Источники бесперебойного питания. Общие понятия и термины

Система бесперебойного питания (СБП)
Автоматическое устройство, обеспечивающее нормальное питание нагрузки при полном обесточивании внешней электросети в результате аварии или недопустимо высоком отклонении параметров сетевого напряжения от номинальных значений (см. "Неполадки в сети"). Различают два основных типа СБП: источники бесперебойного питания и генераторные установки.

Источник бесперебойного питания (ИБП, UPS)
Устройство, использующее для аварийного питания нагрузки энергию аккумуляторных батарей.

Дизель-генераторная установка (ДГУ)
Устройство, использующее для аварийного питания нагрузки энергию электрогенератора, ротор которого приводится в движение дизельным двигателем.

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 аварийном переводит ее на питание от аккумуляторных батарей.

Достоинством ИБП резервного типа является его простота и, как следствие, невысокая стоимость, а недостатком - ненулевое время переключения (~4 мс) на питание от батарей и более интенсивная их эксплуатация, так как источник переводится в аварийный режим при любых неполадках в электросети.

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

Линейно-интерактивный (Line-Interactive) ИБП (UPS)
Источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством (Off-Line), дополненной стабилизатором входного напряжения (бустером) на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками.

Основное преимущество линейно-интерактивного ИБП по сравнению с источником резервного типа заключается в том, что он способен обеспечить нормальное питание нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети (наиболее распространенный вид неполадок в отечественных линиях электроснабжения) без перехода в аварийный режим. В итоге продлевается срок службы аккумуляторных батарей. Недостатком линейно-интерактивной схемы является ненулевое время переключения (~4 мс) нагрузки на питание от батарей.

По эффективности линейно-интерактивные ИБП занимают промежуточное положение между простыми и относительно дешевыми резервными источниками (Off-Line) и высокоэффективными, но дорогостоящими ИБП с двойным преобразованием энергии (On-Line). Как правило, линейно-интерактивные ИБП применяют для обеспечения гарантированного питания персональных компьютеров, рабочих станций, файловых серверов, узлов локальных вычислительных сетей и офисного оборудования.

По линейно-интерактивной схеме собраны выпускаемые компанией Powerware ИБП серии PW5115 и PW5125.

Бустер (booster)
Автоматический регулятор напряжения, построенный на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками (см. рисунки). Применяется в ИБП, собранных по линейно-интерактивной схеме, для ступенчатой корректировки входного напряжения в сторону его повышения (пониженное входное напряжение) или понижения (повышенное входное напряжение). Число обмоток бустера определяет диапазон входных напряжений, при которых ИБП обеспечивает нормальное питание нагрузки без перехода в аварийный режим работы. У ИБП серии PW5155 производства Powerware такой диапазон допустимого изменения входного напряжения составляет -20% и +20% от номинального значения 220 В.

ИБП (UPS) с двойным преобразованием энергии (On-Line)
Источник бесперебойного питания, в котором поступающее на вход переменное сетевое напряжение сначала преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем с помощью инвертора снова в переменное. Аккумуляторная батарея постоянно подключена к выходу выпрямителя и входу инвертора и питает последний в аварийном режиме.

Такая схема построения ИБП позволяет обеспечить практически идеальное питание нагрузки при любых неполадках в сети (включая фильтрацию высоковольтных импульсов) и характеризуется нулевым временем переключения в аварийный режим без возникновения переходных процессов на выходе устройства.

К недостаткам схемы с двойным преобразованием энергии следует отнести ее сравнительную сложность, более высокую стоимость, а также снижение общего КПД системы из-за потерь при двукратном преобразовании напряжения.
ИБП типа On-Line применяют в тех случаях, когда по тем или иным причинам предъявляются повышенные требования к качеству электропитания нагрузки, каковой могут быть узлы локальных вычислительных сетей (сетевое оборудование, файловые серверы, рабочие станции, персональные компьютеры), оборудование вычислительных залов, системы управления технологическим процессом.

По схеме с двойным преобразованием (On-Line) построены, например, модели PW9120 компании Powerware. Они оснащены плавным стабилизатором входного напряжения, благодаря которому диапазон допустимых значений входного напряжения, при которых источник не переходит на питание от батарей, составляет 160 ... 276 В.

