Ибп в качестве источника электроэнергии

Содержание

ИБП в качестве источника электроэнергии

Источник бесперебойного питания (ИБП) представляет собой устройство, которое при значительном отклонении параметров питающего напряжения от нормы (или при полном его пропадании) способно обеспечить на определённое время нормальное электропитание нагрузки. Для реализации подобной возможности в ИБП могут использоваться подзаряжаемые при нормальной работе сети аккумуляторные батареи и специальные преобразовательные устройства – инверторы. При этом время непрерывной работы резервных источников питания определяется техническими характеристиками самого устройства.

Целесообразность применения ИБП определяется самим названием устройства. Вполне очевидно, что используют такие устройства в случае «проблемного» электропитания, причём под проблемой понимаются не только резкие колебания напряжения в сети или периодические отключения электрической энергии, но и её качественные характеристики.
В нашей стране документом, регламентирующим качество питающего напряжения, является государственный стандарт ГОСТ 13109-97 («Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»).

Согласно этому стандарту основными параметрами, определяющими качество электропитания, являются:
– значения фазных и линейных напряжений;
– значения фазных токов и токов нейтрали;
– активная, реактивная и суммарная мощность в нагрузке;
– частота переменного тока в сети;
– спектральный состав сигнала переменного тока и напряжения (суммарный коэффициент гармоник);
– величина коэффициента фликера, связанного с наличием негармонических составляющих в питающем напряжении и многие другие.

Значения указанных параметров далеко не всегда соответствуют допустимым значениям приведённого выше стандарта, и очень часто такие отклонения наблюдаются не только в сельских районах, но и во многих городских энергосистемах. Подобное «проблемное» электропитание нередко приводит не только к сбоям и отказам в работе электрооборудования, но и к преждевременному его износу.

Проведённые исследования по влиянию различных отклонений электропитания от нормы на рабочие характеристики и срок службы электрооборудования выявили следующую статистику:
превышение напряжения на 10% от нормы снижает срок службы ламп накаливания в 3-5 раз;
– такое же снижение напряжения вызывает уменьшение уровня световой отдачи ламп накаливания на 40 % (для люминесцентных ламп – 15 %), а при значительном снижении напряжения наблюдается устойчивое мерцание ламп;
– небольшое снижение питающего напряжения асинхронного электродвигателя (10-15 %) снижает его пусковой момент на 25 %. При таком напряжении двигатель может просто не запускается, а уже работающий – остановиться;
– снижение напряжения питания всего на 1 % в асинхронном электродвигателе приводит к увеличению потребляемой им реактивной мощности на 5 %;
– разнополярные колебания величины питающего напряжения электродвигателя приводят к повышенному нагреву его обмоток и вызывают преждевременное их старение, что существенно снижает срок службы двигателя.

Отклонения параметров питающего напряжения от нормы особо опасны для электронной бытовой техники и оргтехнических изделий. При внезапном отключении электроэнергии в подобных устройствах возможна полная потеря важной информации; блоки питания электронных устройств и входящие в их состав микросхемы постоянно подвергаются опасности выхода из строя.
Именно по этим причинам единственным разумным способом разрешения всех проблем с энергоснабжением является использование ИБП, способного поддерживать параметры питающего напряжения в заданном (нормированном) диапазоне.

При использовании ИБП любое превышение параметрами сетевого напряжения заданных границ этих значений приведёт к автоматическому переключению ИБП на автономный режим работы с электропитанием от встроенных аккумуляторов.

Как устроены и работают источники бесперебойного питания (ИБП)

Требования к качеству электроэнергии законодательно прописаны государственными стандартами и довольно жесткими нормативами. Электроснабжающие организации прилагают много усилий для их соблюдения, но, они не всегда реализуются.

В наших квартирах, да и на производстве, периодически возникают:

полные отключения электричества на неопределенное время;

апериодические кратковременные (10÷100 мс) высоковольтные (до 6 кВ) импульсы напряжения;

всплески и снижения напряжения с различной продолжительностью;

накладки высокочастотных шумов;

Все эти неполадки отрицательно влияют на работу бытовых и офисных потребителей электроэнергии. Особенно страдают от качества электропитания микропроцессорные и компьютерные устройства, которые не только совершают сбои, но и могут полностью потерять свою работоспособность.

Назначение и виды источников бесперебойного питания

Чтобы сократить риски от возникновения неисправностей питающей электрической сети используются резервные устройства, которые принято называть источниками бесперебойного питания (ИБП) или UPS (образовано от сокращения английской фразы «Uninterruptible Power Supply»).

Они изготавливаются с разной конструкцией для решения специфических задач потребителя. Например, мощные ИБП с гелиевыми аккумуляторами способны поддерживать энергоснабжение целого коттеджа в течение нескольких часов.

Их АКБ получают заряд от линии электропередач, ветрогенератора, солнечных батарей или других носителей электроэнергии через выпрямительное устройство инвертора. Они же подпитывают электрические потребители коттеджа.

Когда внешний источник отключается, то аккумуляторы разряжаются на подключенную в их сеть нагрузку. Чем больше емкость АКБ и меньше ток их разряда, тем дольше они работают.

Иисточники бесперебойного питания средней мощности могут резервировать питание электрических котлов, систем поддержания микроклимата в помещениях и подобного оборудования.

В то же время самые простые модели UPS способны только завершить программу аварийного отключения компьютера. При этом длительность всего процесса их работы не превысит 9÷15 минут.

Компьютерные источники бесперебойного питания бывают:

встроенными в корпус устройства;

Первые конструкции распространены в ноутбуках, нетбуках, планшетах и подобных мобильных устройствах, работающих от встроенного аккумулятора, который снабжен схемой переключения питания и нагрузки.

