Основные технические характеристики систем бесперебойного питания с АКБ

Системы бесперебойного питания выбираются для решения определенных задач энергообеспечения объектов. При производстве СБП используются готовые изделия и компоненты. Технические характеристики этих составляющих в значительной степени определяют характеристики СБП.

Характеристики СБП определяются такими параметрами, как:

– схема построения;

– тип, характеристики, количество и схема включения АКБ;

– тип, характеристики, количество основных и вспомогательных компонентов.

1.5.1. Параметры входного напряжения

К параметрам входного напряжения относятся:

– вид напряжения (постоянное или переменное);

– рабочее значение напряжения, допустимые отклонения, допустимые отклонения с ограничением по мощности;

– количество фаз (однофазное или трехфазное напряжение);

– форма напряжения (допустимые отклонения от синусоидальной формы);

– частота напряжения (для сети переменного тока в РФ – 50 Гц), допустимые отклонения частоты;

– максимальный ток (для трехфазного напряжения – максимальный ток по фазе).

Большинство современных моделей СБП рассчитаны на работу от сети переменного тока промышленной частоты. Если основное электропитание объекта осуществляется от собственной электростанции (с генератором переменного или постоянного тока), параметры входного напряжения могут отличаться.

1.5.2. Параметры выходного напряжения

В зависимости от параметров выходного напряжения различают СБП переменного и постоянного тока.

Для СБП постоянного тока указываются:

– значение (значения) выходного напряжения, пределы регулировки. СБП постоянного тока может иметь несколько значений выходного напряжения.

– коэффициент пульсаций напряжения.

В зависимости от схемы построения СБП выходное напряжение может иметь различную чувствительность к изменению входного напряжения. В таком случае могут указываться пределы изменения входного напряжения, относительные значения при изменении входного напряжения.

СБП переменного тока могут иметь трехфазный или однофазный выход¹.

В зависимости от схемы реализации СБП переменного тока на выходе может обеспечивать переменное напряжение различной формы. Форма напряжения может быть синусоидальной, П-образной, со ступенчатой аппроксимацией синусоиды. Некоторые типы оборудования (например, персональные компьютеры) не требуют обеспечения строго синусоидальной формы выходного напряжения. П-образная или аппроксимированная синусоидальная форма напряжения являются достаточными для такого типа оборудования.

В некоторых случаях синусоидальность выходного напряжения может являться важным или определяющим требованием электропитания аппаратуры.

В зависимости от схемы реализации СБП выходное напряжение переменного тока может в различной степени зависеть от синусоидальности входного напряжения.

1.5.3. Характеристики по мощности и КПД

Характеристики СБП переменного и постоянного тока по мощности:

– номинальная мощность;

– максимальная мощность (с указанием предельного времени работы на максимальной мощности).

В электротехнике мощность измеряется в ваттах (Вт) и вольт-амперах (ВА). Из школьного курса физики мы знаем, что мощность определяется как произведение силы тока I на напряжение U. Практическое использование и расчет характеристик оборудования тем не менее требует некоторых пояснений.

Мощность источника постоянного напряжения определяется как произведение напряжения на ток.

Для переменного напряжения используется понятие мгновенной мощности – это произведение мгновенных значений тока и напряжения:

Мгновенная мощность является производной от энергии W и содержит всю информацию об энергообмене. Величина показывает скорость изменения энергии, знак – направление. Положительное значение говорит о поступлении в данный момент времени энергии из источника в нагрузку. Отрицательное – о возврате ранее накопленной реактивными элементами энергии в источник. Однако при расчетах, создании нормативных документов и т.п. не принято пользоваться функциями времени. Нужны численные (интегральные) характеристики. Сложность заключается в том, что не существует одной такой характеристики, учитывающей все стороны энергетического процесса.

Важнейшей величиной является активная мощность P, численно равная среднему значению мгновенной мощности за период Т. Единица измерения активной мощности Вт (ватт). Активная мощность показывает однонаправленный усредненный поток энергии, которая преобразуется из электрической в другие виды энергии – тепловую, световую, механическую, энергию радиоволн и т.д.

Хорошо известно, что при наличии реактивных элементов в составе линейного потребителя, ток и напряжение будут синусоидальными величинами, сдвинутыми на некоторый угол φ. Мгновенная мощность будет содержать две составляющие: среднее значение P, равное UI cos φ , и реактивную мощность Q, которой источник и приемник будут обмениваться между собой с удвоенной частотой. Среднее значение реактивной составляющей равно нулю, амплитуда – UI sin φ. Реактивную мощность принято измерять в единицах, имеющих название вар (вольт–ампер реактивный). Наличие реактивного процесса не сопровождается передачей активной энергии в нагрузку и загружает соединительные провода реактивными токами.

Для учета всех составляющих энергообмена вводят понятие полной мощности – произведение действующих значений напряжения и тока. Единица ее измерения – ВА (вольт-ампер).

Полная мощность S является величина, состоящая из активной Р и реактивной Q составляющих

Значение полной мощности S является одной из основных характеристик источника электрической энергии переменного тока. Эта та мощность, которую источник может отдать потребителю, если нагрузка потребителя представляет собой только активное сопротивление (cos φ=1).

Все большее значение в последнее время приобретает коэффициент мощности (в справочной литературе обозначается как Км или λ²)

как важнейший показатель качества потребляемой электроэнергии. В идеальном случае λ=1 и тогда вся передаваемая мощность – активная. Если полная мощность больше активной, а это происходит в том случае, когда в линии электроснабжения присутствуют реактивные или нелинейные токи, предельное значение передаваемой активной мощности уменьшается в 1/λ раз по сравнению с пропускной способностью линии. Для линейных активно–индуктивных потребителей, а это двигатели станков, транспортеров, лифтов (λ=0,8), лампы дневного света (λ=0,3). Для компьютерной и современной телекоммуникационной техники, где применяются источники питания с трансформаторным входом, его значение составляет 0,6 – 0,67.

Энергоснабжение промышленных предприятий, предприятий телекоммуникаций, ЦОД осуществляется через трехфазные распределительные сети переменного тока. Наличие несимметричной нагрузки на фазах обуславливает возникновение токов в нейтральном проводнике. Для компенсации этого явления осуществляются различные мероприятия, суть которых заключается в максимально возможном симметрировании нагрузки, для этого потребители подключаются в зависимости от их мощностных характеристик. Кроме того, применяются компенсаторные установки различных типов.

Что означают на практике рассмотренные особенности работы сетей переменного тока для оценки характеристик и расчета СБП? СБП, подключаемые к сети переменного тока являются потребителями электрической энергии. СБП, содержащие в своем составе выпрямительные устройства, не является полностью активной нагрузкой. Для компенсации реактивных токов в СБП применяют специальные устройства компенсации, которые позволяют получать в конечном итоге близкий к 1 (0,98–0,99) коэффициент мощности. В зависимости от схемы СБП не всегда имеют близкий к 1 коэффициент мощности. Его значение указывается производителем в документации.

СБП переменного тока может применяться для подключения различной нагрузки. Для правильного расчета и выбора систем бесперебойного питания необходимо производить расчет полной мощности потребителей. Для стабильной и надежной работы выходная мощность СБП не может быть менее полной мощности, поэтому при расчетах помимо указанной в документации на подключаемое оборудование мощности в ВА учитывать коэффициент мощности. В случае, если он не указан, следует использовать расчетные значения для аналогичного оборудования. Они публикуются в справочной литературе, также могут быть определены для конкретного оборудования путем практических измерений.

Коэффициент мощности системы бесперебойного питания указывает допустимое соотношение полной и активной мощности на выходе инвертора СБП и определяет мощность оборудования, которое к ней можно подключить. Например, коэффициент мощности 0,8 показывает, что к СБП полной мощностью 50 кВА можно подключить оборудование с активной мощностью не более 40 кВт с коэффициентом мощности 0,8 (полная мощность оборудования составит 50 кВА). Но оборудование 40 кВт с коэффициентом мощности 0,7 к такой СБП подключить уже не удастся, так как ее полная мощность составит 57 кВА.

1.5.4. Крест-фактор

Отношение пикового потребляемого от СБП тока к действующему значению. Характеризует способность системы бесперебойного питания питать нелинейную нагрузку, потребляющую ток импульсами. Для большинства СБП равен 3:1.

По сути это характеристика взаимодействия нагрузки и СБП. Выходное напряжение СБП может сильно отличается от синусоиды, поэтому следует индивидуально рассматривать каждый конкретный случай взаимодействия нагрузки или СБП. В случае синусоидального питающего напряжения крест-фактор равен 2—3. Использование напряжения, полученного в результате ступенчатой аппроксимации на той же нагрузке, обычно дает крест- фактор от 1,4 до 1,9.

1.5.5. Время переключения режимов

СБП в зависимости от схемы построения могут иметь различное время переключения режимов работы. В идеале оно должно стремиться к нулю, практически ему равняться (что достигается использованием определенных схемотехнических решений, использованием современных быстродействующих полупроводниковых коммутационных устройств), либо не превышать значение, на которое рассчитано подключаемое оборудование. Так, офисная компьютерная техника может устойчиво работать при прерывании электропитания длительностью даже до десятков миллисекунд, поскольку на это время работоспособность поддерживается накопленной в конденсаторах ПК энергией. Для сложного телекоммуникационного оборудования, ЦОД, систем управления, требования более высокие. Совместно с таким оборудованием могут применяться только СБП, схема которых не использует переключения режимов вообще, либо время переключения режимов составляет величину много меньше той, которая может вызвать остановку или сбой в работе оборудования.

1.5.6. Время автономной работы

Системы бесперебойного питания не являются основным источником электропитания оборудования. Их задача – обеспечить электропитание в течение времени, достаточного для корректного завершения работы оборудования (рабочей станции компьютерной сети, сервера и др.), либо на время запуска и подключения резервных источников электропитания (в случае, если оборудование не может быть остановлено).

Во время автономной работы СБП на основе АКБ используют энергию, запасенную в батареях. АКБ всех типов в числе других параметров характеризуются показателем емкости в ампер–часах и разрядными характеристиками (длительностью разряда до безопасного для батареи состояния при определенной температуре и силе тока). Номинальная емкость АКБ обозначается как С₁₀³. Для увеличения емкости, выходного напряжения аккумуляторные батареи могут объединяться в группы. Емкость и разрядные характеристики зависят от типа АКБ, использованной производителем технологии, и публикуются в технической документации к ним. Они могут отличаться по температурным режимам.

Время автономной работы при исправных и полностью заряженных батареях определяется режимом разряда, т.е. зависит от температуры окружающей среды и мощности подключенной к выходу СБП нагрузки, а также коэффициентом полезного действия СБП – показателем, который позволяет оценить потери при преобразовании энергии.

Как правило, СБП относительно небольшой мощности (3–5 кВА) имеют встроенные АКБ, более мощные СБП рассчитаны на работу в внешними батареями (группами батарей).

В зависимости от схемы и конструктивного исполнения СБП могут иметь ограничения по времени автономной работы, связанные с температурным режимом преобразовательных блоков (наличие и эффективность системы охлаждения являются важным условием для длительной автономной работы). Производитель, как правило, гарантирует надежную работу изделий только при соблюдении правил эксплуатации, т.е. использования СБП в режиме непрерывной автономной работы не более времени, указанного в документации.

Важным условием надежной работы СБП в автономном режиме является исправность и заряженность аккумуляторных батарей. Согласно ранее упомянутой статистике до 96 % отказов СБП происходят по причине неправильной эксплуатации и повреждения АКБ.

1.5.7. Тип используемых АКБ

Наиболее широкое применение в СБП находят герметизированные и герметичные свинцово–кислотные АКБ, однако могут использоваться АКБ и других типов. В зависимости от типа АКБ могут различаться номинальное напряжение АКБ, режим заряда и др. параметры. В числе параметров АКБ указываются емкость (в ампер–часах) и номинальное напряжение.

На емкость батарей в характеристиках СБП могут накладываться ограничения в том случае, если входящее в состав СБП зарядное устройство имеет параметры, не позволяющие использовать АКБ большей емкости (например, вследствие невозможности обеспечить полный заряд АКБ большей емкости в течение расчетного времени для данного СБП). Может указываться номинальный ток заряда встроенного зарядного устройства, зная который можно рассчитать время полного заряда АКБ большей емкости (в случае, если их использование допустимо).

Номинальное напряжение определяет количество объединяемых в батарейную группу аккумуляторов. Например, для СБП с выходным напряжением 192 В при использовании свинцово–кислотных АКБ номинальным напряжением 12 В необходимо последовательно соединить в группу 16 АКБ. В документации к СБП производителем обычно указываются рекомендуемые типы АКБ.

1.5.8. Срок службы АКБ

Срок службы АКБ зависит от их типа и условий эксплуатации и может составлять от 5–7 до 10–15 лет.

Условия эксплуатации, порядок технического обслуживания указываются в паспорте на АКБ, регламентируется законодательными и отраслевыми нормативами.

1.5.9. Возможность параллельной работы

Данная характеристика позволяет объединять СБП в группы с целью получения большей выходной мощности системы. Параллельно могут работать СБП как постоянного, так и переменного тока. Помимо возможности как таковой указывается количество СБП в такой группе для данного типа оборудования.

1.5.10. Параметры резервирования

Для повышения надежности СБП могут применяться различные варианты резервирования: N, N+1, 2N, 2N+1, 2(N+1), 3/2N. Степень резервирования зависит от требований к надежности электропитания объекта.

Резервирование СБП повышает отказоустойчивость системы, но при этом вырастает и ее стоимость. Чем сложнее и надежнее система, тем она дороже. Наиболее распространена оптимальная по стоимости и надежности схема – N+1. В случае возникновения сбоя в работе одного из основных элементов в системе N+1, резервный элемент принимает на себя всю нагрузку. В результате система продолжит работать, и необходимости в ее отключении для проведения ремонтных работ не возникает.

1.5.11. Сервисные функции

Сервисные функции позволяют осуществлять дистанционный мониторинг состояния системы, контроль состояния батарей и др. Для этого могут быть предусмотрены различные интерфейсы (RS 232, Ethernet) и специальное программное обеспечение.

В документации к СБП указываются протоколы взаимодействия по встроенным интерфейсам, совместимость с различным программным обеспечением и др.

Байпас (bypass) – это механизм обходного пути, является обязательной частью любой системы бесперебойного питания средней и высокой мощности.

Состоит из двух основных частей – электронного (статического) и механического (ручного) байпаса. Такая электронно-механическая конструкция позволяет переводить нагрузку с инвертора СБП на байпас и обратно без изменения характера напряжения. Является связующим звеном между входом и выходом СБП и позволяет осуществлять эту связь в обход механизма резервирования питания.

1.5.12. Физические параметры

Габаритные размеры, масса. Условия окружающей среды (температура, влажность, давление).

Для СБП, предназначенных для установки в шкафах и стойках, указываются типовые размеры для монтажа. Указываются типы и параметры контактов, сечение проводов и др.

1.5.13. Примеры основных характеристик СБП с АКБ

Таблица 7

Пример описания характеристик СБП переменного тока

Модель	ST3110SL
Выходная мощность, кВА/кВт	10/8
Топология	on–line (с двойным преобразованием)
Исполнение	напольное (Tower)
Тип ключей	IGBT-транзисторы
Входные характеристики
Тип входной сети	трехфазная пятипроводная (L1, L2, L3, N, PE)
Номинальное линейное (фазное) входное напряжение, В	380 (220)
Диапазон входного линейного (фазного) напряжения, В	275-475 при нагрузке 100 %, 235-275 при нагрузке 75 %, 155-235 при нагрузке 50 % (160-275 при нагрузке 100 %, 135-160 при нагрузке 75 %, 90-135 при нагрузке 50 %)
Предельный диапазон линейного (фазного) входного напряжения, В	155-510 (90-295)
Диапазон входного напряжения для ECO режима, В	настраивается пользователем в диапазоне ±20 % с шагом 1 В, по умолчанию: ±10 %
Диапазон входного напряжения в режиме байпас, В	настраивается пользователем в диапазоне ±20 % с шагом 1 В, по умолчанию: ±10 %
Номинальная входная частота, Гц	50
Диапазон входной частоты, Гц	43-57 (50±14 %)
Входной коэффициент мощности	0,99
Номинальный входной ток (при максимальной нагрузке), А	20
Плавный пуск	да
Выходные характеристики
Форма выходного сигнала	«чистая» синусоида
Выходной коэффициент мощности	0,8
Номинальное выходное напряжение, В	220/230/240 (по умолчанию – 220)
Точность поддержания выходного напряжения	±2 %
Номинальная выходная частота, Гц	50/60
Точность поддержания выходной частоты	±0,1 %
Максимальный выходной ток, А	45
Коэффициент нелинейных искажений, %	< 2 % при линейной нагрузке, <4 % при нелинейной нагрузке
Крест-фактор	3:1
Перегрузочная способность при работе в режиме on–line (уровень нагрузки – в процентах от номинального значения)	105-130 % – в течение 600 с; 130-150 % – в течение 60 с; более 150 % – 1 сек с последующим переключением на байпас
КПД при работе в режиме on–line, %	95
КПД при работе в режиме байпас (или в режиме ECO), %	99
КПД при работе в автономном режиме (питание от АБ), %	94
Время переключения в автономный режим из режима on–line, мс	0
Время переключения в автономный режим из режима ECO или байпас, мс	5
Встроенные и внешние АБ
Тип АБ	герметичные, необслуживаемые, свинцово-кислотные
Номинальное напряжение АБ, В	192
Номинальный ток заряда встроенного ЗУ, А	4
Количество встроенных АБ 12 В, шт.	16
Емкость встроенных АБ, А·ч	9
Время заряда встроенных АБ, ч	не более 6 (до 90 % емкости)
Время автономной работы от встроенных АБ при 100% (50%) нагрузке, мин	3 (9)
Время автономной работы от встроенных и внешних АБ	Указано в табл. 8
Исполнение внешних АБ	напольное (Tower)
Холодный старт (запуск в автономном режиме во время отключения электроэнергии)	да
Функционал управления АБ	тест ёмкости, защита от глубокого разряда (LVD), термокомпенсация заряда (опция), контроль АБ по “средней” точке (опция)
Срок службы АБ, лет	до 7 (в зависимости от условий эксплуатации)
Панель управления и интерфейсы
ЖК-дисплей со светодиодной индикацией	отображение рабочего состояния системы и основных параметров, настройка СБП, 4 кнопки управления, индикаторы: состояние, сеть, байпас, инвертор, батареи
Светодиодный дисплей	отображение рабочего состояния системы, 3 кнопки управления и индикаторы: состояние, перегрузка, перегрев (опция)
Звуковой сигнал	автономный режим (каждые 4 с), низкое напряжение встроенных и/или внешних АБ (каждые 2 с), батарея отсоединена/полностью разряжена/нуждается в замене (каждые 0,5 с), перегрузка и неисправность СБП (непрерывный сигнал)
Сухие контакты	5 шт. (50 В, 50 мА) для сигнализации о неисправности СБП, общей аварии, аварии сети, режиме байпас и глубоком разряде батарей
USB порт + специальное ПО	протокол Megatec
Ethernet	протоколы SNMP / Web / Modbus TCP / Telnet / SSH / NTP (опция)
RS-485	протокол Modbus RTU/ASCI (опция)
Дополнительные программируемые «сухие» контакты (5 выходных, 1 входной)	опция
Порт аварийного дистанционного отключения СБП (EPO)	разъемный клеммник под винт, сечение провода: 0,08-1,2 мм2
Система дистанционного контроля территориально разнесенных СБП	опция
Параллельная работа	до 4 СБП, в базовой комплектации
Ручной байпас	да
Отдельный ввод байпаса	да
Подключение
Входная сеть	клеммы (L1, L2, L3, N, PE)
Вход байпаса	клеммы (L, N, PE)
Нагрузка (выходные разъёмы)	клеммы (L, N, PE)
Сечение проводов сети основного ввода (используется только основной ввод)	3 х 10 мм2
Сечение проводов сети основного ввода (дополнительно используется резервной ввод для байпаса)	3 х 10 мм2
Сечение проводов сети резервного ввода байпаса, мм2	10
Сечение проводов сети ручного ввода байпаса, мм2	10
Сечение проводов выхода, мм2	10
Надежность и эксплуатационные характеристики
Диапазон рабочей температуры, 0С	от +5 до +40
Диапазон температуры хранения, 0С	от -60 до +50
Тип охлаждения	принудительное (встроенный вентилятор с регулировкой скорости вращения)
Относительная влажность, %	от 0 до 95 (без конденсата)
Рабочая высота, м	до 3000 м при 40 0С без ухудшения номинальных характеристик
Уровень шума (на расстоянии 1 м), дБ	< 45
Степень защиты от пыли и влаги	IP20
Срок службы, лет	10
Наработка на отказ, ч	≥100000
Гарантия, мес.	24
Механические характеристики
Габариты (В×Ш×Г), мм	667×250×720
Масса, кг	75

Таблица 8

Время работы от АКБ

Выходная мощность, Вт	Время работы от АБ, мин
1000	40
2000	18
3000	11
4000	9
5000	6
6000	4
7000	4
8000	3