Источник бесперебойного питания для защиты локальных вычислительных сетей
|
ВВЕДЕНИЕ 11
1 Источники бесперебойного питания для ответственных 13
потребителей переменного тока
11 Основные типы ИБП 15
ИБП Off-line (Stand-By) типа 16
1.1.1
ИБП Line-interactive типа 17
1.1.2
Системы типа On-line 18
1.1.3
12 Структурные схемы ИБП On-Line типа 20
Безтрансформаторные ИБП 20
1.2.1
Трансформаторные источники бесперебойного питания 21
1.2.2
1.3 Структурная схема разрабатываемого источника 26
бесперебойного питания
2 Расчет и выбор элементов силовой части ИБП 27
21 Расчет параметров входной сети и нагрузки 27
2.2 Выбор аккумуляторных батарей 27
23 Расчет инвертора напряжения 30
2.4 Расчет фильтра на выходе инвертора напряжения 32
25 Расчет импульсного преобразователя постоянного напряжения 34
№1
2.6 Расчет неуправляемого выпрямителя №1 38
27 Расчет сглаживающего фильтра на выходе выпрямителя 39
2.8 Расчет фильтра на входе инвертора 40
2.9 Расчет импульсного преобразователя постоянного напряжения 42
№2
210 Расчет неуправляемого выпрямителя № 2 45
2.11 Расчет сглаживающего фильтра на выходе выпрямителя 46
212 Составление электрической принципиальной схемы с 47
описанием работы ее элементов
3 Исследование имитационной модели ИБП 52
3.1 Описание имитационной модели 52
3 2 Гармонический анализ выходного тока при различных видах 58
нагрузки
32.1 Работа ИБП в режиме питания от сети 60
3 2.2 Работа ИБП в аварийном режиме 65
3.2.3 Исследование принципа работы однофазного 3-уровневого 70
инвертора
3 2.4 Сравнительный анализ трехуровневого и однофазного 72 мостового инвертора
77
77
80
80
80
81
82
83
83
84
104
106
108
109
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение
Перечень работ и оценка времени их выполнения
Смета затрат на проект
Материальные затраты
Амортизация компьютерной техники
Затраты на заработную плату
Затраты на социальные нужды (отчисления)
Прочие затраты
Накладные расходы
Определение ресурсной и экономической эффективности проекта
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список использованных источников
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
ПРИЛОЖЕНИЕ Е
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж
ПРИЛОЖЕНИЕ К
ПРИЛОЖЕНИЕ Л
ПРИЛОЖЕНИЕ М
ПРИЛОЖЕНИЕ Н
ПРИЛОЖЕНИЕ П
ПРИЛОЖЕНИЕ Р
ПРИЛОЖЕНИЕ С
ПРИЛОЖЕНИЕ Т
1 Источники бесперебойного питания для ответственных 13
потребителей переменного тока
11 Основные типы ИБП 15
ИБП Off-line (Stand-By) типа 16
1.1.1
ИБП Line-interactive типа 17
1.1.2
Системы типа On-line 18
1.1.3
12 Структурные схемы ИБП On-Line типа 20
Безтрансформаторные ИБП 20
1.2.1
Трансформаторные источники бесперебойного питания 21
1.2.2
1.3 Структурная схема разрабатываемого источника 26
бесперебойного питания
2 Расчет и выбор элементов силовой части ИБП 27
21 Расчет параметров входной сети и нагрузки 27
2.2 Выбор аккумуляторных батарей 27
23 Расчет инвертора напряжения 30
2.4 Расчет фильтра на выходе инвертора напряжения 32
25 Расчет импульсного преобразователя постоянного напряжения 34
№1
2.6 Расчет неуправляемого выпрямителя №1 38
27 Расчет сглаживающего фильтра на выходе выпрямителя 39
2.8 Расчет фильтра на входе инвертора 40
2.9 Расчет импульсного преобразователя постоянного напряжения 42
№2
210 Расчет неуправляемого выпрямителя № 2 45
2.11 Расчет сглаживающего фильтра на выходе выпрямителя 46
212 Составление электрической принципиальной схемы с 47
описанием работы ее элементов
3 Исследование имитационной модели ИБП 52
3.1 Описание имитационной модели 52
3 2 Гармонический анализ выходного тока при различных видах 58
нагрузки
32.1 Работа ИБП в режиме питания от сети 60
3 2.2 Работа ИБП в аварийном режиме 65
3.2.3 Исследование принципа работы однофазного 3-уровневого 70
инвертора
3 2.4 Сравнительный анализ трехуровневого и однофазного 72 мостового инвертора
77
77
80
80
80
81
82
83
83
84
104
106
108
109
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение
Перечень работ и оценка времени их выполнения
Смета затрат на проект
Материальные затраты
Амортизация компьютерной техники
Затраты на заработную плату
Затраты на социальные нужды (отчисления)
Прочие затраты
Накладные расходы
Определение ресурсной и экономической эффективности проекта
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список использованных источников
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
ПРИЛОЖЕНИЕ Е
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж
ПРИЛОЖЕНИЕ К
ПРИЛОЖЕНИЕ Л
ПРИЛОЖЕНИЕ М
ПРИЛОЖЕНИЕ Н
ПРИЛОЖЕНИЕ П
ПРИЛОЖЕНИЕ Р
ПРИЛОЖЕНИЕ С
ПРИЛОЖЕНИЕ Т
При эксплуатации электрических сетей могут возникнуть некоторые проблемы, такие как: длительное отключение питания потребителей при авариях, кратковременные импульсы при включении дополнительных потребителей, снижение и повышение напряжения сети при изменении величины подключенной к ней нагрузки. Всё вышеперечисленное может привести к негативным последствиям: выходу из строя оборудования, потери данных (сервера, компьютера и т.д.), нарушению технологического процесса на производстве, что приводит к экономическим потерям. Самые опасные последствия - отключение медицинского оборудования (даже
кратковременное), систем пожаротушения и вентиляции, т. к. это может привести к получению персоналом травм или более серьезным последствиям, таких как летальный исход.
Современная жизнь диктует тенденцию увеличения потребности в высокоскоростных центрах обработки данных, системах
телекоммуникационной связи в реальном масштабе времени, применении систем с непрерывным автоматическим технологическим процессом. Рост потребности в таком оборудовании, вместе с обеспечением большого количества разнообразных возможностей, выдвигает повышенные требования к источникам электропитания.
Нельзя забывать о том, что ни одна система не может работать идеально, и пользователю электрической сети приходится смириться с некоторыми отклонениями характеристик сети от номинальных значений.
В России требования к качеству электрической энергии стандартизованы. ГОСТ 33 73-2014 [1] дает определения показателям качества электроэнергии, а ГОСТ 32144-2013 [2] устанавливает значения этих
показателей. Этим стандартом установлены значения показателей в точках подключения потребителей электроэнергии.
Для обеспечения качественной электроэнергией однофазных и трехфазных нагрузок необходимо применять источники бесперебойного питания (ИБП). На сегодняшний день существует несколько распространённых типов ИБП: Off-line типа, line-interactive типа, с двойным преобразованием, феррорезонансного типа, с дельта-преобразованием.
Целью данной магистерской диссертации является разработка и исследование источника бесперебойного питания для защиты локальных вычислительных сетей.
В ходе выполнения работы необходимо выбрать тип источника бесперебойного питания, спроектировать принципиальную электрическую схему, разработать систему управления, которая будет обеспечивать выходные параметры напряжения соответствующие требованиям технического задания. А также произвести расчет и выбрать элементы силовой части и произвести моделирование функционирования данной схемы.
кратковременное), систем пожаротушения и вентиляции, т. к. это может привести к получению персоналом травм или более серьезным последствиям, таких как летальный исход.
Современная жизнь диктует тенденцию увеличения потребности в высокоскоростных центрах обработки данных, системах
телекоммуникационной связи в реальном масштабе времени, применении систем с непрерывным автоматическим технологическим процессом. Рост потребности в таком оборудовании, вместе с обеспечением большого количества разнообразных возможностей, выдвигает повышенные требования к источникам электропитания.
Нельзя забывать о том, что ни одна система не может работать идеально, и пользователю электрической сети приходится смириться с некоторыми отклонениями характеристик сети от номинальных значений.
В России требования к качеству электрической энергии стандартизованы. ГОСТ 33 73-2014 [1] дает определения показателям качества электроэнергии, а ГОСТ 32144-2013 [2] устанавливает значения этих
показателей. Этим стандартом установлены значения показателей в точках подключения потребителей электроэнергии.