АКБ ноутбука со встроенным контроллером является источником бесперебойного питания. Его схема в автоматическом режиме защищает работающее оборудование от неисправностей электросети.

Внешние конструкции ИБП, предназначенные для нормального завершения программ стационарного компьютера, изготавливаются отдельным блоком.

Их подключают через сетевой адаптер питания к электрической розетке. От них запитывают только те устройства, которые отвечают за работу программ:

системный блок с подключенной клавиатурой;

монитор, отображающий происходящие процессы.

Остальные периферийные устройства: сканеры, принтеры, акустические колонки и другое оборудование от UPS не запитывают. Иначе они при аварийном завершении программ будут забирать на себя часть энергии, накопленной в аккумуляторах.

Варианты построения рабочих схем ИБП

Компьютерные и промышленные UPS изготавливают по трем основным вариантам:

двойного преобразования электроэнергии.

При первом методе резервной схемы, обозначаемым английскими терминами «Standby» или «Off-Line» напряжение поступает из сети к компьютеру через ИБП, в котором электромагнитные помехи устраняются встроенными фильтрами. Здесь же установлен аккумулятор, емкость которого поддерживается током заряда, регулируемым контроллером.

Когда пропадает или выходит за установленные нормативы внешнее питание, то контроллер направляет энергию АКБ на питание потребителей. Для преобразования постоянного тока в переменный подключается простой инвертор.

Преимущества UPS Standby

Источники бесперебойного питания схемы Off-Line обладают высоким КПД, при поданном на них напряжении, тихо работают, мало выделяют тепла и относительно дешевы.

Недостатки

UPS Standby выделяются:

долгим переходом на питание от аккумулятора 4÷13 мс;

искаженной формой выходного сигнала, выдаваемого инвертором в виде меандра, а не гармоничной синусоиды;

отсутствием корректировки напряжения и частоты.

Такие устройства наиболее распространены на персональных компьютерах.

ИБП интерактивной схемы

Их обозначают английским термином ««Line-Interactive». Они выполняются по предыдущей, но более усложненной схеме за счет включения стабилизатора напряжения, использующего автотрансформатор со ступенчатым регулированием.

Это обеспечивает корректировку величины выходного напряжения, но управлять частотой сигнала они не способны.

Фильтрация помех в нормальном режиме и переход на инверторное питание при авариях происходит по алгоритмам UPS Standby.

Добавлением стабилизатора напряжения различных моделей с методиками управления им позволило создавать инверторы с формой сигнала не только меандра, но и синусоиды. Однако, небольшое количество ступеней регулирования на основе релейных переключений не позволяет реализовать функции полной стабилизации.

Особенно это характерно для дешевых моделей, которые при переходе на питание от аккумулятора не только завышают частоту выше номинальной, но и искажают форму синусоиды. Помехи вносит встроенный трансформатор, в сердечнике которого происходят процессы гистерезиса.

В дорогих моделях работают инверторы на полупроводниковых ключах. UPS Line-Interactive имеют большее быстродействие при переходе на питание от АКБ, чем у ИБП Off-Line. Оно обеспечивается работой алгоритмов синхронизации между входящим напряжением с выдаваемыми сигналами. Но при этом происходит некоторое занижение КПД.

ИБП Line-Interactive нельзя использовать для питания асинхронных двигателей, которые массово установлены на всей бытовой технике, включая системы отопления. Их используют для работы устройств с импульсными блоками, где питание фильтруется и выпрямляется одновременно: компьютеров и бытовой электроники.

ИБП двойного преобразования

Эта схема UPS получила название по английскому словосочетанию On-line» и работает на оборудовании, требующем высококачественного питания. В ней производится двойная конверсия электроэнергии, когда синусоидальные гармоники переменного тока постоянно преобразуются выпрямителем в постоянную величину, пропускаемую через инвертор для создания повторной синусоиды на выходе.

Здесь АКБ постоянно подключен в схему, что исключает необходимость его коммутаций. Этим способом практически исключается период подготовки источника бесперебойного питания на переключения.

Работу ИБП On-line по состоянию аккумулятора можно разделить на три этапа:

разряд на работу компьютера.

Период заряда

Цепи входа и выхода синусоиды разорваны внутренним переключателем UPS.

Подключенный к выпрямителю аккумулятор получает энергию заряда до тех пор, пока его емкость не восстановится до оптимальных значений.

Читайте также:  Лестница иакова на строчном трансформаторе

Период готовности

После окончания заряда АКБ автоматика источника бесперебойного питания замыкает внутренний переключатель.

Аккумулятор поддерживает состояние готовности к работе в буферном режиме.

Период разряда

АКБ автоматически переводится на питание компьютерной станции.

У источников бесперебойного питания, работающих по методике двойного преобразования электроэнергии, КПД в режиме питания от линии ниже, чем у других моделей из-за расхода энергии на выделение тепла и шума. Но в сложных конструкциях применяются методики, позволяющие увеличить КПД.

UPS On-line споосбны выправлять не только величину напряжения, но и его частоту колебаний. Это выгодно отличает их от предыдущих моделей и позволяет использовать для питания различных сложных устройств с асинхронными двигателями. Однако, стоимость таких устройств значительно выше предыдущих моделей.

Состав ИБП

В зависимости от вида рабочей схемы в комплект источника бесперебойного питания входят:

аккумуляторы для накопления электроэнергии;

зарядное устройство, обеспечивающее поддержание работоспособности АКБ;

инвертор для формирования синусоиды,

схема управления процессами;

Для удаленного доступа к устройству может использоваться локальная сеть, а повысить надежность схемы можно за счет ее резервирования.

В отдельных источниках бесперебойного питания используется режим «Байпас», когда нагрузка запитывается отфильтрованным напряжением сети без работы основной схемы устройства.

Часть UPS имеет ступенчатый регулятор напряжения «Бустер», управляемый от автоматики.

В зависимости от необходимости выполнять сложные технические решения источники бесперебойного питания могут оснащаться еще дополнительными специальными функциями.

Читайте также по этой теме: Как выбрать ИБП для котла

ЧТО ТАКОЕ БЕСПЕРЕБОЙНОЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

Основным критерием электроснабжения объектов и предприятий, является надежность. С учетом параметров потребителя вопросы надежности решаются на стадии проектирования объекта.

Даже внутри объекта могут быть потребители различных категорий, требующие разного подхода к системе энергообеспечения.

По виду надежности электроснабжения, оно может подразделяться на:

  • гарантированное;
  • бесперебойное.

Гарантированное электроснабжение по своей сути представляет комплекс мероприятий, позволяющих гарантированно получать электроэнергию необходимого качества.

Недостатком такого вида является то, что при прекращении подачи электроэнергии от основного источника, требуется время для переключения на резервную линию.

Бесперебойное электроснабжение позволяет осуществлять подачу электроэнергии потребителю постоянно. Это происходит в случае аварии на основном источнике, без перерывов при переходе в резервную систему электроснабжения.

СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ БЕСПЕРЕБОЙНОГО СНАБЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ

Для обеспечения надежности на объектах требующих постоянного электропитания, как правило, применяют два независимых источника электроснабжения. При наличии особой группы потребителей, устанавливают ещё и резервный источник электроэнергии – электрогенератор.

В зависимости от периодов отключения электроэнергии, выстраивается и бесперебойная система электроснабжения.

Периоды отключения от электроснабжения условно делятся на:

  • микро отключения – продолжительностью от нескольких секунд до 5 минут;
  • краткосрочные – локальные аварии, на устранение которых уходит не более 12 часов;
  • среднесрочные – аварии на высоковольтных ЛЭП, с продолжительностью устранения 10 – 24 часов;
  • длительные – повреждения вследствие стихийных бедствий, на ликвидацию которых уходит от 2 до 4 недель.

Реализация системы бесперебойного электроснабжения состоит в установке устройств, которые будут обеспечивать незаметный (плавный) переход с основного на резервный источник и обратно. При этом качество подаваемой электроэнергии не должно изменяться.

Для этого в систему устанавливают источник бесперебойного питания или ИБП. Это приспособление позволит в период отключения электроэнергии выполнить качественный переход на линию резервного питания.

По принципу действия бесперебойники делятся на три основных типа:

  • резервные (off-line) – применяются для защиты компьютеров или иного подобного оборудования, обеспечивают переход на резервную линию питания;
  • линейно-интерактивные (line-interactive) – используется при защите более значительного оборудования (серверных центров начального уровня), выполняют стабилизацию напряжения на выходе в необходимых диапазонах, однако не подходят для защиты чувствительных элементов и приборов, которые используются в технологических процессах непрерывного цикла, медицинского оборудования;
  • с двойным преобразованием (on-line) – самая совершенная бесперебойная система, где энергия преобразуется дважды. Сначала из переменного тока в постоянный ток, и потом обратно в переменный. Обеспечивает за счет этого высокое качество выходной электроэнергии. Период времени для перехода на питание от аккумуляторов в онлайн ИБП равен нулю.

Обычно мощность ИБП указывается в вольт-амперах (ВА) или ваттах (Вт). Как правило, полезная выходная мощность составляет 60 % от показателя в ВА, так при 1000 ВА мощность будет составлять 600 Вт.

КАТЕГОРИИ ОБЪЕКТОВ С БЕСПЕРЕБОЙНЫМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕМ

Все объекты разделены на три категории:

1-ая категория – очень важные.

Остановка этих потребителей приводит к жертвам среди населения, разрыву важных технологических цепочек и срыву процессов, нанесению значительного материального ущерба, безопасности государства. На объектах этой категории гарантировано обеспечение бесперебойного электроснабжения потребителям.

Подача электроэнергии осуществляется от двух независимых источников. Не допускается для потребителей разрыва в электроснабжении. Для переключения с основной линии на резервную линию используется устройство АВР (автоматическое включение резерва).

2-ая категория – важные потребители.

Прекращение поставок электроэнергии для этой категории приводит к общему недовыпуску товаров, неудовлетворительному качеству продукции, ненормированному простою рабочих, прерыванию технологических процессов предприятий.

Получает электроэнергию предприятие также от двух независимых источников. Включение резервного источника производится вручную.

3-я категория – остальные потребители, не входящие в 1-ую и 2-ую категории.

Снабжение этой категории происходит по одной линии. Отрезок времени в подаче электроэнергии не должен превышать 24 часов.

К потребителям, где обеспечивается бесперебойное электроснабжение объектов, относятся особо важные потребители. На объектах этой категории может находиться особая группа потребителей. Эта группа обеспечивается безостановочной поставкой электроэнергии в силу недопущения возникновения ситуаций опасных для жизнедеятельности.

К очень важным потребителям можно отнести:

  • больницы;
  • центральные ПС мощностью 10 МВт и выше;
  • диспетчерские централизованной охраны;
  • контрольные пункты ЖКХ обеспечивающие электроснабжение и освещение городов;
  • музеи государственного значения;
  • крупные гостиницы и государственные структуры;
  • финансовые и банковские структуры;
  • школы, ВУЗы, профтехучилища, техникумы;
  • электрощитовые жилых комплексов с высотой более 16 этажей;
  • крупные торговые центры, рестораны;
  • ИВЦ и серверы, занятые обслуживанием токоприемников первой категории;
  • городские насосные станции;
  • подстанции горэлектротранспорта;
  • ДК, спорткомплексы;
  • котельные 2-ой категории.

АВАРИЙНО РЕЗЕРВНОЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЧАСТНОГО ДОМА

Реализация бесперебойного электрообеспечения частного дома происходит в том же порядке, что и на предприятиях.

В зависимости от решаемых задач, эта система может быть:

  • инверторно-аккумуляторная;
  • иверторно-аккумуляторная с резервным источником.

В качестве резервного источника может выступать бензиновый, дизельный или газовый генератор. Можно также использовать солнечные батареи или ветрогенератор.

Решение о построении той или иной системы зависит от частоты и продолжительности отключений.

Бесперебойное электроснабжение частного дома может выглядеть следующим образом: при отключении электроэнергии питание дома осуществляется через инвертор от аккумуляторов. В этот промежуток времени можно перевести электропитание дома на резервный источник – любой из генераторов.

Если весь процесс автоматический, то через устройство АВР запуск резервного питания происходит без участия человека.

Для реализации бесперебойного электроснабжения дома понадобится:

  • аккумуляторные батареи – их мощность должна покрывать потребности потребителей, для которых отключение нежелательно;
  • инвертор – преобразует постоянный ток батарей в переменный ток;
  • генератор – топливный либо экологический (солнечные батареи, ветрогенератор);
  • АВР – устройство автоматического включения резерва.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Источники бесперебойного питания – разновидности и принципы

В статье рассмотрены виды ИБП, принципы работы ИБП, а также приведены реальные осциллограммы напряжений на выходе.

Для начала – немного общей терминологии. Источники бесперебойного питания (сокращенно – ИБП) у нас так же называют UPS, от английского сокращения Uninterruptable Power Supply (беспрерывный источник питания). Поэтому говорят и УПС (UPS) и ИБП, кому как удобнее. Я в статье буду называть и так, и эдак.

Зачем нужен UPS (ИБП)

Принцип работы ИБП раскрывается в названии – это такой источник, на выходе которого напряжение есть всегда. Но мы здесь собрались технари-реалисты, и понимаем, что ничего вечного нет, поэтому ниже разберемся в принципе действия.

ИБП в основном используются там, где пропадание электропитания может вызвать негативные последствия. Например, питание компьютеров и серверов, питание устройств связи и распределения сигналов (роутеры), питание устройств, автоматическая перезагрузка (перезапуск) которых без участия человека невозможна.

Вот пример, как мой читатель доработал ИБП для стратегически важной системы (2 сервера, и т.д.). Кроме того, усовершенствовал схему, и добавил возможность использования обычного автомобильного аккумулятора.

Для бытовых вещей это прежде всего компьютеры и системы отопления.

Следует понимать, что ИБП выбираются на время работы нагрузки 10-15 мин, редко до получаса. Предполагается, что за это время питание появится, либо человек (оператор) предпримет необходимые действия (сохранит данные, позвонит в энергослужбу предприятия, завершит технологический процесс).

ИБП нельзя рассматривать в качестве резервного источника питания. Он является лишь аварийным источником, и в лучшем случае используется очень редко, в общей сложности не более 10 минут в год (несколько раз, на время не более минуты). Если это время больше, то следует задуматься о повышении качества электропитания.

Виды источников бесперебойного питания

Виды (типы) ИБП имеют множество названий, но их всё равно ровно три. Разберёмся.

Итак, три основных вида ИБП:

Back UPS

Другие равнозначные названия – Off-line UPS, Standby UPS, ИБП резервного типа. Самые распространенные УПС, используются для большинства видов бытовой и компьютерной техники.

Back просто переключает нагрузку на питание от батарей при выходе входного напряжения за пределы. Нижний предел у разных моделей – около 180В, верхний – около 250В. Переходы на батарею и обратно – с гистерезисом. То есть, например, при понижении переход на батарею состоится при 180 В и менее, а обратно – при 185 и более. Тот же принцип действует у всех типов ИБП.

Чем-то напоминает работу реле напряжения, которое отключает нагрузку, а Back UPS не отключает, а переключает на аккумулятор, что позволяет ей некоторое время поработать.

Smart UPS

Другие названия – Line-Interactive, ИБП интерактивного типа. Недалеко ушли по принципу действия от Back.

Smart UPS действуют умнее, как следует из названия. Они ещё дополнительно переключают внутренний автотрансформатор, в некотором смысле стабилизируя входное напряжение. И только в крайнем случае переходят на батарею.

Читайте также:  Как смснуть обогревателю?

Таким образом, норма напряжения на выходе поддерживается при бОльших отклонениях на входе (150…300В). Автотрансформатор имеет несколько ступеней переключения, поэтому Умный УПС до последнего переключает выводы автотрансформатора, включая аккумулятор лишь в последний момент. Это позволяет экономить батарею, включая её в работу лишь при полном пропадании питания.

Данное устройство напоминает релейный стабилизатор напряжения со ступенчатым переключением обмоток автотрансформатора. С той лишь разницей, что при выходе за рабочие пределы стабилизатор будет бессилен, а наша “умница” введёт в работу аккумулятор, и питание не пропадёт.

