Nippon telegraph and telephonessa (NTT) käyt
töönotetun telekeskuksen tehonsyöttöjärjestelmä /7, Mlzu- guchi, s. 56/. Kuvassa 2.12 on tämän osittain hajautetun ta
sasähkö järjestelmän toimintaa kuvattu normaalitilassa,
yleisen sähköverkon katkoksen sekä akus- tojen jälleenvarauk- sen aikana. NTT :sså tehtyjen laskelmien mukaan tämä osittai
nen hajauttaminen vähentää keskuksen voimalaitteiden lat
tiapinta-alan tar
vetta yli 30 % ja vähentää laite-, rakennus- sekä säh- könkulutuskustannuk- sia yhteensä yli 20
% keskitettyyn te- honsyöttötapaan ver
rattuna /7, s. 61/.
Operation at normal condition. Operation at commercial AC power failure condition.
Operation at commercial AC power recovery condition.
Kuva 2.12 Osittain hajautetun tasasähköjärjestelmän toiminta eri tilanteissa /7, s. 57/
23 c e I I s RFtel : Telecom, room rectifier RFpw: power room rectifier BC: Booster converter BAT: Batteries
DC-DSP: DC distribution panel CS: Commercial power souce EG: Engine generator
Kuva 2.11 Osittain hajautettu tasa
sähkö järjestelmä /7, s. 56/
2.3 Valintakriteerit
Syöttöjärjestelmätyypin valinnassa on otettava huomioon turvallisuus, luotettavuus ja kokonaiskustannukset. Turvalli
suus tulee otetuksi huomioon, kun syöttöjärjestelmää raken-
nettaessa noudatetaan sähköturvallisuusmääräyksiä. Telelait
teiden tehonsyötön luotettavuuden tärkeys lisääntyy päivä päivältä teleyhteyksien yhteiskunnallisen merkityksen jatkuvasti kasvaessa. Luotettavuuden parantaminen lisää kustannuksia ja toisaalta telealan kilpailun lisääntyminen kasvattaa kokonaiskustannusten tärkeyttä valintakriteerinä.
Tehonsyötön toteutuksessa on siten tehtävä kompromissi luotettavuuden ja kustannusten välillä.
Seuraavassa on eritelty tärkeimmät syöttöj ärj estelmän valinnassa huomioitavat parametrit sekä, mitä mihinkin parametriin sisältyy :
1) Käyttövarmuus
Käyttövarmuustietoina tulisi käyttää ns. "kenttä- tietoja" mahdollisimman paljon. Aivan uusien tai vain vähän aikaa käytössä olleiden laitteiden osalta voidaan käyttää laitevalmistajien ilmoittamia käyttövarmuusarvioita.
2) Tehonsyöttöhäiriöiden vaikutukset
Tämä parametri ottaa huomioon tehonsyöttöj är- jestelmässä tapahtuvien vikojen vaikutusten ulottu
vuuden telelaitteiden sekä -yhteyksien toimintaan.
3) Laite- ja asennuskustannukset
Laite- ja asennuskustannukset on arvioitava käyttäen käypää markkinahintaa. Näihin kustannuksiin on laskettava myös jakelun rakentaminen sekä kaape
lointikustannukset .
4) Tehonsyöttölaitteiden vaatima lattiapinta-ala
Tilan tarpeeseen on luettava mukaan kunnossapito- ja huoltokäytävät sekä syötön ja kaapelointien vaatimat tilat. Teleaseman neliöhinta riippuu voimakkaasti aseman sijaintipaikkakunnasta.
Rakennuksen erikoiskustannukset
Tämä parametri käsittää tehonsyöttölaitteistolle välttämättömien erikoisvaatimusten rakennuskustan- 5)
nukset, kuten erillisistä voimalaitetiloista, rakenteen mahdollisesta lujittamisesta, ilmastoinnin ja tuuletuksen erikoisvaatimuksista jne. aiheutuvat lisäkustannukset.
6) Käyttö-, kunnossapito- ja huoltokustannukset
Nämä kustannukset käsittävät mm. huoltomiesten palkat henkilöstösivukuluineen ja päivärahoineen, matkakustannukset aj oneuvokuluineen, erikoistyökalut jne.
7) Energiakustannukset ja hyötysuhteet
Tele- ja oheislaitteet määräävät tehontarpeen. Tämä parametri sisältää mm. jakeluhäviöt, UPS-laittei- den sekä tasa- ja vaihtosuuntaajien hyötysuhteiden erot.
8) Käyttöaste
Tämä parametri ilmoittaa tarvittavan kapasiteetin suhteen kokonaiskapasiteettiin.
9) Käytön ja kunnossapidon helppous
Tällä parametrilla ilmaistaan valvonnan toteutetta
vuutta sekä käytön ja kunnossapidon helppoutta.
10) Laajennettavuus
Tällä parametrilla ilmaistaan syöttöj ärj estelmän laajennettavuuden helppoutta telekeskuksen laajen
tuessa.
