Принцип действия систем бесперебойного питания

К сожалению, в процессе оказания услуг по передаче электрической энергии потребителю сетевыми организациями не всегда обеспечивается надежность работы энергосистемы, допускаются сбои в электроснабжении потребителей, отклонение показателей качества электрической энергии от нормативных показателей. При перебоях в подаче электрической энергии, колебаниях напряжения, частоты, возникновении других помех в основной питающей сети системы бесперебойного питания не должны допустить сбоев в работе основного оборудования потребителя, т.е. обеспечить непрерывность подачи электроэнергии соответствующего качества.

На рис. 2. показана функциональная схема взаимодействия основной питающей сети, СБП и электроприемников потребителя.

 

СБП выполняет роль буферного (промежуточного) устройства между основной сетью питания и потребителем. В нормальном режиме, то есть при условии соответствия определенных параметров заданным, к потребителю поступает электрическая энергия из основной сети через главный распределительный щит (ГРЩ1). Часть электрической энергии, поступающей из сети переменного тока, используется для формирования запаса энергии в устройстве хранения. В случае отклонения параметров электрической энергии в основной сети к электроприемникам потребителя начинает поступать электрическая энергия из устройства хранения под управлением и контролем специального устройства в составе СБП. Также в состав СБП входят устройства преобразования энергии из устройства хранения (накопления), устройства диагностики и мониторинга. Время работы оборудования потребителя за счет энергии из устройств накопления определяется количеством электроэнергии, потребляемой в единицу времени (мощностью), техническим характеристиками СБП – количеством накопленной энергии в устройстве накопления, расчетными температурными режимами и КПД устройства преобразования и т.д.
Общий принцип действия систем бесперебойного питания на практике реализуется различными способами. Прежде всего, могут использоваться различные принципы накопления энергии.
Пример – СБП с использованием механических накопителей и дизель-генераторных установок. В системах электропитания ЦОД большой мощности, промышленных предприятий могут применяться СБП дизель-роторного типа. В них в качестве накопителя энергии используется специальный маховик, кинетическая энергия которого при просадках и перерывах в электроснабжении преобразуется в электрическую с помощью генератора, а также служит для последующего запуска ДГУ в случае необходимости. Это решение имеет следующие преимущества:
– обеспечивает высокий ток короткого замыкания, составляющий 10 In (в десятки раз выше номинального), что облегчает настройку устройств защиты,
– имеет, как правило, 150%-ную перегрузочную способность (по номинальному току) в течение длительного времени (две минуты вместо одной),
– благодаря установке двигатель-генератора обеспечивается гальваническая изоляция цепи от предшествующего источника переменного тока,
– дизель-роторные системы устойчивы к нелинейным нагрузкам, которые часто встречаются в компьютерных системах наряду с импульсными источниками питания.
Несмотря на очевидные преимущества, есть и недостатки. Прежде всего экономические. Из-за высокой стоимости, как оборудования, так и строительно-монтажных работ, использование дизель-роторных установок оправдано только для объектов мощностью в сотни кВА. Такие установки требуют отдельных специально оборудованных помещений, специального технического обслуживания и др

 

 

Рис. 3. Внешний вид дизель-роторной установки

Наиболее массовое применение имеют СБП, устройства управления и преобразования электрической энергии которых построены на основе современной полупроводниковой техники, а устройства хранения – на основе аккумуляторных батарей различных типов. Эти устройства широко применяются в различных областях – от защиты индивидуальных ПК до систем электроснабжения крупных предприятий.

Развитие полупроводниковой техники и появление мощных IGBT транзисторов открыло широкие возможности для разработки и применения быстродействующих систем переключения режимов работы СБП с устройствами хранения на основе АКБ. Эти устройства имеют наиболее массовое применение благодаря меньшим габаритам, стоимости и др.

В литературе СБП с накопителями энергии на основе АКБ называют «статическими». Статические СБП обладают рядом преимуществ благодаря совмещению технологии силовых транзисторов с методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с ограничением по амплитуде. Их характеризует:

– Простая конструкция с небольшим количеством деталей и соединений, а следовательно и меньшим количеством причин для сбоев в работе.

– Мгновенная реакция на колебания амплитуды и частоты в питающей сети переменного тока за счет микропроцессорного управления на основе цифровых методов дискретизации. Амплитуда напряжения восстанавливается в пределах ± 0,5% или ± 1% (в зависимости от модели) менее чем за 10 миллисекунд при пошаговом изменении нагрузки до 100%. В течение этого интервала времени пошаговое изменение нагрузки производит колебание напряжения нагрузки менее ± 2%.

– Основным преимуществом резервных СБП с низким процентом нагрузок является высокий КПД, как при полной, так и при частичной нагрузке. Статические СБП с 50% нагрузкой имеет КПД 94%, тогда как КПД роторных СБП составляет 88-90%, что непосредственно влияет на эксплуатационные затраты.

– Резервные СБП обеспечивают высокую готовность подачи питания с высокой степенью надежности.

– Использование статических СБП в резервных архитектурах с раздельными функциями упрощает их обслуживание благодаря изолированным внутренним частям установки.

В СБП с батарейными накопителями энергии могут использоваться также и механические накопители, специально разработанные для совместного использования с АКБ. В них используются маховиковые накопители кинетической энергии, задачей которых является обеспечение резерва мощности при переходе на питание от СБП в течение 10–18 с. Кинетическая энергия маховика при этом преобразуется в электрическую с помощью генератора.

Маховики могут заменить традиционные аккумуляторные батареи в СБП или работать совместно с ними для мгновенной подачи резервной мощности. Как и аккумуляторные батареи, они сопряжены с шиной постоянного тока СБП по которой получают от СБП постоянный ток и подают его на инвертор СБП в режиме разрядки.

Практическая реализация СБП с АКБ и кинетическими накопителями в значительной степени обуславливается требуемыми техническими и экономическими параметрами. Эти параметры определяют архитектуру систем бесперебойного питания, методики расчета и проектирования. Рассмотрим некоторые технические особенности СБП с совместным использованием АКБ и кинетических маховиковых накопителей.

В СБП без генераторной установки маховиковая система накопления энергии может работать параллельно с батареями. Эта технология использования маховика часто называется «усилением батареи». Ее назначение – повышение надежности СБП при кратковременных перебоях в основной сети.

В такой системе маховик первым принимает на себя все нарушения внешнего электроснабжения и отдает энергию в электрическую сеть потребителя. В 98 % случаев это позволяет избегать разряда аккумуляторных батарей. Сегодня такие системы разрабатываются и предлагаются на рынке рядом производителей. Технология усиления батареи маховиками позволяет.

– снизить число циклов зарядки/разрядки АКБ, и тем самым продлить срок их службы;

– сократить частоту замены АКБ и действий по их утилизации;

– обеспечить более высокую готовность системы БП.

Аккумуляторные батареи способны обеспечить необходимую мощность в течение переходного периода, но их надежность даже при соблюдении всех регламентов обслуживания не всегда абсолютна. Маховиковые системы обладают высокой надежностью, обеспечивают накопление энергии для прогнозируемого перехода на резервный генератор (10 или 20 секунд поддержки). При этом они достаточно компактны (сравнимы по габаритам с батарейными стойками, другими компонентами системы БП).

Преимущества маховиковых систем в сравнении с традиционными СБП с АКБ и генераторной установкой: – высокая надежность и прогнозируемость накопления энергии; – расчетная средняя наработка на отказ составляет 54 000 часов; – высокую прогнозируемость работы при непрерывном контроле; – экологически чистая технология производства (отсутствие свинца, кислоты, малый углеродный след); – удовлетворительное соотношение цена/качество; – 20 лет полезного срока службы и низкие эксплуатационные затраты; – малые габариты и вес, – способность работать при температурах до 40 ⁰C¹

Маховики различают на низкоскоростные (менее 10000 об/мин) и высокоскоростные (30000–60000 об/мин и более). Изготавливаются из стали, углеродных волокон. Для достижения максимального КПД в них используются технологии магнитной левитации.

На российском рынке аккумуляторно–маховиковые накопители пока широкого распространения не получили. СБП с накопителями на основе АКБ (статические) являются наиболее массовым сегментом. Еще одно решение – использование суперконденсаторов² в сочетании с АКБ. Они также не находят массового применения, хотя в перспективе при развитии технологий и снижении стоимости вполне могут ими стать.

Так что на сегодняшний день СБП с накопителями на основе АКБ в нашей стране наиболее популярны.

Несмотря на ряд различий в расчете, проектировании и эксплуатации систем бесперебойного питания с АКБ их объединяет ряд общих особенностей, обусловленных физическими принципами работы.

Аккумуляторные батареи всех типов, являясь химическими источниками постоянного тока, используются в качестве устройств хранения энергии. Соответственно, в составе СБП с АКБ применяются устройства преобразования электрической энергии – выпрямители, инверторы и конверторы. Организация их взаимодействия с АКБ зависит от требуемых технических характеристик и схемы построения. Однако общий принцип остается неизменным – при работе СБП и потребителя в штатном режиме переменный ток преобразуется в постоянный и используется для накопления в АКБ (подзаряд батарей). В случае перерывов, провалов напряжения в основной сети электрическая энергия, накопленная в АКБ, поступает к потребителю. При этом происходит процесс преобразования постоянного тока в переменный.

СБП в зависимости от технических характеристик могут быть реализованы в одном корпусе с АКБ или использовать внешние АКБ, иметь различным образом реализованные устройства преобразования электрической энергии. Однако методики расчета и проектирования, режимы работы СБП в значительной степени определяются типом и характеристиками АКБ.

Системы бесперебойного питания должны иметь высокую надежность в течение всего срока службы, которая в значительной мере зависит от характеристик оборудования и условий их эксплуатации. Соблюдение технологических режимов работы АКБ, своевременный контроль состояния аккумуляторов во многом определяет надежность СБП.

Согласно статистике аварий и отказов СБП до 96% являются следствием сбоев в работе аккумуляторных батарей и только 4% – других компонентов систем. Этот факт обуславливает исключительную важность и ответственность всех задач, связанных с расчетом параметров, выбором, организации контроля АКБ в СБП.