Повышение требований к качеству электроэнергии в нынешнее время является вполне закономерным процессом. Требования упомянутых стандартов обусловлены двумя составляющими. К первой можно отнести желание потребителей максимально оградить себя от последствий аварийных ситуаций в энергосистеме. Вторая составляющая связана с условиями работы нагрузки. Сюда следует отнести требования стабильной и непрерывной работы интеллектуального и силового электрооборудования, снижение потерь в питающей сети и прочее. Один из эффективных вариантов технических решений проблемы качества электроэнергии – источники бесперебойного питания (ИБП, англ. UPS).
Содержание
Задачи ИБП
Основная задача ИБП – обеспечить потребителя электроэнергией в момент выхода параметров качества из регламентируемых норм (просадка, повышение напряжения, значительное искажение формы…). Выполняя эту задачу ИБП может:
- отключаться от сети питания и передавать мощность нагрузке, используя собственный источник;
- питать нагрузку скорректированным напряжением питающей сети.
В более дорогих ИБП может быть реализована функция улучшения качества потребляемой электроэнергии (интегрирован корректор коэффициента мощности).
Типы «бесперебойников»
Существуют три базовых типа ИБП.
- Резервный ИБП (standby, offline, back-ups). Наиболее простое и дешёвое техническое решение (например, популярный APC Back-UPS CS 500). При значительно повышенном или пониженном напряжении ИБП отключается от сети 220В и переходит на режим работы от аккумулятора. Основные элементы offline ИБП: аккумуляторы (батарея), зарядное устройство, инвертор, повышающий трансформатор, система управления, фильтр (рис. 1).
а)
б)
Рис. 1 Нормальный режим работы (а) и режим работы от аккумуляторов (б)Преимуществом offline ИБП является низкая стоимость и высокий КПД при работе от сети. Недостатки: высокий уровень искажений выходного напряжения (высокий коэффициент гармоник, ≈30% в случае прямоугольного сигнала), отсутствие возможности регулировки параметров входного напряжения. Более подробно характеристики выходного напряжения будут рассмотрены ниже.). - Интерактивный ИБП (англ. line — interactive). Является промежуточным типом между дешёвым и простым offline ИБП и дорогим многофункциональным online ИБП (например, ippon back office 600). В отличие от offline ИБП интерактивный источник имеет автотрансформатор, позволяющий поддерживать уровень выходного напряжения в пределах 220В (+-10%) при просадках / повышениях сетевого напряжения (рис. 2). Как правило, число уровней напряжения автотрансформатора колеблется в пределах двух – трёх.
(а)
(б)
(в)
(г)
Рис. 2 Работа интерактивного ИБП при нормальном напряжении сети (а), при просадке напряжения сети (б), при повышенном напряжении сети (в), при исчезновении сетевого напряжения или значительном повышении (г)Регулировка выходного напряжения реализована путём переключения на соответствующую отпайку обмотки трансформатора. При глубокой просадке или значительном повышении, или полном исчезновении сетевого напряжения данный класс ИБП функционирует аналогично offline классу: отключается от сети и генерирует выходное напряжение, используя энергию аккумуляторов. Касательно формы выходного сигнала, она может быть как синусной, так и прямоугольной (или же трапецеидальной).
Преимущества line — interactive в сравнении с резервным ИБП: меньшее время переключения на автономную работу от аккумуляторов, стабилизация уровня напряжения на выходе. Недостатки: более низкий КПД при работе от сети, более высокая цена (сравнительно с offline типом), плохая фильтрация всплесков (импульсное перенапряжение). - ИБП с двойным преобразованием (англ. double-conversion UPS, online). Наиболее функциональный и дорогостоящий тип ИБП. Бесперебойник всегда включен в сеть. Входной синусный ток проходит через выпрямитель, фильтруется, затем снова инвертируется в переменный. В звене постоянного тока может быть установлен отдельный DC/DC конвертер. Поскольку инвертор всегда находится в работе, задержка на переключение в режим питания от батарей практически равна нулю. Стабилизация напряжения на выходе при просадках или провалах сетевого напряжения более качественная, в отличие от стабилизации line — interactive ИБП. КПД может находиться в пределах 85%÷95%. Напряжение на выходе зачастую имеет синусную форму (коэффициент гармоник <5%).
Рис. 3 Функциональная схема одного из вариантов online ИБПНа рис. 3 представлена структурная схема варианта online ИБП. Сетевое напряжение здесь выпрямляется полууправляемым выпрямителем. Импульсное напряжение фильтруется и затем инвертируется. В схемах online ИБП может присутствовать один или несколько так называемых байпасов (обходных коммутаторов). Функция такого коммутатора аналогична функции реле: переключение нагрузки для питания от батареи или напрямую от сети.
На основе структуры online создают не только маломощные однофазные, но и промышленные трёхфазные ИБП. Непрерывность электропитания крупных файловых серверов, медицинской техники, телекоммуникаций осуществляется исключительно на основе online структуры ИБП. - Особые типы ИБП. Используются и другие специфические типы ИБП. К примеру, феррорезонансный источник бесперебойного питания. В данном ИБП специальный трансформатор накапливает заряд энергии, которого должно хватить на время переключения питания от сети на аккумуляторы. Также в качестве источника энергии некоторые ИБП используют механическую энергию супермаховика.
Основные характеристики ИБП.
- Мощность. Единицы измерения мощности: вольт-ампер (ВА), ватт (Вт), вольт-ампер реактивный (ВАр). Напомним, что существует полная S, активная Р и реактивная Q мощности. Уравнение, связывающее мощности
S2=P2+Q2
Активная мощность (Вт) расходуется на полезную работу, реактивная (ВАр) – не выполняет полезной работы. Соответственно, полная мощность по определению – максимальная мощность, которой должен обладать источник для обеспечения нагрузки необходимой энергией. Отношение активной мощности к полной показывает качество использования электроэнергии и называется коэффициентом мощности (англ. Power Factor, PF):
PF=P/S
Активная нагрузка (лампы накаливания, обогреватели) имеет PF=1, полная мощность равна активной. ПК, микроволновые печи, кондиционеры имеютПример расчёта.
Рассчитать источник бесперебойного питания для компьютера (два ПК + два монитора). Мощность ПК легко оценить, зная на какую мощность рассчитан блок питания. Пускай в ПК установлены блоки питания 450 Вт (активная мощность). При неизвестном PF для ПК с блоком питания без PFC (англ. Power Factor Corrector, корректор коэффициента мощности) PF можно принимать равным 0,65. Аналогично PF монитора принимаем равным 0,65. Активная мощность монитора 50 Вт. В результате, общая активная мощность потребителя (два рабочих места)
Р=450+50+450+50=1000 Вт
Полная мощность (из формулы 2):
S= Р/PF=1000/0.65=1538 (ВА).
Если в блоках питания (БП) ПК и монитора установлен корректор коэффициента мощности (PF=1), то полная мощность S равна активной.
S=P=1000 (ВА)
Для нагрузки в виде ПК можно рассчитывать ИБП без запаса по мощности, исходя из следующих фактов:
- Компьютерные блоки питания имеют защиту от перегрузки. Иными словами, ПК не сможет потреблять мощность, большую, чем заявленная мощность БП.
- Мощность блока питания – максимальная мощность. По факту в ненагруженном режиме (сразу после запуска) ПК потребляют около 50% своей мощности.
Результат.
Итак, необходимые минимальные параметры ИБП:
- для ПК с блоками питания без PFC – 1кВт / 1540 ВА.
- для ПК с блоками питания с PFC – 1кВт/ 1кВА.
Для первого варианта подойдёт источник бесперебойного питания apc Smart-UPS C 2000VA (линейно – интерактивный ИБП 2кВА / 1.3 кВт). Для второго — ИБП Ippon Smart Winner 1500 (1.35 кВт) или Eaton 5SC 1500 ВА (1.05 кВт).
При расчёте важно учесть кратковременное повышение мощности для такой нагрузки, как электродвигатели. В моменты пуска ток Iпуск в пять, семь раз выше номинального Iн:
Iпуск=(5÷7)*Iн
- Время работы от батареи. Рассчитать время автономной работы бесперебойника можно по следующей формуле:
Т=(Uбат*Ih)/P
где Т – время автономной работы, Ih – ёмкость (миллиампер * час).
Пример расчёта.
Для источника бесперебойного питания Powercom BNT-2000AP (2 кВА, 1.2 кВт) и упомянутого потребителя (2 ПК + 2 монитора с корректорами коэффициента мощности) рассчитать максимальное время работы. Паспортная ёмкость батареи 9 А*час. Если напряжение аккумулятора ИБП не указано можно принять его равным 12 В.
Подставляя значения в формулу (4) получим:
Т=(12*9)/1000=0,108 часа или почти 7 минут.
Результат. Время работы ИБП на упомянутую нагрузку составляет примерно 7 минут. С учётом реальной неполной загруженности ПК это время будет немного больше. - Время переключения на автономный режим. Для упомянутого линейно-интерактивного ИБП Powercom время переключения на питание от аккумуляторов равно 2 ÷ 4 мс.
- Диапазон сетевого напряжения. Иными словами, минимально и максимально допустимые напряжения, при которых ИБП будет работать от электросети. Для Powercom BNT-2000AP это значение находится в диапазоне 155÷275 В. Напомним, что для более дешёвых offline ИБП этот диапазон меньше. Например offline ИБП APC Back-UPS CS 350 переключается на автономный режим питания при 180 В.
- Уровень искажений выходного напряжения. Идеальным вариантом напряжения на выходе ИБП является синус 50 Гц (коэффициент гармоник = 0%). ИБП с двойным преобразованием энергии имеют более сложный инвертор и достаточно качественный выходной сигнал напряжения с коэффициентом гармоник не больше 5%. Линейно-интерактивные ИБП могут иметь как сложный, так и более простой инвертор, генерирующий аппроксимированную (ступенчатую) синусоиду или же прямоугольник. Offline ИБП имеют наиболее простой инвертор и, соответственно, прямоугольный или ступенчатый вид выходного сигнала с коэффициентом гармоник ~30% (для прямоугольника).
Для питания нагрузки с импульсными источниками питания (ПК, TV) можно без вреда для нагрузки использовать прямоугольную форму сигнала напряжения (рис. 4). Для питания электродвигателей (например, для циркуляционного насоса или привода насоса отопления) настоятельно рекомендуется использовать синусную форму сигнала напряжения.
(а)
(б)
Рис. 4 Синусная (а) и прямоугольная (б) формы выходного напряжения.
Особенности применения.
Источники бесперебойного питания для котла отопления, а также источники бесперебойного питания для газовых котлов имеют особенность, связанную с режимами работы нулевого проводника. Зачастую автоматика котла требует подключение нейтрали сети. Дело в том, что цепь контроля пламени горелки подключена к заземлению и в четырёхпроводной сети 220В нулевой проводник и заземление котла в конечном счёте замыкаются через физическую землю. Однако, при обрыве нейтрали или при механическом отключении нуля потребителя от нуля сети питания (автономная работа offline ИБП) цепь контроля пламени оказывается разорванной. Для устранения этой проблемы возможны следующие решения:
- Использовать источник бесперебойного питания для газового котла со «сквозным нулём». В line-interactive и online ИБП нейтраль сети может быть соединена с одним из выводов выходных клемм. Наличие в ИБП специальной схемы с разделительным трансформатором является более предпочтительным, но и более дорогим решением. В случае простого соединения нейтрали сети с выходом ИБП необходимо правильно включить вилку ИБП в розетку. Важно, чтоб именно нейтраль сети, а не фаза, оказалась проходящей через ИБП. В противном случае цепь контроля пламени окажется разорванной. Проверить наличие сквозной нейтрали в ИБП можно с помощью индикатора фазы. Если индикатор реагирует на обе фазы (оба выхода розетки) – то нейтраль на выходе ИБП отсутствует. Если есть реакция только на одну фазу – нейтраль подключена.
- Для offline ИБП внутри самого устройства необходимо замкнуть одну из фаз (рис. 5). Затем необходимо правильно включить ИБП в сеть (смотри предыдущий пункт).
Рис. 5 Создание сквозной нейтрали в offline ИБП.
Выводы
Начальный пункт выбора источника бесперебойного питания – определение характера нагрузки (ИБП для компьютера, для котлов отопления…). Для ответственных потребителей и устройств, содержащих электродвигатели переменного тока, следует выбирать дорогие и функциональные online ИБП. Для ПК и офисной аппаратура подойдут более дешёвые line-interactive или back ИПБ. Следующий пункт выбора – вычисление мощности и времени работы от батарей ИБП. Также следует предусмотреть возможность использования «сквозного» нуля. При формировании конечного решение следует учитывать популярность брендов на рынке: лидеру APC принадлежит около 50% всех продаж, далее со значительным отрывом следуют Ippon, Eaton Powerware, Powercom.