Для обеспечения качественной электроэнергией однофазных и трехфазных нагрузок необходимо применять источники бесперебойного питания (ИБП). На сегодняшний день существует несколько распространённых типов ИБП: Off-line типа, line-interactive типа, с двойным преобразованием, феррорезонансного типа, с дельта-преобразованием.
Целью данной магистерской диссертации является разработка и исследование источника бесперебойного питания для защиты локальных вычислительных сетей.
В ходе выполнения работы необходимо выбрать тип источника бесперебойного питания, спроектировать принципиальную электрическую схему, разработать систему управления, которая будет обеспечивать выходные параметры напряжения соответствующие требованиям технического задания. А также произвести расчет и выбрать элементы силовой части и произвести моделирование функционирования данной схемы.
В данной магистерской диссертации для построения системы электропитания для защиты локальных вычислительных сетей номинальной мощнотью 10 кВА была принята модель ИБП с двойным преобразованием электроэнергии, что обеспечивает необходимое условие неразрывности питающей синусоиды.
В ходе выполнения диссертации, были рассчитаны все функциональные элементы входящие в состав ИБП, такие как: сглаживающие фильтры, неуправляемые выпрямители, трехуровневый инвертор, преобразователи постоянного напряжения и др. Для каждого силового элемента ИБП была выбрана конкретная модель, комплектующие которой в свободном доступе существуют на рынке и полностью соответствуют по своим техническим характеристикам требуемым условиям. Разработана принципиальная электрическая схема ИБП с рассмотрением функционала каждого силового элемента на ней.
В моделирующей среде MATLAB Simulink была разработана и исследована имитационная модель работы ИБП на различные нагрузки. Когда ИБП работает на активно - индуктивную нагрузку наблюдается заметное сглаживание колебаний напряжений и тока. Выходное напряжение при этом практически не искажается. При работе ИБП на выпрямительную нагрузку наблюдается негативное влияние на качество питающей сети. Это связано с емкостным характером выпрямительной нагрузки. При набросе нагрузки данного типа наблюдается провал напряжения и бросок тока.
Также с помощью функции FFT анализ, был рассмотрен гармонический состав выходного тока в зависимости от работы ИБП на различную нагрузку. В процессе моделироваия выяснилось что применение трёхуровневого инвертора, в разработанном ИБП, по сравнению с однофазным мостовым инвертором, позволило заметно снизить высшие гармоники выходных токов. Особенно явно это наблюдается на 3, 5, 7
гармониках. Снижение величин данных гармоник очень важно, так как именно они оказывают сильное негативное влияние на работу оборудования.
По окончанию проектирования и моделирования, делаем вывод о том, что предложенный в магистерской диссертции источник бесперебойного питания полностью удовлетворяет требованиям технического задания.
В ходе выполнения диссертации, были рассчитаны все функциональные элементы входящие в состав ИБП, такие как: сглаживающие фильтры, неуправляемые выпрямители, трехуровневый инвертор, преобразователи постоянного напряжения и др. Для каждого силового элемента ИБП была выбрана конкретная модель, комплектующие которой в свободном доступе существуют на рынке и полностью соответствуют по своим техническим характеристикам требуемым условиям. Разработана принципиальная электрическая схема ИБП с рассмотрением функционала каждого силового элемента на ней.
В моделирующей среде MATLAB Simulink была разработана и исследована имитационная модель работы ИБП на различные нагрузки. Когда ИБП работает на активно - индуктивную нагрузку наблюдается заметное сглаживание колебаний напряжений и тока. Выходное напряжение при этом практически не искажается. При работе ИБП на выпрямительную нагрузку наблюдается негативное влияние на качество питающей сети. Это связано с емкостным характером выпрямительной нагрузки. При набросе нагрузки данного типа наблюдается провал напряжения и бросок тока.
Также с помощью функции FFT анализ, был рассмотрен гармонический состав выходного тока в зависимости от работы ИБП на различную нагрузку. В процессе моделироваия выяснилось что применение трёхуровневого инвертора, в разработанном ИБП, по сравнению с однофазным мостовым инвертором, позволило заметно снизить высшие гармоники выходных токов. Особенно явно это наблюдается на 3, 5, 7
гармониках. Снижение величин данных гармоник очень важно, так как именно они оказывают сильное негативное влияние на работу оборудования.
По окончанию проектирования и моделирования, делаем вывод о том, что предложенный в магистерской диссертции источник бесперебойного питания полностью удовлетворяет требованиям технического задания.