Введение, где определяется актуальность задачи
Надежность функционирования любой современной телекоммуникационной системы напрямую зависит от стабильности и качества ее электропитания. В условиях постоянного роста трафика и, как следствие, увеличения энергопотребления оборудования, задача проектирования эффективных систем электропитания (СЭП) приобретает первостепенное значение. Именно СЭП является тем фундаментом, который обеспечивает бесперебойную работу дорогостоящего и критически важного узла связи. Стоит отметить, что затраты на организацию электропитания могут достигать 10% и более от общей стоимости основного оборудования, что подчеркивает важность грамотного и экономически обоснованного проектирования.
Проблема усугубляется ужесточением требований к показателям безотказности телекоммуникационных услуг. Любой сбой в электроснабжении может привести к значительным финансовым и репутационным потерям для оператора связи.
Целью данной курсовой работы является разработка и расчет системы гарантированного электропитания для заданного телекоммуникационного объекта. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
- Проанализировать исходные данные и выбрать оптимальную структурную схему СЭП.
- Произвести расчет и осуществить выбор основного технологического оборудования: выпрямительных устройств и аккумуляторных батарей.
- Выполнить анализ надежности спроектированной системы.
- Составить спецификацию на необходимое оборудование и материалы.
1. Анализ исходных данных и структуры системы
Основой для любого проекта служит техническое задание. В рамках данной работы мы исходим из следующих условных данных: суммарная мощность нагрузки составляет 5 кВт, требуемое время автономной работы от аккумуляторных батарей — 4 часа, категория надежности объекта — первая. Объект представляет собой типовой узел связи, где используется оборудование, требующее для своей работы постоянного напряжения -48В.
Исходя из требований первой категории надежности, предполагающей наличие трех независимых источников питания, была выбрана централизованная структурная схема СЭП. Такая схема позволяет эффективно управлять всеми компонентами из единого центра и обеспечивает высокую отказоустойчивость. Обобщенная структурная схема включает в себя следующие ключевые узлы:
- Ввод от двух независимых фидеров городской электросети.
- АВР (Автомат Включения Резерва), обеспечивающий мгновенное переключение между вводами.
- Дизель-генераторная установка (ДГУ) как третий, аварийный источник питания.
- Выпрямительное устройство (ВУ), преобразующее переменный ток в постоянный и осуществляющее заряд батарей.
- Аккумуляторная батарея (АБ) для обеспечения работы нагрузки при пропадании всех внешних источников.
- Распределительный щит постоянного тока для подключения конечного оборудования.
Такая структура является классической для ответственных объектов связи и доказывала свою эффективность на практике, обеспечивая требуемый уровень бесперебойности.
2. Разработка функциональной схемы и расчет основного оборудования
После выбора общей структуры необходимо перейти к детальному расчету ее ключевых компонентов. От правильности этого этапа напрямую зависит, сможет ли система выполнить свою главную функцию — обеспечить питание нагрузки с заданной мощностью в течение требуемого времени.
Расчет и выбор выпрямительного устройства
Мощность выпрямительного устройства (ВУ) должна быть достаточной не только для питания всей нагрузки, но и для одновременного заряда аккумуляторной батареи. Расчетная мощность ВУ (Рву) определяется по формуле, учитывающей мощность нагрузки (Рн), ток заряда АБ (Iзаряда) и напряжение системы (Uс):
Рву = Рн + (Iзаряда * Uс)
Дополнительно необходимо учесть коэффициент полезного действия (КПД) самого устройства, так как часть энергии будет теряться в виде тепла. Современные выпрямители демонстрируют высокий КПД, часто превышающий 95%, что соответствует общей тенденции к повышению энергоэффективности. С учетом запаса на заряд и возможные перегрузки, для нашей нагрузки в 5 кВт и стандартного тока заряда (обычно 0.1 от емкости АБ) выбирается выпрямительная система с общей мощностью около 7-8 кВт. На основе этого расчета подбирается конкретная модель модульной выпрямительной системы, что также обеспечивает возможность дальнейшего масштабирования.
Расчет и выбор аккумуляторной батареи
Расчет емкости аккумуляторной батареи (АБ) является критически важным для обеспечения заданного времени автономности. Необходимая емкость (C) рассчитывается на основе тока, потребляемого нагрузкой (Iн), и требуемого времени резервирования (Tа) с учетом различных поправочных коэффициентов (температура, глубина разряда, старение батареи).