11) Korvattavuus
Tämä parametri kuvaa tehonsyöttöjärjestelmän ja siihen kuuluvien laitteiden korvattavuuden helppout
ta laitteiden vanhentuessa, vaurioituessa (tulipalon yms. yhteydessä) tai tehonsyöttövaatimusten olennai
sesti muuttuessa tulevaisuudessa.
Luotettavuuteen liittyvät edellä esitetyistä selvästi parametrit 1 ja 2 sekä osittain 8, 9 ja 11. Loput parametrit liittyvät kokonaiskustannuksiin.
Ei ole olemassa yleistä ratkaisua telekeskuksen tehonsyöttö- järjestelmän oikeaksi valinnaksi, vaan kutakin keskuslait- teistoa varten on erikseen valittava sopivin syöttöjärjes- telmätyyppi ympäristöolosuhteet huomioiden. Mitä tärkeäm
mästä viestiasemasta on kysymys, sitä varmemmaksi tehon- syöttöj ärj estelmä on rakennettava.
Keskuslaitteistoa vaihdettaessa kannattaa olemassa olevaa tehonsyöttölaitteistoa yleensä käyttää niin kauan kuin se on täysin toimintakunnossa, sen luotettavuus ja valvottavuus ovat riittäviä sekä sen kunnossapitokustannukset pysyvät kohtuullisina. Joissakin tapauksissa tehonsyöttölaitteiston vaihtamiskustannukset kuitenkin saatetaan saada valvonta- ja kunnossapitokustannusten säästönä takaisin muutamassa vuodessa.
Uutta teleasemaa rakennettaessa sen syöttöj ärj estelmätyypin optimointi toteutetaan seuraavasti:
1) Keskuksen tärkeyden mukaan painotetaan edellä kohdassa 2.3 esitetyt parametrit.
2 ) Valitaan paras vaihtoehto keskitetyistä tehonsyöttöta- voista.
3) Verrataan valittua keskitettyä ratkaisua hajautettuun tehonsyöttötapaan.
4) Tutkitaan osittaiset hajautus- tai keskittämismahdolli- suudet sekä näistä saatavat edut/haitat.
2.4 Syöttöjärjestelmätyypin valinnan optimointi
2.4.1 Parhaan keskitetyn syöttöjärjestelmätyypin valinta Keskitetylle tasasähköjärjestelmälle on tunnusomaista, että syöttökaapelit ovat paksuja, jakelujärjestelmät kalliita ja jakeluhäviöt suuria, koska jännite on yleensä melko alhainen
(48 V).
Rakentamalla rinnakkaiset tasa- ja vaihtosähköjärjestelmät pysyy tasa- ja vaihtosuuntaajien yhteismäärä, -hinta ja lattiapinta-alan tarve pienimpänä, koska ei tarvita paikalli
sia suuntaajia.
Keskitetyssä vaihtosähköjärjestelmässä jakeluhäviöt ovat suhteellisesti pienet, koska jakelujännite on suuri tasasäh
kö järjestelmään verrattuna. Järjestelmän perustana olevan AC- UPS-laitteen on oltava hyvin luotettava, koska keskitetyssä järjestelmässä tämän vikaantumisen seuraukset leviävät laajalle. Järjestelmän perustana oleva UPS-laitteisto voidaan kuitenkin asentaa yleisen sähköverkon rinnalle ja näin voimalaitejärjestelmän luotettavuutta voidaan parantaa sarjassa olevien komponenttien vähentyessä.
Yleisenä oikean keskitetyn tehonsyöttöjärjestelmätyypin valintaperusteena voidaan pitää seuraavaa:
- tasasähköjärjestelmä on edullisin, kun tasasähkön tarve on selvästi suurempi kuin vaihtosähkön (kuten perintei
sesti on ollut)
- järjestelmä, joka koostuu rinnakkaisista keskitetyistä tasa- ja vaihtosähköjärjestelmistä, on kustannuksiltaan halvin ja vaatii vähiten tilaa, kun sekä vaihto- että tasajännitesyötön tarpeet ovat yhtä laajat
- vaihtosähköjärjestelmä on hinnaltaan edullisin ja vaatii vähiten tilaa, kun vaihtosähköä vaativia laitteita on selvästi enemmän kuin tasasähkölaitteita sekä lukumääräl
tään että tehontarpeeltaan.
2.4.2 Keskitetty vai hajautettu syöttöjärjestelmätyyppi?
Täysin hajautetussa järjestelmässä jakelu tapahtuu verkko jän
nitteellä, joten häviöt ovat pienet. Hajautus lisää akustojen kappalemäärää, mutta pienentää kapasiteettia. Jakeluhäviöt eivät vaikuta akustojen mitoitukseen, koska akustot sijaitse
vat lähellä sitä laitetta, jonka sähkönsaannin varmistamisek-
si ne on hankittu. Akustojen on kuitenkin oltava suljettuja, koska ne sijaitsevat samassa tilassa telelaitteiden kanssa.
