Как соединяют несколько источников питания для повышения напряжения электрической энергии

Соединение источников питания

К химическим источникам питания относятся источники эдс, в которых энергия протекающих химических реакций преобразуется в электрическую энергию. К химическим источникам относятся гальванические элементы, аккумуляторы и «батарейки» и пр.

Необходимость соединения элементов питания возникает в том случае, когда требуемое напряжение и ток потребителя превышают соответствующие значения источника питания.

Важным условием соединения химических источников питания в единую цепь, является равенство их эдс и внутреннего сопротивления.

Существует три способа подключения химических источников питания:

• • последовательно;
  • параллельно;
  • смешанно.

  Соединенные между собой любым способом источники питания образуют так называемую батарею, рассматриваемую в цепи как единое целое.

  Последовательное соединение источников питания

  При последовательном подключении химических источников питания отрицательный полюс одного источника соединяется с положительным полюсом следующего источника и т.д. Положительный и отрицательный полюсы последнего и первого источника батареи подключаются к нагрузке внешней цепи (рисунок 1).

  Рис. 1. Последовательное соединение источников питания

  Общая эдс батареи при последовательном соединении химических источников питания равна сумме эдс всех входящих в нее элементов

  

  Если учесть, что эдс всех источников одинаковая, предыдущее выражение может быть записано в виде

  

  где E_i – эдс каждого источника питания в батарее.

  При последовательном соединении внутренне сопротивление полученной батареи будет равно сумме сопротивлений каждого источника питания

  

  

  где R_i – внутреннее сопротивление каждого источника питания в батарее.

  При последовательном соединении источников питания, емкость батареи будет равна емкости каждого из источников питания.

  Последовательное соединение химических источников питания применяется в том случае, когда ток нагрузки не превышает номинальный ток одного элемента, а напряжение – больше эдс одного источника.

  Параллельное соединение источников питания

  При параллельном соединении положительные полюсы источников питания соединяются в один общий узел, а отрицательные – в другой узел (рисунок 2).

  

  Рис. 2. Параллельное соединение источников питания

  При данном способе соединения эдс батареи равна эдс одного любого источника, включенного в ее состав

  

  где E_i – эдс каждого источника питания в батарее.

  Внутреннее сопротивлении батареи уменьшается во столько раз, сколько источников входит в ее состав, и вычисляется по формуле

  

  где R_i – внутреннее сопротивление каждого источника питания в батарее.

  Параллельное соединение химических источников питания применяется в том случае, когда напряжение потребителя равно напряжению одного источника питания, а сила тока потребителя (нагрузки) значительно превосходит разрядный ток источника.

  Смешанное соединение источников питания

  При смешанном соединении элементы объединяются в группы последовательно соединенных элементов с равным числом источников питания. Положительные контакты каждой группы источников питания соединяются в один общий узел, а отрицательные – в другой узел (рисунок 3).

  

  Рис. 3. Смешанное соединение источников питания

  Смешанное соединение применяется тогда, когда необходимо обеспечить нагрузку напряжением и током, большим чем у входящих в состав батареи источников питания.

  Как соединить несколько источников электрической энергии

  Электрическая энергия, вырабатываемая источниками электрической энергии — самый распространенный вид энергии в наше время. Процессы, связанные с данным видом электрической энергии, включают в себя под процессы, такие как — выработка (генерация), передача и потребление. Из этого можно выделить три группы устройств, которые принимают участие в этом процессе — источники электрической энергии, передаточные устройства и потребители.

  Источники электрической энергии.

  Из самого названия можно догадаться, какую роль играют в электроэнергетике эти устройства, но все же я объясню.
  Источник электрической энергии — устройство, механизм от которого потребители получают электрическую энергию по средству передаточных устройств. Не имеет значения какого рода тока является этот источник, а также электрическая энергия является генерируемой или запасенной.
  Источниками электрической энергии могут быть: все виды и типы генераторов, вторичные обмотки трансформаторов и автотрансформаторов, различные гальванические элементы, аккумуляторные батареи, солнечные батареи, различные пьезо элементы и даже грозовой разряд (молния) является источником электрической энергии.

  Как видите существует множество видов источников электрической энергии, что способствует широкому распространению электрической энергии.

  Соединение источников электрической энергии.

