Вернуться на страницу Питание

Автор: Головко В.В.
к.т.н., руководитель направления
DС систем ТХ "Электросистемы"

Согласно материалам журнала Электросистемы 1(3) 2001; 2(4) 2001

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ
ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ.

      Когда мы решаем проблему надежности таких комплексов, как телекоммуникационное оборудование в совокупности с электропитающими установками (ЭПУ), обеспечивающими бесперебойное электроснабжение, то главным является правильное определение размерности ЭПУ, то есть тех количественных параметров, которые связаны с возможностью преобразовать и пропустить через элементы коммутации, защиты и распределения необходимую величину мощности.

      Эти количественные параметры размерности являются определяющими для таких важных показателей системы, как надежность и безопасность. Базовые элементы ЭПУ, такие как аккумуляторные батареи, выпрямители, кабели переменного и постоянного тока, автоматы защиты (плавкие вставки) и т.д. должны быть определены в результате точных расчетов. В предлагаемой серии статей нами будут рассмотрены наиболее важные аспекты определения размерности и задача оптимизации указанных количественных параметров ЭПУ, в том числе и по экономическим показателям.

      Нам представляется, что эти материалы будут полезны, в первую очередь, специалистам по электроснабжению на телекоммуникационных предприятиях, проектировщикам ЭПУ для телекоммуникаций, а также широкому кругу специалистов, интересующимся вопросами бесперебойного электропитания.

      Мы планируем серию статей по данной тематике, которую начинаем в этом номере журнала. В следующих номерах журнала будет опубликовано продолжение серии, в котором будут представлены некоторые методы определения величин и оптимизации таких показателей, как ток нагрузки и ток разряда батарей, емкость батарей и необходимое количество выпрямительных модулей.

---

1. Введение.

      Определение размерности ЭПУ для телекоммуникаций состоит из следующих шагов (смотри диаграмму алгоритма на рис.1):
      - задание потребления (тока или мощности) (1 шаг на диаграмме);
      - определение размера аккумуляторных батарей (2,3,4 шаги);
      - определение размера выпрямительных модулей (5,6,7,8 шаги);
      - определение размера кабельных соединений (9,10,11,12,13 шаги);

      Входными данными для вычисления размеров являются следующие:
      - токи нагрузок;
      - количество элементов батареи;
      - количество батарейных групп (батарей, работающих параллельно);
      - требуемое время работы от резервного источника (батареи) в час;
      - желательный срок службы батарей (лет);
      - время заряда батареи после полного разряда (t_зар. ~ 16-20 часов);
      - коэффициент эффективности заряда батареи (f_зар. ~ 1,1…1,2);
      - выходные токи выпрямительных модулей (А), которые могут быть использованы;
      - допустимое падение напряжения на кабелях нагрузок (U);
      - длина кабелей.

      В результате расчетов могут быть получены следующие данные:
      - емкость батареи (А-ч);
      - требуемое количество выпрямительных модулей;
      - тип системного кабинета, суммарный ток кабинета (А);
      - количество кабинетов;
      - значения токов и мощности;
      - требуемое сечение кабелей (мм2);
      - номинальные значения плавких вставок (защитных автоматов) нагрузок и батареи.

      Приведем несколько определений, используемых в процедуре планирования системы

      Потребляемая мощность телекоммуникационного оборудования (либо ток потребления).
      Здесь необходимо принимать во внимание при расчетах возможное дальнейшее увеличение потребления при развитии телекоммуникационной системы.
      Все нагрузки могут быть разбиты на 2 группы:
      - линейные нагрузки (аналоговые АТС и т.д.), ток потребления которых прямо пропорционален напряжению питания,
      - нелинейные нагрузки (электронные АТС, передающее оборудование, ДС/ДС преобразователи, инверторы), ток нагрузки которых обратно пропорционален напряжению питания (постоянная потребляемая мощность)

Режимы работы ЭПУ и рабочие напряжения.

      Режимы работы:
      - режим подзаряда буферной батареи;
      - режим разряда батареи;
      - режим заряда батареи после разряда.

      Рабочие напряжения:
      - номинальное напряжение ЭПУ (U_ном.);
      - напряжение подзаряда (U_пдзр);
      - среднее напряжение разряда (U_ср.р.);
      - конечное напряжение разряда (U_ср.к.);
      - напряжение ускоренного заряда (U_уск.з).

Номинальное напряжение (U_ном.)

      В области телекоммуникаций нашли широкое применение системы с номинальным напряжением 48В. Существуют также системы с номинальным напряжением 24В и 60 В. Ток нагрузки телекоммуникационного оборудования определяется относительно номинального напряжения, тое есть в частном случае относительно напряжения 48В (I48 )

Напряжение подзаряда (U_пдзр)

      Значение напряжения подзаряда связано с типом и технологией производства используемой в системе батареи. Для используемых в телекоммуникациях батареях это напряжение на элемент составляет 2,23 В/эл. ( при температуре 20 град. С). Система с номинальным напряжением 48В использует в большинстве случаев батарею с 24 элементами, откуда следует, что в нормальных условиях работы напряжение будет равно: 24х2,23В=53,5В. В зависимости от изготовителя батарей, это напряжение может слегка изменяться, поэтому для расчета ЭПУ надо всегда использовать спецификацию (или паспорт) на конкретную батарею.

Среднее напряжение разряда батареи (U_{разр. ср.})

      Напряжение батареи будет постепенно уменьшаться при разряде. Вначале напряжение подзаряда 2,23В/эл относительно быстро упадет до значения 1,9-2,0 В/эл, которое к концу разряда уменьшится до величины порядка 1,8В/эл ( в случае 10-ти часового разряда) . Принимая во внимание тот факт, что резервное время работы от батареи в первую очередь зависит от разрядного ока, важны аспектом является определение значения напряжения, при котором происходит разряд. Значение 1,9В/эл довольно близко к среднему значению и это значение должно быть принято для расчета батареи.

Конечное напряжение разряда батареи (U_{разр. кон.})

      Конечное напряжение батареи зависит от типа батареи и от времени разряда. Значение напряжение при разряде в течение 10 часов приблизительно равно 1,8В/эл. Тогда конечное напряжение батареи равно 24 x 1.8В=43.2В. В случае более короткого времени разряда ячейка может быть разряжена до более низкого напряжения и напряжение се батареи также будет ниже.

Напряжение ускоренного заряда (U_{ускор зар})

      В общем случае напряжение ускоренного разряда равно 2.33-2.4 В/эл. Таким образом уровень напряжения в этом режиме будет 24x2.33В=55.92В. Герметизированные батареи (гелевые или по технологии AGM) обычно не требуют режима ускоренного заряда.

      2. Определение размерности системы. Определение токов.
(Алгоритм на рис.1, шаги 1,2).

      При определении тока разряда в общем случае должны быть учтены токи линейных и нелинейных нагрузок. Ток разряда батареи зависит от следующих параметров
      1. Количества элементов в аккумуляторной батареи
      2. Среднего значение разрядного напряжения
      3. Количества параллельно включенных батарей

      При расчете тока линейной нагрузки необходимо учитывать, что в процессе разряда ток нагрузки будет уменьшаться

      Ток нелинейной нагрузки. Электронные АТС являются нагрузкой другого типа. DC/DC преобразователи, которые имеют постоянную мощность потребления, стоят на входах по питанию в таких АТС. Это означает, что ток нагрузки будет возрастать в процессе разряда (с уменьшением напряжения)

I_{разр ср} = I₄₈ x U_ном / N_эл Х U_{разр ср} = I₄₈ x 48/24 x 1,9    (1)

      Из последнего уравнения можно видеть, что в зависимости от напряжения на батареи ток разряда будет больше номинальной величины. При этом в уравнении надо использовать среднее значение напряжения разряда (1,9 В/эл).

      В случае, когда используется несколько батарей, соединенных параллельно (К бат групп), то

I_{разр ср} = I₄₈ x U_ном / N_эл Х U_{разр ср} х К_{бат групп}    (2)

 

       2.2 Определение размерности аккумуляторных батарей
      (Алгоритм на Рис. 1, шаги 3, 4)

      Кривые зависимости времени разряда от разрядного тока имеют нелинейный характер. Поэтому в случае, когда время разряда отличается от 10 часов, требуемая емкость в Ампер-часах не может быть определена методом простого перемножения. Так как в процессе определения размерности необходимо принимать во внимание разрядное напряжение, то целесообразно производить такое определение на базе таблиц с разрядными характеристиками, выпускаемых фирмами-изготовителями батарей. В таблице 1 в качестве примера представлена часть таблиц для аккумуляторных батарей типа OPzV (гелевые).

Ток разряда (A) (1,8В/эл)

Таблица 1

Часы Тип (A-ч) 3 5 8 10 2000 478 345 240 204 2500 598 432 300 255 3000 717 518 360 306

      Основные параметры, необходимые для определения размерности батарей, следующие:

• Резервное время (t _разряд)
• Ток разряда (I _разряд )
• Конечное напряжение разряда (U_{разр. кон.})
• Среднее напряжение разряда (U_{разр. ср.})
• Требуемый срок службы батареи

      Первым шагом по выбору оптимального типа батарей является требуемый срок службы и заданное резервное время. Для телекоммуникационных систем обычно используются батареи типа OPzV или OPzS, принимая во внимание, что заданное резервное время обычно 4-10 часов и требуемый срок службы батарей составляет 10-15 лет.

      В случае более короткого времени разряда возможно было бы полезно выбрать различные типы аккумуляторных батарей с более низким внутренним сопротивлением. Выбрав тип батареи и целесообразное конечное напряжение из таблиц разряда (например 1,8В/эл) находят в таблице ближайшее значение заданного тока разряда; тогда соответствующую требуемую емкость батареи нужно найти в колонке с соответствующим временем разряда (см. Табл. 1). Если заданное время разряда отсутствует в таблице, то для получения результата нужно воспользоваться интерполяцией.

      Обычно в общем случае можно рекомендовать выбрать батарею с большей емкостью среди найденных в таблице значений емкости, принимая во внимание тот факт, что емкость батареи будет снижаться по мере выработки ресурса батареи.

      Однако из соображений экономии средств на закупку ЭПУ полезно оценить всегда ли целесообразно округлять значение вверх. Во-первых, точное достижение заданного значения резервного времени не всегда является базовым требованием в системе, во-вторых, во многих случаях расчет тока разряда базируется только на оценках (например, в перспективе последующего увеличения нагрузки) и весьма часто бывают завышенными. Кроме того, в начальный период эксплуатации емкость батареи нарастает, а также вполне возможно на практике, что планируемое увеличение потребляемого тока в связи с расширением коммутационного оборудования за несколько лет будет не таким большим вследствие проводимых параллельно разработок новых образцов указанного оборудования с меньшим потреблением.

      Если все же принимается решение о выборе батареи с большим значением емкости, то следует учитывать следующие негативные последствия для системы электропитания в целом.

• Увеличенные вес и габариты оборудования
• Увеличенная цена батарей
• Увеличенный ток заряда и увеличенная цена выпрямителей
• Увеличенные требования к потребляемой от первичной сети мощности

      2.3  Определение размерности выпрямительных модулей.

      Алгоритм. Рис. 1 (шаги 5-8) ["Электросистемы" №1(3), 2001]

      Полный ток выпрямительных модулей состоит из следующих составляющих

• Ток нагрузки при напряжении подзаряда (Iн-пдзр)
• Ток заряда батарей (Iзрд)

I н-пдзр = I48 x U ном/Uпдзр = I48 x 48/(24x2,23)

(3)

I зрд = С10 x fзар/tзар = С10 x 1,1/16 = 0,07x С10

(4)

      Где:
      t_зар = требуемое время заряда (~16 часов)
      f_зар = коэффициент эффективности заряда батарей (1,1..1,2)
      C₁₀ = номинальная емкость батареи (A-ч)

      Полный ток системы на уровне напряжения подзаряда:

I сист = I н-пдзр + I зрд

(5)

      Пример 1

      Для примера зададим:
      t _разряд=8 часов, I₄₈=300A:
      Расчетный ток разряда
      I _{разр. ср.} =316A
      Значения токов,найденных в таблице 2: 300A и 360A
      Соответствующие таким токам и времени емкости батареи равны соответственно 2500A-ч и 3000A-ч.
      Рекомендуемое значение для выбора: 2500A-ч

      При планировании батарейного модуля электропитающих установок важно обеспечить возможность дальнейшего увеличения емкости в будущем. Количество батарейных групп, которые должны быть подключены к ЭПУ, зависит от числа и допустимого тока батарейных защитных плавких вставок, установленных в кабинете ЭПУ. Необходимо также принять во внимание, что по причинам высоких требований к надежности и безопасности в ЭПУ для телекоммуникаций должны быть установлены как минимум две батарейные группы.

      Если ЭПУ обеспечивается возможность подключения более, чем двух батарейных групп с целью наращивания емкости, тогда емкость батареи на первом этапе должна выбираться с учетом того обстоятельства, что наращивание должно проводиться батареями такой же емкости.

      Определение выпрямителй

      После определения требуемого полного тока может быть принято решение о выборе типа ЭПУ и о мощности выпрямительных модулей, обеспечивающих заданные требования по электропитанию.

      При принятии решения следует принять во внимание следующие соображения:

      2.3.1   Система должна допускать дальнейшее расширение по мощности
      2.3.2  Требуется ли в соответствии с данными от заказчика избыточность (n+1) для обеспечения резервирования?
      2.3.3  Какие типы модулей будут оптимальны для данного случая?
      2.3.4  Каково оптимальное количество модулей выпрямителей?

      2.3.1 Способность системы наращивать мощность.

      Это свойство означает, что первоначально спроектированный системный кабинет должен допускать установку дополнительных выпрямителей в будущем, а также возможность наращивания емкости батарей за счет добавления групп, и тем самым способность обеспечить возросшие требования по мощности, потребляемой нагрузками.

      2.3.2 Избыточность(n-1).

      При определении необходимого числа модулей следует принять во внимание что по соображением безопасности минимальное допустимое количество установленных модулей должно быть не менее 2-(n+1>2 !)

      В общем случае для ЭПУ в телекоммуникациях существует требование по обеспечению электроснабжения и в случае отказа одного выпрямительного модуля, то есть требование по устойчивости к одиночному отказу:

(n выпр - 1) x I выпр > I н-пдзр

(6)

      где I _выпр - суммарный ток всех выпрямителей, установленных в системе.

      Количество выпрямительных модулей n+1 может иметь два варианта интерпретации:

• "+1" выпрямитель это тот, который обеспечивает зарядный ток батареи или только часть этого тока). Если этот модуль отказывает, то система может продолжать работу и только зарядный ток станет меньше (увеличиться время заряда батареи).
• В соответствии с другой интерпретацией "+1" выпрямитель должен быть добавлен в систему сверх того количества, которое было рассчитано исходя из полного обеспечения нагрузки и внутренней потребности на заряд полностью разряженной аккумуляторной батареи в пределах заданного времени заряда. Это означает, что система обеспечит заданное время заряда даже в случае отказа одного модуля выпрямителя. Однако в данном случае может неоправданно возрасти требование к току в первичной сети, так как после пропадания сети и разряда батареи для ее заряда будут использованы все модули ( в том числе и "+1"), если, конечно, он не отказал к этому моменту.

      2.3.3 Выбор оптимального типа выпрямительного модуля.

      Если имеется такая возможность, то должен быть выбран такой ток выпрямителя, чтобы не требовалось обеспечивать включение в параллель слишком большого числа выпрямителей, даже в будущем на стадии запланированного умощнения системы. В то же время с точки зрения обеспечения резервного модуля не рационально использовать выпрямители с очень большим выходным током.

      2.3.4 Оптимальное количество модулей выпрямителя.

      Формула для расчета числа выпрямительных модулей следующая:

n выпр = I сист / I выпр мод= (I н-пдзр + I зрд ) / I выпр мод

(7)

      Конечно значение „n" может не быть целым. С точки зрения безопасности кажется выгодным всегда округлять значение в большую сторону. Однако такой подход может привести к существенному увеличению затрат на ЭПУ, особенно в том случае, когда такое увеличение количества модулей приведет к переходу на следующий типоразмер системного кабинета или потребует установить дополнительный кабинет. Кроме роста стоимости оборудования вырастет и занимаемая площадь в помещении и возрастают требования к первичной сети переменного тока. Поэтому необходимы дополнительные проверки в каждом конкретном случае при необходимости такого округления. Пример 2 (расчет в соответствии с данными из Примера 1) Емкость батареи возьмем 2500Ah: I48=300, I н-пдзр =269A, I зрд =187A, I сист =456A

      Пример 2
      (расчет в соответствии с данными из Примера 1)

      Емкость батареи возьмем 2500Ah:
      I₄₈=300,
      I _н-пдзр =269A,
      I _зрд =187A,
      I _сист =456A

      Если ток одиночного выпрямительного модуля 120A, тогда расчетное число выпрямителей должно быть:

n выпр = 456А/120А = 3,84   ё  4 шт

(8)

      Проверка на избыточность:

(4-1) x 120 > 269 - Допустимо!

(9)

 

(Продолжение следует)

 

      Литература

[1] ГОСТ 5237-83. Аппаратура электросвязи. Напряжение питания и методы измерений
[2] ГОСТ 13109-87. Электрическая энергия. Требования к качеству электрической энергии в электрических сетях обего назначения.
[3] ГОСТ 29322-92 (МЭК 38-83). Стандартные напряжения
[4] ВСН 332-93 Ведомственные строительные нормы Минсвязи РФ. Инструкция по проектированию электроустановок предприятий и сооружений электросвязи, проводного вещания, радиовещания и телевидения.
[5] С. Уайндер. Справочник по технологиям и средствам связи, М, Мир, 2000

 

Вернуться на страницу Питание