36. Надежность устройств и систем электропитания.

Основы теории надежности. Под надежностью понимают способность устройства или систе­мы выполнять свои функции в процессе эксплуатации. Надежность системы определяется надежностью ее элементов и узлов, наличи­ем или отсутствием резервирования и условиями эксплуатации аппа­ратуры. Надежность является одним из наиболее важных технико-экономических показателей любых устройств и систем.

Для количественной оценки надежности конкретного элемента аппаратуры используют понятие интенсивности отказов элемента Л. Эта величина показывает, чему равно относительное количество оди­наковых элементов вышедших из строя за единицу времени эксплуа­тации:

X = n/(NAt), (10.1)

где п — количество элементов вышедших из строя, N — общее коли­чество элементов данного типа, At — время эксплуатации элементов.

Под отказом устройства или системы понимают выход хотя бы одного параметра устройства или системы за допустимые пределы как в установившемся, так и в переходном режимах. Если нет резер­вирования, то отказ одного элемента приводит к выходу из строя все­го устройства.

Для восстанавливаемой в процессе эксплуатации аппаратуры, помимо приведенных параметров оценки надежности, применяют также среднее время восстановления (простоя) аппаратуры либо ее узла, интенсивность восстановления аппаратуры и коэффициент го­товности аппаратуры к функционированию. Среднее время восста­новления т_в включает в себя время активного ремонта неисправно­сти, время диагностирования и определения неисправности и время доставки аппаратуры или ее узла к месту ремонта. Среднее время восстановления во многом зависит от системы контроля и ее надежно­сти, а также от квалификации обслуживающего персонала. В прин­ципе не всякая неисправность может быть выявлена сразу систе­мой контроля или обслуживающим персоналом. Поэтому различа­ют неисправность, которая может быть выявлена сразу, и так на­зываемую «спящую» неисправность, которая с той или иной вероят­ностью может быть выявлена при тестировании, профилактическом обслуживании и предупредительном ремонте аппаратуры. В даль­нейшем будем предполагать отсутствие «спящих» неисправностей. Интенсивность восстановления является величиной обратной сред­нему времени восстановления.

Для восстанавливаемой аппаратуры необходимо использовать не среднее время наработки на отказ, а среднее время между двумя от­казами

T_cp = t_cp+t_b. (10.7)

В реальной аппаратуре электропитания устройств и систем те­лекоммуникаций t_cp <С т_в, поэтому среднее время восстановления между двумя отказами будет практически равно t_cp.

С целью повьппения надежности в источниках (системах) электропитания широко применяют резервирование по блокам, устройствам, источникам электрической энергии. Резервирование может быть «горячим» и «холодным». При «горячем» резервировании резервирующее устройство постоянно включено и либо работает совместно с резервируемыми устройствами на общую нагрузку, либо находится в режиме холостого хода. Предположим, что в состав буферной системы электропитания с вольтодобавочными конверторами входят пять постоянно включенных вольтодобавочных конверторов, тогда как для обеспечения питания аппаратуры (при отключении сети переменного тока) требуется четыре конвертора, т.е. в этом случае пятый конвертор используется как резервирующий. Если все конверторы исправны, то каждый из них работает с неполной загрузкой по мощности. В этом случае при выходе одного конверторов из строя, «избыточный» конвертор позволяет обеспечить нормальную работу аппаратуры.

В случае «холодного» резервирования резервирующее устройство включается только тогда, когда происходит отказ одного из резервируемых устройств.

Для оценки надежности систем с резервированием используют ма­тематический аппарат теории процессов Маркова с использованием так называемых ориентированных графов. В этом случае предпола­гают, что система может находиться в одном из п состояний, n— 1 из которых соответствуют обеспечению заданных параметров систе­мы, а одно состояние соответствует выходу системы из строя. За исходное принимают состояние, когда все узлы (элементы) системы исправны. Отказ одного из узлов (элементов) системы переводит ее в другое состояние. Момент перехода системы из одного состояния в другое является дискретной случайной величиной. Предполагают, что вероятность перехода из одного состояния в другое не зависит от предыстории системы (система без памяти), а время перехода из од­ного состояния в другое распределено по закону Пуассона (закон рас­пределения редких событий). Тогда для оценки надежности можно использовать теорию графов в приложении к цепям Маркова.

Аккумуляторная батарея как резервный элемент системы электропитания. В состав любого УБП постоянного и УБП переменного тока ап­паратуры телекоммуникаций входят аккумуляторные батареи. Эти АБ используются в качестве резервного источника энергии, как при отключениях сети переменного тока, так и в случае одновременного выхода из строя нескольких выпрямительных устройств, входящих в состав УБП, так что оставшиеся исправными выпрямители не могут обеспечить полностью питание аппаратуры. Принципиально с пози­ции надежности подачи электроэнергии к аппаратуре под интенсив­ностью отказов АБ следует понимать величину, обратную возможной длительности ее разряда. При этом, если в первом случае длитель­ность разряда АБ определяется ее номинальной емкостью и мощ­ностью потребляемой аппаратурой, то во втором случае АБ только частично разряжается, так что длительность ее разряда будет суще­ственно большей. Под интенсивностью восстановления АБ следует понимать величину, обратную времени ее заряда при появлении се­ти переменного тока и при условии, что выпрямительные устройства позволят осуществить ее заряд (количество исправных выпрямите­лей будет достаточным). Что касается отказов, обусловленных вы­ходом из строя самих АБ, то ввиду малой вероятности подобных со­бытий их при расчете надежности систем электропитания можно не учитывать. Если в УБП применяется АБ в двухгруппном исполне­нии, то надо помнить, что время разряда обеих групп будет больше, чем удвоенное значение времени разряда одной группы батареи, так как каждая группа разряжается меньшим током.