  В электроэнергетике встречаются такие случаи, когда источников электрической энергии несколько, которые включены и питают одну электрическую цепь.
  В зависимости от способа соединения источников, электрическая энергия ведет себя по-разному. Перед тем как углубляться в подробности следует сказать, что источники электрической энергии соединяют двумя способами — последовательно и параллельно.

  Эти виды соединений я уже рассматривал при соединении конденсаторов и резисторов.

  Давайте рассмотрим эти способы соединения на примере.
  В качестве источника электрической энергии возьмем три обычных батарейки напряжением в 1.5 вольт каждая. Также нам понадобится вольтметр и соединительные провода.

  

  последовательное соединение источников электрической энергии

  Соединив батарейка последовательно, как показано на схеме, можно будит увидеть, что вольтметр покажет напряжение гораздо большее чем у одной батарейки, а именно 4.5 вольт. Так при последовательном соединении источников электрической энергии, напряжение всех источников, входящих в цепь складывается. Стоит отметить, что суммарная емкость и мощность батареек равняется показателям одной батарейки.

  

  параллельное соединение источников электрической энергии

  Если же соединять эти же батарейки параллельно, как на схеме выше, мы увидим, что напряжение цепи с тремя параллельно соединенными батарейками равняется напряжению одной батарейки. Но мощность и емкость этой цепи источников увеличилось в несколько раз, а именно в количество соединенных источников, в данном случаи в три раза, при условии, что мощность и ёмкости батареек одинаковы.

  В электроэнергетике кроме батареек последовательно или параллельно могут соединять все источники электроэнергии. Но для каждого вида источника существуют определенные условия, такие как: напряжение всех соединяемых источников должно быть одинаково, как и мощность, во избежание возникновения уравнительных токов, для соединения трансформаторов необходимо также, чтобы коэффициенты трансформации были также равны.

  Цели соединения источников электрической энергии.

  Стоит отметить, что последовательное соединение источников электроэнергии нашло широкое применение лишь для источников постоянного тока, а именно гальванические элементов.
  В современной электроэнергетике широко распространено параллельное соединение источников электрической энергии. Это объясняется тем, что в современной системе электроснабжения отпадает необходимость в увеличении напряжения таким способом, эту функцию отлично выполняют повышающие трансформаторы. Тем более, что при последовательном соединении, при выходе из строя одного из источников, вся цепь обрывается и потребители обесточиваются.
  А вот параллельное соединение может похвастаться своими плюсами. Оно позволяет повысить мощность всей сети. Является очень удобным, так как при выходе из строя или необходимости в ремонте одного из источников электрической энергии нет необходимость лишать потребителей электрической энергии.

  Параллельное соединение источников электрической энергии на столько удобно, что во времена советского союза, да и сейчас, но не так масштабно соединяли все электрические станции в одну энергосистему, что повышало качество снабжения электрической энергией, так как не было дефицита мощности, а также позволяли выводить целые станции и подстанции в ремонт без перебоев в электроснабжении и конечно же все они соединялись параллельно.

  Как подключить 2 блока питания

  Зачастую в быту можно столкнуться с ситуацией, когда выходных параметров одного имеющегося источника питания (выходного тока или напряжения) недостаточно для обеспечения электроэнергией существующей нагрузки. Если есть дополнительный блок, возникает идея сложить возможности двух БП для достижения результата. Это возможно, но не всегда.

  Для чего нужно последовательно или параллельно соединять блоки питания

  Последовательное соединение блоков питания позволит поднять выходное напряжение. Общий выходной уровень будет равен сумме напряжений каждого источника — Uобщ=U1+U2+U3…+Un. В частном случае для соединения n блоков с одинаковым выходным напряжением U, общий уровень будет равен Uобщ=n*U. Для осуществления такого включения, плюсовой вывод одного БП соединяется с минусовым выводом соседнего и так далее. Крайние выводы получившейся цепочки подключаются к нагрузке. Например, при последовательном соединении двух источников питания с напряжением 5 и 7 вольт, на уровень на нагрузке составит 5+7=12 вольт, а если соединить три БП по 12 вольт каждый, общее напряжение составит 3*12=36 вольт.

  

  Принцип последовательного соединения источников напряжения

  При параллельном соединении источников питания одноименные выводы соединяются между собой – плюсовые с плюсовыми, минусовые с минусовыми. У БП с одинаковым выходным напряжением общий выходной уровень остается неизменным, зато складываются токи, отдаваемые каждым из блоков питания. Принцип сложения токов похож на сложение напряжений при последовательном соединении Iобщ=I1+I2+I3…In, или для n источников с одинаковой токоотдачей с равномерным распределением Iобщ=n*In.

  

  В обоих случаях соединение нескольких БП увеличивает общую электрическую мощность, которая, как известно, равна произведению тока на напряжение (P=I*U). При параллельном соединении увеличивается первый множитель, при последовательном – второй.

  В отличие от последовательного соединения, БП с разным выходным напряжением параллельно включать нельзя. Источник с более низким напряжением станет для второго блока питания нагрузкой, и никакого сложения токов не получится (ток пойдет от источника с большим напряжением к БП с меньшим напряжением). Если включить параллельно больше двух источников питания с разными напряжениями, картина токораспределения будет более сложной, но увеличения мощности все равно не будет.

  

  Соединять параллельно источники с разными выходными уровнями нельзя

  Схема последовательного подключения

  Пример практического последовательного включения рассмотрен на примере двух импульсных блоков питания. Входные цепи переменного напряжения подключаются параллельно (желательно, чтобы фазные проводники подключались к фазным, нейтральные – к нейтральным, но это не принципиально, на работоспособность влиять не будет). Так как цепь собрана последовательно, то общий ток нагрузки пойдет через оба блока питания, и максимально допустимый ток будет определяться источником с меньшей нагрузочной способностью.

  

  Последовательное соединение двух импульсных БП

  Схема параллельного подключения

  С параллельным подключением на практике все далеко не так просто. В первую очередь, как сказано выше, надо позаботиться о том, чтобы выходные уровни всех источников строго соответствовали друг другу. В реальности этого достичь очень сложно, хотя и возможно – соответствие должно быть на уровне милливольт. Но даже если и получится добиться такого равенства, это не дает никаких гарантий. В процессе эксплуатации даже при использовании двух идентичных блоков выходные уровни могут измениться в результате:

  • различий в мощности БП (в выходном сопротивлении);
  • разных реакций на изменение нагрузки или входного напряжения (различие в коэффициентах стабилизации);
  • различных реакций на изменение температуры;
  • воздействия других факторов.

  В итоге с трудом достигнутое равновесие нарушится и нормальной параллельной работы не будет.

  

  Схема с выравнивающими резисторами (включении к питающей сети по входам для упрощения не показано)

  Несколько уменьшить вредный эффект можно введением выравнивающих резисторов, но при этом:

  • резисторы будут выручать только при небольших колебаниях напряжения;
  • они будут уменьшать общую мощность из-за падения на них напряжения и ограничения тока.

  В интернете можно найти советы включать источники параллельно через диодную развязку. Эта схема неплохо работает на бумаге, но в реале если напряжение одного из источников превысит выходной уровень другого, к одному из диодов напряжение общей шины окажется приложенным в запирающем направлении.

  Точнее, это случится даже если напряжение на общих шинах не позволит создать напряжение открывания диодов, которое для кремниевых элементов составит 0,6 вольт между катодом и анодом, для диодов Шоттки – 0,2..0,4 вольта.

  Поэтому использование диодной развязки пригодно только для случая, когда один источник резервирует другой. При снижении напряжения запасной БП «подхватит» нагрузку без паузы. Для этого надо, чтобы каждый источник был рассчитан ан полную мощность потребителя (напряжение и ток).

  

  Схема диодной развязки

  На практике для параллельного соединения источников питания разрабатываются технические решения, которые могут быть направлены на:

  • использование специальных алгоритмов регулирования, выравнивающие реакцию источников на изменение нагрузки;
  • использование внешних активных балансировочных устройств для уравнивания токораспределения;
  • применение активных шин.

  Все эти решения являются технически сложными, и в домашних условиях труднореализуемы и нецелесообразно дороги.

  

  Промышленное техническое решение для параллельного соединения БП с помощью балансировочного устройства

  По всем перечисленным причинам параллельное подключение блоков питания — не лучший выход для решения простых задач. Гораздо проще и дешевле приобрести БП потребной мощности.

  Последовательное и параллельное соединение источников питания

  

  Впервые с электричеством человечество столкнулось ещё на заре развития. Это было проявление биоэлектричества у угрей и скатов.

  С открытием электростатики человек понял, что электроэнергию можно получать искусственно. Постепенно он понял природу электричества, явление электромагнетизма, а также сделал прорывные открытия в физике, химии и материаловедении.

  Всё это позволило человечеству прийти вначале к созданию химических источников электротока, а затем разработке электрогенераторов.

  Сегодня электричество плотно вошло в нашу жизнь. Мы применяем его для питания бытовых электроприборов, компьютерной, а также мобильной техники.

  Теперь нас не сильно интересуют принципы генерации электроэнергии. Нам, как потребителям, полезнее сведения о методах его преобразования, для достижения требуемого напряжения и мощности.

  Время чтения: 15 минут

  

  Эксперт — Сергей Пустовой

  Технический консультант, специалист по электромонтажным, ремонтным и наладочным работам, кандидат наук

  Нередко приходится сталкиваться с несоответствием выходных характеристик источника питания (ИП) и потребителя. Причины этого — оригинальные параметры энергопотребителя, а также отсутствие ИП , характеристики которого соответствовали бы заданным. При этом изменить параметры нагрузки зачастую очень сложно, а иногда просто невозможно. Главные причины — это сохранность гарантийных обязательств, сохранение целостности и эстетичности, и ещё ряд факторов. Поэтому приходится производить корректировку ИП.

  Как изменять параметры?

  Если параметры нагрузки и ИП различаются кратно, то вполне логичным решением выступает объединение нескольких ИП в единую группу. Наиболее часто источники тока (ИТ) соединяют последовательно или параллельно. Также возможно и смешанное присоединение, однако его практикуют гораздо реже.

  В зависимости от вида используемых ИП разнятся и особенности их объединения. Разберёмся в этом.

  Химические электроисточники

  Устройства, в которых электрогенерация основана на электрохимических процессах окисления и восстановления, называют химическими источниками тока (ХИТ). К ним относятся гальванические элементы (ГЭ), а также аккумуляторные батареи (АКБ).

  Разнообразие батарей и аккумуляторов

  ХИТ — это удобный переносной аккумулятор электроэнергии, применяемый для электропитания разных типов оборудования. Он обеспечивает автономное функционирование многих установок без необходимости их прямого подключения к стационарной электрической сети.

  Вот примеры, где установки этого типа наиболее востребованы:

  • Портативная электроника: наушники, пульты дистанционного управления, игровые приставки, фотоаппараты, видеокамеры, переносные аудиоплееры;
  • Мобильные телефоны и планшеты;
  • Ноутбуки, неттопы и планшетные компьютеры;
  • Классические автомобили, электромобили, а также специализированный автономный электрифицированный транспорт: электрокар, электротележка, электротягач;
  • Электронные игрушки: роботы, радиоуправляемые автомобили, другие развивающие и обучающие интерактивные игрушки;
  • Ручные и стационарные фонари, светильники, прожекторы;
  • Бытовая техника: часы, беспроводные мыши и клавиатуры, пульты управления бытовой техникой, термометры, метеостанции;
  • Медицинские приборы: слуховые аппараты, глюкометры, тонометры, а также портативные мониторы сердечного ритма.

  Это лишь некоторые области применения химических ИТ. При этом очень часто в приборах используется несколько однотипных элементов, объединённых в единое устройство. Для определения необходимости сооружения такой сборки вначале оценивают параметры потребителя. Если они не соответствуют друг другу, то пользуясь основными законами электротехники, делают необходимые расчёты, а затем сооружают необходимый тип присоединения.

  Последовательное присоединение ХИТ

  Этот вид объединения является самым часто встречающимся. Это связано с тем, что для электропитания большинства потребителей, номинального ЭДС батареи бывает недостаточно. Так, для зажигания светодиода нужно подавать от 2 до 4 вольт, а для питания микромоторов — от 3 до 9 В.

  Так как классическая батарея имеет невысокий ЭДС, всего 1,5 В, то увеличить его можно, достаточно подключить их друг за другом. Аналогично объединяют и аккумуляторные батареи. При этом нужно помнить, что общая емкость аккумуляторов при последовательном соединении не изменяется и будет равна ёмкости одиночного ГЭ.

