6.4. Источники бесперебойного питания, типы и характеристики.

Источник бесперебойного питания (ИБП) (Uninterruptible power systems (UPS) (Рисунок 11-13) - сочетание преобразователей, переключателей и устройств хранения электроэнергии (АКБ), образующее систему электропитания для поддержания непрерывности питания нагрузки в случае отказа источника энергоснабжения.

Основная функция ИБП состоит в обеспечении непрерывности подачи электропитания переменного тока. ИБП также могут использоваться для улучшения качества источника электропитания, удерживая его характеристики в заданных пределах.

Рисунок 11. Источник бесперебойного питания настольного исполнения




Рисунок 12. Источники бесперебойного питания устанавливаемые в 19" стойку




Рисунок 13. Источники бесперебойного питания напольного исполнения

Массовое использование ИБП связано с обеспечением бесперебойной работы компьютеров, позволяющее подключенному к ИБП оборудованию при пропадании электрического тока или при выходе его параметров за допустимые нормы, работать некоторое непродолжительное время (как правило — до одного часа). Кроме компьютеров, ИБП обеспечивают питанием и другую электрическую нагрузку, критичную к наличию питания с нормальными параметрам электропитающей сети, например схемы управления отопительными котлами. ИБП способен корректировать параметры (напряжение, частоту) выходной сети. Может совмещаться с различными видами генераторов электроэнергии (например, дизель-генератором).

6.4.1. Основные функции ИБП.

1. Поглощение сравнительно малых и кратковременных выбросов напряжения.

2. Фильтрация питающего напряжения, снижение уровня шумов.

3. Обеспечение резервного электропитания нагрузки в течение некоторого времени после пропадания напряжения в сети.

4. Защита от перегрузки и короткого замыкания.

6.4.2. Характеристики ИБП.

1. Диапазон входного напряжения, при котором ИБП работают от сети и не переключаются на работу от встроенных батарей. Как известно, больший диапазон входного напряжения уменьшает количество переходов на батарею и увеличивает срок ее эксплуатации. Кроме того, ИБП с более широким диапазоном входного напряжения продолжают работать от сети и питать нагрузку, в то время как ИБП с меньшим диапазоном уже перешли на батарею и, разрядив ее, обесточили нагрузку. Это особенно актуально для наших электросетей, где нередки длительные «просадки» напряжения.

2. Выходная мощность - это основная характеристика ИБП, показывающая на какую максимальную нагрузку он рассчитан.

3. Изменение выходного напряжения при перепадах входного - обеспечение выходного напряжения, при котором может нормально функционировать защищаемое им оборудование. Пониженный вольтаж на выходе ИБП способен вызвать сбои в работе оборудования и потерю данных, значительное повышение напряжения приводит к тем же результатам плюс выход оборудования из строя. Повышение напряжения происходит реже, но последствия носят более значительный ущерб.

4. Параметры выходного напряжения при работе от батарей - напряжение, частота, форма сигнала. Эти параметры определяют качество генерации, обеспечиваемое ИБП, от чего зависит область применения конкретного устройства.

5. Процесс переключения ИБП на батарею и обратно. Для нормальной работы подсоединенного к ИБП оборудования все переключения и переходные процессы должны быть «незаметны». Это означает, что они должны выполняться за минимальное время и проходить корректно - в частности, сопровождаться правильной синхронизацией частоты ИБП с внешней частотой питающей сети.

6. Поведение ИБП при возникновении перегрузки на выходе. При перегрузке в режиме работы от батарей ИБП выключается (для предотвращения выхода из строя). Если в процессе работы от сети возникла перегрузка (например, к ИБП было подключено дополнительное оборудование), пользователь должен знать об этом, чтобы вовремя уменьшить нагрузку. В противном случае при пропадании напряжения в сети оборудование будет моментально обесточено. Наиболее эффективным является сочетание звуковой и световой индикации, тогда как некоторые ИБП обеспечивают только световую или не имеют вообще никакой индикации.

