26 Джерела безперервного живлення. Проаналізуйте їх основні характеристики

Источник бесперебойного питания (ИБП) - устройство, обеспечивающее нагрузку электропитанием с необходимыми параметрами в течение определенного времени при нарушениях в основной сети.

Другие названия: uninterruptible power supply (UPS), система бесперебойного питания (СБП), система бесперебойного электропитания (СБЭ), агрегат бесперебойного питания (АБП). Существуют различные классификации ИБП и, следовательно, путаница в определениях. Предлагается придерживаться следующей классификации ИБП по используемой технологии преобразования электроэнергии.

1. Динамические ИБП - ИБП, использующие механические накопители энергии (подробно не рассматриваются).

2. Статические ИБП - ИБП, использующие химические накопители энергии (аккумуляторные батареи).

В общем виде статические ИБП имеют следующую структуру:

Выпрямитель/зарядное устройство преобразует переменный ток в постоянный для питания инвертора и зарядки аккумуляторных батарей. Батареи накапливают электрическую энергию и отдают ее инвертору при аварии основной сети. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный с требуемыми характеристиками. Фильтр уменьшает влияние импульсов и шумов основной сети на нагрузку. Переключатель обеспечивает питание нагрузки от основной сети или инвертора.

Резервные ИБП (off-line) - в штатном режиме снабжают нагрузку напряжением от основной электросети, при аварии в основной электросети включается инвертор и нагрузка переключается на него. Другие названия резервных ИБП: stand-by, backup, in-line.

Достоинства резервных ИБП: простота и, следовательно, дешевизна; высокий КПД и, следовательно, низкие эксплуатационные расходы.

Недостатки резервных ИБП: отсутствие стабилизации напряжения и частоты в штатном режиме; наличие времени переключения (несколько мсек) и, следовательно, кратковременного пропадания или выброса напряжения на нагрузке; потеря фазы при переключении.

Линейно-интерактивные ИБП (line-interactive) - В штатном режиме снабжают нагрузку напряжением от основной электросети, в некоторой степени регулируя напряжение (автотрансформатор), при аварии в основной электросети нагрузка синхронно переключается на инвертор.

Достоинства линейно-интерактивных ИБП: достаточно высокий КПД и, следовательно, низкие эксплуатационные расходы. Недостатки линейно-интерактивных ИБП: нестабильность выходного напряжения в штатном режиме, зависящая от диапазона входного напряжения; отсутствие стабилизации частоты в штатном режиме; влияние нагрузки (как правило нелинейной) на основную сеть; проникновение импульсов и шумов из основной сети на нагрузку; низкая информационная безопасность (возможность несанкционированного доступа к оборудованию по питающим линиям).

Постоянно включенные ИБП (on-line) - обеспечивают нагрузку электропитанием без потери фазы за счет того, что инвертор постоянно работает и синхронизируется с основной сетью.

ИБП с двойным преобразованием (double-conversion) - Вся поступающая из основной сети энергия преобразуется в постоянный ток из которого вновь формируется переменный ток с требуемыми характеристиками.

Другие названия: 100% on-line, true on-line. Достоинства ИБП с двойным преобразованием: постоянная стабилизация напряжения и частоты; непрерывность фазы выходного напряжения в любых режимах; отсутствие влияние нагрузки на основную сеть; полная фильтрация импульсов и шумов основной сети; высокая информационная безопасность. Недостатки ИБП с двойным преобразованием: сложность конструкции и, следовательно, высокая цена; относительно невысокий КПД и, следовательно, высокие эксплуатационные расходы (расход электроэнергии, утилизация выделяемого тепла).

По применению ИБП можно разделить на:

• Офисные ИБП предназначены для использования в жилых и офисных помещениях, а также в технологических помещениях, приближенных по характеристикам к офисным.

• Промышленные ИБП предназначены для использования в технологических помещениях, имеющих повышенные требования к устанавливаемому в них оборудованию.

• ИБП специального назначения отвечают более специфическим требованиям к характеристикам, могут устанавливаться на кораблях, военной технике, в сейсмоопасных зонах и т.п.