Tehonsyötön hajautuksella saavutettavia etuja ovat:
- telejärjestelmää laajennettaessa tehonsyöttöä on helppo laajentaa samalla
- tehon jakelukustannukset pienenevät oleellisesti
- aseman herkkyys järjestelmävioille pienenee huomattavasti - huonetilojen tarve pienenee merkittävästi
- asennus on helppoa ja nopeaa
- valvontajärjestelmiin liittäminen on helppoa (uusissa järjestelmissä liitäntä yleensä vakiona)
- huolto- ja korjaus on helppoa, koska laitteet ovat modulaarisia
Koko tehonsyöttöjärjestelmää ajatellen hajautetun rakenteen osien hankintahinta on keskitettyä kalliimpi. Yllä mainitut edut aiheuttavat hajautetun järjestelmän kokonaiskustannusten pysymisen usein pienempänä kuin keskitetyn.
Televerkkojen rakennemääräyksissä vuodelta 1989 määrätään kuitenkin, että tärkeissä televerkon keskuksissa sekä niissä keskuksissa, joissa akuston energia ylittää 54 MJ (15 kWh), on oltava erilliset akustotilat /8, s.59/. Tällaisissa keskuksissa voi siis näiden määräysten mukaan suorittaa vain osittaista hajautusta.
2.5 Tulevaisuuden näkymät
Vaihtosähkön osuus telekeskusten sähköntarpeesta tulee jatkossa lisääntymään vielä entisestään. Tämä lisää vaih- tosähköj är jestelmien rakentamista. UPS-laitteiden pienentyes
sä ja halventuessa lisääntyy tehonsyöttöjärjestelmien hajautus ja lopulta tultaneen siirtymään täysin hajautettuun tehonsyöttöj ärj estelmään.
3 TELEKESKUSTEN TEHONSYÖTTÖLAITTEET JA NÄIDEN VALINTA
KRITEERIT 3.1 Yleistä
Telekeskusten tehonsyöttöj är jestelmät koostuvat tyypillisesti UPS-laitteistoista, jakelujärjestelmistä ja varavoimalait- teista. UPS-laitteet koostuvat puolestaan tasasuuntaajista, akustoista ja vaihtosuuntaajista. Jakelujärjestelmät sisältä
vät jakokeskuksia ja mahdollisia jännitteen säätäjiä. Telen käyttämät kiinteät varavoimalaitteet ovat kaikki diesel- generaattoreita. Suuret viestiasemat voivat sisältää kaikki edellämainitut rakenneosat; minimikokoonpano käsittää ainakin DC-UPS-laitteiston eli tasasuuntaajan ja akuston.
Suomen teleasemilla käytetään pelkästään keskitettyjä tasasähköj ärj estelmiä sekä näiden pohjalta rakennettuja osittain hajautettuja syöttöjärjestelmiä, joissa esimerkiksi katkeamattoman vaihtosähkön syöttö on toteutettu hajautetusti АС-UPS-laitteiden avulla. Siksi tässä kappaleessa käsitellään pääasiallisesti keskitettyyn tasasähköj ärjestelmään kuuluvia tehonsyöttölaitteita.
3.2 Valintakriteerit
Telelaitteiden kehityksen myötä on niiden sähköntarpeessa ja ominaisuuksissa tapahtunut voimakasta muutosta. Tämä asettaa telelaitteiden tehonsyöttöön käytettävien laitteiden eli voimalaitteiden toiminnalle ja tekniikalle uusia vaatimuk
sia. Uudet telelaitteet sallivat oleellisesti suuremmat syöttöjännitevaihtelut kuin vanhat. Erillisiä tasajännit- teensäätäjiä ei enää tarvita. Syöttöjännitteen tasaisuuden määräävät akut, koska ne vaativat stabiilin kestovarausjän
nitteen.
Useimmilla laiteasemilla on kirjava valikoima erilaisia ja eri-ikäisiä telelaitteita, joiden tehonsyöttövaatimukset ovat erilaisia. Nykyisin voimassaolevat tehonsyöttövaatimukset on tehty vastaamaan vanhojen keskusten tarpeita. Uusien tele
laitteiden tehontarve poikkeaa määrällisesti ja ajallisesti huomattavasti vanhoista, ja syötettävän sähkön laatuvaatimuk
set ovat erilaiset. Tästä syystä ao. laitteiden tehonsyöttö voidaan hoitaa teknistaloudellisesti edullisemmilla ratkai
suilla kuin nykyisin on hoidettu.
