Partner Group Engineering

Главная / Направления деятельности / Электрические системы / Источники бесперебойного питания

Источники бесперебойного питания

 

Система бесперебойного электроснабжения является последним «рубежом обороны» в борьбе за качество и надежность электроснабжения средств информатизации, телекоммуникаций, систем безопасности и других критических систем. Она представляет собой электроустановку для автономного электроснабжения нагрузки в случаях нарушения или отключения подачи питания от основных источников. Минимального времени ее автономного функционирования должно хватать для завершения работы защищаемых систем без потери информации и повреждений оборудования, либо для запуска резервного источника электроснабжения, например дизель-генераторной установки.

Основу систем бесперебойного электроснабжения составляют источники бесперебойного питания (ИБП). ИБП предназначен для резервирования электроснабжения оборудования за счет энергии, накопленной в аккумуляторных батареях, а так же для подачи электроэнергии должного качества на защищаемое оборудование.

Классификация ИБП производится обычно по двум базовым показателям – его мощности и типу.

ИБП малой мощности подключаются непосредственно к защищаемому оборудованию и питаются от электрической сети через штепсельные розетки. Данные устройства изготавливаются в настольном, или напольном исполнении, а также для монтажа в стойку и выпускаются в диапазоне мощностей от 250 до 3000 ВА.

ИБП средней мощности имеют встроенный блок розеток, либо их выход подключается к выделенной электрической сети для питания защищаемого оборудования. К питающей сети эти ИБП подсоединяются кабелем от распределительного щита через защитно-коммутационный аппарат. Они рассчитаны на установку как в специально приспособленных помещениях, так и в технологических комнатах, где размещается защищаемое оборудование и допускается постоянное присутствие персонала. Такие устройства выпускаются в напольном исполнении или для монтажа в стойку. Типичный диапазон их мощностей — от 3 до 40 кВА.

ИБП большой мощности подключаются к питающей сети с помощью кабеля от распределительного щита через защитно-коммутационный аппарат, а к защищаемому оборудованию — через выделенную электрическую сеть. Они имеют напольное исполнение для размещения в специально приспособленных помещениях. Типичный диапазон мощностей охватывает значения от 10 кВА до нескольких сотен.

По принципу устройства ИБП можно отнести к нескольким основным типам:

 

  • Stand-by или Off-Line ИБП
    В каждый конкретный момент времени такой ИБП может находиться в одном из 2х режимов работы. В случае, когда напряжение в сети находится в допустимых пределах, нагрузка подключена к входу ИБП через цепи фильтрации. В этом режиме ИБП ничем не отличается от обыкновенного сетевого фильтра. Стабилизации напряжения не происходит. Во время работы в этом режиме также происходит зарядка аккумуляторных батарей.

     

    В случае выхода напряжения сети за допустимые пределы, питание нагрузки переключается на аккумуляторные батареи, через инвертор. Так как переключение контактов и запуск инвертора не могут происходить мгновенно, питание нагрузки прерывается на некоторое время. Большинство stand-by ИБП обеспечивают время переключения порядка 4-8 ms.

    По данной схеме построены многие широко распространенные недорогие ИБП (APC Back-UPS, Para Systems MinuteMan A-series, PowerCom UPS-600, Sendon UPS-500, Leadman LU-550 и т.п.)

    •  

     

  • Line-interactive ИБП
    В отдельную группу выделяют ИБП с линейно-интерактивным режимом работы (line-interactive). Принцип их работы схож с принципом работы stand-by источников, за исключением наличия устройства стабилизации напряжения и меньшего времени переключения на работу от батарей (2-4 мс). Благодаря значительному диапазону стабилизации напряжения, эта схема способна работать в нормальном режиме при условиях, когда stand-by ИБП уже перешел бы на батарейное питание.

     

    Этот тип ИБП зачастую имеет улучшенную форму выходного напряжения в режиме работы от батарей. У stand-by источников оно имеет прямоугольную форму, или же синусоида апроксимируется ступеньками и трапецией. Линейно-интерактивные источники имеют синусоидальное выходное напряжение.

    По этой топологии построены многие ИБП среднего ценового класса (BEST Fortress, APC Smart-UPS и Back-UPS Pro, Neuhaus SmartLine, PowerCom KING и т.п.)

    •  

     

  • Оn-line ИБП с двойным преобразованием
    Наиболее распространенный тип ИБП средней и большой мощности.

     

    В ИБП с двойным преобразованием вся потребляемая энергия поступает на выпрямитель, преобразуется в энергию постоянного тока, а затем (с помощью инвертора) — в энергию переменного тока. Одновременно осуществляется подзарядка батарей. При переходе в автономный режим энергия поступает от батарей, они все время «дежурят» на входе инвертора, поэтому время переключения у ИБП данного типа отсутствует.

    Этот ИБП обеспечивает почти идеальные электрические выходные характеристики и обеспечивает наивысшую степень защиты оборудования.

    •  

     

  • On-line ИБП с дельта-преобразованием
    Это новая технология построения ИБП, разработанная и запатентованная компанией Silcon Group (в настоящее время ставшей подразделением American Power Conversion).

     

    Аналогично конструкции on-line ИБП с двойным преобразованием, в ИБП с дельта-преобразованием всегда установлен инвертор, подающий напряжение на нагрузку. В условиях перебоев в питании или нарушения энергоснабжения эта конструкция действует идентично on-line ИБП с двойным преобразованием.

    В нормальном режиме дополнительный дельта-преобразователь передает часть энергии от входа ИБП на его выход. Будучи синхронизированным с электросетью по частоте и фазе, он добавляет или вычитает вырабатываемое им напряжение (delta voltage) к сетевому, тем самым компенсируя отклонения выходного напряжения от номинала. Кроме того, на дельта-преобразователь возложены функции PFC (Power Factor Correction) и управления зарядом батарей.

 

Конструктивное исполнение ИБП определяется их назначением, номинальной мощностью и временем автономной работы.

ИБП малой мощности выполняются в едином конструктиве. Если нужны дополнительные аккумуляторные батареи, они помещаются в аналогичный корпус. Конструкция ряда моделей ИБП малой мощности позволяет производить замену аккумуляторной батареи без отключения нагрузки. Кроме того, ИБП малой мощности выпускаются в специальных корпусах для установки в стандартные шкафы шириной 19“ для активного сетевого оборудования и серверов.

Устройства средней и большой мощности состоят из системного блока и аккумуляторных батарей. Системный блок ИБП представляет собой шкаф, в который устанавливаются выпрямитель, инвертор и система управления.

Аккумуляторная батарея имеет немалый вес (до нескольких тонн) и часто поставляется в разобранном виде: аккумуляторы и шкаф для аккумуляторных батарей. Шкафы бывают различных типоразмеров, в зависимости от емкости применяемых аккумуляторов и требуемого времени автономной работы. Монтаж аккумуляторных батарей на объекте заключается в установке аккумуляторов в шкаф и его подключении кабелем к системному блоку.

ИБП средней мощности могут размещаться в одном шкафу вместе с батареями. Такая компоновка применяется как базовая комплектация. При необходимости увеличения емкости батарей устанавливается дополнительный шкаф.

Охлаждение ИБП средней и большой мощности является принудительным и выполняется встроенными воздушными вентиляторами (в некоторых моделях используется водяное охлаждение). Избыток тепла отводится из помещения ИБП системами приточно-вытяжной вентиляции или мощными кондиционерами-охладителями (в комплект ИБП не входят).

Обязательным элементом схемы ИБП средней и большой мощности, независимо от типа, является устройство обходного пути — байпас (bypass). Оно представляет собой комбинированную электронно-механическую схему, состоящую из статического (электронного) байпаса и ручного (механического) байпаса, что позволяет произвести перевод нагрузки с инвертора на байпас и обратно без прерывания питания. Устройство предназначено для непосредственной связи входа и выхода ИБП, минуя схему резервирования питания. Байпас позволяет реализовать следующие функции:

  • включение/отключение ИБП при проведении ремонта и обслуживания без прерывания снабжения питанием конечного оборудования;
  • автоматический перевод нагрузки с инвертора на байпас при возникновении неисправностей в работе ИБП;
  • автоматический перевод нагрузки с инвертора на байпас при возникновении перегрузок и коротких замыканий на выходе источника бесперебойного питания;
  • перевод нагрузки с инвертора на байпас при удовлетворительном качестве электроэнергии в питающей сети с целью снижения потерь электроэнергии в ИБП.

 

ИБП классифицируются также по количеству поддерживаемых фаз

1:1 — однофазный вход, однофазный выход;
3:1 — трехфазный вход, однофазный выход;
3:3 — трехфазный вход, трехфазный выход.

Схемы 1:1 и 3:1 целесообразно применять при нагрузках мощностью до 30 кВА, при этом симметризация не требуется, и мощность инвертора используется рационально. Необходимо иметь в виду, что обходной путь в таких схемах является однофазным и при переходе ИБП с инвертора на байпас для входной сети ИБП по схеме 3:1 становится несимметричным устройством, подобно ИБП 1:1.

Резервирование и масштабируемость ИБП

Как и любое устройство ИБП может выйти из строя, поэтому на особо критичных нагрузках применяется резервирование ИБП.

Резервирование может осуществляться посредством параллельной установки нескольких ИБП. При этом схемы, обеспечивающие их параллельное функционирование, могут быть встроены в сами ИБП, либо автоматическое переключение между ИБП может осуществляться посредством внешнего устройства. Этот же принцип может использоваться для масштабирования системы бесперебойного электроснабжения, если ИБП работающие в параллель поддерживают распределение нагрузки между собой.

Недостатки такой схемы очевидны – стоимость системы бесперебойного электроснабжения резко возрастает с увеличением количества ИБП. Один из вариантов обойти эту проблему – несколько параллельно работающих ИБП могут использовать один батарейный шкаф.

Резервирование может осуществляться внутри самого ИБП. Начиная с середины 90-х годов, широкое распространение получили так называемые энергетические массивы (power array). Выполненные по методу двойного преобразования и принципу N+1, они представляют собой параллельную систему модулей в одном корпусе и способны продолжать работу при выходе из строя силового модуля, модуля батарей или модуля управления. Энергетические массивы реализуются в соответствии с различными концепциями — с распределенной логикой управления, с централизованной избыточной логикой, с отдельными батарейными модулями и совмещенными силовыми и батарейными модулями. Отказ любого модуля не вызывает остановки ИБП в целом. Процедура ремонта состоит в замене отказавшего блока без отключения ИБП.

ИБП типа «энергетический массив» обладают свойством масштабируемости. Ряд моделей энергетических массивов позволяет осуществлять комплектацию устройства таким образом, что количество силовых и батарейных модулей может находиться в разных соотношениях. Такая комплектация применяется для следующих задач:

  • избыточного резервирования по принципу N+1 и более для оборудования с особенно высокими требованиями к надежности электроснабжения (системы безопасности, технические средства органов государственного управления, транспорта и опасного производства, крупные платежные системы и т. д.);
  • увеличения мощности ИБП с ростом энергопотребления нагрузкой;
  • увеличения времени автономной работы от батарей.