7. Наличие «холодного» старта, т. е. возможность включить ИБП при отсутствии напряжения в электропитающей сети. Такая функция может стать полезной, например, если во время длительного пропадания питания нужно включить компьютер или принять/отправить факс.

8. Возможность стабилизации частоты (для on-line ИБП). Некоторое оборудование может быть критично к частоте питающего напряжения. Например, у двигателей переменного тока при изменении частоты питающего напряжения изменяется скорость вращения.

6.4.3. Типы ИБП.

1. off-line (резервные) - эти ИБП (Рисунок 14) служат для резервирования источника основного электроснабжения (электросети) на случай аварии (отключения или понижения/повышения напряжения). Если это происходит, срабатывает переключатель, и нагрузка переходит на резервное питание от инвертора, питающегося от батарей. В штатном режиме питание нагрузки осуществляется напрямую от электросети, как правило, через помехоподавляющий фильтр. Другие названия резервных ИБП: stand-by, backup, in-line.

Достоинства резервных ИБП:
- простота и, следовательно, дешевизна;
- высокий КПД и, следовательно, низкие эксплуатационные расходы. Недостатки резервных ИБП:
- отсутствие стабилизации напряжения и частоты в штатном режиме;
- большое время переключения на питание от АКБ;
- потеря фазы при переключении.

В целом ИБП этого класса можно характеризовать как компромисс между приемлемым уровнем защиты от неполадок в электросети и ценой. Мощность выпускаемых устройств колеблется от 220 до 2000 ВА.

Рисунок 14. Резервный ИБП

2. line-interactive (линейно-интерактивные ИБП) (Рисунок 15) - в штатном режиме снабжают нагрузку напряжением от основной электросети, в некоторой степени регулируя напряжение (автотрансформатор), а при аварии в основной электросети нагрузка синхронно переключается на инвертор.

По принципу работы линейно-интерактивные ИБП схожи с резервными ИБП: они также служат для резервирования основного источника электроснабжения, компенсируя небольшие всплески напряжения и сглаживая помехи. Вместе с тем они обладают рядом существенных различий. Так, инвертор ИБП включен параллельно электросети и работает в двустороннем режиме: осуществляет мониторинг линии электропитания и в определенных пределах обеспечивает регулирование и стабилизацию выходного напряжения ИБП, а также производит заряд батарей. Кроме этого, многие производители устанавливают в ИБП этого класса дополнительные узлы (феррорезонансные трансформаторы или автотрансформаторы), позволяющие расширить диапазон входного напряжения, при котором напряжение на выходе поддерживается на приемлемом уровне без перехода на питание от батарей.

Достоинства линейно-интерактивных ИБП: достаточно высокий КПД и более надежная по сравнению с резервными ИБП защита электропитания подключенной нагрузки.

Недостатки линейно-интерактивных ИБП:
- нестабильность выходного напряжения в штатном режиме, зависящая от диапазона входного напряжения; отсутствие стабилизации частоты в штатном режиме;
- отсутствие изоляции нагрузки от электросети; неэффективность при работе на нагрузку с высокой степенью нелинейности;
- проникновение импульсов и шумов из основной сети на нагрузку; -низкая информационная безопасность (возможность несанкционированного доступа к оборудованию по питающим линиям).

Отдельно стоит сказать о технологии, известной как «дельта-преобразование напряжения» (delta conversion). Благодаря усовершенствованной обратной связи напряжение на нагрузке регулируется плавно, а не ступенчато, как в обычных линейно-интерактивных ИБП, становится возможной стабилизация частоты выходного напряжения. Эта технология позволяет обеспечить высокий КПД и более надежную защиту подключенного оборудования от неполадок в электросети.

В целом линейно-интерактивные ИБП обеспечивают приемлемый уровень защиты электропитания и служат дешевой альтернативой более сложным системам, предназначенным для работы с чувствительной к неполадкам в электросети нагрузкой. Как правило, мощность выпускаемых устройств составляет от 250 до 10000 ВА.

Рисунок 15. Линейно-интерактивный ИБП

3. on-line (постоянно включенные ИБП, с двойным преобразованием) (Рисунок 16) - обеспечивают нагрузку электропитанием без потери фазы. Принцип работы ИБП данного класса заключается в том, что входное переменное напряжение преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем инвертором - обратно в переменное. Даже при больших отклонениях входного напряжения ИБП продолжает питать нагрузку чистым синусоидальным стабилизированным напряжением (как правило, отклонения амплитуды выходного напряжения не превышают 5% устанавливаемого пользователем номинального значения даже при работе на нелинейную нагрузку).

Основная отличительная черта ИБП этого класса состоит в том, что инвертор включен последовательно с источником основного электроснабжения и находится всегда во включенном состоянии. При пропадании входного напряжения он переходит на питание от батарей. Благодаря используемой схеме такое понятие как время переключения на резервное питание от батарей для ИБП данного класса просто отсутствует.

Достоинства ИБП с двойным преобразованием:
- постоянная стабилизация напряжения и частоты;
- непрерывность фазы выходного напряжения в любых режимах;
- отсутствие влияние нагрузки на основную сеть;
- полная фильтрация импульсов и шумов основной сети;
- высокая информационная безопасность.

Недостатки ИБП с двойным преобразованием:
- сложность конструкции и, следовательно, высокая цена;
- относительно невысокий КПД и, следовательно, высокие эксплуатационные расходы (расход электроэнергии, утилизация выделяемого тепла).

ИБП данного класса обеспечивают самую надежную защиту подключенного оборудования от неполадок в электросети, что компенсирует затраты на его приобретение и дальнейшей эксплуатацией. Диапазон мощностей выпускаемых устройств очень широк - от 600 ВА до нескольких сотен киловольт-ампер.

По конструктивному исполнению ИБП можно разделить на настольные (как правило розеточные), напольные и стоечные (19"). Один или несколько ИБП с комплексом дополнительного коммутирующего оборудования и кабелей образуют систему бесперебойного питания (СБП).

Рисунок 16. ИБП с двойным преобразованием

6.4.4. Выбор ИБП.

Правильный выбор ИБП является неотъемлемым залогом надёжности системы электроснабжения. Параметры ИБП должны быть строго сопоставимы с нагрузкой, которая будет подключена к ИБП.

При расчете ИБП необходимо учесть ряд параметров, ключевым из которых является мощность.

Коэффициент мощности нагрузки - эта цифра, показывает какую долю мощности, реально потребляет нагрузка, то есть активная мощность. Если рассматривать нагрузку как идеальное сопротивление, то в этом случае значение коэффициента будет равно единице, что является максимальным значением. Конденсаторы и катушки не являются потребителями мощности, поэтому для них значение коэффициента равно нулю. В оборудовании возможно преобладание как емкостной, так и индуктивной составляющей. К оборудованию с ёмкостной составляющей относятся компьютеры и серверы. Индуктивная составляющая присутствует в устройствах с электродвигателями, это может быть насос, кондиционер и т. п. Эта информация необходима в том случае, когда ИБП будет защищать оборудование разного типа, так как у первых коэффициент мощности стремится к единице, а у вторых находится в интервале от 0,8 до 0,9. В таком случае необходимо найти средний коэффициент мощности, чтобы получить точный результат.

Чтобы вычислить мощность необходимо перемножить номинальную мощность ИБП на коэффициент мощности. В результате операции получается число, которое показывает максимальную активную мощность, которую сможет обслуживать источник бесперебойного питания. Например, мощность ИБП составляет 10 кВА, а коэффициент мощности нагрузки равен 0,9. В таком случае активная мощность нагрузки составит 9 кВт. Суммарная мощность нагрузки не должна превышать 9 кВт, а лучше если она будет несколько меньше.