Bypass ("обход")
Режим питания нагрузки отфильтрованным напряжением электросети в обход основной схемы ИБП. Переключение в режим Bypass, поддерживаемый внутренней схемой ИБП или специальным внешним модулем, может выполняться автоматически или вручную. ИБП, имеющий соответствующую встроенную схему, автоматически переходит в режим Bypass по команде устройства управления при перегрузке выходных цепей или при обнаружении неисправности в жизненно важных узлах. Таким образом нагрузка защищается не только от сбоев в питающей электросети, но и от неполадок в самом ИБП. Возможность ручного включения режима Bypass предусматривается на случай проведения профилактического обслуживания ИБП или замены его узлов без обесточивания 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).

Коэффициент мощности (Power Factor)
Комплексный показатель, характеризующий линейные и нелинейные искажения формы тока и напряжения в электросети, обусловленные влиянием нагрузки (например, ИБП). Вычисляется как отношение поглощаемой нагрузкой активной мощности к полной. Типичные значения коэффициента мощности:
1 - идеальное значение; 0.95 - хороший показатель; 0.9 - удовлетворительный показатель; 0.8 - плохой показатель; 0.7 - влияние компьютерной нагрузки; 0.65 - влияние двухполупериодного выпрямителя.

В случае линейных искажений коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига между током и напряжением и в зависимости от значения этого угла может характеризоваться как опережающий или отстающий. Если имеют место только нелинейные искажения формы тока, коэффициент мощности определяется отношением мощности первой гармоники тока к общей активной мощности, потребляемой нагрузкой.

Неполадки в электросети
Любые отклонения параметров питающего напряжения от установленных стандартом значений. На территории России ГОСТ 13109-87 определяет в качестве стандартных следующие параметры электросети:
- напряжение - 220 В ±10%;
- частота - 50 Гц ±1 Гц;
- коэффициент нелинейных искажений формы напряжения - менее 8% в течение длительного промежутка времени и менее 12% кратковременно.
Основные неполадки сетевого питания:
- полное пропадание напряжения в сети (авария в сети);
- долговременные и кратковременные проседания и всплески напряжения;
- высоковольтные импульсные помехи;
- высокочастотный шум;
- отклонение частоты за пределы допустимых значений.

Наиболее распространенным видом неполадок в больших городах являются долговременные проседания напряжения, а в сельской местности к ним добавляются аварии в электросети и высоковольтные импульсные помехи.

Выпрямитель
Устройство, преобразующее переменное напряжение электросети в постоянное. Однофазные ИБП оснащаются двух- или четырехполупериодными выпрямителями, а трехфазные ИБП - шести- или двенадцатиполупериодными.

Инвертор
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 аппроксимацией и инверторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Последние обеспечивают наиболее близкую к гармонической форму выходного напряжения. Кроме того, манипулируя шириной отдельных импульсных составляющих ШИМ-сигнала, "интеллектуальные" инверторы, применяемые в сериях Powerware 9120, Powerware 9125, Powerware 9150, Powerware 9155, Powerware 9170, Powerware 9305, Powerware 9340, Powreware 9370 компании Powerware, автоматически корректируют форму выходного напряжения при работе с нелинейной нагрузкой.

Входной изолирующий трансформатор ИБП (UPS)
Трансформатор, включаемый во входную цепь ИБП для обеспечения гальванической развязки его внутренних узлов и входной электросети. Применяется во избежание короткого замыкания цепей ИБП, комплектуемого негерметичной аккумуляторной батареей с жидким электролитом, если существует вероятность его утечки. Также применяется при необходимости гальванической развязки цепи Bypass.

Выходной изолирующий трансформатор ИБП (UPS)
Трансформатор, включаемый во выходную цепь ИБП для обеспечения гальванической развязки между самим ИБП и его нагрузкой. В трехфазных системах применяется трансформатор "треугольник-звезда". Он образует выходную нейтраль нагрузки, полностью изолированную от входной нейтрали ИБП. Таким образом, удается полностью защититься от помех по входной нейтрали, широко распространенных в промышленных районах. Выходными изолирующими трансформаторами оснащены все ИБП серий PW9340, PW9370 компании Powerware.

КПД
Коэффициент полезного действия, определяемый как отношение выходной мощности устройства к потребляемой им от сети. Выпускаемые компанией Powerware ИБП с двойным преобразованием (On-Line) имеют достаточно высокие значения КПД, укладывающиеся в диапазон 90 ... 95%.

Нормальный режим работы ИБП (UPS)
Режим работы ИБП, при котором нагрузка питается за счет энергии, отбираемой из электросети, а аккумуляторные батареи отключены или подзаряжаются.

Аварийный (автономный) режим работы ИБП (UPS)
Режим работы ИБП, при котором нагрузка питается энергией аккумуляторных батарей, преобразованной в переменное напряжение.

Виртуальная батарея
Конденсатор большой емкости, подключаемый параллельно аккумуляторной батарее ИБП и выполняющий ее функции при непродолжительных (длительностью не более 1 ... 2 с) неполадках в электросети. В результате уменьшается число случаев кратковременного использования основной батареи и увеличивается срок ее службы. Применение виртуальной батареи в сочетании с технологией температурной компенсации зарядного тока - одно из наиболее эффективных решений, позволяющих продлить жизненный цикл аккумуляторных батарей. Подобное решение реализовано в ИБП серий Powerware 9120, Powerware 9125, Powerware 9150, Powerware 9155, Powerware 9170, Powerware 9305 компании Powerware

Критичная нагрузка
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.

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ)
Показатель, характеризующий степень отличия формы напряжения или тока от синусоидальной. Типовые значения КНИ:
- 0% - синусоидальная форма сигнала;
- 3% - форма сигнала отлична от синусоидальной, но искажения не заметны на глаз;
- 5% - отклонение формы сигнала от синусоидальной заметно на глаз;
- до 21% - сигнал имеет трапецеидальную или ступенчатую форму;
- 43% - сигнал имеет прямоугольную форму.

THD-фильтр
Устройство, устанавливаемое во входной цепи ИБП для уменьшения ее влияния на форму напряжения в питающей электросети. Поскольку входным узлом любого мощного ИБП, построенного по схеме с двойным преобразованием (On-Line), является выпрямитель, элемент нелинейный и потребляющий большой импульсный ток, такой ИБП становится причиной "загрязнения" электросети. Применение THD-фильтра позволяет в существенной мере ослабить подобное "загрязнение".
Мощные системы бесперебойного питания серий Powerware 9150, Powerware 9155, Powerware 9170, Powerware 9305, Powerware 9340, Powerware 9370 компании Powerware комплектуются фильтрами, уменьшающими КНИ входного тока до 5 ... 10%.

Температурная компенсация зарядного тока батарей
Технология, применяемая ведущими производителями ИБП, в т.ч. компаниями Powerware, для продления срока службы аккумуляторных батарей. Как известно, герметичные батареи крайне чувствительны к величине зарядного тока, оптимальное значение которого зависит от температуры окружающей среды. Технология температурной компенсации зарядного тока позволяет автоматически корректировать режим заряда батарей в соответствии с изменениями внешних условий и тем самым продлить жизненный цикл аккумуляторов в несколько раз.

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

ИБП, соединенные по схеме с последовательным резервированием, могут иметь собственные аккумуляторы или подключаться к единому для всех комплекту батарей для увеличения времени работы системы в автономном режиме. По такой схеме можно включать все устройства серий Powerware 9150, Powerware 9155, Powerware 9305, Powerware 9340, Powerware 9370 компании Powerware.

Параллельное резервирование, наращивание мощности системы
Техническое решение, направленное либо на повышение надежности (аппаратное резервирование), либо на увеличение общей выходной мощности системы (масштабирование). Оно предусматривает параллельное соединение нескольких одноранговых ИБП с объединением их входов и выходов. Работоспособность такой системы обеспечивается специальной схемой синхронизации фаз выходного напряжения. В случае аппаратного резервирования при исправности всех соединенных параллельно ИБП нагрузка равномерно распределяется между ними, а в случае выхода из строя одного из источников - перераспределяется между исправными.

В схеме с параллельным резервированием допускается применение как отдельных аккумуляторов для каждого ИБП, так и общего комплекта батарей. Устройства серий Powerware 9155, Powerware 9170, Powerware 9305, Powerware 9340, Powerware 9370 компании Powerware разработаны с учетом возможности их объединения по такой схеме.

Крест-фактор нагрузки (Crest Factor)
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). ИБП компаний Powerware способны питать нелинейную нагрузку с крест-фактором до 3:1.

Источник: http://www.ups-info.ru/

Авторизуйтесь для добавления комментариев!