Раздел 1. Введение
Критическая важность бесперебойного и качественного электропитания для современных телекоммуникационных узлов и домов связи не подлежит сомнению. От стабильности работы этого оборудования напрямую зависит функционирование сетей передачи данных, мобильной связи и других ключевых инфокоммуникационных сервисов. Любой сбой в системе электроснабжения может привести к значительным экономическим и социальным последствиям.
Электропитающая установка (ЭПУ) — это комплексное устройство, обеспечивающее преобразование, распределение и резервирование электроэнергии для питания аппаратуры связи. Ее ключевая роль заключается в поддержании стабильного напряжения на выходе и гарантировании непрерывной работы нагрузки даже при полном пропадании внешней питающей сети.
Целью данной курсовой работы является проектирование электропитающей установки для дома связи, которая полностью отвечает заданным требованиям по выходной мощности и обеспечивает первую категорию надежности электроснабжения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- Провести анализ исходных данных и технического задания на проектирование.
- Выполнить расчет суммарной мощности электрических нагрузок.
- Обосновать выбор и рассчитать необходимое количество выпрямительных устройств с учетом резервирования.
- Рассчитать требуемую емкость аккумуляторной батареи (АКБ) для обеспечения заданного времени автономной работы.
- Провести анализ показателей надежности спроектированной системы.
Раздел 2. Анализ технического задания на проектирование
Основой любого проекта является тщательный анализ исходных данных. В рамках данной работы мы будем исходить из следующих условных требований, сведенных в таблицу для наглядности.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Тип объекта | Дом связи (узел телекоммуникаций) |
| Категория надежности | Первая |
| Суммарная мощность нагрузки | (требуется рассчитать) |
| Выходное напряжение постоянного тока | -48 В |
| Требуемое время автономной работы | 4 часа |
| Климатические условия | Эксплуатация в отапливаемом помещении (+20 °C) |
Ключевым требованием является обеспечение первой категории надежности. Согласно нормативным документам (ПУЭ), это означает, что перерыв в электроснабжении допустим лишь на время автоматического ввода резервного питания. Для объектов связи это требование является стандартом де-факто. На практике это диктует необходимость использования двух независимых источников питания: основного (внешняя сеть) и резервного. Резервным источником в нашей ЭПУ будет выступать аккумуляторная батарея.
Таким образом, из технического задания вытекают следующие фундаментальные требования к архитектуре ЭПУ:
- Наличие источника бесперебойного питания (ИБП), включающего выпрямители и АКБ.
- Применение схемы резервирования для ключевых функциональных узлов (в частности, для выпрямительных модулей).
- Использование системы автоматического контроля и мониторинга для отслеживания состояния ЭПУ и своевременного оповещения о неисправностях.
Все проектные решения должны соответствовать действующим отраслевым стандартам, таким как ГОСТ Р 53778-2010, определяющим требования к системам бесперебойного питания.
Раздел 3. Разработка структурной схемы ЭПУ и обоснование выбора компонентов
На основе проанализированных требований была разработана структурная схема ЭПУ, представленная в виде функциональных блоков. Она включает в себя ввод от основной сети, выпрямительные модули, аккумуляторную батарею, щит распределения постоянного тока и систему контроля и управления.
Структурная схема: [Ввод от сети] -> [Выпрямительные модули] -> [Аккумуляторная батарея (параллельно)] -> [Щит распределения] -> [Нагрузка]. Ключевые узлы объединены под управлением [Системы мониторинга].
В качестве основы выбрана модульная архитектура. Такой подход обеспечивает высокую ремонтопригодность за счет возможности «горячей» замены неисправных компонентов без прерывания питания нагрузки, а также позволяет легко масштабировать мощность системы в будущем путем добавления новых модулей.
Кратко поясним функции каждого блока:
- Выпрямительные модули: Преобразуют переменное напряжение промышленной сети в стабилизированное постоянное напряжение (-48 В), необходимое для питания телекоммуникационного оборудования и подзаряда АКБ.
- Аккумуляторная батарея (АКБ): Накапливает энергию и мгновенно отдает ее в нагрузку при пропадании напряжения на выходе выпрямителей.
- Щит распределения: Обеспечивает защищенное распределение электроэнергии по конечным потребителям (стойкам с оборудованием).
- Система мониторинга: Контролирует все ключевые параметры системы (напряжение, ток, температуру, состояние АКБ) и сигнализирует о неисправностях.
На концептуальном уровне сделан выбор в пользу современных технических решений. Для выпрямительных устройств выбрана технология широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которая обеспечивает высокий КПД (более 90%) и малые габариты. В качестве АКБ выбраны герметизированные свинцово-кислотные батареи типа VRLA (AGM), которые являются отраслевым стандартом и представляют собой оптимальный компромисс между стоимостью, надежностью и сроком службы.
Раздел 4. Расчет электрических нагрузок и определение полной мощности ЭПУ
Первым шагом детального проектирования является точный расчет суммарной мощности, потребляемой всем оборудованием дома связи. Это значение является основой для последующего выбора выпрямителей и АКБ. Для этого составим таблицу оборудования с указанием его номинальной мощности и коэффициента спроса.
Коэффициент спроса (Kc) — это безразмерная величина, учитывающая, что не все оборудование работает на полную мощность одновременно. Для активного сетевого оборудования он обычно принимается равным 1,0, а для вспомогательных систем может быть ниже.
| Оборудование | Кол-во, шт. | Ном. мощность (Pном), Вт | Kc | Расч. мощность (Pрасч), Вт |
|---|---|---|---|---|
| Маршрутизатор | 2 | 800 | 1.0 | 1600 |
| Коммутатор доступа | 10 | 450 | 0.9 | 4050 |
| Сервер мониторинга | 1 | 500 | 1.0 | 500 |
| Суммарная рабочая мощность (Pраб) | 6150 Вт | |||
Таким образом, суммарная рабочая мощность оборудования составляет 6150 Вт. Однако это мощность, потребляемая непосредственно нагрузкой. Выпрямительные устройства должны обеспечивать не только эту мощность, но и компенсировать потери на преобразование, а также обеспечивать ток для заряда АКБ. Современные выпрямители имеют КПД (η) на уровне 92-96%. Примем η = 0.92.
Полная мощность, которую должны обеспечивать выпрямители (без учета тока заряда АКБ, который рассчитывается отдельно), определяется по формуле:
Pполн = Pраб / η = 6150 Вт / 0.92 ≈ 6685 Вт
Теперь можно рассчитать полный потребляемый нагрузкой ток (Iнагр) при номинальном напряжении питания 48 В. Этот ток будет использоваться для расчета выпрямителей и АКБ.
Iнагр = Pраб / Uном = 6150 Вт / 48 В ≈ 128.1 А
Округляем до 129 А. Это и есть базовое значение тока нагрузки.
Раздел 5. Расчет и выбор выпрямительных устройств
На основе рассчитанного тока нагрузки (129 А) и требований к напряжению (-48 В) мы можем сформулировать требования к выпрямительным устройствам и рассчитать их необходимое количество. Для обеспечения первой категории надежности применяется схема резервирования N+1. Это означает, что система комплектуется N рабочими модулями, способными обеспечить 100% нагрузки, и одним дополнительным резервным модулем, который находится в «горячем» резерве и мгновенно включается в работу при отказе одного из основных.
Для нашего проекта выберем стандартные выпрямительные модули с выходным током 50 А каждый. Рассчитаем необходимое количество рабочих модулей (N):
N = Iнагр / Iмодуля = 129 А / 50 А = 2.58
Округляем значение вверх до ближайшего целого, получаем N = 3.
Таким образом, для питания всей нагрузки необходимо 3 рабочих модуля. Согласно схеме резервирования N+1, общее количество модулей в системе будет:
Nобщ = N + 1 = 3 + 1 = 4 модуля
Итак, для ЭПУ выбирается корзина с возможностью установки минимум 4 выпрямительных модулей по 50 А каждый. Общий установленный ток системы составит 4 * 50 А = 200 А, что обеспечивает достаточный запас по мощности и току для питания нагрузки и одновременного заряда АКБ.
Выбранный тип выпрямителей (например, ВУК на основе ШИМ-преобразователей) должен обладать следующими ключевыми характеристиками:
- Высокий КПД (не менее 92%) для снижения энергопотребления и тепловыделения.
- Широкий диапазон входного напряжения для стабильной работы в условиях нестабильной сети.
- Высокая точность стабилизации выходного напряжения (обычно не хуже 1-2%), что критично для телеком-оборудования.
- Возможность работы в режиме стабилизации тока для корректного заряда АКБ.
Данное решение с резервированием N+1 полностью соответствует требованиям технического задания по надежности.
Раздел 6. Расчет параметров и выбор аккумуляторной батареи
Аккумуляторная батарея является сердцем системы бесперебойного питания. Ее задача — обеспечить электроснабжение нагрузки в течение заданного времени (4 часа) при пропадании внешней сети. Расчет требуемой емкости АКБ — одна из самых ответственных задач проектирования.
Расчет емкости (C) производится по следующей формуле:
C = (Iнагр * T * Kст * Kт) / Kг
Где:
- Iнагр — ток нагрузки, А (рассчитан ранее, 129 А).
- T — требуемое время автономии, ч (задано, 4 ч).
- Kст — коэффициент старения (учитывает снижение емкости к концу срока службы, обычно 1.25).
- Kт — температурный коэффициент (для +20 °C равен 1.0).
- Kг — коэффициент глубины разряда (зависит от времени разряда и конечного напряжения, для многочасовых разрядов можно принять равным ~0.95).
