1.2. Принцип действия систем БП

Суть процесса электропитания состоит в передаче электрической энергии устройству, системе, комплексу (электроприемнику, потребителю электроэнергии). При провалах, просадках и исчезновении напряжения в основной питающей сети, для обеспечения бесперебойной подачи  электроэнергии агрегаты, устройства, источники бесперебойного питания должны создать условия, при которых в питающей цепи электроприемника перерывов в подаче электроэнергии не произойдет. На рис. 1.1. показана общая функциональная схема взаимодействия основной питающей сети, ИБП и электроприемника.

Иными словами, ИБП выполняет роль буферного (промежуточного) устройства между сетью 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 сети используется для формирования запаса энергии в устройстве хранения. В случае отклонения параметров к потребителю начинает поступать электрическая энергия из устройства хранения через ИБП.

Процесс доставки электроэнергии к потребителю контролируется и управляется специальным устройством в составе ИБП, также в составе ИБП присутствуют устройства преобразования энергии из устройства хранения, а также устройства для осуществления накопления энергии в устройстве хранения и поддержания его в готовности, диагностики и мониторинга. Время работы потребителя за счет энергии из устройств накопления определяется количеством электроэнергии, потребляемой в единицу времени (мощностью), техническим характеристиками ИБП – количеством накопленной энергии в устройстве накопления, расчетными температурными режимами и КПД устройства преобразования и т.д.

Для объекта (офиса, производства), находящегося в здании или сооружении вместе с другими объектами может быть локальный РЩ, в более широком смысле – место подключения оборудования, требующего использования системы БП

Общий принцип действия систем БП на практике реализуется различными способами. Прежде всего, могут использоваться различные принципы накопления энергии. Пример – системы БП с использованием механических накопителей и дизель- генераторных установок. В системах электропитания ЦОД большой мощности, промышленных предприятий могут применяться системы ИБП 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, и 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, имеется как правило 150%-ная перегрузочная способность (по номинальному току) в течение длительного времени (две минуты вместо одной), благодаря установке двигатель-генератор 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 очевидные преимущества, есть недостатки. Прежде всего экономические. Использование дизель-роторных установок оправдано только для объектов мощностью в сотни кВт, имеет высокую стоимость – как оборудования, так и строительно-монтажных работ.

На рис. 3. приведен внешний вид такой установки.

Такие установки требуют отдельных специально оборудованных помещений, специального технического обслуживания и др.
Наиболее массовое применение имеют ИБП, 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 ИБП с устройствами хранения на основе АКБ. Эти устройства имеют наиболее массовое применение благодаря меньшим габаритам, стоимости и др.

 

В литературе топологию ИБП с накопителями энергии на основе АКБ называют «статической». Статическая топология обладает многими преимуществами благодаря совмещению технологии силовых транзисторов с методом ШИМ с ограничением по амплитуде
Их характеризует:

 

• Упрощенная общая конструкция с сокращением количества деталей и соединений, а также с количества возможных причин для сбоев.
• Способность мгновенного реагирования на колебания амплитуды и частоты в питающей сети благодаря микропроцессорному управлению на основе цифровых методов дискретизации. Амплитуда напряжения восстанавливается в требуемых 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 такое пошаговое изменение нагрузки производит колебание напряжения нагрузки менее ± 2%.
• Высокий и стабильный КПД при полной или любой частичной нагрузке, что является главным преимуществом для резервных ИБП с низким процентом нагрузок. Статический ИБП с 50% нагрузкой имеет высокий КПД (94%), тогда как КПД роторного ИБП составляет 88-90% (обычное значение), что непосредственно влияет на эксплуатационные затраты.
• Использование резервных ИБП обеспечивает высокую готовность систем со сверхнадежной подачей питания (например, для центров обработки данных).
• Возможное встраивание в резервные архитектуры с раздельными функциями, упрощающими обслуживание благодаря изолированным внутренним частям установки.

 

В системах БП с батарейными накопителями могут использоваться также и механические, 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 ИБП в течение 10-18 с. Кинетическая энергия маховика при этом преобразуется в электрическую с помощью генератора.

 

Маховики могут заменить традиционные батареи ИБП или работать совместно с ними для высоконадежной мгновенной подачи резервной мощности. Как и обычная батарея они сопряжены с шиной постоянного тока ИБП, по которой получают от ИБП постоянный ток», который подают на инвертор ИБП в режиме разрядки.
Практическая реализация систем БП с АКБ и кинетическими накопителями в значительной степени определяется требуемыми параметрами (как техническими, так и экономическими). В значительной степени требуемыми параметрами определяется архитектура систем, методики расчета и проектирования.

 

Рассмотрим некоторые технические особенности систем БП с совместным использованием АКБ и кинетических маховиковых накопителей.
В ИБП без генераторной установки маховиковая система накопления энергии может работать параллельно с батареями. Эта технология использования маховика часто называется «усилением батареи». Ее назначение – повышение надежности ИБП при кратковременных перебоях в основной сети.

 

В подобной конфигурации маховик первым принимает на себя все нарушения электроснабжения, обеспечивая тем самым более высокую готовность ИБП и экономию заряда батарей для более длительных перебоев. Благодаря тому, что маховиковая система первой отдает свою энергию во время сбоев электропитания, то существенно увеличивает срок службы устройства, поскольку маховик позволяет избежать 98% разрядов, которым в его отсутствие подверглись бы батареи.

 

Сегодня такие системы разрабатываются и предлагаются на рынке рядом производителей. Технология усиления батареи маховиками позволяет.

 

• снизить число циклов зарядки/разрядки, и тем самым продлить срок службы АКБ;
• снизить частоту замены АКБ и действий по их утилизации;
• обеспечить более высокую готовность системы БП в критических случаях.

 

Хотя батареи ИБП и способны обеспечивать мощность в течение этого переходного периода, их надежность даже при обеспечении всех требуемых регламентов обслуживания, контроля, эксплуатации, не всегда может быть абсолютной. Маховиковые системы, по замыслу разработчиков, постоянно обеспечивают надежное накопление энергии для прогнозируемого перехода на резервный генератор, при этом предлагаемые системы компактны (сравнимы по габаритам с батарейными стойками, другими компонентами системы БП).

 

Производители подчеркивают, что маховиковая система, обеспечивающая 10 или 20 секунд поддержки, обладает преимуществами в сравнении с традиционной системой БП с АКБ и генераторной установкой. Достигаются высокая надежность и прогнозируемость накопления энергии – расчетная средняя наработка на отказ составляет 54,000 часов; – непрерывный контроль обеспечивает высокую прогнозируемость работы. Также это экологически чистая технология – отсутствие свинца, кислоты, малый углеродный след. В качестве аргументов указываются меньшее соотношение цена/качество, около 20 лет полезного срока службы и низкие эксплуатационные затраты, малые габариты и вес, способность работать при температурах до 40°C2

 

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, и ИБП с накопителями на основе АКБ (статические) пока являются наиболее массовым сегментом. Еще одно решение – использование суперконденсаторов3 в сочетании с АКБ, пока также не является массовым, хотя в перспективе при развитии технологий и снижении стоимости вполне может им стать.

 

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

 

2 Некоторые производители специально позиционируют такие системы как экономичное решение для стран с жарким климатом
3 Другое название – ионисторы. Технологии разрабатывались еще с 50-х годов прошлого века. В 80-х годах в Японии была успешно испытана батарея суперконденсаторов, позволяющая запустить двигатель автомашины при практически полностью разряженной стартерной батарее. Широкое применение все еще ограничивается высокой стоимостью и низкой надежностью

 

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

Электрические аккумуляторные батареи всех типов, независимо от принципов работы являются по сути перезаряжаемыми химическими источниками постоянного тока. Соответственно, в составе устройства, системы, агрегата, источника БП с АКБ в любом случае присутствуют 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 – электрическая энергия основной сети (в большинстве случаев – промышленной сети переменного тока) преобразуется в электрическую энергию постоянного тока для накопления в АКБ (заряда батарей) при работе ИБП и потребителя в штатном режиме. В случае перерывов, провалов напряжения основной сети электрическая энергия постоянного тока, накопленная в АКБ, преобразуется требуемым образом и поступает к потребителю.

 

Системы БП в зависимости от технических характеристик могут быть реализованы в одном корпусе с АКБ или же быть рассчитаны на использование с внешними АКБ, использовать одну батарею или группу (группы) батарей, иметь различным образом реализованные устройства преобразования. Однако методики расчета, проектирования и построения, режимы работы всегда в значительной степени будут определяться физическими принципами работы АКБ, и характеристиками АКБ используемого типа.

 

Системы БП, в силу возлагаемых на них задач, должны иметь высокую надежность в течение всего срока службы. Надежность систем БП с АКБ определяется многими факторами. Прежде всего это качественные характеристики оборудования, проектирования и монтажа установки электропитания, однако в процессе работы надежность существенно зависит от правильной эксплуатации. В особенности эксплуатации АКБ, что подразумевает как соблюдение регламентированных технологических режимов работы, так и своевременного контроля состояния батарей и батарейных групп.

Согласно статистике аварий и отказов ИБП, до 96% являются следствием сбоев в работе батарей, и только 4% – других компонентов ИБП.

 

Этот факт обуславливает исключительную важность и ответственность всех задач, связанных с расчетом параметров, выбором, организации контроля АКБ систем БП.