Введение в источники бесперебойного питания

Необходимость использования ИБП

Российский стандарт электропитания; причины появления и типы помех в энергосети; их последствия для пользователей современных электроприборов.

Невозможно представить себе нашу сегодняшнюю жизнь без электричества. Универсальность в применении, дешевизна, простота транспортировки потребителю сделали электроэнергию неотъемлемым атрибутом окружающего мира. Использование электроэнергии стало настолько обыденным, что мы уже не обращаем внимания на свою зависимость от электричества. Только личное столкновение с перебоями в сети электропитания или их последствиями (застрявший между этажами лифт, потеря информации в компьютере, недосмотренный телесериал) заставляет нас на время вспомнить об этом.

Упрощенно процесс производства и транспортировки электроэнергии выглядит следующим образом: на электростанциях механическая, тепловая, атомная или другая энергия превращается в электрическую, по линиям электропередач передается к потребителям и непосредственно перед источниками ее потребления преобразуется в нужный стандарт.

В России стандарт бытового электропитания следующий: действующее напряжение 220 В ± 10%, частота 50 гц ± 2%, коэффициент несинусоидальности - длительно до 8% и кратковременно - до 12% (см. ГОСТ-13109-97). Таким образом, напряжение в сети должно менять свое значение по синусоиде с периодом 1/49 -1/51 сек., находиться в пределах 198 В - 242 В и отличаться по форме от идеальной синусоиды не более чем на 8%.

Все электроприборы рассчитаны на работу от сети, удовлетворяющей требованиям стандарта, и любой пользователь должен обеспечить соблюдение условий их эксплуатации. В противном случае продавцы и производители электроприборов не будут нести ответственность за качество их работы. О возмещении косвенного ущерба, вызванного неправильным функционированием электрооборудования, речи вовсе быть не может (достаточно почитать в любом гарантийном соглашении пункт об ограничении ответственности производителя).

К сожалению, по различным причинам характеристики электрической сети, питающей ваше оборудование, не являются стабильными. Все отклонения величины или формы подаваемого напряжения от требований стандарта принято называть искажениями либо помехами. Причины, вызывающие эти искажения в электропитании, условно можно разделить следующим образом:

Основными типами помех, влияющими на работу электрооборудования, являются: импульсные высоковольтные броски, выбросы напряжения, длительное падение напряжения, интерференция, кратковременное повышение или понижение напряжения, нестабильность формы напряжения, полное отключение электропитания.

Некоторые из этих помех легко фиксируются "невооруженным" взглядом - трудно, например, не заметить полное отсутствие питания, для того, чтобы отметить другие, человеку требуются специальные приборы.К сожалению, электрооборудованию, подключенному к "грязной" электросети, никакие приборы для фиксации помех не требуются. Его внутренние схемы ежесекундно испытывают перегрузки, вызванные искажениями электросети. Часть помех компенсируется внутренними блоками питания и схемами защиты электроприбора, не сказываясь на его работе немедленно, а лишь сокращая срок его эксплуатации. Другие оказывают губительное влияние на работу прибора мгновенно, выводя его из строя либо временно нарушая его нормальное предсказуемое поведение.

В принципе с этим можно было бы смириться как с необходимым злом, ведь, во-первых, выше головы не прыгнешь (не строить же свою электростанцию), а во-вторых, ничто не вечно, в том числе и срок службы оборудования, да к тому же не каждый день "горят" электроприборы, подключенные непосредственно к городской электросети.

Применение такой логики не всегда оправдано, поскольку современное сложное электронное оборудование само по себе весьма дорого (и наиболее подвержено губительному воздействию помех по входному напряжению), кроме этого, от его нормального бесперебойного функционирования зачастую зависят жизнь человека (медицинские системы жизнеобеспечения), благосостояние отдельных людей и больших групп (компьютеры банков и страховых обществ, офисные ЛВС и системы управления производством), безопасность имущества (охранные и противопожарные системы), результаты длительного труда больших коллективов (научные приборы и системы баз данных), комфорт и оперативность работы (системы связи) и многое другое.

