Разработка универсального источника бесперебойного питания

1. Техническая часть. Обоснование обеспечения условий ТЗ

1.1 Обзор аналогов изделия

1.2 Обзор и анализ структурных схем систем бесперебойного питания. Описание структурных схем

1.3 Обоснование выбора элементов схемы

1.3.1 Выбор резисторов

1.3.2 Выбор конденсаторов

1.3.3 Выбор индуктивности и трансформаторов

1.3.4 Выбор активных элементов

1.4 Расчет печатной платы

1.4.1 Расчет площади печатной платы

1.4.2 Расчет параметров металлизированных отверстий

1.4.3 Расчет ширины печатных проводников

1.4.4Тепловой расчет

1.4.5 Расчет надежности устройства

2. Описание структурной схемы источника бесперебойного питания

2.1 Назначение

2.2 Устройство и принцип работы

2.3 Назначения узлов ИБП

2.4 Режимы работы ИБП

2.5 Средства индикации и коммуникации

2.6 Программное обеспечение

2.7 Основные функции

3. Экономический расчет

3.1 Анализ рынка

3.2 Расчет уровня качества. Основные технические параметры устройства

3.3 Определение важности каждого показателя

3.4 Расчет себестоимости устройства

3.5 Расчет затрат на приобретение материалов

3.6 Расчет расходов на покупные изделия и полуфабрикаты

3.7 Расчет основной заработной платы

3.8 Дополнительная заработная плата рабочих

3.9 Отчисление на социальное страхование

3.10 Общепроизводственные затраты

3.11 Административные расходы

3.12 Расходы на сбыт

3.13 Определение цены изделия

3.14 Определение минимального объема производства продукции

4. Охрана труда Выводы Перечень ссылок Приложение, А Приложение Б

Целью дипломного проекта является разработка универсального источника бесперебойного питания (далее ИБП). Его универсальность заключается в том, чтобы он мог использоваться в любой аппаратуре мощностью до 600 Вт, начиная с персонального компьютера и заканчивая медицинской аппаратурой.

К основным критериям разработки источника бесперебойного питания стоит отнести надежность и стойкость к внешним воздействиям (в частности, к вибрационным и ударным нагрузкам).

Для повышения надежности блока, при его проектировании, предлагается:

— обеспечить легкие электрические, тепловые рабочие режимы деталей и материалов конструкции, их правильный выбор;

— обеспечить надежную защиту от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов;

— широко использовать интегральные микросхемы (далее ИМС), а также стандартные компоненты;

— обеспечить ремонтопригодность изделия, используя функционально-узловой метод конструирования.

При создании электронного устройства отдельного класса и назначения (электронно-вычислительные машины, медицинская и бытовая электронная техника, средства автоматизации) источник обеспечения гарантированного питания может быть подобран из тех, которые выпускаются серийно. Однако, когда по эксплуатационным, конструкторским или другим характеристикам источника бесперебойного питания, которые выпускаются серийно, не удовлетворяют потребностям потребителя, необходимо разработать новый, с учетом всех правил, специфических для этого вида.

1. Техническая часть. Обоснование обеспечения условий ТЗ

Исходя из назначения проектируемого устройства и специфики области его применения, рассмотрим основные критерии, согласно которым будет вестись последующая разработка.

К основным критериям разработки источника бесперебойного питания стоит отнести надежность и стойкость к внешним воздействиям (в частности, к вибрационным и ударным нагрузкам).

Для повышения надежности блока, при его проектировании, предлагается:

— обеспечить легкие электрические, тепловые рабочие режимы деталей и материалов конструкции, их правильный выбор;

— обеспечить надежную защиту от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов;

— широко использовать интегральные микросхемы (далее ИМС), а также стандартные компоненты;

— обеспечить ремонтопригодность изделия, используя функционально-узловой метод конструирования.

На ранней стадии, процесс проектирования заключаться в рассмотрении подобных систем с подбором технологии электропитания. Перечислим факторы, что влияют на этот этап:

— стоимость;

— масса и размеры;

— коэффициент полезного действия блока питания;

— входное напряжение;

— срок действия аккумуляторной батареи;

— необходимое качество выходящего напряжения;

— время, необходимое для выхода продукции на рынок.

С целью обеспечения эстетических и эргономичных показателей, предлагается использовать современный дизайн.

Для обеспечения заданных климатических и механических требований предлагается использовать элементную базу и материалы, учитывая предельные внешние воздействия, которые негативно влияют на работоспособность изделия.

1.1 Обзор аналогов изделия

Одним из аналогов изделия являются ИБП PW5125RM и PW5115RM производства фирмы Powerware. Они также предназначены для крепления в серверную стойку и имеют выходную мощность 1000ВА. Другие технические характеристики можно привести в виде таблицы.

