Исходные данные для проектирования ЭПУ

На основании номеров вариантов, указанных в задании, из таблиц 13 и 14 (приложение 7) следует выписать конкретные значения исходных данных для проектирования ЭПУ дома связи: внешнее электроснабжение, номинальные напряжения и величины токов, потребляемые аппаратурой, устанавливаемой в различных цехах дома связи РЦС, сведения о дополнительных нагрузках.

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

К первой группе относятся устройства поездной и станционной радиосвязи, 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. 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 сетей гарантированного и общего освещения, должно быть предусмотрено аварийное освещение, поддерживающее выполнение технологического процесса обслуживания аппаратуры связи при аварии всех источников переменного тока (внешних и ДГА). Оно обеспечивается электроэнергией от аккумуляторных батарей.

1.3 Категории электроприемников. Все электроприемники по требованиям к надежности электроснабжения в соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) подразделяются на три категории.

Электроприемники I категории – электроприемники, перерыв энергоснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса и др. К этой категории относятся: устройства связи и автоматики, сети гарантированного освещения и др.. Эти электроприемники должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их энергоснабжения при нарушении энергоснабжения одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания.

Из состава электроприемников I категории выделена особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров. К таким электроприемникам относятся дома связи, обслуживаемые усилительные пункты и др. Для их энергоснабжения должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания.

В качестве третьего независимого источника питания для особой группы электроприемников и в качестве второго независимого источника питания для остальных электроприемников I категории могут быть использованы местные электростанции, электростанции энергосистем, предназначенные для этих целей агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные батареи и т.п.

К электроприемникам II категории относятся громкоговорящая оповестительная связь промежуточных станций; громкоговорящая двухсторонняя парковая связь станций и др., которые должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания.

Электроприемники III категории обеспечиваются энергоснабжением от одного источника при условии, что перерывы энергоснабжения, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы энергоснабжения, не превышают одних суток. К таким электроприемникам относятся необслуживаемые усилительные пункты (НУП), освещение (негарантированное), электрическое отопление, общая вентиляция силовое оборудование мастерских, устройства освещения переездов и др.

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

1.4 ЭПУ на различные номинальные напряжения

Номинальное напряжение (U_ном) устройств электропитания это один из основных параметров при котором оборудование может работать в оптимальном режиме с максимальным КПД.

Этот параметр используют также для нормирования допустимых отклонений напряжения [2], при которых сохраняется работоспособность питаемого устройства.

Основными значениями номинального напряжения постоянного тока являются 24В; 48В; 60В.

В электропитающих устройствах связи 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 24 и 60В принято заземлять положительный полюс. В тех случаях, когда это правило нарушается или есть опасность неправильного толкования этого положения, перед обозначением номинального напряжения ставят знак «+» или «-», характеризующий потенциальный (незаземленный) полюс источника тока.

1.5 Системы электропитания

Системы электропитания могут быть различными в зависимости от условий электроснабжения, наличия аппаратуры электропитания, требований, предъявляемых приемниками электроэнергии, и условий эксплуатации.

Системы электропитания ЭПУ подразделяются на автономную (режим заряд-разряд), буферную (режимы импульсного и непрерывного подзаряда), безаккумуляторную и комбинированную [3]. В качестве основной системы электропитания для ЭПУ дома связи принята буферная система и режим непрерывного подзаряда. По способу размещения аппаратуры буферная система электропитания может быть централизованная и децентрализованная (рис. 1а,б).

Исторически сложилось так, что в домах связи система электропитания строилась по централизованному способу (рис.1а).

Централизованная система - система питания, при которой для каждого номинального напряжения постоянного тока, предусматривается отдельная ЭПУ (ЭПУ-24, ЭПУ-48, ЭПУ-60), которая обеспечивает суммарный ток для аппаратуры связи (АС) данного номинала, расположенной в разных цехах дома связи.

Аккумуляторные батареи (АБ) с использованием кислотно-свинцовых аккумуляторов открытого типа С (без крышки) или малоуход-ных, устанавливаются в отдельном помещении – аккумуляторной. При использовании современных герметизированных аккумуляторов возможна их установка в помещении с работающей аппаратурой.

Централизованная система бесперебойного питания переменного тока подразумевает установку одного ИБП, поддерживающего работу всего оборудования в целом здании или, как минимум, на этаже здания.

Внедрение цифровой аппаратуры связи, имеющей встроенные блоки электропитания, привело к изменению системы питания на децентрализованную (рис. 1б).

Децентрализованная система питания обеспечивает независимое электропитание части аппаратуры. Аналоговая аппаратура получает электропитание от отдельных ЭПУ, в цифровой аппаратуре блоки вторич-ных источников электропитания встроены непосредственно в стойку.

Децентрализованная система бесперебойного питания переменного тока состоит из нескольких ИБП (разных типов и мощности), каждый из которых защищает отдельную единицу оборудования - чаще всего компьютер.

Возможно построение комбинированной системы питания (рис. 1в).

В последние годы для построения ЭПУ широко используются преобразователи напряжения - конверторы (DС/DС) и инверторы (DC/AC).

Если для питания всей аппаратуры дома связи требуются небольшие токи, тоc точки зрения надежности целесообразно выбрать в качестве

Рис. 1(а, б, в) Системы электропитания

основного номинального напряжения, например - 48 В и питать прочую нагрузку с помощью вторичных преобразователей — DС/DС конверторов (48/24 или 48/60) и DC/AC инверторов (24/220). Преимуществом такого решения будет использование общей аккумуляторной батареи, обеспечивающей одинаковое время резерва для питания аппаратуры всего дома связи.

Подвод питающего напряжения к домам связи выполнен двумя самостоятельными фидерами, представляющими собой силовой четырех-жильный кабель (три фазы и нуль), и резервируется от ДГА. Коммутация цепей гарантированной и дополнительной нагрузки обеспечивается щитом переменного тока ЩПТ.

По принципу работы ЭПУ могут проектироваться автоматизиро-ванными и неавтоматизированными. По способу эксплуатации – на обслуживаемые и необслуживаемые.

1.6 Требования к качеству электрической энергии необходимые для нормальной работы аппаратуры связи, сформулированы в технических данных аппаратуры, где указывают тип тока (переменный, постоянный), номинальное напряжение, допустимые пределы изменения напряжения, частоты и величины нелинейных искажений (для переменного тока), величины пульсации (для постоянного тока). [4].

Данные о допустимых пределах изменения напряжения приводят в виде относительных изменений напряжения в процентах (точность стабилизации), определяемые с использованием выражения

где - максимальное отклонение напряжения на нагрузке от номинального, В;

+ΔU_н = U_{н max} – U_{н nom} ;

- ΔU_н = U_{н nom} – U_{н min}.

Оценку величины пульсации производят 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.

1.7 Регулирование и стабилизация напряжения

Регулирование напряжения – это изменение величины напряжения на выходе аппаратуры (первоначальная установка напряжения, осуществляющаяся вручную).

Стабилизация напряжения – это поддержание постоянства напряжения на выходе аппаратуры, осуществляется автоматически.

В настоящее время электронная аппаратура допускает значительные изменения напряжения питания, поэтому нет необходимости его стабилизировать.

1.8 Аккумуляторные батареи в ЭПУ домов связи выполняет следующие функции:

1. Является источником резервного питания наиболее ответственной аппаратуры дома связи, при отключении источников переменного тока.

2. Обеспечивает безобрывность цепей питания при переключении фидеров питания и запуска ДГА.

3. Обеспечивает дополнительное сглаживание пульсации напряжения на выходе выпрямителей.

В аккумуляторных батареях использовались кислотно-свинцовые аккумуляторы открытого типа С, имеющих наибольшее количество градаций номинальных емкостей.

В настоящее время широкое применение находят аккумуляторы нового поколения, малоуходные и герметизированные (приложение 2).

Аккумуляторные батареи в большинстве случаев выполняют из двух групп. Это повышает надежность ЭПУ, так как при отключении одной группы для профилактики вторая остается подключенной к ЭПУ и обеспечивает резервирование электроснабжения. Запас емкости аккумуляторных батарей в узлах связи должен обеспечивать (при аварии в сети) электропитание аппаратуры связи в часы наибольшей нагрузки, цепей аварийного и эвакуационного освещения и устройств пожарной сигнализации в основном в течение 2-х часов. При дополнительных указаниях это время может быть больше.

В данном разделе необходимо выполнить: 1.Охарактеризовать объект электропитания и привести основные требования к ЭПУ. 2. Привести исходные данные согласно заданию. 3. Сформулировать дополнительные данные, и в случае необходимости, согласовать их с руководителем. 4. Характеристики электроснабжения привести в виде табл. 1, где указать категорию объекта как электроприемника и охарактеризовать действительное электроснабжение согласно данным задания. Найти возможность приведения в соответствие (в случае необходимости) требуемого и действительного электроснабжения. В качестве дополнительных взять соответствующие источники электроснабжения, приведенные в таблице 13 (приложения 7) .

Таблица 1

5. Намеченные данные разрабатываемой ЭПУ, характеризующие требования к качеству электроэнергии и систему электропитания, представить в виде табл.2. 6. Охарактеризовать назначение аккумуляторных батарей. 7. Выбрать оптимальный по сроку службы и продолжительности автономной работы тип аккумуляторов.

Таблица 2

Примечание: при реальном проектировании для конкретной аппаратуры необходимо учитывать также допустимую величину пульсации в эффективных и/или псофометрических значениях напряжения.

2 РАБОТА СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ ЭПУ

В домах связи на различных участках железных дорог находятся в эксплуатации различные автоматизированные ЭПУ для буферной системы питания.[3]. Ниже приводится описание широко используемой автоматизированной ЭПУ-24 для ознакомления с принципом ее работы. При новом проектировании она не используется.

В настоящее время для построения ЭПУ предлагается современное оборудование различных производителей. В учебном пособии для курсового проектирования приведены данные аппаратуры электропитания отечественного производителя Юрьев-Польского завода и Германской фирмы Voigt & Haeffner (V&H).

2.1 Автоматизированная ЭПУ-24

Для ознакомления с принципом работы на рис. 2 приведена структурная схема ЭПУ-24 для номинального напряжения 24 В и током нагрузки от 40 до 500 А. В ЭПУ заложен принцип регулирования напряжения с помощью дополнительных элементов (ДЭ) аккумуляторной батареи, которые коммутируются с помощью АКАБ. ЭПУ состоит из 1-3 рабочих выпрямителей РВ типа ВУК или ВУТ, включенных на параллельную работу, резервно-зарядного выпрямителя РЗВ того же типа, зарядного выпрямителя ЗВ типа ВУК-8/300, устройства автоматической коммутации аккумуляторных батарей типа АКАБ-24/500-2 с выпрямителем содержания ВС, а также двухгруппной секционированной аккумуляторной батареи из 11 основных элементов ОЭ и 2-х дополнительных элементов ДЭ.

Рис.2. Функциональная схема ЭПУ-24 с АКАБ-24/500-2

В нормальном режиме аппаратура получает питание от выпрямителей БВ, одновременно осуществляется подзаряд основных элементов при напряжении U_П = 2,2х11=24,2 В. Дополнительные элементы в это время подзаряжаются от выпрямителя содержания ВС типа.

В случае пропадания напряжения в сети аппаратура начинает получать питание от основных элементов батареи ОЭ. Когда напряжение в точке подключения устройства контроля напряжения УКН-А2 уменьшится до U_{Н min} = 21,6В, отпускает якорь реле К4, котороевключает реле К2, а последнее – контактор К1. Контактор подключает ДЭ к нагрузке. Напряжение скачком увеличивается, но не превышает U_{Н mах} = 26,4 В. Безобрывность питания обеспечивается диодом Д2.

При восстановлении напряжения в сети БВ и РЗВ включаются в режим стабилизации (ограничения) тока, обеспечивая питание нагрузки и заряд всей батареи. Когда напряжение в точке подключения устройства контроля напряжения УКН-А3 достигнет 26,4 сработает реле К5, которое разрывает цепь питания реле К2, а последнее – цепь контактора К1, который отключает ДЭ от нагрузки. Безобрывность цепи заряда обеспечивает диод Д1. Одновременно реле К2 включает напряжение сети к ЗВ, который обеспечивает окончательный заряд ДЭ до напряжения 2,3х2=4,6 В. Затем контактами своего вольтметрового реле ЗВ отключается от сети и включается ВС, обеспечивая в дальнейшем подзаряд ДЭ.

Основные элементы батареи ОЭ продолжают заряжаться от ВБ и РЗВ до напряжения 2,3х11=25,3 В. При достижении этого напряжения реле контроля напряжения Р_пп переводит БВ в режим стабилизации напряжения и выключает РЗВ. Схема приходит в исходное состояние.

2.2 Структурная схема проектируемой ЭПУ

Современные системы построены на основе принципа модульной архитектуры, что позволяет комплектовать их унифицированными модулями выпрямителей, конверторов, инверторов и др. Встроенные микропроцессорные модули осуществляют локальный, местный и дистанционный контроль и управление, повышая надежность функционирования системы и снижая затраты на обслуживание. Периодические автоматические тестирование и тренировка батарей, контроль их симметрии и температуры позволяет прогнозировать повреждения и увеличивает срок службы аккумуляторов. Высокий КПД (до 92%) современных систем уменьшает рассеиваемую мощность, а повышение cosφ (до 1) снижает воздействие на сеть и требуемое сечение кабелей. Компактная конструкция и использование герметизированных аккумуляторов уменьшают габариты ЭПУ.

Структурная схема типовой системы бесперебойного электропитания постоянного тока представлена на рис. 3.

Рис. 3 Структурная схема системы бесперебойного электропитания

Электропитающие установки состоят из выпрямительных модулей В, аккумуляторных батарей АБ, модуля контроля и управления МКУ, вспомогательных устройств (конверторов, инверторов и т.д.).

Основным элементом ЭПУ – является выпрямительный модуль, обеспечивающий питание нагрузки постоянным током, а также подзаряд и заряд аккумуляторной батареи. Каждый выпрямительный модуль имеет встроенное устройство контроля и управления. Количество выпрямительных модулей зависит от типа стойки и требуемой мощности (тока) для питания нагрузки.

Конверторы (DC/DC преобразователи) предназначены для электропитания потребителей с малым допуском изменения входного напряжения или с другим номиналом, инверторы (DC/АC преобразователи) - для обеспечения бесперебойного электропитания потребителей переменного тока.

Защита в различных цепях обеспечивается предохранителями (ПР) или автоматическими выключателями.

Аккумуляторная батарея (АБ) входит в комплект устройства электропитания и используется в качестве резервного источника при пропадании напряжения сети. Аккумуляторы могут устанавливаться в шкафу с выпрямителями или размещаться на стеллажах.

Аккумуляторные батареи защищены от глубокого разряда. Контактор К1 предназначен для отключения аккумуляторной батареи от нагрузки при ее разряде до минимально допустимой величины (обычно 1,8 В/Эл) и управляется от модуля контроля и управления.

Шунты Ш1 и Ш2 используется для измерения токов нагрузки и аккумуляторной батареи соответственно. Разъединители Р1 и Р2 позволяют отключить АБ для проведения профилактических работ.

Модуль контроля и управления (МКУ) в устройствах различных фирм-производителей отличается набором функциональных возможностей. Режим работы, основные данные о работе ЭПУ (ток, напряжение нагрузки и др.) контролируются, измеряются и индицируются на малогабаритном жидкокристаллическом (ЖКИ) дисплее. Контроль рабочего режима или установка параметров системы возможна с компьютера через интерфейс RS232 или RS485. Для дистанционного контроля и управления предусмотрен режим работы через модем. Местная сигнализация реализуется светодиодами на передней панели устройств.

Технические характеристики ЭПУ Юрьев-Польского завода и фирмы Voigt & Haeffner приведены в приложении 1 (табл.1 и табл.3).

В нормальном режиме аппаратура получает питание от выпрямителей В₁...В_N , одновременно осуществляется подзаряд групп аккумуляторной батареи АБ₁ ... АБ_N.

Наибольшее распространение в телекоммуникации получили системы на номинальное напряжение U_H = 48 В. Также существуют системы на 24 В и 60 В. Величина напряжения подзаряда (U_П) или содержащего заряда зависит от типа и технологии производства применяемой аккумуляторной батареи, и указывается в ее технических характеристиках.

Среднее значение U_П = 2,23 В/Эл при температуре 20˚С. Тогда для 48-вольтового оборудования связи (при 24-х элементной аккумуляторной бата­рее) в нормальном режиме напряжение батареи со­ставит 24 Эл x 2,23 В/Эл = 53,5 В.

В случае пропадания напряжения в сети аппаратура начинает получать питание от аккумуляторной батареи АБ₁ ... АБ_N. В процессе разряда напряжение батареи относительно быстро с 2,23 В/элемент понизится до типового значения в 1,9...2,0 В/элемент. Напряжение 1,9 В/эл является наиболее близким к среднему значению, и принимается за среднее напряжение разряда U_СР при расчетах. Время резервного питания от батареи в основном зависит от величины тока разряда, поэтому необходимо знать ток и конечное напряжение разряда.

Конечное напряжение разряда U_КР зависит от типа батареи и времени разряда. При 10-часовом разряде оно составляет около 1,8 В/эл. Величина напряжения на 48В аккумуляторной батарее в конце разряда составит 24 Эл х 1,8 В/Эл = 43,2 В. В случае более продолжительного времени разряда элементы могут быть разряжены до более низкого значения конечного напряжения (1,75 В/Эл), таким образом, конечное напряжение батареи также будет ниже.

При восстановлении напряженияв сети выпрямители В₁...В_N на начальном этапе включаются в режим стабилизации тока, обеспечивая питание нагрузки и заряд батарей.

Величина напряжения заряда (U_З) указывается в технических характеристиках для каждого типа акку­мулятора. В общем случае, величина напряжения ускоренного заряда (U_З) составляет 2,33.. .2,4 В/Эл. Общее напряжение АБ составит 24 Эл x 2,33 В/Эл = 55,926 В. Герметизированные батареи обычно не требуют ускоренного заряда.

Поиск по сайту: