1.3. Основные технические характеристики систем БП с АКБ

Системы БП для решения определенной задачи на объекте должны соответствовать требуемым параметрам. Эти параметры обеспечиваются использованием ИБП в сочетании с другими компонентами. Для ряда базовых задач производятся компоненты и готовые изделия. Но технические решения, использованные как в компонентах, так и в изделии в целом, могут в различной степени определять значения, возможность получения и стабильность тех или иных характеристик. В значительной степени характеристики ИБП определяются такими параметрами, как:

  • схемой построения;

  • типом, характеристиками, количеством, схемой включения АКБ;

  • типом, характеристиками, количеством основных и вспомогательных компонентов.

Параметры входного напряжения

К этим параметрам относятся вид (постоянное или переменное), значение (рабочее значение, допустимые отклонения, допустимые отклонения с ограничением по мощности) количество фаз (для переменного тока — однофазный или трехфазный вход), форма (допустимые отклонения от синусоидальной формы), частота (для сети переменного тока в РФ – 50 Гц, также для ИБП всегда указываются параметры допустимых отклонений частоты). Также как правило, указывается максимальный ток (для переменного входного напряжения – максимальный ток по фазе).

В случае, когда основное электропитание осуществляется от сети переменного тока промышленной частоты, на вход ИБП подается 220 В переменного тока синусоидальной формы, частотой 50 Гц. Вход может быть однофазным или трехфазным. Большинство современных моделей ИБП рассчитаны на работу от сети переменного тока промышленной частоты.

В некоторых случаях, например, если основное электропитание объекта осуществляется от собственной электростанции (с генератором переменного или постоянного тока), параметры входного напряжения могут отличаться.

Параметры выходного напряжения

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

Указываются значение выходного напряжения, пределы его регулировки (как правило, для ИБП постоянного тока). ИБП постоянного тока может иметь несколько выходных напряжений.

Для ИБП постоянного тока указывается коэффициент пульсаций.

В зависимости от схемы построения ИБП выходное напряжение может иметь различную чувствительность к изменению входного напряжения. Указываются пределы изменения входного напряжения, могут быть указаны относительные значения при изменении входного напряжения.

ИБП переменного тока могут иметь трехфазный или однофазный выход4.

В зависимости от схемы реализации, ИБП переменного тока на выходе может обеспечивать переменное напряжение различной формы. Форма 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 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 ИБП выходное напряжение переменного тока может в различной степени зависеть от синусоидальности входного.

Характеристики по мощности и КПД

Характеристики по мощности ИБП переменного и постоянного тока указываются номинальные, а также максимальные (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 U определяется как произведение напряжения на ток.

P UI (1)

В случае переменного напряжения вводится понятие мгновенной мощности, как произведения мгновенных значений тока и напряжения:

p(t) u(t)i(t) dW (2)

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 взаимных

4 При выходной мощности более 3 кВА практически все серийно выпускаемые ИБП имеют трехфазный выход

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 в случае переменного напряжения.

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

T

T

P 1

u(t)i(t)dt

0

(3)

Хорошо известно, что при наличии реактивных элементов в составе линейного потребителя, ток и напряжение будут синусоидальными величинами, сдвинутыми некоторый угол φ. Мгновенная мощность будет содержать две составляющих: среднее значение (P), равное UI cos , и реактивную мощность (Q), которой источник

и приемник будут обмениваться между собой с удвоенной частотой. Среднее

значение реактивной составляющей равно нулю, амплитуда —

UI sin . Реактивную

мощность принято измерять 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, как произведение действующих значений напряжения и тока. Единица ее измерения – ВА (вольт-ампер).

S UI (4)

Здесь символами U и I обозначены действующие значения переменных напряжения и тока, численно равные квадратному корню из среднеквадратического значения мгновенной величины за период. Физически действующее значение переменного напряжения (тока) равно такому значению постоянного, которое в одинаковых активных сопротивлениях выделяет равную энергию.

