Metodyka doboru siłowni telekomunikacyjnej oraz przyłączanych baterii akumulatorów
Schemat rozpływu mocy w STK (zgodnie z wymaganiami EUROBATU, liczba gałęzi baterii nie może być większa niż 4)
Siłownia telekomunikacyjna (STK) o napięciu znamionowym wyjściowym 48 V dc stanowi źródło napięcia gwarantowanego przeznaczone do zasilania odbiorników stałoprądowych systemów telekomunikacyjnych. Podczas zwarć zachowuje się jak źródło prądowe, natomiast w czasie normalnej eksploatacji zapewnia dostawę mocy o stałej wartości narzuconej przez zasilane odbiorniki.
Siłownia telekomunikacyjna jest to zasilacz stałoprądowy, którego zasada działania jest podobna do działania zasilacza UPS. Zasilacz ten służy do wytworzenia napięcia 48 V dc i jest przeznaczony do zasilania central telekomunikacyjnych lub innych odbiorników telekomunikacyjnych o napięciu znamionowym wynoszącym 48 V. W przypadku zaniku napięcia zasilającego w sieci elektroenergetycznej, energia czerpana jest z baterii stanowiących element składowy siłowni. Dobór STK polega na przyjęciu określonego typu urządzenia i wyznaczeniu liczby niezbędnych zasilaczy, w które należy wyposażyć dobieraną siłownię. Liczba dobieranych zasilaczy N, ze względów eksploatacyjnych, musi zostać powiększona o jeden moduł, czyli:
Podstawą wszelkich obliczeń jest moc czynna zapotrzebowana przez centralę telefoniczną lub inne urządzenie telekomunikacyjne o napięciu znamionowym 48 V dc, które będą zasilane przez dobieraną STK. W celu ułatwienia prowadzenia tych obliczeń poniżej podane są niezbędne wzory:
Uwaga!
W przypadku STK, która wymaga osobnego doboru ładowarek akumulatorów oraz zasilaczy dla zasilania zewnętrznych odbiorników, liczbę ładowarek oraz zasilaczy należy wyznaczyć osobno, według zasad określonych przez wzór (6),
gdzie:
P’dysp. STK – moc siłowni telekomunikacyjnej dla konfiguracji N+1, w [W],
Pdysp. STK – moc siłowni telekomunikacyjnej niezbędna do pokrycia mocy zapotrzebowanej przez zasilane odbiorniki oraz baterie magazynu energii, w [W],
PC – moc zapotrzebowana przez centralę lub inne odbiorniki telekomunikacyjne, w [W],
N – liczba wymaganych zasilaczy dc, w [-],
PŁB – moc ładowania baterii, w [W],
η – sprawność STK określona w DTR producenta, w [-],
IŁ – prąd ładowania baterii, w [A],
P1 – moc pojedynczego zasilacza, w [W],
Inc – całkowity prąd pobierany przez centralę lub inne odbiorniki telekomunikacyjne, w [A],
Tp – czas podtrzymania zasilania przy pracy bateryjnej, w [h],
Unc – napięcie znamionowe STK, w [V],
UBu*) – napięcie buforowe ładowania, przyjmowane jako 52 V dla baterii klasycznych oraz 54 dla baterii żelowych,
I10 = 0,1•C – prąd dziesięciogodzinnego rozładowania baterii do napięcia Uk = 1,8 V/ogniwo, odczytany z charakterystyki stałoprądowego rozładowania baterii podanej w DTR producenta,
k – liczba gałęzi równoległych, szeregowo połączonych baterii akumulatorów, w [-],
n – liczba ogniw w pojedynczym akumulatorze (w akumulatorze 6 V występują 3 ogniwa, w akumulatorze 12 V – 6 ogniw), w [-],
kS – współczynnik starzenia baterii przyjmowany jako (1,25÷1,3),
Pdysp akum./Tp; Uk=1,8 V/ogn – moc dysponowana przez pojedynczy akumulator, w [W/akum], przy napięciu odcięcia Uk = 1,8 V/ogniwo dla czasu podtrzymania Tp, odczytana z charakterystyki stałomocowego rozładowania akumulatora określonej w DTR producenta,
Pdysp ogn./Tp; Uk=1,8 V/ogn – moc czynna dysponowana przez pojedyncze ogniwo akumulatora, w [W/ogniwo] przy napięciu odcięcia Uk = 1,8 V/ogniwo dla czasu podtrzymania Tp, odczytana z charakterystyki stałomocowego rozładowania akumulatora określonej w DTR producenta,
na – liczba akumulatorów w gałęzi (48 V/Ua; Ua – napięcie znamionowe akumulatora), w [-].
__________
*) W rzeczywistości napięcie to stanowi iloczyn liczby pojedynczych ogniw akumulatorów połączonych szeregowo oraz największego napięcia buforowego określonego w DTR producenta akumulatorów. Dla celów praktycznych można korzystać z wartości podanych w opisie.
Na rysunku 1. został przedstawiony algorytm doboru siłowni telekomunikacyjnej.
Rys. 1. Schemat rozpływu mocy w STK (zgodnie z wymaganiami EUROBATU, liczba gałęzi baterii nie może być większa niż 4)
W związku z tym moc dysponowaną na wyjściu STK należy wyznaczyć z wykorzystaniem wzoru (7):
Dla wyznaczenia mocy zapotrzebowanej na wejściu STK należy odczytać z DTR producenta współczynnik zawartości harmonicznych prądu i obliczyć współczynnik zniekształceń „W”, z wykorzystaniem wzoru (8):
gdzie:
THDi – współczynnik zawartości wyższych harmonicznych, określony w DTR producenta, w [-],
cosφ – współczynnik mocy STK, określony w DTR producenta, w [-],
η – sprawność STK, określona w DTR producenta, w [-].
Moc zapotrzebowaną przez STK należy wyznaczyć ze wzoru (9) oraz wzoru (10):
Prąd wejściowy STK po stronie ac:
- zasilanie trójfazowe:
- zasilanie jednofazowe:
Pomocne przy doborze STK mogą być rysunki 1. i 2., gdzie przedstawiono rozpływy mocy oraz metodykę doboru mocy STK.
Rys. 2. Algorytm doboru STK. Dopuszczalne spadki napięcia w układzie zasilania z STK centrali telefonicznej wg normy PN-T-83102 Zasilanie urządzeń łączności w energię elektryczną
Polska Norma PN-T-83102:1996 Urządzenia zasilające w telekomunikacji. Siłownie telekomunikacyjne prądu stałego. Wymagania i badania w pkt 2.10 narzuca obowiązek takiego doboru przekroju przewodu w obwodach stałoprądowych, aby łączny spadek napięcia w tych obwodach nie przekraczał 1,2 V (rys. 3.).
Rys. 3. Dopuszczalny spadek napięcia dla układu zasilania CT wg normy PN-T-83102:1886 – norma wycofana do archiwum, stanowi zbiór wiedzy technicznej
Producenci siłowni telekomunikacyjnych gwarantują, że łączny spadek napięcia na obwodach dc wewnątrz siłowni nie przekracza 0,5 V. W związku z tym na przewody przyłączeniowe baterii oraz przewody odbiorcze pozostaje ok. 0,7 V dopuszczalnego spadku napięcia.
Uwaga!
Stanowi to 2,5% wartości napięcia znamionowego STK. W przypadku zasilania innych odbiorników, względem których nie zostały określone szczegółowe wymagania w zakresie spadku napięcia, należy przyjąć dopuszczalny spadek napięcia 5% od zacisków STK, zgodnie z wymaganiami normy PN-HD 60364-5-52 określonymi w załączniku „G”.
W przypadku innych urządzeń można stosować zalecenia normy PN-HD 60364-5-52:2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-52: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Oprzewodowanie. W załączniku „G” tej normy zalecany spadek napięcia dla odbiorników nieoświetleniowych wynosi 5% wartości napięcia znamionowego od złącza, do którego doprowadzono zasilanie.
Zatem w przypadku odbiorników zasilanych z STK należy przyjąć dopuszczalny spadek napięcia liczony od wyjścia STK do zacisków odbiornika o wartości ΔU = 2,4 V. Po uwzględnieniu spadku napięcia od zacisków magazynu energii do wyjścia STK o wartości 0,5 V jako wartość dopuszczalną należy przyjąć ΔU = 1,9 V.
Wymagany przekrój przewodu zasilającego należy wyznaczyć ze wzoru (13):
Przykład 1.
Należy dobrać liczbę zasilaczy stałoprądowych o mocy P1 = 2000 W i napięciu znamionowym 48 V oraz liczbę baterii akumulatorów do wyposażenia STK o sprawności η = 0,90, przeznaczonych do zasilania centrali telefonicznej o mocy znamionowej Pc = 8000 W, pracującej przy napięciu znamionowym Un = 48 V. Przewidywany czas pracy centrali, przy zasilaniu STK z baterii akumulatorów, należy przyjąć Tp = 2 h. Do wyposażenia magazynu energii zostaną wstępnie przyjęte akumulatory żelowe Marathon M-FT o napięciu znamionowym 12 V. Następnie dobrać przewody zasilające STK oraz ich zabezpieczenia dla napięcia 3x230/400 V, znając impedancje zwarciowe w miejscu przyłączenia przewodu zasilającego w RGB, oddalonej od STK o 20 m, oraz zasilania centrali telefonicznej, oddalonej od STK o 10 m: Zk1 = 0,25 Ω; Zk3 = 0,15 Ω.
Obliczenia
Wstępnie zostaną przyjęte akumulatory M12V155FT, dla których – ustalony na podstawie charakterystyki stałoprądowego rozładowania, zamieszczonej w DTR producenta akumulatorów – prąd dziesięciogodzinnego rozładowania do napięcia Uk = 1,8 V/ogniwo wynosi I10 = C10 = 1/10C = 0,1C = 15,5 A – jest to prąd ładowania baterii po rozładowaniu do napięcia 1,8 V/ogn. przez czas 10 godzin.
Wymagana liczba gałęzi szeregowo połączonych akumulatorów dla czasu T = 2 h, moc czynna dysponowana przez akumulator dla napięcia odcięcia Uk = 1,8 V/ogn. wynosi Pdysp. = 658 W/akum.
W tabelach 1. i 2., stanowiących wyciąg z DTR producenta, zostały przedstawione charakterystyki stałoprądowego oraz stałomocowego rozładowania akumulatorów Marathon M-FT do napięcia Uk = 1,8 V/akum.
Tab. 1. Charakterystyka stałoprądowego rozładowania akumulatorów Marathon M-FT do napięcia Uk = 1,8 V/akum
Tab. 2. Charakterystyka stałomocowego rozładowania akumulatorów Marathon M-FT do napięcia Uk = 1,8 V/akum
Po uwzględnieniu współczynnika starzenia baterii, wymagana liczba gałęzi bateryjnych wyniesie:
Ponieważ według zaleceń EUROBATU (zrzeszenie europejskich producentów akumulatorów) dotyczących akumulatorów VRLA jako dopuszczalną liczbę gałęzi przyjmuje się nie większą niż 4, należy przyjąć akumulator M12V190FT o pojemności 190 Ah i ponownie wyznaczyć wymaganą liczbę równoległych gałęzi akumulatorów połączonych szeregowo. Przyjęty akumulator ma dysponowaną moc czynną 850 W/akum. przy czasie rozładowania T = 2 h oraz napięciu odcięcia Uk = 1,8 V/ogniwo; prąd I10 = 0,1C = 19 A. Wymagana liczba gałęzi wyniesie:
- moc ładowania baterii akumulatorów stanowiących wyposażenie gabinetu baterii STK:
- całkowita moc czynna dysponowana przez STK:
- wymagana liczba zasilaczy stałoprądowych, stanowiących wyposażenie STK:
Zatem STK należy wyposażyć w 8 zasilaczy stałoprądowych Flatpack2 o mocy P1 = 2000 W i napięciu znamionowym Un = 48 V oraz gabinet baterii akumulatorów składający się z 4 gałęzi równoległych zawierających po 4 akumulatory typu M12V190FT połączone szeregowo.
Zatem całkowita moc dysponowana na wyjściu STK wyniesie:
Moc wyjściowa w torze zasilania centrali telefonicznej:
Dobór przewodów po stronie dc:
Na tej podstawie przy sposobie ułożenia „E” warunki spełnia kabel YKXS 2x120, dla którego:
Zatem:
Przy sposobie ułożenia „E” warunki spełni przewód YDYżo 5x6, dla którego Iz = 54 A, dla którego:
Przy zabezpieczeniu WTNgG40 A wymagany przekrój przewodu zasilającego STK na podstawie DTR producenta dla Tk = 5 s:
Natomiast spodziewane Ik1 wyniesie:
Warunek samoczynnego wyłączenia jest spełniony.
W przypadku zasilaczy UPS dobór baterii akumulatorów dla określonego czasu podtrzymania wykonuje się na podstawie charakterystyki stałomocowego rozładowania, ze względu na to, że zasilacz ma stałą, niezmienną moc. Za podstawę doboru należy przyjąć wymaganą moc czynną, w [W/ogniwo], którą należy wyznaczyć z poniższego wzoru:
gdzie:
Pogn-wym – wymagana moc czynna pojedynczego ogniwa przy stałomocowym rozładowaniu akumulatora do określonego napięcia odcięcia Uk, w [W/ogniwo],
SUPS – znamionowa moc pozorna zasilacza UPS, w [VA],
cosφz – współczynnik mocy, przy którym pracuje zasilacz UPS (współczynnik mocy zasilanych odbiorników, w [-],
η – sprawność zasilacza UPS, w [-],
n – liczba ogniw w akumulatorze (przy napięciu akumulatora 12 V – 6 ogniw; przy napięciu akumulatora 6 V – 3 ogniwa),
Un UPS – napięcie znamionowe zasilacza UPS, w [V],
Un akum. – napięcie znamionowe akumulatora, w [V],
– wymagana liczba akumulatoróww pojedynczej gałęzi szeregowej, w [-].
Przykład 2.
Należy dobrać akumulatory oraz ich zabezpieczenia do zasilacza UPS o mocy 400 kVA, zasilającego odbiorniki przy współczynniku mocy cosφz = 0,8 oraz sprawności zasilacza η = 0,9. Napięcie odcięcia Uk = 1,7 V/ogniwo. Wymagany czas pracy zasilanych odbiorników wynosi 30 minut. Rezystancja wewnętrzna akumulatora, odczytana z DTR producenta: Rw = 2,5 mΩ. Charakterystykę stałomocowego rozładowania akumulatora o mocy 210 Ah przedstawia tabela 3.
Tab. 3. Charakterystyka stałomocowego rozładowania akumulatora o pojemności Q = 210 Ah
1. Liczba akumulatorów w pojedynczej gałęzi:
2. Wymagana moc na jedno ogniwo:
Wymagana liczba gałęzi równoległych oraz moc czynna w pojedynczej gałęzi P1g.
Na podstawie tabeli stałomocowego rozładowania dla czasu t = 30 minut oraz Uk = 1,7 V: Pogn dysp = 471,5 W/ogniwo.
3. Wymagana liczba gałęzi:
Ze względu na rozrzut rezystancji wewnętrznej poszczególnych akumulatorów, Zrzeszenie Europejskich Producentów Baterii EUROBAT nie dopuszcza stosowania większej liczby niż cztery szeregowo połączone baterie – w celu uniknięcia nadmiernych wartości prądów wyrównawczych.
Zgodnie z zaleceniami producentów baterii EUROBAT, warunek został spełniony.
4. Moc w pojedynczej gałęzi oraz spodziewany prąd obciążenia:
5. Moc całego magazynu energii oraz spodziewany prąd obciążenia:
6. Spodziewany prąd zwarciowy na zaciskach wyjściowych gabinetu baterii:
