Описание терминов, принципиальных схем и устройства ИБП.

ПРИМЕНЯЕМЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

СПИСОК ТЕРМИНОВ:

Качество сетевого электропитания и его неполадки
Критичная нагрузка (Critical Load)
Источник бесперебойного питания (ИБП) UPS
Активная мощность
Полная мощность
ИБП резервного типа (Off-line или Standby)
Линейно-интерактивный ИБП (Line-Interactive)
Автоматический регулятор напряжения Automic Voltage Regulator (AVR)
ИБП с двойным преобразованием напряжения (On-line)
ИБП с выходным изолирующим трансформатором
Безтрансформаторные ИБП On-Line с высокочастотным инвертором.
Выпрямитель (Rectifier)
Инвертор (Inverter)
Коэффициент полезного действия (КПД)
THD-фильтр
Коэффициент нелинейных искажений, Total Harmonic Distorsion (THD)
Последовательное резервирование
Параллельное резервирование
Обходная цепь байпас (Bypass)
Коэффициент мощности, Power factor (PF)
Крест — фактор нагрузки

ТЕРМИНЫ С ОБЪЯСНЕНИЯМИ:
Качество сетевого электропитания и его неполадки

На территории Российской Федерации действует государственный стандарт ГОСТ 13109-97 («Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»), оценивающий качество электрической энергии (КЭ) по 10 показателям.

Основными показателями КЭ являются:

— напряжение 380В (для трехфазных сетей) и 220В (для однофазных);

— допустимое отклонение +/-5%, предельно допустимое +/-10%;

— частота 50 Гц, предельно допустимое отклонение частоты +/-0,4 Гц;

— нормально допустимое значение коэффициента нелинейных искажений 6%, предельно допустимое -20%.

К основным неполадкам сетевого электропитания относятся:

— полное пропадание напряжения в сети (авария в сети);

— долговременные и кратковременные просадки и скачки напряжения;

— высоковольтные импульсные помехи;

— высокочастотный шум;

— отклонение частоты за пределы допустимых значений.

Самым распространенным видом неполадок в городах являются долговременные просадки напряжения, а в сельской местности к ним добавляются аварии в электросети и высоковольтные импульсные помехи, вызванные атмосферным электричеством.

Следует иметь в виду, что далеко не каждое оборудование способно выдерживать даже допускаемый ГОСТом КНИ 20%.

Критичная нагрузка (Critical Load)

Нагрузка, чувствительная к неполадкам в электросети, грозящим выходом оборудования из строя, нарушением технологического процесса или утратой важной информации. Чтобы предотвратить подобные случаи, для питания такой нагрузки (файловых серверов, рабочих станций, персональных компьютеров, телекоммуникационного и офисного оборудования и др.) следует применять ИБП.

Источник бесперебойного питания (ИБП) UPS

Устройство, применяемое для защиты оборудования от проблем с питающим напряжением (пропаданием, отклонения от номинала, импульсных помех и др.), использующее для аварийного питания нагрузки энергию аккумуляторных батарей.

Основной задачей ИБП является поддержание работоспособности критичного оборудования при авариях сетевого напряжения, продолжающихся от нескольких минут до нескольких суток в зависимости от мощности нагрузки и емкости батарейного комплекта. Этого времени достаточно либо для устранения неполадок в линии электропередачи, либо для штатного отключения критичной нагрузки.

Активная мощность

Полезная мощность, отбираемая нагрузкой, в том числе и ИБП, из электросети и преобразуемая в энергию любого иного вида (механическую, тепловую, электрическую, электромагнитную и др.).

Вычисляется как усредненный по периоду сигнала определенный интеграл произведения мгновенных значений входного тока и напряжения. Единица измерения: Вт (Ватт).

Полная мощность

Кажущаяся потребляемая нагрузкой (например, ИБП) суммарная мощность с учетом активной и реактивной ее составляющих, а также отклонения формы тока и напряжения от гармонической.

Вычисляется как произведение среднеквадратичных значений входного тока и напряжения. Единица измерения: ВА (Вольт х Ампер).

 

 

 

 

 

 

 

 

ИБП резервного типа (Off-line или Standby)

Источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей электросети, а в автономном — переводит ее на питание от аккумуляторных батарей.

Достоинством ИБП резервного типа является его простота и низкая стоимость, а недостатком — не нулевое время переключения (~4 мс) на батареи и более интенсивная эксплуатация аккумуляторов, так как устройство переходит в автономный режим при любых неполадках в электросети.

ИБП резервного типа, как правило, имеют малую мощность и применяются для обеспечения бесперебойного электропитания отдельных устройств (персональных компьютеров, рабочих станций, офисного оборудования) в районах с хорошим качеством электрической сети.

 

                                        
Off-Line (Standby) Нормальный режим работы Off-Line (Standby) Автономный режим работы

 

 Линейно-интерактивный ИБП (Line-Interactive)

Источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством (Off-line) и дополненной автоматическим регулятором напряжения (AVR) на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками (ступенчатым стабилизатором).

Основное преимущество линейно-интерактивного ИБП по сравнению с источником резервного типа заключается в том, что он способен обеспечить нормальную работу нагрузки, при повышенном, или пониженном напряжении электросети без перехода в автономный режим, что позволяет продолжать работу от сети, экономя энергию батарей и избегая простоев оборудования.

Недостатком линейно-интерактивной схемы является не нулевое время переключения (~4 мс) нагрузки на питание от батарей.

Линейно-интерактивные ИБП делятся на 2 основных класса по типу инвертора:

1) со ступенчатой аппроксимацией синусоиды (в батарейном режиме). Эти ИБП могут применяться только для защиты оборудования с импульсными блоками питания, некритичными к форме напряжения;

2) с синусоидальным выходным напряжением.

Такие ИБП можно применять для защиты любого оборудования, допускающего время переключения порядка 4 мс, в том числе, оборудования с трансформаторными блоками питания.

 

   
Line-Interactive (нормальный режим работы)                                                        Line-Interactive (автономный режим работы)

 

Автоматический регулятор напряжения Automic Voltage Regulator (AVR)

Автоматический регулятор напряжения, изготовленный на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками (см. рисунки). Применяется в ИБП, сконструированных по линейно-интерактивной схеме, для ступенчатой корректировки входного напряжения в сторону его повышения (пониженное входное напряжение) или понижения (повышенное входное напряжение). AVR расширяет диапазон входных напряжений, при которых ИБП обеспечивает нормальное питание нагрузки без перехода в автономный режим работы.

 

     
Нормальный режим                                  Режим повышения (boost) Режим понижения (buck)

 

ИБП с двойным преобразованием напряжения (On-line)

Схема On-Line подразумевает, что поступающее на вход ИБП переменное сетевое напряжение преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем с помощью инвертора снова в переменное.

Аккумуляторная батарея, постоянно включенная между выпрямителем и инвертором, питает последний при отсутствии входного напряжения.

Схема On-Line обеспечивает идеальное выходное напряжение при любых неполадках в электросети. Она характеризуется нулевым временем переключения из нормального режима в автономный и обратно без переходных процессов в выходном напряжении.

Другим преимуществом ИБП с двойным преобразованием напряжения является наличие обходной цепи (Байпаса), что позволяет при перегрузке по выходу ИБП, перегреве или выходе инвертора ИБП из строя переводить нагрузку на питание от входной сети, избегая ее отключения. Кроме того, многие ИБП с двойным преобразованием допускают объединение в параллельные системы с резервированием и / или наращиванием мощности, что дает возможность строить системы бесперебойного питания высочайшей надежности.

К недостаткам схемы On-Line относятся ее сложность, более высокая цена, а также энергетические потери на двойном преобразовании напряжения.

Необходимо заметить, что защита наиболее критичных устройств, таких, как серверы, телекоммуникационное оборудование, АСУ ТП, рекомендуется осуществлять только с использованием ИБП со схемой On-Line.

 

 

 

 
On-Line (нормальный режим работы) On-Line (автономный режим работы) 

 

ИБП с выходным изолирующим трансформатором

Инверторы с выходным изолирующим трансформатором применяются в ИБП средней и большой мощности с двойным преобразованием напряжения (On-Line) и предназначенных для работы с широким перечнем нагрузок.

Основные преимущества ИБП с выходным изолирующим трансформатором:

— Возможность работы с нагрузками любых типов, имеющих различные коэффициенты мощности, пусковые токи и т.п.

— Стабильность выходных параметров, как при статической, так и динамической нагрузке.

— Гальваническая изоляция увеличивает помехозащищенность нагрузки.

— Высокая надежность.

Основными недостатками ИБП с выходным изолирующим трансформатором являются:

— Большие габариты и вес по сравнению с безтрансформаторными ИБП.