Немаловажно учитывать перспективы роста мощности нагрузки в будущем, лучше сразу приобрести более мощный ИБП.

6.4.5 Расчет аккумуляторных батарей (АКБ).

Аккумуляторные батареи обеспечивают питание нагрузки при отсутствии питания в сети.

Время автономной работы выражается в часах, а мощность нагрузки в киловаттах. Например, источник бесперебойного питания «защищает» компьютер с мощностью 500 Вт (0,5 кВт). Источник бесперебойного питания должен обеспечить время работы равное 8 часам.

При расчете времени автономной работы ИБП необходимо учитывать КПД инвертора которое рекомендовано принимать равным 0,85.

Для стандартного 12 В аккумулятора, величина необходимой емкости батареи составит:

Q= (P*T) / V*K1*K2=(500*8)/12*0,7*0,85=560 (А∙Ч);

где Q - необходимая емкость аккумулятора, А∙ч;

P=500 - имеющаяся нагрузка, Вт;

V=12 - напряжение каждой аккумуляторной батареи, В;

T=8 - время резервирования, ч;

K1=0,7- коэффициент глубины разряда аккумулятора;

К2=0,85-КПД инвертора.

Таким образом, для нагрузки с мощностью 500 Вт для обеспечения работы в течение 8 часов необходима ёмкость аккумуляторов равная 560 Ач. Такой расчет емкости аккумулятора применим для АКБ с напряжением 12 В. Кроме того, нужно учесть, что формула пригодна для длительного времени работы от аккумулятора, а именно порядка 8-10 часов. Это обусловлено тем, что зависимость ёмкости аккумулятора от времени заряда не имеет линейный характер на всём протяжении.

Если время работы меньше, то необходимо вводить поправки. Это связано с тем, что при маленьком времени ток разряда большой и аккумулятор отдаёт нагрузке только некоторую часть своей ёмкости. Так, если необходимо время работы в 30 минут, то результат надо поделить на два, для 2 часов уменьшить на 40%, для 4 часов - 30%, для 6 часов - 40%. Чтобы определить точно значение необходимо использовать точное значение КПД инвертора, который установлен на ИБП и сопоставить данные с кривого разряда определённого типа аккумуляторов.

После того, как найдена суммарная ёмкость, необходимо выполнить расчет количества аккумуляторных батарей. Чтобы его выполнить нужно суммарную ёмкость разделить на ёмкость одного аккумулятора. В нашем случае суммарная ёмкость составила 560 Ач. Предположим, что ёмкость одного аккумулятора равна 50 Ач. В таком случае нам понадобится 12 таких аккумуляторных батарей.

Полученное значение является приближённым и может меняться в процессе срока службы источника бесперебойного питания. Расчет времени ИБП является приближённым, так как время зависит от износа АКБ и условий эксплуатации, в основном от температуры воздуха. Так, например, рост температуры на один градус после отметки 40° C снижает ёмкость аккумулятора на 5%, что является очень существенным. Для максимального срока службы рекомендовано понижать нагрузку на ИБП на каждые 10 градусов после 25° C на 20%. Или же можно организовать хорошую систему охлаждения и не допускать вообще какого-либо роста температуры.

Для определения времени работы ИБП можно воспользоваться специальными таблицами, в которых приведено время автономной работы для различных видов ИБП. Данные таблицы (Рисунок 17) включают в себя время работы в зависимости от ёмкости аккумуляторных батарей и суммарной мощности нагрузки. Таким образом, вы можете сопоставить свои данные с табличными и узнать примерное время.

При выборе ИБП нужно отдавать предпочтение с большей ёмкостью аккумуляторов при соответствии с заданной мощностью. Такой выбор позволит обеспечить максимальную автономность.

Рисунок 17. Пример таблиц для определения автономной работы ИБП

Далее >>>