По мере своего развития цивилизация начинает потреблять все больше энергии, в частности, электрической станки, заводы, электронасосы, фонари на улицах, лампы в квартирах… Появление радио, телевизоров, телефонов, компьютеров дало человечеству возможность ускорить обмен информацией, однако, еще сильнее привязало его к источникам электроэнергии, поскольку теперь, во многих случаях, пропадание электричества равносильно потере канала доставки информационного потока. Наиболее критична такая ситуация для ряда наиболее современных отраслей, в частности, там, где основным инструментом производства являются компьютерные сети.
Давно подсчитано, что через пару-тройку месяцев работы стоимость информации, хранящейся на компьютере, превышает стоимость самого ПК. Уже давно информация стала разновидностью товара ее создают, оценивают, продают, покупают, накапливают, преобразуют… и порой теряют по самым разнообразным причинам. Разумеется, до половины проблем, связанных с потерей информации, возникает из-за программных или аппаратных сбоев компьютерами. Во всех остальных случаях, как правило, проблемы связаны с некачественным электроснабжением компьютера.
Обеспечение качественного питания компонентов ПК залог стабильной работы любой компьютерной системы. От формы и качественных характеристик сетевого питания, от удачного выбора компонентов питания порой зависит судьба целых месяцев работы. Исходя из этих соображений, была разработана изложенная ниже методика исследования, призванная в дальнейшем стать основой тестирования качественных характеристик бесперебойных блоков питания.
- Положения ГОСТ
- Классификация ИБП (описание, схема)
- Оффлайновые
- Линейно-интерактивные
- Онлайновые
- Основные типы по мощностям
- Физика
- a. Виды мощности, формулы расчета:
- Мгновенная
- Активная
- Реактивная
- Полная
- a. Виды мощности, формулы расчета:
- Тестирование:
- Цель тестирования
- Общий план проведения
- Параметры для проверки
- Оборудование, использованное при тестировании
- Библиография
Все, что связано с электрическими сетями, в России регламентируется положениями ГОСТ 13109-97 (принят Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации взамен ГОСТ 13109-87). Нормативы этого документа полностью соответствуют международным стандартам МЭК 861, МЭК 1000-3-2, МЭК 1000-3-3, МЭК 1000-4-1 и публикациям МЭК 1000-2-1, МЭК 1000-2-2 в части уровней электромагнитной совместимости в системах электроснабжения и методов измерения электромагнитных помех.
Стандартными показателями для электросетей в России, установленными ГОСТ, являются следующие характеристики:
- напряжение питания 220 В±10%
- частота 50±1 Гц
- коэффициент нелинейных искажений формы напряжения менее 8% в течение длительного времени и 12% кратковременно
Оговорены в документе и типичные проблемы электроснабжения. Чаще всего нам приходится сталкиваться со следующими из них:
- Полное пропадание напряжения в сети (отсутствие напряжения в сети на время более 40 секунд из-за нарушений в линиях подачи электроэнергии)
- Проседания (кратковременное снижение напряжения в сети до величины менее 80% от номинального значения на время более 1 периода (1/50 секунды) являются следствием включения мощных нагрузок, внешне проявляется как мерцание ламп освещения) и всплески (кратковременные повышения напряжения в сети на величину более 110 % от номинального на время более 1 периода (1/50 секунды); появляются при отключении большой нагрузки, внешне проявляются как мерцание ламп освещения) напряжения разной продолжительности (характерно для больших городов)
- Высокочастотный шум радиочастотные помехи электромагнитного или другого происхождения, результат работы мощных высокочастотных устройств, коммуникационных устройств
- Отклонение частоты за пределы допустимых значений
- Высоковольтные выбросы кратковременные импульсы напряжения величиной до 6000В и длительностью до 10 мс; появляются при грозах, как результат статического электричества, из-за искрения переключателей, внешних проявлений не имеют
- Выбег частоты изменение частоты на 3 и более Гц от номинального (50 Гц), появляются при нестабильной работе источника электроэнергии, внешне могут и не проявляться.
Все эти факторы могут привести к выходу из строя достаточно «тонкой» электроники, и, как это часто бывает, к потере данных. Впрочем, люди давно научились защищаться: фильтры сетевого напряжения, «гасящие» скачки, дизель-генераторы, обеспечивающие подачу электроэнергии системам при пропадании напряжения в «глобальном масштабе», наконец, источники бесперебойного питания основной инструмент защиты персональных ПК, серверов, мини-АТС и др. Как раз о последней категории устройств и пойдет речь.
Классификация ИБП
«Разделять» ИБП можно по разным признакам, в частности, по мощности (или сфере применения) и по типу действия (архитектуре/устройству). Оба этих метода тесно связаны друг с другом. По мощности ИБП делятся на
- Источники бесперебойного питания малой мощности (с полной мощностью 300, 450, 700, 1000, 1500 ВА, до 3000 ВА включая и on-line)
- Малой и средней мощности (c полной мощностью 3–5 кВА)
- Средней мощности (с полной мощностью 5–10 кВА)
- Большой мощности (с полной мощностью 10–1000 кВА)
Исходя из принципа действия устройств, в литературе в настоящее время используется два типа классификации источников бесперебойного питания. Согласно первому типу, ИБП делятся на две категории: on-line и off-line , которые, в свою очередь, делятся на резервные и линейно-интерактивные .
Согласно второму типу, ИБП делятся на три категории: резервные (off-line или standby), линейно-интерактивные (line-interactive) и ИБП с двойным преобразованием напряжения (on-line).
Мы будем пользоваться вторым типом классификации.
Рассмотрим для начала разницу типов ИБП. Источники резервного типа выполнены по схеме с коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей сети, а в аварийном переводит ее на питание от аккумуляторных батарей. Достоинством ИБП такого типа можно считать его простоту, недостатком ненулевое время переключения на питание от аккумуляторов (около 4 мс).
Линейно-интерактивные ИБП выполнены по схеме с коммутирующим устройством, дополненной стабилизатором входного напряжения на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками. Основное преимущество таких устройств защита нагрузки от повышенного или пониженного напряжения без перехода в аварийный режим. Недостатком таких устройств также является ненулевое (около 4 мс) время переключения на аккумуляторы.
ИБП с двойным преобразованием напряжения отличается тем, что в нем поступающее на вход переменное напряжение сначала преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем с помощью инвертора снова в переменное. Аккумуляторная батарея постоянно подключена к выходу выпрямителя и входу инвертора и питает его в аварийном режиме. Таким образом, достигается достаточно высокая стабильность выходного напряжения независимо от колебаний напряжения на входе. Кроме того, эффективно подавляются помехи и возмущения, которыми изобилует питающая сеть.
Практически, ИБП данного класса при подключении к сети переменного тока ведут себя как линейная нагрузка. Плюсом данной конструкции можно считать нулевое время переключения на питание от аккумуляторов, минусом снижение КПД за счет потерь при двукратном преобразовании напряжения.
Физика
Во всех справочниках по электротехнике различаются четыре вида мощности: мгновенная , активная , реактивная и полная . Мгновенная мощность вычисляется как произведение мгновенного значения напряжения и мгновенного значения тока для произвольно выбранного момента времени, то есть
Так как в цепи с сопротивлением r u=ir, то
Средняя за период мощность P рассматриваемой цепи равна постоянной слагающей мгновенной мощности
Среднюю за период мощность переменного тока называют активной . Единица активной мощности вольт-ампер называется ватт (Вт).
Соответственно и сопротивление r называют активным. Так как U=Ir, то
Обычно именно активную мощность понимают под потребляемой мощностью устройства.
Реактивная мощность величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля. Для синусоидального тока равна произведению действующих тока и напряжения на синус угла сдвига фазы между ними.
