Информация по ИБП
При подключении критического оборудования (компьютеры, коммуникационные стойки, медицинские приборы и т.д.) к обычной электросети вы подвергаете его и вместе с тем свой бизнес большому риску.
В идеальном случае форма питающего напряжения должна быть синусоидальной, значение напряжения составлять 230 В, а частота 50 Гц (ГОСТ 32144-2013). Допустимое значение коэффициента искажения синусоиды не должно превышать 8%, отклонения действующего значения напряжения должны быть в пределах ±5%, а отклонения частоты составлять не более ±0.2 Гц. При таких параметрах питающего напряжения обеспечивается надежная работа оборудования.
В действительности, очень часто форма выходного напряжения и его параметры не соответствуют этим значениям.
Основные проблемы, которые возникают в сетях электропитания:
• исчезновение напряжения - отсутствие напряжения более одного периода (20мс)
• провал напряжения - внезапное понижение напряжения ниже 90% от номинального значения (207 В)
• перенапряжение - внезапное повышение напряжения выше 110% от номинального значения (253 В)
• электромагнитные помех - возникновение в сети высокочастотных импульсных помех
• высоковольтные импульсы напряжения - появление в сети короткого (10-50мкс) высоковольтного импульса напряжением до 6000 В
• отклонения частоты - отклонение частоты напряжения за пределы диапазона (50 ± 0.2) Гц
• гармонические искажения напряжения , характеризующееся коэффициентом искажения синусоидальной кривой
Любое из этих событий может привести к неприятным последствиям, таким как временная остановка оборудования, выход из строя каких-либо его узлов, потеря данных и т. д.
В настоящее время самыми эффективными устройствами, защищающими оборудование от проблем в электросетях, являются источники бесперебойного питания (ИБП, Uninterruptible Power Supply, UPS), которые устанавливаются межу электросетью и защищаемым оборудованием.
Основной задачей источника бесперебойного питания является генерирование на его выходе чистого напряжения стабильной амплитуды и частоты при любых отклонениях напряжения в питающей электросети.
Все источники бесперебойного питания делятся на 3 типа:
• off-line
• line-interracive
• on-line (Double conversion - двойное преобразование)
Off-line ИБП - это наиболее простые и дешевые источники бесперебойного питания. При нормальном напряжении в электросети ИБП передает его через несложный фильтр в нагрузку, инвертор при этом выключен. При пропадании напряжения или отклонении его параметров от нормы запускается инвертор, который преобразует энергию батарей в переменное напряжения, необходимое для питания нагрузки. Как правило, в off-line ИБП инвертор вырабатывает не синусоидальное напряжение, а прямоугольные импульсы. Такое напряжение само по себе создает помехи в сети и не всегда пригодно для питания оборудования. Это обусловлено тем, что ступенчатое напряжение при работе на емкостную нагрузку (а емкости содержатся практически в любом оборудовании) порождает короткие импульсы тока большой амплитуды. Они то и представляют наибольшую опасность для критического оборудования. Например, модемы могут сбиваться от наводимых таким инвертором помех. Кроме того, если внутренний блок питания критического оборудования содержит большие емкости (даже при небольшой его мощности), то эти токи могут достигать такой амплитуды, при которой срабатывает защита от перегрузки в самом ИБП и нагрузка может быть вообще обесточена самим ИБП при переходе в режим работы от батарей. Так как любое незначительное отклонение входного напряжения вызывает переход ИБП на работу от батарей, то батареи, как правило, при таком режиме работы имеют короткий срок эксплуатации (2-3 года).
Таким образом, off-line ИБП не обеспечивают 100% защиты оборудования, а в некоторых случаях могут даже создавать дополнительные проблемы. Такие источники можно использовать для питания компьютеров, не содержащих какой-либо ценной информации и не влияющих на результаты работы вашего предприятия.
Line-interractive ИБП - это усовершенствованный off-line ИБП. В нем устанавливаются более мощные фильтры, и добавляется регулятор (стабилизатор) выходного напряжения (выполненный обычно из трансформатора с дополнительными отводами, которые коммутируются с помощью реле). За счет этого стабилизатора выходное напряжение ИБП регулируется в заданном диапазоне при довольно значительных изменениях входного напряжения (например, от 176 до 282 В) без перехода ИБП на работу от батарей. За счет этого увеличивает срок эксплуатации батарей (до 4-6 лет). Кроме того, регулятор выходного напряжения косвенно увеличивает время резервной работы от батарей. Например, если входное напряжение упало до 200 В (что довольно часто случается) off-line ИБП переключится на батареи и через 10-15 мин. отключит вашу нагрузку, хотя при напряжении 200 В большинство компьютеров может спокойно работать. А line-interactve ИБП с помощью выходного регулятора напряжения установит напряжение на выходе ИБП в заданных пределах (например, в диапазоне от 215 до 245 В) и будет продолжать питать нагрузку без использования энергии батарей. Батареи остаются заряженными и их энергия может быть использована в дальнейшем при значительном снижении напряжения в электросети (например, 150 В или ниже).
Инверторы в line-interactive источниках могут вырабатывать как "аппроксимированное синусоидальное напряжение" (т.е. прямоугольные импульсы), так и чистое синусоидальное напряжение. От этого в основном и зависит качество и цена ИБП. ИБП с прямоугольными импульсами на выходе можно использовать только для питания такого оборудования, которое не представляет для Вас большой ценности. ИБП с синусоидальным выходным напряжением можно использовать для питания компьютеров, серверов и другого аналогичного оборудования.
Основными преимуществами line-interactive ИБП являются:
• незначительные тепловыделения, т.к. ИБП в основном работает в режиме прямой передачи входного напряжения на выход и переходит в батарейный режим (в этом режиме запускается инвертор, который в основном и выделяет тепло) только при значительных перепадах питающего напряжения
• низкий уровень шума, что является немаловажным обстоятельством, особенно тогда, когда рядом работают люди (шум возникает только при запуске инвертора)
• низкая цена
Основным существенным недостатком line-interactive ИБП является наличие интервала времени переключения ИБП из нормального режима в батарейный режим и обратно. В течение этого интервала времени напряжение на выходе ИБП падает до нуля. Как правило, время переключения составляет (1 - 10) мс (в некоторых старых моделях может быть и больше). Чем выше его значение, тем больше вероятность того, что в вашем оборудовании произойдет сбой во время такого переключения. Для уменьшения времени переключения необходимо использовать высокоскоростные реле или другие электронные коммутаторы. К сожалению, эта важная характеристика, очень редко указывается в технической документации ИБП. Причем следует иметь в виду, что провалы выходного напряжения происходят не только тогда, когда ИБП переходит в батарейный режим. Они возникают также вследствие работы выходного регулятора напряжения. При изменении амплитуды входного напряжения регулятор выходного напряжения переключает отводы выходного трансформатора с помощью реле, что также приводит к прерыванию выходного напряжения и ступенчатому изменению его амплитуды. Эти переключения также могут привести к сбою в работе критического оборудования.
Следует также отметить, что как off-line так и line-interactive источники бесперебойного питания ничего не делают с частотой выходного напряжения. Изменение частоты входного напряжения сопровождается аналогичным изменением частоты выходного напряжения.
Кроме того, инверторы в этих ИБП не рассчитаны на длительную работу (от 15 мин. до 30 мин. при максимальной нагрузке), поэтому Вы не сможете простым добавлением батарей получить большое значение времени резервной работы (например, 1 час и более).
Таким образом, line-inreractive ИБП, несмотря на свою более совершенную конструкцию, также не может обеспечить 100% защиту Вашего оборудования.
On-line ИБП - это ИБП, использующий принцип двойного преобразования энергии для защиты оборудования. В таком ИБП при нормальном режиме работы (on-line - режим) отсутствует непосредственная передача входного напряжения на выход. Входное напряжение претерпевает двойное преобразование (double conversion). На первом этапе переменное напряжение преобразуется в постоянное напряжение (обычно с помощью выпрямителя AC/DC), где оно аккумулируется в промежуточных емкостных накопителях, которые, в свою очередь, подключены непосредственно (или через согласующее устройство, которое называют зарядным устройством) к аккумуляторным батареям. На втором этапе постоянное напряжение емкостных накопителей преобразуется в переменное с помощью инвертора DC/AC, фильтруется и подается на выход ИБП. В on-line ИБП инвертор работает постоянно и вырабатывает напряжение со стабильной амплитудой и частотой. Т.к. инвертор подключен к промежуточным емкостным накопителям, которые питаются как от выпрямителя, так и от батарей, то в on-line ИБП отсутствует время переключения из нормального режим (on-line режим) в батарейный режим (это время равно 0,00 мс). Выходное напряжение не имеет никаких прерываний. А это означает, что основной недостаток line-interractive ИБП здесь отсутствует. Амплитуда и частота выходного напряжения абсолютно не зависят от изменений напряжения в питающей электросети. Поэтому такая технология преобразования еще называется Voltage and Frequency Independent from utility - VFI (независимое напряжение и частота от входного напряжения). Здесь следует отметить, что в on-line режиме, когда частота входного напряжения находится в заданных пределах, выходное напряжение синхронизируется по фазе с входным напряжением. Но как только частота входного напряжения выходит за установленные пределы, ИБП начинает вырабатывать переменное напряжение, синхронизированное с внутренним генератором синусоиды. Режим синхронизации с входным напряжением необходим для того, чтобы ИБП мог перейти в режим байпас и обратно с минимальным значением времени переключения. В режиме байпас напряжение со входа через электронный или механический переключатели подается на выход ИБП. Такой режим используется, когда необходимо провести профилактические или ремонтные работы (например, заменить батареи) без отключения нагрузки. ИБП переключается в этот режим также при возникновении сильной перегрузки или аварии внутри самого ИБП.
ИБП on-line типа обеспечивают наивысшую степень защиты оборудования, поскольку вырабатывают стабильное непрерывное синусоидальное выходное напряжение, не зависящее от колебаний напряжения в питающей электросети. Поэтому их можно использовать для защиты любого оборудования: от персональных компьютеров до сложных вычислительных комплексов.
На сегодняшний день on-line технология является самой надежной системой защиты оборудования от любых проблем, возникающих в электросети.
- Повышенное тепловыделение, или более низкий коэффициент полезного действия (КПД).
Это обусловлено тем, что для генерирования синусоидального напряжения в инверторе используется высокочастотная импульсная модуляция силовых электронных коммутаторов (транзисторов), которые и выделяют тепло при своей работе. От того насколько профессионально разработана электронная схема и конструкция инвертора в основном и зависит КПД всего ИБП. Значение КПД в современных ИБП находится в пределах от 88% (в ИБП малой мощности до 3000 ВА) до 97% (в ИБП большой мощности выше 30 000 ВА). Низкий КПД ведет к повышенному тепловыделению и дополнительному расходу электроэнергии. При малых мощностях КПД несущественно влияет на дополнительный расход электроэнергии. А при больших мощностях значение КПД играет большое значение в вопросе энергосбережения.
- Увеличенные массогабаритные показатели.
Постоянно работающий инвертор требует использования более мощной системы охлаждения (состоящей, как правило, из вентиляторов и радиаторов), что и приводит к увеличению размеров всего ИБП. Здесь также следует отметить, что ИБП с большим коэффициентом полезного действия требует меньшего охлаждения, и поэтому его размеры всегда будут меньше аналогичного по мощности, но менее эффективного ИБП.
- Больший шум, создаваемый работой инвертора и системой его охлаждения.
- Качество выходного напряжения ИБП, поскольку именно оно гарантирует надежную работу Вашего оборудования. Необходимо убедиться, что оно находится в пределах нормы при любом типе нагрузки (линейная, нелинейная нагрузка), ее скачкообразном изменении (от 0 до 100% и от 100% до 0). Допустимое значение коэффициента искажения синусоиды не должно превышать 8%, отклонения действующего значения напряжения должны быть в пределах ±5%, а отклонения частоты составлять не более ±0.2 Гц (в соответствии с ГОСТ 32144-2013).
- Входной коэффициент мощности и коэффициент нелинейных искажений входного тока - две взаимосвязанные характеристики. Входной коэффициент мощности ИБП (Input Power Faktor (PF)) определяет соотношение между активной мощностью (Вт), потребляемой ИБП, и полной мощностью (ВА), которая к нему подводится (это определение относится к любому электронному оборудованию). Его значение теоретически может находиться в пределах от 0 до 1. При низких его значениях ИБП (а так же другое электронное оборудование с низким значением входного коэффициента мощности) излучает в основную электросеть много помех в виде дополнительных гармоник тока, что мешает работе чувствительной электроники, питающейся от той же сети. Кроме того, при низком коэффициенте мощности для обеспечения прохождения необходимого тока приходится увеличивать сечение проводов, предохранителей и мощность других силовых компонентов (например, дизельной установки, которая должна питать ИБП при длительных пропадания напряжения в электросети). В некоторых странах существуют стандарты (например, EN 61000-3-2), которые запрещают использование оборудования с низким значением входного коэффициента мощности. При его значении, близким к единице ИБП не вносит частотных искажений в основную электросеть и его входной ток полностью повторяет форму входного напряжения. Коэффициент искажений входного тока (Total Harmonic Distortion Input Current - THDI) определяет суммарные гармонические искажения входного тока при синусоидальном напряжении на входе. В современных ИБП входной коэффициент мощности достигает значений 0,98 и выше, а коэффициент нелинейных искажений входного тока ниже 10%.
- Коэффициент полезного действия (КПД, Efficiency) в on-line режиме (режиме двойного преобразования энергии). КПД - это отношение выходной мощности к входной, выраженное в процентах. Он характеризует способность ИБП передавать электрическую энергию с его входа на его выход без тепловых потерь. При высоком значении КПД уменьшаются тепловыделения, уменьшается расход электроэнергии и расходы на систему охлаждения (кондиционеры, вентиляторы и т. д.). Пример. При использовании ИБП с КПД = 90%, и при нагрузке 50 000 Вт, количество энергии, преобразующейся в тепло, будет составлять (100-90)*50000/100 = 5 000 Вт, и система охлаждения должна обеспечивать отвод этого тепла в процессе эксплуатации ИБП. Если ИБП имеет КПД = 95%, то тепловые потери будут составлять соответственно 2 500 Вт и мощность системы охлаждения уменьшается соответственно в 2 раза! Также уменьшаются и Ваши расходы на оплату электроэнергии, преобразующейся в тепло. Все эти дополнительные расходы в течение длительной эксплуатации ИБП могут существенно превысить стоимость самого ИБП. Кроме того по величине КПД можно судить об уровне технологических решений, заложенных в его конструкцию. Например, мощные ИБП (более 30кВА) 15 летней давности имели КПД от 83 до 89 %, 10 летней давности от 85% до 92%, у современных ИБП КПД достигает 96%-97%. ИБП с большим КПД будет так же иметь меньшие габариты и вес, что так же немаловажно для потребителей, поскольку можно использовать помещения меньшей площади. Здесь нужно иметь в виду, что КПД у ИБП является переменной величиной и зависит от многих факторов: характера нагрузки (линейная, нелинейная), величины нагрузки (обычно КПД достигает максимального значения при нагрузке более 75%) и т.д. Поэтому производители, как правило, указывают максимальное значение КПД, который ИБП имеет при оптимальных условиях эксплуатации.
- Наличие статического (электронного) и механического байпаса. Наличие этих устройств в ИБП значительно увеличивает надежность работы ИБП и, соответственно, надежность Вашего оборудования. Статический (электронный) байпас используется для защиты ИБП (в частности, его инвертора) при возникновении перегрузки (или короткого замыкания) на его выходе, а так же в случае возникновения неисправности в самом ИБП. При возникновении этих ситуаций нагрузка продолжает питаться от электросети через статический байпас, но при этом она остается незащищенной от проблем в сети электропитания. Статический байпас обычно устанавливается в ИБП мощность 1000 ВА и выше. Механический байпас обычно устанавливается в дополнение к статическому байпасу в ИБП мощностью 3000 ВА и выше. Он необходим для проведения профилактических и ремонтных работ в ИБП без отключения нагрузки от питающей электросети. Некоторые производители источников бесперебойного питания в целях снижения стоимости ИБП не включают байпас в состав изделия и предлагают его как опцию за дополнительную оплату, когда потребитель начинает понимать, что он ему необходим. Такой байпас приходится крепить где-нибудь на стене, появляются дополнительные кабеля (силовые и информационные), что доставляет лишние неудобства пользователю.
- Тип батарей. В источниках бесперебойного питания в основном используются герметичные необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Одной из главных характеристик, обуславливающей их качество является срок эксплуатации, который может составлять от 3 до 12лет. 3-летние батареи лучше не использовать, поскольку они характеризуются низкими эксплуатационными характеристиками и зачастую на практике работают не более 2-х лет.