Online UPS

Другие названия – онлайн, источник бесперебойного питания с двойным преобразованием, инверторный. Совершенно другой принцип действия, для любителей чистого синуса. Энергия со входа преобразуется в постоянное напряжение, и поступает на инвертор, генерирующий чистый синус. И одновременно – поддерживает аккумулятор в 100% готовности. При необходимости инвертор продолжает работать так же, только питание на него поступает с аккумулятора.

Используется для аварийного питания техники, чувствительной к форме выходного напряжения – например, газовые котлы, сервера, профессиональная аудио-видео аппаратура и другое стратегически важное оборудование.

Минусов онлайн ИБП два – цена и КПД. КПД низкий, т.к. такой ИБП включен в работу постоянно, что следует из названия. В отличии от двух других типов.

Существуют разновидности онлайн УПС, в которых используется так называемый “сквозной ноль”, для правильной работы газовых электрокотлов. Это связано с тем, что такие котлы чувствительны к наличию реального нуля, для правильного розжига.

Исследование ИБП с помощью осциллографа

А теперь – самое интересное.

Напряжение на выходе Back UPS

Я провёл исследование с использованием осциллографа Fluke 124. Осциллограммы (форма импульсов и колебаний на выходе ups) привожу и комментирую ниже.

Back UPS. Осциллограмма при переходе с сети на батарею.

Что видно по этой временной диаграмме? Период 20мс, частота 50Гц, амплитуда 315В. Стоит отметить, что фаза синуса и генерируемых импульсов совпадает, что хорошо. При пропадании сетевого напряжения ИБП мешкается 5-7 мс, и затем идут импульсы, которые называются “квази-синус”. Вот они:

Back UPS. Напряжение на выходе при питании от батарей.

Осциллограф померял RMS напряжение (среднеквадратическое), оно соответствует норме. Однако, когда я измерил это же напряжение мультиметром, я получил значение 155 В. Почему на выходе UPS низкое напряжение?

Дело в том, что мультиметр меряет только первую гармонику с частотой 50Гц. Для синуса всё гладко. Но если измерять напряжение таких вот импульсов, надо мерять именно RMS, среднеквадратическое, иначе не будут учтены следующие гармоники – 100, 150, 200 Гц. А они составляют значительную часть энергии, до 30%. Эту особенность знают производители UPS, и чтобы не заморачиваться (и не повышать цену на свои изделия), выдают на наши приборы такие импульсы с амплитудой около 370В.

Подробнее об измерении среднеквадратического несинусоидального напряжения – на видео:

Вот укрупненный график, где видно, что напряжение после переключения сначала повышается на пол секунды до 400В, а потом стабилизируется:

Back UPS. Выход, длительность 2 секунды

А вот как меняется форма напряжения на выходе Back-UPS в момент перехода с батарейного на сетевое питание:

Back UPS, – Напряжение на выходе ИБП при переходе с батареи на сеть. Форма импульсов на выходе ups

Тоже фаза не меняется, всё замечательно. Подключал на выход ИБП пускатель 2-й величины, переключал туда-сюда режимы питания – пускатель втянут надежно, никаких проблем.

В качестве испытуемого был ИБП APC Back-500-RS, параметры на фото ниже:

Параметры Back UPS – задняя панель

Напряжение на выходе Smart UPS

Теперь приведу для полноты картины осциллограммы напряжений на выходе Smart UPS. Испытаниям подвергался UPS Ippon Smart Power Pro 1000.

Время переключения также для всей современной аппаратуры несущественно – менее 7 мс.

Плавного изменения напряжения на входе я не делал, поскольку не было такой цели. Полагаю, что в данном случае Умный ИБП ведёт себя точно так же, как и релейный стабилизатор напряжения.

Данные исследования проведены в рамках проекта по включению ИБП в цепь управления промышленного холодильника.

Некоторые вопросы совместной работы ДГУ и ИБП

Сегодня всё большее число ответственных потребителей электроэнергии – телекоммуникационное и компьютерное оборудование, электрооборудование банков, медицинских центров, диспетчерских служб и т.п., получает питание от систем бесперебойного электроснабжения (СБЭ).

Самое широкое распространение получили СБЭ централизованной и многоуровневой структуры – т.е. такие, в которых имеется мощный источник бесперебойного питания (ИБП), к которому подключается критическая нагрузка или, в случае многоуровневой СБЭ – критическая нагрузка и ИБП младшего уровня. В качестве резервного источника электроэнергии в таких СБЭ, помимо аккумуляторных батарей, всё чаще используются дизель-генераторные установки (ДГУ).

Однако иногда довольно сложно убедить клиента в необходимости установить в СБЭ резервный генератор. Альтернативой ему обычно выступают аккумуляторные батареи. Производство аккумуляторов хорошо освоено промышленностью; надежные и простые в обслуживании они давно и успешно эксплуатируются.

Вместе с тем, если говорить о мощных системах, работающих при длительных пропаданиях основной сети, становятся заметными и недостатки аккумуляторных батарей. Главные из них – значительное время заряда батарей, во время которых критическая нагрузка остается фактически без резервного источника электроэнергии; сравнительно небольшой срок службы, сложности с утилизацией использованных аккумуляторов и их высокая стоимость. Всё перечисленное определило рост интереса проектировщиков и потребителей “чистого электропитания” к автономным генераторам.

Среди автономных генераторов наибольшей популярностью пользуются дизель-генераторные установки. Они универсальны, надёжны, долговечны и давно применяются в народном хозяйстве.

И сегодня мощные СБЭ, как правило, включают в себя и ИБП с аккумуляторными батареями и ДГУ. При питании нагрузки от основной сети или генератора, ИБП повышает качество потребляемой электроэнергии – устраняются нестабильности напряжения, отклонения частоты, высокочастотные помехи и т.п. (рис. 1а). При кратковременном отключении питания ИБП снабжает нагрузку электроэнергией, запасенной в аккумуляторных батареях (рис. 1б). При длительных пропаданиях напряжения нагрузка переключается с батареи на резервный генератор (рис. 1в), причем на время пуска генератора она остается подключенной к батарее.

Рис.1а. Питание ИБП от сети (нормальный режим)

Рис.1б. Питание ИБП от батарей (при кратковременном пропадании сети)

Рис.1в. Питание ИБП от генератора (при длительном пропадании сети)

СБЭ из работающей ДГУ, ИБП и ответственной нагрузки представляет собой автономную энергетическую систему. Элементы системы взаимно влияют друг на друга, и это несколько усложняет анализ и выбора как всей СБЭ, так и отдельных ее звеньев. Самой часто обсуждаемой является проблема выбора мощности ДГУ при известной мощности источника бесперебойного питания.

Проблему согласования мощностей ИБП и ДГУ, на наш взгляд, нужно разделить на две. Одна из них наиболее резко проявляется в момент подключения ИБП к генератору, другая – в установившемся режиме работы ИБП от генератора.

Рассмотрим процесс подключения нагрузки к генератору несколько подробнее.

Для начала вспомним, что наиболее важными характеристиками ИБП являются так называемые “диапазон напряжения без перехода на батареи” и “диапазон частоты без перехода на батареи” – условия, при которых ИБП работает в режиме On-Line, не переходя на батарею. Этот диапазон у большинства производителей определён как U ном (+10/-15)% и f ном (±10)%. Указанные характеристики могут сыграть большую роль при переводе ИБП на генератор и вот почему: при “набросе” нагрузки наблюдаются значительные динамические изменения выходного напряжения генератора и частоты приводного двигателя.

На рис. 2 показано, как изменяется напряжение на выходе генератора при “набросе” нагрузки. График описывает поведение генератора (Newage Stamford HCI 434D) мощностью 295 кВА. Видно, что при подключении нагрузки (295 кВА) напряжение изменяется на 15%. Хочу подчеркнуть, что речь идет именно о резком скачкообразном изменении напряжения, вызванном подключением нагрузки. Несмотря на то, что дизель-генераторы комплектуются автоматическими регуляторами напряжения, дающими стабилизацию напряжения в установившемся режиме ±0,5 или ±1,5%, при подключении нагрузки неизбежные “просадки” составляют 15-20% от номинального напряжения. Итак, при “набросе” нагрузки напряжение и/или частота генератора может выйти за допустимые пределы. ИБП воспримет это как пропадание сети и перейдет на батарею. Генератор окажется в режиме электрического холостого хода, и по прошествию некоторого времени восстановит номинальное напряжение и частоту. ИБП воспримет это как появление сети и вновь перейдет с батареи на генератор. Подключение нагрузки вновь вызовет “просадку” напряжения и частоты генератора – и цикл повторится. Автору известны случаи, когда совместная работа ДГУ и ИБП ограничивалась только такими непрерывными подключениями и отключеньями, вследствие чего батареи были полностью разряжены и критическая нагрузка потеряна.

Рис. 2. Зависимость напряжения на выходе генератора при “набросе” нагрузки

Решить эту проблему следует двумя путями – завысить мощность ДГУ или использовать ИБП с плавным переключением нагрузки с батареи на сеть. Процедура плавного перевода нагрузки, в частности, реализована в ИБП компании General Electric Digital Energy IMV серий SitePro и Image.

О влиянии ИБП на сеть

Мы рассмотрели процессы и эффекты, возникающие при подключении мощного ИБП к генератору. Допустим, нам удалось обеспечить включение ДГУ на ИБП. При их совместной работе на передний план выступает проблема, вызванная наличием в ИБП выпрямителя. Импульсные схемы выпрямителей ИБП служат причиной искажения входных токов. На рис. 3 и 4 показана форма входных токов, характерная для 6-пульсных и 12-пульсных тиристорных выпрямителей. Как видно, при 12-пульсном выпрямителе форма токов несколько ближе к синусоиде, чем при 6-пульсной схеме.

Рис. 3. Форма входных токов, характерная для 6-пульсных тиристорных выпрямителей

Рис. 4. Форма входных токов, характерная для 12-пульсных тиристорных выпрямителей

Несинусоидальные токи, замыкаясь по обмоткам автономного генератора, вызывают дополнительные потери мощности в “стали” и “меди” генератора, значит, снижают величину мощности, отдаваемой в нагрузку. Влияние нелинейных токов на ДГУ этим не исчерпывается. Несинусоидальные токи якоря участвуют в создании магнитного поля машины и приводят к искажению синусоидальности выходного напряжения ДГУ. Хотя несинусоидальное напряжение и не окажет влияния на ответственную нагрузку, защищённую ИБП, оно часто приводит к повреждению или отказу других потребителей, подключённых непосредственно к ДГУ. Кроме того, сильно несинусоидальное напряжение иногда служит причиной некорректной работы автоматического регулятора напряжения и вызывает аварийные остановы ДГУ. Коэффициент несинусоидальности выходного напряжения автономного синхронного генератора не должен быть выше 8 – 10%.

Читайте также:  Управляемый генератор прямоугольных колебаний на attiny2313

Предотвратить дефицит мощности, отводимой в нагрузку, перегрев генератора и искажение синусоидальности выходного напряжения ДГУ можно, если выбрать ДГУ большей номинальной мощности.

Правила подбора ДГУ

Существуют вполне определённые рекомендации для выбора мощности ДГУ при известной мощности ИБП, которые учитывают нелинейность токов, допустимую величину несинусоидальности напряжения генератора и его внутренние параметры. Согласно этим рекомендациям мощность ИБП определяется как

S ибп =S ген *(Х d // , сх / X d // ген ) ,

где S ибп – номинальная мощность ИБП;
S ген – номинальная мощность генератора;
X d // ген – сверхпереходное индуктивное сопротивление генератора по продольной оси ротора при синусоидальной нагрузке (обычно X d // ген = 0,11- 0,15 о.е, указывается в паспортных данных генератора);
Х d // , сх = сверхпереходное индуктивное сопротивление генератора по продольной оси ротора при нелинейной нагрузке.

Х d // , сх при 6-пульсной нагрузке составляет около 0,04 о.е., при 12-пульсной – около 0,09 о.е. Таким образом, при 6-пульсной схеме выпрямления

S ген = S ибп * (2,75. 3,75).

При 12-пульсной схеме выпрямления

S ген = S ибп * (1,22. 1,66).

Следовательно, уменьшая нелинейность нагрузки, можно выбрать генератор меньшей мощности. К методам снижения нелинейности нагрузки ДГУ относятся:

  • применение 12-пульсной схемы выпрямления вместо 6-пульсной (например, ИБП серии Site Pro компании GE DE.IMV);
  • применение выпрямителей на IGBT-транзисторах (ИБП серии Image)
  • применение входных фильтров высших гармоник

В заключение представим некоторые соображения, которыми следует руководствоваться при выборе ИБП и ДГУ при построении системы электроснабжения ответственной нагрузки:

1. Класс ИБП – On-Line, как единственный, защищающий нагрузку от всех существующих неполадок в электросети: высоковольтных выбросов, всплесков напряжения, электромагнитных и радиочастотных помех, кратковременного повышения или понижения напряжения, искажения его формы и, что особенно важно при питании ИБП от ДГУ, от нестабильности частоты.

2. Мощность ИБП выбирается, исходя из требований нагрузки.

3. ИБП в обязательном порядке комплектуется аккумуляторными батареями . По статистике, около 90% сбоев электроснабжения длятся не более 1-3 минут, поэтому совсем отказаться от аккумуляторных батарей и использовать при каждом пропадании напряжения ДГУ неправильно. Во-первых, частые пуски и остановы значительно снижают срок службы генераторного агрегата, в частности, до 36% от общего износа дизельного двигателя приходится на износ при запусках. Во-вторых, резервная ДГУ обладает некоторой инерцией – механической и электромагнитной. Время выхода дизельного двигателя на номинальную частоту вращения занимает 5 – 10 с (при низких температурах – больше), время установления номинального выходного напряжения на зажимах генератора при подаче возбуждения – до 6 с. Вследствие такой инерции ДГУ нагрузка, допускающая перерывы в питании не более 10 мс (либо вообще не допускающая бестоковых пауз), может оказаться обесточенной на несколько секунд. В общем случае время резервирования аккумуляторов выбирается в диапазоне 5-10 минут.

4. Принимаются меры для снижения нелинейных искажений тока, вносимых ИБП в питающую сеть – применяются ИБП с выпрямителями на IGBT-транзисторах, с 12-пульсными тиристорными выпрямителями или с активными выпрямителями. Вместе с тем, мы с осторожностью даем рекомендации к использованию входных фильтров высших гармоник для этих целей. ИБП с гармоническим фильтром представляет собой емкостную нагрузку для генератора, которая при подключении может вызвать резкое увеличение выходного напряжения ДГУ и срабатывание аварийной защиты. Поэтому каждый случай совместной работы ДГУ и ИБП с гармоническим фильтром должен рассматриваться индивидуально.

5. При выборе ИБП отдается предпочтение источникам с системой плавного перевода ИБП на питание с батареи на сеть.

6. При выборе мощности ДГУ учитываются:

o степень создаваемых им искажений входного тока;

o внутренние параметры ДГУ, в частности, X // d .

o диапазон напряжений и частоты сети, при которых ИБП не переходит в автономный режим работы;

o изменения напряжения и частоты ДГУ при 100% “набросе” нагрузки.

o ДГУ комплектуются автоматическим регулятором выходного напряжения и электронным регулятором скорости приводного двигателя.

Как показывает наш опыт, выбор звеньев СБЭ с учётом приведенных выше требований обеспечивает согласованную и устойчивую совместную работу ИБП и ДГУ. Дополнительным преимуществом СБЭ с ДГУ является возможность практически неограниченного времени работы в автономном режиме, т.е. полная независимость электроснабжения ответственной нагрузки от неполадок основной сети.

Об авторе: Оксана Кузьмина, кандидат технических наук, ведущий эксперт компании IBTech

Стабилизатор напряжения или ИБП – что лучше, в чем отличие

Источники бесперебойного питания и стабилизаторы напряжения относятся к преобразователям электроэнергии. Их объединяет то, что они являются промежуточными устройствами между бытовой электрической сетью и приборами-потребителями. Чем отличается стабилизатор напряжения от бесперебойника? В каких условиях и для решения каких задач применяются эти преобразователи? В этой статье мы ответим на эти и другие вопросы, связанные с защитой компьютеров, периферийных устройств, домашней техники от перенапряжения и других проблем бытовой электрической сети.

Для каких целей применяются стабилизаторы напряжения

Стабилизаторы защищают подключаемое оборудование от нестабильных параметров входного напряжения. Их функция – поддерживать номинал электрического тока в допустимых пределах.

Проблемы бытовой сети, для решения которых предназначены стабилизаторы:

  • Повышенное напряжение. Встречается в сетях, которые сильно удалены от линий электропередач. Энергетики практикуют передачу тока повышенного напряжения, что позволяет свести к минимуму потери при его трансляции на значительные расстояния.
  • Пониженное напряжение. Эта проблема характерна для сильно загруженных электросетей и периодам пиковых перегрузок.
  • Резкие скачки напряжения. Происходят в непогоду, а также из-за включения мощного электрооборудования.

Этот прибор обеспечивает высокое качество выходного электрического тока. Благодаря ему, лампочки светят ровно, без мерцания, продлевается срок службы бытовой техники. Установка стабилизаторов необходима в местах, где поблизости расположены ремонтные или производственные мастерские, в которых используются сварочные аппараты или мощные электрические двигатели.

Виды стабилизаторов

В продаже имеются следующие типы стабилизаторов:

  • Релейные (ступенчатые). Это распространенная надежная конструкция, в которой используется трансформатор с несколькими обмотками, подключаемыми с помощью реле. Недостаток – невозможность плавного регулирования.
  • Электромеханические. Регулировка напряжения осуществляется передвижением контакта по трансформаторным обмоткам. Движение контакта осуществляется с помощью электрического двигателя. Регулировка плавная. Минусы – шум при работе и медленная реакция на изменения параметров электросети.
  • Электронные. Это современные стабилизаторы, они бесшумные, с высоким быстродействием и качеством результата. Минусом можно считать только высокую стоимость.
  • Инверторные. Выполняют двойное преобразование переменного электрического тока бытовой сети в постоянный, а затем снова в переменный, имеющий высокую точность параметров. Эффективны в широком диапазоне входных напряжений.

Разновидности и основные функции источников бесперебойного питания

ИБП – это приборы, имеющие в конструкции встроенные аккумуляторные батареи. Производители предлагают ИБП разной функциональности. Резервные источники бесперебойного электропитания типа Off-line обеспечивают автономное электроснабжение подключенных приборов при отказе централизованной электрической сети. Это может произойти из-за погодных условий, аварий, веерных отключений. При отключении бытовой электросети или при выходе ее параметров за пределы допустимых значений ИБП переключают обслуживаемые приборы на автономное электропитание от аккумуляторных батарей. Такие ИБП функции стабилизаторов не выполняют, то есть не улучшают параметры выходного напряжения.

Преимущества этих устройств:

  • высокий КПД;
  • низкий уровень шума;
  • незначительное выделение тепла;
  • невысокая стоимость.

Недостатками ИБП Off-line являются: относительно длительный период переключения (до 12 мс), невозможность улучшить параметры выходного напряжения. Такие бесперебойники обычно приобретают для защиты несохраненной информации при внезапном отключении электропитания. Устройства позволяют нормально завершить работу всех компонентов ПК. В ноутбуках функции бесперебойника выполняет встроенный аккумулятор.

Производители предлагают еще один тип источников бесперебойного питания – Line-interaktive (интерактивный). От ИБП Off-line он отличается присутствием ступенчатого стабилизатора, изготовленного на базе трансформатора. Этот бесперебойник позволяет получить в автономном режиме выходное напряжение с требуемыми параметрами. Параметры напряжения бытовой сети прибор корректировать не может. Время переключения на автономное питание у ИБП Line-interaktive меньше, чем у ИБП Off-Line, но и КПД тоже ниже. Ограничение по применению приборов Off-Line – невозможность применения для питания техники с асинхронными двигателями: холодильниками, электрическими плитами, микроволновыми печами, стиральными машинами.

В каких условиях лучше использовать стабилизатор, а в каких бесперебойник?

Источники бесперебойного питания Off-line и Line-interaktive устанавливают в тех случаях, если параметры сети приближены к нормальным, но возможны эпизодические или периодические отключения централизованного электроснабжения.

В электросетях с частыми или постоянными нестабильными характеристиками обычно применяют стабилизаторы. В местах с плохим качеством электроэнергии и частыми отключениями рекомендуется применить комплексный подход, установив одновременно источник бесперебойного питания и стабилизатор.

Можно ли использовать бесперебойник как стабилизатор?

В продаже есть устройства, выполняющие одновременно функции бесперебойников и стабилизаторов сетевого напряжения – ИБП с функцией двойного преобразования On-line.

ИБП On-line обеспечивают:

  • стабилизацию и нормализацию напряжения электрической централизованной сети в широком интервале значений в режиме онлайн;
  • высокое качество выходного напряжения;
  • при пропадании напряжения в бытовой сети – переход на режим автономного электропитания от аккумуляторных батарей.

Эти устройства используют для защиты:

  • телекоммуникационного оборудования, выход из строя которого может оставить без внутренней и внешней связи крупные предприятия и учреждения;
  • сетевого оборудования – серверов, хранилищ, их сбой может остановить производственные процессы на длительное время;
  • касс, терминалов, без которых невозможно нормальное функционирование коммерческих учреждений;
  • медицинского оборудования;
  • энергозависимой котельной техники;
  • другого оборудования с высокими требованиями к качеству электроснабжения.

Промежуток для переключения ИБП On-line с централизованного электропитания на автономное от АКБ отсутствует, поскольку аккумуляторные батареи функционируют в буферном режиме. Прибор позволяет скорректировать частоту синусоиды тока и является эффективным стабилизатором.

При выборе подходящего стабилизатора или ИБП для защиты бытовой, медицинской и офисной техники учитывают: задачи, которые она должна выполнять, условия работы, бюджет, запланированный для покупки.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector