Конвертируемый по установке ибп
На рисунке 17 представлена блок-схема ИБП с двойным преобразованием энергии.
Рис. 17. ИБП с двойным преобразованием энергии
На входе ИБП с двойным преобразованием энергии находится выпрямитель. В отличие от выпрямителей рассмотренных нами ранее типов ИБП - это мощное устройство. Ведь выпрямитель должен не только подзаряжать батарею ИБП , но, прежде всего, снабжать инвертор ИБП постоянным напряжением.
Инвертор преобразует весь поток мощности из напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока.
Байпас - это специальная линия, которая позволяет в случае необходимости питать нагрузку напрямую от электрической сети. Для переключения на работу через байпас служит статический (т.е. не имеющий движущихся элементов) переключатель. Поэтому этот байпас часто называют статическим байпасом.
ИБП с двойным преобразованием энергии может работать в трех режимах.
Если в сети есть "нормальное" напряжение, то вся мощность, потребляемая нагрузкой, проходит через выпрямитель ИБП . Выпрямитель преобразует напряжение электрической сети в стабилизированное напряжение постоянного тока. Оно используется для заряда батареи и для питания инвертора.
Инвертор преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, которым и питается нагрузка.
Работа от батареи
Выпрямитель ИБП с двойным преобразованием выдает стабилизированное напряжение постоянного тока. Т.е. независимо от величины напряжения переменного тока на входе выпрямителя напряжение постоянного тока на его выходе сохраняется постоянным. Естественно, напряжение остается стабильным только если входное напряжение не выходит из некоторого диапазона допустимых напряжений. Этот диапазон называется диапазоном входных напряжений ИБП.
Диапазон входных напряжений ИБП с двойным преобразованием не остается постоянным. Его величина (или вернее его нижняя граница) зависит не только от конкретной модели ИБП , но и его нагрузки.
Если напряжение сети становится меньше нижней границы диапазона входных напряжений (т.е. выпрямитель уже не может стабилизировать напряжение), напряжение постоянного тока на выходе выпрямителя уменьшается и становится ниже напряжения заряженной батареи ИБП . Никакого переключения не происходит. Просто инвертор начинает частично питаться от батареи, а батарея начинает разряжаться. При дальнейшем уменьшении напряжения или если напряжение пропадает совсем, инвертор начинает полностью питаться от батареи. Говорят, что ИБП перешел на режим работы от батареи.
Работа ИБП от батареи продолжается некоторое время, определяемое зарядом батареи и нагрузкой. После того, как батарея разрядится до напряжения примерно 1.7 В на элемент, инвертор ИБП будет отключен автоматикой, защищающей батарею от необратимого переразряда.
Если напряжение на входе ИБП снова поднимется до нормального, выпрямитель опять начнет заряжать батарею и питать инвертор.
Режим работы через статический байпас
Основные элементы ИБП с двойным преобразованием при работе от сети постоянно находятся под нагрузкой. Если бы ИБП с двойным преобразованием был построен по схеме, придуманной нами во второй главе, то он имел бы низкую надежность. Ведь при выходе из строя инвертора, подача напряжения к нагрузке прервалась бы и ИБП не только не выполнил бы своего предназначения, но даже сам из-за своей поломки мог бы стать причиной потери данных в подключенных к нему компьютерах или отключения каких-либо подключенных к нему важных устровйств.
Для того, чтобы этого не происходило, в ИБП введена еще одна линия электроснабжения нагрузки - статический байпас.
При выходе из строя инвертора или его перегрузке, срабатывает переключатель (размыкается линия "инвертор-нагрузка" и замыкается линия "байпас-нагрузка") и нагрузка продолжает питаться от сети.
К сожалению не все ИБП с переключением имеют статический байпас. На мой взгляд такие ИБП вообще не следует использовать, поскольку они не надежны.
Рассмотрим теперь работу отдельных элементов ИБП .
Выпрямитель ИБП с двойным преобразованием должен иметь мощность, достаточную для двух его основных функций. Его максимальный выходной ток должен быть не меньше суммы максимального входного тока инвертора и максимального зарядного тока батареи.
Для правильного заряда батареи выпрямитель должен очень точно (с точностью не хуже 1 %) поддерживать напряжение плавающего заряда на батарее.
Иногда в ИБП с двойным преобразованием энергии применяют регулируемые тиристорные выпрямители.
В некоторых случаях в ИБП устанволены пассивные (диодные) выпрямители, а для точного регулирования напряжения на аккумуляторной батарее используется преобразователь напряжения постоянного тока. Иногда ИБП , построенные по такой схеме их производители называют ИБП с тройным преобразованием.
Инвертор, синхронизация с сетью и переключение на статический байпас
Инвертор ИБП с двойным преобразованием энергии имеет возможность изменения выходной частоты инвертора для синхронизации выходного напряжения инвертора с сетью.
Эта функция используется в ИБП с двойным преобразованием постоянно и просто необходима для переключения ИБП на статический байпас. Рассмотрим это переключение несколько подробнее.
Для того, чтобы ИБП с двойным преобразованием имел непрерывное выходное напряжение без скачков и разрывов на всех режимах работы, нужно обеспечить гладкое переключение на статический байпас при выходе из строя инвертора или его перегрузке.
Для этого необходимо, чтобы фаза и частота сетевого напряжения (т.е. напряжения в цепи байпаса) в момент переключения были такими же, как фаза и частота выходного напряжения инвертора.
Но мы не можем управлять фазой и частотой сети, следовательно мы должны добиться желаемой цели за счет настройки инвертора. Мы не можем, как в ИБП , взаимодействующим с сетью, подстроить фазу и частоту инвертора перед самым переключением. Ведь мы, к сожалению, не знаем, в какой момент инвертор выйдет из строя или испытает перегрузку.