  Боксы для Li-Io элементов

  Параллельное присоединение химических ИТ

  Основная цель включения в параллель — это увеличение отдаваемой мощности. Суммарная величина ЭДС при параллельном соединении остаётся неизменной, а отдаваемая сила тока кратно увеличивается. При этом параллельное соединение батареек очень редко используется. Причина этому — разнообразие их типоразмеров, от G13 до D. Такое многообразие дает возможность подобрать батарейку с требуемой отдаваемой мощностью.

  Виды ХИТ различного типоразмера

  В случае с аккумуляторными батареями запараллеливание встречается чаще. Оно увеличивает суммарную ёмкость АКБ соответственно числу присоединённых ГЭ.

  Смешанное соединение источников тока

  Смешанная сборка ГЭ на практике никогда не выполняется. В первую очередь это обусловлено разнообразием их типоразмеров. Объединение АКБ по смешанной схеме используют чаще. Это позволяет не только нарастить ёмкость общей сборки, но и её ЭДС, а также сохранить компактность в одном из габаритных размеров аккумулятора.

  Наиболее часто такую сборку можно увидеть в АКБ ноутбуков, электромобилей, а также в тяговых аккумуляторах электропогрузчиков.

  АКБ, собранные по смешанной схеме в аккумуляторе для ноутбука Тяговая сборка АКБ для электропогрузчика

  Особенности соединения ХИТ

  При сооружении последовательной сборки химических ИТ должно соблюдаться одно простое правило. Оно заключается в том, что плюс первой батареи присоединяется к минусу второй, а плюс второй — с минусом третьей и так далее. Это правило выполняют с каждым последующим ХИТ, независимо от их числа.

  При запараллеливании правила присоединения несколько иные. При такой схеме в один узел объединяют все одноимённые полюса источников электротока.

  Схемы объединения элементов питания: друг за другом (слева) и в параллель (справа)

  При сооружении смешанной сборки всегда должно использоваться одинаковое число запараллеленных ГЭ.

  Верные и ошибочные способы присоединения ХИТ

  Также общими для всех способов объединения считаются условия:

  • Один тип используемых ХИТ. Это связано с тем, что элементы могут обладать различным номинальным и зарядным напряжением, иметь различие в границах рабочих напряжений, а также различные допустимые токи заряда и разряда;
  • Иметь одинаковый уровень заряда.Это относится не только к АКБ, но и ГЭ. Из-за различия в уровнях заряда легко допустить переразряд одного из компонента сборки, что привёдет к его выходу из строя, протечке электролита, а также нарушению функционирования всей конструкции;
  • Одинаковая емкость. Существенное несовпадение ёмкостей приводит к постоянной недозарядке аккумулятора, имеющего большую ёмкость. А длительная работа в таком режиме ведёт к его быстрой деградации;
  • Совпадение номинального ЭДС. Объединение ИП отличающихся номинальных напряжений приводит к тому, что элемент сборки, имеющий меньший ЭДС, будет постоянно находиться в режиме заряда. При этом подаваемый на него потенциал, существенно превышает допустимый, что быстро выведет его из строя.
  • Подключение через проводники достаточного сечения. Для выполнения любого типа соединения нужно знать, какие токи будут протекать по проводникам. В соответствии с этим и выбирать проводники соответствующего размера, пропускная способность которых будет достаточной. В противном случае велика вероятность перегрева проводов с риском образованием пожара.

  Вторичные электроисточники

  ИТ называют вторичными, потому что не генерируют, а только преобразовывают электроэнергию, поступающую от первичного ИТ — электрической сети. К ним относятся: блоки питания, а также преобразователи AC-AC и AC-DC.

  Основными задачами вторичного источника тока (ВИТ) являются:

  • передача заданной мощности;
  • преобразование напряжения (величины, формы, частоты);
  • стабилизация параметров;
  • защита потребителя.

  Из-за высокой доступности этих устройств часто возникают вопросы о возможности объединения ВИТ. Давайте разбираться возможно ли это.

