Проектирование электропитания устройств связи и автоматики

Реферат

В данном курсовом проекте производится проектирование электропитания устройств автоматики и связи. В процессе проектирования производится разработка вводного устройства, выпрямительного устройства, аккумуляторной батареи, конверторов и инверторов, дизельного автогенератора, распределительного шкафа, размещение данного оборудования и защитного контура, расчёт надёжности электропитающей установки.

Введение

Система электропитания стационарных устройств связи и автоматики - сложный комплекс, на который приходится более 40 % количества повреждений и стоимости оборудования.

Цель работы: составить по заданным условиям задания один из вариантов системы электропитания с расчетом и выбором ее элементов.

Основные источники электроэнергии − внешнее электроснабжение по фидерам напряжением 380, 220 В 50 Гц, местная дизель-генераторная установка (ДГУ) и аккумуляторная батарея (АБ).

По уровню надежности электропитающие установки (ЭПУ) связи и автоматики разделяют на электроприемники I, I особой и II категорий.

К ЭПУ особой группы I категории надежности относят посты ЭЦ, узлы связи с количеством портов (абонентов) более 10000, узлы междугородной и международной связи, узлы связи, соединенные с узлами оперативных служб.

К ЭПУ II категории надежности относят узлы местной связи с количеством портов до 1024, базовые станции подвижной связи.

Питание ЭПУ I категории и особой группы I категории осуществляют от двух фидеров внешнего электроснабжения. Для особой группы обязательно наличие дополнительно автоматизированной дизель-генераторной установки (АДГУ) при двух фидерах питания и двух АДГУ - при одном фидере.

Для питания ЭПУ II категории в качестве одного из двух независимых источников допускается использование ДГУ.

На время переключения фидеров или ввода ДГУ в устойчивую работу питание ЭПУ особой группы I категории должно осуществляться при максимальной нагрузке от АБ в течение не менее 2-х часов, питание ЭПУ I категории - не менее 8-и часов, а ЭПУ II категории - не менее 24-х часов.

Из всех используемых в настоящее время способов электропитания в данном проекте рассматривается наиболее сложная работа ЭПУ для стационарных объектов связи и автоматики по системе «On-Line», т. е. с двойным преобразованием электроэнергии. При данном способе электропитания входное сетевое напряжение преобразуется в постоянное при наличии опорной свинцово-кислотной АБ, работающей в буфере с выпрямителями, а постоянное напряжение с помощью электронных блоков − в заданное переменное или постоянное напряжение нагрузки.

Такую однобатарейную систему с опорной АБ используют при задании одной нагрузки большой мощности, близкой по напряжению к напряжению АБ, и при других нагрузках, не превышающих по мощности 10 кВт.

1. Структурная схема электропитающей установки

Структурная схема электропитающей установки изображена на рисунке 1.

Ф1, Ф2 - фидеры внешнего электроснабжения;

ЩВРА - вводные устройства, включающие в себя вводные щиты, шкафы, узлы автоматического включения резерва (АВР);

ДГУ - дизель-генераторная установка;

ВУ - выпрямители;

ССПН - стойка стабилизаторов постоянного напряжения;

КВ - конвертор (вольтодобавочное устройство);

ИТ - инвертор;

ШР - шкаф распределительный.

Расчёт ЭПУ начинается с расчёта аккумуляторной батареи АБ.

Рисунок 1 - Структурная схема ЭПУ.

2. Выбор элементов ЭПУ

.1 Расчёт аккумуляторной батареи

Аккумуляторная батарея − это важнейший узел, от параметров которого зависит бесперебойное электроснабжение системы связи и автоматики.

По конструкции используются аккумуляторы с жидким и гелеобразным электролитом. Расчет ведется при аварийном режиме ЭПУ, когда основная нагрузка, ее преобразователи получают электроэнергию только от АБ.

Прежде всего найдём суммарный ток, потребляемый от батареи в аварийном режиме преобразователями ССПН-1, NetPro и выпрямителя, ИТ, аварийным освещением и другими нагрузками при минимальном напряжении батареи в конце разряда с учетом коэффициента полезного действия (КПД) каждого преобразователя равным 0,9, по формулам (1)-(4):

 (1)

 (2)

 (3)

 (4)

За U_АБ приняли напряжение первой нагрузки, так как на ней максимальная мощность. Мощность выпрямляющего устройства равна:

 (5)

Ёмкость разрядки рассчитывается по формуле:

 (6)

Номинальная ёмкость разрядки находится:

 (7)

Выбрал температуру эксплуатации равной 20⁰С, коэффициент , это следует из того, что максимальное время отключения внешнего электроснабжения равно 10ч.

α = 0,0008 - температурный коэффициент изменения емкости аккумулятора.

Исходя из вычисленной ёмкости разрядки, выбрал аккумуляторы типа А602/800 с обозначением 8OPzV800, номинальным напряжением U_НОМ=2В и геометрическими параметрами высотахдлинахширина 650х212х193мм.

Номинальное значение батареи 48В, поэтому допустимое падения напряжения . Количество аккумуляторов в одной группе определяется выражением

, (8)

Проверим, хватит ли по 22 аккумулятора в каждой группе, с учётом того, что ССПН способен корректировать напряжение на ±20%.

Значит, получаем, что для данной схемы подойдёт двухгрупповая батарея, в каждой группе по 22 аккумулятора типа А602/800 с обозначением 8OPzV800.

.2 Выбор вводного устройства

Систему электроснабжения переменным током выбираем по системе ТN-S, когда с питающей подстанции напряжение подается по пятипроводной линии (Т − три фазы, N − нейтраль, S − защитный провод, обозначаемый в схемах ЭПУ как РЕ) или по системе ТN-C-S, когда с подстанции на ЭПУ связи и автоматики питание осуществляется по четырехпроводной линии (три фазных провода и объединенный - провод нейтрали и защитный, обозначаемый в схемах ЭПУ как PEN). Подобное различие схем рассмотрим при выборе схемы защит от внешних перенапряжений и от аварийных токов.

По фидерам внешнего электроснабжения 380/220В 50 Гц напряжение подается к вводным устройствам электропитания. К последним можно отнести вводные шкафы ШВР, щиты ВЩ-3М, ПВ, ЩВП-73, ЩВРА-3, ГРЩ и др. с защитой от перегрузок по току и от перенапряжений и с установленными в них счетчиками учета электроэнергии, находящимися под контролем (под пломбами) электроснабжающих организаций, в том числе и железнодорожных энергоучастков.

Вводные устройства ЭПУ совместно с АВР должны обеспечивать:

защиту оборудования от внешних перенапряжений и от токов короткого замыкания;

постоянный контроль наличия напряжения в каждой фазе цепей основного и резервного внешних источников питания;

контроль чередования фаз этих источников;

непрерывное сравнение текущих значений напряжений основного и резервного вводов с заранее заданными допустимыми отклонениями от номинального напряжения и переход на резерв при выходе напряжения за пределы отклонения;

контроль параметров ДГУ в дежурном и аварийном режимах ЭПУ;

совместно с АБ и ДГУ включение аварийного освещения АО;

восстановление доаварийного состояния;

по команде дежурного оператора системы связи и автоматики отключение основного или резервного вводов при их ремонте;

визуальный контроль наличия фазного напряжения основного и резервного вводов и индикация ввода, подключенного к нагрузке.

ШВР(1*) У(2*)/ I_н (3*) (4*) (5*) К,

1* - исполнение по виду включения ввода: Р - ручное, А - автоматическое, О - отсутствие ручного включения ввода;

У - наличие счетчиков учета электроэнергии;

* - номинальное напряжение, В (380, 220);

I_н - номинальный ток общего потребления;

* - количество вводов внешней сети электроснабжения (1,2,3);

* - количество вводов от ДГУ (0,1,2);

* - исполнение по месту установки: П - напольное, С - настенное;

К - наличие панели коммутации аварийного освещения.

Для нашего случая подойдёт вводно-распределительный шкаф

ШВРАУ380/44 11ПК.

Функциональная схема данного шкафа приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Функциональная схема шкафа ШВРА для ЭПУ особой группы I категории надежности

На рисунке 2 показаны контакторы К1, К2, К3, К4 с блокировкой, исключающей их одновременное включение, показаны защиты по току (предохранители ПН-2, автоматические выключатели Q c защитными характеристиками В, С, или D), защита по напряжению (разрядники Р или варисторы на каждой фазе, а также между проводами N и РЕ при 5-и проводной схеме TN-S).

Предохранители ПН-2 выбрали на ток, равный 3I_н, со временем отключения нагрузки до 5 с, где I_н - номинальный ток нагрузки, то есть для нашего случая ПН-2 на ток 140А.

Автоматические выключатели типов ВА 47-29, ВА-5135, ВА-5343М с характеристиками В, С, D выбирают на ток срабатывания, равный соответственно 5I_н, 10I_н, 15I_н за 0,1 с, где I_н - номинальный ток нагрузки. Для ускоренного отключения нагрузки выбирают выключатели с характеристикой В, для моторной нагрузки мастерских - с характеристикой D, для основной нагрузки - с характеристикой С. Для нашего случая для ответвлений на моторную нагрузку подойдут автоматические выключатели ВА5343М на ток 660А, для основной нагрузки - ВА-5135 на ток 440А.

Для негарантированных нагрузок (мастерские, общая вентиляция, освещение узла связи и автоматики и др.) не предусматривается питание от ДГУ во время аварий. Электроснабжение их может быть организовано от шин негарантированного питания ЩПТА, ШВРА или от отдельных шкафов ШВР при нормальном режиме электроснабжения.

2.3 Выбор ССПН и инверторов

Исходя из тока и напряжения первой нагрузки, выберем ССПН следующий: ССПН-6 48-48/40.

Габариты стоек стабилизаторов в мм - 2250´600´700мм.

В качестве инвертора − преобразователя постоянного напряжения в переменное 220В 50Гц типа выбрал инвертор типа ИЦ-1500БП, выпускаемый Юрьев-Польским заводом «Промсвязь».

Инвертор выбирается из расчёта мощности

 (9)

Данный инвертор может быть установлен в шкаф с габаритами 962´600´600 мм.

Для второй нагрузки нельзя выбрать ССПН подобно тому, как это делалось для первой нагрузки. Для этого необходимо сначала к выходу ВУ подключить NetPro2000, а затем последовательно с NetPro установить выпрямитель E110/5, рассчитанный на выходное напряжение 110В, ток до 5А и на мощность не более 1кВт. Тип корпуса NetPro как и у стандартных ССПН, то есть 2250´600´700мм. Тип корпуса E110/5 WS1, его габариты 400´550´430мм.

2.4 Выбор выпрямительного устройства

Один из вариантов функциональной схемы выпрямителя дан на рисунке 3, где приняты следующие обозначения:

ФП1, ФП2 - входной и выходной LC-фильтры помех;

В1, В2, В3 - выпрямители;

ДР1, ДР2, ДР3 - драйверы (согласующие устройства управления);

К1, К2 - контроллеры управления ККМ и ППН;

ДТ1, ДТ2 - датчики тока;

УМ - усилитель мощности на силовых транзисторах;

ТР1 - высокочастотный, импульсный трансформатор;

ТР2 - маломощный трансформатор для питания цепей управления;

ФНЧ - фильтр нижних частот ППН;

УКИ - узел управления, контроля и обмена информацией по цепи Ethernet;

ДТН - датчик температуры и напряжений АБ.

Рисунок 3 - Функциональная схема выпрямителя.

Корректор ККМ выполняет функции активного фильтра сети, снижая уровень помех и реактивной составляющей входного тока. Одновременно он повышает (до 380 - 400 В) и стабилизирует на своем выходе постоянное напряжение, содержит накопительный конденсатор С1, корректор формы тока на индуктивности L1, транзисторе Т1 с цепями управления и с буферным конденсатором С2.

Усилитель мощности УМ преобразователя ППН выполняется на мощных гибридных сборках, МОП-транзисторах с изолированным затвором. Этот каскад выполняется по двухтактной полумостовой (при мощности источника до 2 кВт) или мостовой схемам, для эффективного управления которыми разработана серия специализированных интегральных микросхем: TL494, 1156ЕУ2 и др. Общим для них является использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с контуром обратной связи для регулирования выходного напряжения.

Основные требования к выпрямителям:

обеспечение стабилизации и регулировки выходного напряжения;

ограничение тока нагрузки;

обеспечение заряда и подзаряда АБ;

выходное напряжение в нормальном режиме должно быть равно нормируемому напряжению нагрузки и буферному напряжению АБ;

диапазон отклонения напряжения содержания АБ от задаваемого при разной температуре не должен превышать 1 %;

защита от повышения выходного напряжения и от короткого замыкания (к. з.) на выходе;

гальваническая развязка их нагрузки от входной сети;

выключение при отклонении напряжения входной сети за допустимые пределы; - задержка включения и плавный запуск.

Наибольший ток выпрямителей слагается из тока нагрузки и десятичасового тока заряда АБ с учетом 75 % загрузки выпрямителей:

 (10)

 (11)

При этом выпрямители должны иметь режим ограничения выходного тока при глубоком разряде АБ, чтобы не вывести АБ из строя.

В качестве основных типов выпрямителей в проекте используем выпускаемые Юрьев-Польским заводом выпрямители с бестрансформаторным входом ВБВ, используемые как самостоятельные изделия, так и в составе устройств электропитания аппаратуры связи - УЭПС, стоек СУЭП.

Габариты этих устройств в мм - 2250´600´600.

Устройства УЭПС и СУЭП обеспечивают:

подключение 2-х групп АБ;

одновременное питание нагрузки и заряд (буферный подзаряд) АБ;

защиту АБ от разряда ниже допустимого уровня;

изменение уставки выходного напряжения с напряжения заряда (например, 2,3 В/элемент) на напряжение непрерывного подзаряда (например, 2,25 В/эл. при 20^о С) по окончании заряда АБ;

защиту от к.з. выходных цепей выпрямителей, цепей АБ и нагрузки;

селективное отключение любого неисправного выпрямителя в них;

термокомпенсацию;

равномерное распределение тока нагрузки между выпрямителями;

отключение низкоприоритетной нагрузки при разряде батареи;

местную и дистанционную сигнализацию.

Максимальная выходная мощность выпрямительного устройства , смотрите пункт 2.1.

Выбор выпрямителей производится по номинальному напряжению и максимальному току, который они могут выдавать по выходу.

Выбрал УЭПС-2 48/240-88 с P_MAX=13440Вт.

Аккумуляторы могут размещаться в стойках или шкафах типа УЭПС с полезной площадью полок 545´589мм² и наружными габаритами 600´600 мм². Высота шкафов - 1050, 1650, 1950 или 2250мм. С учётом габаритов выбранных аккумуляторов получил, что на каждой полке выбранных шкафов можно разместить по четыре аккумулятора.

Все 44 аккумулятора разместил в четырёх шкафах высотой по 2,25м, в каждом из которых по 3 полки высотой 75см, на каждой полке по четыре аккумулятора. Одна полка остаётся пустой в качестве резерва.

2.5 Расчёт мощности ДГУ и выбор его типа

Резервная электростанция вводится в состав ЭПУ для повышения надежности электроснабжения, для электроснабжения гарантированных нагрузок особенно при длительных аварийных перерывах. Мощность ДГУ должна быть достаточна для питания стоек УЭПС мощностью Р_УЭПС с выпрямителями, работающими на преобразователи с нагрузкой, на зарядку АБ, на аварийное освещение мощностью Р_АО, для работы кондиционера автозала Р_К, для собственных нужд ДГУ мощностью Р_СН.

Максимальная нагрузка ДГУ при аварийном отключении питающих фидеров переменного тока:

 (12)

Мощность, потребляемая выпрямителями ВБВ УЭПСа:

 (13)

где η_УЭПС = 0,9 - КПД выпрямителей;

Мощность на аварийное освещение

 (14)

Мощность работы кондиционера автозала

На собственные нужды ДГУ

ДГУ укомплектовывается помимо дизель-генератора щитом управления основными операциями ЩДГА, щитом вспомогательных операций ЩДГВ, стартерной батареей 24В (САБ), щитом заряда и разряда батарей и питания автоматики ЩЗРБ 24-М, баками для воды, масла и топлива.

В щите ЩЗРБ 24-м установлены три выпрямителя ВБВ 24/20-2М - один для питания щита автоматики в буфере с АБ автоматики и два для заряда стартерной батареи. Щит имеет дистанционную сигнализацию о состоянии выпрямителей и АБ.

До настоящего времени применяются автоматизированные дизель-генераторы типа ДГА-М мощностью 12, 24, 48, 72 и 200 кВт. Выберем дизель-генератор ДГА-М мощностью 12кВт.

ДГУ может работать непрерывно до 200 часов.

2.6 Расчет потребления электроэнергии от внешней сети

Максимальная активная мощность Р_max, потребляемая от сети, больше мощности Р_ДГУ на величину дополнительных негарантированных нагрузок: мастерских Р_М, нормального общего освещения Р_ОСВ, общей вентиляции помещений узла связи и автоматики Р_ВЕНТ.

 (15)

Мощность мастерских (моторная нагрузка)

Мощность нормального общего освещения

Мощность общей вентиляции помещений узла связи и автоматики

Годовая стоимость электроэнергии без учета реактивной составляющей мощности Q_max при стоимости одного кВт-часа 1,1 руб. составляет:

 (16)

Реактивная мощность, потребляемая от сети, может быть вычислена через активную для отдельных групп нагрузок, имеющих одинаковый коэффициент мощности соsφ (для освещения соsφ = 1, для моторной нагрузки соsφ = 0,7, для выпрямительной нагрузки соsφ = 0,9):

, Ач. (17)

Полная мощность, потребляемая от сети:

, (18)

- сумма реактивных мощностей групп нагрузок.

Максимальный ток по одной фазе, потребляемый из 3-х фазной сети переменного тока при равномерном распределении нагрузки по фазам:

 (19)

Полную мощность и максимальный ток фазы используем для выбора шкафов и щитов коммутации на стороне переменного тока, для выбора предохранителей ПН-2 и автоматических выключателей.

Автоматический выключатель вводных фидеров Ф1 и выбираем по I_Ф типа ВА-5343 с присоединенным электромагнитным приводом для дистанционного управления им.

3. Функциональная схема электропитающей установки

Функциональная схема составляется на основе структурной с раскрытием блока коммутации переменного тока в однопроводном изображении, постоянного тока - с обеими полюсами. На функциональной схеме указаны все типы применяемого оборудования, число элементов, напряжения, токи по нагрузкам. Так как, применяется схема ЭПУ с многобатарейным буферным способом электропитания, то во внешнее электроснабжение поступает по одному вводу переменного тока с резервированием ДГА. Функциональная схема установки изображена на рисунке 4.

4.