Поэтому инвертор ИБП с двойным преобразованием должен всегда быть синхронизован с сетью. Точнее говоря, должна быть достигнута синхронизации инвертора с линией статического байпаса, которая в общем случае может быть подключена к другой линии электроснабжения, чем вход выпрямителя ИБП .
Посмотрим теперь, что произойдет с ИБП с двойным преобразованием энергии, если частота сети вдруг начнет отличаться от стандартной (50 Гц).
ИБП с двойным преобразованием имеет некоторые пределы допустимых изменений частоты сети (эта характеристика указана в паспорте или описании). Скажем минимальная допустимая частота равна 49 Гц, а максимальная допустимая частота - 51 Гц (т.е. пределы допустимых изменений частоты равны ± 2%)
Если частота в линии байпаса находится в пределах допустимого, то частота инвертора аккуратно следует за ней. Частота и фаза инвертора равны частоте и фазе в линии байпаса. Следовательно ИБП в любой момент (при выходе из строя инвертора или его перегрузке) может переключиться на статический байпас, не испытывая импульсных нагрузок.
Если же частота в линии байпаса станет равной 48 Гц, то частота инвертора не может следовать за ней, чтобы не питать нагрузку напряжением с частотой, сильно отличающейся от номинальной.
Как мы уже знаем, ИБП, взаимодействующие с сетью, в этом случае переходят на режим работы от батареи, а после исчерпания заряда батареи отключаются.
ИБП с двойным преобразованием энергии отрабатывают эту ситуацию гораздо лучше. Блок управления просто разрешает инвертору ИБП прекратить синхронизацию с линией байпаса и перейти на режим независимой работы. Частота инвертора становится равной ровно 50 Гц и остается такой до тех пор, пока частота линии байпаса не вернется в пределы допустимого.
Во время независимой работы инвертора, переключение ИБП на статический байпас блокируется, поскольку при таком переключении возможны сильные фазовые и амплитудные искажения, которые могут нанести ущерб чувствительной нагрузке. Более того, переключение в отсутствие синхронизации опасно для самого ИБП.
Некоторые ИБП имеют возможность настройки пределов допустимых изменений частоты. Например они могут быть настроены на допустимые колебания частоты 0.5, 1 или 2 Герца в каждую сторону.
Казалось бы, чем уже диапазон допустимых колебаний частоты, тем лучше для чувствительной нагрузки. На самом деле улучшение качества стабилизации частоты происходит за счет общей надежности системы. Ведь если диапазон допустимых изменений частоты установлен меньше реального диапазона изменения частоты сети в месте установки ИБП , то ИБП большую часть времени работает без синхронизации инвертора с линией байпаса. Это снижает общую надежность системы, защищаемой с помощью ИБП , поскольку во время независимой работы инвертора невозможно переключение на статический байпас.
В случае если ИБП имеет возможность настройки диапазона допустимых изменений частоты, пользователь имеет возможность выбирать выгодный для себя компромисс. Он может установить очень узкий диапазон частот для чувствительной нагрузки, сознательно пойдя на некоторое снижение надежности системы, или расширить этот диапазон для получения максимальной надежности, если нагрузка не слишком чувствительна к изменениям частоты.
Как мы выяснили, основное назначение статического байпаса - это увеличение надежности ИБП и компьютерной системы в целом за счет организации резервного источника электроснабжения, который вступает в действие при выходе из строя инвертора. В рассмотренном простейшем случае таким источником является та же электрическая сеть, которая питает выпрямитель ИБП . (Заметим в скобках, что это не единственный возможный источник).
Выход из строя какой-либо из систем ИБП вещь, в общем-то, довольно маловероятная. Хорошие ИБП с двойным преобразованием имеют среднее время наработки на отказ до 10 лет. Но статический байпас имеет еще одну функцию, которая используется буквально при каждом включении сильно нагруженного ИБП .
Инвертор естественно имеет ограничение по допустимой нагрузке. При постоянной нагрузке этой границей является номинальная мощность ИБП . Кратковременно инвертор способен выдерживать большие токи. Обычно допускается перегрузка около 50-150 % на несколько миллисекунд и около 10-50 % на несколько секунд или десятков секунд.
Практически любому потребителю электроэнергии известно такое явление, как стартовый ток. Под этим понимается ток, возникающий при включении потребителя электроэнергии в отличие от тока на установившемся режиме работы.
Для компьютеров и других часто питаемых от ИБП устройств характерен довольно большой стартовый ток. При каждом включении компьютер потребляет в несколько раз больший ток, чем после запуска (как мы увидим далее, стартовый ток легко может превысить номинальный ток в 10 раз).
Таким образом при запуске потребителей, мощность которых составляет хотя бы 10 % номинальной мощности ИБП , возможна перегрузка инвертора. Если перегрузка возникла, ИБП для предохранения своего инвертора от перегрузки переключается на работу через байпас. Через несколько секунд ИБП снова переключается на работу от инвертора. Этот режим работы предохраняет инвертор от выхода из строя и увеличивает общую надежность компьютерной системы, защищенной с помощью ИБП с двойным преобразованием энергии.
Другие элементы ИБП с двойным преобразованием
Сравним еще раз схемы ИБП с двойным преобразованием и взаимодействующего с сетью. У ИБП с двойным преобразованием отсуствуют (хотя и не у всех моделей) некоторые элементы: фильтры шумов и импульсов. В ИБП этого типа импульсы и шумы фильтруются в результате выпрямления напряжения переменного тока: на выходе выпрямителя имеются схемы подавления пульсаций напряжения, выполняющие роль фильтров.
В процессе второго преобразования энергии шумы и импульсы еще раз уменьшаются и нагрузка питается чистым синусоидальным напряжением.
Поэтому отсутствие в схеме фильтров можно считать своего рода фокусом: внутри ИБП есть элементы, выполняющие эти функции, но называющиеся по другому. Кроме того, в некоторых ИБП с двойным преобразованием энергии установлены варисторные шунты.
Блок управления ИБП с двойным преобразованием энергии не анализирует состояния электрической сети (вы видите, что на блок-схеме нет соответствующей стрелки). В этом нет необходимости, ведь нам не нужно управлять переключением (или, вернее, переходом) ИБП с двойным преобразованием на работу от батареи - этот переход производится или, вернее, происходит, без участия управляющей электроники.
Нет необходимости и производить анализ формы напряжения переменного тока на входе ИБП : выпрямитель ИБП с двойным преобразованием энергии может питаться напряжением переменного тока практически любой формы - все равно на выходе выпрямителя будет стабилизированное напряжение постоянного тока, а на выходе инвертора - чистая синусоида.
Задача блока управления - регулировать напряжение на выходе выпрямителя, напряжение на выходе инвертора (как и у других, рассмотренных ранее ИБП ) и не пропустить момент, когда понадобится произвести переключение на работу через статический байпас.
Батарея ИБП с двойным преобразованием не имеет никаких отличий от батарей ИБП других типов.
Все силовые элементы ИБП с двойным преобразованием энергии работают под нагрузкой все время, пока ИБП включен (в отличие, например, от инвертора и выпрямителя ИБП с переключением, которые простаивают, пока ИБП работает от сети). Поэтому все полупроводники и другие силовые элементы ИБП с двойным преобразованием рассчитаны на длительную работу по полной нагрузкой. Это позволяет, не внося значительных изменений в ИБП , подключать к нему дополнительные аккумуляторы для увеличения длительности работы от батареи.
Большинство ИБП с двойным преобразованием имеют такую возможность.
Индикация и управление
Органы индикации и управления ИБП с двойным преобразованием не имеют принципиальных отличий от панелей управления других ИБП .
Стандартный набор включает клавиши включения и выключения прибора, индикаторы сети, заряда батарей и нагрузки (для некоторых моделей).
Характеристики ИБП с двойным преобразованием энергии
ИБП с двойным преобразованием имеют наиболее широкий диапазон мощностей по сравнению с другими ИБП .
Минимальная мощность - 500-700 ВА для разных серий небольших ИБП .
Схема ИБП с двойным преобразованием позволяет создавать устройства очень большой мощности. Обычно максимальная мощность единичного ИБП ограничивается величиной около 300-500 кВА. Но возможно наращивание мощности ИБП за счет параллельной работы нескольких модулей на одну нагрузку.
Начиная с мощности около 10 кВА ИБП обычно предназначены для работы с трехфазным входным напряжением. Потому все, что связано с ИБП средней и большой мощности, рассматривается в главе "Трехфазные ИБП".
Коэффициент полезного действия
ИБП с двойным преобразованием энергии имеют не слишком высокий КПД, по сравнению с ИБП других типов. Тем не менее, их КПД довольно велик. Он составляет примерно 90% при полной или близкой к полной мощности. При уменьшении мощности КПД уменьшается.
На примерно 50 % мощности КПД может составлять около 70 %.
Исходя из КПД, можно оценить максимальное тепловыделение ИБП . Оно примерно равно 10 % от номинальной мощности ИБП . Тепловыделение ИБП должно учитываться при расчете теплового режима помещения, где установлены ИБП . Подробнее это рассмотрено в главе "Трехфазные ИБП ", поскольку тепловой режим критичен именно для больших ИБП .
Приведенная выше величина КПД не учитывает использования части входной мощности для заряда батареи. Потому для того, чтобы даже примерно определить максимальный входной ток ИБП , величины КПД не достаточно. Нужно смотреть более подробные технические характеристики ИБП, а для точного расчета максимального входного тока, нужно рассчитывать эту величину, исходя их емкости батареи, установленной в ИБП .
Время работы от батареи
ИБП небольшой мощности (до 1 кВА) имеют время работы от батареи при полной нагрузке примерно 5-15 минут. Но почти для всех ИБП большей мощности фирма производитель обычно предусматривает возможность наращивания емкости батареи по сравнению со стандартной.
ИБП средней и большой мощности (более 10-30 кВА) часто не имеют "стандартной" батареи. Батарея для них подбирается, исходя из требований заказчика. Наиболее распространенными вариантами являются батареи на 3-5 минут автономной работы - для сопряжения ИБП с дизельным генератором и батарея на 10-30 минут - для автономной работы ИБП .
Сегодня построенные на основе двойного преобразования энергии онлайн ИБП и инверторные стабилизаторы напряжения являются самыми востребованными изделиями в своих сегментах рынка электрооборудования. Высокий спрос на данные устройства объясняется их отличными техническими характеристиками, позволяющими обеспечивать качественным электропитанием даже самые требовательные нагрузки.
Что же представляет собой технология двойного преобразования энергии, как она влияет на функционирование систем электропитания и почему на сегодняшний день считается одной из самых прогрессивных? Расскажем об этом в нашей статье.
Недостатки ИБП двойного преобразования
К недостаткам данных ИБП обычно относят не самый высокий КПД и стоимость, большую чем у схожих по мощности устройств других типов. Действительно, КПД приборов с двойным преобразованием пониже чем у моделей, построенных на основе иных принципов работы. Но, во-первых, существует байпас, переключение на который, в случае качественной сети, позволяет повысить КПД до 99%, а во-вторых, небольшое отставание по КПД компенсируется максимальным уровнем защиты.
Что касается ценового вопроса, то попытка сэкономить на ИБП скорее всего приведёт к покупке дешевого изделия с низкой эффективностью работы. Такой «бесперебойник» просто не обеспечит качество электропитания, необходимое для корректного и безопасного функционирования многих современных электроприборов. Это обойдется гораздо дороже, чем затраты на разовое приобретение онлайн ИБП от проверенного производителя.
Работа ИБП в автономном режиме
При выходе сетевого напряжения за пределы допустимого для регулирования диапазона или при его отсутствии ИБП переходит в автономном режиме и питает нагрузку за счет энергии, накопленной в батареях. Напряжение от аккумуляторов сначала проходит через DC/DC конвертер, затем поступает на инвертор, где преобразуется в выходное переменное напряжение с высокими показателями качества.
Конструкция и особенности
Принцип работы онлайн ИБП базируется на технологии двойного преобразования электроэнергии. Именно её применение обеспечивает ряд преимуществ, недоступных для устройств других топологий, и позволяет использовать такие ИБП не только для обеспечения автономной работы нагрузки, но и как средство повышения качества электроэнергии до уровня, подходящего даже для самых требовательных потребителей.
Одна из особенностей ИБП с двойным преобразованием – полное отсутствие каких-либо электромеханических элементов в конструкции. Прибор, как правило, состоит из следующих электронных компонентов:
- сетевых фильтров;
- выпрямителя;
- зарядного устройства для аккумуляторов;
- аккумуляторных батарей (и/или разъем для подключения внешней аккумуляторной батареи);
- конвертера постоянного напряжения (конвертор DC/DC);
- инвертора;
- электронного байпаса;
- системы охлаждения;
- электронного блока управления;
- средств вывода информации и управления (электронный дисплей, светодиодные индикаторы, клавиатура).
Линейно-интерактивные ИБП (line-interactive)
Принцип действия
Аналогичен предыдущему варианту, за исключением того, что схема устройства дополнена входным регулятором напряжения. ИБП данного типа подразделяются на устройства с аппроксимированной синусоидой и полностью синусоидальным выходным напряжением.
Преимущества и недостатки
Преимущества линейно-интерактивных ИБП перед резервными:
- возможность нейтрализации сетевых колебаний (но не максимальной амплитуды!) без задействия АБ;
- сокращенное время переключения в автономный режим (за счёт синхронизации инвертора и входной сети).
Недостатками линейно-интерактивных ИБП являются:
- ступенчатое регулирование напряжения, приводящее к сильным искажениям выходного сигнала;
- перерыв в электропитании нагрузки при переходе на аккумуляторы (длительность переключения короче, чем у резервного ИБП, но ненулевая!);
- отсутствие коррекции формы входного напряжения и входной частоты в режиме работы от электросети, неполная фильтрация сетевых помех;
- большинство моделей не формируют идеальную синусоиду выходного напряжения в автономном режиме работы.
Применение
Далеко не всё электрооборудование будет успешно работать с линейно-интерактивными ИБП. Качество их выходного напряжения может просто не удовлетворить строгим требованиям современных потребителей электроэнергии как в бытовом, так и в промышленном секторе. В частности, линейно-интерактивный ИБП является не лучшим вариантом для котла отопительной системы, IT-аппаратуры и тем более для помеховосприимчивой научной, лабораторной и медицинской техники.
Кроме того, линейно-интерактивные ИБП не обеспечивают электропитание, полностью независимое от состояния внешней энергосистемы, что сохраняет риск повреждения нагрузки в результате, например, резкого сетевого перепада.
Двойное преобразование
«С двойным преобразованием энергии» – такую фразу можно увидеть в описаниях, соответствующих многим источникам бесперебойного питания и всем инверторным стабилизаторам напряжения «Штиль». Что же она означает?
Технология двойного преобразования – один из способов повышения качества электроэнергии, заключающийся в двух последовательных трансформациях входного переменного напряжения: вначале оно переводится в постоянное (DC), а затем инвертируется обратно в переменное (AC). При этом вновь сформированное АС-напряжение имеет эталонные характеристики и избавлено от сетевых искажений.
Основное отличие данного способа от других, схожих по назначению, заключается в том, что преобразование (следовательно, и коррекция напряжения) осуществляется непрерывно, а не только в момент отклонения сетевых параметров от нормы. Это исключает влияние входных возмущений на выходное напряжение, которое абсолютно не зависит от состояния внешнего источника питания и имеет неизменно точное значение и синусоидальную форму. Иными словами, ни одна помеха или скачок напряжения не достигает нагрузки, подключенной к ИБП или стабилизатору с двойным преобразованием энергии. Такие устройства гарантируют надежную защиту любой, даже самой требовательной к качеству электропитания техники.
Отметим, что двойное преобразование энергии вошло в электротехнику сравнительно недавно – первые ИБП на его основе появились в конце XX века. Несколько позже – в начале XXI века данная технология нашла своё применение и в стабилизаторах напряжения. Номером один стали выпускаемые с 2015 года инверторные стабилизаторы «Штиль» серии «ИнСтаб». Они являются полностью отечественной разработкой (г. Тула), которая, выйдя на рынок, отлично зарекомендовала себя в практическом применении и быстро завоевала популярность у потребителей.
Время автономной работы
Продолжительность работы ИБП в автономном режиме зависит от ёмкости встроенных и/или внешних аккумуляторных батарей. Правильно выбранная ёмкость обеспечит функционирование на время, необходимое либо для восстановления сетевого питания, либо для безопасного отключения защищаемого оборудования. Ошибка приведёт к быстрому разряду аккумуляторов и преждевременному обесточиванию потребителей.
Определять необходимую ёмкость следует исходя из мощности нагрузки и длительности возможных перебоев в электроснабжении. Отметим, что один и тот же ИБП с разной нагрузкой имеет разную продолжительность автономной работы!
Подключение дополнительных внешних батарей позволяет увеличивать время автономии ИБП. Устройства, поддерживающие такое подключение, отличаются наличием более мощного встроенного или внешнего зарядного устройства.
Важно отметить!
Некоторые модели онлайн ИБП вообще не имеют внутренней батареи и рассчитаны только на подключение внешних аккумуляторов.
При нахождении сетевого напряжения в допустимом диапазоне ИБП работает без перехода в автономный режим. Соответственно, чем допустимые пределы шире, тем реже устройство будет задействовать аккумуляторы. Сокращение количества переключений на батареи способствует увеличению срока их службы, поэтому рекомендуется использовать ИБП с диапазоном допустимого входного напряжения большим, чем амплитуда фактических колебаний в сети.
Кроме того, при выборе устройства крайне важно обратить внимание и на параметры выходного напряжения. Дело в том, что некоторые онлайн ИБП, в первую очередь модели произведённые в Восточной и Юго-Восточной Азии, отличаются посредственной сборкой и самой дешёвой элементной базой. На практике такие изделия часто не способны обеспечить эталонные характеристики выходного напряжения, свойственные более качественным ИБП с двойным преобразованием.
Онлайн ИБП (on-line, ИБП с двойным преобразованием энергии)
Принцип действия
Устройство выполняет двойное преобразование поступающего из сети напряжения. Сначала из переменного в постоянное, а затем обратно – из постоянного в переменное. В силовой цепи on-line ИБП аккумуляторы занимают промежуточное положение между непрерывно функционирующими выпрямителем и инвертором (батареи соединены с выходом первого и входом второго). Такая схема позволяет избежать задержек при переходе в автономный режим, так как инвертор подключен к АБ постоянно и каких-либо дополнительных коммутаций, в случае проблем с внешней электросетью, не требуется.
Преимущества и недостатки
Преимущества онлайн ИБП:
- мгновенный переключение на питание от батарей (без перерыва электроснабжении нагрузки);
- синусоидальная форма и максимально точное значение выходного напряжения (обеспечиваются как при работе от сети, так и от батарей);
- широкая амплитуда сетевых колебаний, нейтрализуемых без перехода в автономный режим;
- максимальная защита нагрузки (двойное преобразование энергии гасит все негативные входные воздействия и гарантирует полную независимость выходных характеристик ИБП от состояния внешней электросети);
- отсутствие влияние подключенного оборудования на основную электросеть.
Недостатки онлайн ИБП:
- более высокая, по сравнению с приборами других категорий, стоимость;
- низкий КПД (80-90%) у некоторых устаревших устройств (стоит отметить, что современные алгоритмы управления двойным преобразованием энергии, применяемые ведущими производителями on-line ИБП, позволяют значительно повысить КПД и довести его в ряде рабочих режимов до 99%).
Применение
Онлайн ИБП используются во всех сферах жизнедеятельности современного человека и являются лучшим решением для обеспечения бесперебойного электропитания. Только on-line ИБП могут эффективно работать с техникой, предъявляющей повышенные требования к качеству питающей электроэнергии: от оборудования домашних систем отопления и водоочистки до контрольно-измерительной аппаратуры и инфраструктуры ЦОДов.
Мощность
Данным параметром определяется допустимая к подключению нагрузка. Рекомендуется выбирать ИБП с мощностью, превышающей максимально возможную мощность нагрузки на 20-30%.
Следует обратить внимание на то, что заявленная производителем мощность ИБП может быть указана в вольт-амперах (ВА или VA), а мощность большинства обычных электроприборов исчисляется в ваттах (Вт или W). Вольт-амперы и ватты не равны, зависимость одного от другого выражается через формулу: ВА=Вт/cos(φ).
Значение cos(φ), соответствующее какому-либо изделию, обычно указанно в его технической документации (иногда данный параметр называют «Power Factor» или «PF»). Если информации нет, то для бытовых приборов допустимо принять cos(φ) равный 0,7 или 0,8, кроме нагревательных и осветительных устройств, подходящее для них значение – 0,9 или 1.
Преимущества ИБП двойного преобразования
Online ИБП являются отличным решением не только для задач по обеспечению бесперебойного электроснабжения, но и для повышения качества электроэнергии. У этих устройств множество преимуществ, которые выгодно отличают их от приборов других типов:
- мгновенное переключение в автономный режим, без перерыва в питании нагрузки;
- постоянная стабилизация напряжения, исключающая трансляцию входных колебаний на выход устройства (выходные характеристики ИБП абсолютно независимы от состояния питающей сети);
- чистая синусоида и максимально приближенное к норме значение выходного напряжения (при работе как от сети, так и от батарей);
- широкий диапазон отклонений входного напряжения, нейтрализуемых без перехода на аккумуляторы;
- корректность работы с фазозависимыми нагрузками, например, газовыми котлами (только у моделей, имеющих «сквозной ноль»);
- исключение обратного влияния нагрузки на сеть;
- регулирование входного коэффициента мощности (не во всех моделях);
- долговечность (в конструкции отсутствуют подверженные механическому износу подвижные элементы).
Работа ИБП при нестабильном сетевом напряжении (режим онлайн)
В данном случае напряжение сети фильтруется, измеряется электронным блоком и поступает на выпрямитель, который в современных ИБП выстраивается на основе IGBT-транзисторов. С выхода выпрямителя избавленное от внешних искажений постоянное-промежуточное напряжение подаётся на инвертор, который снабжен широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и генерирует выходное переменное напряжение с идеальной формой и номинальным значением. У качественных ИБП максимальное отклонение по выходу составляет не более двух процентов.
Зарядное устройство работает так же, как и при нахождении напряжения сети в пределах нормы, т. е. продолжает штатно функционировать и обеспечивает постоянный подзаряд аккумуляторной батареи.
Основные критерии выбора
Выбор конкретной модели ИБП с двойным преобразованием предполагает использование следующих критериев:
- выходная мощность;
- время работы в автономном режиме;
- возможность использования дополнительных внешних аккумуляторов;
- диапазон допустимого входного напряжения;
- характеристики выходного напряжения.
Рассмотрим каждый из критериев подробнее.
Другие параметры
Кроме критериев, которые мы рассмотрели выше, при подборе устройства следует обратить внимание на:
В настоящее время на рынке систем электропитания представлены ИБП трех типов: резервные, линейно-интерактивные и онлайн (с двойным преобразованием). Они различаются по внутреннему строению, принципу действия и техническим характеристикам.
В данной статье мы разберём все виды источников бесперебойного питания, определим в чём их особенности, достоинства и недостатки, а также рассмотрим, для какой нагрузки каждый тип устройств подходит больше всего.
- Резервные ИБП (off-line, standby, back ups)
- Линейно-интерактивные ИБП (line-interactive)
- Онлайн ИБП (on-line, ИБП с двойным преобразованием энергии)
- Модельный ряд онлайн ИБП «Штиль»
- Классификация ИБП по мощности
- Классификация ИБП по типу корпуса
Конструктивные особенности
Изделия, использующие двойное преобразование энергии, имеют ряд специфических конструктивных особенностей. Разберем их на примере ИБП и стабилизаторов от бренда «Штиль», являющегося одним из лидеров среди российских производителей и поставщиков систем электропитания.
Главное отличие указанных приборов от устройств других типов – отсутствие автотрансформатора и каких-либо подвижных (электромеханических) частей в силовой цепи. Вместо них в состав онлайн ИБП и инверторного стабилизатора входят следующие компоненты:
Обратите внимание!
В ИБП постоянное промежуточное напряжение и постоянное напряжение аккумуляторных батарей не равны между собой.
Ниже представлены структурные схемы инверторного стабилизатора и онлайн ИБП:
Новая технология на рынке UPS (ИБП) - "Дельта-преобразование"
Нарастающая потребность и необходимость в качественном электропитании приводит к широкому использованию источников бесперебойного питания (ИБП), как единственного средства для защиты компьютерной, телекоммуникационной и др. техники от неполадок в системе электроснабжения.
В настоящее время существуют три основные схемы построения ИБП: off-line, line-interactive и on-line, которые находят применение в зависимости от предъявленных к ИБП требований и условий их эксплуатации. В централизованных системах бесперебойного электропитания, когда прерывание подачи электроэнергии для работы большинства единиц оборудования, составляющих одну информационную или технологическую систему недопустимо, характерно применение мощных ИБП типа on-line со схемой двойного преобразования. Схема двойного преобразования является наиболее популярной и широко используемой многими производителями мощных ИБП и позволяет обеспечить пользователя электроэнергией высокого качества без отключений, высоковольтных помех, провалов, т. п.
Схема ИБП On-line типа содержит два преобразователя (Рис. 1). Первый преобразователь превращает нестабильное входное напряжение в постоянное, а второй вырабатывает из постоянного, сглаженного и отфильтрованного напряжения переменное синусоидальное, которое беспрерывно подается на нагрузку и не зависит от состояния питающей электросети. Если параметры входного напряжения выходят за допустимые пределы, то происходит переключение на питание от батареи без какой-либо задержки.
Мощные системы бесперебойного электропитания, работающие в режиме On-line, гарантируют защиту от большинства неисправностей на линиях питающей электросети, позволяют фильтровать помехи, обеспечивают на выходе чисто синусоидальное напряжение.
За многолетнюю историю существования технологии двойного преобразования были разработаны источники бесперебойного питания, имеющие повышенную надежность, гарантирующие высокое качество выходного напряжения и долговечность своей работы. За это время потери энергии на тепловыделение, объем и масса их сократилась в несколько раз. Ярким примером последних разработок в системах электропитания с двойным преобразованием является массив электропитания Symmetra производства АРС.
SYMMETRA — воплощение новой концепции ИБП
Symmetra — массив электропитания, предназначенный для защиты групп серверов и критичных для бизнеса приложений. Symmetra предоставляет четыре главных преимущества по сравнению с традиционными ИБП: высокий уровень масштабируемости, избыточности, управляемости и удобства эксплуатации.
Symmetra, аналогично массиву дисков в отрасли хранения данных, представляет собой большой ИБП, состоящий из меньших модульных компонентов. Symmetra состоит из двух основных типов модулей: модулей-ИБП мощностью 4 кВА и модулей-батарей. Модули каждого типа подключаются параллельно, распределяя между собой нагрузку. "Мозгом" системы является модуль Main Intelligence. В системе с избыточностью N+1 он дублируется модулем Redundant Intelligence. Масштабируемость массива обеспечивает защиту капиталовложений, так как позволяет расширить или перестроить конфигурацию, добавляя или удаляя модули. Возможность увеличения мощности позволяет наращивать систему при приобретении дополнительного оборудования.
В современных центрах данных для организации улучшенного доступа на серверах и дисках используется избыточность. В серверах применяется кластерная и зеркальная технологии, а устройства хранения используют RAID-технологию для обеспечения дублирования носителя в случае сбоя диска или ОЗУ. Symmetra обеспечивает избыточность класса N+1 или даже выше за счет добавления дополнительных модулей того или иного типа, что исключает риск сбоя системы. При такой избыточности, если один модуль удален или поврежден, то вся нагрузка немедленно и равномерно распределяется между оставшимися. В этом случае все звенья информационной системы (ИС), включая энергоснабжение, с избытком гарантируют максимальную надежность функционирования системы.
Symmetra — это первая система защиты средней мощности, разработанная специально для информационных систем и современных центров данных с возможностью дистанционного управления.
Можно приобрести массив питания Symmetra с мощностью от 4 до 16 кВА. Выбрав нужную конфигурацию, администратор сможет затем наращивать мощность или понижать ее, добавляя или удаляя модули. Если вам нужно защитить компьютерное оборудование или центр обработки данных — "умнее" и надежнее источника бесперебойного питания вам не найти. Symmetra — однофазный источник бесперебойного питания. Если же вам необходим трехфазный ИБП с высоким КПД обратите внимание на оборудование производства датской компании Silcon.
Увеличение КПД источника бесперебойного питания для многих производителей ИБП с традиционной схемой двойного преобразования становится первостепенной задачей. За последние несколько лет в области ИБП-технологий появилось много интересных технических решений. Эти новшества направлены на совершенствование существующей схемы двойного преобразования и позволяют получить большую производительность ИБП и низкие энергопотери.
Принципиально новый подход к решению проблемы минимизации потерь электроэнергии при сохранении принципа двойного преобразования предложила компания Silcon (Дания), недавно приобретенная АРС. Основная идея заключается в следующем. Подобно волнам, существующими только на поверхности океана, в потоке электроэнергии пристутсвуют всевозможные помехи и искажения. Тогда, чтобы добиться ровной и чистой поверхности, нет смысла преобразовывать всю "массу" энергии, достаточно успокоить ее "верхний слой". Эта идея составляет основу нового принципа преобразования, который был назван "Дельта-преобразование" и запатентован компанией Silcon.
ИБП с технологией "Дельта-преобразование" работает в режиме On-Line, как схема с двойным преобразованием, но при этом он преобразует не всю электроэнергию, а только ее "зашумленную" и нестабильную часть, которая приводит к снижению ее качества.
Новая технология устраняет недостатки, присущие ИБП традиционного двойного преобразования и близка к идеальному решению принципов преобразования тока, используемых в ИБП. Структура ИБП с "Дельта-преобразованием", из двух инверторов, выполненных по специальной 4-х квадрантной схеме и системы управления.
В идеальных условиях, когда параметры электросети соответствуют требованиям качества питания нагрузки (напряжение и ток соответствуют номиналу, отсутствуют всевозможные провалы, выбросы, помехи и шум) электроэнергия полностью передается в нагрузку, а не преобразуется дважды, как в ИБП с двойным преобразованием, в этом случае потерь на преобразование нет.
В реальной ситуации, когда параметры сети не идеальны, происходит традиционное двойное преобразование электроэнергии. Но система с "Дельта-преобразованием" намного "умнее", чем классическая схема двойного преобразования, так как преобразует не всю энергию, а только ту часть, которую необходимо. Так, например, при отклонениях входного напряжения на 15% , двойному преобразованию подвергнется только 15% электроэнергии. Если принять суммарные потери как в традиционном ИБП двойного преобразования равными 10%, то в схеме с "Дельта-преобразованием" энергопотери составят: 0,15 х 10% = 1,5%.
В случае аварии электросети, основной инвертор получает энергию от аккумуляторной батареи, и схема работает по тому же принципу, что при классическом двойном преобразовании.
Таким образом, ИБП с "Дельта-преобразованием" работает в режиме on-line, как традиционная схема двойного преобразования и имеет все присущее ей достоинства, но при этом обладает большим коэффициентом полезного действия (КПД источника равен 97%) и меньшими энергопотерями (см. Рис. 3).
Увеличение входного коэффициента мощности
Как известно, в цепях переменного тока только при активной нагрузке напряжение и ток совпадают по фазе. Во всех остальных случаях существует фазовый сдвиг между током и напряжением. Из-за этого сдвига снижается эффективность доставки электроэнергии, что приводит ее к дополнительным энергопотерям. Степень фазового сдвига измеряется коэффициентом мощности. Чем выше значение коэффициента мощности, тем меньше сдвиг по фазе между током и напряжением, а, следовательно, выше эффективность ИБП.
Особенностью новой технологии "Дельта-преобразование" является возможность передачи электроэнергии требуемой мощности от питающей сети к потребителю наиболее экономным способом. В ИБП с "Дельта-преобразованием" коэффициент мощности равен практически единице в широком диапазоне изменения нагрузки. Уникальное схемное решение, реализованное в новом ИБП, не требует применения дополнительных дорогих устройств, так как схема "Дельта-преобразование" не вносит дополнительную реактивную составляющую в электросеть, обеспечивает синфазность протекания тока и напряжения и равенство кВА = кВт (Рис. 4).
Уменьшение величины гармонических искажений в питающей сети
Следует отметить еще один важный момент, связанный с эксплуатацией ИБП. Это возрастающие требования по электромагнитной совместимости. Практически все электронное оборудование, в том числе и ИБП, является поставщиком гармонических помех, которые выбрасываются в электросеть и способны повредить электронное оборудование.
Новая технология "Дельта-преобразование" обеспечивает ИБП отличную электромагнитную совместимость с электросетью и не нарушает работу другого электронного оборудования, подключенного к этой сети. Гармонические искажения, вносимые в сеть, сведены практически к нулю, в силу того, что сама схема "Дельта-преобразование", выполняя свою основную функцию, второстепенно является двунаправленным фильтром. Благодаря передовым техническим решениям ИБП с "Дельта-преобразованием" не является источником генерации гармонических помех. Более того, новая технология обеспечивает защиту электросети от нелинейных искажений, вносимых компьютерной нагрузкой на выходе ИБП.
ИБП с "Дельта-преобразованием"
Новая технология "Дельта-преобразование" впервые была реализована в ИБП производства компании Silcon. Новый ИБП сочетает в себе преимущества систем двойного преобразования и новые качества, появившиеся за счет технологии "Дельта-преобразование".
Что же дает эта технология пользователю ИБП с "Дельта-преобразованием"? Во-первых, за счет высокого КПД ИБП имеет высокую эффективность. При эксплуатации такого ИБП происходит значительная экономия электроэнергии и средств. Во-вторых, из-за низких потерь энергии ИБП с "Дельта-преобразованием" имеет гораздо меньшее тепловыделение и существенно более низкие затраты на систему кондиционирования помещений, где установлены ИБП.
В-третьих, ИБП с "Дельта-преобразованием" имеет прекрасную электромагнитную совместимость с электросетью и значительно лучше ослабляет гармоники тока, как со стороны входа, так и со стороны выхода.
Многочисленные испытания и тестирования ИБП с технологией "Дельта-преобразование" как за рубежом, так и в России (в лаборатории испытаний силовых электронных устройств и электрических аппаратов Московского Энергетического института (МЭИ)), подтвердили его декларируемые показатели и характеристики. ИБП, построенные по принципу "Дельта-преобразование", на сегодняшний день являются очень перспективными.
В заключении следует отметить, что дальнейшее развитие и совершенствование ИБП-технологий неизбежно, поскольку на сегодняшний день пока еще не создан источник бесперебойного питания, имеющий идеальные характеристики и полностью устраняющий недостатки присущие этому классу устройств.
Сегодня все существующие в мире источники бесперебойного питания делятся на три группы: резервные (off-line), линейно-интерактивные (line-interactive) и онлайн (on-line). ИБП третьей группы считаются самыми надежными и функциональными.
В данной статье мы рассмотрим их конструкцию, основные режимы работы, преимущества и недостатки, а также основные критерии подбора.
Режимы работы
Как правило, ИБП онлайн топологии поддерживают несколько режимов работы: от сети, автономный и ЭКО (через байпас в обход процесса стабилизации).
Переход на определённый режим работы устройства зависит от состояния сети:
- если напряжение сети в пределах нормы, то устройство работает в режиме ЭКО;
- если сетевое напряжение отклонено от номинального значения, но находится в допустимом для регулирования диапазоне, то ИБП будет находиться в онлайн режиме (работа от сети);
- если сетевое напряжение отсутствует или вышло за пределы допустимого для регулирования диапазона, то в этом случае прибор перейдет в автономный режим (работа от батарей).
Рассмотрим работу устройства в каждом из описанных режимов.
Резервные ИБП (off-line, standby, back ups)
Принцип действия
Если внешняя сеть работает в штатном режиме, то ИБП питает нагрузку напрямую от входа и работает аналогично сетевому фильтру. В случае отклонения напряжения от допустимых пределов или при его полном отключении, резервный ИБП автоматически переключает нагрузку на аккумуляторные батареи (питание в таком режиме осуществляется через инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный). Обратное переключение выполняется также автоматически и производится после возвращения сетевого напряжения к норме.
Преимущества и недостатки
В настоящее время к весомым преимуществам off-line ИБП можно отнести только невысокую стоимость.
Недостатками резервных ИБП являются:
- перерыв в электропитании, возникающий при переключении нагрузки на АБ и обратно (составляет минимум 5 мс);
- отсутствие стабилизации напряжения и коррекции частоты при работе от электросети;
- переход на АБ даже при небольших сетевых скачках, приводящий, в условиях отечественной энергосистемы, к быстрому износу аккумуляторов;
- несинусоидальность выходного напряжения при работе в автономном режиме (аппроксимированная синусоида, иногда называемая производителями «модифицированной синусоидой» или «квази-синусоидой»);
- низкий уровень защиты от высоковольтных вбросов и электромагнитных помех.
Применение
Вышеназванные недостатки сужают область применения резервных ИБП. Данные приборы подходят для эксплуатации только в условиях стабильной электросети и только с оборудованием, способным функционировать при низком качестве питающего напряжения. Оff-line ИБП не стоит применять для защиты современной микропроцессорной техники или устройств, содержащих асинхронные и инверторные двигатели – насосы, холодильники, стиральные машины, кондиционеры, котлы систем отопления и т.д.
Работа ИБП при допустимом сетевом напряжении (режим ЭКО)
В этом случае ИБП обычно работает в ЭКО режиме: входное напряжение проходит через сглаживающий помехи фильтр и подаётся сразу на выход по цепи байпаса, которая минует выпрямитель и инвертор. Зарядное устройство прибора при этом продолжает штатно функционировать и обеспечивает постоянный подзаряд аккумуляторной батареи.
Работа в обход преобразователей позволяет повысить КПД устройства и, соответственно, снизить расход электроэнергии. Кроме того, возможность принудительного включения такого режима дает возможность переключить нагрузку на питание напрямую от сети в случае сервисного обслуживания силовой части ИБП (например, при её ремонте) без прерывания электроснабжения потребителей.
Читайте также: