Электропитание устройств и систем телекоммуникаций

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

При выполнении контрольной работы (задания) студент должен произвести выбор основного оборудования электропитающей установки (ЭПУ) и провести расчет качественных и количественных показателей отдельных устройств.

Выполнение контрольного задания предусматривает большой объем работы со справочной литературой по типовому промышленному оборудованию.

Методические указания предусматривают сто вариантов заданий. Номер варианта задания, выполняемого студентом, должен соответствовать двум последним цифрам номера зачётной книжки.

Контрольная работа с заданием, решенным не по своему варианту, не проверяется преподавателем и возвращается студенту без зачёта.

1 ЗАДАНИЕ И ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ

КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

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 (см. рис. П1) и перечень элементов с указанием всех типов выбранного оборудования (рис. П2).

Исходные данные к расчету выбираются из таблиц 1 и 2 в соответствии с номером зачётной книжки.

Контрольная работа выполняется в обычной ученической тетради (или на листах формата А4). Она должна быть аккуратно оформлена, разборчиво написана на одной стороне каждого листа, т.е. на правой странице развернутой тетради. Левая страница должна быть оставлена чистой, так как она предназначена для внесения студентами исправлений и дополнений по результатам рецензии.

Для замечаний преподавателя на каждой странице тетради необходимо оставлять поля шириной 3…4 см. Все страницы нумеруются.

На обложке тетради следует наклеить заполненный адресный бланк, а на первой странице тетради должен быть титульный лист с указанием номера варианта.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ДОЛЖНА ОБЯЗАТЕЛЬНО СОДЕРЖАТЬ:

• исходные данные к расчету;

— 4 —

^{Таблица 1 — Варианты задания}

Предпоследняя цифра номера зачетной книжки	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Напряжение питания основного канала цепи постоянного тока, U0, В	60	48	24	48	60	24	60	48	24	48
Максимальный ток нагрузки, I0, А	400	500	700	300	1000	450	750	450	550	650
Ток аварийного освещения, IОСВ, А	5	3	4	4,5	3,5	2,8	1,9	2,7	3,2	4,7
Полная мощность потребления на хозяйственные нужды, SХОЗ, кВА	5	6	7	8	10	3	4	3,5	5	4
Коэффициент мощности нагрузки на хоз. нужды, cosхн , отн.ед.	0,97	0,93	0,9	0,95	0,98	0,94	0,92	0,91	0,96	0,89
Время разряда аккумуляторных батарей, tр ,час	3	5	1	3	5	1	3	5	1	3
Рабочая температура окр. среды, tср, ˚ С	+20	+18	+10	+12	+25	+20	+18	+15	+10	+12

Таблица 2 — Варианты задания

Последняя цифра номера зачетной книжки	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Удельное сопротивление грунта, 0, Омм /7,14/	20	30	10	6	40	30	20	80	50	40
Длина шинопровода (кабеля) l ф, км	1,0	1,9	2,0	1,5	0,9	2,1	3,0	1,7	1,6	2,6
Место прокладки шинопровода (кабеля)	земля	воздух	земля	воздух	земля	воздух	земля	воздух	земля	воздух
Первичная сеть трехфазная, четырехпроводная, UФ=220В,fС=50Гц по ГОСТ 13.109 — 97

— описание буферной системы электропитания, которая будет рассчитываться;

• расчетные формулы привести в общем виде и с подставленными в системе СИ численными значениями величин;

— схемы и графики должны соответствовать требованиям ЕСКД (чертежи могут быть выполнены карандашом);

— все рисунки, графики, чертежи и таблицы должны быть пронумерованы;

• в конце контрольной работы привести перечень элементов схемы, выполненный в соответствии с требованиями ЕСКД;

— список литературы;

• работа должна быть подписана и указана дата.

Допускается выполнение контрольной работы с помощью средств вычислительной техники.

Получив контрольную работу с рецензией преподавателя, студент должен ознакомиться со всеми замечаниями, исправить отмеченные ошибки и письменно ответить на все поставленные преподавателем вопросы.

В том случае, если контрольная работа выполнена неудовлетворительно и возвращена студенту, необходимо внести в неё исправления или выполнить задание заново в соответствии с указаниями преподавателя, после чего её следует снова выслать для повторной проверки вместе с незачтённой ранее работой.

2 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ

КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

2.1 Структурная схема энергоснабжения предприятия связи.

Схемы бесперебойного электроснабжения

Предприятия электросвязи относятся к потребителям первой категории и их энергоснабжение должно обеспечиваться от трех независимых источников. Два внешних ввода должны быть от отдельных электростанций, а третий – от собственной дизельной электростанции.

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. Структурная схема электроснабжения предприятия связи приведена на рисунке 1.

Схема включает в себя такие устройства:

— трансформаторные подстанции (ТП1 и ТП2);

— дизель – генераторную установку (ДГУ);

— автомат ввода резерва (АВР);

— шкаф вводный распределительный переменного тока (ШВР);

— электропитающую установку (ЭПУ);

— систему вентиляции и кондиционирования (СВ и К);

— электросети освещения;

— систему мониторинга и управления (СМ и У).

— 6 —

Р
исунок 1 – Структурная схема электроснабжения предприятия связи

Трансформаторная подстанцияобеспечивает понижение напряжения от (6…10) кВ до 220/380 В трехфазного переменного тока промышленной частоты 50 Гц. Вторичные цепи трансформаторов подстанций должны быть включены по схеме звезда с нулевым проводом и иметь систему заземления.

АВР — автомат ввода резерва, осуществляет переключение на резервный ввод 2 (фидер) в случае пропадания напряжения на основном вводе 1 (фидере). При пропадании напряжения на обоих фидерах осуществляется подключениедизель- генераторной установки (ДГУ). Ее запуск выполняется автоматически сжатым воздухом или с помощью электрического стартера. Запуск дизеля должен произойти за (1…3) минуты. Разрешается запускать его с помощью стартера до 3-х раз (по 5…6 с). Это обусловлено возможностью выхода из строя стартерных аккумуляторов. Мощность ДГУ лежит в пределах от 8 до 1500 кВт. В системах электроснабжения чаще всего используется два ДГУ, один – основной, другой – резервный.

ШВР – шкаф вводный распределительный обеспечивает ввод и распределение энергии по потребителям с помощью различных токоведущих шин, а также защиту потребителей от перегрузок по напряжению и токов короткого замыкания. На передней панели ШВР расположены измерительные приборы для контроля коэффициента мощности (cosj) и полной потребляемой мощности (S), а также автоматы защиты. Иногда в ШВР монтируют и АВР.

Система вентиляции и кондиционирования воздуха (СВ и К)обеспечивает нормальное функционирование (что также повышает надежность системы) ЭПУ,

ДГУ, аккумуляторных батарей. СВ и К регулирует температурный режим отдельных устройств. При зарядке аккумуляторной батареи происходит выделение газов в окружающую среду, поэтому необходимо производить очистку воздуха для обеспечения нормальной жизнедеятельности персонала. СВ и К обеспечивает циркуляцию воздуха и его очистку от вредных примесей.

— 7 —

Система мониторинга и управления осуществляет контроль состояния всех основных узлов и передачу этой информации в сервисный центр. Для этого используется контроллер (устройство логического управления) и модем для передачи информации по телефонным каналам.

Электропитающая установка – это комплекс устройств, предназначенных для распределения электрической энергии, её регулирования, резервирования, стабилизации и контроля качества питающих напряжений. Она включает в себя основное и резервное выпрямительные устройства (ВУ), инверторы (И) и конверторы (К) напряжения, аккумуляторную батарею (АБ), токораспределительную сеть (ТРС) и систему заземления.

ВУ – выпрямительное устройство— преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока и может состоять из нескольких параллельно включенных выпрямителей для увеличения тока нагрузки. ВУ могут работать в двух режимах: в режиме стабилизации напряжения для питания аппаратуры связи и подзарядки АБ (нормальный режим); в режиме стабилизации тока заряда АБ после их разряда на нагрузку в условиях отсутствия напряжения переменного тока (аварийный режим).

И — инвертор напряжения —преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока заданной частоты прямоугольной или синусоидальной формы и обеспечивает его стабилизацию.

К — конвертор напряжения – преобразует постоянное напряжение одного уровня в постоянное напряжение другого уровня. Конвертор напряжения включает в себя инвертор напряжения и выпрямитель. Промежуточным звеном является высокочастотный трансформатор. Конвертор напряжения может выполнять одну из двух функций в системе электропитания:

• формировать дополнительные градации (уровни) напряжения;

• обеспечивать вольтодобавку к аккумуляторной батарее при ее разряде в аварийном режиме работы.

АБ — аккумуляторная батарея – химический источник постоянного тока. Используется в качестве резервного источника энергии в аварийном режиме до момента запуска ДГУ. После аварии происходит восстановление элементов АБ в режиме стабилизации тока от одного из источников переменного тока.

Получение бесперебойного энергоснабжения на стороне постоянного тока может быть обеспечено различными способами.

На предприятиях связи используются пять модификаций системы: буферная система электропитания; буферная система электропитания с вольтодобавочным конвертором (ВДК); буферная система с конвертором; система с отделенной от нагрузки АБ; безаккумуляторная система. Они представлены на рисунках 2…6.

В буферной системе электропитанияАБ постоянно подключена к нагрузке (рис. 2).

— 8 —

Рисунок 2 – 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.3).

Рисунок 3 – 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. Это иллюстрируется графиком на рисунке 4.

Диод VDнеобходим для обеспечения непрерывного протекания тока в момент срабатывания контактора К1. Он приводит к дополнительным потерям мощности и снижению к.п.д. устройства. Существуют схемы подключения конвертора напряжения и с двумя контакторами без использования диода. В такой схеме имеет место более высокий КПД, но при этом снижается надежность системы.

– 9 –

Р
исунок 4 – Изменение напряжения ВДК от времени

Буферная система электропитания с конвертором(рис.5).

Рисунок 5 – Буферная система электропитания с конвертором

Конвертор предназначен для стабилизации выходного напряжения U₀ и компенсации изменения напряжения на аккумуляторной батарее. Однако, конвертор должен быть рассчитан на полную мощность нагрузки, что не всегда предпочтительно по сравнению с буферной системой с ВДК.

В системе с отделенной от нагрузки АБ (рис. 6) в нормальном режиме работы питание аппаратуры обеспечивается за счет ВУ. АБ подзаряжается от дополнительного выпрямителя содержания (ВС). Устройство управления (УУК) кон-

Рисунок 6 – Система электропитания с отделенной от нагрузки АБ

— 10 —

тролирует напряжение на нагрузке. При его снижении ниже допустимой нормы срабатывает электронный ключ ЭК (тиристорный или транзисторный), а затем контактор К1. Преимуществом этой системы является отсутствие влияния импульсной нагрузки на работу АБ. К недостаткам можно отнести: низкий КПД основного выпрямителя (ВУ) за счет больших габаритных размеров сглаживающих фильтров и дополнительного выпрямителя — ВС.

Б
езаккумуляторная система электропитания(рис. 7) требует наличие не

Рисунок 7 – Безаккумуляторная система электропитания

менее трех независимых источников энергии, один из которых дизель- генератор. В этой системе всегда работает парное число выпрямителей, при этом улучшается форма потребляемого тока и они должны быть загружены не более чем на 50%. При пропадании напряжения на одном из фидеров замыкается К2 и выпрямители подключаются к другому фидеру.Преимуществомэтой системы является простота схемы построения, дешевизна системы. Но по ряду, в основном организационных причин, схема не нашла широкого применения.

2.2 Шкафы вводно-распределительные

Шкафы вводно – распределительные (ШВР) предназначены для ввода и распределения по потребителям электрической энергии трехфазного (однофазного) переменного тока, номинального напряжения 380 В (220 В), а также для защиты вводов сети и нагрузок потребителей от перегрузок и токов короткого замыкания, от перенапряжений, для контроля изоляции и т.п. Шкафы ШВР изготавливаются рядом предприятий в т. ч. ОАО Юрьев – Польским заводом “Промсвязь”.

Шкафы выпускаются с ручным подключением вводов (ШВРР), с автоматическим переключением вводов (ШВРА) и без автоматического выключателя для включения вводов (ШВРО). Предусмотрена возможность подключения к ШВР одного и более питающих вводов от сети общего назначения, а также дизель-генераторной установки . Номинальный ток шкафов – от 16 до 1000 А.

При необходимости в шкаф устанавливается панель коммутации аварийного освещения, которая обеспечивает автоматическое подключение сети аварийного освещения к аккумуляторной батарее при попадании напряжения переменного тока и

— 11 —

автоматическое отключение сети аварийного освещения от аккумуляторной батареи при восстановлении напряжения переменного тока. Максимальный ток сети аварийного освещения напряжением аккумуляторной батареи 60, 48 или 24 В составляет 100 А.

Условное обозначение ШВР

Размеры типовых конструктивов указаны в табл. 3.

Таблица 3 – Конструктивные размеры ШВР

Конструктивное исполнение	Высота (Н), мм	Ширина (L), мм	Глубина (В), мм
Настенное	480	280 или 530	215
	630	280 или 530	215
	1080	530	215
	1230	530	215
	1380	530	215
Напольное	1650, 1950, 2250	600	400
	1650, 1950, 2250	800	400
	1650, 1950, 2250	600	600
	1650, 1950, 2250	800	600

Конструктивом предусматривается обслуживание шкафа с лицевой стороны.

Корпуса шкафов настенного и напольного исполнения выполнены из стали с покрытием порошковой краской.

В шкафу предусматриваются все необходимые приспособления для подключения подводимых кабелей с учетом их сечения и места подвода.

В зависимости от условий эксплуатации и конструктивных требований могут быть использованы специальные шкафы, предназначенные для установки вне помеще —

— 12 —

ний, а также (при небольшом наборе автоматических выключателей) пластиковые боксы на 4…36 модулей.

Рассмотрим наиболее характерные примеры использования ШВРА в системах электроснабжения.

На рис. 8 представлена схема электроснабжения потребителей с несколькими шкафами ввода.

Рисунок 8 – Пример схемы электроснабжения потребителей с несколькими ШВР

Одной из самых распространенных схем ШВРА является схема с двумя вводами от сети. Эта схема реализуется в шкафах типа ШВРА 380 / Iн – 20П (С), гдеIн – номинальный ток вводных автоматов и приведена на рисунке 9.

Рисунок 9 а – вариант питания потребителей от одного ввода сети, когда другой ввод находится в резерве.

Рисунок 9 б – вариант питания двух групп потребителей, каждой – от своего ввода сети. При пропадании напряжения на одном из вводов обе группы потребителей переключаются на другой ввод с помощью контакторов.

Рисунок 9 в то же, что и рисунок 9 б, но переключение обеспечивается автоматами с моторными приводами.

Шкаф ШВРА 380/Iн – 20П (С) также обеспечивает:

• местную световую и дистанционную сигнализацию о включении контактора первого или второго сетевого ввода и наличии напряжения на вводах;