Страница:
Интерактивные источники могут иметь два режима -стандартный (Off-Line) и режим переключения. В них может применяться реверсивный инвертор (рис. p018), работающий в "горячем" резерве, т.е. работающий в нормальном режиме на заряд батарей, а в аварийном -- на разряд.
Все эти нововведения увеличивают стоимость ИБП, но суть его остается та же -- в нормальном режиме ваша нагрузка подключена к сети.
Обобщенные характеристики Off-Line и Line-Interactive источников представлены в табл. t004. В заключение отметим достоинства и недостатки Off-Line источников.
Достоинства:
простота исполнения;
малый вес и габариты;
низкая стоимость;
низкие эксплуатационные расходы;
высокий КПД.
Недостатки:
инвертор не рассчитан на длительную работу;
псевдосинусоидальный выход (кроме Line-Interactive);
фиксированное, малое "окно" по входному напряжению;
неустойчивая работа в нестабильных сетях;
как правило, отсутствие возможности существенно увеличить время автономной работы за счет дополнительных батарей;
отсутствие возможности улучшения параметров входного напряжения (кроме Line-Interactive);
не работают в условиях ухода частоты сетевого напряжения и от дизель-генератора;
не рассчитаны на работу с большими мощностями;
отличное от нуля время переключения на батареи в случае аварии сети;
слабые возможности по управлению мощностью и нагрузкой.
При выборе ИБП отличительным признаком Off-Line режима является равенство допусков на входную и выходную частоты питающего напряжения. Если допуск по частоте на входе ИБП такой же, как и на выходе -- нагрузка подключена непосредственно к сети.
3.1.2. ИБП С ДВОЙНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ (ON-LINE)
On-Line системы -- это системы генерирующие собственное, стабильное по амплитуде и частоте, синусоидальное напряжение. Они работают по принципу двойного преобразования напряжения: переменное -- постоянное -- переменное (рис. p019).
Входное напряжение от сети переменного тока подается на выпрямитель, где оно преобразуется в напряжение постоянного тока. Это напряжение питает инвертор, а часть энергии используется для заряда батарей. Постоянно работающий инвертор генерирует стабильное напряжение, параметры которого никак не связаны с параметрами входного.
ИБП архитектуры On-Line позволяет:
исключить амплитудные и частотные искажения;
работать в слабых и нестабильных сетях;
эффективно подавлять импульсные помехи.
При пропадании входного напряжения происходит переход на питание инвертора от батарей с нулевым временем переключения без скачка амплитуды и фазы выходного напряжения. Таким образом, On-Line ИБП представляет собой станцию эталонного синусоидального напряжения.
Выходная форма напряжения формируется самим источником и никоим образом не связана с формой напряжения в сети общего назначения. Благодаря минимум двойному преобразованию обеспечивается высокая изоляция выходного напряжения от влияния внешней сети и наоборот, что существенно для защиты информации от несанкционированного доступа со стороны сети общего назначения.
Наиболее совершенные On-Line ИБП выполняют до четырех преобразований:
переменное сетевое напряжение -- в постоянное;
постоянное -- в постоянное напряжение промежуточной шины;
напряжения батарей в напряжение промежуточной шины;
напряжения промежуточной шины -- в выходное переменное напряжение.
ИБП такого типа снабжены входными и выходными фильтрами, разделительными трансформаторами. Они допускают широкий диапазон изменения входного напряжения без отбора мощности батарей. Более того, снижением мощности нагрузки можно понизить минимальный уровень напряжения перехода на питание от батарей (до 120 В), что существенно для успешной работы в сети с хронически пониженным напряжением.
Современные On-Line системы способны работать в качестве преобразователей частоты для питания оборудования не соответствующего отечественным стандартам, например, 60 Гц.
Для нормирования степени защиты электронных устройств разработаны тесты, которые моделируют сетевые процессы и позволяют измерить степень защиты нагрузки. Тестирование может осуществляться по спецификации Института Инженеров-электриков IEEE-587. Каждой категории защиты соответствуют определенные условия теста (см. табл. t003).
3.2. ИБП CHLORIDE POWER ELECTRONICS
Ни одна сеть не обладает иммунитетом к проблемам, связанным с питанием. Если сеть не защищена от таких опасностей, как шум линии, отключение питания, скачки и падения напряжения -- вы рискуете столкнуться с потерями информации, производительности и оборудования.
Этот риск сам по себе достаточен для того, чтобы убедить любого руководителя в необходимости защиты электропитания. Никогда не забывайте старую истину: "Предупреждение лучше лечения". Это относится не только к здоровью, но и к состоянию сети.
В ИБП Chloride Power Electronics две архитектуры объединены так называемым интеллектуальным ключом. Выбор одного из описанных выше режимов работы ИБП означает отказ от преимуществ другого. С этим связано появление гибридных моделей, способных работать в нескольких режимах. Цифровой режим Line-Interactive обеспечивает высокую надежность при максимально низких эксплуатационных затратах. Режим двойного преобразования -- наивысшую степень защиты и показатели качества электроэнергии.
ИБП Chloride Power Electronics осуществляют:
автоматический контроль за рабочими характеристиками;
управление инверторами на высокой частоте;
программное управление нагрузками;
выдачу сообщения о корректирующих действиях при восстановлении оптимальных условий работы.
Общие сведения об ИБП Chloride Power Electronics представлены в табл. t005.
Модель Synthesis
ИБП Synthesis (рис. p021), структурная схема которого представлена на рис. p046, включает:
входной преобразователь 1;
батарею аккумуляторов 2;
инвертор 3;
преобразователь 4;
переключатели S1...S5;
предохранители F1...F3.
ИБП имеет два входа. Управление может осуществляться программно и в ручном режиме. В автоматическом режиме схема управления изменяет структуру в соответствии с парами нагрузки. Нагрузка может питаться через: основной вход -- преобразователи 1, 3 или батарея -- преобразователь 3; дополнительный вход -преобразователь 4 (переменного тока в переменный).
