II семестр / МетРек-ЭПНП-дляКР-АС-АР

12

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 батареи 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.

Задания к курсовому проектированию

1.Охарактеризовать объект электропитания и привести основные требования к ЭПУ.

2.Привести исходные данные для проектирования согласно табл. 14 (Приложение 7).

3.Характеристику объекта 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 источники электроснабжения, приведенные в табл. 15 (Прил. 7).

4.Намеченные данные разрабатываемой ЭПУ, характеризующие требования к качеству электроэнергии и систему электропитания, представить в виде табл. 2.

5.Охарактеризовать назначение аккумуляторных батарей.

6.Выбрать оптимальный по сроку службы и продолжительности автономной работы тип аккумуляторов.

Таблица 1

Характеристика объекта электроснабжения

13

Примечание. 1. При реальном проектировании для конкретной аппаратуры необходимо учитывать также допустимую величину пульсации в эффективных и/или псофометрических значениях напряжения.

2.Тип аккумуляторов выбрать из табл. 5-6 (Приложение 2).

3.При комбинированной системе ЭП токи пересчитываются по формулам п.п. 3.

4.Допустимые пределы изменения напряжения источника берутся из технических данных на конкретную аппаратуру. В данном курсовом проекте можно воспользоваться данными табл. 3.4. [3].

2.Выбор системы бесперебойного питания постоянного тока

2.1.Автоматизированная ЭПУ-24. В домах связи на различных участках железных дорог находятся в эксплуатации различные автоматизированные ЭПУ для буферной системы питания [3].

Для ознакомления с принципом работы широко используемой ЭПУ-24 (в новом проекте не используется) на рис. 3 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 параллельно, 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.

Внормальном режиме аппаратура получает питание от выпрямителей БВ, одновременно осуществляется подзаряд основных элементов при напряжении UП

=2,2∙11=24,2 В. Дополнительные элементы в это время подзаряжаются от выпрямителя содержания ВС.

Вслучае 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 UН min = 21,6 В, реле К4 отпускает якорь и включает реле К2, а последнее – контактор К1. Контактор подключает ДЭ к нагрузке. Напряжение скачком увеличивается, но не превышает UН 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 В 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 2,3∙2=4,6 В. Затем контактами своего вольтметрового реле ЗВ отключается от сети и включается ВС, обеспечивая в дальнейшем подзаряд ДЭ.

14

Основные элементы батареи ОЭ продолжают заряжаться от ВБ и РЗВ до напряжения 2,3∙11=25,3 В. При достижении этого напряжения реле контроля напряжения Рпп переводит БВ в режим стабилизации напряжения и выключает РЗВ. Схема приходит в исходное состояние.

Р

Рис. 3. Функциональная схема ЭПУ-24 с АКАБ-24/500-2

2.2. Структурная схема проектируемой ЭПУ. Современные системы электропитания 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

15

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. 4.

Рис. 4. 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.

16

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 фирмпроизводителей 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.

Внастоящее время для построения ЭПУ предлагается современное оборудование различных производителей. В учебном пособии для целеейкурсового проектирования приведены данные аппаратуры электропитания отечественного производителя Юрьев-Польского завода и Германской фирмы

«Voigt & Haeffner» (V&H).

При использовании аппаратуры других производителей необходимо представить ее технические характеристики с указанием фирмы и используемой литературы (интернет сайта).

Технические характеристики ЭПУ Юрьев-Польского завода и фирмы «Voigt

&Haeffner» приведены в Приложении 1 (табл. 1 и 3).

Внормальном режиме аппаратура получает питание от выпрямителей

В1...ВN , одновременно осуществляется подзаряд групп аккумуляторной батареи АБ1 ... АБN.

Наибольшее распространение в телекоммуникации получили системы на

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

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

18

Условно корректор мощности состоит из выпрямительного моста V1, дросселя L1, транзистора V2, диода V3, конденсатора С1, шунта Rш и схемы управления в модуле контроля и управления (МКУ).

Постоянное напряжение с выпрямительного моста V1 поступает на повышающий преобразователь. Напряжение, снимаемое с шунта Rш, отслеживается схемой управления и сравнивается с эталонной синусоидой. Схема управления, изменяя время работы ключевого транзистора V2, обеспечивает стабильное напряжение на конденсаторе С1 (400 В), за счет энергии, накапливаемой в дросселе L1; а также синусоидальную форму тока,

потребляемого от сети, что обеспечивает cos ϕ близким к 1.

Реле К1 и резистор R1 обеспечивают плавный заряд конденсатора С1 в момент включения выпрямителя, т.е. плавное нарастание пускового тока.

Преобразователь преобразует постоянное напряжение 400 В в импульсное напряжение высокой частоты (50 кГц). Преобразователь условно состоит из ключевого транзисторного моста V4...V7, трансформатора тока ТТ, силового трансформатора Т1, выпрямительных диодов V8, V9, схемы управления в МКУ. Работой транзисторов управляет схема управления, которая следит за током через транзисторы (с помощью трансформатора тока ТТ) и одновременно отслеживает напряжение на выходе выпрямителя, в результате на выходе выпрямителя поддерживается стабильное напряжение с точностью не менее ±1%.

Вторичная обмотка силового трансформатора включена по схеме со средней точкой, на выходе которой подключены выпрямительные диоды. Диоды предназначены для преобразования широтно-модулированных импульсов напряжения переменного тока прямоугольной формы, поступающих со вторичной обмотки трансформатора Т1 в последовательность широтно-модулированных однополярных импульсов.

Выходной фильтр предназначен для преобразования последовательности широтно-модулированных однополярных импульсов в напряжение постоянного тока с заданным уровнем напряжения пульсации. Фильтр выполнен по Г- образной схеме и состоит из дросселя L2 и конденсатора С2.

Фильтр радиопомех на выходе выпрямителя предназначен для подавления высокочастотных помех на нагрузке.

Модуль контроля и управления обеспечивает:

−стабилизацию и регулировку выходного напряжения методом широтноимпульсной модуляции;

−ограничение тока нагрузки;

−задержку включения и плавный запуск выпрямителя;

−выключение выпрямителя при изменении напряжения сети превышающем допустимые пределы;

−перевод выпрямителя в режим заряда аккумуляторной батареи;

−деление токов нагрузки между выпрямителями, включенными параллельно;

19

−батарейное тестирование для ориентировочной проверки емкости аккумуляторной батареи; защиту от разряда АБ;

−возможность включения термокомпенсации;

−создание журналов событий.

Технические характеристики выпрямителей для ЭПУ Юрьев-Польского завода и фирмы «Voigt & Haeffner» приведены в Приложении 1 (табл. 2 и 4 соответственно).

Задания к курсовому проектированию

1.На функциональной схеме ЭПУ-24 показать токопрохождение линиями различных цветов и формы (нормальный режим: ток нагрузки – зеленый, ток подзаряда – зеленый пунктир; аварийный режим: ток нагрузки – красный; послеаварийный режим: ток нагрузки – синий, ток подзаряда – коричневый разной формы для ОЭ-ДЭ, ОЭ, ДЭ).

2.Начертить структурную схему для проектируемой ЭПУ, пояснить назначение основных элементов и принцип ее работы в различных режимах.

3.Расчет емкости и количества аккумуляторных батарей

Ваварийном режиме питание нагрузки и аварийных потребителей обеспечивается от аккумуляторной батареи, расчет которой заключается в определении номинальной расчетной емкости и выбору по ней типа аккумулятора

иих количества.

При централизованной системе ЭП для ЭПУ каждого номинального напряжения рассчитывается суммарный ток нагрузки всех потребителей (см. рис. 1). И приводятся расчеты для трех ЭПУ на 24, 48, и 60 В.

При расчете комбинированной системы ЭП, например 24/48В, необходимо пересчитать токи нагрузки IН48 с учетом сохранения потребляемой мощности Р48= IН48·48В. Следовательно, ток от ЭПУ-24 для обеспечения этой мощности Р48 определяется по формуле IН24/48= Р48/24. Суммарный ток, потребляемый от ЭПУ24 с учетом КПД конвертора, будет определен выражением IЭПУ-24 = I24 +

(Р48/η48)/U24

складывается из тока, необходимого для питания аппаратуры связи IН (тока нагрузки), и токов аварийных потребителей IАП (в среднем 3% от тока нагрузки)

IAB=IН+IАП, А.

Питание во время нарушения электроснабжения переменным током аварийных потребителей (аварийное освещение, пожарная и охранная сигнализация и др.) обеспечивается от аккумуляторной батареи одной из ЭПУ (чаще ЭПУ-24).

20

3.2. Номинальная расчетная емкость аккумуляторов определяется по основной расчетной формуле для кислотных аккумуляторов или по разрядным таблицам.

Условия эксплуатации аккумуляторов обычно отличаются от условий, для которых задана номинальная емкость. Поэтому номинальная расчетная емкость, необходимая для выбора аккумуляторов, определяется с учетом действительного тока разряда и температуры:

где IАВ – аварийный ток, А;

tР – время разряда аккумуляторной батареи, ч (2 ч);

P – коэффициент интенсивности разряда определяется по графику (рис. 6); α – температурный коэффициент емкости, 1/град;

t – минимальная температура электролита, град. (+15);

T – температура, для которой задана номинальная емкость, град. (+20); nГ – число групп АБ.

Для кислотных аккумуляторов: Р=0,61 (при tР=2ч), α=0,008.

Рис. 6. График определения коэффициента интенсивности разряда

В приложении 2 (табл. 5, 6) приведены параметры аккумуляторов фирмы

Sonnenschein типа А 400 и А 600.

На основании полученной номинальной расчетной емкости СНР по таблице технических данных аккумуляторов выбирают аккумуляторы с ближайшей большей номинальной емкостью (СН).

Как частный случай определения номинальной емкости аккумуляторов СН, пользуются разрядными таблицами, которые предоставляют некоторые изготовители аккумуляторов.

3.3. Количество аккумуляторов в батарее в настоящее время не рассчитывают, а принимают в соответствии с градацией номинального