Электропитание устройств связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электропитание устройств связи



Содержание

Задача №1. Начертить схему выпрямителя

Задача №2. Рассчитать сглаживающий фильтр

Задача №3. Рассчет электропитающей установки

Задача №4. Назначение основного оборудования

Список используемой литературы



Задача №1. Начертить схему выпрямителя

Начертите схему выпрямителя, указанного для Вашего варианта в таблице 1 и с помощью временных диаграмм поясните принцип ее работы.

Рассчитайте заданный выпрямитель по следующим пунктам:

1. Выберите тип кремниевых диодов

2. Определите действующие значения напряжения и тока во вторичной обмотке трансформатора.

3. Определить коэффициент трансформации силового трансформатора

4. Определить коэффициент полезного действия (КПД) выпрямителя

5. Определить коэффициент пульсации Кn1 и частоту пульсации f1 основной (первой) гармоники. Данные для расчета в 10 вариантах приведены в табл.1.

таблица 1

Исходные данные	Номер варианта
	1
1. Схема выпрямления	Однофазная мостовая
2. Выпрямленное напряжение U0, В	60
3. Выпрямленный ток I0, А	6
4. Частота сети fс, Гц	50
5. Коэффициент пульсации первой гармоники на нагрузке (на выходе фильтра) Кп вых	0,003
6. Напряжение сети Uс ,В	220

Решение

Для электрического питания аппаратуры связи наибольшее распространение получили преобразователи переменного тока в постоянный, которые называются выпрямителями, и постоянного тока в переменный, называемые инверторами. Различные сочетания основных видов преобразователей лежат в основе современных средств электропитания.

Однофазная мостовая схема выпрямления изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. Мостовая схема выпрямления (а), диаграммы напряжений и токов в схеме (б)

Данная схема позволяет получить двухполупериодное выпрямление. Она содержит трансформатор и четыре диода, два из которых, соединяясь анодами, образуют общий минус выпрямителя, а два другие, соединяясь катодами, образуют общий плюс выпрямителя (рис. 1а).

В первый полупериод, когда потенциал точки а положителен, а точки b -- отрицателен, диоды VD1 VD3 будут открыты, а диоды VD2, VD4 закрыты (находятся под обратным напряжением). В результате ток по схеме пойдет в направлении, показанном сплошными стрелками (рис. 1,а).

Во второй полупериод, когда потенциал точки b становится положительным, а точки а -- отрицательным, открываются диоды VD2, VD4, а диоды VD1, VD3 оказываются закрытыми и находятся под обратным напряжением.

В результате ток по схеме пойдет в направлении, показанном пунктирными стрелками. Как видно из рис. 1 а, направление токов i0, протекающих через нагрузку в течение обоих полупериодов, совпадает, то есть в схеме имеет место двухполупериодное выпрямление, как и в схеме со средним выводом (двухфазной). На рисунке 1 б показаны графики выпрямленного напряжения u0 и выпрямленного тока i0 Так как падение напряжения на обмотках трансформатора и в диодах относительно малы, форма выпрямленного напряженияи0 повторяет форму напряжения на вторичной обмотке трансформатора u2 и состоит из положительных полусинусоид напряжения u2. График выпрямленного тока i0повторяет график напряжения u0.

Как видно из схемы (рис. 1, а) токи i'2 и i''2 протекают по вторичной обмотке трансформатора в разных направлениях и результирующий ток i2 не содержит постоянной составляющей (рис.1,а), поэтому вынужденное подмагничивание магнитопровода трансформатора в данной схеме отсутствует. Ток в первичной обмотке будет синусоидальным, а трансформатор работает в течение обоих полупериодов так, как если бы он был нагружен лишь на активное сопротивление.

Так как вторичная обмотка трансформатора работает полностью в течение каждого полупериода напряжения u2, то для получения одинаковых выпрямленных напряженийи0в данной схеме и в двухфазной достаточно, чтобы напряжениеu2мостовой схемы было равно напряжению одной из полуобмоток трансформатора двухфазной схемы. Это обусловливает вдвое меньшее число витков вторичной обмотки и вдвое меньшее Uобр.и.п. = U2m. Однако во вторичной обмотке протекает ток i2, действующее значение которого i2 больше, чем в половинах вторичной обмотки двухфазной схемы, поэтому требуется применить провод большего диаметра.

