Джерела безперебійного живлення (ДБЖ) Uninterruptible Power Supply (UPS)
Пристрій для аварійного живлення навантаження енергію акумуляторних батарей. Їх основним завданням є підтримка працездатності критичного навантаження протягом незначного часу від кількох хвилин до кількох годин залежно від її потужності та ємності батарейного комплекту. Цього часу достатньо або для усунення несправностей лінії електропередачі, або для штатного відключення критичного навантаження.
Якість мережного електроживлення та його неполадки
Норми якості електричної енергії в системах електропостачання загального призначення оцінюють за 10 показниками, основними з яких є:
— напруга 380 В (для трифазних мереж) та 220 В (для однофазних), допустиме відхилення ± 5%, гранично допустиме ± 10%;
— Частота 50 Гц, гранично допустиме відхилення частоти ± 0.4 Гц;
— нормально допустиме значення коефіцієнта нелінійних спотворень 6%, гранично допустиме – 20%.
До основних проблем мережного електроживлення ставляться:
— повне пропадання напруги в мережі (аварія у мережі);
— довготривалі та короткочасні просідання та сплески напруги;
— Високовольтні імпульсні перешкоди;
— Високочастотний шум;
— Відхилення частоти за межі допустимих значень.
Найбільш поширеним видом неполадок у великих містах є довготривалі просідання напруги, а сільській місцевості до них додаються аварії в електромережі та високовольтні імпульсні перешкоди, спричинені атмосферною електрикою.
Критичне навантаження (Critical Load)
Навантаження, чутливе до неполадок в електромережі, загрожує виходом обладнання з ладу, порушенням технологічного процесу або втратою важливої інформації. Щоб запобігти подібним випадкам, для живлення такого навантаження (файлових серверів, робочих станцій, персональних комп’ютерів, телекомунікаційного та офісного обладнання тощо) слід застосовувати ДБЖ
Джерело безперебійного живлення, виконаної за схемою з комутуючим пристроєм, який у нормальному режимі роботи забезпечує підключення навантаження безпосередньо до зовнішньої живильної електромережі, а в автономному — переводить її на живлення від акумуляторних батарей. Перевагою ДБЖ резервного типу є його простота та невисока вартість, а недоліком – ненульовий час перемикання (~4 мс) на батарей і більш інтенсивна експлуатація акумуляторів, оскільки пристрій переходить в автономний режим за будь-яких неполадок в електромережі. ДБЖ резервного типу, як правило, мають невелику потужність і застосовуються для забезпечення безперебійного електроживлення окремих пристроїв (персональних комп’ютерів, робочих станцій, офісного обладнання) у районах із гарною якістю електричної мережі.
Джерело безперебійного живлення, виконаний за схемою з комутуючим пристроєм (Оff-Line) і доповненою автоматичним регулятором напруги (AVR) на основі автотрансформатора з обмотками, що перемикаються (ступінчастим стабілізатором).
Основна перевага лінійно-інтерактивного ДБЖ у порівнянні з джерелом резервного типу полягає в тому, що він здатний забезпечити нормальне харчування навантаження при підвищеному або зниженому напруженні електромережі (найпоширеніший вид неполадок у вітчизняних електромережах) без переходу в автономний режим. У результаті продовжується термін служби акумуляторних батарей.
Недоліком лінійно-інтерактивної схеми є ненульовий час перемикання (~4 мс) навантаження на живлення від батарей
По ефективності лінійно-інтерактивні ДБЖ займають проміжне положення між простими та відносно дешевими резервними джерелами (Оff-Line) та високоефективними, але дорогими ДБЖ з подвійним перетворенням енергії (Оп-Line). Як правило, лінійно-інтерактивні ДБЖ застосовують для захисту персональних комп’ютерів, моніторів, робочих станцій, вузлів локальних обчислювальних мереж та іншого офісного обладнання.
Приклади ДБЖ зі схемою Line-Interactive.
Автоматичний регулятор напруги, побудований на основі автотрансформатора з обмотками, що перемикаються (див. малюнки), застосовується в лінійно-інтерактивних ДБЖ для ступінчастого коригування вхідної напруги в бік її підвищення (знижена вхідна напруга) або зниження (підвищена вхідна напруга). AVR розширює діапазон вхідних напруг, за яких ДБЖ забезпечує нормальне живлення навантаження без переходу в автономний режим роботи. Діапазони допустимої зміни вхідної напруги можуть становити 30% від номінального значення 220 Ст.
Схема Оn-Line передбачає, що надходить на вхід ДБЖ змінна мережна напруга перетворюється випрямлячем на постійне, а потім за допомогою інвертора знову на змінну. Акумулятор, постійно включений між випрямлячем і інвертором, живить останній в аварійному режимі.
Схема Оп-Line забезпечує ідеальну вихідну напругу за будь-яких неполадок в електромережі. Вона характеризується нульовим часом перемикання з нормального режиму в автономний та назад без перехідних процесів у вихідній напрузі
До недоліків схеми Оп-Line відносяться її порівняльна складність, більш висока вартість, а також енергетичні втрати на подвійному перетворенні напруги. Захист таких пристроїв, як файлові сервери та телекомунікаційне обладнання здійснюється тільки з використанням ДБЖ зі схемою Оп-Line.
Приклади ДБЖ із подвійним перетворенням (Оп-Line)
Байпас — це режим живлення навантаження мережевою напругою в обхід основної схеми ДБЖ. Перехід пристрою в режим байпасу може виконуватися автоматично або вручну. ДБЖ зі схемою Оп-Line автоматично переходять у режим байпас при перевантаженні вихідних ланцюгів або у разі виникнення внутрішніх несправностей. Таким чином, навантаження захищається не тільки від збоїв в електромережі, але і від несправностей в самому ДБЖ. Можливість ручного переведення пристрою в режим байпаса передбачена на випадок проведення його технічного обслуговування без відключення навантаження.
Інвертори з вихідним ізолюючим трансформатором застосовуються в ДБЖ середньої та великої потужності з подвійним перетворенням напруги (Оп-Line) та призначених для роботи з широким переліком навантажень.
Основні переваги:
Можливість роботи з навантаженнями будь-яких типів, що мають різні коефіцієнти потужності.
Стабільність вихідних параметрів як за статичної, і динамічної навантаженні.
Дозволяє реалізувати будь-яку з відомих силових схем (систем заземлення), що живлять: TN-C, TN-S, TN-C-S, TT і IT.
Гальванічна ізоляція збільшує помехозащищенность навантаження як у фазах, і по нейтралі. Виключається постійна складова вихідної напруги.
Можливість роботи з нелінійним та імпульсним навантаженням за рахунок широкого діапазону допустимого хрест-фактора та КНІ струму навантаження.
Можливість живлення будь-яких однофазних, так і трифазних навантажень.
У зв’язку з використанням вихідного трансформатора типу «трикутник-зірка» вихідна нейтраль формується заново і всі фазні напруги жорстко балансуються.
Можливість роботи з незбалансованими до 100% трифазними навантаженнями типу «зірка» та «трикутник».
Основні недоліки:
Великі габарити та вага в порівнянні з безтрансформаторними.
Вища вартість.
Безтрансформаторні ДБЖ зі схемою Оn-Line та перетворенням на високій частоті
Безтрансформаторні інвертори застосовуються в ДБЖ середньої та обмежено великої потужності (не більше 100 кВА — 200 кВА), побудованих за схемою ON-Line з подвійним перетворенням напруги. ДБЖ цього типу призначені переважно для захисту комп’ютерного та іншого обладнання з імпульсними джерелами живлення.
Основні переваги безтрансформаторних схем:
Малі габарити та вага.
Відносно високий ККД.
Обмежений перелік навантажень (для захисту комп’ютерного обладнання).
Нижче перевантажувальна здатність та загальна надійність ДБЖ.
Не рекомендовані для роботи з нестабільним та незбалансованим навантаженням.
Вхідний ізолюючий трансформатор
Трансформатор застосовується для забезпечення гальванічної розв’язки ланцюга байпас його внутрішніх вузлів та вхідної електромережі АС220В, а також перетворення силової системи «трикутник» — «зірка».
THD-фільтр
Пристрій, що встановлюється у вхідному ланцюзі ДБЖ для зменшення її впливу на форму струму і напруги в електромережі живлення. Оскільки вхідним вузлом будь-якого потужного ДБЖ, побудованого за схемою з подвійним перетворенням (On-Line), є випрямляч (нелінійний і споживає великий імпульсний струм елемент), такий ДБЖ стає причиною забруднення електромережі. Застосування THD-фільтра дозволяє суттєво послабити подібне забруднення. Потужні системи безперебійного живлення повинні комплектуватись фільтрами, що зменшують КНІ вхідного струму до 5…10%.
Температурна компенсація зарядного струму батарей
Технологія, що використовується провідними виробниками ДБЖ, для продовження терміну служби акумуляторних батарей. Як відомо, герметичні батареї вкрай чутливі до зарядного струму, оптимальне значення якого залежить від температури навколишнього середовища. Технологія температурної компенсації зарядного струму дозволяє автоматично коригувати режим заряду батарей відповідно до змін зовнішніх умов і цим продовжити життєвий цикл акумуляторів у кілька разів.
Технічне рішення, спрямоване на підвищення надійності (апаратне резервування) пристрою або збільшення сумарної вихідної потужності (масштабування). Воно передбачає паралельне з’єднання двох або декількох однорангових (однакових за потужністю) ДБЖ по входу та виходу. Працездатність такої системи забезпечується спеціальною схемою фазової синхронізації вихідних напруг.
Приклади позначення паралельних систем:
«1+1» — система з двох ДБЖ зі 100% резервуванням.
«2+1» — система з трьох модулів, один з яких (будь-який) є резервним (50% резервування).
«N+2» — система, що складається з (N+2) модулів, два з яких (будь-які) є резервними.
При апаратному резервуванні навантаження рівномірно розподіляється між усіма ДБЖ, а у разі виходу з ладу одного з них перерозподіляється між справними пристроями.
У схемі з паралельним резервуванням допускається застосування окремих акумуляторів для кожного ДБЖ, так і загального комплекту батарей.
Основні характеристики ДБЖ
Коефіцієнт нелінійних спотворень (КНІ) Total Harmonic Distorsions (TDH)
Показник, що характеризує ступінь відмінності у формі сигналу від синусоїдальної. В основному використовується для виміру спотворень форми вхідного або вихідного струму (Current THD). КНІ дорівнює відношенню суми потужностей вищих гармонік сигналу потужності його першої гармоніки. Типові значення КНІ:
0% — форма сигналу є ідеальною синусоїдою.
3% — форма сигналу відмінна від синусоїдальної, але спотворення не помітні на око.
5% — відхилення форми сигналу від синусоїдальної помітно на око по осцилограмі.
21% — наприклад, сигнал трапецеїдальної або ступінчастої форми.
43% — наприклад, сигнал прямокутної форми.
К-фактор (K-Factor)
К-фактор, як і КНИ струму, характеризує нелінійність навантаження, тобто. кількість гармонійних спотворень, які споживач вносить в електромережу. На відміну від КНД при обчисленні К-фактора більше значення мають вищі гармоніки струму, що викликають теплові втрати в силових трансформаторах. Фактично К-фактор – це коефіцієнт збільшення втрат у трансформаторі за рахунок нелінійності навантаження. Існують спеціалізовані трансформатори, що дозволяють працювати при підвищених К-факторах навантаження. Вони є більш ефективними та безпечними та рекомендовані для використання на відповідальних об’єктах. Приклади: К = 1 (стандартний трансформатор); К=4…20 (покращені трансформатори).
Корисна потужність, що відбирається навантаженням від ДБЖ. Обчислюється як усереднений за періодом сигналу певний інтеграл добутку миттєвих значень вхідного струму та напруги. Одиниця виміру: Вт (ват).
Повна потужність
Сумарна потужність з урахуванням активної та реактивної складових, а також відхилення форми струму та напруги від гармонійної. Обчислюється як добуток середньоквадратичних значень вхідного струму та напруги. Одиниця виміру: ВА (вольт — ампер).
Коефіцієнт потужності Роwег Fастог (PF)
Комплексний показник, що характеризує лінійні та нелінійні спотворення форми струму та напруги в електромережі, обумовлені впливом навантаження (наприклад, ДБЖ). Обчислюється як відношення поглинається навантаженням активної потужності до повної. Типові значення коефіцієнта потужності: 1 — Ідеальне значення. 0.9 — хороший показник. 0.8 — типове промислове навантаження. 0.7 — комп’ютерне навантаження. 0.65 — двонапівперіодний випрямляч. У разі лінійного навантаження коефіцієнт потужності дорівнює косинус кута зсуву між струмом і напругою і в залежності від характеру навантаження може носити ємнісний або індуктивний характер.
У разі активного нелінійного навантаження коефіцієнт потужності визначається ставленням потужності першої гармоніки струму до загальної активної потужності, що споживається навантаженням.
Необхідно зауважити, що реальне промислове навантаження є нелінійним і носить переважно ємнісний характер (РF=0.8).
Показник, що характеризує здатність ДБЖ живити нелінійне навантаження, що споживає імпульсний (нелінійний) струм. Визначається як відношення амплітуди імпульсного струму в нелінійному навантаженні lm (нелін.) до амплітуди струму гармонійної форми lm (лін.) при еквівалентній споживаній потужності (див. малюнки). ДБЖ компанії N-Power здатні живити нелінійне навантаження з хрест-фактором до 3.5:1.