Источники бесперебойного питания (ИБП) Uninterruptible Power Supply (UPS)
Устройство, использующее для аварийного питания нагрузки энергию аккумуляторных батарей. Их основной задачей является поддержание работоспособности критичной нагрузки в течение незначительного времени от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от ее мощности и емкости батарейного комплекте. Этого времени достаточно либо для устранения неполадок в линии электропередачи, либо для штатного отключения критичной нагрузки.
Качество сетевого электропитания и его неполадки
Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения оценивают по 10 показателям, основными из которых являются:
– напряжение 380 В (для трехфазных сетей) и 220 В (для однофазных), допустимое отклонение ± 5%, предельно допустимое ± 10%;
– частота 50 Гц , предельно допустимое отклонение частоты ± 0.4 Гц;
– нормально допустимое значение коэффициента нелинейных искажений 6%, предельно допустимое — 20%.
К основным неполадкам сетевого электропитания относятся:
– полное пропадание напряжения в сети (авария в сети);
– долговременные и кратковременные проседания и всплески напряжения;
– высоковольтные импульсные помехи;
– высокочастотный шум;
– отклонение частоты за пределы допустимых значений.
Наиболее распространенным видом неполадок в больших городах являются долговременные проседания напряжения, а в сельской местности к ним добавляются аварии в электросети и высоковольтные импульсные помехи, вызванные атмосферным электричеством.
Критичная нагрузка (Critical Load)
Нагрузка, чувствительная к неполадкам в электросети, грозящим выходом оборудования из строя, нарушением технологического процесса или утратой важной информации. Чтобы предотвратить подобные случаи, для питания такой нагрузки (файловых серверов, рабочих станций, персональных компьютеров, телекоммуникационного и офисного оборудования и др.) следует применять ИБП
Источник бесперебойного питания, выполненной по схеме с коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей электросети, а в автономном — переводит ее на питание от аккумуляторных батарей. Достоинством ИБП резервного типа является его простота и невысокая стоимость, а недостатком — ненулевое время переключения (~4 мс) на батарей и более интенсивная эксплуатация аккумуляторов, так как устройство переходит в автономный режим при любых неполадках в электросети. ИБП резервного типа, как правило, имеют небольшую мощность и применяются для обеспечения бесперебойного электропитания отдельных устройств (персональных компьютеров, рабочих станций, офисного оборудования) в районах с хорошим качеством электрической сети.
Источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством (Оff-Line) и дополненной автоматическим регулятором напряжения (AVR) на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками (ступенчатым стабилизатором).
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 напряжений электросети (наиболее распространенный вид неполадок в отечественных электросетях) без перехода в автономный режим. В итоге продлевается 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 положение между простыми и относительно дешевыми резервными источниками (Оff-Line) и высокоэффективными, но дорогостоящими ИБП с двойным преобразованием энергии (Оп-Line). Как правило, линейно-интерактивные ИБП применяют для защиты персональных компьютеров, мониторов, рабочих станций, узлов локальных вычислительных сетей и прочего офисного оборудования.
Примеры ИБП со схемой Line-Interactive.
Автоматический регулятор напряжения, построенный на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками (см. рисунки), применяется в линейно-интерактивных ИБП для ступенчатой корректировки входного напряжения в сторону его повышения (пониженное входное напряжение) или понижения (повышенное входное напряжение). AVR расширяет диапазон входных напряжений, при которых ИБП обеспечивает нормальное питание нагрузки без перехода в автономный режим работы. Диапазоны допустимого изменения входного напряжения могут составлять 30% от номинального значения 220 В.
Схема Оn-Line подразумевает, что поступающее на вход ИБП переменное сетевое напряжение преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем с помощью инвертора снова в переменное. Аккумуляторная батарея, постоянно включенная между выпрямителем и инвертором, питает последний в аварийном режиме.
Схема Оп-Line обеспечивает идеальное выходное напряжение при любых неполадках в электросети. Она характеризуется нулевым временем переключения из нормального режима в автономный и обратно без переходных процессов в выходном напряжении
К недостаткам схемы Оп-Line относятся ее сравнительная сложность, более высокая стои -мость, а также энергетические потери на двойном преобразовании напряжения. Защита таких устройств, как файловые серверы и телекоммуникационное оборудование, осуществляется только с использованием ИБП со схемой Оп-Line.
Примеры ИБП с двойным преобразованием (Оп-Line)
Байпас — это режим питания нагрузки сетевым напряжением в обход основной схемы ИБП. Переход устройства в режим байпас может выполняться автоматически или вручную. ИБП со схемой Оп-Line автоматически переходят в режим байпас при перегрузке выходных цепей или при возникновении внутренних неисправностей. Таким образом, нагрузка защищается не только от сбоев в питающей электросети, но и от неполадок в самом ИБП. Возможность ручного перевода устройства в режим байпас предусмотрена на случай проведения его технического обслуживания без отключения нагрузки.
Инверторы с выходным изолирующим трансформатором применяются в ИБП средней и большой мощности с двойным преобразованием напряжения (Оп-Line) и предназначенных для работы с широким перечнем нагрузок.
Основные преимущества:
Возможность работы с нагрузками любых типов, имеющих различные коэффициенты мощности.
Стабильность выходных параметров как при статической, так и динамической нагрузке.
Позволяет реализовать любую из известных питающих силовых схем (систем заземления): TN-C, TN-S, TN-C-S, TT и IT.
Гальваническая изоляция увеличивает помехозащищенность нагрузки как по фазам, так и по нейтрали. Исключается постоянная составляющая выходного напряжения.
Возможность работы с нелинейной и импульсной нагрузкой за счет широкого диапазона допустимого крест-фактора и КНИ тока нагрузки.
Возможность питания как любых однофазных, так и трехфазных нагрузок.
В связи с использованием выходного трансформатора типа «треугольник-звезда» выходная нейтраль формируется заново и все фазные напряжения жестко балансируются.
Возможность работы с несбалансированными до 100% трехфазными нагрузками типа «звезда» и «треугольник».
Основные недостатки:
Большие габариты и вес по сравнению с бестрансформаторными.
Более высокая стоимость.
Бестрансформаторные ИБП со схемой Оn-Line и преобразованием на высокой частоте
Бестрансформаторные инверторы применяются в ИБП средней и ограниченно большой мощности (не более 100 кВА – 200 кВА), построенных по схеме ON-Line с двойным преобразованием напряжения. ИБП данного типа предназначены преимущественно для защиты компьютерного и прочего оборудования с импульсными источниками питания.
Основные преимущества бестрансформаторных схем:
Малые габариты и вес.
Относительно высокий КПД.
Ограниченный перечень нагрузок (для защиты компьютерного оборудования).
Ниже перегрузочная способность и общая надежность ИБП.
Не рекомендованы для работы с нестабильной и несбалансированной нагрузкой.
Входной изолирующий трансформатор
Трансформатор применяется для обеспечения гальванической развязки цепи байпас его внутренних узлов и входной электросети АС220В, а также для преобразования силовой системы «треугольник» — «звезда».
THD-фильтр
Устройство, устанавливаемое во входной цепи ИБП для уменьшения ее влияния на форму тока и напряжения в питающей электросети. Поскольку входным узлом любого мощного ИБП, построенного по схеме с двойным преобразованием (On-Line), является выпрямитель (нелинейный и потребляющий большой импульсный ток элемент), такой ИБП становится причиной «загрязнения» электросети. Применение THD-фильтра позволяет существенно ослабить подобное «загрязнение». Мощные системы бесперебойного питания должны комплектоваться фильтрами, уменьшающими КНИ входного тока до 5 … 10%.
Температурная компенсация зарядного тока батарей
Технология, применяемая ведущими производителями ИБП, для продления срока службы аккумуляторных батарей. Как известно, герметичные батареи крайне чувствительны к величине зарядного тока, оптимальное значение которого зависит от температуры окружающей среды. Технология температурной компенсации зарядного тока позволяет автоматически корректировать режим заряда батарей в соответствии с изменениями внешних условий и тем самым продлить жизненный цикл аккумуляторов в несколько раз.
Техническое решение, направленное на повышение надежности(аппаратное резервирование) устройства или для увеличение суммарной выходной мощности (масштабирование). Оно предусматривает параллельное соединение двух или нескольких одноранговых (одинаковых по мощности) ИБП по входу и выходу. Работоспособность такой системы обеспечивается специальной схемой фазовой синхронизации выходных напряжений.
Примеры обозначения параллельных систем:
«1+1» — система из двух ИБП со 100% резервированием.
«2+1» — система из трех модулей, один из которых (любой) является резервным (50% резервирование).
«N+2» — система, состоящая из (N+2) модулей, два из кото рых (любые) являются резервными.
При аппаратном резервировании нагрузка равномерно распределяется между всеми ИБП, а в случае выхода из строя одного из них перераспределяется между исправными устройствами.
В схеме с параллельным резервированием допускается применение как отдельных аккумуляторов для каждого ИБП, так и общего комплекта батарей.
Основные характеристики ИБП
Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) Total Harmonic Distorsions (TDH)
Показатель, характеризующий степень отличия формы сигнала от синусоидальной. В основном используется для измерения искажений формы входного или выходного тока (Current THD). КНИ равен отношению суммы мощностей высших гармоник сигнала к мощности его первой гармоники. Типовые значения КНИ:
0% — форма сигнала представляет собой идеальную синусоиду.
3% — форма сигнала отлична от синусоидальной, но искажения не заметны на глаз.
5% — отклонение формы сигнала от синусоидальной заметно на глаз по осциллограмме.
21% — например, сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы.
43% — например, сигнал прямоугольной формы.
К-фактор (K-Factor)
К-фактор, как и КНИ тока, характеризует нелинейность нагрузки, т.е. количество гармонических искажений, вносимых потребителем в электросеть. В отличие от КНИ при вычислении К-фактора большее значение имеют высшие гармоники тока, вызывающие тепловые потери в силовых трансформаторах. Фактически К-фактор — это коэффициент увеличения потерь в трансформаторе за счет нелинейности нагрузки. Существуют специализированные трансформаторы, позволяющие работать при повы-шенных К-факторах нагрузки. Они являются более эффективными и безопасными и ре-комендованы для использования на ответственных объектах. Примеры: К=1 (стандартный трансформатор); К=4 … 20 (улучшенные трансформаторы).
Полезная мощность, отбираемая нагрузкой от ИБП. Вычисляется как усредненный по периоду сигнала определенный интеграл произведения мгновенных значений входного тока и напряжения. Единица измерения: Вт (ватт).
Полная мощность
Суммарная мощность с учетом активной и реактивной составляющих, а также отклонения формы тока и напряжения от гармонической. Вычисляется как произведение среднеквадратичных значений входного тока и напряжения. Единица измерения: ВА (вольт — ампер).
Коэффициент мощности Роwег Fастог (PF)
Комплексный показатель, характеризующий линейные и нелинейные искажения формы тока и напряжения в электросети, обусловленные влиянием нагрузки (например, ИБП). Вычисляется как отношение поглощаемой нагрузкой активной мощности к полной. Типовые значения коэффициента мощности: 1 — идеальное значение. 0.9 — хороший показатель. 0.8 — типовая промышленная нагрузка. 0.7 — компьютерная нагрузка. 0.65 — двухполупериодный выпрямитель. В случае линейной нагрузки коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига между током и напряжением и в зависимости от характера нагрузки может носить емкостной или индуктивный характер.
В случае активной нелинейной нагрузки коэффициент мощности определяется отношением мощности первой гармоники тока к общей активной мощности, потребляемой нагрузкой.
Необходимо заметить, что реальная промышленная нагрузка является нелинейной и носит преимущественно емкостной характер (РF=0.8).
Показатель, характеризующий способность ИБП питать нелинейную нагрузку, потребляющую импульсный (нелинейный) ток. Определяется как отношение амплитуды импульсного тока в нелинейной нагрузке lm (нелин.) к амплитуде тока гармонической формы lm (лин.) при эквивалентной потребляемой мощности (см. рисунки). ИБП компании N-Power способны питать нелинейную нагрузку с крест-фактором до 3.5:1.