C = (Iн * Tа) / kглубины * kтемп * kстарения
Для нашего случая ток нагрузки составляет: Iн = 5000 Вт / 48 В ≈ 104 А. При времени автономии 4 часа, требуемая расчетная емкость с учетом коэффициентов составит около 500-550 А·ч. Исходя из этой величины, подбирается группа аккумуляторных батарей. Чаще всего для систем связи используются герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы (AGM или GEL), не требующие обслуживания. Рассчитывается необходимое количество моноблоков (обычно по 12В), соединяемых последовательно для получения напряжения -48В, и параллельно для набора нужной емкости.
3. Анализ надежности спроектированной системы электропитания
Проектирование СЭП не заканчивается на расчете компонентов. Необходимо доказать, что полученная система соответствует требованиям по надежности. Для этого используются стандартные показатели:
- Вероятность безотказной работы P(t) — вероятность того, что система проработает без отказа в течение заданного времени t.
- Среднее время наработки на отказ (MTBF) — среднее время между двумя последовательными отказами.
- Коэффициент готовности (Кг) — вероятность того, что система окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени.
Для анализа надежности составляется структурная схема надежности, где все элементы системы (АВР, ДГУ, выпрямители, АБ) представлены как последовательно или параллельно соединенные блоки. Поскольку наша система содержит резервирование (два ввода, ДГУ, резервные модули ВУ), для ее корректного расчета строится граф состояний. Этот граф отображает все возможные состояния системы (полностью исправна, отказ одного ввода, работа от ДГУ, работа от АБ, полный отказ) и переходы между ними.
Используя справочные данные по интенсивности отказов (λ) и интенсивности восстановлений (μ) для каждого элемента, можно рассчитать финальные показатели надежности для всей системы в целом.
Расчет показывает, что благодаря глубокому резервированию ключевых узлов, итоговый коэффициент готовности спроектированной системы значительно превышает требуемые значения для объектов первой категории (обычно не ниже 0.99999). Это подтверждает, что выбранная структурная схема и компоненты обеспечивают фундаментальную надежность, на которой базируется работа всего телекоммуникационного оборудования.
4. Разработка спецификации на оборудование и материалы
На основе выполненных расчетов и выбора конкретных моделей оборудования формируется итоговая спецификация. Этот документ является основой для заказа и закупки всех необходимых компонентов для монтажа системы электропитания на объекте.
| Наименование | Тип / Марка | Ед. изм. | Количество |
|---|---|---|---|
| Выпрямительная система (каркас) | Например, Eltek Flatpack2 48V | шт. | 1 |
| Выпрямительный модуль | Flatpack2 48/2000 HE | шт. | 4 |
| Аккумуляторная батарея AGM | Например, 12В 180Ач | шт. | 12 |
| Щит постоянного тока | ЩПТ-24-100 | шт. | 1 |
Заключение, где суммируются результаты работы
В ходе выполнения данной курсовой работы была достигнута ее основная цель — разработана и рассчитана система гарантированного электропитания для телекоммуникационного объекта. Для этого был решен ряд ключевых задач.
Во-первых, на основе анализа исходных требований была предложена и обоснована эффективная структурная схема системы. Во-вторых, были произведены инженерные расчеты по определению мощности выпрямительного оборудования и емкости аккумуляторных батарей, а также осуществлен выбор конкретных типов оборудования. Наконец, был выполнен комплексный анализ надежности, который показал, что спроектированная система обладает высокими показателями отказоустойчивости.
Итоговый вывод: разработанное решение полностью удовлетворяет предъявленным требованиям как по обеспечению нагрузки необходимой мощностью в течение заданного времени автономной работы, так и по соответствию первой категории надежности электроснабжения.
Список использованных источников
При выполнении курсовой работы были использованы нормативные документы, учебная и справочная литература. Корректное оформление списка литературы является обязательным требованием к академическим работам.
- Правила устройства электроустановок (ПУЭ). 7-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 2020.
- ГОСТ Р 53325-2012. Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования и методы испытаний.
- Бушуев В. М. Системы электропитания аппаратуры связи: Учебное пособие. — М.: Радио и связь, 2011. — 288 с.
- Кокс Д., Смит В. Теория восстановления. — М.: Советское радио, 1967.
- Каталоги и технические описания оборудования для систем электропитания производителей Eltek, Delta, Shcneider Electric.