К счастью, в настоящее время существует оборудование и подходы, позволяющие спроектировать и создать автономные локальные системы бесперебойного энергоснабжения, обеспечивающие независимость потребителей электроэнергии от помех в обычной энергосети. В зависимости от класса оборудования и конфигурации такие системы в состоянии нейтрализовать либо все, либо только определенный набор помех. На Западе это оборудование обозначается аббревиатурой UPS (Unineraptble Power System или Supply). В России нет устойчивого названия, в литературе встречаются такие названия, как АБП, БИП, ББП, ИПБ, ИБП и др. В дальнейшем мы будем придерживаться термина ИБП (источник бесперебойного питания) и СБП (система бесперебойного питания).

Современный уровень технологии и качества используемого в этих системах оборудования позволяет затрачивать на их закупку и эксплуатацию суммы, несравнимые с потерями, которых они позволяют избежать. Применение таких систем с финансовой точки зрения подобно страховке, с той разницей, что при правильном построении системы страховой случай никогда не наступает.

Выводы:

Все существующие электроприборы рассчитаны на питание от сети, соответствующей стандарту.
По разным причинам в энергосети постоянно возникают искажения. Искажения в энергосети губительно сказываются на функционировании электроприборов. Чем сложнее оборудование, тем больше оно подвержено влиянию искажений в электросети.
Существует возможность создания автономных сетей бесперебойного энергоснабжения. Затраты на их внедрение и эксплуатацию несравнимы с величиной потерь, которых они позволяют избежать.

Классификация ИБП

Классы ИБП; их сравнительные характеристики при работе в различных режимах.

Отличительные особенности существующих классов ИБП могут быть нагляднее всего оценены при рассмотрении поведения источника в различных режимах работы. Ниже перечисляются эти режимы и основные факторы, требующие внимания:

Любой ИБП имеет диапазон входного напряжения, при котором он способен работать без перехода на аккумуляторы. Другой основополагающей характеристикой является время перехода на аккумуляторы и обратно. В этот момент большинство классов ИБП не в состоянии обеспечить непрерывность выходного сигнала. Чем шире диапазон допустимого входного напряжения, тем реже ИБП переходит на аккумуляторы, желательно также, чтобы время этого перехода было как можно меньше.

Все имеющиеся в настоящий момент на рынке ИБП условно можно разделить на три класса:

ON-LINE, OFF-LINE (от англ. термина "вне линии") или Standby ("дежурные").

Принцип работы таких источников понятен из названия - нагрузка (т. е. ваш потребитель) через некий сетевой фильтр напрямую связан с городской электросетью. При отключении входного напряжения ИБП OFF-LINE переходит на питание нагрузки от встроенных аккумуляторов. К недостаткам этих устройств следует отнести:

- отсутствие хорошей фильтрации и стабилизации выходного напряжения; -даже при незначительных падениях и бросках напряжения ИБП переходит в режим работы от встроенных аккумуляторов;

- время перехода на аккумуляторы и обратно (период непредсказуемых последствий) 5-20м/сек;

- в некоторых ситуациях время переключения может утраиваться;

- большинство моделей при работе от аккумуляторов не воспроизводят на выходе напряжение синусоидальной формы.

ГИБРИДНЫЕ (Line-interactive, Ferroresonant, Тriport и мн. др.). Принцип действия в основном аналогичен OFF-LINE, но с целью подавления некоторых видов помех и улучшения работы потребителей при длительном падении или повышении напряжения в этих источниках используются различные дополнительные устройства ("бустеры", "кондиционеры линий" и др.). Для подчеркивания конструктивных особенностей своих приборов производители таких ИБП употребляют различные родовые термины, зачастую вводящие пользователей в заблуждение. По сути же все они относятся к одному классу. Недостатки ГИБРИДНЫХ ИБП те же, что и уOFF-LINE, кроме этого, их регулирующие напряжение узлы могут порождать устойчивые искажения выходного сигнала и непредсказуемые переходные процессы. Возможно, в скором времени некоторые типы ГИБРИДНЫХ ИБП полностью выйдут из употребления из-за несовместимости со стандартом IЕС 555.

ON-LINE (от англ. термина "в линию").

