Расчет и проектирование систем бесперебойного питания с АКБ

Расчет и проектирование системы бесперебойного питания любой сложности и конфигурации начинается с постановки задачи, определения необходимых параметров, которым должна соответствовать система (включая сервисные функции). Должны быть приняты во внимание срок эксплуатации, возможное увеличение требуемой мощности объекта, организация технического обслуживания.

1.7.1. Определение характера и мощности нагрузки

Целью данного этапа является определение активной, реактивной и полной мощности, а также требований к качеству электропитания. При проектировании, прежде всего, необходимо составить список оборудования, которое предполагается подключать к СБП. Если оборудование на объекте размещается в разных помещениях, распределено по территории, целесообразно произвести анализ и расчеты для каждого участка (кластера)1. Если объект только проектируется, необходимо произвести расчеты для каждого варианта набора оборудования и его размещения. Перед выполнением расчетов СБП переменного тока необходимо ответить на следующие вопросы по каждому типу оборудования:

  1. К какой категории электроприемников относится объект по классификации ПУЭ?

  2. Каков состав оборудования? Подпадает ли объект, оборудование, часть оборудования и аппаратуры под нормативные требования в части организации системы электропитания?

  3. Какова номинальная активная мощность оборудования?

  4. Каков коэффициент мощности?

  5. Какова номинальная реактивная мощность оборудования?

  6. Каков характер работы оборудования?

  7. Имеются ли пусковые токи при работе?

  8. Каково максимальное значение пускового тока по отношению к номинальному?

  9. Какова максимальная активная мощность?

  10. Какова максимальная реактивная мощность?

  11. Какова прогнозируемая длительность работы при максимальной мощности?

  12. Какова статистика потребления электроэнергии?

  13. Каковы требования к форме питающего напряжения?

  14. Каковы требования к качеству питающего напряжения?

  15. Допускает ли оборудование перерыв на переключение источников электропитания?

  16. Каково значение допустимого перерыва?

  17. Допускает ли оборудование штатное отключение?

  18. Есть ли в составе потребителей выпрямительные устройства? Какие задачи они выполняют? Каковы параметры выходных напряжений?

  19. Какова активная, реактивная и полная мощность выпрямительных устройств?

  20. Какова длительность вероятных перерывов в подаче электроэнергии со стороны сети переменного тока?

Для составления сводных характеристик и последующих расчетов удобно использовать программы электронных таблиц.

Таблица 9

Состав и характеристики оборудования с электропитанием от переменного тока

Наименование

Мощность

Коэффициент мощности

Полная мощность

Допустимость перерыва на переключение до 18 мс

Требование
к форме питающего напряжения

Непрерывность работы (допустимо ли штатное отключение)

Ном.

Макс.

Ном.

Макс.

Да

Нет

Есть

Нет

Да

Нет

А

Б

В

..

Прежде всего, требуется определить полную мощность оборудования и степень его защиты. В простых случаях на основании этих расчетов возможно предложить решение по организации бесперебойного питания.

Номинальная полная мощность электроприемника находится по формуле:

Siэпном= Рiэпном/λiэп, (7)

где λiэпкоэффициент мощности данного электроприемника. Для активной нагрузки он равен 1, для реактивной нагрузки, как правило, указан в паспорте на изделие. Также может быть определен по справочным таблицам для аналогичного оборудования. В ряде случаев следует учесть в каждом значении Рiэпном среднестатистический коэффициент использования Ki и (часто принимают равным 1):

Siэпном= Ki и × Рiэпном/λiэп, (8)

Аналогично определяется максимальная полная мощность:

Siэпмакс= Рiэпмакс/λiэп (9)

Если в составе присутствует оборудование с режимами работы, предполагающими резкое увеличение (броски) пусковых токов, максимальная мощность таких устройств увеличивается на коэффициент пускового тока:

Siэпмакс= ki пуск × Рi эпмакс/ λiэп (10)

Коэффициент ki пуск1 (1отсутствие пускового тока).

Суммарная номинальная полная мощность определяется как сумма всех рассчитанных индивидуальных значений:

SΣном= ΣSiэпном (11)

Аналогично для максимальной мощности:

SΣмакс= ΣSiэпмакс (12)

Номинальная и максимальная мощность, потребляемая СБП от сети, может быть рассчитана как:

SВхСБП≈(PВыхСБПЗАБ)/(λСБПηСБП) (13)

где:

λСБПкоэффициент мощности СБП;

ηСБПкоэффициент полезного действия СБП;

PВыхСБП ≈|SВыхСБП|,

РЗАБkЗар РВыхСБПmax = 0,1РСБПmax – максимальная мощность заряда аккумуляторных батарей,

РСБПmаx – максимальная (паспортная) мощность СБП.

На основании полученных значений номинальной и максимальной мощности, параметров СБП, можно произвести предварительные оценки и в некоторых простых случаях предложить предварительные варианты ее организации.

Например, если для всех типов полная мощность составляет менее 2,5 кВА, максимальная не более 2,5 кВА, допускается перерыв на переключение до 18 мс, нет специальных требований к форме выходного напряжения, нет жестких требований со стороны нормативных документов, в работе допускается штатное отключение, то для организации бесперебойного питания могут использоваться СБП всех рассмотренных типов. Наиболее оптимальным по стоимости следует использовать СБП с переключением. Рассмотренный частный случай локальная вычислительная сеть административного подразделения (например, бухгалтерии предприятия). При полной мощности до 3 кВА можно использовать одну СБП данного типа. Однако, если мощность выше, все остальные требования остаются прежними, а рабочие станции расположены в разных помещениях, то оптимальным может быть использование нескольких СБП для подключения групп ПК в разных помещениях, либо использовать СБП соответствующий по мощности для каждой рабочей станции.

Если имеется строгое требование к синусоидальной форме питающего напряжения (при сохранении остальных параметров), возможно применение СБП линейноинтерактивного типа.

Если мощность нагрузки на участке превышает 3 кВА, рекомендуется использовать СБП трехфазного типа.

В документации к СБП указывается время автономной работы при различных режимах при определенных параметрах встроенных (или рекомендованных для совместного использования) АКБ. В случае особых требований могут быть использованы специализированные конфигурации АКБ.

В данном простом примере были также рассмотрены и подходы к организации бесперебойного питания – централизованный, смешанный и индивидуальный.

Организации бесперебойного питания во многом определяется структурой размещения оборудования на объекте, а также требованиями к надежности и готовности СБП. Готовность СБП подразумевает возможность ее штатной работы при возникновении перерывов в подаче электроэнергии со стороны основной сети в любой момент времени. Это означает исправность всех компонентов СБП, наличия запаса энергии в устройстве хранения (АКБ), что обеспечивается своевременными работами по эксплуатационному обслуживанию.

Выполнение эксплуатационных требований при централизованной схеме построения СБП наиболее удобно, поскольку позволяет достаточно точно оценивать состояние системы и ее параметров. Если используется смешанная и индивидуальная схема организации, то эксплуатация потребует больших трудозатрат в условиях использования оборудования разных производителей (приобретенного и запущенного в работу в разное время, эксплуатируемого в разных условиях). Простая задача оценки и обеспечения необходимого времени автономной работы может оказаться не такой и простой. Современные индивидуальные СБП для рабочих станций локальных сетей в ряде случаев оснащены системами мониторинга, но при большом количестве таких СБП адекватный контроль может оказаться затруднительным.

На практике при построении систем бесперебойного питания в ответственных случаях используются централизованная и смешанная схемы построения.

Для СБП переменного тока средней и большой мощности при работе с большим количеством реактивной нагрузки помимо расчета полной номинальной и максимальной мощности целесообразно произвести аналогичные расчеты в части реактивной мощности. Ранее мы рассматривали необходимость учета этого параметра для правильной оценки и расчета мощности СБП. Реактивная мощность не расходуется на совершение полезной работы, но создает дополнительную нагрузку на систему электропитания и повышает расход электроэнергии. В ряде случаев экономически и технически целесообразно ее компенсировать.

Компенсация реактивной мощности осуществляется различными способами. Чаще всего используются так называемые «косинусные» конденсаторы и конденсаторные батареи, соединенные по схемам «треугольник» или «звезда».

Емкость конденсаторов рассчитывается на основании реактивной мощности, и простая статичная конденсаторная установка позволяет повышать коэффициент мощности в заданных пределах при относительно стабильном потреблении мощности нагрузкой. При динамичном характере эффект снижается, однако разработаны и применяются различные управляемые системы, в которых компенсация осуществляется адаптивным образом.

В таких установках используются конденсаторные батареи различных номиналов, устройства управления и переключения. В их параметрах указаны диапазоны компенсации реактивной мощности, т.е. для выбора установки достаточно знать реактивную мощность, потребляемую объектом, и задать желаемую степень коррекции коэффициента мощности. Современные системы компенсации коэффициента мощности (системы ККМ) по стоимости сравнимы с СБП и могут окупиться в течение года (по критерию экономии электроэнергии). Использование ККМ в составе системы бесперебойного питания переменного тока позволяет повысить надежность и перегрузочную способность, время автономной работы от АКБ.

Реактивную мощность можно измерить или рассчитать. Реактивную мощность Q можно оценить по формуле:

Q≈ΣPi×(1-λ2i)0,5/λ (14)

То есть, для напряжения и тока синусоидальной формы (λ≈cos) QP× tgφ

Проиллюстрируем значение ККМ на примере расчета времени автономной работы СБП.

С учетом напряжения аккумуляторных батарей ток разряда вычисляется следующим образом:

IРАБ=IВыхСБП (UВыхСБП /UАКБ)/ ηинв=(SВыхСБП/UАКБ)/ηинв (15)

где:

IРАБ – ток разряда аккумуляторных батарей, А;

IВыхСБП – выходной ток СБП во время аварии, определяемый током часа наибольшей нагрузки IЧНН;

ηинв – коэффициент полезного действия инвертора СБП ( обычно ηинв ≈0,95 – 0,98).

Если средний коэффициент мощности потребителей 0,7 при использовании ККМ повышается на 30% до 0,91, то примерно на 30% может снизиться разрядный ток АКБ. Увеличение времени автономной работы можно определить по разрядным таблицам АКБ либо расчетам времени автономной работы из паспорта СБП в зависимости от выходной мощности. Для СБП, характеристики которого приведены в табл. 8, время автономной работы может увеличиться на 37 минут.

В паспорте каждого СБП указывается тип, номинальное напряжение и количество совместимых АКБ и рекомендуемая емкость. Рассчитать количество батарей можно на основании входных характеристик инвертора СБП (входное напряжение UАКБ). Все АКБ вне зависимости от типа характеризуются следующими основными электрическими параметрами:

1. Номинальное напряжение элемента в заряженном состоянии.

2. Номинальное напряжение батареи (сборки из элементов, как правило, из 3 или 6).

3. Минимальным конечным напряжением на элементе при разряде.

4. Минимальным конечным напряжением батареи.

5. Емкость в амперчасах.

6. Зарядные характеристики, которые регламентируют правила заряда.

7. Разрядные характеристики (разрядные кривые, разрядные таблицы), которые регламентируют штатные режимы работы в режиме разряда.

Как отмечалось ранее, чаще всего в СБП применяются стационарные свинцово-кислотные АКБ.

Номинальное напряжение на элементе (Uэл) свинцовокислотной батареи составляет 2 В, номинальное напряжение батареи из 6 элементов (Uбат) – 12 В.

Если АКБ размещается в корпусе или одном конструктиве с СБП, то количество элементов или батарей можно определить по формуле:

N≈ Uакб/Uэл (16)

для количества элементов,

N≈ Uакб/Uбат (17)

для количества батарей.

N округляется в большую сторону до целого числа.

АКБ подключается к СБП с помощью кабелей, шин (токораспределительной сети), в которой могут происходить потери (падения напряжения Uтрс). В (16) и (17) потери приняты равными нулю, однако на практике они могут быть больше. Нормативами для предприятий связи и телекоммуникаций определяется значением не более 4%. Если такие потери присутствуют, то требуется их учесть при расчете:

N≈ (Uакбвх+ ΔUтрс)/Uэл (18)

для количества элементов,

N≈ (Uакбвх+ ΔUтрс)/Uбат (19)

для количества батарей.

N округляется в большую сторону до целого числа.

АКБ всех типов в составе разрядных характеристик имеют такой параметр, как коэффициент отдачи по емкости ηQ. Он характеризует доступность запасенной в АКБ энергии в зависимости от температуры окружающей среды и тока разряда. Иными словами, паспортная емкость АКБ в 100 А·ч вовсе не означает, то при окружающей температуре в 25 0С может в течение часа отдавать ток в 100 А. Номинальная емкость, указанная в паспорте свинцово-кислотных АКБ, обычно соответствует 10 часовому режиму разряда при 20 0С, ток разряда Iраз=0,1·С10. Коэффициент отдачи в этом случае равен 1, и это наиболее оптимальный режим разряда. При выборе АКБ для СБП предприятий связи рекомендуется соотношением IРАБIраз при продолжительности разряда 10 часов. При других токах разряда коэффициент отдачи меньше 1.

Таблица 10

Коэффициент отдачи свинцово кислотных АКБ

tp, ч

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

ηQ

1

0,97

0,94

0,91

0,89

0,83

0,8

0,75

0,61

0,51

В таблице 10 приведены типичные значения коэффициента отдачи для одного из типов свинцово-кислотных АКБ при 20 0С. Для АКБ других типов и конструкции они могут отличаться. При разрядах большими токами в 5 и более раз выше тока номинального 10 часового разряда, коэффициент отдачи существенно снижается. В целом для свинцовокислотных АКБ имеет место соотношение для выбора емкости в зависимости от условий разряда (и соответственно для определенного времени автономной работы):

С10=Iраз×tраз/(ηQ×(1+0,008×(tср-20ºС)) (20)

С10 округляется в большую сторону. Следует помнить, что для увеличения времени автономной работы СБП увеличение емкости АКБ может иметь ограничения в силу расчетных параметров работы и особенностей конструкции.

Рассмотренные формулы и соотношения позволяют определить основные электрические характеристики СБП.

Классическим является использование системы бесперебойного питания переменного тока. Однако в ряде областей, например телекоммуникациях, применяется достаточное количество оборудования постоянного тока. Для него используются вторичные источники питания – выпрямительные устройства, которые также требует обеспечения бесперебойного питания.

В перечне вопросов для составления ТЗ по проектированию системы бесперебойного питания мы не случайно упомянули выпрямительные устройства. Если они осуществляют электропитание аппаратуры, мощность которой сравнима с остальной нагрузкой (более 1520% от мощности остальной нагрузки), то рекомендуется рассмотреть вариант комбинированной СБП, сочетающей в себе СБП переменного и постоянного тока. В ряде случаев, когда 8090% мощности потребляет телекоммуникационное оборудование с питанием от постоянного тока, то СБП постоянного тока может являться основной, а бесперебойность питания оборудования переменного тока может осуществляться отдельными инверторами. В 2017 году на ежегодной конференции СПРЭС был представлен доклад эксплуатационного подразделения Казахтелекома именно с таким решением. Оно было продиктовано недостаточно оперативной организацией обслуживания ранее установленной СБП переменного тока со стороны поставщика. По информации докладчика новая конфигурация оказалась более надежной и экономичной с точки зрения эксплуатации ДГУ, поскольку большинство нештатных ситуаций в основной сети решались СБП за счет АКБ большой емкости2.

В системах электропитания постоянного тока для телекоммуникаций в основном используются напряжения 24, 48 и 60 В. Расчет СБП следует начать с определения (либо задания требуемой) мощности электроприемников (оборудования, аппаратуры связи) с учетом значения питающего напряжения постоянного тока.

Таблица 11

Состав и характеристики оборудования с питанием от постоянного тока

Наименование

U пит

I ном

I макс

А
В
С
.
Итого

Если в системе электропитания объекта используется постоянное напряжение одного номинала, то построение СБП постоянного тока является наиболее простым. Могут использоваться все рассмотренные ранее системы организации бесперебойного питания, включая использование АКБ в буферном режиме. Если в системе требуется обеспечение 2-х или 3-х номиналов, то эта задача может быть решена либо использованием отдельных батарей (батарейных групп), либо конвертера с несколькими выходами, или же отдельных конвертеров с гальванической развязкой.

Расчет числа элементов (батарей) в группе производится аналогично (9) и (10), в качестве Uакбвх (входное напряжение батареи) подставляется либо номинал выходного напряжения постоянного тока Uсбп (для схем буферного включения АКБ с вольтодобавочным конвертером)3, либо входное напряжение конвертора Uвхконв. То есть для систем на 1 номинал без конвертора:

N≈(Uсбп+ΔUтрс)/Uэл (21)

для количества элементов,

N≈(Uсбп+ΔUтрс)/Uбат (22)

для количества батарей.

N округляется в большую сторону до целого числа.

N≈(Uвхконв+ΔUтрс)/Uэл (23)

для количества элементов,

N≈(Uвхконв+ΔUтрс)/Uакб (24)

для количества батарей.

N округляется в большую сторону до целого числа.

Несколько иначе рассчитывается емкость АКБ. Необходимо принять во внимание параметры мощности и выходного тока. Мощность постоянного тока определяется как произведение напряжения на ток. Если в конфигурации присутствует конвертор, то требуется учесть его КПД ηконв и коэффициент конвертации Кконв= Uвых/Uвх. Должно соблюдаться соотношение

Pакб≥Uакб×Iвых×Кконв/ηконв (25)

Iакб≥Iвых×Кконв/ηконв (26)

Если используется конвертор с несколькими выходами (или несколько конвертеров), то:

Pакб≥ΣUакб×Iiвых×Кiконв/ηiконв (27)

Iакб≥ΣIiвых×Кiконв/ηiконв (28)

На основании (20-28), необходимого времени работы, разрядных характеристик АКБ определяется требуемая емкость в ампер часах.

Расчет и выбор выпрямительного устройства осуществляется на основании параметров нагрузки, схемы организации системы бесперебойного питания, зарядных характеристик АКБ.

В целом выпрямительное устройство (или группа выпрямительных устройств) должны обеспечивать при стабильном напряжении достаточный ток для питания нагрузки, заряда АКБ в послеаварийном и текущем режиме:

Iву≥Iнагр+Iзар+Iсодакб (29)

Если для заряда и содержания АКБ используется отдельное ВУ, то для него

Iвуакб≥Iзар+Iсодакб (30)

Для заряда и содержания свинцово-кислотных АКБ на элементе батареи должно быть

Uэл≈Uз +ΔUсод =2,14+0,14=2,28 В (31)

Входная мощность ВУ указывается производителем в паспорте. Оценить ее также можно на основании КПД ВУ ηву и выходной мощности:

Pвхвуном≥Pвыхвуном/ηву (32)

для номинальной мощности

Pвхвумакс≥Pвыхвумакс/ηву (33)

для максимальной мощности.

Полная входная мощность S (номинальная и максимальная) находится на основании входной активной мощности и входного коэффициента мощности ВУ λву:

Sвуном=Pвхвуном/λву (34)

Sвумакс=Pвхвумакс/λву (35)

Для СБП с вольтодобавочным конвертером (ВДК) выбор ВДК осуществляется исходя из заданной степени стабилизации выходного напряжения, а также минимального конечного напряжения на АКБ.

В последнее время СБП с использованием ВДК применяются значительно реже, чем 1015 лет назад. С одной стороны, это связано с наличием внутренних схем стабилизации в современном оборудовании и более высокая устойчивость к колебаниям питающего напряжения постоянного тока. С другой стороны, системы на основе ВДК по стоимости практически не дают существенных преимуществ в сравнении с конверторными системами или системами с отделенной от нагрузки АКБ с гальванической развязкой. Многие производители сегодня либо предлагают маломощные модели, либо решения по техническому заданию заказчика.

1 При условном делении на кластеры необходимо также принять во внимание схему подключения оборудования

2 Характер аварии, после которой было принято решение об изменении конфигурации, свидетельствует также о возможных ошибках, допущенных при проектировании СБП переменного тока

3 Современные инверторы и конверторы имеют широкий диапазон входных напряжений, т.е. максимально используют энергию АКБ, не требуют ВДК