Хорошо известная из электротехники формула

S (5)

определяет разность между полной и активной мощностями. В простейшем линейном случае эта разность является реактивной мощностью.

Все большее значение в последнее время приобретает коэффициент мощности (в справочной литературе обозначается как Км или λ5) как важнейший показатель качества потребляемой электроэнергии. В идеальном

случае 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 раз по сравнению с пропускной способностью линии. Для линейных активно-индуктивных потребителей, а это двигатели станков, транспортеров, лифтов (  0,8 ), лампы дневного света ( 0,3 ). Для компьютерной и современной телекоммуникационной техники, где применяются источники питания с без трансформаторным входом, его значение составляет 0,6 -0,67.

Основная сеть энергоснабжения – трехфазная переменного тока. На ее основе строятся сети электропитания промышленных предприятий, предприятий телекоммуникаций, ЦОД. 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 характеристик по мощности, также используются компенсаторные установки различных типов.

Что означают на практике рассмотренные особенности работы сетей переменного тока для оценки характеристик и расчета ИБП и основанных на них систем? ИБП, подключаемый к сети переменного тока является потребителем электроэнергии. ИБП, который подключается к сети переменного тока и содержит выпрямительное устройство, не является полностью активной нагрузкой. Для компенсации реактивных токов в ИБП применяются специальные устройства компенсации, которые позволяют получать в конечном итоге близкий к 1 (0,98-0,99) коэффициент мощности. В зависимости от схемы ИБП не всегда имеют близкий к 1 коэффициент мощности. Его значение указывается производителем в документации и должно учитываться.

ИБП переменного тока (трех- или однофазный) может применяться для подключения различной нагрузки. Для правильного расчета и выбора ИБП, систем на основе нескольких ИБП, необходимо производить расчет полной мощности потребителей. Принципы расчета для систем и отдельных ИБП аналогичны. Для стабильной и надежной работы выходная мощность ИБП 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.

Выходной коэффициент мощности источника бесперебойного питания определяет мощность оборудования, которое возможно подключать к данному ИБП, т.е. допустимое соотношение полной и активной мощности на выходе инвертора ИБП. Например, выходной коэффициент мощности 0,8 показывает, что к ИБП с 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 такому ИБП подключить уже не удастся, потому что его полная мощность составит 57 кВА.

Крест-фактор

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

По сути это характеристика взаимодействия нагрузки и источника, желательно рассматривать конкретный случай взаимодействия нагрузки или источника (например, когда выходное напряжение ИБП может сильно отличается от синусоиды). В случае синусоидального питающего напряжения и компьютерного блока питания 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.

Время переключения режимов

ИБП 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 ИБП, 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.

Время автономной работы

ИБП не являются основным источником электропитания аппаратуры. Их задача – обеспечить электропитание в течение времени, достаточного для корректного завершения работы аппаратуры (рабочей станции компьютерной сети, сервера) и отключения, либо на время запуска и подключения резервных источников электропитания (в случае, если аппаратура не может останавливаться).

Во время автономной работы ИБП 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 работы батареи уровня при определенной температуре и силе тока). Емкость обозначается как С106. Для увеличения емкости, выходного напряжения, 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 ИБП нагрузки, а также коэффициентом полезного действия ИБП – показателем, который позволяет оценить потери при преобразовании энергии.

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

В зависимости от схемы и конструктивного исполнения ИБП могут иметь ограничение на время 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 ИБП в режиме непрерывной автономной работы не более определенного, указанного в документации времени.

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

6 Нижний индекс показывает длительность условного разряда в часах. Для АКБ, используемых в ИБП в расчетах используется 10 часовой условный разряд

Тип используемых АКБ

Данная характеристика АКБ регламентирует тип и параметры АКБ, при использовании которых обеспечиваются расчетные режимы и заявленные производителем характеристики.

Наиболее широкое применение в ИБП находят герметизированные и герметичные свинцово-кислотные АКБ, однако могут использоваться и АКБ 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 ИБП могут накладываться ограничения

– в том случае, если входящее в состав ИБП 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 ИБП). Может указываться номинальный ток заряда встроенного ЗУ, зная который можно рассчитать время полного заряда АКБ большей емкости (в случае, если их использование допустимо).

Номинальное напряжение определяет количество объединяемых в батарейную группу АКБ. Например, для свинцово-кислотных АКБ номинальным напряжением 12В номинальное напряжение батарей ИБП 192В означает объединение в группу 16 последовательно подключенных АКБ номинальным напряжением 12В. В документации к ИБП производителем обычно указываются рекомендуемые типы АКБ

Срок службы батарей

Срок службы батарей ИБП зависит от их типа и условий эксплуатации. Может составлять от 5-7 до 10-15 лет.

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

Возможность параллельной работы

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

Параметры резервирования

Для повышения надежности ИБП могут применяться схемы резервирования. Существует несколько основных видов резервирования: N, N+1, 2N, 2N+1,

2(N+1), 3/2N. Степень резервирования зависит от требований к надежности электропитания объекта

Резервирования повышает стоимость и отказоустойчивость системы: чем система сложнее, тем она дороже, но и более устойчива к отказам и ошибкам. Наиболее распространенная схема, оптимальная по стоимости и надежности – N+1. В системе N+1 резервный элемент остается незадействованным в работе до тех пор, пока в системе не произойдет сбой одного из основных элементов. В случае возникновения такого сбоя, резервный элемент примет на себя всю его нагрузку. Таким образом, система продолжит работать, но необходимость отключать всю систему для проведения ремонтных работ все еще возникнет.

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 ПО).

В документации к ИБП указываются протоколы взаимодействия по встроенным интерфейсам, совместимость с различным ПО и др.

Байпас (bypass) – это механизм обходного пути, является обязательной частью любого источника бесперебойного питания высокой или средней мощности.

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

Физические параметры

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

Для ИБП, предназначенных для установки в шкафах и стойках, указываются типоразмеры для монтажа. Указываются типы и параметры контактов, сечение проводов и др.

Примеры основных характеристик ИБП с АКБ

Пример описания характеристик ИБП переменного тока

Таблица 5

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)

380 (220)

Модель

ST3110SL

входное напряжение, В

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 1В, по

умолчанию: ±10%

Диапазон входного напряжения в

режиме байпас, В

настраивается пользователем в диапазоне ±20% с шагом 1В, 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

Таблица 5 (продолжение)

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

Таблица 5 (продолжение)

Встроенные и внешние АБ

Тип АБ

герметичные, необслуживаемые, свинцово-кислотные

Номинальное напряжение АБ, В

192

Номинальный ток заряда встроенного ЗУ,

4

Встроенные и внешние АБ

А

Количество встроенных АБ 12В, шт.

16

Емкость встроенных АБ, Ач

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. 6

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)

Таблица 5 (продолжение)

Панель управления и интерфейсы

ЖК-дисплей со светодиодной индикацией

отображение рабочего состояния системы и основных параметров,

настройка ИБП, 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 4с), низкое напряжение встроенных и/или внешних АБ (каждые 2с), батарея отсоединена/полностью разряжена/нуждается в замене (каждые 0,5с), перегрузка и

неисправность ИБП (непрерывный сигнал)

Сухие контакты

5 шт. (50 В, 50 мА) для сигнализации о неисправности ИБП, 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

ИБП (EPO)

разъемный клеммник под винт, сечение провода: 0,08-1,2 мм.кв.

Система дистанционного

контроля территориально разнесенных ИБП

опция

Параллельная работа

до 4 ИБП, в базовой комплектации

Ручной байпас

да

Отдельный ввод байпаса

да

Таблица 5 (продолжение)

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

Таблица 5 (продолжение)

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 6 (продолжение)

Расчетное время работы от АКБ

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