Полная мощность потребляемая нагрузкой суммарная мощность (учитываются как активная, так и реактивная ее составляющие). Вычисляется как произведение среднеквадратичных значений входного тока и напряжения. Единица измерения ВА (вольт-ампер). Для синусоидального тока равна
Практически на любом электрическом приборе находится этикетка с указанием либо полной мощности устройства, либо активной мощности.
Тестирование
Основная цель тестирования продемонстрировать поведение тестируемых ИБП в реальных условиях, дать представление о дополнительных характеристиках, которые не находят отражения в общей документации на устройства, на практике определить влияние различных факторов на работу ИБП и, возможно, помочь определиться с выбором того или иного источника бесперебойного питания.
Несмотря на то, что рекомендаций по выбору ИБП в настоящее время существует великое множество, в ходе тестирования мы рассчитываем, во-первых, рассмотреть ряд дополнительных параметров, которыми стоит поинтересоваться перед покупкой оборудования, во-вторых, по необходимости скорректировать набор выбранных методов и параметров тестирования и выработать базу для будущего анализа всего тракта питания систем.
Общий план проведения тестирования выглядит следующим образом:
- Указание класса устройства
- Указание заявленных производителем характеристик
- Описание комплектности поставки (наличие руководства, дополнительных шнуров, ПО)
- Краткое описание внешнего вида ИБП (функции, вынесенные на контрольную панель и перечень разъемов)
- Тип аккумуляторов (с указанием емкости аккумуляторов, обслуживаемые/необслуживаемые, наименование, возможно взаимозаменяемость, возможность подключения дополнительных аккумуляторных блоков)
- «Энергетическая» составляющая тестов
В процессе тестирования планируется проверить следующие параметры:
- Диапазон входного напряжения, при котором ИБП работает от сети, не переключаясь на аккумуляторы. Больший диапазон входного напряжения уменьшает количество переходов ИБП на батарею и увеличивает срок ее службы
- Время переключения на питание от аккумулятора. Чем меньше время переключения, тем меньше риск выхода из строя нагрузки (устройства, подключенного через ИБП). Длительность и характер процесса переключения во многом определяют возможность нормального продолжения работы оборудования. Для компьютерной нагрузки допустимое время прерывания питания 20-40 мс.
- Осциллограмма переключения на аккумулятор
- Время переключения с аккумулятора на внешнее питание
- Осциллограмма переключения с аккумулятора на внешнее питание
- Время работы в автономном режиме. Этот параметр определяется исключительно емкостью батарей, установленных в ИБП, которая, в свою очередь, увеличивается при росте максимальной выходной мощности ИБП. Для обеспечения автономным питанием двух современных компьютеров SOHO типичной конфигурации в течение 15-20 мин, максимальная выходная мощность ИБП должна быть порядка 600-700 ВА.
- Параметры выходного напряжения при работе от батарей
- Форма импульса в начале разряда аккумулятора
- Форма импульса в конце разряда аккумулятора
- Диапазон выходного напряжения ИБП при изменении входного напряжения. Чем этот диапазон уже, тем меньше влияние изменения входного напряжения на питаемую нагрузку
- Стабилизация выходного напряжения
- Фильтрация выходного напряжения (если она есть)
- Поведение ИБП при перегрузке на выходе
- Поведение ИБП при пропадании нагрузки
- Вычисление КПД ИБП. Определяется как отношение выходной мощности устройства к потребляемой мощности от источника питания
- Коэффициент нелинейных искажений, характеризующий степень отличия формы напряжения или тока от синусоидальной
- 0% синусоида
- 3% искажения не заметны на глаз
- 5% искажения заметны глазом
- до 21% трапецеидальная или ступенчатая форма сигнала
- 43% сигнал имеет прямоугольную форму
При тестировании мы будем пользоваться не реальными рабочими станциями и серверами, а эквивалентными нагрузками, которые имеют стабильный характер потребления и коэффициент использования мощности, близкий к 1. В качестве основного оборудования, которое будет использоваться при проведении тестирований, в настоящее время рассматривается следующий комплект:
Библиография
- ГОСТ 721-77 Системы энергоснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения свыше 1000 В
- ГОСТ 19431-84 Энергетика и электрификация. Термины и определения
- ГОСТ 21128-83 Системы энергоснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения до 1000 В
- ГОСТ 30372-95 Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения
- Теоретическая электротехника, изд. 9-е, исправленное, М.-Л., издательство "Энергия", 1965
- Рекламные материалы компании
- Интернет-ресурс
Журнал "Электронные компоненты" №9,2008
Валерий Климов, к.т.н., технический директор, «Русэлт»
При сравнении источников бесперебойного питания (ИБП) различных производителей следует, прежде всего, обращать внимание на их технические характеристики, отражающие потребительские свойства и качества. В статье рассматриваются важные энергетические показатели ИБП и его перегрузочные характеристики. Динамические характеристики отражают надежную работу ИБП при коммутации нагрузки, скачках сетевого напряжения, перегрузках и других возмущениях, возникающих в системе «сеть - ИБП – нагрузка». Приведены результаты экспериментального исследования динамических режимов однофазных ИБП с двойным преобразованием, рассмотренных в части 1 («ЭК» 6, 2008).
Классификация электрических характеристик ИБП
Требования к ИБП и классификация электрических характеристик современных ИБП наиболее полно представлены в новом международном стандарте . Действовавший ранее в нашей стране стандарт не отражает всей полноты требований к современным структурам ИБП. Предлагаемый автором перечень электрических параметров ИБП дополнен рядом энергетических показателей:
Входные характеристики включают: номинальные значения мощностей, напряжений, токов и их допустимые отклонения, пусковые токи, входной коэффициент мощности, гармонический состав входного тока;
Входные характеристики отражают: статические и динамические показатели точности, коэффициент искажения синусоидальности, КПД, выходной коэффициент мощности, перегрузочную способность ИБП;
Переходные (системные) показатели характеризуют: синхронизацию по частоте, время резерва, время восстановления заряда аккумуляторной батареи (АБ), обобщенный энергетический коэффициент;
Параметры цепи постоянного тока характеризуют требования к номинальным значениям напряжения АБ ;
Эксплутационные требования (условия окружающей среды) отражают влияние температуры, влажности, высотности и т.д. на рабочие характеристики ИБП.
Рассмотрим более подробно основные электрические характеристики ИБП.
Входные характеристики ИБП
Номинальные значения входного напряжения, принятые в нашей стране: для однофазных ИБП – 220 В; для трехфазных ИБП – 220/380 В, 50 Гц.
*Первая, вторая и третья части статьи были опубликованы в «ЭК» 6, 8, 9, 2008.
Допустимые отклонения входного напряжения характеризуют пределы изменения входного напряжения, при которых ИБП продолжает работать в сетевом режиме без перехода в автономный режим питания от АБ. Современные структуры ИБП с бустером обеспечивают диапазон +/–20% и более. Следует отметить, что для ряда однофазных моделей ИБП нижний предел входного напряжения расширяется с уменьшением нагрузки .
Номинальная входная полная мощность (Sвх.ном) – полная мощность, загружающая сеть при 100% коэффициенте нагрузки и стандартных условиях эксплуатации. Различают входную мощность, потребляемую при заряженной АБ (Sвх.мин), и мощность при форсированном заряде батареи (Sвх.макс), превышающую первое значение на 25 – 30%, в зависимости от величины емкости батареи и степени ее разряженности. Например, для ИБП с номинальной выходной мощностью 30 кВА и входным коэффициентом мощности 0,8 имеем: Sвх.мин = 32,8 кВА и Sвх.макс = 41 кВА.
Номинальная входная активная мощность (Рвх.ном) характеризует энергопотребление на входе ИБП при номинальной нагрузке:
Рвх.ном=КрвхSвх.ном
Входной коэффициент мощности (Крвх) характеризует отношение активной входной мощности к полной при номинальном входном напряжении и 100% нагрузке.
Значения Крвх для различных моделей и мощностей ИБП могут изменяться от 0,8 до 0,99. Чем больше значение Крвх, тем ниже искажение синусоидальности входного тока. При этом входное сопротивление ИБП по отношению к сети будет чисто активным. Наиболее высокое значение Крвх = 0,99 достигнуто в структурах ИБП с входным ШИМ-преобразователем на IGBT-транзисторах .
Составляющие токов реактивной мощности и мощности искажения во входной цепи преобразователя (мостовой схеме трехфазного выпрямителя) будут замыкаться во входном контуре системы и зависеть от параметров входного фильтра, реактивных параметров звена постоянного тока (так как это влияет на форму тока, потребляемого от сети) и степени загруженности системы.
Максимальный входной ток – параметр, определяющий выбор внешнего автомата защиты ИБП. Величина максимального тока определяется при 100% коэффициенте нагрузки, минимальном входном напряжении в режиме форсированного заряда АБ:
Iвх.макс=Sвх.макс/Uвх.мин
Величина пускового тока – характеризует бросок входного тока за счет заряда накопительных конденсаторов при включении ИБП. Для ограничения скачка тока в современных ИБП используют пусковые цепи или алгоритм мягкого старта ИБП.
Выходные характеристики ИБП
Статическая точность выходного напряжения для однофазных маломощных ИБП двойного преобразования составляет +/–2%, для средней мощности и трехфазных ИБП достигает +/–1%, что позволяет обеспечивать параллельную работу 4 – 8 блоков на общую нагрузку . Показатели динамической точности современных ИБП составляют +/–5% при 100% скачке нагрузки .
Внешняя характеристика ИБП характеризует степень статической точности выходного напряжения. В общем случае жесткость внешней характеристики определяется внутренним сопротивлением силовой цепи, включающей выпрямитель, корректор коэффициента мощности (ККМ), преобразователь постоянного напряжения (ППН) и инвертор. ККМ – ППН обладают стабилизирущими свойствами. Благодаря этому напряжение питания инвертора также стабильно, поэтому можно считать, что основным параметром, определяющим внешнюю характеристику ИБП, является выходное сопротивление инвертора. Современные инверторы на IGBT-транзисторах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения обладают низким значением внутреннего сопротивления. По сравнению с силовыми трансформаторами инвертор обладает в 5 раз меньшим внутренним сопротивлением , что обеспечивает не только высокую точность стабилизации выходного напряжения (1 – 2)%, но и низкие значения коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения (менее 3%) при токах в нелинейных нагрузках с коэффициентом амплитуды до 3.
Номинальная полная выходная мощность (Sвых.ном) – предельная полная мощность, которую инвертор может отдать в линейную нагрузку с коэффициентом мощности (Крн), равным выходному коэффициенту мощности ИБП (Крвых) при стандартных условиях эксплуатации (температура, влажность, высотность).
Выходной коэффициент мощности (Крвых), указанный производителем, соответствует тому значению коэффициента мощности нагрузки, при котором обеспечивается максимальная эффективность потребления электроэнергии от ИБП. Значения Крвых для современных ИБП составляют 0,7…0,9 .
Номинальная активная выходная мощность (Рвых.ном) – максимальная активная мощность, отдаваемая в нагрузку:
Рвх.ном=КрвхSвх.ном
КПД и тепловые потери
КПД характеризует эффективность использования ИБП и представляет отношение выходной активной мощности, потребляемой нагрузкой, к входной активной мощности, потребляемой ИБП из сети. Потери активной мощности (тепловые потери) в ИБП характеризуются рядом составляющих:
∆P=Pвх Pвых=∆Pхх+∆Pсц+∆Pдоп
∆Pхх – постоянная составляющая потерь (потери холостого хода ИБП) не зависит от коэффициента нагрузки и определяется энергией, необходимой для обслуживания системы управления силовых узлов, питания вентиляторов охлаждения и других вспомогательных блоков. В ИБП малой и средней мощности 1 – 10 кВА потери холостого хода составляют 20 – 30% от общих потерь. С ростом мощности ИБП относительная доля потерь холостого хода снижается.
∆Pсц – переменная составляющая потерь, которая зависит от коэффициента нагрузки
∆Pсц = ∆P1+∆P2+∆P3+∆P4
∆P1 – потери в силовой цепи выпрямителя;
∆P2 – потери в силовой цепи корректора коэффициента мощности;
∆P3 – потери в силовой цепи преобразователя постоянного напряжения;
∆P4 – потери в силовой цепи инвертора.
Технические данные производителей ИБП содержат значения КПД отдельных силовых узлов ИБП (в основном выпрямителя и инвертора) и значения общего (системного) КПД, составляющего 85 – 88% для ИБП малой мощности и 90 – 94% для ИБП средней и большой мощности;
∆Pдоп – дополнительные потери на заряд АБ, являющиеся переменными во времени и зависящие от степени разряженности батареи и ее емкости. Наибольшие дополнительные потери возникают при форсированном заряде батареи. Например, потери при номинальной нагрузке в ИБП мощностью 30 кВА составляют: 2,8 кВт – при форсированном режиме заряда батареи и 2,2 кВт – при заряженной батарее.
Нагрузочная характеристика ИБП представляет нелинейную зависимость коэффициента передачи полной мощности от коэффициента мощности нагрузки ФОРМУЛА
Введем понятия коэффициента передачи полной мощности в нагрузку и нагрузочной характеристики инвертора .
Коэффициент передачи полной мощности в нагрузку – отношение предельно допустимой мощности нагрузки к номинальной полной мощности оборудования: ФОРМУЛА Коэффициент К5 коррелируется с понятием коэффициента снижения мощности Kd (derating factor), указывающим на процент величины активной составляющей мощности нагрузки, которую можно подключить к инвертору.
Коэффициент снижения мощности зависит от характера нагрузки. В таблице 1 приведен пример значений коэффициентов снижения мощности при выходном коэффициенте мощности инвертора 0,8 и различных значениях коэффициентов мощности нагрузки.
Таблица 1. Зависимость коэффициента снижения мощности от характера нагрузки.
Ток конденсатора выходного фильтра суммируется с током емкостной составляющей нагрузки, что снижает предельно допустимую нагрузку на выходе инвертора. Реактивная составляющая мощности и высокочастотные гармонические составляющие мощности искажения на выходе преобразователя будут обмениваться между нагрузкой, выходным фильтром инвертора и емкостью фильтра звена постоянного тока. Замыкаясь в указанном контуре силовой цепи преобразователя, их величины будут зависеть от коэффициента мощности нагрузки. Причем выходной коэффициент мощности может отличаться от коэффициента мощности нагрузки. Значение коэффициента передачи полной мощности в нагрузку достигает 100% при равенстве коэффициента мощности линейной нагрузки индуктивного характера выходному коэффициенту мощности ИБП. На рисунке 1а приведены нагрузочные характеристики при различных типах линейной нагрузки RL, RC и нелинейной нагрузки RCD. При нелинейной нагрузке коэффициент передачи мощности снижается. Наиболее распространены однофазные нелинейные нагрузки типа RCD – неуправляемые выпрямители с емкостным фильтром. Коэффициент амплитуды тока такой нагрузки достигает 2,5 – 3 при коэффициенте мощности 0,7 – 0,6. На рисунке 1б
приведены зависимости коэффициента мощности и коэффициента амплитуды RCD-нагрузки в функции длительности импульса тока на полупериоде сетевого напряжения . При работе ИБП на разнотипные нагрузки за эквивалентную нелинейную нагрузку принимают сумму нагрузок: 50% – RL – линейная нагрузка с Крн = 0,8 и 50% – RCD –нагрузка – неуправляемый выпрямитель с емкостью фильтра 2,5 мкФ/Вт. Коэффициент передачи мощности в нелинейную нагрузку при токе с коэффициентом амплитуды Ка = 3 не превышает значения Кs = 70 – 80%.
Векторная диаграмма мощностей инвертора (см. рис. 2) наглядно отражает нагрузочные способности ИБП, и в последнее время приводится в каталогах ряда ведущих мировых производителей ИБП. Верхний квадрант диаграммы характеризует мощности при активно-емкостной нагрузке (кВАр-С), в нижний – при активно-индуктивной нагрузке (кВАр-L). Здесь приняты обозначения:
- горизонтальная ось соответствует относительным значениям активной мощности P ;
- О - центр окружности максимальной полной мощности при индуктивном характере нагрузки;
- ОВ - вектор относительной максимальной полной мощности, отдаваемой в нагрузку индуктивного характера (S макс ) при номинальной активной мощности;
- О 1 - центр окружности максимальной полной мощности при емкостном характере нагрузки;
- ВС – значение номинальной активной мощности на выходе преобразователя (P ном ) ;
- ОА – предельное значение относительной полной мощности, отдаваемой в индуктивную нагрузку при пониженной активной мощности;
- ОD – предельное значение относительной полной мощности, отдаваемой в емкостную нагрузку при пониженной активной мощности.
Косинусы углов поворота векторов полных мощностей относительно действительной оси координат будут соответствовать коэффициентам мощности нагрузок на выходе инвертора. Положение вертикальной линии номинальной выходной активной мощности (P ном ) определяется выходным коэффициентом мощности инвертора К Рвых =Р ном/ S ном .
При емкостном характере нагрузки происходит смещение центра максимальной полной мощности О 1 вниз относительно начала координат О и снижение границы полной мощности CD. Выход за указанные границы на векторной диаграмме мощностей (A-B-C-D-O) означает перегрузку инвертора. Современные системы управления инвертором в ИБП анализируют значения полной и активной составляющей мощностей, фиксируя превышения предельных значений.
Коэффициенты реактивных мощностей выходного фильтра инвертора
При выборе параметров фильтра рекомендуется принимать: Kc = Qc/Sном = 0,25 – 0,5; Kl = Ql/Sном = 0,07 – 0,2. Меньшие значения коэффициентов могут быть приняты для пониженных мощностей инверторов. Увеличение коэффициента емкостной мощности приводит к снижению расчетной мощности инвертора, обеспечивающего номинальные режимы работы в безопасной области векторной диаграммы мощностей .
Перегрузочные характеристики ИБП и ток короткого замыкания инвертора Различают перегрузочные способности инвертора и цепи «байпас». При значительных и длительных перегрузках ИБП переходит в режим автоматического байпаса, который характеризуется большой перегрузочной способностью. Однако современные инверторы на IGBT-транзисторах с ШИМ-регулированием тоже отличаются достаточно высокими перегрузочными характеристиками и значениями токов короткого замыкания (Iкз), достигающими 200 – 300% номинального выходного тока. При перегрузках, не превышающих 5 – 10% номинальной мощности, ИБП могут работать в инверторном режиме длительное время, не переходя в режим «байпас». На рисунке 3 приведены типичные перегрузочные характеристики ИБП. Допустимые области работы ИБП: 1– инверторный режим; 2 – режим автоматического байпаса; 3 – область отключения ИБП. Следует иметь в виду, что количественные показатели приведенных токо-временных зависимостей у разных моделей ИБП могут отличаться. Знание перегрузочных характеристик позволяет оптимально выбирать необходимую номинальную мощность ИБП для нагрузок, обладающих большими пусковыми токами, исключая низкий коэффициент загрузки ИБП в статическом режиме при номинальных токах нагрузки.
Вопрос ограничения тока инвертора в режиме перегрузки является важным для понимания перегрузочных свойств ИБП. При росте тока нагрузки свыше номинального значения инвертор переходит в режим генератора тока, ограничивая максимальное значение тока на определенной величине Iогр. Чтобы искажение синусоидальности выходного напряжения не превышало 5%, необходимо устанавливать порог ограничения максимального (амплитудного) значения выходного тока в 1,5 раза больше амплитудной величины номинального тока инвертора при линейной нагрузке:
I огр= 1,5√2i вых.ном
Соответственно, коэффициент амплитуды тока ограничения составляет:
Ко.огр=Iогр
Инвертор с ШИМ-регулированием выходного напряжения способен реагировать на изменения тока нагрузки, ограничивая его по амплитуде. При этом происходит увеличение длительности импульса тока на полупериоде выходного напряжения . Так, например, инвертор с номинальной мощностью 5 кВА способен отдать 4 кВт активной мощности в RCD-нагрузку с искажением синусоидальности выходного напряжения не более 5%. Таким образом, выходной коэффициент мощности такого инвертора Крвых = 0,8.
В таблице 2 приведены типовые перегрузочные характеристики ИБП малой и средней мощности.
Таблица 2. Типовые перегрузочные характеристики ИБП малой и средней мощности
Переходные характеристики ИБП
Эти характеристики носят так же название системных или «вход – выход». К ним относятся такие параметры, как энергетический коэффициент, показатели синхронизации, временные характеристики автономной работы ИБП и восстановление заряда АБ.
Энергетический коэффициент определяет соотношение полных мощностей - потребляемой ИБП из сети и отдаваемой ИБП в нагрузку :
ФОРМУЛА
Если выполняется условие Кэ ≥ Крн, то ИБП потребляет из сети полную мощность равную или меньше той, что ИБП отдает в нагрузку:
ФОРМУЛА
Данное положение распространяется на ИБП с высоким входным коэффициентом мощности при работе на нелинейные нагрузки с низким коэффициентом мощности. Это явление объясняется тем, что при нелинейной нагрузке ток реактивной мощности и высокочастотные гармоники тока мощности искажения замыкаются в контуре «инвертор – нагрузка» и не проявляются во входной цепи ИБП. Можно показать, что при заданном коэффициенте мощности нагрузки Крн и КПД активная мощность на входе ИБП будет составлять:
ФОРМУЛА 9
Полная мощность на входе ИБП будет определяться входным коэффициентом мощности:
ФОРМУЛА 10
При условии Uвх = Uвых, имеем:
ФОРМУЛА 11
Рассмотрим пример использования ИБП со следующими показателями: Крвх = 0,95, КПД = 90%, при работе на нелинейную нагрузку с коэффициентом мощности Крн = 0,63.
Из соотношения (11) имеем: Iвх = 0,74 Iвых. Уменьшение действующего значения входного тока ИДП относительно выходного тока приводит к снижению загруженности сети по сравнению с тем, когда нагрузка подключена к сети напрямую. Так как потери мощности пропорциональны квадрату тока, то потери мощности в линиях электропередачи с использованием ИБП в нашем примере составят 54% от потерь при питании той же нагрузки от сети без ИБП. Это обстоятельство особо важно при наличии, так называемых, «мягких» линий электропередачи. Таким образом, обобщенный энергетический коэффициент является одним из важнейших показателей, определяющих целесообразность применения ИБП с двойным преобразованием не только для обеспечения бесперебойного электропитания нагрузки при пропадании или искажении сети, но и для оптимизации энергопотребления при нагрузках с низким коэффициентом мощности.
Временные характеристики автономной работы ИБП показывают предельные времена работы ИБП от энергии АБ при отсутствии или недопустимых отклонениях сети в зависимости от коэффициента нагрузки. Значительное увеличение времени резерва достигается внешним подключением дополнительных аккумуляторных модулей. Следует обратить внимание на нелинейную зависимость временных характеристик от значения коэффициента нагрузки .
Время восстановления заряда аккумуляторной батареи АБ характеризует возможность работы ИБП в повторных автономных режимах и зависит от используемой емкости АБ. Время заряда АБ от 20% до 90% емкости составляет в среднем 6 – 8 часов.
Показатели синхронизации характеризуют синхронную работу инвертора и цепи «байпас», которая должна поддерживаться при отклонениях частоты в пределах +/–8% от номинальной со скоростью изменения частоты в пределах 1 – 4 Гц/с. При автономной работе выходная частота инвертора должна поддерживаться с точностью +/–0,1% от номинальной.
Характеристики динамических режимов работы и спектральные характеристики ИБП
Данный раздел посвящен результатам экспериментального исследования динамических режимов и спектральных характеристик ИБП с двойным преобразованием мощностью 1 – 3 кВА . При этих исследованиях определялись:
· провалы и всплески мгновенных значений выходного напряжения и тока и время возврата в установившийся режим работы ИБП после скачков нагрузки;
· реакция ИБП на скачки входного напряжения;
· перегрузочные и защитные способности ИБП;
· гармонический состав выходного напряжения и тока в установившихся процессах при различном характере нагрузок и форме входного напряжения.
Названный перечень динамических характеристик отражает общие требования к ИБП, изложенные в стандартах . Результаты исследования переходных процессов при скачках нагрузки приведены на рисунках 4 а, б. Анализ показывает, что при скачке линейной нагрузки до 100% выходное напряжение снижается на 3,5% от величины установившегося значения и затем восстанавливается до исходного уровня за 60 мс (см. рис. 4а). Отметим, что статическая точность стабилизации ИБП составляет +/–2%. При скачкообразном сбросе 100% линейной нагрузки зарегистрировано увеличение выходного напряжения на 4% и возврат к установившемуся значению в течение 100 мс (см. рис. 4б).
На рисунке 5а приведены осциллограммы выходного напряжения и тока при включении двигательной нагрузки, суммарная мощность которой составила 150% номинальной мощности ИБП. В связи с перегрузкой ИБП автоматически перешел в режим «байпас», а затем, по окончании режима пуска двигателя ИБП, вновь перешел в режим двойного преобразования. При этом видно, что переход из режима двойного преобразования в байпас и наоборот происходит мгновенно, без искажений кривых напряжения и тока.
Процесс перехода на байпас и возврат в режим двойного преобразования был приведен на рисунке 5а. При превышении нагрузки более 110% инвертор продолжает работу в течение 30 с, а затем ИБП переходит на байпас. В случае увеличения нагрузки до 150% инвертор продолжает работать 0,2 с до перехода на байпас.
На рисунке 5б приведены осциллограммы выходного напряжения и тока ИБП 3 кВА при включении нелинейной нагрузки, коэффициент амплитуды (крест-фактор) которой равен 2,84, а полная мощность – 1,8 кВА. Первоначальный всплеск тока превысил в 2,4 раза пиковое значение тока в установившемся режиме. При этом выходное напряжение снизилось на 9% от установившегося значения и затем восстановилось до исходного уровня в течение 40 мс.
При исследовании поведения ИБП при скачках входного напряжения было отмечено, что он обеспечивает практически мгновенную реакцию на возмущения, и стабильность выходного напряжения остается в пределах статической точности +/–2%. Эффективность электронной защиты инвертора проверялась при автономной работе ИБП путем включения двигательной нагрузки с превышением 150% номинальной нагрузки (пуск двигателя). Через 0,22 с после включения двигателя ИБП был отключен электронной защитой от перегрузки (см. рис. 6). Эксперимент подтвердил паспортные данные о перегрузочной способности инвертора (200 мс) и надежность срабатывания электронной защиты ИБП.
Исследование гармонического состава выходного напряжения и тока при линейной и нелинейной нагрузках показало, что коэффициент искажения синусоидальной формы выходного напряжения не превышает допустимые значения при любом характере нагрузки, как в сетевом, так и в автономном режимах.
В таблице 3 приведены результаты испытаний ИБП мощностью 3 кВА на состав высших гармоник в выходном и входном напряжениях и токах при нелинейной нагрузке мощностью 1,8 кВА.
Таблица 3. Спектральный состав токов и напряжений при нелинейной нагрузке
Как следует из анализа гармонического состава выходного напряжения при использовании ИБП с двойным преобразованием имеем незначительный коэффициент искажения синусоидальности Ки = 3,8% при существенно нелинейной нагрузке и при допустимом содержании высших гармоник выходного напряжения инвертора не более 10% . При существенно несинусоидальной форме входного напряжения, соответствующей коэффициенту искажения синусоидальности 36 – 41% (прямоугольное напряжение со значительном коэффициентом третьей гармоники), выходное напряжение ИБП имеет синусоидальную форму Ки вых = (0,6 – 1)%. Это обстоятельство особо важно при питании ИБП от дизель-генераторной установки (ДГУ) малой мощности, когда напряжение ДГУ имеет значительные искажения от синусоидальной формы.
Литература:
1. Климов В. Современные источники бесперебойного питания: классификация и структуры однофазных ИДП. Часть1//Электронные компоненты, №6, 2008.
2. Климов В. Структуры силовых цепей трехфазных ИБП. Часть 2//Электронные компоненты, №8, 2008.
3. International Standard IEC 62040-3.1999, Uninterruptible Power Systems (UPS), part 3: Method of Specifying the Performance and Test Requirements.
4. ГОСТ 27699-88. Системы бесперебойного питания приемников переменного тока. Общие технические условия.
5. Jean N. Fiorina Inverters and Harmonics, MGE UPS Systems, MGE 159, 1993
6. Климов В., Москалев А. Коэффициент мощности и нагрузочная характеристика ШИМ-инвертора в системах бесперебойного питания//Силовая Электроника, №3, 2007.
7. Климов В., Смирнов В. Коэффициент мощности однофазного бестрансформаторного импульсного источника питания//Практическая силовая электроника, вып.5, 2002.
8. Климов В., Климова С. Энергетические показатели источников бесперебойного питания переменного тока, Электронные компоненты, №4, 2004.
9. Климов В. и др. Однофазные источники бесперебойного питания серии ДПК: динамические и спектральные характеристики//Силовая Электроника, №2, 2007.
10. Климов В. Многомодульные структуры ИБП и организация параллельной работы мономодульных ИБП. Часть 3//Электронные компоненты, №9, 2008.
11. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
КПД - коэффициент полезного действия - одна из важнейших характеристик любого оборудования, и источники бесперебойного питания здесь не исключение. И КПД ИБП оказывает влияние не только на систему энергоснабжения.
От 94 к 96
Недавно стандартным значением КПД для ИБП многих производителей было 94%. Сегодня благодаря новым технологиям (в частности, IGBT-транзисторам) на рынке появились ИБП с КПД 96%.
Эко-режимы
Ещё один шаг, сделанный большинством производителей - разработка алгоритма работы ИБП с использованием эко-режима. Поэ эко-режимом понимается экономически-выгодный режим, при котором основные функциональные части ИБП (выпрямитель, инвертор) по сути отключены, а питание нагрузки осуществляется по линии контролируемого, а иногда и корректируемого байпаса.
Как результат, КПД повышается вплоть до 99%. Однако следует понимать, что КПД в этом случае носит ступенчатый характер. Дело в том, что эко-режим активируется лишь в случае удовлетворяющей всем требованиям внешней электросети. Если же какие-либо параметры выходят за рамки рекомендуемых, то, в зависимости от производителя, либо сразу активируется режим двойного преобразования, либо включаются в работу механизмы коррекции параметров электросети. При недостаточности их влияния ИБП также переходит в режим двойного преобразования.
Таким образом, в общем случае имеется три ступени КПД ИБП: максимальное значение в 99%, 97-98% в режиме коррекции и всё те же 96% в режиме двойного преобразования.
Влияние на кондиционирование
К слову, современные системы кондиционирования с плавным регулированием холодопроизводительности имеют повышенный КПД при малых нагрузках, поэтому повышение КПД ИБП повышает и КПД кондиционеров.
Реальный расчет
На практике это означает следующее. Сравним модели ИБП с КПД 94% и 96%, эксплуатируемых в одинаковых условиях с одинаковой загрузкой.
В случае КПД 94% мощность на входе в ИБП составит 1000 / 0.85 / 0.94 = 1251.5кВт. В случае КПД 96%: 1000 / 0.85 / 0.96 = 1225.5кВт.
Прирост КПД на 2% в абсолютной величине снижает подводимую к ИБП мощность на 2.21% (= 1 / 0.94 - 1 / 0.96).
Нагрузка на систему кондиционирования снижается с 6% от мощности ИБП до 4% от мощности ИБП, т.е. на треть. Если принять, что для отвода 3кВт тепла система кондиционирования потребляет 1кВт электроэнергии, то потребляемая кондиционерами мощность снизится с 2% от мощности ИБП до 1.33% от мощности ИБП, т.е. на 0.67%.
Общее снижение подводимой к ИБП мощности составит 2.21 + 0.67 = 2.88%.
Источник бесперебойного питания является временным заменителем электрической сети для подключенного к нему оборудования. Качество этой замены сильно зависит от типа и марки ИБП.
В электрической сети напряжение имеет синусоидальную форму или форму, близкую к синусоиде.
Все высококлассные ИБП тоже имеют синусоидальную форму выходного сигнала, т.е. обеспечивают электропитание практически не отличающееся от обычной сети или даже имеют синусоиду более высокого качества.
На выходе ИБП (как и в сети) синусоида может быть не совсем идеальной.
Для определения коэффициента гармонических искажений обычно нужно специальное оборудование. Но можно приблизительно оценить величину полного коэффициента гармонических искажений просто по осциллограмме напряжения. Если вы видите слабые искажения, то коэффициент гармонических искажений около 5 %. Если искажения очень хорошо заметны, коэффициент гармонических искажений примерно равен 10 %.
При коэффициенте гармонических искажений более 20 % у вас "не поднимется рука" назвать форму кривой напряжения синусоидой.
Этот способ, как и любое упрощение, имеет свои ограничения. В частности, чем больше номер гармоники, тем при меньшем коэффициенте гармонических искажений ее хорошо видно.
Синусоидальное выходное напряжение имеют все ИБП с двойным преобразованием, феррорезонансные ИБП и большинство ИБП, взаимодействующих с сетью. Для всех этих ИБП полный коэффициент гармонических искажений выходного напряжения, равный 5%, является граничным. Если коэффициент гармонических искажений на выходе ИБП меньше 5%, то ИБП по этому параметру можно считать "хорошим". Если эта величина больше 5%, то форма выходного сигнала ИБП оставляет желать лучшего.
Обычно производители указывают степень гармонических искажений в общем перечне технических характеристик ИБП. Почти всегда указывается только одна величина коэффициента гармонических искажений, относящаяся к некоторым средним (если не сказать идеальным) условиям - например при линейной нагрузке. Следует иметь в виду, что наиболее значительный искажения формы выходного напряжения могут происходить в различных граничных условиях, а также при параметрах не характерных для обычной работы ИБП.
Такими предельными условиями (их набор или сочетание может быть разным для разных моделей ИБП) могут быть максимальная нагрузка или холостой ход (отсутствие нагрузки); предельный или запредельный коэффициент мощности (например меньший, чем 0.5), слишком большой пик-фактор. Серьезные искажения выходное напряжение может претерпевать также при различных переходных процессах (например при ступенчатом изменении нагрузки).
На режиме работы от сети ИБП с переключением и взаимодействующий с сетью питают свою нагрузку отфильтрованным сетевым напряжением. То есть они в этом случае не являются независимыми источниками питания. Таким источником является электрическая сеть. Это значит, что коэффициент гармонических искажений на входе блока питания компьютера будет примерно таким же, как и без ИБП. Это так, поскольку фильтры этих ИБП не предназначены для фильтрации низкочастотных гармоник, и свободно их пропускают. Соответственно, если в сети были сильные гармонические искажения до установки ИБП (из-за общей перегрузки сети или большой доли мощности нелинейных нагрузок), они такими и останутся. Если этих искажений не было, они и не появятся.
Иначе обстоит дело с феррорезонансным ИБП и ИБП с двойным преобразованием энергии. Они являются в рассматриваемом смысле независимыми источниками питания. Поэтому все сказанное выше относительно искажений формы сетевого напряжения нужно в этом случае отнести к выходному напряжению ИБП. Если эти ИБП сильно (почти до номинальной мощности) нагружены нелинейными нагрузками, то на входе этих нагрузок могут появиться искажения основной гармоники, которых не было без ИБП. С другой стороны, если при работе от сети наблюдались гармонические искажения, то они могут пропасть после установки ИБП, если ИБП недогружен.
Если нелинейная нагрузка on-line ИБП составляет более двух третей его полной мощности, то напряжение на выходе ИБП может быть заметно искажено. Не опасное само по себе для компьютеров искажение формы напряжения является нехорошим признаком того, что нагрузка ИБП слишком велика. Лучше установить ИБП большей мощности или отключить от него какое-либо оборудование.
Некоторые высококлассные ИБП с двойным преобразованием оснащены специальной управляющей цепью, назначением которой является корректировка формы выходного напряжения даже при работе с нелинейными нагрузками большой мощности. На выходе этих ИБП напряжение не имеет заметных гармонических искажений, даже в случае, если ИБП питает нелинейные нагрузки значительной мощности.
Разумеется все компьютеры и другое оборудование, предназначенное для питания от сети переменного тока, рассчитано на синусоидальное напряжение. Вряд ли какой-нибудь производитель этой техники готов гарантировать нормальную работу его оборудования с сильно несинусоидальным напряжением.
Тем не менее, большинство потребителей электрической энергии могут питаться напряжением переменного тока несинусоидальной формы. Причем для разного оборудования более важны разные характеристики синусоидального напряжения питания. Например оборудование, оснащенное импульсными блоками питания (скажем, персональные компьютеры) потребляет ток только в моменты времени, когда напряжение очень близко к максимуму. Потому для питания такого оборудования важно правильное амплитудное значение напряжения. Оборудование, имеющее непосредственно питаемые электрические двигатели и нагреватели, требует номинального действующего значения напряжения. Синусоидальное напряжение отвечает требованиям любой из этих нагрузок.
Но почти все виды нагрузок (оборудования), в том числе компьютеры, может более или менее нормально работать с напряжением, которое очень сильно отличается от синусоидального. Этим обстоятельством широко пользуются производители ИБП с переключением.
Раньше (очень давно) некоторые ИБП с переключением имели выходное напряжение в форме меандра (прямоугольных импульсов разной полярности).
Рис. 26. Меандр
Когда мы заменяем синусоидальное напряжение тем или иным его приближением, мы должны выбрать параметры этого приближения такими, чтобы они были наиболее близки параметрам заменяемой синусоиды. Но у меандра амплитудное и действующее значения напряжения равны друг другу (коэффициент амплитуды равен единице). Поэтому мы не можем сделать напряжение прямоугольной формы таким, чтобы оно одновременно удовлетворяло требованиям различных нагрузок.
В попытках найти компромисс производители таких ИБП устанавливали прямоугольное напряжение равным некоторому значению, лежащему между амплитудным и действующим. В результате получалось, что некоторые нагрузки (требующие правильного действующего значения напряжения) могли выйти из строя из-за избыточного напряжения, в то время, как другому оборудованию (потребляющему ток при напряжениях, близких к максимуму) это напряжение было слишком мало.
Для того, чтобы среднеквадратическое и амплитудное значение прямоугольного напряжения были равны соответствующим значениям синусоидального напряжения, производители современных ИБП с переключением слегка изменили форму меандра, введя паузу между прямоугольными импульсами разной полярности.
Рис. 27. Меандр с паузой.
Напряжение такой формы производители ИБП называют "ступенчатым приближением к синусоиде" (англ. - stepped approximation to a sine wave). Эта форма кривой позволяет, при правильно подобранных амплитуде напряжения и длительности пауз, выполнить требования разных нагрузок. Например при длительности паузы около 3 мс (для частоты 50 Гц) действующее значение напряжения совпадает с действующим значением синусоидального напряжения той же амплитуды.
Выходное напряжение всех попадавшихся мне ИБП с переключением, присутствующим на рынке России, имеет вид ступенчатого приближения к синусоиде.
Показанная на рис. 27 форма выходного напряжения - это идеал, к которому должны по идее стремиться производители ИБП. Реальная форма выходного напряжения ИБП с переключением конечно же отличается от идеала.
Иногда производители ИБП соблюдают декларируемое равенство действующего значения напряжения на выходе ИБП действующему значению напряжения сети весьма приблизительно. Длительность пауз, и амплитуда прямоугольного напряжения заметно отклоняются от расчетных значений.
Эти отклонения видимо не могут служить основанием для того, чтобы объявить тот или иной ИБП плохим. Ведь все они нормально работают с персональными компьютерами, для работы с которыми они собственно и предназначены.
Реальная форма выходного напряжения ИБП с переключением приведена на рис. 28.
Рис. 28. Осциллограммы напряжения и тока персонального компьютера, подключенного к ИБП с переключением.
На той же осциллограмме приведена и кривая потребляемого компьютером тока. Это позволяет оценить, насколько "несладко" приходится компьютеру, защищаемому ИБП с переключением. Но, как ни странно, сильные импульсные токи, потребляемые компьютером в моменты начала и конца прямоугольного импульса, не влияют на работу компьютера. Они полностью подавляются блоком питания компьютера, на выходе которого наблюдается постоянное напряжение с обычным уровнем пульсаций.
Не следует также забывать, что компьютер, защищаемый ИБП с переключением, питается несинусоидальным напряжением только в моменты работы ИБП от батареи (т.е. очень кратковременно). При работе ИБП от сети, компьютер питается сетевым напряжением, сглаженным с помощью встроенных в ИБП фильтров шумов и импульсов.
Возможность применения ИБП с переключением для питания другого оборудования (не компьютеров) требует, вообще говоря, проверки в каждом подобном случае. Известны случаи, когда с такими ИБП отказывались работать некоторые принтеры. С другой стороны, известны случай применения ИБП с переключением для защиты таких нетрадиционных нагрузок, как телефонные станции или кассовые аппараты с трансформаторными блоками питания.
К применению ИБП с переключением для питания приборов с трансформаторными блоками питания следует подходить с осторожностью. Дело в том, что обычные для трансформатора 5-10 % потерь в присутствии гармоник увеличиваются пропорционально квадрату номер агармоники. Поэтому ресурс сильно нагруженных трансформаторов при питании напряжением в виде меандра может уменбшаться в десятки раз.
Как и у любого источника питания, форма выходного напряжения ИБП с переключением зависит от величины и характера нагрузки. Для ИБП, выпускаемых известными в мире фирмами эта зависимость обычно невелика.
Однако некоторые ИБП имеют сильную зависимость формы (а иногда и амплитуды) выходного напряжения от нагрузки. Некоторые из них не могут использоваться при малых нагрузках, поскольку имеют на выходе импульсное напряжение амплитудой до 800 В. Другие проверяются изготовителем только при работе с линейными нагрузками. Такие ИБП при работе с компьютером могут быть неустойчивы в моменты переключения.
Сказанное показывает: не следует пользоваться ИБП малознакомых производителей или покупать такие ИБП у неспециализированных фирм.
Отечественное электроснабжение характеризуется невысокой надежностью и неудовлетворительным Это связано с устаревшими электрическими сетями, износом оборудования, низкими характеристиками преобразователей энергии, переходными процессами у источников и пользователей электричества, природными и климатическими факторами. В подобных условиях крайне необходимы системы бесперебойного питания для обеспечения работы потребителей как первой, так и остальных категорий.
Для владельцев квартир и домов стабильная работа электросети также важна. Прекращение работы бытовых приборов - это не самая большая из бед. Гораздо важней безотказное функционирование систем жизнеобеспечения, в частности системы отопления, если она напрямую зависит от электроснабжения. На помощь приходит бесперебойное питание UPS (ИБП) - устройство, защищающее электроприемники от отключения за счет накопления электроэнергии в аккумуляторных батареях (АКБ) и гарантирующее необходимое качество энергии (КЭ) в автономном и сетевом режимах работы.
Прежде чем наметить подход к созданию питания нагрузок без сбоев, следует узнать, какие сбои можно ожидать от отечественных электросетей.
Сбои питания в электросетях
Пониженное напряжение - частое явление в электроснабжении. Но оно не особенно преобладает над повышенным, которое также часто встречается. В ночное время напряжение стабильное, днем оно снижается, а вечером, когда большая часть нагрузок отключается, возрастает.
Нестабильная частота также является сбоем, хотя довольно редким. При высокой загруженности сети она может снизиться до 45 Гц, что приводит к существенным искажениям сигнала, негативно влияющим на работу ИБП. Некоторые устройства воспринимают снижение частоты как аварию, и батарея может быстро разрядиться.
Полное отключение электричества - это не такой уж редкий случай. Электрики не очень считаются с работой электроники и могут неожиданно обесточить здание. Мгновенного отключения электричества достаточно для потери информации на компьютере. При перегрузке сетей могут происходить отключения электричества. Поэтому важно, как надежно поставляет система UPS бесперебойное питание.
Классификация ИБП
Их объединяют в три группы:
- Маломощные ИБП для подключения через электрические розетки. Исполнение бывает настольным или напольным, а мощность составляет от 0,25 до 3 кВт.
- Устройства средней мощности - от 3 до 30 кВт - содержат блок розеток, встроенных внутрь, или включаются также через группы розеток в сети питания потребителей от щита управления. Устройства изготавливаются для размещения как в офисах, так и в отдельных оборудованных помещениях.
- ИБП большой мощности - от 10 до 800 кВт. Располагаются в электромашинных помещениях. Их собирают в группы и создают энергетические системы высокой мощности - до нескольких тысяч кВт.
Типы ИБП
Сейчас распространены 4 типа UPS (ИБП). Общими для всех свойствами являются:
- фильтрация от импульсов и шумов;
- устранение искажений формы сигнала;
- стабилизация напряжения (не у всех моделей);
- поддержание АКБ заряженной;
- когда батарея ИБП разрядится, она сначала подает сигнал, а затем отключает потребителя.
Off-line UPS
Принцип действия устройств данной модификации состоит в питании потребителя от действующей сети и мгновенном переключении на автономное резервное питание при аварийных ситуациях (4-12 мс). Они проще и дешевле других типов.
ИБП обычно переключается на работу от встроенного аккумулятора.
При работе от сети устройство подавляет шумы с импульсами и поддерживает напряжение на заданном уровне. Часть энергии затрачивается на подзарядку АКБ. В случае работы сети в нестандартном режиме происходит переключение потребителя на работу от батареи. Каждая модель ИБП по-своему определяет необходимость перехода на этот режим. Время работы через батарею зависит от ее характеристик и потребляемой нагрузкой мощности. В случае разрядки источника резервного питания подается команда на отключение потребителя. Если напряжение сети достигает нормального уровня, ИБП переходит в обычный сетевой режим работы, начинается зарядка АКБ.
Линейно-интерактивные
Модели Line interactive ups оснащены стабилизаторами, которые работают постоянно и обеспечивают редкое подключение аккумуляторов.
Устройство взаимодействует с сетью, контролируя амплитуду и форму сетевого напряжения.
При снижении или увеличении напряжения блок корректирует его величину, переключая отводы автотрансформатора. Таким путем поддерживается его номинальное значение. Если параметр выходит за допустимые пределы и диапазона переключений уже не хватает, ИБП переходит на резервное питание от батареи. Блок может отключаться от основного питания, когда поступает сигнал искаженной формы. Есть модели, которые корректируют форму напряжения без переключения на работу от АКБ.
Феррорезонансный ИБП
Устройство содержит феррорезонансный трансформатор, который работает как стабилизатор напряжения. Его преимуществом является накапливание энергии в магнитном поле, которая высвобождается при переключениях в течение 8-16 мс. Этого промежутка времени достаточно для выхода ИБП на новый режим работы.
Трансформатор выполняет дополнительную функцию фильтра шумов. Искажение входного напряжения не влияет на форму выходного, которая остается синусоидальной.
Double Conversion UPS
Устройство двойного преобразования энергии работает по принципу выпрямления напряжения сети, а затем опять превращает его в переменное стабилизированное. Здесь применяется более мощный выпрямитель, который не только подзаряжает батарею, но также снабжает инвертор стабилизированным постоянным напряжением.
С выхода устройства переменное стабилизированное напряжение поступает на нагрузку.
Когда двойного преобразования недостаточно для корректировки напряжения сети, от батареи поступает дополнительный заряд к инвертору. Переключений не происходит, но режим уже другой.
При выходе из строя инвертора происходит переключение на работу от сети через байпас. Выбор ИБП двойного преобразования для частного использования является нерациональным из-за больших потерь энергии. Данный вид защиты применяют организации, где требуется высокая надежность оборудования.
Виды систем
Системы бесперебойного электроснабжения могут быть централизованными или распределенными. В первом случае на все здание или отдельный этаж работает один ИБП, который справляется со всеми нагрузками.
Бесперебойного питания включают несколько устройств защиты, каждое из которых работает на один компьютер или другую единицу оборудования. Они достаточно эффективны.
Преимущества распределенной системы следующие:
- ИБП подбирается специально для отдельного устройства, являющегося наиболее важным или работающего в тяжелых условиях.
- Система может постепенно наращиваться, начиная с защиты сервера и переходя на рабочие станции.
- Вышедшие из строя ИБП можно заменить на другие, с менее важных элементов системы.
- Маломощный ИБП не нуждается в установке и обслуживании специальным персоналом.
- Возможность подключения к обычной электросети через розетки.
- ИБП применяются независимо друг от друга.
Централизованные системы бесперебойного питания включают ИБП высокого уровня, которые лучше защищают оборудование. Несмотря на их высокую стоимость, в целом достигается экономия средств, поскольку одно устройство обходится дешевле, чем несколько. Но для простых компьютеров система будет стоить дороже, так как для ее обслуживания требуется персонал высокой квалификации или услуги специализированных фирм, производящих монтаж систем бесперебойного питания и их обслуживание.
Она необходима в следующих случаях:
- компьютеры являются основной нагрузкой сети;
- некоторые организации нуждаются в очень надежных системах, например банки;
- потребители существенно различаются по мощности: компьютерная система, связь, система безопасности.
На что обращать внимание при выборе ИБП?
При выборе системы бесперебойного электроснабжения необходимо учитывать несколько важных факторов. Перечислим основные из них.
От чего защищается оборудование?
Прежде всего необходимо провести измерения напряжения в электрической сети. Минимальным циклом по длительности будут сутки. Он в наибольшей степени отражает работу электрической сети. Если приходится работать в выходные дни, нужно получить информацию по недельному циклу, в течение дня и ночи.
Важно определить максимальное и минимальное напряжение, а также мощность и частоту импульсов в сети. Прибором может служить или регистратор.
Простейшим способом для пользователя являются замеры напряжения, во время которых, по его мнению, напряжение достигает максимума и минимума. Не стоит оставлять без внимания выходные дни.
Если у хозяина квартиры есть мощное оборудование, надо измерить напряжение в домашней сети при его включении и выключении. Следует выяснить, как часто отключается напряжение в электросети дома и по каким причинам. Важно наличие в квартире заземляющего провода. При этом следует выяснить, насколько надежно он подключен к шине этажного щита.
Вид защищаемого оборудования
Составляется список оборудования, для которого необходимо применение ИБП. При этом надо знать потребляемую каждым Достаточно определить ее номинальное значение, которое есть в технических характеристиках. Некоторое оборудование иногда потребляет максимальную энергию, в несколько раз превышающую номинал. Для него следует установить запас по мощности.
Период автономной работы
Здесь важно определить, за какой период можно безопасно сохранить данные или завершить необходимые технологические операции (передача информации, сохранение файлов, прием сообщения).
Необходимый персонал
В зависимости от сложности системы требуется определенный штат специалистов для ее эксплуатации. Это необходимо выяснить, чтобы правильно рассчитать все затраты. Цена системы защиты не должна превышать 10 % от стоимости основного оборудования.
ИБП для дома
Для среднего коттеджа удобна система бесперебойного питания UPS (ИБП) мощностью около 15 кВт. Чтобы обеспечить автономную работу на 2-3 часа, нужны 4 аккумулятора суммарной емкостью 2000 Ач. Они позволяют аккумулировать электроэнергию около 7 кВтч.
В доме наиболее важными являются система отопления и бытовая техника с компьютером. Стоимость ИБП зависит от мощности, количества аккумуляторов и производителя. Для котла можно приобрести источник мощностью 360 Вт по цене 7 тыс. Для всего дома понадобится мощность ИБП до 15 кВт, цена которого составляет более 70 тыс. руб.
Кроме преобразователей, необходимы батареи, которые нужно периодически менять. ИБП для дома обходится в круглую сумму. Особенно затратными являются аккумуляторные системы бесперебойного питания.
Несмотря на это, можно сэкономить на ремонте остальной техники. Кроме того, есть альтернативные варианты с применением генераторов. Иногда можно обойтись установкой стабилизаторов напряжения, которые справляются со многими задачами, включая корректное отключение оборудования.
Современные ИБП оснащены понятным интерфейсом. По дисплею можно следить за работой системы, где основными параметрами являются напряжение на входе и выходе, расход мощности, схема работы, заряд батарей.
Какой выбрать ИБП, зависит от потребностей пользователя. Для домашнего компьютера может быть достаточно энергии на время его отключения. Для бесперебойной работы котла в течение 8-9 час потребуется защитное устройство на 1 кВт с тремя АКБ по 65 А/ч.
Заключение
Системы предназначены для обеспечения автономной работы электроприборов и электронной техники непродолжительное время. Основным показателем является мощность ИБП и емкость АКБ. Целесообразно выбирать оборудование, содержащее стабилизатор напряжения.
Время работы через батарею зависит от ее характеристик и потребляемой нагрузкой мощности. В случае разрядки источника резервного питания подается команда на отключение потребителя. Если напряжение сети достигает нормального уровня, ИБП переходит в обычный сетевой режим работы и начинается зарядка АКБ.