Подставим наши значения в формулу:
C = (129 А * 4 ч * 1.25 * 1.0) / 0.95 ≈ 679 А·ч
Таким образом, нам необходима аккумуляторная батарея с расчетной емкостью не менее 679 А·ч. Исходя из этого значения, подбирается ближайшая по емкости стандартная батарея из каталога производителя, например, 700 А·ч.
Далее необходимо определить количество аккумуляторов в одной цепи (группе). Стандартное напряжение системы — 48 В. Чаще всего используются 12-вольтовые моноблоки. Конечное напряжение разряда на один 2-вольтовый элемент не должно опускаться ниже ~1.75-1.8 В. Для 12-вольтового моноблока это составит ~10.5-10.8 В. Количество моноблоков в цепи рассчитывается просто:
n = Uном_системы / Uном_акб = 48 В / 12 В = 4 шт.
Итоговый выбор: для обеспечения автономной работы в течение 4 часов необходимо установить одну группу аккумуляторных батарей, состоящую из 4 последовательно соединенных 12-вольтовых моноблоков типа VRLA (AGM) емкостью 700 А·ч каждый.
Раздел 7. Анализ показателей надежности спроектированной ЭПУ
Цель этого раздела — доказать, что спроектированная система с резервированием ключевых узлов соответствует требуемой первой категории надежности. Для этого используются стандартные показатели надежности.
- Средняя наработка на отказ (MTBF — Mean Time Between Failures): Время, которое система в среднем работает безотказно.
- Среднее время восстановления (MTTR — Mean Time To Repair): Среднее время, необходимое для ремонта и восстановления работоспособности.
- Коэффициент готовности (Availability): Вероятность того, что система будет в работоспособном состоянии в произвольный момент времени. Рассчитывается как Kг = MTBF / (MTBF + MTTR).
Телекоммуникационное оборудование требует чрезвычайно высокого коэффициента готовности, который часто выражается в «девятках». Целевой показатель — 99.999% (пять девяток), что соответствует простою не более 5-6 минут в год.
Приведем типовые значения MTBF для компонентов. Для одного выпрямительного модуля MTBF составляет около 300 000 часов. Для системы без резервирования это и был бы показатель надежности. Однако мы применили схему резервирования N+1 (3+1). Для такой резервированной системы общий MTBF рассчитывается по более сложным формулам, но результат на порядки выше. MTBF системы избыточных выпрямителей может достигать десятков миллионов часов.
С учетом высокой надежности АКБ и других пассивных элементов, а также благодаря модульной архитектуре, обеспечивающей низкий MTTR (время восстановления сводится ко времени замены модуля, ~0.5-1 час), итоговый коэффициент готовности спроектированной ЭПУ будет стремиться к очень высоким значениям.
Kг_системы = 99.999% и выше
Вывод: Спроектированная ЭПУ, использующая модульную архитектуру, схему резервирования выпрямителей N+1 и качественные компоненты, полностью соответствует и даже превышает требования технического задания по надежности, обеспечивая коэффициент готовности на уровне 99.999% или выше, что является стандартом для критически важных объектов связи.
Раздел 8. Заключение
В ходе выполнения данной курсовой работы была решена задача проектирования электропитающей установки для дома связи, отвечающей высоким требованиям по производительности и надежности.
Были получены следующие ключевые результаты:
- Проведен анализ технического задания и обоснованы требования к системе, соответствующие первой категории надежности электроснабжения.
- Рассчитана суммарная электрическая мощность нагрузки, составившая 6150 Вт, и полный ток нагрузки 129 А.
- На основе расчетов выбраны выпрямительные устройства и применена схема резервирования N+1. Итоговая конфигурация включает 4 выпрямительных модуля по 50 А каждый.
- Выполнен расчет и осуществлен подбор аккумуляторной батареи. Для обеспечения 4 часов автономной работы требуется АКБ емкостью не менее 679 А·ч.
- Проведенный анализ показателей надежности подтвердил, что коэффициент готовности спроектированной системы превышает требуемое значение в 99.999%.
Главный вывод работы заключается в том, что спроектированная электропитающая установка полностью соответствует требованиям технического задания. Выбранные технические решения, такие как модульная архитектура и резервирование, обеспечивают необходимый уровень отказоустойчивости, масштабируемости и ремонтопригодности. В качестве возможного направления для дальнейшего усовершенствования проекта можно рассмотреть внедрение более продвинутой системы удаленного мониторинга с предиктивной диагностикой состояния АКБ.
Список литературы
- «Проектирование электропитающей установки дома связи». Часть 1. «Разработка технических данных и функциональных схем ЭПУ». Методические указания к курсовому проектированию.
- «Проектирование электропитающей установки дома связи». Часть 2. «Расчет элементов ЭПУ. Размещение оборудования. Сметно-финансовый расчет». Методические указания к курсовому проектированию.
- Тюрморезов В. Е. Источники электропитания устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. 2-е изд. М.: Транспорт, 1978.
- Дмитриев В. Р., Смирнов В. Н. Электропитающие устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Справочник. М.: Транспорт, 1983.