— Более высокая стоимость.

ИБП с выходным изолирующим трансформатором (преимущественно трехфазные, мощностью 20 кВА и выше) большой мощности применяются для защиты наиболее ответственного оборудования, требующего надежной защиты.

 

Безтрансформаторные ИБП On-Line с высокочастотным инвертором.

Безтрансформаторные инверторы применяются в ИБП малой, средней и ограниченно большой мощности (не более 100 кВА … 200 кВА), построенных по схеме On-Line с двойным преобразованием напряжения.

Основные преимущества безтрансформаторных схем:

1. Малые габариты и вес.

2. Более низкая цена.

3. Более высокий КПД.

Основные недостатки безтрансформаторных схем:

1. Ниже перегрузочная способность и общая надежность ИБП.

Благодаря высоким потребительским свойствам и сравнительно доступным ценам безтрансформаторные ИБП практически полностью вытеснили ИБП с выходным трансформатором с рынка однофазных ИБП мощностью до 20 кВА.

 

Выпрямитель (Rectifier)

Устройство, преобразующее переменное напряжение электросети в постоянное.

Однофазные ИБП оснащаются 2- или -4-импульсными выпрямителями, а трехфазные ИБП — 6-, 12- или 24-импульсными.

Существуют следующие основные типы выпрямителей, используемых в ИБП:

— Тиристорный управляемый (классический 6-импульсный);

— Тиристорный управляемый составной индуктивный (12-импульсный).

— На мощных полевых транзисторах (MOSFET) с активной коррекцией входного коэффициента мощности (APFC).

IGBT — выпрямитель с активной коррекцией входного коэффициента мощности (APFC) и низким КНИ входного тока.

Примечание: все упомянутые типы выпрямителей обладают функцией активной или пассивной) коррекции входного коэффициента мощности (APFC/PFC).

Тиристорные 6-импульсные выпрямители обладают не самым высоким коэффициентом мощности, поэтому при выборе мощных ИБП часто стоит потратить дополнительные деньги на 12-импульсный выпрямитель, особенно, если Вы используете ДГУ по входу ИБП.

IGBT- выпрямители обладают очень высокими характеристиками, но более критичны к качеству входного напряжения, поэтому рекомендуется к использованию в электросетях с высоким качеством напряжения. В российских электросетях, по нашему мнению, более оправданно применение ИБП с тиристорными выпрямителями.

 

Инвертор (Inverter)

Устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменное.

В зависимости от используемого принципа преобразования различают три основных типа инверторов (см. рисунки): инверторы, генерирующие напряжение прямоугольной формы, инверторы с пошаговой апрокисмацией и инверторы с широтно — импульсной модуляцией (ШИМ). Последние обеспечивают наиболее близкую к гармонической форму выходного напряжения.

Основными характеристиками инвертора являются:

— Перегрузочная способность;

— Коэффициент полезного действия (КПД);

— Допустимый крест — фактор нагрузки;

— Допустимый коэффициент мощности нагрузки;

— Качество выходного напряжения.

 

 

 

 

 

 

 

Форма напряжения на выходе инвертора, генерирующего прямоугольные импульсы.

 

 

 

 

 

 

 

Форма напряжения на выходе инвертора с пошаговой аппроксимацией.

 

Формы напряжения на выходе инвертора с широтно — импульсной модуляцией (ШИМ).

 

Коэффициент полезного действия (КПД)

Коэффициент полезного действия, определяемый как отношение выходной мощности устройства к потребляемой им от сети (при полностью заряженных батареях).

 

THD-фильтр

Устройство, устанавливаемое во входной цепи ИБП для уменьшения его влияния на форму тока и напряжения в питающей электросети. Входным узлом любого мощного ИБП, построенного по схеме с двойным преобразованием (On-Line), преимущественно является нелинейный и потребляющий большой импульсный ток выпрямитель, такие ИБП становятся причиной «загрязнения» электросети.

Применение THD-фильтра позволяет существенно ослабить подобное «загрязнение».

Мощные системы бесперебойного питания могут комплектоваться фильтрами, уменьшающими КНИ входного тока до 5 … 10%. Однако, при необходимости изменить THD рекомендуется использование 12-импульсного выпрямителя.

Коэффициент нелинейных искажений, Total Harmonic Distorsion (THD)

Показатель, характеризующий степень отличия формы сигнала от синусоидальной. В основном используется для измерения искажений формы входного тока или выходного напряжения ИБП. КНИ равен отношению суммы мощностей высших гармоник сигнала к мощности его первой гармоники.

 

Примеры осциллограмм входного тока для некоторых других видов нагрузок:

   
6-п.п.выпрямитель без фильтра                                 6.п.п.выпрямитель с фильтром
   
6-п.п.выпрямитель с улучшенным фильтром  фильтром 12-п.п.выпрямитель с улучшенным 
   
Индуктивная нагрузка (электродвигатель)  

 

Последовательное резервирование

Техническое решение, направленное на повышение надежности системы питания нагрузки путем последовательного (каскадного) соединения нескольких ИБП, один из которых является основным, а другое — резервным (см. рисунок). Для соединения по такой схеме каждый ИБП должен иметь отдельный вход цепи байпас. В то время как основной ИБП питает нагрузку, резервные источники работают в холостом режиме, потребляя минимальную мощность. При возникновении признаков неисправности внутренних узлов основной ИБП переключается в режим байпас и всю нагрузку берет на себя следующий по схеме резервный источник.

Данная схема в настоящее время применяется крайне редко, только для ИБП, не имеющих функции параллельной работы.

 

     

         
 Параллельное резервирование
 (система 1+1)
 Последовательное резервирование

 

 

Параллельное резервирование

Техническое решение для повышения надежности и / или для увеличения суммарной выходной мощности системы. Оно предусматривает параллельное соединение двух или нескольких одноранговых (одинаковых по мощности) ИБП по входу и выходу. Работоспособность такой системы обеспечивается специальной схемой фазовой синхронизации выходных напряжений.

Примеры обозначения параллельных систем:

«1+1» — система из двух ИБП со 100% резервированием.

«2+1»-система из тех модулей, один из которых (любой) является резервным (50% резервирование).

«N+2» — система, состоящая из (N+2) модулей, два из которых (любые) являются избыточными.

При аппаратном резервировании нагрузка равномерно распределяется между всеми ИБП, а в случае выхода из строя одного из них перераспределяется между исправными устройствами.

Не рекомендуется устанавливать параллельные системы ИБП без резервирования, поскольку надежность такой системы обратно пропорциональна числу модулей.

В схеме с параллельным резервированием допускается применение как отдельных аккумуляторов для каждого ИБП (рекомендуется для создания полного резервирования независимых устройств), так и общего комплекта батарей.

 

Обходная цепь байпас (Bypass)

Байпас — это режим питания нагрузки сетевым напряжением в обход основной схемы ИБП. Переход устройства в режим «байпас» может выполняться автоматически, или вручную.

ИБП со схемой On-Line автоматически переходят в режим байпас при перегрузке выходных цепей, или при возникновении внутренних неисправностей. Таким образом, нагрузка защищается не только от сбоев в питающей электросети, но и от неполадок ИБП.

Возможность ручного перевода устройства в режим байпас предусмотрена на случай проведения его технического обслуживания без отключения нагрузки.

 

 

 

 

 

   

(режим работы байпас)

 

Коэффициент мощности, Power factor (PF)

Комплексный показатель, характеризующий линейные и нелинейные искажения формы тока и напряжения в электросети, обусловленные влияния нагрузки (например, ИБП), вычисляется как отношение поглощаемой нагрузкой активной мощности к полной.

В случае линейной нагрузки коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига между током и напряжением и в зависимости от характера нагрузки может носить емкостной или индуктивный характер.

В случае активной нелинейной нагрузки коэффициент мощности определяется отношением мощности первой гармоники тока к общей активности мощности, потребляемой нагрузкой.

Необходимо заметить, что реальная промышленная нагрузка является нелинейной и носит преимущественно емкостной характер (PF=0,8).

 

Крест — фактор нагрузки

Показатель, характеризующий способность ИБП питать нелинейную нагрузку, потребляющую импульсный (нелинейный) ток. Определяется как отношение амплитуды импульсного тока в нелинейной нагрузке Im (нелин.) к амплитуде тока гармонической формы Im (лин.) при эквивалентной потребляемой мощности (см. рисунки).

 

  

 

 

 

 

Крест — фактор нагрузки. Форма напряжения и тока на линейной нагрузке.

 

 

 

 

 

Крест — фактор нагрузки. Форма напряжения и тока при нелинейной нагрузке.