Электропитание устройств и систем связи

Цель работы

Целью настоящей работы является закрепление студентами теоретических знаний, полученных при изучении основных разделов курса «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций».

Задание

В контрольной работе необходимо выполнить следующее:

— рассчитать количество и емкость элементов аккумуляторных батарей и выбрать их тип; найти ток выпрямителя и мощность, потребляемую ЭПУ от внешней сети; выбрать типовое выпрямительное устройство; выбрать вводный шкаф; рассчитать заземляющее устройство и выбрать автомат защиты.

— составить функциональную схему системы электропитания и перечень элементов с указанием всех типов выбранного оборудования.

Исходные данные к расчету выбираются из таблиц 1 и 2.

Таблица 1

Таблица 2

Первичная сеть трехфазная, четырехпроводная, UФ=220 В, fС=50Гц по ГОСТ 13.109 — 97

1. Описание буферной системы электропитания

Система электроснабжения — это комплекс сооружений на территории предприятия связи и в производственных помещениях, обеспечивающий функционирование предприятия связи, как в нормальных, так и в аварийных режимах его работы.

В современных системах бесперебойного электроснабжения наибольшее распространение нашла буферная система электропитания, так как используются возможности аккумуляторов для повышения фильтрации выходного напряжения и устойчивости работы ЭПУ.

В буферной системе электропитания АБ постоянно подключена к нагрузке:

Рис. 1. Буферная система электропитания

Преимуществом буферных систем электропитания является использование сглаживающих свойств АБ, что значительно уменьшает габаритные размеры сглаживающих фильтров, установленных на выходе ВУ. Недостатком данной системы является воздействие импульсной нагрузки на АБ, что снижает срок службы, особенно герметичных аккумуляторов в нормальном режиме работы. При повышенных требованиях к качественным показателям напряжения питания и длительной работе от АБ в аварийных режимах используется буферная система питания с вольтодобавочным конвертором — ВДК:

Рис. 2. Буферная система электропитания с ВДК

В нормальном режиме контактор К1 разомкнут, элементы АБ поддерживаются в нормальном состоянии от ВУ. Одновременно обеспечивается питание основного оборудования от выпрямителя. В аварийном режиме замыкается контактор К1 и выход ВДК соединяется последовательно с АБ, вход ВДК при этом подключается к АБ. При разряде АБ ВДК добавляет недостающую долю напряжения для обеспечения постоянства напряжения на нагрузке, что иллюстрируется графиком на рисунке 3.

Диод VD приводит к дополнительным потерям мощности и снижению к.п.д. устройства, но он необходим для обеспечения непрерывного протекания тока в момент срабатывания контактора К1.

2. Расчет и выбор оборудования электропитающей установки

1. Расчет аккумуляторных батарей

Число элементов в аккумуляторной батарее

Минимально допустимый уровень напряжения при разряде АБ с учетом минимального уровня напряжения на одном элементе определили по графикам рис. 14 при заданной температуре +20^оС и времени разряда АБ tр=3 час:

Uэл.к.р.=1,88 В

Uomin=Uэл.к.р.· Nэл=1,88·32=60,16 В

Чтобы уровень напряжения на АБ в конце разряда был не менее нормируемого значения Uо=60 В, подключим конвертор КУВ-12/100, 5 шт. параллельно и 1 резервный.

Параметры конвертора КУВ-12/100 (по таблице 9 [1]):

— номинальное напряжение на нагрузке 60 В;

— выходное напряжение 1,0…12 В;

— входное напряжение 48…66 В;

— выходной ток 10…100 А;

— максимальная выходная мощность 1200 Вт;

— КПД 0,7.

Необходимая емкость аккумуляторов, приведенная к условному 10-часовому режиму разряда и температуре среды +20^оС:

Коэффициент отдачи аккумуляторной батареи по емкости согласно таблице 10 з_Q=0,75.

По таблицам П1, П. 2 выбираем соответствующий 10-часовому режиму разряда аккумулятор по ближайшему большему значению номинальной емкости и номинальному напряжению аккумулятор GFM2000Z:

— изготовитель COSLIGHT;

— технология — герметизированные, с рекомбинацией газа и предохранительным клапаном;

— напряжение на элементе 2 В;

— емкость С₁₀=2000 Ач.

2. Выбор типового выпрямительного устройства

Суммарный максимальный ток выпрямителя I_У=Io+Iзар

Iзар=0,25· C₁₀=0,25·2000=500 А

I_У=400+500=900 А

Тип выпрямителя определили по таблице П. 3, исходя из значений тока I_У и номинального выходного напряжения:

— тип, изготовитель — ИБП «Связь инжиниринг»;

— нестабильность д?1%;

— модель «ИБП-4, цифровой контроль;

— КПД зв?91%;

— cosц=0,99;

— количество параллельно работающих модулей в одном выпрямителе 3,6,9,12;

— максимальный выходной ток (ток одного модуля) 480 (40) А;

— номинальное напряжение 60В

Так как один выпрямитель не обеспечивает ток I_У, то включаем 3 ВУ параллельно, в этом случае номинальный ток одного выпрямителя

Максимальное значение активной мощности, потребляемой выпрямительными устройствами в условиях нормального электроснабжения с шин шкафа ШВР:

Рв=(Io+Iпз)· Nэл·Uпл.з/зв, где

Uпл.з=2,25 В-напряжение «плавающего заряда», определили по графикам рис. 13 с учетом рабочей температуры tср;

Iпз=0,0007С₁₀=0,0007· 2000=1.4 А — ток окончания заряда АБ;

Рв=(400+1.4)· 32·2,25/0,91= 31 759 Вт=31,759 кВт.