Uusien laitteiden tehontarvetta on helpointa arvioida valmis
tajilta saaduista tiedoista. Tehontarpeen arviointi on kuitenkin vaikeaa siksi, että syötettävien laitteiden redun
danssista ei ole riittävästi tietoa. Jos esimerkiksi pääte- keskus tai keskitin on toiminnallisesti kahdennettu, on myös tehonsyöttö syytä kahdentaa. Tällöin ei kuitenkaan tarvita tehoreserviä, joka osaltaan pienentää yksikkökokoa.
Myös voimalaitetekniikka on kehittynyt voimakkaasti viime
vuosina, joten uuden tekniikan soveltamisella voidaan olen
naisesti vaikuttaa tehonsyötön kustannusrakenteeseen. Tämä tapahtuu erityisesti optimoimalla voimalaitteiden mitoitus, sijoitus ja huoltotoiminta.
Telelaitteet ja niiden voimalaitteet on Suomessa mitoitettu tähän asti kriisitilanteiden mukaan. Telen muututtua liike
laitokseksi ei sen velvoitteisiin enää kuulu sosiaaliset eikä maanpuolustukselliset tehtävät, vaan sen tehtävä on huolehtia teleliikenteen ylläpitämisestä normaalitilanteissa. Mikäli joidenkin telelaitteiden halutaan toimivan varmasti myös kriisitilanteissa, tämän ylimääräisen toiminnon tarvitsijan tulee maksaa tästä koituvat lisäkustannukset.
Kun telekeskukselle on valittu oikea tehonsyöttöjärjestelmä-
"tyyppi, tiedetään mitä tehonsyöttölaitteita tarvitaan.
Tehonsyöttölaitteiden tyyppiä valittaessa tärkeimmät kritee
rit ovat luotettavuus ja kokonaiskustannukset (vertaa kohta 2.3). Kokonaiskustannukset koostuvat hankintahinnasta, käyttö- ja huoltokustannuksista sekä laitteen vaatiman tilan kustannuksista. Lisäksi laitteen käyttöikä vaikuttaa merkit
tävästi kustannuksiin.
3.2.1 Luotettavuus
Tärkeimmät luotettavuuteen liittyvät tehonsyöttölaitteen valintakriteerit ovat toimintavarmuus ja huollettavuus.
Toimintavarmuudella tarkoitetaan laitteen kykyä suorittaa vaadittu toiminto määräoloissa ja vaaditun ajan /9, Luotetta- vuussanasto, s.6/. Tehonsyöttölaitteiden huollosta on oma kappaleensa tässä työssä myöhemmin, joten huollettavuuden tarkastelu on jätetty vähemmälle tässä yhteydessä.
3.2.2 Hankintahinta
Hankintahinta on valintakriteerinä itsestäänselvyys. Vertail
taessa eri tehonsyöttölaitteiden hankintahintoja on itse laitteen hinnan lisäksi otettava huomioon asennuskustannuk
set.
3.2.3 Käyttö- ja huoltokustannukset
Tehonsyöttölaitteiden käyttökustannuksiin vaikuttavat mm.
hyötysuhteet. Huoltokustannukset koostuvat valvonnasta, ennakoivista huoltotöistä sekä vikojen korjauksista. Näitä kustannuksia käsitellään tarkemmin tehonsyöttölaitteiden huollon optimoinnin yhteydessä.
3.2.4 Laitteen vaatiman tilan kustannukset
Teleasemien tehonsyöttölaitteet on perinteisesti sijoitettu erilleen keskustiloista omiin voimalaitetiloihin, koska vanhalla tekniikalla toteutetut tyristoritasasuuntaajat ovat äänekkäitä, kehittävät runsaasti hukkalämpöä ja ovat mekaani
sesti suuria. Myös konventionaaliset lyijyakut tarvitsevat runsaan kaasunmuodostuksen takia erillisen tuuletetun akustohuoneen. Digitaalisten keskusten mekaanisen koon pienentyessä vievätkin tehonsyöttölaitteet nykyisin usein yli puolet aseman lattiapinta-alasta.
Hakkuritekniikan ja tehoelektroniikan komponenttien kehitty
essä tasasuuntaajat ovat tulleet pienemmiksi ja lähes äänettömiksi, joten erillisen voimalaitehuoneen tarve on tullut kyseenalaiseksi. Käytettäessä suljettuja lyijyakkuja voidaan akutkin sijoittaa samaan tilaan muun telejärjestel
män kanssa, lisäksi ne voidaan hyllyasennuksella sijoittaa päällekkäin. Näin etenkin uusia teleasemia rakennettaessa voidaan uutta tekniikkaa käyttäen säästää huomattavasti rakennus-, lämmitys- ja ilmastointikustannuksissa.
3.2.5 Käyttöikä
Kalliita laitteita hankittaessa on käyttöiän merkitys valintakriteerinä itsestään selvä. Mutta vaikka laite sinänsä olisi hankintahinnaltaan hyvinkin halpa, vaatii sen vaihtami
nen uuteen työtä. Joidenkin tehonsyöttölaitteiden kohdalla tämä työ kestää useita päiviä. Siksi käyttöiän tulisi olla mahdollisimman pitkä.
3.3 UPS-laitteet
3.3.1 DC-UPS-laitteet Lähes koko telekeskuksen tehonsyöttölaitteistoa voidaan sanoa UPS-lait- teistoksi. Suurin osa ny
kyisistä telekeskusten UPS-laitteistoista on ku
van 3.1 mukaisia DC-UPS- laitteistoja koostuen ta
sasuuntaajasta ja akustos- ta. Tasasuuntaajia tar
kastellaan kohdassa 3.4 ja akustoja kohdassa 3.7, joten DC-UPS-laitteiden toimintaan ja valintakri
teereihin ei tässä yhteydessä puututa.
Tasa
suuntaaja
Akusta
Kuva 3.1 DC-UPS
3.3.2 AC-UPS-laitteet
Useat telekeskuksen oheislaitteet, kuten atk-laitteet, tarvitsevat katkeamatonta vaihtojännitettä. Tätä voidaan syöttää keskitetystä katkeamattomasta tasasähköverkosta vaihtosuuntaajan avulla tai paikallisilla AC-UPS-laitteilla.
230 V 50 Hz
230V, 50Hz 400V, 50Hz
Kuva 3.2 Perinteisen АС-UPS-laitteen yksinkertaistettu pääpiirikaavio /10, Heikkinen, s. 4/
Kuvassa 3.2 on periaatekaavio perinteisestä AC-UPS-laittees- ta, jonka pääosat ovat tasasuuntaaja (R), akusto (B), vaih
tosuuntaaja (I) ja staattinen kytkin (SBS). Kuvaan on lisäksi piirretty lähtömuuntaj a ja LC-suodin. Tasasuuntaaja (ks.
kohta 3.4), joka voi olla tyristori- tai hakkuritekniikalla toteutettu ja jonka lähtöjännitettä on voitava säätää akuston jännitteen vaihtelun takia, muuttaa verkosta ottamansa vaihtojännitteen tasa jännitteeksi ladaten akustoa ja syöttäen vaihtosuuntaajaa. Akustoa saattaa joskus ladata erillinen latauslaite, jolloin akusto on erotettu tasajännitevälipii- ristä nopean staattisen kytkimen avulla. Vaihtosuuntaaja (ks.
kohta 3.5) muuttaa tasajännitteen takaisin vaihtojännitteek
si, jonka amplitudi, särö ja taajuus ovat hyväksyttävällä alueella. Kuormituksen ja vaihtosuuntaajan välissä on staattinen kytkin, joka normaalissa toiminnassa kytkee vaihtosuuntaajan kuormaan, mutta vaihtosuuntaajan ylikuormit
tuessa tai vikaantuessa se vaihtaa kuormituksen verkkosyötöl- le, kunnes epänormaali käyttötilanne on ohi. /10, Heikkinen, s. 4/
Kuvassa 3.3 on periaatekaavio fyysiseltä kooltaan pienemmäs
tä ja hinnaltaan edullisemmasta kaksisuuntaiseen vaihtosuun
taajaan perustuvasta AC-UPS-laitteesta. Tämän pääosat ovat kaksisuuntainen vaih
tosuuntaaja, akusto ja staattinen kytkin.
Normaalitilassa kuorma on kytketty staattisen kytkimen avulla suo
raan verkkojännittee
seen ja kaksisuuntai
nen vaihtosuuntaaja toimii tasasuuntaajana ladaten akustoa. Kun verkkosähkö häviää tai tilapäisesti häiriin
tyy kaksisuuntainen
vaihtosuuntaaja toimittaa akustoon varastoitua sähköenergiaa kuormalle. Tämän ratkaisun varjopuolena on laitteen heikko kyky suojata kuormaa transienteilta.
Katkeamattoman vaihtosähkön tarve lisääntyy teleasemilla jatkuvasti. AC-UPS-laitteiden pienentyminen, suhteellinen halventuminen, yksinkertainen asennus ja helppo valvonta lisäävät AC-UPS-laitteiden lukumäärää. AC-UPS-laitetta valittassa on otettava huomioon ainakin seuraavat vaatimuk
set /11, Schwarz, s. 41/:
1. Korkea luotettavuus, jota voidaan parantaa käyttämällä sähköverkkoa "varalähteenä".
2. Pieni lähtöjännitteen särö myöskin syötettäessä epäline
aarista kuormaa.
3. Hyvät dynaamiset ominaisuudet, jolloin lähtö jännitteen on pysyttävä vakaana nopeissakin kuormituksen muutoksissa.
4. Oikosulkukestoinen toimintaperiaate.
5. Alhainen melutaso ja tilaa säästävä rakenne, koska laitteita sijoitetaan myös toimistotiloihin.
Лу
Kuva 3.3 Kaksisuuntaisella vaih
tosuuntaajalla toteu
tettu AC-UPS
3.4 Tasasuuntaajat
Perinteisillä teleasemilla käytetään tasasuuntaajia muut
tamaan verkosta tai varavoimageneraattorista saatava vaihto
jännite tasajännitteeksi eli muuttamaan primäärijännite sekundäärijännitteeksi. Tasasuuntaajan tehtävänä on syöttää normaalikäytön aikana keskukseen sen tarvitsema teho sekä ylläpitää akuston kestovarausta. Lisäksi sillä suoritetaan verkkokatkoksen jälkeen akuston jälleenvaraus, joka tehdään yleensä kestovarausjännitettä suuremmalla jännitteellä. Tämä siksi, että akusto on saatava mahdollisimman nopeasti jälleen täyteen varaukseen. Em. toimintoa kutsutaan pikavaraukseksi.
Tasasuuntaajan antojännitteen on pysyttävä kestovaraustilan
teessa varsin tarkasti tietyissä rajoissa, yleensä n. ± 1
%:n tarkkuudella. Tämä johtuu siitä, että akun ikä on riippuvainen kestovarausjännitteen tasosta.
Tasasuuntaajassa on oltava automaattinen virranraj oitus, jotta se ei vaurioituisi toimiessaan rinnan akuston kanssa verkkokatkoksen jälkeen. Esimerkkinä voidaan mainita järjes
telmä, jossa on 400 A:n tasasuuntaaja ja 1600 Ah:n akusto.
Täysin puretun akuston sisäresistanssi voi olla luokkaa 5 mfi, jolloin napajännitteen ollessa 42 V ja tasasuuntaajan pikavarausjännitteen vastaavasti 51,3 V, tulisi varausvirrak- si I860 A. Virranrajoitus on siis välttämätön. Toisaalta myös akusto asettaa tietyt rajat varausvirran suuruudelle, joka voi olla esimerkiksi 15 % 10 tunnin kapasiteetista eli yleensä enintään muutaman kymmenen ampeerin luokkaa.
Tyhjän akuston varaus suoritetaan ensin virranrajoituksen määräämällä vakiovirralla. Kun napajännite on noussut säädettyyn arvoon, virta pienenee ja varaus jatkuu vakiojän
nitteellä. Kuvassa 3.4 on esitetty em. toiminnan mukainen tasasuuntaajan virta-jänniteominaiskäyrä /12, Pökkinen, s.
2
/.
Yllä mainittujen säätöjen toteuttamiseksi on perinteisesti käytetty operaatiovahvistinkytkentöjä. Jännitteen ohjearvo saadaan esimerkiksi lämpötilastabiloidusta zenerdiodista.
Virtaa säädettäessä sen oloarvo saadaan kuorman kanssa sarjassa olevasta sivuvastuksesta tai vir- tamuuntaj asta.
Tasasuuntaajan antojän
nitteen suodatuksen on täytettävä sekä kuorman että akuston asettamat vaatimukset. Nykyiset keskuslaitteet on lähes poikkeuksetta varustettu
telinekohtaisilla hakkuriteholähteillä, joiden syöttöjännit
teelle asettamat vaatimukset ovat melko väljät. Sen sijaan akusto on se komponentti, joka asettaa suhteellisen tiukat ehdot jännitteen tasaisuudelle. Akuston kestovarausvirran vaihtovirtakomponentille on mainittu raja-arvo <0,02 x akuston C10 (kymmenen tunnin kapasiteetti) ampeeritunteina /13, Pettersson, s. 7/.
Virransyöttökyvyltään noin 70 % uusista Telen telekeskuksiin asentamista tasasuuntaajista on vielä tyristoritekniikalla toteutettuja; loput ovat hakkuritasasuuntaajia /14, Lehikoi
nen/ .
V/kenno I
2/ 2,2 2,0 1,0
i
I I Jonnit«
pikovorous kestovorous
0.5 \0 «3/3 n
virto
Kuva 3.4 Tasasuuntaajan virta- j änniteominaiskäyrä
3.4.1 Tyristoritasasuuntaajat
Tyristoritasasuuntaajan pääosat ovat verkko-osa, tasasuun- taussilta, säätö- ja valvontapiirit sekä suodatuspiirit (kuva 3.5).
Verkko-osassa on päämuuntaja, jolla jännite lasketaan sopivaksi. Lisäksi siinä on erilaisia suojauslaitteita, joilla suojataan mm. muuntajaa ylikuormitukselta ja tasasuun- taussillan tyristoreita ylijännitepiikeiltä. Verkko-osa sisältää myös suodattimet, joilla estetään radiotaajuisten häiriöiden kytkeytyminen syöttöjohtoihin.
Verkko Kuorma Verkko-
osa
suuntaus- Tasa- silta
Anto- suodatus
ja
tunnustelu
Ohjaus- ja valvontapiirit
Kuva 3.5 Tyristoritasasuuntaajan periaatekaavio Tasasuuntaussiltana käytetään
tavallisimmin kolmivaiheista kuusipulssityristori siltaa
(kuva 3.6).
Tasajännitteen antojännitettä säädetään tyristorien hilalle tuotavien sytytyspulssien ajoi
tuksella. Jos merkitään sy
ty ty spul ssin ohjaus- eli lii- paisukulmaa a:11a, saadaan 6- pulssikytkennän tasajännitteen keskiarvo Ud kaavasta /15, Mård/:
Ud = 2/2 Uv - cos a « 2,34 Uv cos a (3.1) missä Uv = vaihejännitteen tehollisarvo
Kuvassa 3.7 /16, Aura, s. 337/ on esitetty ko. siltäkytkennän jännitteet ja tyristorien toiminta a:n eri arvoilla :
a) tasajännite vaihejännitteiden avulla b) tyristorien toiminta-ajat
c) tasajännite pääjännitteiden avulla.
Kuva 3.6 Kolmivaiheisen kuusipulssityristoritasa
suuntaajan periaatekaavio
Kuva 3-7 Kuusipulssisiltakytkennän jännitteet ja ty
ristorien toiminta a:n eri arvoilla
3.4.2 Hakkuritasasuuntaajat
Hakkuritekniikka perustuu jännitteen katkomiseen suurella taajuudella. Jännitettä säädetään muuttamalla kytkimien suhteellista johtoaikaa, joten säätömenetelmä on periaattees
sa häviötön. Käytännössä häviöitä kuitenkin syntyy jonkin verran kytkimien johtaessa sekä virtaa kytkettäessä ja katkaistaessa.
Hakkuritekniikalla saavutetaan mm. seuraavia etuja tyristori- tekniikkaan verrattuna : Suuren toimintataajuuden ansiosta saavutetaan nopeampi vaste kuormamuutoksiin eli dynamiikka paranee. Samasta syystä magneettiset komponentit voivat olla pienempiä, jolloin tasasuuntaajan koko ja paino pienenevät.
Kytkentätaajuus voidaan myös nostaa kuuloalueen yläpuolelle, jolloin toiminta saadaan äänettömäksi. /17, Wolpert/
Hakkurit voidaan toimin
taperiaatteensa mukaan jakaa forward— ja fly- back-hakkureihin. For- ward-hakkureissa energia siirtyy tulopuolelta lähtöpuolelle kytkinkom- ponentin johtaessa, kun taas flyback-hakkurissa energia varastoidaan kytkimen johtaessa in
duktanssiin ja puretaan lähtöpuolelle vasta kyt
kimen avauduttua. Lisäk
si forward-hakkureissa käytetään aina muunta
jaa, jolloin tulo- ja lähtöpuolen välillä on galvaaninen erotus, mut
ta flyback-hakkuri voi
daan toteuttaa pelkällä kuristimella. /18/
Kuvassa 3.8 on yksinker
taisimman forward-hakku- rin pääpiirikaavio sekä magneettisten komponent
tien virta ja jännitekäyrät jatkuvassa tilassa. Kuvassa 3.9 on flyback-hakkurin pääpiirikaavio sekä toimintaa kuvaavat muuntajan jännite- ja virtakäyrät.
Forward-hakkurin toimintaperiaate on seuraava (ks. kuva 3.8):
Kytkettäessä transistori Tl päälle indusoituu toisiokäämiin askelmuotoinen muuntosuhteen määräämä jännite, joka saa ai
kaan toisiokäämin, tasasuuntausdiodin Dl ja suodatuskuris- timen L0 kautta kulkevan lineaarisesti kasvavan virran.
Tällöin ensiökäämiin indusoituu toisiokäämin virtaa kierros- lukujen suhteessa vastaava virta, johon summautuu myös muuntajan magnetoimisvirta. Kun transistori Tl sammutetaan, kuristimen L0 kautta kulkeva toisiovirta kommutoituu diodille
--- -- - Voltage across the primary wincing
■■ Current through the primary winding ХЗККЖЗХ Magnetizing current
Voltage across the smoothing choke Current through the smoothing choke
— Г
Kuva 3.8 a) Yksinkertaisimman forward-hakkurin pääpiirikaavio b) ja c) Muuntajan virta- ja jännitekäyrät jatkuvassa tilassa
D2 ja muuntajan jännitteen polariteetti kääntyy. Muuntajan sydämeen muodostunut magneettivuo indusoi demagnetointikää- miin magnetointivirtaa vastaavan virran, joka purkaa magneet
tivuon energian diodin D3 kautta takaisin suodatuskondensaat- toriin CV/19, Heikkilä, s. 44 - 45/
Voltage across the oomary winding
Corrent through the primary wincing Voltage across the primar / winding Ccxrent through the primary winding
Voltage across the secondary winding
Current through the secondary winding Voltage across the secondary winding Current through the secondary winding with the load resistance as a parameter
Kuva 3.9 a) Flyback-hakkurin pääpiirikaavio
b) Muuntajan virta- ja jännitekäyrät jatku
valla virralla
c) Samat käyrät aukottuvalla virralla
Kuvassa 3.9 esitetyn flyback-hakkurin toimintaperiaate on seuraava: Muuntajassa on kaksi käämiä, jotka on käämitetty vastakkaisiin suuntiin (päinvastoin kuin forward-hakkurissa).
