Выбор типового выпрямительного устройства.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»

(ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»)

Курсовая работа на тему:

“Система бесперебойного электропитания оборудования АТС”

(ОБРАЗЕЦ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ)

Выполнил: студент группы ХХХ

Проверил:

Ижевск 2013г

Оглавление.

1. Анализ исходных данных, представление функциональной схемы ЭПУ с отображением на ней данных задания и обозначений недостающих параметров.

2. Расчет параметров аккумуляторной батареи.

3. Вычисление параметров тока и мощности всех категорий потребителей и суммарных значений максимальной и усредненной мощности. Выбор типа ДГУ.

4. Выбор преобразователей электрической энергии для ЭПУ и шкафного оборудования. Вычисление значений рабочего тока всех типов потребителей и соответствующий выбор автоматических выключателей. Заполнение карты заказа на коммутационное оборудование.

5. Вычисление усредненного значения годового потребления электрической энергии и ожидаемой стоимости энергопотребления.

Задача.

Разработать в соответствии с техническим заданием функциональную схему электропитающей установки, рассчитать максимальные и усредненные значения тока и мощности ЭПУ, определить рабочие характеристики преобразователей электрической энергии, выбрать необходимое распределительное и преобразующее оборудование.

Электропитающая установка является одной из базовых инфраструктур телекоммуникационного узла, предназначенной для получения напряжения (или ряда напряжений) питания, адаптированного к требованиям телекоммуникационного оборудования независимо от качества внешнего электроснабжения. Статистика показывает, что суммарное время отказов городской сети переменного тока составляет около 4-х часов в год, при этом до 90% времени приходится на кратковременные (до 0.5 сек) перебои. Ущерб от «потери связи» в зависимости от сферы обслуживания исчисляется суммами от 10 до 800 тыс. долл. в час

Данные:

Тип узла – удалённый доступ. Параметры первичного электроснабжения: номинальное напряжение сети (U₁=380/220 В), число фаз (m=3), число вводов сети (n=1), нестабильность напряжения в % (N₁= - 20% +10%) и частотой 50Гц.

U₀=48 В;

I₀=20 А;

= кВт;

S_хоз=1.2 кВА;

cosφ_хоз=0.7;

cosφ_выпр=0.95;

Р_{убп, перем. тока}=0.4 кВт;

h_пр=0.85

Время аварийной работы от аккумуляторных батарей Т_АВ=8 часов.

Номинальная температура окружающей среды и её отклонения.

Т_мин=-9˚С.

Среднегодовое значение коэффициентов спроса:

К_с(техн + зар.бат)=0.9К_с(осв)=0.6К_с(ав.осв)=0.7К_с(хоз)=0.8

Тариф за потребляемую энергию одноставочный, С=1.8 руб/кВт час.

Таблица 1 - Варианты задания (у вас есть)

Таблица 2 - Варианты задания. (дополнительно)

Все электроприёмники, получающие питание от внешних источников, подразделяются на две группы гарантированного и негарантированного электроснабжения.

К первой группе наряду с устройствами связи относится сеть гарантированного освещения, устройства вентиляции и отопления помещений аккумуляторной и ДГА, устройства подкачки топлива, масла и воды в расходные баки для обеспечения длительной работы резервной электростанции. Лампы сети гарантированного освещения располагают в производственных помещениях (цехах связи), коридорах и на лестничных клетках. Все приемники этой группы получают питание от внешних источников тока, а в случае их аварии - от ДГА.

Ко второй группе относят сеть общего освещения, оборудование вентиляции, силовое оборудование мастерских и других вспомогательных помещений. Приемники этой группы получают электропитание от внешних источников, а при повреждении последних выключаются.

На каждом узле связи, кроме сети гарантированного освещения, должно быть предусмотрено аварийное освещение, обеспечивающее выполнение технологического процесса обслуживания аппаратуры связи при аварии всех источников переменного тока (внешних и ДГА). Аварийное освещение осуществляется с помощью ламп, получающих питание от аккумуляторной батареи 24 В или, в случае ее отсутствия, от батарей с другим номинальным напряжением.

Характеристика электроснабжения.

Все устройстве автоматики, связи и другие потребители электрической энергии, размещаемые в домах связи и постах ЭЦ в соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ), по надежности функционирования и требованиям к электроснабжению подразделяются на три категории.

К 1 категории относятся электроприёмники, нарушение электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, расстройство сложного технологического процесса и др. Предприятия электросвязи относятся к 1, либо ко 2 категории.

