Входной коэффициент мощности ибп что это
Мощность одна из основных характеристик, принимаемых во внимание при выборе источника бесперебойного питания (ИБП). При ее определении, следует учитывать особенности нагрузки.
Покупка ИБП, мощность которого превышает ваши потребности, означает трату денег впустую. Однако недооценка необходимой мощности системы бесперебойного электропитания чревата потерей нагрузки, что совершенно недопустимо. Как максимально точно рассчитать эту характеристику?
Для этого следует знать коэффициент мощности нагрузки (Power Factor, P), который определяет, какая часть мощности, предоставляемой источником электроэнергии, действительно потребляется оборудованием (активная мощность). Если нагрузка ведет себя как идеальное сопротивление, она поглощает всю подаваемую на нее мощность, то есть P=1. Идеальная емкость (конденсатор) или индуктивность (катушка) вообще не потребляют активной мощности (Р=0), поскольку не преобразуют электрическую энергию в другие ее виды. В течение одной четверти периода синусоиды энергия запасается в магнитном поле катушки или в электрическом поле конденсатора, а на протяжении другой – возвращается в сеть. Таким образом, в данном случае имеет место лишь рециркуляция энергии, а сопротивления катушки и конденсатора, в отличие от активного сопротивления резистора, называют реактивным.
В реальной жизни ничего идеального не существует, поэтому и значение коэффициента мощности нагрузки обычно находится в интервале от 0 до 1. В общем случае P вычисляется как отношение поглощаемой нагрузкой активной мощности (она измеряется в ваттах, Вт) к полной поступающей мощности (измеряется в вольт-амперах, ВА):
коэффициент мощности (Р) = активная мощность (Вт)/полная мощность (ВА).
При наличии только гармонических искажений коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига фаз между током и напряжением, поэтому его часто обозначают cos φ. Нагрузка с преобладанием емкостной составляющей характеризуется опережающим коэффициентом мощности (cos φ положительный), а индуктивная нагрузка — отстающим (cos φ отрицательный).
Основной нагрузкой для ИБП являются ПК и серверы. В блоки питания этих устройств устанавливается выпрямитель с фильтром в виде конденсатора, поэтому они обладают определенной емкостной составляющей. Коэффициент мощности простейших блоков питания, используемых в дешевых ПК, может не превышать 0,6 — это означает, что лишь 60% подаваемой источником полезной мощности идет в дело. В действительности для типичных ПК ситуация не столь плоха — их коэффициент мощности составляет обычно 0,8, соответственно, большинство ИБП малой мощности проектируются с расчетом на обслуживание такой нагрузки.
Что касается современных серверов, систем хранения данных и сетевого оборудования (коммутаторы, маршрутизаторы), то здесь дело обстоит еще лучше. В них используются блоки питания с функцией коррекции коэффициента мощности, поэтому его значение приближается к 1. Но в расчетах все же лучше считать такое оборудование нагрузкой с небольшой емкостной составляющей, а коэффициент мощности принимать равным 0,95.
А вот кондиционеры, которые часто тоже защищают с помощью ИБП, представляют собой уже нагрузку с индуктивной составляющей, что связано с наличием электродвигателей в их компрессорах. Коэффициент мощности этого оборудования обычно находится в интервале от 0,6 до 0,8 (см. Таблицу 1).
Как оценить средний коэффициент мощности нагрузки, состоящей из разнотипного оборудования? Предположим, в офисе установлено следующее оборудование:
Тогда для определения усредненного коэффициента вначале рассчитывается усредненное отклонение Р от единицы:
Таким образом, нагрузка будет иметь индуктивный характер с P=0,95.
ДВА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
В спецификации почти любого ИБП указан его входной коэффициент мощности. Этот параметр не имеет никакого отношения к выходному коэффициенту и определяет то, как сам ИБП (как нагрузка) ведет себя по отношению к внешней сети. В современных ИБП, где выпрямитель построен на основе транзисторов IGBT, входной коэффициент мощности близок к единице, а значит, источник ведет себя практически как идеальное активное сопротивление и почти не вносит искажений во внешнюю сеть. Значение входного P полностью зависит от схемотехники ИБП.
Выходной коэффициент мощности для ИБП определяется подключенной к нему нагрузкой. Зная эту характеристику (наряду с полной мощностью в ВА), можно, умножив одно на другое, получить максимальную мощность в Вт, которую источник способен обслужить. Если коэффициент мощности нагрузки окажется больше указанного для ИБП, последний все равно не сможет превысить рассчитанную приведенным выше способом мощность в Вт, а значит, не обеспечит максимального значения ВА.
Обратимся опять к примеру. Пусть имеется ИБП номинальной мощностью 60 кВА, рассчитанной для нагрузки с коэффициентом мощности 0,9. Максимальная активная мощность, которую он может обслужить, составляет 54 кВт:
Нагрузку с указанной полной мощностью, но меньшим Р, например 0,8, он обслужит без проблем:
Как уже упоминалось, коэффициент мощности многих типов современного ИТ- и телекоммуникационного оборудования приближается к 1, поэтому здесь надо быть очень внимательным. Чтобы не ошибиться, многие специалисты сегодня при выборе ИБП предпочитают руководствоваться его выходной мощностью в Вт.
Если вы затрудняетесь в определении коэффициента Р, то для полной гарантии следует выбирать ИБП, мощность которого в Вт была бы больше характеристики нагрузки в ВА. Но в этом случае возможно существенное завышение мощности ИБП. Для более точного расчета следует сначала вычислить суммарную величину нагрузки (в ВА), затем ее усредненный Р, после чего, умножив оба значения, получить значение в Вт. Мощность ИБП в Вт не должна быть ниже характеристики нагрузки, выраженной в тех же единицах измерения.
ЕЩЕ ДВА ФАКТОРА
Важной характеристикой нагрузки служат еще два коэффициента: Crest Factor и Surge Factor. Первый из них в русскоязычной документации часто именуют пик-коэффициентом (или пик-фактор). Он определяется отношением максимального (пикового) значения тока к его среднеквадратичному (RMS) значению. Для волн прямоугольной формы пик-фактор равен единице, для идеальной синусоиды – 1,414 (√2).
Хотя мы назвали пик-фактор «характеристикой нагрузки», на самом деле на его значение влияют и характеристики источника электропитания. Импульсные блоки питания компьютеров потребляют ток очень неравномерно, поэтому для них пик-фактор обычно составляет от 2 до 3. Но это в том случае, если на нагрузку поступает чистая синусоида. Если же ИБП выдают ступенчато аппроксимированную синусоиду (что типично для источников мощностью менее 1 кВт), то пик-фактор оказывается менее 2 (обычно от 1,4 до 1,9). В целом же использование ИБП, сетевых фильтров и устройств подавления импульсных помех способствует снижению пик-фактора. Это, безусловно, положительный момент, поскольку высокий пик-фактор (большой ток) приводит к сильному нагреву элементов систем электропитания.
Большинство ИБП при полной нагрузке способны поддерживать пик-фактор 3 (при снижении нагрузки значение этой характеристики увеличивается), поэтому обычно проблем не возникает. Даже если источник не обеспечивает необходимое пиковое значение тока, то, как правило, работа блока питания нагрузки не нарушается, возможны лишь небольшие искажения формы электрического сигнала. Однако в крупных инсталляциях (например, когда ИБП обслуживает большое число ПК) такие искажения могут оказаться настолько значительными, что способны привести к нарушению функционирования нагрузки. Поэтому желательно, чтобы пик-фактор, поддерживаемый ИБП, не оказался ниже пик-фактора нагрузки.
Для расчета среднего пик-фактора нагрузки, состоящей из разнотипного оборудования, можно порекомендовать тот же способ, что и для расчета среднего коэффициента мощности. Обратимся к нашему примеру:
Усредненный пик-фактор можно вычислить так:
Если заявленный в характеристиках ИБП пик-фактор больше указанного значения, то проблем не будет.
Значение Surge Factor (к сожалению, устоявшегося рускоязычного термина для этой характеристики нет) определяет то, насколько пусковой ток, потребляемый нагрузкой, превышает его номинальное значение. Например, для запуска электродвигателя требуется большой пусковой момент, поэтому компрессоры холодильных установок при включении потребляют ток, в несколько раз превышающий номинальный (см. Таблицу 1). Пусковой ток системы освещения, использующей обычные лампы накаливания, тоже может значительно превосходить его номинальное значение. Дело в том, что удельное электрическое сопротивление вольфрама, из которого изготавливают нити накаливания, в значительной степени зависит от температуры: при 20°C его значение составляет 55×10 -9 Ом×м, при 1727°C — 557х10 -9 Ом×м. Соответственно, пусковой ток будет примерно в 10 раз превосходить номинальный.
Что касается компьютеров и серверов, то для них значение Surge Factor обычно не превышает 1,5, и большинство ИБП имеют достаточную перегрузочную способность, чтобы гарантировать надежное включение и стабильную работу этих устройств. Если же в составе нагрузки имеется оборудование с большим пусковым током, то перегрузочную способность выбираемого ИБП следует изучить самым тщательным образом.
Проанализировав рассмотренные в статье факторы, не забудьте еще и о том, что для обеспечения устойчивой работы оборудования мощность ИБП следует выбирать «с запасом» – больше требуемой на 15-25%.
Коэффициент полезного действия системы бесперебойного электропитания увеличивается с ростом нагрузки, но даже если ИБП загружены не полностью, необходимо обеспечить максимально возможную энергоэффективность этих устройств.
Коэффициент полезного действия системы бесперебойного электропитания увеличивается с ростом нагрузки, но даже если ИБП загружены не полностью, необходимо обеспечить максимально возможную энергоэффективность этих устройств.
Во времена, когда тарифы на электроэнергию постоянно растут, при выборе систем ИБП все большее значение придается энергоэффективности: выгоды от экономии электроэнергии становятся все значительнее. Решающими факторами для определения энергоэффективности системы ИБП являются ее коэффициент мощности и КПД.
Коэффициент мощности определяет отношение полезной мощности (Вт) к кажущейся (ВА). Идеальным вариантом считается коэффициент мощности, равный единице, — в этом случае устройство не порождает реактивную мощность, а лишь потребляет полезную. КПД характеризует эффективность передачи энергии и зависит от соотношения выходной мощности к входной. Номинальные входная и выходная мощности измеряются при полной нагрузке, а значение КПД указывается в процентах.
При полной нагрузке КПД традиционных систем ИБП не превышает 90%. Остальную энергию они потребляют сами, вырабатывая тепло, которое требуется отводить. Следует учитывать, что системы ИБП, как правило, работают не на максимуме своих возможностей, поэтому в условиях реальной эксплуатации их эффективность еще ниже. Для того чтобы получить полезную информацию об энергоэффективности системы ИБП, необходимо иметь исчерпывающие данные об изменении коэффициента полезного действия, то есть знать его значения и при низкой (40–50%) нагрузке. К настоящему времени производители разработали некоторые методы и технологии для экономии электроэнергии, с помощью которых, во-первых, КПД удается поднять до уровня 99% при полной нагрузке, а во-вторых, оптимизировать его и при низкой загруженности системы. Эти решения затрагивают как саму конструкцию, так и управление устройствами ИБП.
Изначально системы ИБП функционировали на основе больших, тяжелых и громоздких трансформаторов, которые к тому же вызывали помехи в виде верхних гармоник на входе. Бестрансформаторная технология на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) долгое время была доступна только для ИБП малой мощности. Несколько лет назад появилась возможность реализовать бестрансформаторные системы ИБП мощностью до 1100 кВА. Главная сложность заключается в быстрой коммутации больших токов при высоких напряжениях — необходимо, чтобы не возникало больших потерь энергии или помех в виде пиков напряжения. Благодаря активной коррекции входного фактора мощности, в бестрансформаторных системах на базе IGBT производства Eaton этот показатель достигает 0,99, причем он не зависит от входного фактора мощности подключенного оборудования. Лишь появление бестрансформаторных технологий позволило системам ИБП преодолеть ключевой рубеж КПД в 90%.
Адаптивная система управления модулями (Variable Module Management System, VMMS) компании Eaton предусматривает модульную конструкцию устройств ИБП. Когда нагрузка снижается, управляющее программное обеспечение концентрирует имеющиеся нагрузки на меньшем количестве бесперебойных силовых модулей (Uninterruptible Power Modules, UPM). Невостребованные модули UPM находятся в холостом режиме, а при очередном повышении нагрузки подключаются менее чем за две миллисекунды и начинают участвовать в ее распределении. В результате эффективность системы повышается, поскольку, во-первых, всегда работает лишь минимально возможное количество UPM, а во-вторых, каждый модуль поддерживает оптимальную нагрузку с наибольшей энергоэффективностью. Кроме того, при планировании можно предусмотреть установку неактивных модулей UPM в качестве избыточных систем.
Системе VMMS приходится учитывать то обстоятельство, что ИБП обычно не загружены полностью, чтобы они могли справляться с пиками нагрузки в определенные часы или с различной нагрузкой в будни и выходные. ИБП всегда работает в режиме двойного преобразования (Double Conversion), непрерывно предоставляя потребителям чистый синусоидальный ток. Технологию VMMS можно использовать как для модульных одиночных устройств, так и для нескольких параллельно подключаемых систем ИБП. Благодаря применению VMMS, коэффициент полезного действия устройств ИБП может достигать 94% (см. Рисунок 1).
С помощью технологии оптимизации КПД, получившей название «система экономии энергии» (Energy Saver System, ESS), ИБП анализирует качество входящего тока. Если напряжение и частота поступающего тока соответствуют допустимым значениям, то ИБП передает входящее напряжение потребителям без дополнительной фильтрации. При снижении качества тока система ESS активирует инвертор ИБП, ток очищается и затем перенаправляется дальше. При этом, в зависимости от качества электросети, подключаются лишь те модули, которые требуются для очистки. Технология ESS позволяет увеличить КПД систем ИБП до 99%.
Предпосылкой для использования технологии ESS в критически важных инфраструктурах является ее чрезвычайно эффективный механизм распознавания, благодаря которому переключение в режим двойного преобразователя осуществляется менее чем за две миллисекунды. В результате обеспечивается высокая доступность при максимально возможном КПД. Этим данная технология отличается от традиционных технологий сбережения электроэнергии, где используется шунтирование (bypass) и переключение в инверторный режим занимает много времени, либо — аналогично линейно-интерактивным системам — напряжение подстраивается автоматически, что ведет к снижению КПД. КПД на уровне 99% возможен в большом диапазоне нагрузок при загруженности системы от 20%.
Мощность
Мощность применительно к источникам бесперебойного питания можно разделить на:
— Полную мощность — это это сумма активной и реактивной мощностей, а также отклонение от формы тока и напряжения от синусоидальной.
— Активную мощность — это та энергия, которую нагрузка отбирает от источника энергии для дальнейшего преобразования другую полезную энергию.
Чтобы определить мощность ИБП, нужно знать коэффициент мощности подключаемого оборудования. Иными словами, отношение активной мощности к полной
Для расчета мощности ИБП, которая будет необходима для обеспечения нагрузки, нужно учесть сумму номинального потребления оборудования и нагрузку при запуске оборудования. При эт не стоит забывать о запасе мощности в 25%, то есть Мощность ИБП должна быть на 25% выше мощности оборудования.
Классы ИБП
Классы, представленных на рынке ИБП, отличаются друг от друга поведением в разных режимах работы и схематикой. Выделяют:
— Резервные или off-line ИБП (BackUp),
— Линейно-интерактивные ИБП (Line-interactive),
— ИБП с двойным преобразованием (on-line, double-conversion).
Off-Line ИБП считаются наиболее простыми и неприхотливыми. В нормальном режиме работы от сети электричество поступает на вход такого “бесперебойника, а после транзитом подается на основную нагрузку. При возникновении неполадок сети (перепадов и потерь напряжения) ИБП автоматически переходит на работу от аккумулятора.
Недостатки такой схемы работы — это длительное переключение питания на аккумуляторы (от 4 до 10 миллисекунд). Кроме того при работе ИБП от аккумулятора на оборудование подается не привычный для сети синус, а аппроксимированный синус.
Следующий класс источников бесперебойного питания Line-interactive не имеет кардинальных отличий от схемы Off-line. В случае аварии питание также переключается на аккумулятора, а затрачивается на это аналогичные (от 4 до 10 миллисекунд). На выходе также получается аппроксимированный синус.
Однако в ИБП этого класса на входе присутствует трансформатор, благодаря которому удается компенсировать те самые перепады напряжения. Стоит подчеркнуть, что ИБП класса Off-line и Line-interactive не предназначены для подключения ответственного оборудования.
При подключении ответственного оборудования рекомендуется использовать ИБП с двойным преобразованием (double conversion) или On-line ИБП. Работа таких источников бесперебойного питания устроена так, что входящее напряжение выправляется благодаря выпрямителю. После этого инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное. При такой схеме аккумуляторы подключены к выходу выпрямителя и входу инвертора, что обеспечивает мгновенный переход (0 миллисекунд) к работе от аккумулятора.
Коэффициент полезного действия ИБП
Определиться с КПД источника бесперебойного питания очень важно, поскольку это главный показатель эффективности его использования. Неэффективная работа ИБП приводит к необоснованным затратам.
Помимо этого КПД определяет какое количество тепла в окружающую среду выделяет ИБП. Этот показатель важен при проектировании серверной. Например, если будет установлен ИБП небольшой мощности, то он не будет выделять много тепла. Напротив, при большой мощности “бесперебойника” в несколько десятков киловатт, тепловыделение будет большим. Чтобы избежать перегрева оборудования придется каким-то образом удалять тепло из помещения, а это дополнительные траты на мощные кондиционеры. Итог таков: чем больше коэффициент полезного действия ИБП, тем меньше будет выделяться тепло.
В качестве примера представим несколько вариантов эффективного и неэффективного использования ИБП:
— В первом случае, к ИБП мощностью 800 Ватт подключили оборудование мощностью 50 Ватт. На самообеспечение ИБП использует около 70 Ватт. Рассчитываем КПД по формуле и получаем 42%.
— Во втором случае, при нагрузке же в 600 Вт, коэффициент полезного действия ИБП будет значительно выше — 89%. Этот вариант более предпочтителен и эффективен.
Расчёт нагрузки при выборе мощности ИБП
При подборе ИБП оперируют тремя величинами:
- мощность нагрузки,
- номинальная мощность ИБП,
- требуемое время автономной работы ИБП от батареи.
С определением мощности нагрузки всё относительно просто — суммируется мощность всех устройств, которые планируется подсоединить к одному ИБП (обычно это группа устройств, расположенных рядом друг с другом). Затем полученные цифры суммируются по всем ИБП, обслуживающих такие группы устройств. Мощность, потребляемую мониторами, принтером, колонками, роутером, внешним дисководом и т.д., можно найти на этикетках устройств. Для ПК или сервера берётся мощность указанная на блоке питания.
Знатоки скажут, что это весьма приблизительный подсчёт нагрузки, поскольку в разных режимах потребляемая мощность каждого устройства может существенно отличаться от той, что указана на этикетках или в спецификациях на блоки питания. Это будет абсолютной правдой, но они же согласятся, что таким образом определяется мощность «по верхнему пределу потребления». Если реальная мощность нагрузки в результате окажется ниже рассчитанной, то ничего плохого не случится.
Дальше идёт первый нюанс — он связан с номинальной мощностью ИБП: обычно она указывается в вольт-амперах (В·А) и выносится в виде цифр в название модели ИБП. Например, модель ИБП Eaton 5P 850 имеет номинальную мощность 850 В·А. При этом мощность нагрузки подсчитывается в ваттах (Вт), так как именно в ваттах маркируются блоки питания компьютеров, мониторов и других ИТ-устройств. Удобные онлайн-калькуляторы пересчёта «В·А в Вт» есть в интернете. Если же вы хотите пересчитать самостоятельно, можно воспользоваться следующей формулой:
Активная мощность (ватты) = Полная мощность (вольт-амперы) × Коэффициент мощности (Cos φ)
Второй нюанс состоит в том, что неизвестной величиной в этой формуле будет коэффициент мощности (Cos φ). И, кстати, в онлайн-калькуляторе тоже потребуется указать значение этого параметра. Для измерения «косинуса фи» для конкретного устройства существуют специальные приборы, называемые фазометрами. Но в малом бизнесе столь точные расчеты Cos φ обычно никто не проводит. Как правило, пользуются оценочными значениями Cos φ, характерными для данного типа устройств.
Так, для типового ПК эта величина составляет 0,7, и именно с этим коэффициентом указана мощность ИБП в ваттах в каталогах Eaton.
А какой Cos φ у современных серверов, систем хранения данных и сетевого оборудования (коммутаторов, маршрутизаторов и прочего)? В них используются блоки питания с коррекцией коэффициента мощности, поэтому его значение приближается к единице (1,0). Принято считать, что такое оборудование является нагрузкой с небольшой ёмкостной составляющей, и коэффициент мощности принимают равным 0,95.
Отдельным вопросом является использование таких блоков питания с ИБП – при их использовании требуется выбрать ИБП бОльшей мощности, особенно, если ИБП выдает не чистую синусоиду напряжения на выходе, а меандр.Также могут возникнуть дополнительные требования к ИБП, связанные с принципом работы таких источников. Тема требует отдельной статьи, и таких статей уже написано множество.
Следующий параметр, значение которого следует знать перед выбором мощности ИБП — это желаемое время работы ИБП в режиме «от батарей». В каталоге для каждой модели ИБП приводится оценочное время автономной работы при нагрузке 50% и 70% от номинальной мощности.
Узнать мощность нагрузки можно с помощью самого ИБП. Источник: Eaton
Обычно для корректного завершения работы операционной системы на компьютерах достаточно 5 минут, особенно если автоматизировать этот процесс посредством программного обеспечения мониторинга и управления ИБП — стороннего или от производителя ИБП (например, Eaton Intelligent Power Manager). Однако если требуется значительно большее время на поддержание работы компьютеров, то следует выбирать более мощные модели ИБП или даже докупать и устанавливать дополнительные внешние батареи. Такие внешние батареи доступны для моделей ИБП, работающих в корпоративном секторе.
Давайте выполним пример расчёта мощности ИБП для защиты электропитания двух современных серверов, позиционируемых как «серверы для малого бизнеса» с блоками питания по 200 Вт (то есть общая мощность двух серверов — 400 Вт). Низкая мощность блоков питания объясняется тем, что в таких серверах нет никаких движущихся частей, кроме вентиляторов охлаждения. Дисковая память реализована на SSD и нет CD-дисковода. Да, и ещё предполагается, что мощных видеокарт тоже нет.
При коэффициенте мощности 0,95 и ориентации на 70-процентную нагрузку от номинальной мощности получим, что требуется ИБП не менее, чем на 600 В·А: (400 ÷ 0,95) ÷ 0,7. Таким требованиям удовлетворит, скажем, ИБП Eaton 5P 650 в корпусе «башня» или «для стойки, 1U». Согласно каталогу, время автономной работы такого источника будет порядка 6 минут. Однако если вы не уверены, что точно знаете коэффициент мощности БП вашего сервера, то лучше ориентироваться на стандартное значение 0,7, а не на близкое к идеальному 0,95. Тогда наш расчёт (400 ÷ 0,7) ÷ 0,7 даст требуемую мощность ИБП 816 В·А. Следовательно, следует выбрать следующую по мощности модель ИБП Eaton 5P 850. Всегда лучше выбирать ИБП с запасом, т.к. время автономной работы в каталогах указано приблизительно и может варьироваться в зависимости от реальной нагрузки, возраста батареи и уровня её заряда, температуры окружающей среды.
Заметим тут же, что ИБП, как и любой компонент системы электропитания (к примеру, трансформатор), должен быть рассчитан на полную мощность нагрузки. Поэтому в нормальном режиме линейно-интерактивный ИБП работает через автотрансформатор и приведенная выше методика справедлива. Но при работе от батареи преобразуется только активная составляющая, поэтому необходимо учитывать номинальную активную мощность ИБП. Для ИБП Eaton 5-й серии это значение обычно подсчитывается как S·0,6 (0,7). Для класса онлайн-ИБП в любом режиме (кроме байпаса) необходимо учитывать и активную мощность, и полную, и разрешенный диапазон коэффициента мощности нагрузки.
КРУГОВОРОТ В СИСТЕМЕ: ТЕСТИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БЕЗ ТЕСТОВОЙ НАГРУЗКИ
Сократить расход электроэнергии при введении в эксплуатацию позволяет технология Easy Capacity Test, когда проверка осуществляется без тестовой нагрузки: ток циркулирует внутри системы ИБП, но сетевая электро-энергия не тратится. В традиционных решениях ИБП подаваемая мощность теряется в батареях нагрузки (Load Bank). К примеру, 24-часовое тестирование установки мощностью 550 кВА при полной нагрузке обойдется в сумму около 1200 евро (при 0,1 евро за кВт×ч). Дополнительно вырабатывается тепло, которое необходимо отводить. При использовании Easy Capacity Test выпрямители и инверторы тока в ИБП выступают в качестве внутренней батареи нагрузки, а ток передается через обходной тиристор обратно на вход ИБП.
В результате не только заметно сокращается потребление электроэнергии, но и исключаются дополнительные расходы на аренду батарей нагрузки, меньше рабочего времени тратится на планирование, приобретение и построение тестовой среды.
Чтобы администратор центра обработки данных был осведомлен о том, где и как расходуется поступающая в ЦОД электроэнергия, решение для ее распределения должно позволять осуществлять надзор за энергопотреблением — вплоть до отдельных розеток. Так называемые интеллектуальные блоки распределения питания (Power Distribution Unit, PDU) контролируют значения переменных показателей (напряжение, ток и мощность на выходе), а также температуру и влажность в стойке с оборудованием. Некоторые модели способны предоставлять эту информацию посредством модуля SNMP через соединение Ethernet для осуществления централизованного дистанционного контроля.
Многоканальные дисплеи на самом устройстве отображают дополнительные сведения о напряжении и нагрузке на отдельные коммутируемые цепи. Если перегрузка все-таки случится, опциональные автоматические выключатели, выделенные для каждой группы розеток, обеспечат необходимую защиту, и негативные последствия будут минимальными. Управляемые блоки распределения питания позволяют осуществлять и дистанционное обслуживание, в том числе целенаправленное отключение невостребованных компонентов в ЦОД по мере необходимости или в соответствии с предварительно составленным расписанием. Программное управление позволяет дополнительно деактивировать отдельные выходы.
Франк Реппер — руководитель немецкого подразделения компании Eaton Power Quality.
Источник бесперебойного питания важный элемент при построении сложных систем, где нужна гарантия безопасности от непредвиденных перебоев в энергоснабжении и других проблем в электросети. Под катом расскажем о том, какие критерии необходимо учесть при выборе ИБП.
Сейчас рынок забит множеством устройства отличающихся, как ценником, так и качеством. Разобраться во всем этом многообразии невероятно сложно. Если же бюджет ограничен, то нужно подходить к выбору максимально ответственно. Поэтому для начала стоит ответить себе на несколько вопросов:
— Насколько ответственное оборудование вы собираетесь защищать?
— Какое время автономной работы оборудования в случае пропадания напряжения будет оптимальным?
Дабы ответить на поставленные вопросы стоит разобраться с тем какие классы ИБП сейчас существуют, и определиться с основными критериями, которые нужно учитывать при выборе ИБП.
Мониторинг и управление шатдауном нагрузок
После того, как расчёты сделаны, ИБП куплен и нагрузка подключена, в процессе эксплуатации желательно контролировать реальный уровень нагрузки. Это можно делать, используя служебный дисплей ИБП или с помощью ПО удалённого мониторинга. На основании этих наблюдений, сделанных при разных режимах работы нагрузок, можно окончательно определить, правильно ли подобрана мощность ИБП для защищаемых устройств.
Скриншот ПО управления ИБП. Источник: Eaton
Для удалённого мониторинга нагрузок Eaton предлагает компаниям фирменное ПО управления системой бесперебойного электроснабжения Intelligent Power Manager (IPM).
Базовая версия на десять ИБП доступна бесплатно, для контроля большего числа источников потребуется платная лицензия. IPM обеспечивает удалённый контроль корпоративной инфраструктуры гарантированного энергоснабжения с любого компьютера с использованием веб-интерфейса. Кроме физических серверов, IPM поддерживает управление питанием виртуальных машин — можно автоматически завершать работу гипервизоров VMware, HyperV, RedHat KVM и Xen.
Качество электропитания в нашей электросети заставляет всерьез задуматься о выборе источника бесперебойного питания. Проблемы в сети могут быть незначительного характера, но могут и перерасти в настоящую катастрофу для организаций, пользователей персональных компьютеров и для промышленных объектов. Могут случаться и пропадание питания, и завышенное напряжение, и импульсные радиопомехи. Вот почему так необходимо порой найти точную, полную информацию о принципах работы и типах конкретных ИБП.
Ниже приводится основной список технических характеристик и электрических параметров ИБП.
Номинальное значение входного напряжения: для однофазных ИБП это 220В, для трехфазных - 380 В.
Допустимые отклонения от номинального входного напряжения - это диапазон, в котором ИБП работает в сетевом режиме, при выходе из которого, ИБП переходит в автономный режим.
Номинальной входной полной мощностью является мощность сети в нормальных условиях эксплуатации при полном коэффициенте нагрузки
Номинальная входная активная мощность - это потребление энергии на входе ИБП при номинальной нагрузке.
Максимальный входной ток – это внешний автомат защиты источника бесперебойного питания.
Величина пускового тока – это скачек входного тока от заряда накопительных конденсаторов при включении ИБП.
Выходной коэффициент мощности – это коэффициент мощности нагрузки обеспечивающий наибольшую энергоэффективность потребления от ИБП.
Номинальная полная выходная мощность - полная мощность, подаваемая на ИБП при обычных условиях эксплуатации.
КПД - отношение выходной активной мощности, потребляемой нагрузкой, к входной активной мощности, потребляемой источником бесперебойного питания из сети.
Ток короткого замыкания инвертора зависит от перегрузочных способностей источника бесперебойного питания.
Предельное время работы ИБП определяется энергией заряженной аккумуляторной батареи при отсутствии питании.
Время восстановления заряда аккумуляторной батареи – время, требующееся аккумуляторной батарее для полного перезаряда, пока происходит переход из автономного режима в сетевой (прямо пропорционально емкости батареи).
Существуют два основных типа ИБП.
ИБП резервного типа (Off-line, Back UPS, Standby, Passive Standby) оснащены резервной схемой обеспечения, которая переключается автоматически в случае сбоев. Обычно питание подается от внешней электрической сети напрямую, при этом фильтруются скачки напряжения и электромагнитные наводки. Если показатели электропитания выше стандартных, или отключается электричество, то оборудование автоматически начинает получать питание от встроенных аккумуляторов через встроенный инвертор. При устранении сбоев напряжения и восстановлении до стандартных значений, опять происходит переход на питание от первичной внешней электросети.
Линейно-интерактивный тип ИБП обеспечивает стабильное напряжение на выходе, а частота на входе и выходе совпадает. Принцип работы данного типа подразумевает под собой, что инвертор ИБП подключен параллельно к электрической сети и работает в двух режимах: анализ качества электропитания в сети, регулировка и стабилизация выходного напряжения ИБП. При этом батареи заряжаются. Кроме того, в линейно-интерактивных ИБП есть аппаратные узлы, расширяющие диапазон входного напряжения (основу составляет автотрансформатор с переключаемыми обмотками). Напряжение на выходах удерживается на требуемом уровне без перехода на питание от батарей. Происходит реакция на изменения во входной электросети, выходное напряжение регулируется.
Расчёт мощности ИБП.
Для расчета мощности ИБП необходимо прежде всего определиться с оборудованием, которое нужно защитить от перепадов энергии, определить суммарное номинальное потребление энергии, понять, есть ли нагрузка с пусковыми токами.
· Рассчитать время автономной работы нагрузки.
· Определить перечень защищаемого оборудования;
· Определить суммарное номинальное потребление оборудования;
· Определить, есть ли у Вас нагрузка с пусковыми токами (электродвигатели, кондиционеры, насосы). Кондиционер часто имеет пусковой ток 3-5 номинального потребления, обычный асинхронный двигатель до 6-8 номинального потребления. Посчитать потребление нагрузки с учетом пусковых токов;
· Определить необходимое время автономной работы нагрузки;
· Подумать, будет ли расти нагрузка в ближайшее время и надо ли на это учесть в расчетах;
· Подумать, нужна ли отказоустойчивая система бесперебойного питания N+1/.
Мощность ИБП без резервного модуля определяется путем выбора большего: сумма номинальной нагрузки и роста, умноженная на 1,2 (учитываем загрузку ИБП на 80%) или же ИБП с учетом перегрузки, покрывающий пусковые токи нагрузки (перегрузочную способность будем считать равной около 110-120%).
Допустим, у нас есть персональный компьютер с мощностью блока питания 400 Вт, монитор 40 Вт, акустическая система 5 Вт, принтер 17 Вт. Итого: 462 Вт. Полную мощность (в вольт-амперах) составит 462×1,4= 647 В·А (1 В·А равен 1,4 Вт).
В целом же мощность ИБП должна соответствовать совокупной мощности всех устройств, запитанных от него. И нужно помнить также о запасе по мощности, хотя бы в 20-30%. Очевидно, что чем больше емкость аккумулятора - тем дольше время автономной работы ИБП.
В мощных промышленных котлах могут быть два и более насосов. Котел с одним насосом потребляет при включенном насосе 90-150Вт, ему достаточно стабилизатора или ИБП мощностью до 300 Вт. Соответственно, есть два насоса в системе, необходим ИБП как минимум 400-500Вт.
Для расчета мощности ИБП для ЦОД не всё так просто. Необходимо понять какой уровень отказоустойчивости вам нужен. Он же включает в себя время простоя в год, схему резервирования.
Примерный расчет потребления электроэнергии приведен в таблице 1.
Потребляемая мощность, Вт/кв, фут
Среднее потребление на 1 стойку, кВт
20−35 стоек, в каждой по 8−12 серверов
40−80 стоек, в каждой по 12−18 серверов
Более 60 стоек, в каждой по 20−40 серверов
Расчет времени автономной работы ИБП.
Расчёт по упрощённой формуле:
Т ар = (С ак * U ак * N) / Р наг,
Т ар - Время автономной работы, час;
С ак- Ёмкость одного аккумулятора, А*ч;
U ак- Напряжение одного аккумулятора, В;
N г- Количество групп аккумуляторов;
Р наг - Постоянная мощность нагрузки, Вт.
Расчёт времени автономной работы ИБП по уточнённой формуле:
Т ар = (С ак * U ак * N аг * N г * КПД * К г * К т *К вр) / Р наг,
Т ар - Время автономной работы, час;
С ак- Ёмкость одного аккумулятора, А*ч;
U ак- Напряжение одного аккумулятора, В;
N аг- Количество аккумуляторов в группе;
N г- Количество групп аккумуляторов;
КПД- Коэффициент полезного действия ИБП;
К г- Коэффициент глубины разряда батарей, принимается равным 0,8 – 0,9 в зависимости от типа и изношенности батарей;
К т- Коэффициент, зависящий от температуры, при которой эксплуатируются аккумуляторные батареи (при температуре 25 °С принимается равным 1, при температуре 0 °С принимается равным 0,88);
К вр- Коэффициент, зависящий от времени разряда аккумуляторных батарей. При 10-ти часовом разряде принимается равным единице;
Р наг - постоянная средняя мощность нагрузки, Вт.
Оптимальный аккумулятор для ИБП.
Существует несколько видов аккумуляторов.
· Никелево-кадмиевые (маленький весу и размер, применимы в электронных устройствах, обладают высокой энергетической плотностью, осуществляется до 1500 перезарядок, имеет низкий саморазряд, не дороги, надежны).
· Никелево-металлогидридные сложны в эксплуатации. Обладают высокой удельной емкостью, стабильны в работе, имеют большую энергетическую плотность, не снижает уровень емкости, но способны на малое число циклов заряда / разряда, дороги в цене, имеют более узкий температурный режим работы.
· Литиево-ионные аккумуляторы для ИБП имеют большую удельную емкость, малый вес и размер, надежны, обладают большой энергетической плотностью (около 100 Вт*ч/кг), низкой скоростью саморазряда (около пяти процентов в месяц), недороги в обслуживании. Сами по себе они стоят дорого. Обладают эффектом старения, необходимо использовать специальные зарядные устройства.
· Свинцово-кислотные аккумуляторы для ИБП наиболее распространены, так как они надежны, не дороги, просты в обслуживании, выдерживают тяжелые климатические условия, их можно многократно заряжать.
Чтобы вычислить максимальную мощность ИБП нужно перемножить номинальную мощность ИБП и коэффициент мощности. В итоге можно получить число, показывающее максимальную активную мощность, которую сможет обслуживать источник бесперебойного питания. Коэффициент мощности нагрузки (Power Factor, P) определяет, какая часть мощности, предоставляемой источником электроэнергии, действительно потребляется оборудованием (активная мощность). Как правило, P вычисляется как отношение поглощаемой нагрузкой активной мощности (измеряется в ваттах, Вт) к полной поступающей мощности (измеряется в вольт-амперах, ВА):
коэффициент мощности (Р) = активная мощность (Вт)/полная мощность (ВА).
Расчет времени резерва питания нагрузки от ИБП. Как выбрать оптимальную конфигурацию ИБП для организации бесперебойного питания оборудования и бытовых приборов в доме.
Порой нелегко подобрать конфигурации источника бесперебойного питания для той или иной задачи. Во-первых, нужно знать общую мощность всех потребителей энергии, для которых нужно будет обеспечить бесперебойное питание. Далее следует выбрать ИБП, мощность которого составит примерно на 20 % больше максимального значения нагрузки. Потом необходимо собрать данные о емкости внешних аккумуляторных батарей, учитывая нужное время резервирования.
Лучше всего, если есть возможность распределить нагрузку на потребляющие группы, а далее исходить уже из того, какие потребители будут наиболее важны и приоритетны. Если Вам предстоит выбрать определенную конфигурацию ИБП и аккумуляторов для них, то необходимо помнить, что, если запас мощности будет увеличен, то это не значит, что длительности запаса будет тоже увеличиваться. Выбирая ИБП мощнее, Вы повышаете мощность нагрузки, а для продления времени резерва нужно повышать емкость внешних аккумуляторных батарей.
Расчета времени резерва ИБП.
Здесь нужно знать два параметра: мощность полезной нагрузки и общую емкость всех аккумуляторных батарей. В большинстве случаев этого хватит, чтобы рассчитать время резерва:
T=E*U/P (часов),
где: Е - емкость аккумуляторов, U - напряжение аккумуляторов, Р - мощность нагрузки всех подключаемых приборов.
Другой, более точной формулой расчета послужит формула:
T = E * U / P * KPD * KRA * KDE (часов),
где KPD (коэффициент полезного действия инвертора, не выходящий за рамки 0,7—0,8);
KRA (коэффициент разряда аккумуляторов, не выходящий за рамки 0,7—0,9);
KDE (коэффициент доступной емкости, не выходящий за рамки 0,7—1,0).
Так же, можно воспользоваться готовыми таблицами значения времени резерва производителей ИБП.
Как увеличить время резервного питания нагрузки.
Существует несколько вариантов увеличения резервного питания нагрузки.
Первый – повышение емкости внешних батарей, что ведет, увы, к покупке дорогих аккумуляторов для заряда, плюс затраты на помещение с соответствующими требованиям условиями для хранения батарей.
Второй – понижение нагрузки. Разбиваем нагрузку на группы и, исходя из этого, обеспечиваем питание для каждой из них.
И, наконец, третий способ – это обслуживание батарей ИБП и его качество. Существует ряд правил, которых необходимо придерживаться для оптимальной работы источников бесперебойного питания (чистота, температура и т. д.). Не стоит забывать об обслуживании аккумуляторов (заряд/ разряд, контроль срока службы, своевременная замена).
КРУГОВОРОТ В СИСТЕМЕ: ТЕСТИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БЕЗ ТЕСТОВОЙ НАГРУЗКИ
Сократить расход электроэнергии при введении в эксплуатацию позволяет технология Easy Capacity Test, когда проверка осуществляется без тестовой нагрузки: ток циркулирует внутри системы ИБП, но сетевая электро-энергия не тратится. В традиционных решениях ИБП подаваемая мощность теряется в батареях нагрузки (Load Bank). К примеру, 24-часовое тестирование установки мощностью 550 кВА при полной нагрузке обойдется в сумму около 1200 евро (при 0,1 евро за кВт×ч). Дополнительно вырабатывается тепло, которое необходимо отводить. При использовании Easy Capacity Test выпрямители и инверторы тока в ИБП выступают в качестве внутренней батареи нагрузки, а ток передается через обходной тиристор обратно на вход ИБП.
В результате не только заметно сокращается потребление электроэнергии, но и исключаются дополнительные расходы на аренду батарей нагрузки, меньше рабочего времени тратится на планирование, приобретение и построение тестовой среды.
Чтобы администратор центра обработки данных был осведомлен о том, где и как расходуется поступающая в ЦОД электроэнергия, решение для ее распределения должно позволять осуществлять надзор за энергопотреблением — вплоть до отдельных розеток. Так называемые интеллектуальные блоки распределения питания (Power Distribution Unit, PDU) контролируют значения переменных показателей (напряжение, ток и мощность на выходе), а также температуру и влажность в стойке с оборудованием. Некоторые модели способны предоставлять эту информацию посредством модуля SNMP через соединение Ethernet для осуществления централизованного дистанционного контроля.
Многоканальные дисплеи на самом устройстве отображают дополнительные сведения о напряжении и нагрузке на отдельные коммутируемые цепи. Если перегрузка все-таки случится, опциональные автоматические выключатели, выделенные для каждой группы розеток, обеспечат необходимую защиту, и негативные последствия будут минимальными. Управляемые блоки распределения питания позволяют осуществлять и дистанционное обслуживание, в том числе целенаправленное отключение невостребованных компонентов в ЦОД по мере необходимости или в соответствии с предварительно составленным расписанием. Программное управление позволяет дополнительно деактивировать отдельные выходы.
Франк Реппер — руководитель немецкого подразделения компании Eaton Power Quality.
Источник бесперебойного питания важный элемент при построении сложных систем, где нужна гарантия безопасности от непредвиденных перебоев в энергоснабжении и других проблем в электросети. Под катом расскажем о том, какие критерии необходимо учесть при выборе ИБП.
Сейчас рынок забит множеством устройства отличающихся, как ценником, так и качеством. Разобраться во всем этом многообразии невероятно сложно. Если же бюджет ограничен, то нужно подходить к выбору максимально ответственно. Поэтому для начала стоит ответить себе на несколько вопросов:
— Насколько ответственное оборудование вы собираетесь защищать?
— Какое время автономной работы оборудования в случае пропадания напряжения будет оптимальным?
Дабы ответить на поставленные вопросы стоит разобраться с тем какие классы ИБП сейчас существуют, и определиться с основными критериями, которые нужно учитывать при выборе ИБП.
Время автономной работы
Время автономной работы ИБП — это время, которое источник бесперебойного питания сможет поддерживать работу оборудования в случае аварийной ситуации в электросети. Время автономной работы в больше степени зависит от состояния аккумуляторов и потребляемой нагрузки.
Когда при проблемах в сети важно лишь корректно завершить работу оборудования в течение короткого промежутка времени, то свой выбор можно остановить на ИБП со встроенными аккумуляторами.
Если есть потребность в гораздо большем времени работы оборудования, то стоит рассчитать необходимый ток разряда батарей. Для расчета этого показателя есть специальная формула:
Для тех у кого нет времени или желания возиться с расчетами и учитывать множество технических, так и чисто физических нюансов, на сайте нашего магазина есть удобный инструмент — Калькулятор ИБП, при помощи которого можно определить все необходимые параметры.
Надёжная защита компьютеров, работоспособность и долгий срок службы источников бесперебойного питания (ИБП) зависят от правильно подобранной мощности ИБП по отношению к нагрузке. В этом посте мы рассмотрим простые правила подбора ИБП по мощности — они помогут и сэкономить бюджет, и остаться уверенным, что эти устройства обеспечат защиту в случае внезапного сбоя или отключения электроснабжения.
Читайте также: