Системы бесперебойного электроснабжения

Схемы 1:1 и 3:1 целесообразно применять для мощностей нагрузки до 30 кВА, при этом симметрирование не требуется, и мощность инвертора используется рационально. Следует иметь в виду, что байпас в таких схемах является однофазным и при переходе ИБП с инвертора на байпас для входной сети ИБП 3:1 становится несимметричным устройством, подобно ИБП 1:1. Проектом должен быть предусмотрен режим работы на байпасе, т.е. электрическая схема не должна подвергаться перегрузкам, и: КЭ не должно выходить за установленные пределы при переходе ИБП на байпас.

На рис. 8 приведена схема ИБП 3:1.

Рис. 8. ИБП по схеме 3:1

Особенностью данной схемы является наличие на входе конвертора 3:1. При его отсутствии ИБП имеет схему 1:1. Наличие конвертора не только превращает ИБП 1:1 в 3:1, но и позволяет осуществлять работу на байпасе в симметричном режиме.

На рис. 9 приведена схема ИБП по схеме 3:3.

Рис. 9. ИБП по схеме 3:3

 

В отличие от схемы на рис. 8 здесь имеется зарядное устройство для оптимизации режима заряда аккумуляторной батареи и преобразователь постоянного тока — бустер (booster DC/DC), позволяющий облегчить работу выпрямителя за счет снижения глубины регулирования. Таким образом, обеспечивается меньший уровень гармонических искажений входного тока. В некоторых случаях такую схему называют схемой с тройным преобразованием.

Принципиально нет предпосылок выделять такие схемы в отдельный тип ИБП, так как остается общим главный принцип — выпрямление тока с его последующим инвертированием. Разумеется, в звене постоянного тока могут присутствовать сглаживающие ёмкости, а в некоторых случаях — дроссель. Источник работает по схеме 3:3 в любом режиме — при работе через инвертор (режим on-line) и при работе на байпасе. По отношению к питающей сети работа в режиме on-line является симметричной, тогда как работа на байпасе зависит от баланса нагрузок по фазам. Впрочем, сбалансированность нагрузок по фазам в первую очередь важна для рационального использования установленной мощности самого источника, а но отношению к питающей сети небаланс по фазам при работе на байпасе может проявить себя только при работе с ДГУ. Но в этом случае решающим будет не симметрия нагрузки, а её нелинейность.

В настоящее время для повышения эффективности (КПД) применяется комбинированная схема, суть функционирования которой заключается в следующем. Выделяется диапазон входного напряжения, как правило ±6...10%, в котором ИБП работает в так называемом экономичном режиме (переходит на статический байпас), а при выходе входного напряжения из этого диапазона ИБП в течение 2...4 мс переходит в режим on-line. Все потери электроэнергии в этом режиме сводятся к потерям в проводниках и тиристорах статического байпаса. КПД при этом приближается к 98%.

Однако и у этой схемы имеются некоторые недостатки:

• при применении таких ИБП в качестве централизованных в двухуровневой схеме СБЭ диапазон напряжения, в котором осуществляется работа в экономичном режиме, должен быть меньше диапазона напряжения ИБП второго уровня до перехода на питание от батарей, чтобы не вызвать перехода ИБП второго уровня в автономный режим;
• при работе в экономичном режиме ИБП не защищает входную сеть от гармонических искажений тока, вызываемых нагрузкой с импульсными блоками питания. Как следствие, необходимо увеличение сечения нейтрального проводника на входе ИБП и значительное увеличение мощности ДГУ (по данным фирмы АРС, мощность ДГУ должна превышать расчетную мощность ИБП в 6...9 раз). При работе ИБП с ДГУ соизмеримой мощности следует средствами конфигурирования ИБП исключать экономичный режим работы.

 

Конструктивное исполнение ИБП определяется их назначением, номинальной мощностью и временем автономной работы. ИБП состоят из системного блока и аккумуляторной батареи. Системный блок ИБП представляет собой шкаф, в который устанавливаются выпрямитель, инвертор и система управления, включая пульт. У ИБП, выполненных по типу двойного преобразования, количество шкафов системного блока зависит от комплектации выпрямителя. Комплектация выпрямителя зависит от выбранных мер по ограничению гармонических искажений. Могут устанавливаться дополнительные шкафы с 12-импульсным выпрямителем, фильтром подавления гармоник, изолирующим трансформатором. ИБП, выполненные по типу одиночного и дельта-преобразования, дополнительно могут иметь только шкафы с изолирующими трансформаторами.

АБ для ИБП средней и большой мощности имеет большую массу (до нескольких тонн) и поставляется в разобранном виде: аккумуляторы и шкаф аккумуляторных батарей. Шкафы аккумуляторных батарей бывают нескольких типоразмеров, в зависимости от емкости применяемых аккумуляторов и требуемого времени автономной работы. В шкаф устанавливаются аккумуляторы и защитно-коммутационный аппарат звена постоянного тока — блок рубильник-предохранитель или автоматический выключатель. Монтаж АБ на объекте заключается в сборке аккумуляторов в батарею и подключении АБ кабелем к системному блоку.

ИБП средней мощности могут размещаться в одном шкафу вместе с АБ. Такая компоновка применяется как базовая комплектация. При необходимости увеличения емкости АБ устанавливается дополнительный шкаф АБ.

Охлаждение ИБП является принудительным и выполняется встроенными воздушными вентиляторами. Существуют модели ИБП с водяным охлаждением. Снятые теплоизбытки отводятся из помещения ИБП системами приточно-вытяжной вентиляции или мощными кондиционерами-охладителями (в комплект ИБП не входят).

ИБП малой мощности выполняются в едином конструктиве, содержащем собственно ИБП и аккумуляторную батарею. В случае необходимости применения дополнительных аккумуляторных батарей их помещают в аналогичный корпус. Конструкция ряда моделей ИБП малой мощности позволяет производить замену аккумуляторной батареи без отключения нагрузки («горячая» замена — hot swap).

ИБП малой мощности выполняются также в специальных корпусах, встраиваемых в стандартные шкафы (типоразмер — 19") для активного сетевого оборудования и серверов (Rack-Mount UPS, RM LJPS).

Среди рассмотренных типов ИБП следует выделить так называемые энергетические массивы (power array). Выполненные по типу двойного преобразования и принципу избыточности N+1 («горячий резерв»), эти ИБП представляют собой параллельную систему модулей ИБП в одном корпусе, имеющую способность продолжать работу при выходе из строя силового модуля (модуля преобразователей), модуля батарей или модуля управления.

Силовой модуль представляет собой блок, содержащий выпрямитель и инвертор, устанавливаемый в корпус энергетического массива для параллельной работы с другими силовыми модулями. Существуют различные концепции энергетических массивов: с распределенной логикой управления, с централизованной избыточной логикой, с отдельными батарейными модулями и с совмещенными силовыми и батарейными модулями.

Наряду с ИБП существуют системы постоянного тока, предназначенные для электроснабжения средств связи и телекоммуникаций. Эти системы обеспечивают АТС постоянным напряжением 24, 48 или 60 В с возможностью работы в автономном режиме в течение 4...8 ч. По классификации различают буферные системы питания — системы, в состав резервной цепи которых входит батарея, выводы которой постоянно соединены с нагрузкой, и системы питания с отделенной батареей, в состав резервной цепи которых входят батареи, выводы которых при нормальном режиме работы отключены от нагрузки с помощью коммутирующего устройства.

Современные системы постоянного тока обеспечивают питание напряжением 24, 48, 54, 60, 110, 125 В постоянного тока и рассчитаны на мощность до несколько десятков кВт. Система включает следующие компоненты:

• выпрямители;
• устройство управления и контроля (контроллер);
• аккумуляторную батарею;
• защитные устройства (размыкатели батареи);
• устройства распределения постоянного тока;
• конверторы DC/DC (преобразователи напряжения постоянного тока);
• инверторы.

Выпрямитель — устройство, производящее преобразование переменного входного напряжения в постоянное. Типовые выходные напряжения — 27(24); 54(48) В.

Устройство управления и контроля, (контроллер) — микропроцессорный модуль системы PMS (Power Management System), осуществляющий контроль и управление системой.

Защитное устройство (батарейный размыкатель, устройство отключения при низком напряжении) — устройство, производящее отключение, когда напряжение батареи достигает минимально допустимого (Low Voltage Disconnect, LVD). Это предотвращает глубокую разрядку батареи, которая может привести к выходу батареи из строя. LVD может быть отдельным модулем, устройством или входить в состав системы.

Устройство распределения постоянного тока — одна или несколько розеток для подключения нагрузки, обычно защищенных предохранителями или автоматами. Могут быть выполнены в виде панели, полки или шкафа.

Конвертор DC/DC (преобразователь напряжения постоянного тока) — преобразователь постоянного напряжения для питания нагрузок, номинальное напряжение которых отличается от выходного напряжения выпрямителей.

При необходимости обеспечения резервирования питания потребителей переменного тока системы комплектуются инверторами.

Модульный принцип построения систем постоянного тока, так же как и энергетических массивов, позволяет осуществлять отказоустойчивое электроснабжение потребителей. Конструкция систем постоянного тока выполняется как открытой в стойках (стативах), так и в стандартных шкафах типоразмеров 19" и 23".

Охлаждение для стативного исполнения может быть конвекционным, а для шкафного исполнения — принудительным. Теплоизбытки должны удаляться из помещений аналогично тому, как это делается для помещений, где установлены ИБП.

Источники бесперебойного питания различных типов и системы постоянного тока содержат аккумуляторную батарею (АБ). В ИБП малой мощности она может быть представлена единичным аккумулятором. ИБП средней и большой мощности и системы постоянного тока оборудованы АБ, составленной из различного числа (зависит от модели) аккумуляторов, собранных в последовательные цепочки, которые в свою очередь могут включаться параллельно для увеличения емкости АБ.

По классификации EUROBAT (Ассоциация ведущих европейских производителей аккумуляторных батарей) различают четыре категории аккумуляторных батарей, характеризующихся в первую очередь сроком их ожидаемой службы:

• 10+ years (10+ лет) — категория высокой целостности (High Integrity); применяется в оборудовании, где необходима высочайшая степень безопасности (телекоммуникационные центры, атомные электростанции, нефтеперекачивающие комплексы и т.д.);
• 10 years (10 лет) — категория высокого исполнения (High Performance); практически повторяет предыдущую категорию, однако требования к исполнению и надежности несколько снижены;
• 5-8 years (5-8 лет) — категория общего применения (General Purpose); практически повторяет предыдущую категорию, однако требования к исполнению
• и надежности менее строгие;
• 3-5 years (3-5лет) — категория стандартных коммерческих применений (Stan- dart Commercial); применяется в стационарных установках и особенно популярна в небольших ИБП.

Следует отметить, что реальный срок службы аккумуляторных батарей существенно зависит от условий их эксплуатации и может значительно отличаться от паспортных данных.

К числу наиболее важных факторов, влияющих на продолжительность эксплуатации батарей, относятся:

• температура окружающей среды;
• количество прошедших циклов заряда-разряда;
• степень зараженности батареи.

Основные параметры батарей:

• тип батарей;
• рабочее напряжение батареи;
• минимальное напряжение батареи;
• ёмкость батареи (ампер-часы, вольт на ячейку);
• температурные характеристики.

 

Построение систем бесперебойного электроснабжения может производиться по различным схемам в зависимости от требований к надежности работы системы, количества и мощности потребителей, строительно-архитектурных особенностей зданий, условий размещения основного оборудования: СБЭ и: некоторых других факторов, определяемых заданием на проектирование и результатами рабочего проектирования. В соответствии со сложившейся технической практикой создания СБЭ можно выделить две традиционные структуры систем — распределенную и централизованную (локальную) . В распределенной системе СБЭ (рис. 10) электроприемник (или небольшая группа электроприемников) получает питание от отдельного (локального) ИБП. Централизованная система (рис. 11) строится на основе одного или несколько мощных ИБП.

Рис. 10. Распределенная СБЭ

 

Преимуществами распределенной системы являются:

• отсутствие необходимости переделки кабельной сети при использовании «розеточных» ИБП (ИБП малой мощности, включаемые непосредственно в розетку);
• простота наращивания мощности и изменения конфигурации;
• отключение только части системы при отказе одного ИБП и устранение последствий отказа простой заменой поврежденного источника;
• отсутствие необходимости выделения специальных помещений для размещения ИБП.

Недостатками распределенной системы являются:

• неэффективное использование установленной мощности ИБП из-за невозможности обеспечения номинальной загрузки всех ИБП;
• время автономной работы всей системы не является общим для всех нагрузок;
• недостаточная перегрузочная способность системы при подключении дополнительной нагрузки или коротком замыкании в цепи нагрузки одного ИБП (этот недостаток не является существенным и проявляется редко);
• при использовании ИБП с режимами работы off-line или line-interactive даже при сбалансированной симметричной нагрузке в нейтральном проводнике возникают токи, значения которых могут превосходить значения токов в фазных проводниках (это явление приводит к перегрузке нейтрального проводника и ухудшению электромагнитной совместимости).