Современные источники бесперебойного питания. Источники бесперебойного питания (ИБП), какие бывают и их принцип работы

Источник бесперебойного питания - важный элемент при построении сложных систем, которым необходима непрерывная работа и гарантия безопасности оборудования от возможных проблем в электросети. Сейчас на рынке представлено множество разнообразной продукции разных категорий цены, качества и географии производства. Определиться трудно, тем более если за плечами нет необходимого опыта. Финансы подсказывают, что подходить к вопросу выбора стоит с оглядкой на собственный бюджет. Поэтому, прежде чем вкладывать средства в приобретение источника бесперебойного питания, следует ответить на несколько важных вопросов:

• Насколько ответственное оборудование вы собираетесь защищать?
• Какое время автономной работы оборудования в случае пропадания напряжения будет оптимальным?

Чтобы ответить на поставленные выше вопросы, необходимо детально вникнуть в классы представленных сегодня на рынке источников бесперебойного питания. А также определиться с основными критериями, которые необходимо учесть, чтобы сделать взвешенный выбор.

Классы ИБП

Все разнообразие современных источников бесперебойного питания, представленное сегодня на рынке, можно разделить на несколько классов, отличающихся друг от друга схематикой, а также поведением как в режиме нормальной работы, так и работы от аккумуляторов.

Выделяют:

• Резервные или (BackUp),
• Линейно-интерактивные ИБП (),
• ИБП с двойным преобразованием ( , double-conversion).

Самыми простыми и неприхотливыми считаются . При работе сети в нормальном режиме электричество поступает на вход ИБП и, проходя через него, подается на основную нагрузку. В случае же потерь и перепадов напряжения в сети, "бесперебойник" автоматически переключается на аккумулятор. Основные недостатки такой схемы заключаются в том, что переключение питания ИБП на аккумуляторы занимает от 4 до 10 миллисекунд. При работе же в режиме питания от аккумулятора, на выходе ИБП выдается не привычный для сети синус, а аппроксимированный синус.

Источник бесперебойного питания со встроенными аккумуляторами будет верным решением, когда при проблемах с напряжением в сети важно лишь корректное завершение работы оборудования, занимающее от 5 до 10 минут.

При необходимости большего времени работы оборудования, нужно рассчитать необходимый ток разряда батарей. Сделать это можно следующим образом:

Из всего вышесказанного становится ясно, что при выборе источника бесперебойного питания необходимо учесть множество как технических, так и чисто физических нюансов, определяющихся как конкретным месторасположением ИБП и оборудования подключаемого к нему, так и рядом других факторов.

Для облегчения расчетов при выборе ИБП, на компании НАГ есть удобный инструмент - , при помощи которого можно определить все необходимые параметры.

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:

1. Маломощные ИБП для подключения через электрические розетки. Исполнение бывает настольным или напольным, а мощность составляет от 0,25 до 3 кВт.
2. 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.
3. 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:

1. ИБП подбирается специально для отдельного устройства, являющегося наиболее важным или работающего в тяжелых условиях.
2. Система может постепенно наращиваться, начиная с защиты сервера и переходя на рабочие станции.
3. Вышедшие из строя ИБП можно заменить на другие, с менее важных элементов системы.
4. Маломощный ИБП не нуждается в установке и обслуживании специальным персоналом.
5. Возможность подключения к обычной электросети через розетки.
6. 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.

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.

Требования к качеству электроэнергии законодательно прописаны государственными стандартами и довольно жесткими нормативами. Электроснабжающие организации прилагают много усилий для их соблюдения, но, они не всегда реализуются.

В наших квартирах, да и на производстве, периодически возникают:

полные отключения электричества на неопределенное время;

апериодические кратковременные (10÷100 мс) высоковольтные (до 6 кВ) импульсы напряжения;

всплески и снижения напряжения с различной продолжительностью;

накладки высокочастотных шумов;

уходы частоты.

Все эти неполадки отрицательно влияют на работу бытовых и офисных потребителей электроэнергии. Особенно страдают от качества электропитания микропроцессорные и компьютерные устройства, которые не только совершают сбои, но и могут полностью потерять свою работоспособность.

Назначение и виды источников бесперебойного питания

Чтобы сократить риски от возникновения неисправностей питающей электрической сети используются резервные устройства, которые принято называть источниками бесперебойного питания (ИБП) или UPS (образовано от сокращения английской фразы «Uninterruptible Power Supply») .

Они изготавливаются с разной конструкцией для решения специфических задач потребителя. Например, мощные ИБП с гелиевыми аккумуляторами способны поддерживать энергоснабжение целого коттеджа в течение нескольких часов.

Их АКБ получают заряд от линии электропередач, ветрогенератора, или других носителей электроэнергии через выпрямительное устройство инвертора. Они же подпитывают электрические потребители коттеджа.

Когда внешний источник отключается, то аккумуляторы разряжаются на подключенную в их сеть нагрузку. Чем больше емкость АКБ и меньше ток их разряда, тем дольше они работают.

Иисточники бесперебойного питания средней мощности могут резервировать , систем поддержания микроклимата в помещениях и подобного оборудования.

В то же время самые простые модели UPS способны только завершить программу аварийного отключения компьютера. При этом длительность всего процесса их работы не превысит 9÷15 минут.

Компьютерные источники бесперебойного питания бывают:

встроенными в корпус устройства;

внешними.

Первые конструкции распространены в ноутбуках, нетбуках, планшетах и подобных мобильных устройствах, работающих от встроенного аккумулятора, который снабжен схемой переключения питания и нагрузки.

АКБ ноутбука со встроенным контроллером является источником бесперебойного питания. Его схема в автоматическом режиме защищает работающее оборудование от неисправностей электросети.

Внешние конструкции ИБП , предназначенные для нормального завершения программ стационарного компьютера, изготавливаются отдельным блоком.

Их подключают через сетевой адаптер питания к электрической розетке. От них запитывают только те устройства, которые отвечают за работу программ:

системный блок с подключенной клавиатурой;

монитор, отображающий происходящие процессы.

Остальные периферийные устройства: сканеры, принтеры, акустические колонки и другое оборудование от UPS не запитывают. Иначе они при аварийном завершении программ будут забирать на себя часть энергии, накопленной в аккумуляторах.

Варианты построения рабочих схем ИБП

Компьютерные и промышленные UPS изготавливают по трем основным вариантам:

резервирования электропитания;

интерактивной схемы;

двойного преобразования электроэнергии.

При первом методе резервной схемы , обозначаемым английскими терминами «Standby» или «Off-Line» напряжение поступает из сети к компьютеру через ИБП, в котором электромагнитные помехи устраняются встроенными фильтрами. Здесь же установлен , емкость которого поддерживается током заряда, регулируемым контроллером.

Когда пропадает или выходит за установленные нормативы внешнее питание, то контроллер направляет энергию АКБ на питание потребителей. Для преобразования постоянного тока в переменный подключается простой инвертор.

Преимущества UPS Standby

Источники бесперебойного питания схемы Off-Line обладают высоким КПД, при поданном на них напряжении, тихо работают, мало выделяют тепла и относительно дешевы.

Недостатки

UPS Standby выделяются:

долгим переходом на питание от аккумулятора 4÷13 мс;

искаженной формой выходного сигнала, выдаваемого инвертором в виде меандра, а не гармоничной синусоиды;

отсутствием корректировки напряжения и частоты.

Такие устройства наиболее распространены на персональных компьютерах.

ИБП интерактивной схемы

Их обозначают английским термином ««Line-Interactive». Они выполняются по предыдущей, но более усложненной схеме за счет включения стабилизатора напряжения, использующего автотрансформатор со ступенчатым регулированием.

Это обеспечивает корректировку величины выходного напряжения, но управлять частотой сигнала они не способны.

Фильтрация помех в нормальном режиме и переход на инверторное питание при авариях происходит по алгоритмам UPS Standby.

Добавлением стабилизатора напряжения различных моделей с методиками управления им позволило создавать инверторы с формой сигнала не только меандра, но и синусоиды. Однако, небольшое количество ступеней регулирования на основе релейных переключений не позволяет реализовать функции полной стабилизации.

Особенно это характерно для дешевых моделей, которые при переходе на питание от аккумулятора не только завышают частоту выше номинальной, но и искажают форму синусоиды. Помехи вносит встроенный трансформатор, в сердечнике которого происходят процессы гистерезиса.

В дорогих моделях работают инверторы на полупроводниковых ключах. UPS Line-Interactive имеют большее быстродействие при переходе на питание от АКБ, чем у ИБП Off-Line. Оно обеспечивается работой алгоритмов синхронизации между входящим напряжением с выдаваемыми сигналами. Но при этом происходит некоторое занижение КПД.

ИБП Line-Interactive нельзя использовать для питания асинхронных двигателей, которые массово установлены на всей бытовой технике, включая системы отопления. Их используют для работы устройств с , где питание фильтруется и выпрямляется одновременно: компьютеров и бытовой электроники.

ИБП двойного преобразования

Эта схема UPS получила название по английскому словосочетанию On-line» и работает на оборудовании, требующем высококачественного питания. В ней производится двойная конверсия электроэнергии, когда синусоидальные гармоники переменного тока постоянно преобразуются выпрямителем в постоянную величину, пропускаемую через инвертор для создания повторной синусоиды на выходе.

Здесь АКБ постоянно подключен в схему, что исключает необходимость его коммутаций. Этим способом практически исключается период подготовки источника бесперебойного питания на переключения.

Работу ИБП On-line по состоянию аккумулятора можно разделить на три этапа:

стадия заряда;

состояние ожидания;

разряд на работу компьютера.

Период заряда

Цепи входа и выхода синусоиды разорваны внутренним переключателем UPS.

Подключенный к выпрямителю аккумулятор получает энергию заряда до тех пор, пока его емкость не восстановится до оптимальных значений.

Период готовности

После окончания заряда АКБ автоматика источника бесперебойного питания замыкает внутренний переключатель.

Аккумулятор поддерживает состояние готовности к работе в буферном режиме.

Период разряда

АКБ автоматически переводится на питание компьютерной станции.

У источников бесперебойного питания, работающих по методике двойного преобразования электроэнергии, КПД в режиме питания от линии ниже, чем у других моделей из-за расхода энергии на выделение тепла и шума. Но в сложных конструкциях применяются методики, позволяющие увеличить КПД.

UPS On-line споосбны выправлять не только величину напряжения, но и его частоту колебаний. Это выгодно отличает их от предыдущих моделей и позволяет использовать для питания различных сложных устройств с асинхронными двигателями. Однако, стоимость таких устройств значительно выше предыдущих моделей.

Состав ИБП

В зависимости от вида рабочей схемы в комплект источника бесперебойного питания входят:

аккумуляторы для накопления электроэнергии;

Обеспечивающее поддержание работоспособности АКБ;

инвертор для формирования синусоиды,

схема управления процессами;

программное обеспечение.

Для удаленного доступа к устройству может использоваться локальная сеть, а повысить надежность схемы можно за счет ее резервирования.

В отдельных источниках бесперебойного питания используется режим «Байпас», когда нагрузка запитывается отфильтрованным напряжением сети без работы основной схемы устройства.

Часть UPS имеет ступенчатый регулятор напряжения «Бустер», управляемый от автоматики.

В зависимости от необходимости выполнять сложные технические решения источники бесперебойного питания могут оснащаться еще дополнительными специальными функциями.