Достоинства мостовой схемы заключаются в следующем: размеры и масса трансформатора меньше вследствие лучшего использования обмоток, число витков вторичной обмотки в два раза меньше, габариты трансформатора меньше и проще схема, так как не требуется делать вывод средней точки.

Недостатками схемы являются: увеличенное количество диодов, а также увеличенные потери в диодах, определяемые увеличенным внутренним сопротивлением (одновременно открыты два последовательно включенных диода ).

2. Рассчитаем заданный выпрямитель.

таблица 2

Параметры	Схем выпрямления
	Однофазная мостовая
1. Обратное напряжение на диоде, Uобр.	1,57Uо
2. Среднее значение прямого тока через диод, Iср.	0,5Io
3. Фазность выпрямителя, m	2
4. Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора, U2	1,11 Uо
5. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора, I2	Io
6. Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора, I1
7. Расчетная мощность трансформатора, Ртр.	1,11Ро

1. Для выбора кремниевого диода необходимо определить обратное напряжение на диоде Uобр. и средний прямой ток через диод Iср. Выбранный тип диода должен иметь допустимый прямой ток (среднее значение) I пр.ср > Iср и максимальное обратное напряжение Uобр max > Uобр.

Uобр = 1,57 Uо

Uобр = 1,57 * 60 = 94,2 В.

Iср = 0,5 Io

Iср = 0,5 * 6 = 3А.

По рассчитанным Uобр и Iср по таблице 3 методических указаний выбираем диод Д214Б, у которого Uобр. макс = 100 В и Iпр.ср = 5 А.

2. Определим действующее значение напряжения U2 и тока I2 во вторичной обмотке трансформатора Данные для расчета приведены в таблице 2.

U2 = 1,11 Uо

U2 = 1,11 * 60 = 66,6 В.

I2 = I0 = 6 А.

3. Определяем коэффициент трансформации по формуле:

Ктр = U1 /U2

где U1 - действующее значение фазного напряжения в первичной обмотке трансформатора, В. Принимается равным напряжению сети U1 = Uс = 220 В;

U2 - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора, В.

Ктр. = 220 / 66,6 = 3,303.

4. Определяем действующее значение напряжения тока I1 в первичной обмотке трансформатора:

I1

I1 = 1,82 А.

5. Рассчитываем КПД выпрямителя.

Для этого предварительно определяем потери мощности в элементах схемы. Потери мощности в трансформаторе определяются по формуле

, Вт

- расчетная мощность трансформатора определяется из таблицы 2 для заданной схемы выпрямителя, Вт

зтр - КПД трансформатора, для расчетов принимается равным 0.85.

Р тр = 1,11 Р0 = 1, 11 * Io * Uо = 1, 11 * 6 * 60 = 399,6 Вт.

?Р тр = 399,6 * (1 - 0,85) = 399,6 * 0,15 = 59,94 Вт.

Определяем потери мощности в диодах ?Рд, Вт.

В мостовых схемах выпрямленный ток протекает по двум последовательно включенным диодам, поэтому потери мощности в диодах для этих схем определяются по формуле:

где Uпр. ср - допустимое прямое напряжение на диоде Д214Б, равное 1,5 В.

? Рд = 2 * 1,5 * 6 = 18 Вт.

Коэффициент полезного действия выпрямителя без учета сглаживающего фильтра и стабилизатора напряжения определяется по формуле:

,

Где

Р0 = U 0 * I0 -

активная мощность на нагрузке, Вт;

Р0 = 60 * 6 = 360 Вт;

- потери мощности в трансформаторе, Вт;

- потери мощности в диодах, Вт;

з = = = 0,822 = 82%.

6. Определяем частоту пульсации основной (первой) гармоники по формуле:

где m - фазность выпрямителя (табл. 2);

- частота сети, равная 50 Гц.

f1 = 2 * 50 = 100 Гц.

7. Коэффициент пульсации основной (первой) гармоники на выходе выпрямителя рассчитывается по формуле:

Kn1 = = 0,67.

Задача №2. Рассчитать сглаживающий фильтр

Рассчитайте сглаживающий Г- образный LC - фильтр, включенный после выпрямителя, по следующим пунктам:

1. Определить коэффициент сглаживания q

2. Определить элементы L и C сглаживающего фильтра

3. Начертить схему рассчитанного Г-образного LC-фильтра, учитывая количество звеньев в фильтре. Данные для расчета приведены в таблице 1.

Решение напряжение трансформатор выпрямитель кремниевый

Сглаживающим фильтром выпрямителя называется устройство, предназначенное для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения. Простейшие фильтры L и С не могут обеспечить достаточно больших коэффициентов сглаживания. Поэтому на практике применяются сглаживающие фильтры, содержащие оба эти элемента - индуктивность L и емкость С.

Расчет элементов сглаживающего LC - фильтра включенного на выходе выпрямителя, производится в следующем порядке:

1. Рассчитаем коэффициент сглаживания фильтра по формуле:

q = Кп1 / Кп вых,

где Кп1 - коэффициент пульсации первой гармоники на входе фильтра (на выходе выпрямителя);

Кп.вых. - коэффициент пульсации первой гармоники на выходе фильтра (на нагрузке), из таблицы 1.

q = 0,67 / 0,003 = 223,3

По рассчитанному значению q выбирается количество звеньев LC -фильтра.

Если q ? 25, то применяется двухзвенный LC - фильтр. Так как использование однотипных деталей экономично, чем разнотипных, то в обоих звеньях двухзвенного фильтра включаются одинаковые элементы L и C.

В этом случае коэффициент сглаживания каждого звена определяется по формуле:

qзв = ,

где qзв - коэффициент сглаживания одного звена LC - фильтра.

qзв = = 14,9.

Одним из условий выбора индуктивности дросселя фильтра является обеспечение индуктивной реакции фильтра на выпрямитель. Минимально допустимое значение индуктивности дросселя, удовлетворяющее этому условию, определяется по формуле:

2U0

Lдр. min. = ---------------------- , Гн

(m2 - 1) ? m ? I0? 3,14? fс

Lдр. min. = = = 0,02123142 Гн.

Определив значение минимальной индуктивности, рассчитываем значение

емкости фильтра по формуле:

10 (qзв + 1)

С = ----------, мкФ

m2 ? Lдр. min.

С = = = 1872,23 мкФ.

Из таблицы 4 методических указаний, выбираем номинальную емкость конденсатора, исходя из рассчитанного значения емкости С и номинального напряжения конденсатора Uном, величина которого должна быть:

Uном > 1,2 U0 ; Uном > 1,2 * 60 = 72 В., то есть Uном > 72 В.

Выбираем конденсатор К50-18, номинальное напряжение которого равно 100 В, а ёмкость 2200 мкФ.

Собщ. = 2200 мкФ.

Она в 0,851 больше (1872,26 / 2200) рассчитанного значения емкости фильтра С.

Получение расчетного значения емкости фильтра путем дальнейшего увеличения количества конденсаторов нецелесообразно, поэтому общую емкость Собщ. = 2200 мкФ, выбранных конденсаторов считают номинальной емкостью фильтра.

Однако при этом следует величину индуктивности Lдр. min. уменьшить в 0,851 раза, поскольку необходимо соблюсти условие LC = const.

Lдр.1 = 0,02123142 / 0,851 = 0,0249488 Гн.

Lдр.2 = 0,02123142 / 0,851 = 0,0249488 Гн.

3. Изображаем схему сглаживающего фильтра.

Рисунок 2. Схема сглаживающего фильтра.

Задача №3. Рассчет электропитающей установки

Рассчитайте электропитающую установку ЭПУ-24 по следующим пунктам:

Расчет аккумуляторных батарей:

1. Рассчитайте ток аварийного разряда аккумуляторной батареи 24 В, состоящей из свинцово-кислотных необслуживаемых в течении всего срока службы аккумуляторов;

2. Определите емкость аккумуляторов приведенных к номинальным условиям разряда;

3. Определите тип и количество аккумуляторов в батарее. Расшифруйте условное обозначение выбранных аккумуляторов. Рассчитайте тип пластин выбранного аккумулятора.

Расчет и выбор преобразователей:

4. Выберите тип и количество выпрямительных устройств типа ВУТ для ЭПУ-24;

5. Рассчитайте количество конверторов КВ-6/100.

6. Рассчитайте энергетические параметры выпрямительно - аккумуляторной установки. Данные для расчета в десяти вариантах приведены в таблице 3.

таблица 3

Вариант	1
Ток потребляемый аппаратурой IАП, А	120
Мощность аварийного освещения Рав.осв., кВт	0,29
Напряжение сети трехфазного переменного тока Uс, В	220
Расчетное время разряда одной группы аккумуляторной батареи, tp, час	0,5
Число групп аккумуляторной батареи, nб	2

Решение

Аккумулятором называют химический источник постоянного тока

многократного действия.

1. Расчёт аккумуляторных батарей сводится к определению ёмкости, типа и количества аккумуляторов для каждой батареи.

Величину аварийного тока нагрузки, на которую должна быть рассчитана аккумуляторная батарея, определяем по формуле:

IАВ = IАП + IАВ.ОСВ. ,

Где

IАП - ток, потребляемый аппаратурой МТС, А

IАВ.ОСВ. - ток аварийного освещения, который определяется по формуле:

IАВ.ОСВ. = (РАВ.ОСВ * 10і) / UНОМ ,

где РАВ.ОСВ. - мощность аварийного освещения, Вт

UНОМ - номинальное значение напряжения, равное 24 В

IАВ.ОСВ. = (0,29 * 10і) / 24 = 12,083 А.

IАВ = 120 + 12,083 = 132,083 А

2. Определяем ёмкость аккумуляторов приведённых к номинальным условиям разряда по формуле:

Q = IАВ * tр / (зq (1+d (tэл. -20))), А*ч

где IАВ - ток аварийного разряда аккумуляторных батарей;

t p - расчётное время разряда одной группы аккумуляторной батареи, час;

зq - коэффициент отбора емкости, зависящий от времени разряда; при

t p = 0,5 ч; зq = 0,34.

d - температурный коэффициент равен 0,008;

tэл. - температура электролита аккумуляторов, принимается для расчётов +15 0 С.

Q = 132,083 * 0,5 / (0,34 (1+ 0,008)) = 66,0415 / 0,34272 = 192,7 А*ч = 193 А*ч

3. Определяем тип аккумуляторов используя таблицу 6 "Технические данные аккумуляторов") методических указаний.

Выбираем аккумулятор: 4 OPzV 200 WE.

таблица 4

Обозначение	Номинальная емкость, А*ч	Ток разряда, А	Вес с электролитом в кг
4 OPzV 200 WE	200	20	19,5

Абсолютно необслуживаемые герметичные аккумуляторы VRLA (Valve Requlated Lead Acid) созданы по технологии дрейфит. Электролит представлен в желеобразном состоянии, что гарантирует высокую надежность аккумуляторов во всех областях применения. Драйфит А 200 OpzV характеризуются долгим сроком службы и малыми затратами на эксплуатацию. Аккумуляторы хорошо приспособлены для работы в циклическом режиме. Наряду со стандартным вертикальным исполнением применяют горизонтальную версию аккумуляторов дрейфит А 200 OpzV с аналогичными электрическими характеристиками. По сравнению с традиционными аккумуляторными помещениями можно сэкономить две трети площади. Таким образом, аккумуляторы с преимуществом дрейфит - технологии можно устанавливать даже в малых помещениях.

Расшифровка типа аккумулятора 4OPzV 200 WE):

4 - первое число соответствует количеству n = 4 положительных пластин (электродов),

OPzV - буквенное обозначение расшифровывается как "стационарные необслуживаемые аккумуляторы с трубчатыми положительными пластинами",

200 - последнее число показывает номинальную емкость С10 аккумулятора в А*ч (емкость при 10-часовом разряде номинальным током).

4. Тип пластины рассчитывается по формуле:

Спласт. = С10 / n

Спласт. = 200 / 4 = 50 А*ч

Выпускаются пластины следующим номиналом: 50; 70; 100; 125 А*ч

Определяем число элементов в аккумуляторной батарее для потребителей по формуле:

nосн. = (Uном + ДUпр) / Uп.п.,

где Uном - номинальное значение напряжения 24 В;

ДUпр. - допустимые потери в токораспределительной проводке и коммутационной аппаратуре, равное 0,8 В;

Uп.п. - напряжение на одном элементе в режиме постоянного подзаряда 2,2 В. nосн. = (24+ 0,8) / 2,2 = 11,3 = 11 аккумуляторов.

Расчёт и выбор преобразователей.

Электропитание аппаратуры проводной связи постоянным током

осуществляется от выпрямительных устройств.

4. Определяем тип и количество выпрямителей, работающих буфером со свинцовыми аккумуляторными батареями.

Определяем мощность, необходимую для буферного питания

аппаратуры связи по формуле:

Рб. = (IАП. * Uп.п. * nосн..) / 10і, кВт

где IАП - ток, потребляемый аппаратурой, по варианту, А;

Uп.п. - напряжение на одном элементе в режиме непрерывного подзаряда, равное 2,2 В;

nосн. - количество элементов в основной группе аккумуляторных батарей.

Рб. = (120 * 2,2 * 11) / 10і = 2904 Вт = 2,9 кВт.

По нормам технического проектирования ВНТП 332-81 число

рабочих выпрямительных устройств (ВУТ), работающих параллельно в буферной электропитающей установке, не должно превышать четырех. Все рабочие выпрямительные устройства должны иметь 100% резерв. При параллельной работе нескольких одинаковых выпрямительных устройств разрешается устанавливать одно резервное выпрямительное устройство.

Выпрямители выбирают исходя из условия к * I0 > IАП,

где I0 - максимально выпрямленный ток выбранного ВУТ.

к - число параллельно работающих выпрямителей определяется по

формуле: к = IАП / I0

Полученные данные округляются до ближайшего целого числа.

к = 120 / 125 = 0,96 = 1

Из таблицы 7 методических указаний выбираем выпрямители типа ВУТ для питания потребителей с Uном. = 24 В. Это ВУТ-31/125, условная выходная мощность которого равна 4 кВт, а максимальная - 3,88 кВт.

Из вышеприведенных расчетов получаем, что система автоматики ЭПУ - 24 позволяет равномерно делить нагрузку между одним выпрямителем ВУТ 31/125 и включать резервный ВУТ 31/125 выпрямитель вместо любого поврежденного, с максимальным выпрямительным напряжением 31 В.

таблица 5

Тип выпрямителя	Выходная мощность, кВт	Выпрямленное напряжение, В	Выпрямленный ток, А	Кпд	Коэффициент мощности
	Условная	Максимальная	Минимальная	Номинальное	Максимальное льное	Максимальный	Минимальный	КПД
ВУТ-31/125	4	3,88	22	24	31	125	125	0,80	0,66

В выпрямительных устройствах типа ВУТ применяется трехфазная мостовая схема и импульсно-фазовый способ управления тиристорами. Для объектов электросвязи, рассчитанных на потребление Uном = 24 В, проектируются системы электропитания с конверторами. Они предназначены для стабилизации выходного напряжения электропитающих установок с точностью ±2% при снижении напряжения на аккумуляторной батарее до U = 18 В.

5. Рассчитаем количество конверторов КВ-6/100, необходимых для обеспечения питания аппаратуры в аварийном режиме, по формуле:

n = IАП / Iк ,

где IАП - ток, потребляемый аппаратурой, А;

Iк. - ток, потребляемый конвертором равен 100 А.

n = 120 / 100 = 1,2 = 1.

Расчет энергетических параметров выпрямительно-аккумуляторной установки.

6. Активная мощность, потребляема установкой от сети с учетом КПД выбранного типа выпрямительного устройства, рассчитывается по формуле, кВт.

Р = Pн / з ,

где Pн - мощность, потребляемая аппаратурой при наличии сети переменного тока, кВт

з - КПД выбранного типа ВУТ. з = 0,80.

Pн = IАП * Uном. / 10і

Рн. = 120 * 24 / 10і = 2880 Вт = 2,9 кВт.

Р = 2880 / 0,80 = 3600 Вт = 3,6 кВт.

Полная мощность, потребляемая установкой от сети переменного тока, рассчитывается по формуле, кВ*А

S = P / cosц,

где cosц - коэффициент мощности выбранного типа ВУТ.

S = 3600 / 0,66 = 5454,5 В * А = 5,5 кВ * А

Ток, потребляемый выпрямительно-аккумуляторной установкой от сети, рассчитывается по формуле, А

I = (S* 10і) / (* Uл),

где Uл - линейное напряжение сети, В. Для расчетов берут Uл = Uс. = 220 В.

I = 5454,5 / (* 220) = 14,3 А.

По расчетному значению тока I выбираем щит переменного тока. В ЭПУ - 24 В применяем щит типа: ЩПТА 4/200 на ток 200 А.

Задача №4. Назначение основного оборудования

1. Начертите функциональную схему ЭПУ- 24 с РВДУ по данным, полученным в задаче 3.

2. Укажите состав, назначение основного оборудования ЭПУ и поясните, как осуществляется бесперебойное питание аппаратуры от ЭПУ:

- при восстановлении Uс. переменного тока.

Решение

1. Изображаем функциональную схему ЭПУ- 60 с РВДУ по данным, полученным в задаче 3.

Рисунок 3. Схема электрическая функциональная ЭПУ с РВДУ.

2. Состав и назначение основного оборудования ЭПУ:

- ТП - внешний источник электроснабжения (ТП - трансформаторная подстанция);

- СЭС - собственная электростанция;

- ЩПТА - щит переменного тока для ввода фидеров питания от внешних источников энергоснабжения и от собственной электростанции, а также для разделения электроэнергии по потребителям предприятия связи, и защиты фидеров от перегрузок и коротких замыканий.

- ВУТ - выпрямительное устройство. Комплект рабочих буферных выпрямителей (ВБ) и резервного (РВБ) состоит из выпрямительных устройств серии ВУТ. В зависимости от величины тока нагрузки может применяться от одного до четырех рабочих ВУТ. Рабочие выпрямители обеспечивают одновременное питание нагрузки и постоянный подзаряд аккумуляторной батареи (GB). Резервный выпрямитель включается при выходе из строя одного из рабочих выпрямителей, а также осуществляет заряд аккумуляторной батареи вместе с рабочими выпрямителями при появлении напряжения питающей сети.

- GB - основные элементы аккумуляторной батареи В нормальном режиме выпрямители (рабочие ВУТ) обеспечивают питанием аппаратуру связи с одновременным подзарядом основных элементов аккумуляторной батареи.

- РВДУ (регулируемое вольтодобавочное устройство) является наиболее эффективным способом стабилизации напряжения ЭПУ в аварийном (переходном) режиме. В качестве РВДУ применяют полупроводниковые преобразователи постоянного напряжения (конверторы). Устройство РВДУ получает питание от несекционированной аккумуляторной батареи АБ и компенсируется падением напряжения, возникающее при разряде АБ. Выход РВДУ включается последовательно в цепь между батареей и нагрузкой.

С появлением внешнего электроснабжения (при восстановлении Uс. переменного тока) буферные (рабочие) выпрямители включаются в режиме стабилизации по току и одновременно с питанием нагрузки заряжают аккумуляторную батарею на шинах нагрузки. При полностью заряженной аккумуляторной батареи буферные выпрямители переводятся в режим стабилизации по напряжению и схема возвращается в исходное состояние.

Основное достоинство применения РВДУ состоит в возможности плавной компенсации изменения выходного напряжения аккумуляторной батареи. Это обеспечивает высокую стабильность напряжения питания аппаратуры связи в переходном режиме. Недостатком данного способа регулирования напряжения является относительная сложность регулируемого вольтодобавочного устройства.



Список используемой литературы

1. Бушуев В.М. Электропитание устройств связи. - М.: Радио и связь, 1986.

2. Методические указания по изучению дисциплины "Энергоснабжение телекоммуникационных систем".

Размещено на Allbest.ru

...