Полная мощность, потребляемая ЭПУ от сети переменного тока:

где

Суммарная активная мощность всех потребителей переменного тока ЭПУ, определяемая из соотношения

УР=Рв+Рхн,

Активная мощность хозяйственных нужд:

Рхн=Sхн· cosц_хн=5000·0,97=4850Вт

УР=31,759· 10³+4850=36 609

Суммарная реактивная мощность всех потребителей переменнго тока ЭПУ:

УQ=Рв· tgц+Sхн·sinц_хн,

где ц — угол сдвига фаз выбранного ВУ из таблицы П. 3, определяемый из его коэффициента мощности

ц= =0,141 539 радиан,

tg ц=0.142 492

cos ц_ХН=0.97

УQ=31.759· 10³· tg (arccos0,99)+5000· sin (arсcos 0,97)=5741

Мощность на каждую фазу трехфазного трансформатора:

Максимальное значение тока, потребляемого от источника переменного тока (для включения звездой)

По расчетному значению Iл из таблицы 9 выбираем типовой фазный шинопровод с допустимым значением номинального тока больше линейного:

ь шинопровод ШРА 73;

ь допустимый ток 250 А;

ь сопротивление на фазу 0,2 Ом/км.

С учетом заданной длины шинопровода его сопротивление равно Rф=0,2· 1,9=0,38 Ом.

Потери мощности в фазном проводе ДР1ф=Iл²· Rф=56,1²·0,38=1198 Вт.

3. Расчет заземляющего устройства

По условию задана трехфазная четырехпроводная сеть. Рассчитаем схему заземления на стороне переменного тока по системе TN-C:

Рис. 4. Заземление на стороне переменного тока

Расчетный ток замыкания Iз=1,25Io=1,25· 400=500 A

Сопротивление заземления

Предварительно зададим следующие значения:

· принимаем отсутствие естественных заземлителей;

· коэффициент сезонности для вертикальных электродов зс=1,4;

· коэффициент сезонности для горизонтальных электродов зс=3;

Удельное сопротивление одного вертикального электрода

с_ов=зс· с_о=1,4·30=42 Ом,

Удельное сопротивление одного горизонтального электрода

с_ог=зс· с_о=3·30=90 Ом.

Сопротивление одного вертикального электрода

Выбираем длину электродов ?=3 м, диаметр трубы 0,05 м, расстояние между электродами а=3?=9 м, верхний конец каждого электрода должен находиться на глубине 0,5 м.

t — расстояние между уровнем почвы и серединой трубы, t=0,5?+h=0,5· 3+0,5=2 м.

По таблице 11 коэффициенты использования вертикальных и горизонтальных электродов при 2 трубах в ряду зв=0,95 и зг=0,95.

Число вертикальных электродов

.

Горизонтальные электроды отсутствуют.

4. Выбор автомата защиты

В современных системах электропитания используются автоматические выключатели-расцепители, которые автоматически отключают установку при увеличении тока выше некоторого порога (автоматы максимального тока) или уменьшения напряжения до заданной величины (автоматы минимального напряжения) или до нуля (нулевые автоматы). Кроме того, автоматические выключатели защищают установки от перегрузок и токов короткого замыкания.

Автоматический выключатель выбираем по номинальным значениям напряжения (Uф=220 В) и линейного тока сети (Iл=56,1 А).

Номинальный ток выключателя Iном. авт?1,5Iл=1,5· 56,1=84,2 А.

Выбираем автоматический выключатель ВА 69−100:

— номинальный ток Iном. авт=80 А;

— количество полюсов 1;

— номинальное рабочее напряжение 230 В (при 50Гц);

— замыкающая способность 10 кА.

Рис. 5 Функциональная схема системы электропитания

электроснабжение буферный перегрузка токовый

Для защиты от перенапряжений и токовых перегрузок применены автоматические выключатели ВА 69−100 с номинальным током 80 А, выпрямители выбраны ИБП-4 «Связь инжиниринг» с номинальным током 480 А (3 шт. параллельно) для обеспечения заданного напряжения 60 В служат аккумулятор GFM2000Z фирмы COSLIGHT (32 элемента) и конвертор КУВ-12/100 (5 шт. параллельно и 1 в резерве).

1. Электропитание устройств и систем связи. Задание и методические указания по выполнению контрольной работы. СибГУТИ, 2013 г.