Ручной сервисный переключатель S1 и синхронные тиристорные S2...S5 позволяют изменять архитектуру источника без перерывов питания. Входной преобразователь выполняет функции выпрямителя и зарядного устройства.
При отключении питания по одному из входов источник питает нагрузку от батарей. Наличие двух входных линий позволяет использовать ИБП Synthesis совместно с автономными источниками без доработок.
Например, дизель-генератор с автоматическим запуском (см. гл. 4.1) может подключаться к основному входу. При отключении сетевого напряжения по дополнительному входу, источник будет питать нагрузку на время запуска и выхода на режим генератора. После появления устойчивого напряжения от генератора на основном входе источник переключит нагрузку на генератор. Система двойного преобразования надежно защищает нагрузку от девиации частоты -- основного недостатка дизель-генераторных установок.
Технические характеристики ИБП Synthesis представлены в табл. t006. Здесь представлены однофазные и трехфазные ИБП от 6 до 20 кВА. Отличительной особенностью моделей Synthesis является высокий коэффициент мощности на входе.
Аккумуляторная батарея, как сердце каждого ИБП -ответственный элемент. Герметизированные батареи, которыми оборудован Synthesis, не нуждаются в обслуживании, но требуют бережного отношения (см. гл.2). Использование автоматического управления зарядными характеристиками позволяет максимально увеличить срок службы батареи (до 30%). Автоматика осуществляет:
температурно-компенсированный заряд батареи;
автоматическое тестирование батареи;
контроль циклов заряда-разряда;
регулирование напряжения окончания заряда в зависимости от длительности разряда;
расчет времени автономной работы в зависимости от реальных условий.
Наращивание мощности может осуществляться двумя путями:
параллельным подключением дополнительных ИБП;
модернизацией имеющегося ИБП (см. стр. 106).
Модель EDP-90
Отличительной особенностью ИБП серии EDP-90 является широкий диапазон мощностей и возможность подключения нелинейной нагрузки. Это возможно благодаря использованию дополнительных фильтров. Тщательная фильтрация напряжения позволяет нормировать характеристики напряжения до 19 гармоники. В результате гарантируется коэффициент мощности до 0,9 при работе с нелинейной нагрузкой.
ИБП серии EDP-90 устойчиво работают с дизель-генераторами. Этому способствует как эффективная фильтрация, так и структурные особенности источников.
Структурная схема ИБП EDP-90 представлена на рис. p044. Она включает:
входной преобразователь 1;
батарею аккумуляторов 2;
инвертор 3;
синхронный переключатель 4;
переключатели S1...S4;
предохранители F1...F3.
В отличие от структуры Synthesis (рис. p046) EDP-90 содержит статический трехвходовой ключ. Он позволяет синхронно переключать структуру ИБП при подключенной нагрузке большой мощности без фазовых скачков. При больших мощностях такие скачки наиболее опасны.
Степень защиты нагрузки
Если условия подачи электроэнергии нестабильны, например, если оборудование подвергается постоянным отключениям (десятки раз в год) или сеть выполнена более 10 лет назад -- в такой ситуации следует продумать повышение степени защиты (количество и тип защищаемых компонентов сети), а также выбор модели развертываемых ИБП. Высокий уровень защиты также необходим в случае, когда повседневная жизнь организации в значительной степени зависит от работы сети.
Каждый ИБП должен обеспечивать необходимый уровень защиты питания. Уровень защиты конкретного оборудования зависит от качества энергоснабжения и возможных затрат, которые компания понесет в случае снижения производительности или выхода из строя дорогостоящего оборудования. Повышение надежности систем бесперебойного питания обеспечивают:
параллельное резервирование устройств;
диспетчерская система технического контроля и обслуживания.
Важным аспектом, который необходимо учитывать при установке ИБП, является выбор производителя, предоставляющего техническую поддержку отвечающую вашим потребностям.
Необходимо изначально получить ответ на вопрос какие затраты повлечет модернизация программного обеспечения и какие типы поддержки доступны?
Интеллектуальные ИБП
ИБП -- весьма важные компоненты любой сети; но мало установить ИБП, необходим еще и контроль над правильностью их работы. Если ИБП больше десятка, то необходим эффективный способ их контроля и управления. Администраторы сетей должны постоянно проверять заряд батарей, а также контролировать температуру и качество проводки.
Управление электропитанием является составной частью системы защиты питания. Chloride Power Electronics предоставляет вместе со своими системами управляющее программное обеспечение. Программно управляемые источники бесперебойного питания называются интеллектуальными. Подобные устройства могут регистрировать события, непрерывно контролировать качество энергоснабжения, сообщать о состоянии батарей и выполнять другую диагностику.
Программное обеспечение ИБП способно строить полезные диаграммы характеристик описывающих качество электропитания, в частности, частоты и уровня напряжения. Используя программы управления ИБП, необходимые характеристики можно отображать или сохранять в базе данных для анализа. Возможность контроля напряжения удобна для предотвращения и диагностирования сбоев в сети. Например, повышенное напряжение распознается и корректируется до того, как оно "сожжет" оборудование.
Повышение надежности ИПБ
Повышение надежности систем электропитания достигается параллельным включением источников (рис. p045). Для обеспечения повышенной надежности система строится по схеме N+1. В случае выхода из строя одного из источников он блокируется, а система продолжает работать. Chloride Power Electronics предлагает две конфигурации параллельных систем:
централизованные (с выходным устройством СОС -- Common Output Cubicle);
распределенные.
Достоинство первой конфигурации -- простота обслуживания и управления. Недостаток -- увеличение стоимости за счет СОС.
Достоинства второй конфигурации -- простота инсталляции и цена. Недостаток -- сложность обслуживания и ремонта.
Удаленный контроль и управление
ИБП Chloride Power Electronics кроме традиционных атрибутов включает современную систему теледиагностики LIFE. Она позволяет обслуживать ИБП из центра технического обслуживания ежедневно в автоматическом режиме. Такой сервис позволяет не тратить время на обслуживание. ИБП передает по модему всю информацию о своем рабочем состоянии в центр технического обслуживания в установленное время и, конечно же, в любой момент, если произошло отклонение заданных параметров от нормы.
Такая связь позволяет персоналу центра непрерывно наблюдать за работой источников. Анализируя функционирование ИБП и параметры сети специалисты центра в случае неисправности сразу прибудут для устранения неполадок без дополнительного приглашения.
Украинская фирма "Селком" предлагает индивидуальное проектирование, поставку, установку, монтаж и обслуживание систем бесперебойного электропитания (см. стр. 106).
3.3. ИБП AMERICAN POWER CONVERSION
По данным журнала "Line Magazine" около 50% мирового объема продаж ИБП малой и средней мощности принадлежит American Power Conversion (APC).
По мнению авторизованных дистрибьютеров APC в Украине наибольшее распространение, к настоящему времени, получили ИБП Back-UPS.
Приборы этой серии перекрывают диапазон мощностей от 250 до 1250 ВА, что соответствует полезной мощности от 170 до 900 Вт. Основное отличие от других серий -- форма выходного напряжения (рис. p030 а).
На рис. p031 показана структурная схема ИБП этой серии. Источник работает в двух режимах. Выбор режима "Standby" или "Батарея" регламентирует приоритет одной из двух цепей питания. В режиме "Standby" нагрузка подключена через ограничитель напряжения и фильтр непосредственно к сети.
Самой распространенной проблемой сетей питания для компьютеров является пониженное напряжение. Безусловным достоинством блоков моделей Back-UPS является малое время переключения -- 2...4 мс включая время распознавания.
Во всех моделях серии Back-UPS переключение нагрузки на работу от батарей происходит при снижении сетевого напряжения ниже 196 B +5%, а у моделей Back-UPS 900 и 1250 и при превышении 264 B +5% [11].
Следует отметить другую проблему зачастую превосходящую предыдущую -- броски напряжения в сети. Источники предотвращают повреждение и увеличивают срок службы компьютеров. Справедливости ради, отметим, что тем самым они укорачивают свой срок службы. Зарегистрированы случаи превышения сетевого напряжения выше 300 В. В таких случаях ИБП, не имеющий защиты от перенапряжения по входу, защищая компьютер выходит из строя.
3.3.1. ВТОРОЕ И ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ ИБП APC
Представители второго поколения ИБП APC -- Smart-UPS. Маломощные модели этой серии выполнены в виде подставки под монитор (AP 250i и AP 400i см. табл. t014).
В отличие от Back-UPS модели Smart-UPS вырабатывают трапецеидальное, ступенчатое или синусоидальное напряжение и имеют промежуточные режимы работы. Например, приборы серии Smart-UPS XL работают следующим образом:
при напряжении сети в интервале 253...282 В прибор переходит в режим ограничения напряжения (Trim);
при напряжении сети в интервале 176...196 В прибор переходит в режим повышения напряжения (Boost);
при напряжении ниже 173 В или выше 282 В переключается на батарею аккумуляторов (см. табл. t014).
Smart-UPS 2000 состоит из двух блоков. В одном находятся батареи, а в другом -- электроника. Он допускает подключение до 10 дополнительных батарей.
ИБП серий Back-UPS Pro и Matrix-UPS
Маломощные модели BP280I, BP420I и BP650I при работе от батарей на выходе генерируют сигнал трапецеидальной формы. Модели BP1000I и BP1400I -- сигнал ступенчатой формы (рис. p030 б).
ИБП Back и Smart второго поколения не имеют отключения нейтрали. Модели третьего поколения (рис. p036) разрывают оба сетевых провода. Это повышает электробезопасность источников третьего поколения.
Matrix-UPS состоит из трех блоков:
управления;
трансформаторов;
аккумуляторов.
Блочное исполнение позволяет оперативно наращивать количество батарей и, таким образом, увеличивать время автономной работы до 3-х часов.
Структурная схема Matrix-UPS представлена на рис. p035. Коррекция напряжения без перехода на батареи осуществляется переключением обмоток трансформатора.
Matrix-UPS построен по гибридной схеме Line-Interactive. Входная обмотка трансформатора W1 осуществляет гальваническую развязку нагрузки с сетью. Выходное напряжение ИБП корректируется переключением вторичных обмоток трансформатора Т1. Переключатель S2 обеспечивает коэффициент трансформации Т1 равным 1 (bypass).
Летом этого года APC объявила о выпуске новых ИБП Symmetra Power Array мощностью 6...20 кВА. Они разработаны для защиты нескольких серверов и важных деловых приложений.
3.3.2. ВЫБОР ИБП
Все электрические устройства потребляют энергию. В документации изготовители приводят полную или активную потребляемую устройством мощность.
Полная мощность представляет собой геометрическую сумму активной и реактивной мощности. Она определяет максимальную электрическую нагрузку оборудования. Значение полной мощности в цепи переменного тока определяется произведением эффективных значений тока и напряжения. Она измеряется в вольтамперах (см. табл. t013) [12].
Активная мощность характеризует полезную электрическую мощность. При комплексной нагрузке в цепи переменного тока только активная составляющая является полезно используемой. Активная мощность измеряется в ваттах (см. табл. t013).
Реактивная мощность не оказывает непосредственного воздействия на нагрузку. Она обусловлена возникновением поля при наличии в цепи индуктивности или емкости. Отличие формы тока или напряжения от синусоидальной вызывает возникновение мощности искажений как составляющей реактивной мощности. Такие искажения присутствуют и при использовании ИБП с несинусоидальной формой выходного напряжения.
Коэффициент мощности характеризует ту часть полной мощности, которая обусловлена активной составляющей и является полезной. Коэффициент мощности -- отношение активной составляющей мощности устройства к полной мощности.
При синусоидальной форме напряжения и тока за коэффициент мощности принимают значение косинуса угла сдвига фаз между фазным током и напряжением.
С экономической точки зрения потребителем энергии с помощью компенсирующих схем должны приниматься меры к тому, чтобы в электрических сетях между генератором и нагрузкой имело место как можно меньшее колебание реактивной мощности, т.е. коэффициент мощности должен иметь как можно более близкое к 1 значение (не следует путать коэффициент мощности с коэффициентом полезного действия, который определяется как отношение входной мощности к выходной).
Преимущественно все устройства обладают реактивностью. Большинство нагрузок имеет индуктивный характер (см. табл. t023). Коэффициент мощности узлов компьютеров, находится в пределах 0,6...0,8. Повышение коэффициента мощности приводит к экономии электроэнергии. Этого можно достичь используя ИБП. Во многих случаях увеличение коэффициента входной мощности, кроме снижения потребления электроэнергии, предотвращает также повышение тарифов на электроэнергию, которые взимаются за коэффициент мощности ниже 0,9.
Соотношение между активной мощностью нагрузки и полной мощностью ИБП должен составлять приблизительно 0,7.
Например, для компьютера мощностью 170 Вт выбирают ИБП мощностью 170 Вт/0,7 = 250 ВА.
Выбирая ИБП или стабилизатор необходимо использовать в расчетах максимальное значение мощности нагрузки. Для надежной продолжительной работы ИБП значение мощности должно быть выше расчетного значения на 20...50%.
Время работы от батареи определяет период, в течение которого ИБП обеспечивает электропитание (при определенной величине нагрузки) защищаемого устройства. В общем случае время работы батареи следует принять равным, по крайней мере, пятнадцати минутам. Иначе гарантировать работу компонентов сети в течение периода времени превышающего обычную продолжительность отключения питания весьма проблематично. Если этого недостаточно, выберите ИБП с возможностью наращивания емкости батарей и рассмотрите возможность приобретения резервного генератора (см. гл. 4.1).
Все ИБП оснащены герметизированными (см. гл. 2), не требующими ухода, кислотными аккумуляторами. Изготовители указывают сок службы аккумулятора 3...6 лет в составе ИБП.
Как показывает практика, срок службы батарей редко достигает нижней границы, что обусловлено нестабильностью сетевого напряжения в сетях. Поэтому целесообразно приобретать ИБП в авторизованных центрах APC, которые выполняя гарантийные обязательства фирмы-изготовителя производят безвозмездную замену аккумуляторных батарей вышедших из строя во время гарантийного срока эксплуатации. Один из авторизованных представителей APC -- фирма "Епос" (см. стр. 106).
3.3.3. СОЕДИНЕНИЕ ПРИБОРОВ
Правильность подключения приборов определяется схемой используемой сети и правильно выполненными заземлением и занулением. Подавляющее большинство сетей -- сети с заземленной нейтралью.
Различают заземление защитное и рабочее. Защитным заземлением называется заземление части электроприбора с целью обеспечения электробезопасности. Рабочим заземлением называется заземление какой-либо точки токоведущих частей электроприбора необходимое для обеспечения его работы.
Единственным назначением защитного заземления является защита человека от поражения электрическим током. Поэтому ни в коем случае нельзя заземлять приборы на трубы водоснабжения, отопления и другие, не предназначенные для этого, предметы. Этим Вы подвергаете опасности себя и других людей, например, обслуживающих системы водоснабжения. В дополнение можно добавить, что ничего кроме вреда такое "заземление" не принесет.
Занулением называется преднамеренное соединение частей электроприбора, нормально не находящихся под напряжением, с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока или с глухозаземленным выводом источника однофазного тока или с глухозаземленной средней точкой источника в сетях постоянного тока. Назначение зануления -вызвать срабатывание защиты с целью предотвращения выхода прибора из строя.
Большая часть приборов, которые питаются через ИБП, например, компьютеры, оргтехника и пр. подключаются по трехпроводной схеме. При этом используются штатные соединители, представленные в табл. t022. Выбор соединителя осуществляется исходя из максимально допустимой мощности подключаемых приборов.
Использование специальных соединителей позволяет исключить непреднамеренное подключение бытовых приборов, например, пылесоса или кипятильника в сеть источника бесперебойного питания. Такое включение может вывести ИБП из строя.
Кроме того, неправильное подключение приборов, связанных между собой через интерфейс, при подключении к разным фазам электросети или неправильно выполненном заземлении приведет к повреждению обоих приборов. Применение специальных соединителей также исключает непреднамеренное ошибочное подключение приборов.
Если несколько устройств связаны между собой линией данных (см. рис. p047), то устойчивость обмена в большой степени определяется правильно выполненными соединениями.
Основным условием является следующее: все заземляющие проводники, идущие от устройств, должны соединяться в одной точке. Если это условие не выполняется в сети возникает шум.
Различают шумы общего вида и межсистемные шумы. Шумы общего вида возникают во всех активных устройствах и, в основном, хорошо подавляются источниками питания.
Одна из причин возникновения межсистемных шумов -протекание уравнивающих токов. Они вызваны неравенством потенциалов соединяемых точек. Уравнивающие токи протекают по общему проводу линии данных, например, интерфейсов соединенных между собой устройств заземленных на различные контуры, при неравных потенциалах точек заземления или неправильном подключении заземляющего провода.
3.3.4. ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ ИБП
При нестабильности в сетях из-за близко расположенных строек, трамвайных линий, ИБП постоянно переходит на работу от батарей не успевая заряжать аккумуляторы. В таких случаях не только уменьшается срок службы аккумуляторов, но и выходят из строя коммутирующие элементы.
Вышедший из строя ИБП нецелесообразно пытаться отремонтировать самостоятельно. Отсутствие технической документации, комплектующих и стенда для контроля сведут ваши усилия на нет.
После ремонта на стенде контроля осуществляется регулировка формы, частоты и амплитуды выходного сигнала; уровни заряда батарей и переключения нагрузки. Приборы проверяются тестами нагрузки и короткого замыкания, на время удержания и т.д.
Все эти нововведения увеличивают стоимость ИБП, но суть его остается та же -- в нормальном режиме ваша нагрузка подключена к сети.
Обобщенные характеристики Off-Line и Line-Interactive источников представлены в табл. t004. В заключение отметим достоинства и недостатки Off-Line источников.
Достоинства:
простота исполнения;
малый вес и габариты;
низкая стоимость;
низкие эксплуатационные расходы;
высокий КПД.
Недостатки:
инвертор не рассчитан на длительную работу;
псевдосинусоидальный выход (кроме Line-Interactive);
фиксированное, малое "окно" по входному напряжению;
неустойчивая работа в нестабильных сетях;
как правило, отсутствие возможности существенно увеличить время автономной работы за счет дополнительных батарей;
отсутствие возможности улучшения параметров входного напряжения (кроме Line-Interactive);
не работают в условиях ухода частоты сетевого напряжения и от дизель-генератора;
не рассчитаны на работу с большими мощностями;
отличное от нуля время переключения на батареи в случае аварии сети;
слабые возможности по управлению мощностью и нагрузкой.
При выборе ИБП отличительным признаком Off-Line режима является равенство допусков на входную и выходную частоты питающего напряжения. Если допуск по частоте на входе ИБП такой же, как и на выходе -- нагрузка подключена непосредственно к сети.
3.1.2. ИБП С ДВОЙНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ (ON-LINE)
On-Line системы -- это системы генерирующие собственное, стабильное по амплитуде и частоте, синусоидальное напряжение. Они работают по принципу двойного преобразования напряжения: переменное -- постоянное -- переменное (рис. p019).
Входное напряжение от сети переменного тока подается на выпрямитель, где оно преобразуется в напряжение постоянного тока. Это напряжение питает инвертор, а часть энергии используется для заряда батарей. Постоянно работающий инвертор генерирует стабильное напряжение, параметры которого никак не связаны с параметрами входного.
ИБП архитектуры On-Line позволяет:
исключить амплитудные и частотные искажения;
работать в слабых и нестабильных сетях;
эффективно подавлять импульсные помехи.
При пропадании входного напряжения происходит переход на питание инвертора от батарей с нулевым временем переключения без скачка амплитуды и фазы выходного напряжения. Таким образом, On-Line ИБП представляет собой станцию эталонного синусоидального напряжения.
Выходная форма напряжения формируется самим источником и никоим образом не связана с формой напряжения в сети общего назначения. Благодаря минимум двойному преобразованию обеспечивается высокая изоляция выходного напряжения от влияния внешней сети и наоборот, что существенно для защиты информации от несанкционированного доступа со стороны сети общего назначения.
Наиболее совершенные On-Line ИБП выполняют до четырех преобразований:
переменное сетевое напряжение -- в постоянное;
постоянное -- в постоянное напряжение промежуточной шины;
напряжения батарей в напряжение промежуточной шины;
напряжения промежуточной шины -- в выходное переменное напряжение.
ИБП такого типа снабжены входными и выходными фильтрами, разделительными трансформаторами. Они допускают широкий диапазон изменения входного напряжения без отбора мощности батарей. Более того, снижением мощности нагрузки можно понизить минимальный уровень напряжения перехода на питание от батарей (до 120 В), что существенно для успешной работы в сети с хронически пониженным напряжением.
Современные On-Line системы способны работать в качестве преобразователей частоты для питания оборудования не соответствующего отечественным стандартам, например, 60 Гц.
Для нормирования степени защиты электронных устройств разработаны тесты, которые моделируют сетевые процессы и позволяют измерить степень защиты нагрузки. Тестирование может осуществляться по спецификации Института Инженеров-электриков IEEE-587. Каждой категории защиты соответствуют определенные условия теста (см. табл. t003).
3.2. ИБП CHLORIDE POWER ELECTRONICS
Ни одна сеть не обладает иммунитетом к проблемам, связанным с питанием. Если сеть не защищена от таких опасностей, как шум линии, отключение питания, скачки и падения напряжения -- вы рискуете столкнуться с потерями информации, производительности и оборудования.
Этот риск сам по себе достаточен для того, чтобы убедить любого руководителя в необходимости защиты электропитания. Никогда не забывайте старую истину: "Предупреждение лучше лечения". Это относится не только к здоровью, но и к состоянию сети.
В ИБП Chloride Power Electronics две архитектуры объединены так называемым интеллектуальным ключом. Выбор одного из описанных выше режимов работы ИБП означает отказ от преимуществ другого. С этим связано появление гибридных моделей, способных работать в нескольких режимах. Цифровой режим Line-Interactive обеспечивает высокую надежность при максимально низких эксплуатационных затратах. Режим двойного преобразования -- наивысшую степень защиты и показатели качества электроэнергии.
ИБП Chloride Power Electronics осуществляют:
автоматический контроль за рабочими характеристиками;
управление инверторами на высокой частоте;
программное управление нагрузками;
выдачу сообщения о корректирующих действиях при восстановлении оптимальных условий работы.
Общие сведения об ИБП Chloride Power Electronics представлены в табл. t005.
Модель Synthesis
ИБП Synthesis (рис. p021), структурная схема которого представлена на рис. p046, включает:
входной преобразователь 1;
батарею аккумуляторов 2;
инвертор 3;
преобразователь 4;
переключатели S1...S5;
предохранители F1...F3.
ИБП имеет два входа. Управление может осуществляться программно и в ручном режиме. В автоматическом режиме схема управления изменяет структуру в соответствии с парами нагрузки. Нагрузка может питаться через: основной вход -- преобразователи 1, 3 или батарея -- преобразователь 3; дополнительный вход -преобразователь 4 (переменного тока в переменный).
Ручной сервисный переключатель S1 и синхронные тиристорные S2...S5 позволяют изменять архитектуру источника без перерывов питания. Входной преобразователь выполняет функции выпрямителя и зарядного устройства.
При отключении питания по одному из входов источник питает нагрузку от батарей. Наличие двух входных линий позволяет использовать ИБП Synthesis совместно с автономными источниками без доработок.
Например, дизель-генератор с автоматическим запуском (см. гл. 4.1) может подключаться к основному входу. При отключении сетевого напряжения по дополнительному входу, источник будет питать нагрузку на время запуска и выхода на режим генератора. После появления устойчивого напряжения от генератора на основном входе источник переключит нагрузку на генератор. Система двойного преобразования надежно защищает нагрузку от девиации частоты -- основного недостатка дизель-генераторных установок.
Технические характеристики ИБП Synthesis представлены в табл. t006. Здесь представлены однофазные и трехфазные ИБП от 6 до 20 кВА. Отличительной особенностью моделей Synthesis является высокий коэффициент мощности на входе.
Аккумуляторная батарея, как сердце каждого ИБП -ответственный элемент. Герметизированные батареи, которыми оборудован Synthesis, не нуждаются в обслуживании, но требуют бережного отношения (см. гл.2). Использование автоматического управления зарядными характеристиками позволяет максимально увеличить срок службы батареи (до 30%). Автоматика осуществляет:
температурно-компенсированный заряд батареи;
автоматическое тестирование батареи;
контроль циклов заряда-разряда;
регулирование напряжения окончания заряда в зависимости от длительности разряда;
расчет времени автономной работы в зависимости от реальных условий.
Наращивание мощности может осуществляться двумя путями:
параллельным подключением дополнительных ИБП;
модернизацией имеющегося ИБП (см. стр. 106).
Модель EDP-90
Отличительной особенностью ИБП серии EDP-90 является широкий диапазон мощностей и возможность подключения нелинейной нагрузки. Это возможно благодаря использованию дополнительных фильтров. Тщательная фильтрация напряжения позволяет нормировать характеристики напряжения до 19 гармоники. В результате гарантируется коэффициент мощности до 0,9 при работе с нелинейной нагрузкой.
ИБП серии EDP-90 устойчиво работают с дизель-генераторами. Этому способствует как эффективная фильтрация, так и структурные особенности источников.
Структурная схема ИБП EDP-90 представлена на рис. p044. Она включает:
входной преобразователь 1;
батарею аккумуляторов 2;
инвертор 3;
синхронный переключатель 4;
переключатели S1...S4;
предохранители F1...F3.
В отличие от структуры Synthesis (рис. p046) EDP-90 содержит статический трехвходовой ключ. Он позволяет синхронно переключать структуру ИБП при подключенной нагрузке большой мощности без фазовых скачков. При больших мощностях такие скачки наиболее опасны.
Степень защиты нагрузки
Если условия подачи электроэнергии нестабильны, например, если оборудование подвергается постоянным отключениям (десятки раз в год) или сеть выполнена более 10 лет назад -- в такой ситуации следует продумать повышение степени защиты (количество и тип защищаемых компонентов сети), а также выбор модели развертываемых ИБП. Высокий уровень защиты также необходим в случае, когда повседневная жизнь организации в значительной степени зависит от работы сети.
Каждый ИБП должен обеспечивать необходимый уровень защиты питания. Уровень защиты конкретного оборудования зависит от качества энергоснабжения и возможных затрат, которые компания понесет в случае снижения производительности или выхода из строя дорогостоящего оборудования. Повышение надежности систем бесперебойного питания обеспечивают:
параллельное резервирование устройств;
диспетчерская система технического контроля и обслуживания.
Важным аспектом, который необходимо учитывать при установке ИБП, является выбор производителя, предоставляющего техническую поддержку отвечающую вашим потребностям.
Необходимо изначально получить ответ на вопрос какие затраты повлечет модернизация программного обеспечения и какие типы поддержки доступны?
Интеллектуальные ИБП
ИБП -- весьма важные компоненты любой сети; но мало установить ИБП, необходим еще и контроль над правильностью их работы. Если ИБП больше десятка, то необходим эффективный способ их контроля и управления. Администраторы сетей должны постоянно проверять заряд батарей, а также контролировать температуру и качество проводки.
Управление электропитанием является составной частью системы защиты питания. Chloride Power Electronics предоставляет вместе со своими системами управляющее программное обеспечение. Программно управляемые источники бесперебойного питания называются интеллектуальными. Подобные устройства могут регистрировать события, непрерывно контролировать качество энергоснабжения, сообщать о состоянии батарей и выполнять другую диагностику.
Программное обеспечение ИБП способно строить полезные диаграммы характеристик описывающих качество электропитания, в частности, частоты и уровня напряжения. Используя программы управления ИБП, необходимые характеристики можно отображать или сохранять в базе данных для анализа. Возможность контроля напряжения удобна для предотвращения и диагностирования сбоев в сети. Например, повышенное напряжение распознается и корректируется до того, как оно "сожжет" оборудование.
Повышение надежности ИПБ
Повышение надежности систем электропитания достигается параллельным включением источников (рис. p045). Для обеспечения повышенной надежности система строится по схеме N+1. В случае выхода из строя одного из источников он блокируется, а система продолжает работать. Chloride Power Electronics предлагает две конфигурации параллельных систем:
централизованные (с выходным устройством СОС -- Common Output Cubicle);
распределенные.
Достоинство первой конфигурации -- простота обслуживания и управления. Недостаток -- увеличение стоимости за счет СОС.
Достоинства второй конфигурации -- простота инсталляции и цена. Недостаток -- сложность обслуживания и ремонта.
Удаленный контроль и управление
ИБП Chloride Power Electronics кроме традиционных атрибутов включает современную систему теледиагностики LIFE. Она позволяет обслуживать ИБП из центра технического обслуживания ежедневно в автоматическом режиме. Такой сервис позволяет не тратить время на обслуживание. ИБП передает по модему всю информацию о своем рабочем состоянии в центр технического обслуживания в установленное время и, конечно же, в любой момент, если произошло отклонение заданных параметров от нормы.
Такая связь позволяет персоналу центра непрерывно наблюдать за работой источников. Анализируя функционирование ИБП и параметры сети специалисты центра в случае неисправности сразу прибудут для устранения неполадок без дополнительного приглашения.
Украинская фирма "Селком" предлагает индивидуальное проектирование, поставку, установку, монтаж и обслуживание систем бесперебойного электропитания (см. стр. 106).
3.3. ИБП AMERICAN POWER CONVERSION
По данным журнала "Line Magazine" около 50% мирового объема продаж ИБП малой и средней мощности принадлежит American Power Conversion (APC).
По мнению авторизованных дистрибьютеров APC в Украине наибольшее распространение, к настоящему времени, получили ИБП Back-UPS.
Приборы этой серии перекрывают диапазон мощностей от 250 до 1250 ВА, что соответствует полезной мощности от 170 до 900 Вт. Основное отличие от других серий -- форма выходного напряжения (рис. p030 а).
На рис. p031 показана структурная схема ИБП этой серии. Источник работает в двух режимах. Выбор режима "Standby" или "Батарея" регламентирует приоритет одной из двух цепей питания. В режиме "Standby" нагрузка подключена через ограничитель напряжения и фильтр непосредственно к сети.
Самой распространенной проблемой сетей питания для компьютеров является пониженное напряжение. Безусловным достоинством блоков моделей Back-UPS является малое время переключения -- 2...4 мс включая время распознавания.
Во всех моделях серии Back-UPS переключение нагрузки на работу от батарей происходит при снижении сетевого напряжения ниже 196 B +5%, а у моделей Back-UPS 900 и 1250 и при превышении 264 B +5% [11].
Следует отметить другую проблему зачастую превосходящую предыдущую -- броски напряжения в сети. Источники предотвращают повреждение и увеличивают срок службы компьютеров. Справедливости ради, отметим, что тем самым они укорачивают свой срок службы. Зарегистрированы случаи превышения сетевого напряжения выше 300 В. В таких случаях ИБП, не имеющий защиты от перенапряжения по входу, защищая компьютер выходит из строя.
3.3.1. ВТОРОЕ И ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ ИБП APC
Представители второго поколения ИБП APC -- Smart-UPS. Маломощные модели этой серии выполнены в виде подставки под монитор (AP 250i и AP 400i см. табл. t014).
В отличие от Back-UPS модели Smart-UPS вырабатывают трапецеидальное, ступенчатое или синусоидальное напряжение и имеют промежуточные режимы работы. Например, приборы серии Smart-UPS XL работают следующим образом:
при напряжении сети в интервале 253...282 В прибор переходит в режим ограничения напряжения (Trim);
при напряжении сети в интервале 176...196 В прибор переходит в режим повышения напряжения (Boost);
при напряжении ниже 173 В или выше 282 В переключается на батарею аккумуляторов (см. табл. t014).
Smart-UPS 2000 состоит из двух блоков. В одном находятся батареи, а в другом -- электроника. Он допускает подключение до 10 дополнительных батарей.
ИБП серий Back-UPS Pro и Matrix-UPS
Маломощные модели BP280I, BP420I и BP650I при работе от батарей на выходе генерируют сигнал трапецеидальной формы. Модели BP1000I и BP1400I -- сигнал ступенчатой формы (рис. p030 б).
ИБП Back и Smart второго поколения не имеют отключения нейтрали. Модели третьего поколения (рис. p036) разрывают оба сетевых провода. Это повышает электробезопасность источников третьего поколения.
Matrix-UPS состоит из трех блоков:
управления;
трансформаторов;
аккумуляторов.
Блочное исполнение позволяет оперативно наращивать количество батарей и, таким образом, увеличивать время автономной работы до 3-х часов.
Структурная схема Matrix-UPS представлена на рис. p035. Коррекция напряжения без перехода на батареи осуществляется переключением обмоток трансформатора.
Matrix-UPS построен по гибридной схеме Line-Interactive. Входная обмотка трансформатора W1 осуществляет гальваническую развязку нагрузки с сетью. Выходное напряжение ИБП корректируется переключением вторичных обмоток трансформатора Т1. Переключатель S2 обеспечивает коэффициент трансформации Т1 равным 1 (bypass).
Летом этого года APC объявила о выпуске новых ИБП Symmetra Power Array мощностью 6...20 кВА. Они разработаны для защиты нескольких серверов и важных деловых приложений.
3.3.2. ВЫБОР ИБП
Все электрические устройства потребляют энергию. В документации изготовители приводят полную или активную потребляемую устройством мощность.
Полная мощность представляет собой геометрическую сумму активной и реактивной мощности. Она определяет максимальную электрическую нагрузку оборудования. Значение полной мощности в цепи переменного тока определяется произведением эффективных значений тока и напряжения. Она измеряется в вольтамперах (см. табл. t013) [12].
Активная мощность характеризует полезную электрическую мощность. При комплексной нагрузке в цепи переменного тока только активная составляющая является полезно используемой. Активная мощность измеряется в ваттах (см. табл. t013).
Реактивная мощность не оказывает непосредственного воздействия на нагрузку. Она обусловлена возникновением поля при наличии в цепи индуктивности или емкости. Отличие формы тока или напряжения от синусоидальной вызывает возникновение мощности искажений как составляющей реактивной мощности. Такие искажения присутствуют и при использовании ИБП с несинусоидальной формой выходного напряжения.
Коэффициент мощности характеризует ту часть полной мощности, которая обусловлена активной составляющей и является полезной. Коэффициент мощности -- отношение активной составляющей мощности устройства к полной мощности.
При синусоидальной форме напряжения и тока за коэффициент мощности принимают значение косинуса угла сдвига фаз между фазным током и напряжением.
С экономической точки зрения потребителем энергии с помощью компенсирующих схем должны приниматься меры к тому, чтобы в электрических сетях между генератором и нагрузкой имело место как можно меньшее колебание реактивной мощности, т.е. коэффициент мощности должен иметь как можно более близкое к 1 значение (не следует путать коэффициент мощности с коэффициентом полезного действия, который определяется как отношение входной мощности к выходной).
Преимущественно все устройства обладают реактивностью. Большинство нагрузок имеет индуктивный характер (см. табл. t023). Коэффициент мощности узлов компьютеров, находится в пределах 0,6...0,8. Повышение коэффициента мощности приводит к экономии электроэнергии. Этого можно достичь используя ИБП. Во многих случаях увеличение коэффициента входной мощности, кроме снижения потребления электроэнергии, предотвращает также повышение тарифов на электроэнергию, которые взимаются за коэффициент мощности ниже 0,9.
Соотношение между активной мощностью нагрузки и полной мощностью ИБП должен составлять приблизительно 0,7.
Например, для компьютера мощностью 170 Вт выбирают ИБП мощностью 170 Вт/0,7 = 250 ВА.
Выбирая ИБП или стабилизатор необходимо использовать в расчетах максимальное значение мощности нагрузки. Для надежной продолжительной работы ИБП значение мощности должно быть выше расчетного значения на 20...50%.
Время работы от батареи определяет период, в течение которого ИБП обеспечивает электропитание (при определенной величине нагрузки) защищаемого устройства. В общем случае время работы батареи следует принять равным, по крайней мере, пятнадцати минутам. Иначе гарантировать работу компонентов сети в течение периода времени превышающего обычную продолжительность отключения питания весьма проблематично. Если этого недостаточно, выберите ИБП с возможностью наращивания емкости батарей и рассмотрите возможность приобретения резервного генератора (см. гл. 4.1).
Все ИБП оснащены герметизированными (см. гл. 2), не требующими ухода, кислотными аккумуляторами. Изготовители указывают сок службы аккумулятора 3...6 лет в составе ИБП.
Как показывает практика, срок службы батарей редко достигает нижней границы, что обусловлено нестабильностью сетевого напряжения в сетях. Поэтому целесообразно приобретать ИБП в авторизованных центрах APC, которые выполняя гарантийные обязательства фирмы-изготовителя производят безвозмездную замену аккумуляторных батарей вышедших из строя во время гарантийного срока эксплуатации. Один из авторизованных представителей APC -- фирма "Епос" (см. стр. 106).
3.3.3. СОЕДИНЕНИЕ ПРИБОРОВ
Правильность подключения приборов определяется схемой используемой сети и правильно выполненными заземлением и занулением. Подавляющее большинство сетей -- сети с заземленной нейтралью.
Различают заземление защитное и рабочее. Защитным заземлением называется заземление части электроприбора с целью обеспечения электробезопасности. Рабочим заземлением называется заземление какой-либо точки токоведущих частей электроприбора необходимое для обеспечения его работы.
Единственным назначением защитного заземления является защита человека от поражения электрическим током. Поэтому ни в коем случае нельзя заземлять приборы на трубы водоснабжения, отопления и другие, не предназначенные для этого, предметы. Этим Вы подвергаете опасности себя и других людей, например, обслуживающих системы водоснабжения. В дополнение можно добавить, что ничего кроме вреда такое "заземление" не принесет.
Занулением называется преднамеренное соединение частей электроприбора, нормально не находящихся под напряжением, с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока или с глухозаземленным выводом источника однофазного тока или с глухозаземленной средней точкой источника в сетях постоянного тока. Назначение зануления -вызвать срабатывание защиты с целью предотвращения выхода прибора из строя.
Большая часть приборов, которые питаются через ИБП, например, компьютеры, оргтехника и пр. подключаются по трехпроводной схеме. При этом используются штатные соединители, представленные в табл. t022. Выбор соединителя осуществляется исходя из максимально допустимой мощности подключаемых приборов.
Использование специальных соединителей позволяет исключить непреднамеренное подключение бытовых приборов, например, пылесоса или кипятильника в сеть источника бесперебойного питания. Такое включение может вывести ИБП из строя.
Кроме того, неправильное подключение приборов, связанных между собой через интерфейс, при подключении к разным фазам электросети или неправильно выполненном заземлении приведет к повреждению обоих приборов. Применение специальных соединителей также исключает непреднамеренное ошибочное подключение приборов.
Если несколько устройств связаны между собой линией данных (см. рис. p047), то устойчивость обмена в большой степени определяется правильно выполненными соединениями.
Основным условием является следующее: все заземляющие проводники, идущие от устройств, должны соединяться в одной точке. Если это условие не выполняется в сети возникает шум.
Различают шумы общего вида и межсистемные шумы. Шумы общего вида возникают во всех активных устройствах и, в основном, хорошо подавляются источниками питания.
Одна из причин возникновения межсистемных шумов -протекание уравнивающих токов. Они вызваны неравенством потенциалов соединяемых точек. Уравнивающие токи протекают по общему проводу линии данных, например, интерфейсов соединенных между собой устройств заземленных на различные контуры, при неравных потенциалах точек заземления или неправильном подключении заземляющего провода.
3.3.4. ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ ИБП
При нестабильности в сетях из-за близко расположенных строек, трамвайных линий, ИБП постоянно переходит на работу от батарей не успевая заряжать аккумуляторы. В таких случаях не только уменьшается срок службы аккумуляторов, но и выходят из строя коммутирующие элементы.
Вышедший из строя ИБП нецелесообразно пытаться отремонтировать самостоятельно. Отсутствие технической документации, комплектующих и стенда для контроля сведут ваши усилия на нет.
После ремонта на стенде контроля осуществляется регулировка формы, частоты и амплитуды выходного сигнала; уровни заряда батарей и переключения нагрузки. Приборы проверяются тестами нагрузки и короткого замыкания, на время удержания и т.д.