Kytkettäessä transistori Tl päälle indusoituu -toisiokäämiin askeljännite, jonka suuruuden määrää tulojännite sekä muuntajan muuntosuhde. Jännitteen polariteetti on negatiivi-
nen, joten estosuunnassa oleva tasasuuntausdiodi Dl estää toisiovirran kulun. Tulojännite saa aikaan ensiökäämiin lineaarisesti kasvavan magnetointivirran, joka varaa induk
tiivista energiaa muuntajan sydämeen. Virran kasvunopeuden määrää tulojännitteen ja magnetointi-induktanssin suhde. Kun transistori Tl sammutetaan, muuntajan sydämeen varautunut magneettivuo indusoi toisiokäämiin virran. Muuntajan jännit
teen polariteetti vaihtuu ja toisiojännite kasvaa, kunnes se saavuttaa lähtöjännitteen tason. Tällöin muuntajaan varautu
nut induktiivinen energia purkautuu tasasuuntausdiodin Dl kautta lähtökondensaattoriin ja kuormaan. /19, s. 48/
Forward-hakkurin lähtöjännite saadaan kaavasta 3.2:
U0 - Vj . n2/ni • D (3.2)
missä n2/nx = muuntajan muuntosuhde D = pulssisuhde
= kytkimen johtoajan suhde jaksonaikaan
Flyback-hakkurin lähtöjännite saadaan kytkentätavasta riippuen joko kaavasta 3.3 tai 3.4. Mikäli ohjauksessa käytetään jatkuvan virran periaatetta eli kytkintransistori kytketään uudelleen päälle toisiovirran vielä kulkiessa, on lähtöj ännite
U0 = V, . п2/пг . D • 1/( 1-D) (3.3) Aukottuvan virran ohjaustavalla eli ohjattaessa kytkintran
sistori uudelleen päälle vasta toisiovirran katkettua on flyback-hakkurin lähtöjännite
U0 = V, . / (T/2 • L • R0 ) • D missä T = jakson aika
L = magnetointi-induktanssi R0 = kuormaresistanssi
D = pulssisuhde
(3.4)
3.4.3 Tasasuuntaajatyypin valinta
Uusista Telen asentamista tasasuuntaajista on vielä tyristo- ritasasuuntaaj ia virransyöttökyvyItään noin 70 % /14/. Vanhat toimivat sekä uudet varastoissa olevat tyristoritasasuuntaa
jat kannattaa taloudellisista syistä käyttää "loppuun"
vanhoilla asemilla. Uusille asemille kannattaa kuitenkin tilansäästön takia hankkia hakkuritasasuuntaaj ia. Teleasemil
le tehtävät kaikki uudet tasasuuntaaj ahankinnat kannattaa toteuttaa hakkuritasasuuntaajilla, koska ne ovat lähes äänettömiä ja ne voidaan sijoittaa myös samaan tilaan varsinaisten keskuslaitteiden kanssa, eikä näin tarvita erillisiä voimalaitetiloja tasasuuntaajille. Hakkuritasasuun
taa j illa saavutetaan myös huomattavaa energiansäästöä tyristoritasasuuntaajiin verrattuna kesäaikaan; talvella suurin osa tämän hukkaenergian hinnasta säästetään lämmitys- kuluissa.
Tietyn kokoinen tasasuuntaajajärjestelmä voidaan teknisesti toteuttaa joko yhdellä riittävän suurella tasasuuntaajalla tai kytkemällä useita pienempiä moduuleita rinnan. Taloudel
lisista syistä tasasuuntaaj aj ärj estelmä kannattaa rakentaa modulaarisesti. Tällaisia syitä ovat:
- Telekeskuksia ei useinkaan alkuvaiheessa rakenneta lopulliseen kokoonsa, vaan niihin jätetään laajenta- misvaraa. Tällöin myös tehonsyöttölaitteiden tulisi olla joustavasti laajennettavissa, sillä alkuvaiheen ylimitoi
tus aiheuttaa turhia kustannuksia.
- Tasasuuntaa j a j är j estelmä on televerkkojen r akennemäär äy s - ten mukaan varustettava vähintään yhdellä varatasasuun- taajalla /8, s.61/. Jos järjestelmä on rakennettu yhdellä isolla tasasuuntaajalla (kuten perinteisesti usein on toteutettu), pitää varalla olla toinen samanlainen tasasuuntaaja. Modulaarisesti toteutetussa järjestel
mässä riittää tämän määräyksen täyttämiseen yksi varamo- duuli.