Электрическая энергия к приемникам I категории должна подаваться от двух независимых источников. Перерыв в электроснабжении может быть допущен только на время автоматического ввода резервного питания (АВР). Это время должно быть не более 1,3 с.

Независимыми источниками энергии называют такие, когда прекращение действия одного не вызывает прекращения действия другого.

Электроэнергия к приемникам особой группы I категории должна подводиться от трех независимых источников. Перерыв в электроснабжении не должен превышать 1,3 о, а некоторые устройства (релейные схемы ЭЦ, электронные автоматические телефонные станции и др.) не допускают даже кратковременных перерывов.

Электроэнергию к приемникам 2 категории рекомендуется подводить от двух, а электропитание приемников 3 категории может осуществляться от одного источника. Перерывы в электроснабжении приемников этих категорий допустимы, но не более чем на одни сутки.

Объем, мощность, а, следовательно, и стоимость ЭПУ связаны с условиями внешнего электроснабжения. Чем надежнее электроснабжение, тем проще и экономичнее будет ЭПУ,

Наибольшая надежность электроснабжения обеспечивается от государственных энергосистем, наименьшая - от местных электростанций промышленных предприятий.

Все электропитающие установки в зависимости от условий электроснабжения подразделяются на несколько групп.

К группе 1A относятся ЭПУ, имеющие полностью обеспеченное круглосуточное снабжение от двух или более внешних ^надежных, независимых источников мощностью не менее 1000 кВт. Допускается последовательное отключение таких источников с интервалом времени не менее 30 с (время, необходимое для запуска ДГА). Возможно выполнение дополнительного условия - отсутствие одновременных отключений внешних источников.

Колебания напряжения не выходят за пределы -I5.,.-t-5/5 от номинального.

К группе 1Б относятся ЭПУ с теми же условиями электроснабжения, что и группа IA, но при наличии одного внешнего источника.

К группе 2А относятся ЭПУ, имеющие неполное снабжение от внешних источников электроэнергии.

Они получают круглосуточное снабжение от одного источника мощностью менее 1000 кВт или более мощного, но с частыми перерывами в подаче электроэнергии, либо при наличии колебаний напряжения, выходящих за пределы -15…+3% от номинальной величины. ЭПУ в последнем случае может быть отнесена к группе 1Б при наличии стабилизаторов напряжения.

К группе 2Б относятся ЭПУ с теми же условиями электроснабжения, что и в группах 2А, на которые энергия подается не круглосуточно, но не менее 16ч в сутки без перерыва.

К группе 3 относятся ЭПУ, не обеспеченные электроснабжением от внешних источников. Эти ЭПУ либо полностью лишены возможности получать электроэнергию извне, либо получают ее менее 16 часов в сутки без перерывов, либо с сезонными перерывами.

Для повышения надежности работы ЭПУ внешние источники электрической энергии дополняются местными. Может быть предусмотрено резервирование питания от электростанций промышленных предприятий, в состав ЭПУ включают резервные электростанции и аккумуляторные батареи. На основании положений по проектированию ЭПУ во всех домах связи должны быть предусмотрены автоматизированные резервные электростанции.

Требования к качеству электрической энергии.

Требования к качеству электрической энергии, необходимые для нормальной работы аппаратуры свя8и,сформулированы в технических данных аппаратуры. Общие требования на вновь, разрабатываемую аппаратуру указаны в ГОСТ 5327-83.

В технических данных на аппаратуру указывают тип тока (переменный, постоянный), номинальное напряжение, допустимые пределы изменения напряжения и допустимую величину пульсации напряжения.

Данные о допустимых пределах изменения напряжения даются в виде абсолютных значений предельных напряжений или как относительные изменения напряжения в процентах (точность стабилизации), определяемые по формуле

где    Uн - максимальное отклонение напряжения на нагрузке от номинального, В; + Uн = Uн max – Uн пот; – Uн = Uн пот - Uн пот.

Оценка величины пульсации производится в среднеквадратичных или псофометрических единицах напряжения. Псофометрические напряжения используются для оценки мешающего действия переменной составляющей в аппаратуре, предназначенной для работы с сигналами тональных частот, приемником которых служит человеческое ухо (речевой или музыкальный сигналы). Во всех остальных случаях используется эффективное (среднеквадратичное) напряжение.

ЭПУ на различные номинальные напряжения.

Для каждого номинального напряжения постоянного токе в домах связи, как правило, предусматривается отдельная ЭПУ, общая для аппаратуры всех цехов (рис.1).

Рис.1. ЭПУ предприятия электросвязи

В электропитающих устройствах обычно один полюс соединяют с заземлением (заземляют). Заземление одного из полюсов дает возможность

упростить токораспределительные сети, выполнить заземленную часть общей для ЭПУ на разные номинальные напряжения и исключить из общей цепи все устройства защиты и коммутации. В источниках с номинальным напряжением и 60 В приняло заземлять положительный полюс, а в источниках с напряжением постоянного тока 220 В - отрицательный.

Каждая ЭПУ должна обеспечивать необходимый ток для питания всей аппаратуры, рассчитанной на данное номинальное напряжение

В зависимости от системы электропитания ЭПУ подразделяются на автономные (режим заряд-разряд), буферные (режимы среднего тока, импульсного и непрерывного подзаряда) и безаккумуляторные. Буферные системы могут быть многобатврейными и однобатарейными. По принципу работы ЭПУ подразделяют на неавтоматизированные и автоматизированные. По способу эксплуатации - на обслуживаемые и необслуживаемые.

В качестве основной системы электропитания для ЭПУ предприятий связи принята буферная многобатарейная система, работающая в режиме непрерывного подзаряда. Однобатарейная система используется в ЭПУ небольшой мощности (менее 2 кВт). При ненадежном электроснабжении или наличии значительных перерывов в электроснабжении проектируют автономную систему с питанием от аккумуляторов в режиме "заряд-разряд". В некоторых случаях при надежном электроснабжении, когда мощность ЭПУ достигает сотен киловатт, применяют базаккумуляторную систему с использованием резервного фидера и ДГА или двухлучевую систему.

ЭПУ на различные номинальные напряжения могут проектироваться автоматизированными и неавтоматизированными, в зависимости от потребляемой мощности и надежности электроснабжения. Для ЭПУ на токи менее 40 А отсутствует аппаратура автоматической коммутации, поэтому их проектируют для неавтоматического режима работы. ЭПУ-24 на токи более 40А и ЭПУ- 60 могут работать как в автоматическом, так и в неавтоматическом режимах.

для автоматизированных ЭПУ характерна работа в послеаварийном режиме, на первом этапе – в режиме стабилизации тока с постепенным увеличением напряжения до 2.3 В на аккумулятор, а затем переход в режим стабилизации напряжения, который .длится несколько суток (модифицированный режим заряда). При надежном снабжении электроэнергией аварий сети возникают редко, и батарея, как правило, успевает зарядиться. При недостаточно надежном электроснабжении заряд аккумуляторов после аварии должен осуществляться как можно быстрее (в течение 7-10 часов,), при этом напряжение к концу заряда необходимо поднимать до 2,7 В на аккумулятор. В этом случае напряжение на батарее сильно возрастает и намного превышает допустимую величину для питания аппаратуры связи. Поэтому послеаварийный заряд аккумуляторных батарей должен производиться с отключением их от нагрузки. Автоматизированные ЭПУ могут быть необслуживаемыми, Неавтоматизированные - всегда обслуживаемые.

Способы регулирования напряжения

ЭПУ с буферной аккумуляторной батареей в большинстве случаев не могут обеспечить допустимые пределы колебания напряжения на зажимах аппаратуры без специальных мер регулирования напряжения постоянного тока.

Применяемые в настоящее время мероприятия по регулированию напряжения на выходе ЭПУ можно подразделить на две группы: пассивные и активные. Пассивный способ регулирования основан на гашении избыточного напряжения на элементах регулирования при протекании тока нагрузки в нормальном режиме работы ЭПУ. Активный способ основан на подключении дополнительного источника напряжения при понижении напряжения на выходе ЗГО в аварийном режиме. При использовании этого способа потери мощности в нормальном режиме отсутствуют) К этому способу относятся регулирование с помощью дополнительных аккумуляторов и преобразователей постоянного тока (конверторов).

1. Функциональная схема ЭПУ.

Первичное напряжение сети подводится четырех проводной линией (три фазных провода А, В, С и нейтральный провод N или PEN); выпрямительный модуль (4) содержит группу однофазных выпрямителей, включенных по входу к одному из фазных и нейтральному проводу сети, а по выходу- параллельно, с заземлением положительного вывода источников питания аккумуляторный модуль содержит две группы батарей (АБ1, АБ2) и батарейный блок контроля и защиты; выходы ЭПУ разделены по возможным категориям потребителей; в щите распределения энергии переменного тока могут быть установлены измерительные приборы (амперметр, вольтметр, ваттметр); напряжение аварийного освещения внутренних помещений узла формируется из напряжения аккумуляторной батареи и коммутируется контактором в автоматизированном, вводно-распределительном шкафу. Схема дает наглядное представление о составе оборудования и взаимодействии элементов, хотя не определяет структуру и необходимое число отдельных блоков.