Таблица 1.1 — Характеристики ИБП

Данные ИБП имеют хорошие параметры и высокую цену. Поэтому, возникает необходимость в дешевых и надежных ИБП, которые не уступают по характеристикам их зарубежным аналогам и даже превосходят.

1.2 Обзор и анализ структурных схем систем бесперебойного питания. Описание структурных схем

Источник бесперебойного питания — автоматическое устройство, которое обеспечивает питание нагрузки при полном исчезновении напряжения во внешней электросети, например в результате аварии или от недопустимо высокого отклонения параметров напряжения сети от номинальных значений. Пари этом ИБП использует для аварийного питания нагрузки энергию аккумуляторных батарей.

Рассмотрим несколько основных типов построения структурных схем ИБП:

— ИБП резервного типа;

— линейно-интерактивный ИБП;

— ИБП с двойным преобразованием напряжения;

— ИБП резервного типа (Off-Line или standby);

— ИБП типа Off-Line.

Рисунок. 1.1 — ИБП типа Off-Line

Источник бесперебойного питания, выполнен по схеме с коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней электросети, а в аварийном переводит ее на питание от аккумуляторных батарей.

Преимуществом ИБП резервного типа является его простота и невысокая стоимость, а недостатком — ненулевое время переключения (~4 мс) на питание от аккумуляторов и более интенсивная их эксплуатация, потому что ИБП переводится в аварийный режим при любых неисправностях в электросети.

ИБП резервного типа, как правило, имеет небольшую мощность и применяется для обеспечения гарантированного электропитания отдельных устройств (персональных компьютеров, рабочих станций, офисного оборудования) в регионах с хорошим качеством электросети.

Линейно-интерактивный (Line-Interactive) .

Источник бесперебойного питания, выполненный за схемой с коммутирующим устройством (Off-Line), дополненный стабилизатором входного напряжения на основе автотрансформатора с переключающимися обмотками.

Рисунок. 1.2 — ИБП, тип Line-Interactive

Основное преимущество линейно-интерактивного ИБП по сравнению с источником резервного типа заключается в том, что он способен обеспечить нормальное питание нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети (самый распространенный вид неисправностей в отечественных линиях электроснабжения) без перехода в аварийный режим. В итоге повышается срок службы аккумуляторных батарей. Недостатком линейно-интерактивной схемы является ненулевое время переключения (~4 мс) нагрузки на питание от батарей.

По эффективности линейно-интерактивные ИБП занимают промежуточное значение между простыми и относительно дешевыми резервными источниками (Off-Line) и высокоэффективными, но и более дорогими источниками с двойным преобразованием напряжения (On-Line). Как правило, линейно-интерактивные ИБП применяют для обеспечения гарантированного питания персональных компьютеров, рабочих станций, файловых серверов, узлов локальных вычислительных сетей и офисного оборудования. Механизм автоматической регулировки напряжения построен на основе автотрансформатора с переключающимися обмотками. Применяется в ИБП, собранных по линейно-интерактивной схеме, для ступенчатой корректировки входного напряжения в сторону его повышения. Число обмоток регулятора определяет диапазон входных напряжений, при которых ИБП обеспечивает нормальное питание нагрузки без перехода в аварийный режим работы. В ИБП такой структуры, в среднем, диапазон допустимого изменения входного напряжения составляет от -20% к +20% от номинального значения 220 В.

ИБП с двойным преобразованием напряжения (On-Line)

Источник бесперебойного питания, в котором входное переменное напряжение сначала преобразуется выпрямителем в постоянную, а затем посредством инвертора опять в переменную — является источником с двойным преобразованием напряжения (энергии) (On-Line). Аккумуляторная батарея постоянно подключена к выходу выпрямителя и ко входу инвертора и питает последний в аварийном режиме.

Такая схема построения ИБП позволяет обеспечить практически идеальное питание нагрузки при любых неполадках в сети (включая фильтрацию высоковольтных импульсов и электромагнитных помех) и характеризуется нулевым временем переключения в аварийный режим без возникновения переходных процессов на выходе устройства.

К недостаткам схемы с двойным преобразованием напряжения стоит отнести ее сравнительно большую сложность и как следствие — более высокую стоимость.

ИБП On-Line типа применяют в случаях, когда из-за тех или иных причин, имеются повышенные требования к качеству электропитания нагрузки, которая может быть в роли узлов локальных вычислительных сетей (сетевое оборудование, файловые серверы, рабочие станции, персональные компьютеры), оборудование вычислительных залов, системы управления технологическим процессом. По схеме с двойным преобразованием (On-Line) построены, например, модели PW5125RM компании Powerware. Они оснащены плавным стабилизатором входного напряжения, благодаря которому диапазон допустимых значений входного напряжения, при которых источник не переходит на питание от батарей, составляет от 166 до 276 Вольт.

Рисунок. 1.3 — ИБП, тип On-Line.

В таких схемах присутствует режим Bypass — питание нагрузки отфильтрованным напряжением электросети в обход основной схемы ИБП. Переключение в режим Bypass, который поддерживается внутренней схемой ИБП или специальным внешним модулем, может выполняться автоматически или вручную. ИБП, который имеет соответствующую встроенную схему, автоматически переходит в режим Bypass по команде устройства управления, при перегрузке электросетей или при выявлении неисправности в важных узлах ИБП. Таким способом нагрузка защищается не только от сбоев в электросети, но и от неполадок в самом ИБП. Возможность ручного включения режима Bypass предусматривается на случай проведения профилактического обслуживания ИБП или замены его узлов без отключения нагрузки.

Схема типа Off-Line является более простой и дешевой. Соответственно разрабатываемый в данном дипломном проекте источник бесперебойного питания тоже построим по этому принципу.

Однако усовершенствованные узлы функциональной схемы и соответственно характеристики позволят получить более востребованное и конкурентно-способное изделие с лучшими параметрами эксплуатации и меньшей ценой, чем его зарубежные аналоги.

1.3 Обоснование выбора элементов схемы

Источник бесперебойного питания должен обеспечивать круглосуточную работу любого устройства, которое подключено к нему, с сохранением выходных параметров, поэтому к нему выдвигаются жесткие требования, как к конструкции, так и к выбору элементов схемы.

Условно элементы схемы можно разделить на элементы общего применения и специальные.

Элементы общего применения являются изделиями массового производства, поэтому они достаточно широко стандартизированы. Стандартами и нормами установлены технико-экономические и качественные показатели, параметры и размеры элементов. Такие элементы называют типовыми. Выбор типовых элементов проводится по параметрам и характеристикам, которые описывают их свойства, как при нормальных условиях эксплуатации, так и при разных влияниях (климатических, механических и др.).

Основными электрическими параметрами является: номинальное значение величины, характерной для данного элемента (сопротивление резисторов, емкость конденсаторов, индуктивность катушек и т. д.) и границы допустимых отклонений; параметры, которые характеризуют электрическую прочность и способность долгосрочно выдерживать электрическую нагрузку; параметры, которые характеризуют потери, стабильность и надежность.

Основными требованиями, которыми нужно руководствоваться при проектировании радиоэлектронной аппаратуры, являются требования по наименьшей стоимости изделия, его высокой надежности и минимальным малогабаритным показателям. Кроме того, при проектировании важно увеличивать коэффициент повторяемости электрорадиоэлементов. Исходя из перечисленных выше критериев сделаем выбор элементной базы проектируемого устройства.

1.3.1 Выбор резисторов

При выборе резисторов, прежде всего, обращаем внимание на их габариты, стоимость и надежность, которая обусловлена наработкой на отказ. Исходя из того, что современные интегральные технологии далеко продвинулись вперед, по сравнению с прошлыми годами, мы имеем резисторы, которые характеризуются: высокой надежностью и низкой себестоимостью, компактными размерами и большой разновидностью.

Сравним несколько типов резисторов.

Толстопленочные резисторы с допуском 5%.

Таблица 1.2 — Технические параметры.

Толстопленочные резисторы с допуском 1%.

Таблица 1.3 — Технические параметры.

Таблица 1.4 — Типоразмеры SMD резисторов.

Исходя из таблицы 1.2, и таблицы 1.3, в качестве сопротивлений выбираем толстопленочные резисторы RC01 и RC02H с типоразмером корпуса 1206.

Таблица 1.5 — Технические характеристики мощных SMD резисторы.

Исходя из таблицы 1.4 в качестве мощных сопротивлений выбираем резисторы RWN5020 с типоразмером корпуса SMD POW (рисунок 6.2.б).

А = 1.5 мм, В = 1.2 мм, С = 4.7 мм.

Рисунок.1.4 — Рекомендованное расположение резисторов при пайке: RC01, RC02H типоразмера 1206.

а) б)

Рисунок.1.5. — Типоразмеры корпусов резисторов:

а) SMD MELF; б) SMD POW

В качестве подстроечных сопротивлений выбираем резисторы PVZ3A фирмы Murata. Подстроечные сопротивления PVZ3A.

Таблица 1.6- Технические параметры.

Рисунок.1.6 — Типоразмер подстроечных резисторов PVZ3A.

1.3.2 Выбор конденсаторов

При выборе конденсаторов, учитывая условия эксплуатации изделия, а также электрические параметры, будем руководствоваться тем, что для конденсаторов выдвигаются следующие требования:

— наименьшая масса;

— наименьшие размеры;

— относительная дешевизна;

— высокая стабильность;

— высокая надежность;

Возьмем для рассмотрения несколько типов конденсаторов, и сделаем сравнение относительно класса диэлектрика в виде таблицы.

Таблица 1.7 — Технические параметры. SMD конденсаторы.

Таблица 1.8 — Типоразмер SMD конденсаторов.

Исходя из таблицы.1.8, в качестве SMD конденсаторов выбираем конденсаторы с диэлектриком 1-го класса, типоразмером корпуса 1206.

А = 1.5 мм, В = 1.2 мм, С = 4.7 мм.

Рисунок.1.7 — Расположение при пайке SMD конденсаторов Рекомендованное расположение при пайке SMD конденсаторов типорозмера 1206. Выбираем электролитические конденсаторы фирмы Hitano, для обычного монтажа серии ECR.

Таблица 1.9 — Серия ECR.

Диэлектрические потери (tg), не больше.

Таблица 1.10 — Диэлектрические потери

Стабильность при низких температурах (отношение импедансом на частоте 120Гц).

Таблица 1.11 — Стабильность

Таблица 1.12 — Типоразмеры электролитических конденсаторов.

Рисунок.1.8 — Габаритные размеры электролитических конденсаторов.

Таблицы 1.13 ;

1.3.3 Выбор индуктивности и трансформаторов

Выбираем изделия фирмы Epcos. В качестве дросселей, для фильтров по питанию, из таблицы выберем дроссели типа DB36−10−47, DST4−10−22, FMER-K26−09.

Таблица 1.14 — Катушки индуктивности. Технические параметры.

Выбираем тип трансформаторов TS40−15−2, KERBIP-2-K20, TS300−12-K28, TS12−300-K32 диапазон рабочих температур −40…+45^оС.

1.3.4 Выбор активных элементов

Выбираем транзисторы фирмы STMicroelectronics из таблицы 1.12.

Таблица 1.15 — Технические параметры транзисторов.

Выбираем диоды фирм Fairchild и International Rectifier.

Таблица 1.16 — Технические параметры диодов.

Выбираем микросхемы фирм Unitrode, National Semiconductor, Intersil, STMicroelectronics. В качестве контролеров питания выбираем UC3842 фирмы Unitrode, SG3525 фирмы STMicroelectronics.

В качестве микросхемы стабилизатора напряжения выбираем ИМС фирмы STMicroelectronics.

Таблица 1.17 — Технические параметры микросхемы интегрального стабилизатора.

1.4 Расчет печатной платы

1.4.1 Расчет площади печатной платы.

Определяем стандартные размеры элементов, которые применяются, и возводим данные в таблицу. 1.7.1.

Таблица. 1.18 — Размеры элементов и их суммарная позиция.

Из таблицы 1.18 получили суммарную плоскость S_СУМ=49 233мм², тогда определяем устанавливаемую площадь всех элементов на плате, если К_УСТ=1,2

Определяем плоскость печатной платы, которая необходима для установки элементов с учетом расстояния между элементами и выводами, а также для обеспечения нормальных тепловых режимов работы, по формуле, если коэффициент использования равен: К_ИСП=0,9, тогда

Определяем площадь, которая необходима для размещения элементов крепления, которые крепят плату. Принимаем, что плата крепится шестью винтами М3, если под один болт отводится плоскость S_Б=100(мм²).

Определяем общую площадь платы:

Исходя из полученной площади выбираем ширину платы L=300(мм), тогда длинна:

Принимаем В=216(мм).

1.4.2 Расчет параметров металлизированных отверстий

Исходя из диаметров элементов, которые устанавливаются на плату, определим диаметр металлизированных отверстий, если толщина металлизированного покрытия при металлизации гальваническим методом:

m_пок=0,05(мм).

И зазор между выводом и стенкой металлизированного покрытия берется:

К=0,2(мм).

Элементы, которые устанавливаются, имеют шесть диаметров выводов:

d₁=0,5 (мм)

d₂=0,6 (мм)

d₃=0,8 (мм)

d₄=0,85 (мм)

d₅=1(мм)

d₆=1,2 (мм),

тогда:

Определяем параметры контактных площадок вокруг металлизированного отверстия, если контактные площадки выполняются в виде контактного кольца с обеих сторон платы. Если необходимая радиальная величина будет В=0,55, а технологический коэффициент на ошибку С=0,1, тогда:

Исходя из полученных размеров металлизированных отверстий и диаметров выводов элементов, выбираем технологически обусловленные размеры металлизированных отверстий, и полученные данные записываем в таблицу 1.19.

Таблица 1.19 — Размеры диаметров отверстий и контактных площадок.

1.4.3 Расчет ширины печатных проводников

Ширина печатных проводников определяется по максимальному току для разных цепей схемы, если допустимая плотность тока J_ДОП=30(А/мм²), максимальный ток І_М=8(А), а толщина металлизированного покрытия m_ПОК=0,05(мм), тогда ширина будет равной:

Расстояние между проводниками найдем по разнице потенциалов, с учетом электрических характеристик выбранного метода изготовления. В нашей схеме, в основном, максимально возможное напряжение не превышает 450(В), расстояние между печатными проводниками — 1,8(мм).

1.4.4Тепловой расчет

Рассчитаем тепловой режим транзистора в импульсном стабилизаторе напряжения.

Полная мощность, которая выделяется в транзисторе во время его работы при переключении определяется за формулой:

Р=Р_пер+Р_откр+Р_упр+Р_и

где: Р — полная мощность, которая рассеивается;

Р_пер — потери мощности при переключении;

Р_откр — потери на активном сопротивлении транзистора;

Р_упр — потери на управлении в цепи затвора;

Р_и — потери мощности за счет истока в закрытом состоянии.

Сразу можно отметить, что потери мощности, которые вызваны током истока (Р_и), имеют очень маленькое значение, поэтому ими можно пренебречь. Также потери, которые возникают в цепи управления, тоже имеют очень малые значения, поэтому формула принимает вид:

Р=Р_пер+Р_откр., где Р_откр=R_{DS (on)}I²_эф.

Мощность Р_пер определяется Где i=I_Н/n.

I_L=3/0,98=3,06(A).

тогда Отсюда проверяем тепловой режим работы транзистора

где

t_нс — температура окружающей среды 35 С.

R_ja — тепловое сопротивление кристалл-среды 75 С/Ут.

С.

По результатам проделанных расчетов видно, что при использовании транзисторов в режиме ключей и при заданных параметрах работы преобразователя, необходимо обязательное применение охладительных радиаторов и принудительного обдува.

1.4.5 Расчет надежности устройства

Надежность — это свойство изделия выполнять заданные функции в определенных условиях эксплуатации при сохранении значений основных параметров в заданных границах.

Надежность характеризуется рядом расчетных показателей, наиболее важной из которых является интенсивность отказов, средняя наработка на отказ, вероятность безотказной работы.

Вероятность безотказной работы указывает на то, какая часть изделий будет работать безотказно в течение заданного времени t_p. Для большинства радиоэлектронных устройств вероятность безотказной работы зависит, как от физических свойств, так и от времени t_p, в течение которого устройство должно работать безотказно:

Интенсивностью отказов называют количество отказов за единицу времени, что приходится на одно изделие, которое продолжает работать в данный момент времени:

Интенсивность отказов аппарата, который состоит из разных элементов, определяют по формуле:

Расчет надежности проводим в такой последовательности:

— Составляем таблицу исходных данных для расчета, определяем конструктивную характеристику компонентов, количество компонентов по группам, рассчитываем интенсивность отказов л_і для каждой из групп компонентов:

где: — количество компонентов в одной группе.

Выходные данные для расчета надежности сводим в таблицу 1.17.

Таблица 1.20 — Исходные данные расчета надежности.

— Для учета условий эксплуатации находим поправочные коэффициенты, , и по формуле (1.11.5) рассчитываем поправочный коэффициент. Принимаем

, .

— Расчет интенсивности отказов проводим по формуле:

— Среднюю наработку на отказ рассчитываем по формуле:

— Проводим расчет вероятности безотказной работы радиоустройства по формуле (1.11.1):

^-лtс

где — основа натурального логарифма;

— интенсивность отказов;

— время испытания.

Результаты расчетов вероятности безотказной работы устройства записываем в таблицу 1.18.

Таблица 1.21 — Результаты расчета надежности.

— По результатам расчетов строим график зависимости вероятности безотказной работы устройства от времени :

Рисунок 1.9 — График зависимости вероятности безотказной работы устройства от времени.

2. Описание структурной схемы источника бесперебойного питания

Структурная схема источника бесперебойного питания представлена в графической части дипломного проекта на листе формата А1.

2.1 Назначение

Источник бесперебойного питания (ИБП) предназначен для надежной защиты электрооборудования пользователя от любых неполадок в сети, включая искажение или пропадание напряжения сети, а также подавление высоковольтных импульсов и высокочастотных помех, поступающих из сети.

2.2 Устройство и принцип работы

Конструктивное исполнение блока ИБП — прямоугольный металлический корпус, имеющий съемные боковые стенки, заднюю панель и хомут-держатель аккумуляторной батареи.

Рисунок 2.1 — Передняя панель блока ИБП

На передней панели блока расположены кнопки управления ИБП «ВКЛ/ВЫКЛ инвертор», светодиодные индикаторы для отображения текущего состояния (режима работы) ИБП и светодиодная индикаторная линейка, указывающая % нагрузки при сетевом режиме или % остаточной емкости батареи при автономном режиме.

На задней панели (смотреть, рисунок. 2.2 а, б) расположены сетевой разъем, компьютерные и стандартные розетки для подключения нагрузок, разъем для подключения дополнительных внешних аккумуляторных модулей, сетевой выключатель, автомат защиты, коммуникационный порт RS-232 (разъем DB9).

Рисунок.2.2 — Задняя панель блока ИБП:

1-разъем сетевой;

2-автомат защиты сетевой;

3-вентилятор;

4 -разъем интерфейсный DB-9;

5-разъем защиты линии связи;

6-разъем для подключения внешних АБ;

7-разъем выходной компьютерный,

8-розетка выходная стандартная, 9-колодка клеммная нагрузочная.

Структурная схема ИБП представлена на рисунке 2.3.

2.3 Назначения узлов ИБП

— входной сетевой фильтр обеспечивает подавление выбросов напряжения при переходных процессах в сети и осуществляет фильтрацию высокочастотных помех;

— выпрямитель и корректор коэффициента мощности обеспечивают преобразование напряжения сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока, обеспечивая при этом практически синусоидальную форму тока, потребляемого из сети. Это позволяет обеспечить входной коэффициент мощности близким к единице;

— инвертор преобразует напряжение постоянного тока в синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц. Силовые транзисторы инвертора коммутируются с частотой 20 кГц, обеспечивая высокую надежность и точность формирования выходного напряжения. Энергия постоянного тока поступает на вход инвертора от сети или от аккумуляторной батареи, причем переход от одного режима к другому происходит мгновенно;

— преобразователь DC/DC обеспечивает повышение напряжения аккумуляторной батареи (АБ) до уровня, необходимого для надежной работы инвертора;

— зарядное устройство обеспечивает подзаряд АБ при работе ИБП в сетевом режиме. В качестве АБ используются последовательно включенные герметичные (необслуживаемые) свинцово-кислотные аккумуляторы;

— BYPASS — автоматически обеспечивает альтернативный путь для подключения нагрузки непосредственно к сети при аномальных режимах работы ИБП (перегрузке, перегреве, выходе из строя одного из узлов ИБП).

Рисунок 2.3 — Структурная схема ИБП При работе в режиме Bypass нагрузка не будет защищена от искажений и отклонений напряжения, присутствующих в сети.

2.4 Режимы работы ИБП

В зависимости от состояния сети и величины нагрузки ИБП может работать в различных режимах: сетевом, автономном, Bypass и других.

Сетевой режим — режим питания нагрузки энергией сети.

При наличие сетевого напряжения в пределах допустимого отклонения и нагрузки, не превышающей максимально допустимую, ИБП работает в сетевом режиме. При этом режиме осуществляется:

— фильтрация импульсных и высокочастотных сетевых помех;

— преобразование энергии переменного тока сети в энергию постоянного тока с помощью выпрямителя и схемы коррекции коэффициента мощности;

— преобразование с помощью инвертора энергии постоянного тока в энергию переменного тока со стабильными параметрами;

— подзаряд АБ с помощью зарядного устройства.

На передней панели при этом режиме светится светодиод зеленого цвета СД1, указывающий на наличие сетевого напряжения, и СД2, указывающий на работу инвертора. Четыре светодиода зеленого цвета индикаторной линейки (СД7, СД8, СД9, СД10) указывают приблизительное значение % загрузки ИБП с шагом в 25%.

Если нагрузка ИБП превысит 100%, то загорается светодиод СД6 желтого цвета. При перегрузке более 110% загорается светодиод СД5 красного цвета, указывающий на аварийную ситуацию, и включается предупредительный звуковой сигнал, повторяющийся каждые полсекунды. При этом ИБП переходит в режим Bypass.

— Автономный режим — режим питания нагрузки энергией аккумуляторной батареи.

При отклонении параметров сетевого напряжения за допустимые пределы или при полном пропадании сети ИБП мгновенно переходит на автономный режим питания нагрузки энергией аккумуляторной батареи (АБ) через повышающий преобразователь DC/DC и инвертор.

На передней панели блока при этом режиме погаснет или будет мерцать светодиод СД1, указывающий на неполадки в сети и загорится СД3 желтого цвета, указывающий на питание нагрузки от АБ. Светодиодная индикационная линейка (СД6, СД7, СД8, СД9, СД10) в этом режиме будет указывать % остаточной емкости АБ с шагом 20%. По мере разряда АБ все меньшее число светодиодов будут оставаться включенными.

При этом режиме работы ИБП каждые 4 секунды будет звучать предупредительный сигнал, означающий, что ИБП работает от АБ. По мере разряда батареи этот сигнал изменится на более частый, повторяющийся каждую секунду. Это возникает приблизительно за 2 мин. до полного отключения ИБП. При остаточной емкости АБ менее 20% ИБП автоматически выключится для исключения недопустимого разряда АБ.

При восстановлении напряжения сети ИБП автоматически перейдет в сетевой режим. При этом СД3 погаснет, а СД1 будет светить постоянно.

Режим BYPASS — режим питания нагрузки напрямую от сети.

Если при сетевом режиме происходит перегрузка или перегрев ИБП, а также, если один из узлов ИБП выходит из строя, то нагрузки автоматически переключается с выхода инвертора напрямую к сети. При этом погаснет светодиод СД2, указывающий на отключение инвертора, и загорится СД4 желтого цвета, указывающий на включение автоматического Bypass. Через каждые 2 минуты будет звучать короткий сигнал, оповещающий пользователя о работе ИБП в режиме Bypass. Светодиод СД1 в этом режиме горит постоянно, если параметры сети в норме, или мерцает, если параметры сетевого напряжения выходят за допустимые пределы, предупреждая пользователя о питании нагрузки некачественным напряжением.

При снятии причин перехода в Bypass (перегрузки или перегрева) ИБП автоматически возвращается в нормальный сетевой режим с двойным преобразованием энергии.

В режиме Bypass светодиодная индикационная линейка будет показывать % нагрузки.

Режим заряда батареи возникает при наличие сетевого напряжения и включенном выключателе сети на задней панели блока ИБП. Зарядное устройство будет обеспечивать заряд батареи независимо от того, что включен ли инвертор или присутствует режим Bypass.

Режим автоматического перезапуска ИБП возникает при восстановлении сетевого напряжения, если до того ИБП работал в автономном режиме и был автоматически отключен внутренним сигналом во избежание недопустимого разряда батареи. После появления входного напряжения ИБП автоматически включится и перейдет на сетевой режим.

Режим холодного старта обеспечивает включение ИБП для работы в автономном режиме при отсутствие сетевого напряжения путем нажатия на кнопку ВКЛ инвертора с выдержкой не менее 1 секунды.

Таблица 2.1 — Технические характеристики

2.5 Средства индикации и коммуникации

­ светодиодная индикация режимов работы ИБП;

­ RS-232 интерфейс;

­ сигналы тревоги (световые и звуковые): перегрузка, неисправность, высокая температура, недопустимое отклонение параметров сети, недопустимый разряд аккумуляторов;

­ программное обеспечение «ИБП-Монитор» для контроля, управления, мониторинга состояния ИБП и сети.

2.6 Программное обеспечение

ИБП модели ДПК имеет возможность интеллектуальной связи с отдельными компьютерами, рабочими станциями или серверами, работающими в OC Windows 95/98/Me/2000/XP, используя ПО «ИБП-Монитор» на CD-диске, входящем в комплектацию ИБП. Для связи с компьютером используется специальный кабель интерфейса, входящий в состав комплектации ИБП и подключаемый через разъем DB-9, расположенный на задней панели блока ИБП, к COM-порту ПК.

2.7 Основные функции

— отображение текущего состояния ИБП и параметров электропитания: величина и частота входного напряжения, величина выходного напряжения, процент нагрузки ИБП, уровень заряда батарей, температура ИБП, режимы работы;

— автоматическое завершение работы компьютера с сохранением рабочих файлов и последующим выключением ИБП при аварии электросети;

— оповещение пользователя по электронной почте о режимах работы ИБП и аварийных ситуациях;

— ведение журналов мониторинга и событий;

— выполнение по графику следующих задач: выключение ИБП и ПК с возможностью последующего включения через заданный интервал, тестирование ИБП;

— Минимальные требования к оборудованию:

Рисунок 2.4. — «ИБП-Монитор»

1. процессор: не ниже Intel Pentium 60;

2. ОЗУ: не менее 32 Мбайт (Windows Me/2000/XP — 64 Мбайт);

3. 3 Мбайт дискового пространства; один свободный COM-порт;

4. операционная система Microsoft Windows95/98/Me/NT4/2000/XP.

Построение систем бесперебойного питания зависит от задач, которые на них возлагаются. В некоторых случаях необходимо добиться наименьшего показателя — время переключения нагрузки на питание от аккумуляторных батарей или наоборот. В других случаях необходимо обеспечить долговременную работу от аккумуляторной батареи, при этом время переключения не является критической величиной. То есть, можно сказать, что для каждого конкретного случая нужно решать абсолютно разные технические задачи.

3. Экономический расчет

Целью данного раздела дипломного проекта является выполнение необходимых расчетов организационно-экономических показателей. Данный раздел включает:

1. Расчет себестоимости устройства;

2. Определение цены устройства;

3. Оценка уровня качества устройства;

4. Определение цены потребления;

5. Определение рыночной цены;

6. Прогноз сбыта;

7. Прибыль от реализации.

Экономический расчет будем проводить с учетом того, что производство устройства является мелкосерийным.

3.1 Анализ рынка

Блок бесперебойного питания предназначен для питания разнообразной электрической и электронной аппаратуры стабилизированным напряжением 220 В, в том числе устройств охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации, питание аппаратуры на АТС, питание персональных компьютеров.

Преимуществами новой разработки является высокий КПД и большая выходная мощность. Возможные объемы продажи изделия приблизительно 1000 шт. в год. Ближайшим аналогом данного блока является блок питания PW5115 фирмы Powerware, его мы и берем за базовое изделие.

3.2 Расчет уровня качества. Основные технические параметры устройства

Технические параметры характеризуют качество изделия. Качество — совокупность свойств, которые делают его способным выполнять заданные функции, тем самым удовлетворять соответствующие рыночные требования. Конкурентоспособность — это степень соответствия товара в данной рыночной ситуации по техническим, экономическим, эксплуатационным характеристикам.

Основными показателями данного изделия является:

1. Выходное напряжение;

2. Коэффициент полезного действия;

3. Выходная мощность;

4. Частота сети;

5. Выходной ток.

3.3 Определение важности каждого показателя

Следующим этапом, после выбора более важных показателей, является ранжирование показателей по степени их важности. Самому важному присваивается ранг 1, менее важному ранг 2 и так далее.

Результаты занесем в таблицу 3.1

Таблица 3.1 — Показатели ранжирования по степени важности.

где:

Проведем проверку пригодности экспертных оценок. Проверка проводится на основе расчета коэффициента соответствия экспертных оценок.

Коэффициент соответствия:

где:

N — количество экспертов

n — количество оценок Коэффициент соответствия может принимать значение .

В случае, когда W=1 — полное соответствие экспертов. Рассчитанный коэффициент уравнивается с минимально допустимым W_н. При условии полученные данные заслуживают доверия и пригодные для последующей работы. Для радиотехнических устройств W_н=0,77

Полученный результат пригодный для последующего использования.

Для оценки уровня качества изделия используем обобщающий показатель — коэффициент технического уровня:

К_т.у=ц _і·

где: ц _і — относительный (единичный) показатель качества.

q _i — коэффициент весомости.

Если зависимость между параметром и качеством линейна, то относительные показатели вычисляются по формулам:

q _і = Р_Ні/ Р_Бі и q _і = Р_Бі/ Р_Ні

Если зависимость между параметром и качеством нелинейная, то относительные показатели вычисляются по формулам:

q _і =lg (Р_Ні/ Р_Бі)+1 и q _і =lg (Р_Бі/ Р_Ні)+1

где: Р_Ні, Р_Бі — числовые значения іго параметра соответственно нового и базового изделия.

В качестве базового изделия возьмем блок бесперебойного питания PW5115 фирмы Powerware.

Результаты расчетов сведем в таблицу 3.2.

Таблица 3.2.Результаты расчетов

Определим коэффициент важности каждого показателя Воспользуемся средством экспертных оценок. Эксперты независимо один от другого сравнивают между собой показатели, оценивая, что важнее. В оценке принимают участие не менее 5 экспертов.

При этом если показатель «>» то ставим коэффициент 1.5

Если показатель «<�» то ставим коэффициент 0.5

Если показатель «=» то ставим коэффициент 1.

На основании таблицы построим матрицу, куда перенесем числовые значения оценок.

Таблица 3.3. Экспертная оценка.

Определение важности каждого показателя определим в два шага:

1-й шаг: определим b_i — сумму числовых значений оценок (сумма по строке); Kb_i=b_i/b_i;

2-й шаг: определим b_i1: b_i1=a_i1*b₁+a_i2*b₂+…+a_in*b_n

Результат занесем в таблицу 3.4

Таблица3.4 — Значение показателей.

Перша итерация:

ц_i=b_i/b_i

b_i=a_ij

где: b_i — весомость і-го параметра Вторая итерация:

ц_i=b_i/b_i

b_i=a_i1b₁+a_i2b₂+…+ a_inb_n

где: b_i — весомость і-го параметра Уровень качества изделия

К_Т.Р.=0.12*1.25 +0.3*1.05+ 0.19 *1.25+ 0.24 *1.0+0. 15*1.0=1.1

Таким образом, уровень качества разрабатываемого устройства равен 1,1.

3.4 Расчет себестоимости устройства

Согласно ТЗ, производство источника бесперебойного питания — мелкосерийное, поэтому будем пользоваться соответствующими нормативами и методикой.

3.5 Расчет затрат на приобретение материалов

Расходы на приобретение материалов вычисляются на основании норм их расходования и цен, с учетом транспортно-заготовительных расходов. Расчет по стоимости материалов занесен в таблицу 3.5.

Таблица 3.5 — Стоимость материалов.

3.6 Расчет расходов на покупные изделия и полуфабрикаты

В данную статью включается стоимость готовых изделий, приобретенных для укомплектовки блока питания. Покупные изделия определяются по схеме электрической принципиальной. Расчеты занесены в таблицу 3.6.

Таблица 3.6 — Покупные изделия.