Принцип работы: ИБП преобразует 100% поступающего к нему на вход переменного тока в постоянный (т. н. выпрямление), а затем выполняет обратное преобразование. Внутренние узлы таких ИБП всегда работают "в линии" между входом, запитанным от обычной сети, и выходом, питающим ответственную нагрузку. Это своего рода электростанция, преобразующая всю поступающую на вход "грязную" энергию в "чистую", т. е. свободную от помех и каких-либо искажений, и поэтому идеально подходящая для питания сложных потребителей . ИБП класса ON-LINE обеспечивают прецизионную стабилизацию величины и формы выходного напряжения и полную фильтрацию любых помех, возникающих в электросети. Кроме этого, как правило, они корректируют КМ (коэффициент мощности) нагрузки, снижая таким образом ток потребления от сети, благодаря чему не нужно устанавливать более мощные защитные автоматы и применять провода увеличенного сечения, чем в случае применения ИБП других классов. При их переходе на аккумуляторные батареи полностью отсутствуют переходные процессы у выходного электросигнала.

Если попытаться проанализировать эти классы, то можно увидеть, что такая характеристика, как время перехода на аккумулятор, присутствует только у ИБП классов OFF-LINE и ГИБРИДНЫХ. Типовое значение времени перехода на аккумулятор у этих классов составляет 4-5 м/сек (согласно рекламным материалам). Однако следует иметь в виду, что это верно лишь при обрыве входной линии. В случае, когда входное напряжение исчезает за счет короткого замыкания на входе или отключения питания на трансформаторной подстанции, оно может увеличиться в 4-6 раз. Теоретически современные компьютеры способны выдержать без мгновенных последствий единичный перерыв в питании продолжительностью до 15 м/сек, но с более длительными перерывами уже приходится считаться, особенно неприятные последствия могут произойти, если компьютеры связаны в ЛВС.

В OFF-LINE и ГИБРИДНЫХ ИБП выходное напряжение при работе в автономном режиме имеет, как правило, прямоугольную или ступенчатую формы. Многие ошибочно полагают, что форма выходного напряжения не важна для компьютерной нагрузки, но коэффициент нелинейных искажений (КНИ) у такого напряжения может достигать 50% или 30% соответственно. В рекомендациях специалистов МЭКа (Международной Электротехнической Комисии), однако, говорится, что выходное напряжение должно иметь гладкую синусоидальную форму, а в отдельных статьях даже указывается, что КНИ не должен превышать 5%. При работе от сети OFF-LINE и ГИБРИДНЫЕ ИБП никак не корректируют КНИ напряжения и Км нагрузки, а в некоторых случаях даже ухудшают его.

Такое понятие, как стабильность выходного напряжения у ИБП OFF-LINE, вообще отсутствует, так как выходное напряжение всегда равно входному, если источник не работает от аккумуляторов. Как правило, диапазон входного напряжения у OFF-LINE без перехода на аккумуляторы равен 187-264 В. Поэтому точно так же будет изменяться и выходное напряжение. У ГИБРИДНЫХ ИБП диапазон входного напряжения несколько шире, как правило, 176-264 В, а выходное напряжение при этом изменяется в пределах 187-264 В. Расширение нижней границы входного диапазона обусловлено так называемым бустером. Фактически бустер представляет собой автотрансформатор с отводами, который ступенчато или поднимает выходное напряжение, или снижает его. Таким образом, говорить о стабилизации напряжения ГИБРИДНЫМИ ИБП также не приходится.

ИБП класса ON-LINE с двойным преобразованием энергии (иногда - даже с тройным), во-первых, не имеют времени перехода на аккумуляторы (оно равно нулю), так как выходному инвертору абсолютно все равно, откуда получать энергию, от выпрямителя или от аккумулятора. Таким образом, при переходе на аккумулятор или обратно выходная синусоида не имеет разрывов или каких-либо других искажений. Во-вторых, форма выходного напряжения всегда синусоидальная и не зависит от формы, частоты и величины входного напряжения, и, следовательно, электромагнитная совместимость этих ИБП неизмеримо выше, чем OFF-LINE и ГИБРИДНЫХ. В-третьих, выходное напряжение и частота всегда стабильны и также не зависят ни от формы, ни от частоты, ни от величины входного напряжения.

ИБП OFF-LINE. Некоторые эксплуатационные характеристики устройств этого класса, помимо конструктивных ограничений, объясняются также задачами, стоящими перед разработчиками и производителями таких ИБП. Попытка минимизировать габариты и вес источников (создать "ИБП на ладони"), а также жесточайшая ценовая конкуренция часто заставляют их действовать по принципу "экономия на всем", включая качество применяемых батарей и электронных компонент схем управления.

ИБП ON-LINE. Описанные выше принципы построения ИБП ON-LINE имеют, помимо перечисленных, еще множество чрезвычайно полезных для пользователя следствий, например:

- Гальваническая развязка

Высококачественные ON-LINE, за исключением особо малых, ИБП обычно имеют так называемую гальваническую развязку, т.е. в них отсутствует замкнутая электрическая цепь между входом и выходом (т.обр. электроцепи "до" и "после" прибора не связаны проводниками между собой), что существенно улучшает помехоустойчивость защищаемого оборудования.

- Ресурс аккумуляторов

Стоимость аккумуляторов составляет 40-50% от стоимости ИБП класса ON-LINE. Ресурс аккумуляторов, как известно, определяется количеством циклов заряд-разряд, температурой окружающей среды, оптимальностью зарядного и разрядного тока и их периодическими "тренировками". Количество циклов заряд-разряд определяется диапазоном входного напряжения - чем он шире, тем реже ИБП переходит в автономный режим. На сегодняшний день самым широким диапазоном входного напряжения обладают ON-LINE ИБП POWERWARE. Наиболее комфортная температура для аккумуляторов 20-25¦С, при понижении снижается их емкость, при повышении увеличивается их саморазряд и уменьшается ресурс, поэтому при переходе ИБП POWERWARE в автономный режим, когда в результате происходящих химических процессов в аккумуляторах они начинают разогреваться, скорость вращения встроенных вентиляторов увеличивается. Оптимизация зарядного и разрядного тока выполнена в них аппаратными средствами, а чтобы осуществлять тренировку аккумуляторов в ИБП POWERWARE, встроен таймер, который каждые 28 дней включает аккумуляторы на внутреннюю нагрузку, определяя их емкость, после этого производится автоматический подзаряд батарей. Если емкость батарей ниже 75% первоначальной, пользователь получает соответствующее предупреждение. Благодаря этому ресурс аккумуляторов в ON-LINE ИБП POWERWARE составляет не менее 10 лет.

- Режим Ву-Раss

Ву-Раss представляет собой режим, при котором нагрузка питается непосредственно от внешней сети через фильтр, в некоторых моделях еще и через трансформатор гальванической развязки, находящиеся в ИБП. Различают Ву-Раss автоматический и ручной.

Автоматический Ву-Раss включается при перегрузках ИБП, например при включении нагрузки, пусковая мощность которой в 3 - 7 раз выше номинальной, при отказах, возникающих внутри источника, при перегреве и т.п. Без автоматического Ву-Раss невозможно построение резервируемых систем бесперебойного питания. При резервировании входы ИБП и Ву-Раss должны быть раздельными. Вход основного ИБП питается от сети, а вход Ву-Раss от стоящего в горячем режиме резервного. В случае отказа основного ИБП он автоматически переключается в Ву-Раss и нагрузка получает питание от резервного. Существуют и другие архитектуры систем бесперебойного питания, в которых необходимо наличие автоматического Ву-Раss. Ручной Ву-Раss необходим при ремонтах, регламентных работах, производимых с ИБП, для обеспечения непрерывности в питании нагрузки. Таким образом, наличие режима Ву-Раss позволяет экономить на мощности ИБП (выбирать ИБП без учета пусковой мощности защищаемого оборудования), повышает надежность, обеспечивает гибкость при создании сложных систем бесперебойного питания, создает удобства при обслуживании и ремонте ИБП.

- Холодный старт

Холодный старт - это режим автономного запуска ИБП при отсутствии напряжения во входной сети. Далеко не все ИБП имеют такую возможность. "Холодный старт" обеспечивает дополнительные удобства, например возможность срочно передать факс или вывести какой-либо файл на принтер при отсутствии напряжения в сети.

следовательно:

- ИБП ON-LINE - идеальная защита для нагрузки даже в такихкритических ситуациях, как удары молний или статические разряды в элементы электросети. В этом случае все воздействие возникающего электрического пика принимает на себя выпрямитель ИБП, а нагрузка продолжает получать чистое питание без помех и сбоев.

- Нагрузка, запитанная через ИБП класса ON-LINE, не может быть выведена из строя или повреждена путем "электродиверсии" (целенаправленного воздействия на электроприбор или группу приборов через внесение специально подобранной последовательности возмущений в питающую их электросеть).

- ИБП ON-LINE является единственной абсолютно надежной защитой от попыток считывания информации с компьютера путем анализа его обратного воздействия на электросеть.

Из-за высоких технических показателей источники класса ON-LINE в последнее время некоторые производители, не владеющие соответствующими технологиями, а также их торговые партнеры выдают свои ГИБРИДНЫЕ источники за ON-LINE. Основополагающим признаком, отличающим все ИБП этого класса, является следующий: если весь поступающий на вход источника ток, независимо от режима работы, претерпевает как минимум двойное преобразование (переменный ток-постоянный-переменный), тогда ИБП относится к классу ON-LINE, иначе - нет.

Основные выводы:

Наилучшим выбором с точки зрения защиты от помех в электросети и по другим потребительским качествам являются ИБП класса ON-LINE.
Основополагающим признаком ON-LINE является обязательное двойное (иногда тройное) преобразование напряжения.

Определение мощности и конфигурации ИБП

Определяющими величинами для выбора конкретной конфигурации источника являются полная мощность оборудования в вольт-амперах (VА) и необходимое время автономной работы. Следующие рекомендации относятся к ИБП, независимо от их класса.

1. Определите перечень защищаемого оборудования.

2. Определите мощность каждой единицы оборудования. Необходимо определить так называемую полную мощность в вольт-амперах. Полная мощность - это вся мощность, потребляемая электроприбором, она состоит из активной мощности и реактивной мощности, которая частично возвращается в сеть питания, а частично уходит в электромагнитное излучение прибора. Таким образом, часть полной мощности всегда расходуется вхолостую, а нагрузки можно различать по соотношению активной и полной мощностей, которое характеризуется коэффициентом мощности Км. Типичными видами нагрузок, различающихся по этому соотношению, являются активно-индуктивная, активно-емкостная, линейная, нелинейная и другие. Мощность прибора указывается либо в технической документации, либо на задней стенке его корпуса. Может указываться или активная мощность, или полная. Активная мощность всегда указывается в ваттах (W), полная - в вольт-амперах (VА). Если мощность не указана, то указывается напряжение питания в вольтах и потребляемый ток в амперах, тогда полная мощность S в вольт-амперах равна S = Uпит. Х Iпотр. Для компьютерных нагрузок полная мощность S в вольт-амперах и активная мощность Р в ваттах связаны между собой коэффициентом, приблизительно равным 1.4, т.е. S =1.4 X Р. Для определения соотношения полной и активной мощностей для других типов нагрузки следует проконсультироваться со специалистами по соответствующему оборудованию.

3. Определите суммарную полную мощность всего оборудования путем сложения полных мощностей его отдельных единиц.

4. При небольшом количестве оборудования (приблизительно до 20 единиц) для обеспечения высокой надежности мощность закупаемого ИБП должна превышать на 20-30% суммарную полную мощность потребления. При подключении к одному мощному ИБП большего количества единиц оборудования запаса мощности обычно не требуется, так как часть оборудования всегда оказывается отключенной.

5. Исходя из задач, решаемых вашим оборудованием, и из качества электросети задайтесь временем автономной работы ИБП - на аккумуляторе при перерыве в сети питания.

6. Зная мощность ИБП и время автономной работы, выберите необходимый тип и конфигурацию ИБП. Выбрав модель нужной мощности, определите количество и типы внешних батарей, необходимых для обеспечения нужного времени автономной работы. Если оказалось, что выбранная модель даже с максимально возможным количеством внешних батарей не обеспечивает требуемого времени автономной работы или мощность ИБП превышает 6 кVА, для оптимизации выбора обращайтесь за консультацией к специалистам.

7. При необходимости информационного подключения ИБП к компьютерам обратитесь к специалистам для выбора способа подключения и программного обеспечения.

Публикуется с разрешения компании "Копитан"

Мы в Telegram

Назад в раздел