Рис.1. Схема электропитания оборудования АТС

Обозначение токов: I0 – постоянные составляющие тока, аппаратуры (апп), аварийного освещения (ав.осв), инвертора (ин), технологических потребителей (техн), заряда батарей (зар), суммарный (сум).

Рис. 2. Аналогичная схема электропитания оборудования АТС.

Рассчитаем токи, приведенные на схеме:

А

А

А

А

Подставляем свои значения

.1 Расчет аккумуляторных батарей.

а) Находим число элементов в аккумуляторной батарее по формуле:

,

где номинальное напряжение на элементе принимается равным U_эл.ном=2В, а потери в ТРС равны    Число N_ЭЛ округляется до целого числа в большую сторону.

б) Проверяем минимально допустимый уровень напряжения при разряде АБ с учетом минимального уровня напряжения на одном элементе, которое определяется по графикам рис.14.

Рисунок 14 - Конечное напряжение в зависимости от температуры

где - установившееся отклонение выходного напряжения согласно п. 9 раздела 2.5. В противном случае необходимо добавить один элемент в ряду.  

 Напряжение конвертора ВДК (схема рис.2) определяется выражением:

.   

Из таблицы 9 выбираем типовой ВДК с учетом тока нагрузки I₀ и выходного напряжения ВДК, определяем их количество (параллельно работающих и один резервный). Число параллельно работающих конверторов не ограничено.

Таблица 9 – Параметры ВДК

в) Находим необходимую емкость аккумуляторов, приведенную к условному 10 - часовому режиму разряда и температуре среды 20^оС:  Ставим свои значения.

,  (Aч)

где ток разряда равен сумме максимального тока нагрузки (I₀) и тока аварийного освещения (I_ОСВ): I_р = I₀ + I_ОСВ . Значения коэффициента отдачи по емкости h_Q приведены в таблице 10.

Таблица 10 – Коэффициент отдачи АБ по емкости

- 35-

г) По таблицам П.1, П2 выбираем соответствующий  10-часовому режиму разряда аккумулятор по ближайшему большему значению номинальной емкости  и номинальному напряжению. Последовательно можно включать только элементы или блоки одинакового типа и емкости.

Выбор типового выпрямительного устройства.

а) Находим суммарный максимальный ток выпрямителя:

,   

где I_ЗАР= 0,25×С₁₀ - ток заряда АБ в послеаварийном режиме.

б) Из таблицы П.3 по току I_å и номинальному выходному напряжению

выбираем тип выпрямителя. Если один выпрямитель не обеспечивает ток I_å , то ВУ можно включать параллельно, тогда номинальный ток одного выпрямителя определяется из неравенства:

                                            , 

где n_ВУ - максимально возможное число параллельно работающих выпрямителей. При выборе выпрямителей необходимо учесть номинальный уровень и нестабильность выходного напряжения.

Выписываем из таблицы тип (модель) и параметры выпрямителя.

в) Находим максимальное значение активной мощности, потребляемой выпрямительными устройствами в условиях нормального электроснабжения с шин

шкафа ШВР:

,

где U_ПЛ.З. - напряжение “плавающего заряда”, определяемое по графикам

               рисунка 13 с учетом рабочей температуры t_ср;

    Рисунок 13 - Зависимость напряжения “плавающего заряда” от температуры

   h_В - к.п.д. выпрямителя;

   I_ПЗ = 0,0007×С₁₀ – ток окончания заряда АБ /13/.

г) Находим полную мощность S_ПОТ , потребляемую ЭПУ от сети переменного тока:

,

где åP- суммарная активная мощность всех потребителей переменного тока ЭПУ, определяемая из соотношения

;

- 36-

P_ХН – активная мощность хозяйственных нужд,

åQ – суммарная реактивная мощность всех потребителей переменного тока

ЭПУ:         

,

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

При использовании трехфазного трансформатора на каждую фазу приходится мощность, равная: .

д) Находим максимальное значение тока, потребляемого от источника переменного тока (для звезды): .

е) По расчетному значению из таблицы 4 выбираем силовой кабель или типовой фазный шинопровод (табл. 5) с допустимым значением номинального тока больше линейного.

Рассчитываем сопротивление фазного провода R_Ф с учетом его протяженности  и находим потери мощности

Таблица 4 – Допустимые токовые нагрузки медных четырехжильных кабелей на напряжение до 1 кВ

Таблица 5 – Типовые шинопроводы.