  Создание цепей резервирования

  Резервирование (или резервное электропитание) используется для обеспечения непрерывного функционирования потребителей в случае длительных или кратковременных сбоев в основном ИП. Вот некоторые причины, по которым используется резервирование:

  • Предотвращение потери данных при внезапном прекращении электропитания у персональных компьютеров, серверов, а также сетевого оборудования;
  • Обеспечение непрерывности работы в некоторых критически важных системах, например, телекоммуникационного оборудования, медицинских устройств, станков и промышленных процессов
  • Защита от повышенного или пониженного напряжения, его скачков, а также других дестабилизирующих факторов, возникающих в электрической сети;
  • Аварийное питание систем безопасности, аварийного и эвакуационного освещения, на случай появления нештатных ситуаций, таких, например, как пожар, землетрясение или другие чрезвычайные ситуации.

  Резервное электроснабжение обеспечивает надёжность, непрерывность работы и защиту от потерь данных в различных сферах, где питание играет важную роль.

  Для организации резервирования требуется минимум два ИП. Постоянно задействован только один из них, второй же включается только в случае отключения первого. При такой топологии блоки не оказывают друг на друга никакого влияния, а за их переключением следит специализированное устройство автоматического включения резерва (АВР).

  Структурная блок-схема резервирования

  Параллельное включение

  Топология включения двух и более БП в параллель — широко распространена и применяется в целях увеличения выходной мощности. Она позволяет организовать объединение БП в единую цепь постоянного тока.

  Их параллельная работа увеличивает величину отдаваемого тока за счёт перераспределения нагрузки между ними.

  Однако применение такой топологии предполагает ряд ограничений, влияющих на общую эффективность. В первую очередь это наличие схем, способных контролировать равномерное перераспределение электротока между блоками. На неравномерность распределения влияют: внутреннее устройство ВИТ, параметры используемых проводников (длина, сечение, материал), а также конфигурация внешних цепей.

  Некоторые производители в своих устройствах сразу реализуют перераспределяющие схемы. Их наличие позволяет объединять такие БП без особых проблем. Если же у ВИТ отсутствуют встроенные цепи распределения, то необходимо организовывать внешние, обладающие не меньшей эффективностью.

  Наличие таких цепей обеспечит высокую стабильность работы.

  Одним из основных условий допуска ВИТ в такую топологию — совпадение выходных ЭДС.

  Блок-схема включения БП в параллель

  Последовательное включение

  Присоединение БП друг за другом — это ещё один способ нарастить отдаваемую нагрузке мощность. Такая топология увеличивает выходное напряжение, за счет того, что на выходе образуется сумма ЭДС всех ВИТ.

  При этом необязательно совпадение выходных напряжений входящих в схему блоков. Что более важно, так это значение максимального тока единичного блока.Так как электроток, протекающий через каждый ВИТ одинаков, то каждый блок должен обладать способностью выдержать его. В идеале все объединяемые ВИТ, должны быть идентичны друг другу.

  Также есть два условия стабильного функционирования такого присоединения. Первое — выходные цепи должны быть настроены так, чтобы выдержать возникающее напряжение смещения. Для этого цепи заземления устройств должны быть изолированы.

  Второе — объединяемые устройства должны иметь защиту от обратного потенциала. Такая ситуация возможна, если все ИТ включены, а один из них выключен. В таком случае на его выходе может появиться обратный потенциал, что способно повредить выходные электроцепи БП. Элегантным решением — выступает установка диода.

  Для своей эффективной работы диод должен иметь напряжение пробоя выше, чем у отдельного ИП.

  Блок-схема параллельного включения БП

  Наиболее популярный метод, позволяющий увеличить мощность, отдаваемую потребителю от химических элементов — это их последовательное включение. При этом смешанный вариант используется значительно реже, только для электропитания специализированных механизмов. Запараллеливание ХИТ — практически никогда не применяется. Причина этому — существенное разнообразие их типоразмеров.

  Варианты конфигурирования БП ненамного меньше. Помимо того, что их используют в цепях резервирования, ещё с их помощью организуют присоединение по последовательной схеме, а также в параллель. При этом если в БП отсутствуют электрические цепи согласования совместной работы, то сооружение внешних является обязательным.

  Похожие публикации:

  1. Включить проверку атрибутов android что это
  2. Как включить vt для повышения производительности ldplayer
  3. Как включить звук на айфоне
  4. Почему на ютубе не прогружаются картинки