По конструктивному исполнению ИБП можно разделить на настольные (как правило розеточные), напольные, и стоечные (19"). Один или несколько ИБП с комплексом дополнительного коммутирующего оборудования и кабелей образуют систему бесперебойного питания (СБП).

По схемным конфигурациям СБП можно разделить на:

• Параллельные СБП состоят из двух или более ИБП, работающих синхронно на общую нагрузку и в совокупности обеспечивающих ее требуемой мощностью.

• СБП с резервом имеют в своем составе один или более ИБП сверх числа необходимых для обеспечения нагрузки требуемой мощностью.

Номинальная выходная мощность - мощность, которую ИБП может отдавать в нагрузку с определенным коэффициентом мощности при номинальных условиях работы (температура, влажность, высота над уровнем моря) и при неизменных показателях качества электроэнергии на выходе. Номинальная выходная мощность обычно приводится в ВА для нагрузки с коэффициентом мощности 0.6...0.8. Номинальная активная мощность - мощность, которую ИБП может отдавать в активную нагрузку при номинальных условиях работы (температура, влажность, высота над уровнем моря) и при неизменных показателях качества электроэнергии на выходе. Номинальная активная мощность всегда меньше номинальной выходной мощности.

Полная мощность нагрузки, подключаемой к ИБП, ограничена номинальной выходной мощностью ИБП, номинальной активной мощностью и возможностью работы ИБП на индуктивную и емкостную нагрузку.

В связи с тем, что в последнее время наметилась тенденция к увеличению коэффициента мощности блоков питания нагрузки, следует внимательно относиться к ограничениям по активной мощности ИБП.

Перегрузочная способность инвертора - превышение номинальной выходной мощности, которое ИБП выдерживает в течение определенного времени. Перегрузочная способность инвертора обычно составляет не более 150% от номинальной выходной мощности в течение 10...60 секунд.

Число фаз на выходе - 3 или 1. Мощные ИБП обычно делают трехфазными. Номинальное выходное напряжение - 380/400/415 В для трехфазных и 220/230/240 В для однофазных ИБП. Конкретное значение выбирается при инсталляции ИБП.

Номинальная частота - 50 или 60 Гц. Конкретное значение выбирается при инсталляции ИБП. Возможность выбора различных значений номинальной частоты на входе и на выходе позволяет использовать ИБП с двойным преобразованием в качестве конвертора частоты. Режим by-pass (как электронный, так и ручной) в этом случае должен быть исключен.

Статическая нестабильность выходного напряжения - возможные изменения выходного напряжения относительно номинального значения при допустимых отклонениях входного постоянного тока и изменении нагрузки в пределах 100%. Обычное значение для ИБП с двойным преобразованием - единицы процентов. Для линейно-интерактивных - определяется входным окном по напряжению. Динамическая нестабильность выходного напряжения - возможные изменения выходного напряжения относительно номинального значения для мгновенного изменения нагрузки от 0 до 100% и обратно. Данный параметр необходимо рассматривать совместно со временем восстановления.

Время восстановления - время, необходимое для восстановления выходного напряжения в пределах величины статической нестабильности. Обычное значение - порядка 10 мсек.

Стабильность выходной частоты - возможные изменения выходной частоты относительно номинального значения при определенных условиях синхронизации. При изменении входной частоты в определенных пределах (как правило задаваемых при настройке и составляющих несколько процентов от номинала) инвертор ИБП с двойным преобразованием формирует переменное напряжение, синхронизированное с основной сетью. При выходе входной частоты за заданные пределы выходное напряжение синхронизируется по встроенному кварцевому генератору, имеющему стабильность сотые доли процента.

Скорость отслеживания частоты - скорость изменения входной частоты (в заданных пределах), при которой сохраняется синхронизация выходного напряжения с основной сетью.

Гармонические искажения выходного напряжения - искажения формы выходного напряжения (для ИБП, формирующих синусоидальное напряжение на выходе) при питании нагрузки с определенными характеристиками. Крест-фактор подключаемой нагрузки - максимально допустимый крест-фактор нагрузки, которую ИБП может обеспечивать электроэнергией без ухудшения параметров и снижения номинальной выходной мощности. Значения крест-фактора подключаемой нагрузки составляют от 3:1 до 6:1. Точность межфазного сдвига - возможное отклонение межфазного сдвига от 120 для нагрузки с определенными параметрами (для ИБП с трехфазным выходом). Несбалансированность нагрузки уменьшает точность межфазного сдвига.

Характеристики аккумуляторных батарей

В ИБП могут применяться различные типы батарей свинцово-кислотные обслуживаемые, свинцово-кислотные герметичные (SLA) и никель-кадмиевые.

Наиболее распространены - герметичные свинцово-кислотные батареи с номинальным напряжением одного элемента 2 В. В одном корпусе обычно объединено несколько элементов, соединенных последовательно. Полностью заряженная батарея имеет напряжение 2.27 В/элемент (при температуре +20 С). При разряде напряжение батареи уменьшается. Для обеспечения равномерности заряда все батареи должны иметь идентичные характеристики, то есть должны быть одного типа и желательно одной даты выпуска.

Количество элементов - количество элементов определенного типа, обеспечивающих при последовательном соединении номинальное напряжение постоянного тока. Количество последовательно соединенных элементов (линейка) не меняется при изменении емкости батарей. Емкость батарей - измеряется в Ампер часах и определяет количество электроэнергии, выдаваемой батареями при разряде до определенной степени. Емкость батарей зависит от количества активного материала (массы, габаритов), времени разряда и температуры. Для увеличения емкости батареи могут соединяются параллельно до 4-х линеек. При уменьшении времени разряда емкость батарей уменьшается. Например, уменьшение времени разряда с 10 часов до 1 часа приводит к уменьшению емкости на 35 %. К такому же уменьшению емкости приводит уменьшение температуры от +20 С до -20 С.

Номинальная емкость батарей (С10) - определяется для разряда постоянным током в течение 10 часов при температуре 20 С до значения напряжения на элемент 1.8 В. Срок службы батарей - определяется по достижению остаточной емкости батарей 80% от номинальной. Согласно классификации EUROBAT батареи делятся на классы:

• 10+ лет - высоконадежные;

• 10 лет - надежные;

• 5-8 лет - общего назначения;

• 3-5 лет - стандартные коммерческие.

Эти значения довольно условные. Реальный срок службы зависит от условий эксплуатации. Повышение температуры на каждые 10 С свыше +20 С приводит к снижению срока службы вдвое. Однако, температурная компенсация напряжения заряженной батареи позволяет "вернуть" до 20% срока службы. Разряд батарей ниже определенного предела резко влияет на срок их службы. Для SLA это 1.65...1.8 В/элемент в зависимости от времени разряда. Батареи имеют ограниченное количество циклов заряда-разряда, зависящее от глубины разряда. При глубине разряда 80% количество циклов около 300. При глубине разряда 30% количество циклов около 1200. Зарядный ток батарей - постоянный ток, обеспечивающий накопление электроэнергии в батареях. Величина зарядного тока, как правило, определяется сложным алгоритмом, учитывающим тип, емкость, степень разряда и температуру батарей. Этот алгоритм реализуется зарядным устройством ИБП. Максимальная величина зарядного тока ограничена возможностями зарядного устройства. Время заряда батарей - зависит от типа, емкости, степени разряда и температуры батарей и, как правило, на порядок больше времени разряда. Характеристики электронного by-pass

Диапазон напряжения - допустимые отклонения напряжения основной сети от номинала, при которых разрешен переход на by-pass. Значение обычно задается при настройке ИБП. Диапазон частоты - допустимые отклонения частоты основной сети от номинала, при которых разрешен переход на by-pass. Значение обычно задается при настройке ИБП. Время переключения - время, за которое производится переключение питания нагрузки с инвертора на прямую линию и обратно. В режиме синхронизации инвертора с основной сетью время переключения составляет сотые доли мсек. При отсутствии синхронизации - 20 мсек (для подстройки фазы). Перегрузочная способность by-pass - превышение номинальной выходной мощности, которое by-pass выдерживает в течение определенного времени. Перегрузочная способность by-pass превосходит перегрузочную способность инвертора и может составлять более 1000 % от номинальной выходной мощности в течение 1 секунды.