Содержание
Широкий диапазон применяемых электроустройств, бытовых приборов, сложного корпоративного и промышленного оборудования – иногда целой системы, требующей надежного электроснабжения — диктует все большую потребность в использовании источников бесперебойного питания. Это в свою очередь ставит нас перед необходимостью разбираться во многих тонкостях основных рабочих характеристик ИБП. Неучет какой-то из них, неправильное понимание значения хотя бы одной характеристики может не только перечеркнуть весь положительный эффект от применения бесперебойника, но и даже более того, привести к довольно неприятным последствиям. Пользователь сам несет и бремя забот, и бремя ответственности за работоспособное состояние своего оборудования.
Но прежде, чем перейти к рассмотрению наиболее важных с практической точки зрения характеристик ИБП, следует хорошо представлять, какие, собственно, беды и напасти мы хотим – и, самое главное, можем – с помощью них избежать.
Неполадки электросети, компенсируемые правильным подбором характеристик ИБП
Параметры электросети в нашей стране регламентируются ГОСТом 13109-97 данный ГОСТ устанавливает следующие требования:
Все устройства-потребители электроэнергии выполнены для эксплуатации в нашей стране именно на этих параметрах. Причиной отклонений от норм и неполадок может стать технический, человеческий или природный фактор. Так, для примера, к перенапряжению в линии электропитания может привести изменение электромагнитного поля вследствие разряда молнии. Это в свою очередь вызвать в обмотках трансформатора наводку очень высокого напряжения. Этот импульс напряжения способен далее почти мгновенно распространиться по электропроводке, интерфейсу, телефонным линиям и т.д. И, обладая довольно мощной энергией, стремительным образом с большой разрушительной силой пронестись по компьютерной сети или иной линии технологического оборудования.
Неполадки могут вызвать изменение напряжения, нарушение его синусоидального сигнала не только по амплитуде, но и по частоте, что также приводит к своим специфическим негативным последствиям.
В данной таблице приведены основные виды неполадок в электросетях, их наиболее вероятные причины и последствия.
1. Пропажа напряжения в сети.
Возможные причины: перегрузка электросети, замыкание в сети или во внутренней электропроводке устройств и оборудования, неправильный режим энергопотребления, механические повреждения линии электропередач (в том числе обледенение и др.), поломки периферийного оборудования, выход из строя коммуникационных портов и интерфейсов, грозовые электроразряды молний и иные технические и форс-мажорные аварии.
Возможные последствия: выход из строя основного и вспомогательного оборудования, потери текущей информации из оперативной или кэш памяти, разрушение структуры файлового обмена данными, выход из строя материнской платы, полная потеря информации с жесткого диска, в особо тяжелых случаях – ущерб здоровью пользователей.
2. Кратковременное или долговременное изменение (всплеск, подсадка) напряжения.
Возможные причины: работа в непосредственной близости с вашей электросетью, вашими компьютерами и системами установок и приборов большой мощности (бытовых приборов, электродвигателей, электрогенераторов, кондиционерного оборудования и т.п.), это бывает особенно чувствительно на режимах выключения подобных устройств, когда происходит рассеивание избытка энергии по электросетям.
Возможные последствия: выход напряжения из рабочего диапазона и отклонение других параметров от регламентированных норм, что особенно губительно для высокочувствительной техники, рассчитанной на строго определенные технические требования.
3. Импульсные скачки высокого напряжения.
Возможные причины: переходные процессы в момент восстановления напряжения после аварии (например, обрыв линии энергопитания), близкий разряд молнии.
Возможные последствия: резкий высоковольтный импульсный скачок обладает очень мошной энергией (иногда с мгновенным увеличением напряжения до 6 киловольт, при продолжительности 10 — 100 миллисекунд) и способен быстро распространиться по сетям и нанести большой технический и информационный ущерб.
4. Высокочастотные шумы и помехи, распространяемые через электросеть.
Возможные причины: главным образом все те же технические и природные факторы, включение-выключение мощной нагрузки (бытовые приборы, электродвигатели, электрогенераторы, радиопередатчики, кондиционеры и различное промышленное оборудование и т.п.), грозовые разряды молний.
Возможные последствия: нарушение синусоидальной формы напряжения, электро и радиошумы могут спровоцировать неустойчивую работу сетей, оборудования и всей энергосистемы, частичная или полная потеря информационных данных.
5. Побеги частоты (отклонения частоты более чем на 3Гц).
Возможные причины: на отклонения частоты влияет суммарная нагрузка, изменения частоты могут быть вызваны изменениями генерируемой и потребляемой мощности.
Возможные последствия: на пассивные нагрузки изменения частотных характеристик влияния не оказывают, частотные колебания влияют на вращающий момент, то есть на механическую энергию, что может вызывать, например, снижение к.п.д. двигателей, также на качество энергоситсемы могут оказать свое воздействие изменения магнитного потока в магнитной цепи системы (в основном в трансформаторной), которая достаточно зависима от частотных колебаний.
Представление потенциальных угроз даже в общем их виде помогает предварительно наметить, на какие разновидности, на какую группу источников бесперебойного питания в общих чертах надо на практике ориентироваться. Знание же и понимание их основных характеристик поможет обеспечить надежное, бесперебойное энергоснабжение, отсутствие перегрузок и недодач в электропитании, его экономный расход и высокий к.п.д.
Основные характеристики ИБП
В нижеследующей таблице мы приводим максимально широкий перечень основных характеристик ИБП, которые полезно знать любому пользователю, чтобы не ошибиться в выборе источника бесперебойного питания для своих конкретных нужд.
Таблица основных рабочих характеристик источников бесперебойного питания.
А. Выходные характеристики ИБП.
1. Выходная мощность ИБП.
Одна из основных характеристик ИБП, влияющая на его выбор. Единицы измерения приводятся либо вольт-ампер (ВА, VA), либо – ватт (Вт, W). И здесь есть своя тонкость. Величину мощности, указанную в ВА, нельзя считать равной мощности в Вт. И об этом многие иногда забывают.
Как же правильно тогда выбирать мощность ИБП?
Для относительно маломощных ИБП, рассчитанных на сравнительно небольшую полезную нагрузку (ПК и периферийное оборудование, например), в техпаспорте мощность обычно приводится в ВА.
Но надо знать, что доступная мощность в Вт будет меньше. На практике допускается принимать мощность бесперебойника в Вт примерно равной 60% от вольт-амперной мощности.
Довольно распространенный просчет заключается в том, что если для вычисления необходимой мощности в Вт использовать паспортную характеристику можно ошибочно выбрать питание, формально соответствующее параметру в вольт-амперах, но на самом деле мы получим превышение мощности в Вт.
Вот как выглядит характерный пример ошибки в расчете требуемой мощности при выборе ИБП
Задача: Необходимо подобрать ИБП для файлового сервера в 800 Вт. Решили взять источник бесперебойного питания 1000 вольт-ампер. У данного файлового сервера имеется ИП с коррекцией коэффициента мощности, соответственно его параметры: 800 ватт и 800 вольт-ампер.
И тогда, не смотря на то, что ВА-характеристика полезной нагрузки 800 вольт-ампер, то есть пребывает в диапазоне ВА-характеристики ИБП, тем не менее, бесперебойник не справится с задачей.
Все дело в том, что мощность сервера в 800 Вт, превосходит мощность ИБП, которая равна приблизительно 600 Вт (0,60 от 1000 вольт-ампер).
То есть, таким образом можно допустить опасную оплошность и подключить ИБП, показатели мощности которого выглядят вроде бы правильно, но в процессе эксплуатации будет возникать перегрузка ИБП.
Если нет точной информации о мощности полезной нагрузки в Вт, то следует руководствоваться таким правилом:
суммарная мощность всех устройств в системе (согласно их техпаспортам) не должна превышать 60% мощности ИБП в ВА.
Для обеспечения гарантированно бесперебойной работы электропитания рекомендуется немного завышать номинальную мощность ИБП по сравнению с мощностью устройства, указанного в его паспорте. Это создаст дополнительный резерв мощности, что поспособствует увеличению времени автономной работы ИБП.
Но тут одновременно надо отметить и имеющийся минус такого подхода, а именно, – завышение мощности ИБП вызывает увеличение времени его срабатывания. Поэтому, если этот параметр для потребителя не безразличен, то необходимы более точные оптимизирующие расчеты для выбора ИБП.
У более мощных ИБП, предназначенных для питания больших систем, таких как промышленное оборудование, крупные сервера, датацентры и т.п., мощность в технической документации, как правило, указывается либо в ваттах, либо и ваттах, и вольт-амперах одновременно.
2. 2. Выходное напряжение ИБП.
Указывается в вольтах (В, V). Еще одна сверхважная характеристика ИБП. От качества выходного напряжения зависит стабильность и безаварийность всей системы.
Величина отклонения напряжения может быть определена следующим образом:
V = [(U – U1) / U1] x 100%;
где U – фактическое напряжение;
U1 – номинальное напряжение.
Уход фактических параметров напряжения от требуемых делят на максимально- и нормально-допустимые. При этом 22,8 часов в сутки (95%) качество напряжения обязано находиться в диапазоне нормально-допустимых характеристик. Равно как и все время (в том числе и в поставарийных рабочих состояниях) оно обязано пребывать в диапазоне максимально-допустимых требований.
Во время аварий разрешается выход показателей качества электронапряжения за рамки регламентированных значений. Это касается и падения электронапряжения в ноль, и «гуляния» частоты в ± 5Гц с обратным их возвращением в диапазон максимально-допустимых для поставарийной работы параметров.
Требования к качеству выходного напряжения ИБП варьируются также и в зависимости от вида нагрузки. Так, например, в промышленности большую зависимость от качества питающего напряжения имеет работа электротермических установок. У них, с уменьшением напряжения падает рабочая температура, увеличивается длительность цикла техпроцесса, а иногда, при серьезных отклонениях, термическая операция может оказаться и вовсе незавершенной.
3. Частота выходного напряжения ИБП.
Строгость требований к частоте ИБП на его выходе зависит от чувствительности к ее изменениям тех устройств и сетей, которые он предназначен питать. Одни из них более зависимы от частотной нестабильности, другие менее.
Отклонения частоты от номинальных значений чревато двумя основными видами неприятностей.
Первый – электромагнитные потери. Нестабильность частоты может привести к росту расхода энергии при передаче. Так, понижение ее на 1 % способно увеличить расход электроэнергии на передачу на 2 %. Это в свою очередь ведет к снижению общего к.п.д. всей системы.
Второй вид проблем, вызываемых нестабильностью частоты это связанное с нею уменьшение производительности техоборудования, что влечет повышения времени всего рабочего процесса. Иногда для того, чтобы компенсировать такой негатив, приходится использовать дополнительное оборудование, со всеми вытекающими из этого допзатратами.
Удержание частоты в рамках номинала обычно обеспечивается предусмотрением резервного запаса мощности в энергосистеме.
4. Форма напряжения на выходе ИБП.
Параметр, к которому также могут оказаться чувствительны некоторые варианты устройств. В паспортных данных ИБП обычно указывают, какой обеспечивается сигнал напряжения по форме: строгая синусоида или же ее имитация, т.е. приближенная (аппроксимированная) к ней форма синусоиды (часто – линия ее не гладкая, а ступенеобразная). Надо знать, что у некоторых компьютеров блоки питания (у которых активный P.F.C.) не важно «переваривают» имитированную синусоидальность. В то же время, наличие в ИБП инвертора для идеализации формы синусоиды понижает к.п.д.
Б. Входные характеристики ИБП.
1. Напряжение на входе в ИБП.
Напрямую связаны с параметрами питающей ИБП электросети.
В зависимости от того, какое требуется напряжение полезной нагрузке, может быть:
— для мощных устройств и промышленного оборудования обычно: 380В, 400В, 415В.
2. Диапазон допустимых колебаний напряжения на входе, при котором ИБП способен выполнять свои функции без переключения на аккумуляторную батарею.
Чем шире этот диапазон, тем реже переключения на АКБ, тем, соответственно, дольше срок службы батареи. ИБП с более широким диапазоном колебаний данного параметра более востребованы могут быть теми потребителями, которые вынуждены работать от сетей с частыми просадками напряжения.
3. Диапазон частоты входного напряжения ИБП.
В техпаспорте обычно указывается диапазон колебаний частоты, который ИБП способен корректировать. Если в каком-то регионе в местной электросети бывают, например, сильные снижения частоты напряжения, то необходимы мощные бесперебойники, способные своими индуктивными и емкостными возможностями нейтрализовать такие понижения.
4. Величина напряжения при переключении байпаса.
Обычно указывают в процентах к отклонению от номинала входного напряжения. У некоторых ИБП имеются дополнительные опции, позволяющие пользователю самому выбрать, при каком проценте отклонений допустимо переключение на байпас (например, 10%, 15%, 20%). Это позволяет более точно настроить ИБП и избежать ненужных переключений.
1. Длительность перехода ИБП на резервный режим.
В техпаспорте, как правило, приводится длительность переключения источника бесперебойного питания на АКБ и на байпас (в мсек). Этот процесс должен происходить максимально быстро и корректно для потребителя электроэнергии.
2. Режим перегрузки.
Данный режим характеризуется следующими параметрами: допустимой величиной превышения напряжения (обычно указывается в процентах) и временем, в течение которого ИБП продолжает работать и по истечении которого он обесточивается и переходит на резервный режим.
Например, в паспорте это может выглядеть так.
Для батареи – «При нагрузке 100-140% – 20 сек, затем ИБП выключается». Или – «˂150% – 250 мс, затем ИБП выключается».
Для байпаса: «70 с при нагрузке >120%».
3. Характеристики автономного режима ИБП при перегрузке.
На продолжительность работы АКБ при обесточенном источнике бесперебойного питания влияет емкость батареи и мощность потребителя электроэнергии. Если ИБП предназначен для компьютера, а вы к нему подключите на время отсутствия электричества в сети еще и электрокамин, то батареи в таком аварийном случае разрядятся, разумеется, мягко говоря, несколько быстрее.
Г. Другие характеристики ИБП.
1. Возможность управления и мониторинга состояния ИБП.
Современные ИБП оснащены микропроцессорами и представляют собой интеллектуальную систему, способную самостоятельно контролировать рабочее состояние ИБП, сигнализировать о внештатных ситуациях и передавать всю необходимую информацию электронным способом. Возможности такого мониторинга и управления отличаются характеристиками микропроцессора, разновидностями интерфейсов, видами сигнализации и др.
2. Условия эксплуатации.
В техническом паспорте указываются следующие характеристики: температура, влажность, уровень шума, иногда допустимая высота над уровнем моря.
В таблице приведены наиболее важные характеристики источников бесперебойного питания. Кроме них каждая модель ИБП может иметь свои индивидуальные преимущественные технические отличия и возможности. К ним относятся, например, – наличие возможности «холодного» пуска, горячей замены батареи, режимы онлайн с разной степенью преобразований, многоуровневый способ зарядки, дополнительные режимы преобразования частоты, особенности корпусной конструкции, габариты и т.д.
Для пользователя все определяется теми задачами, которые предстоит решать источнику бесперебойного питания и теми условиями, в которых ему предстоит трудиться.
Широкий диапазон применяемых электроустройств, бытовых приборов, сложного корпоративного и промышленного оборудования – иногда целой системы, требующей надежного электроснабжения — диктует все большую потребность в использовании источников бесперебойного питания. Это в свою очередь ставит нас перед необходимостью разбираться во многих тонкостях основных рабочих характеристик ИБП. Неучет какой-то из них, неправильное понимание значения хотя бы одной характеристики может не только перечеркнуть весь положительный эффект от применения бесперебойника, но и даже более того, привести к довольно неприятным последствиям. Пользователь сам несет и бремя забот, и бремя ответственности за работоспособное состояние своего оборудования.
Но прежде, чем перейти к рассмотрению наиболее важных с практической точки зрения характеристик ИБП, следует хорошо представлять, какие, собственно, беды и напасти мы хотим – и, самое главное, можем – с помощью них избежать.
Неполадки электросети, компенсируемые правильным подбором характеристик ИБП
Параметры электросети в нашей стране регламентируются ГОСТом 13109-97 данный ГОСТ устанавливает следующие требования:
Все устройства-потребители электроэнергии выполнены для эксплуатации в нашей стране именно на этих параметрах. Причиной отклонений от норм и неполадок может стать технический, человеческий или природный фактор. Так, для примера, к перенапряжению в линии электропитания может привести изменение электромагнитного поля вследствие разряда молнии. Это в свою очередь вызвать в обмотках трансформатора наводку очень высокого напряжения. Этот импульс напряжения способен далее почти мгновенно распространиться по электропроводке, интерфейсу, телефонным линиям и т.д. И, обладая довольно мощной энергией, стремительным образом с большой разрушительной силой пронестись по компьютерной сети или иной линии технологического оборудования.
Неполадки могут вызвать изменение напряжения, нарушение его синусоидального сигнала не только по амплитуде, но и по частоте, что также приводит к своим специфическим негативным последствиям.
В данной таблице приведены основные виды неполадок в электросетях, их наиболее вероятные причины и последствия.
1. Пропажа напряжения в сети.
Возможные причины: перегрузка электросети, замыкание в сети или во внутренней электропроводке устройств и оборудования, неправильный режим энергопотребления, механические повреждения линии электропередач (в том числе обледенение и др.), поломки периферийного оборудования, выход из строя коммуникационных портов и интерфейсов, грозовые электроразряды молний и иные технические и форс-мажорные аварии.
Возможные последствия: выход из строя основного и вспомогательного оборудования, потери текущей информации из оперативной или кэш памяти, разрушение структуры файлового обмена данными, выход из строя материнской платы, полная потеря информации с жесткого диска, в особо тяжелых случаях – ущерб здоровью пользователей.
2. Кратковременное или долговременное изменение (всплеск, подсадка) напряжения.
Возможные причины: работа в непосредственной близости с вашей электросетью, вашими компьютерами и системами установок и приборов большой мощности (бытовых приборов, электродвигателей, электрогенераторов, кондиционерного оборудования и т.п.), это бывает особенно чувствительно на режимах выключения подобных устройств, когда происходит рассеивание избытка энергии по электросетям.
Возможные последствия: выход напряжения из рабочего диапазона и отклонение других параметров от регламентированных норм, что особенно губительно для высокочувствительной техники, рассчитанной на строго определенные технические требования.
3. Импульсные скачки высокого напряжения.
Возможные причины: переходные процессы в момент восстановления напряжения после аварии (например, обрыв линии энергопитания), близкий разряд молнии.
Возможные последствия: резкий высоковольтный импульсный скачок обладает очень мошной энергией (иногда с мгновенным увеличением напряжения до 6 киловольт, при продолжительности 10 — 100 миллисекунд) и способен быстро распространиться по сетям и нанести большой технический и информационный ущерб.
4. Высокочастотные шумы и помехи, распространяемые через электросеть.
Возможные причины: главным образом все те же технические и природные факторы, включение-выключение мощной нагрузки (бытовые приборы, электродвигатели, электрогенераторы, радиопередатчики, кондиционеры и различное промышленное оборудование и т.п.), грозовые разряды молний.
Возможные последствия: нарушение синусоидальной формы напряжения, электро и радиошумы могут спровоцировать неустойчивую работу сетей, оборудования и всей энергосистемы, частичная или полная потеря информационных данных.
5. Побеги частоты (отклонения частоты более чем на 3Гц).
Возможные причины: на отклонения частоты влияет суммарная нагрузка, изменения частоты могут быть вызваны изменениями генерируемой и потребляемой мощности.
Возможные последствия: на пассивные нагрузки изменения частотных характеристик влияния не оказывают, частотные колебания влияют на вращающий момент, то есть на механическую энергию, что может вызывать, например, снижение к.п.д. двигателей, также на качество энергоситсемы могут оказать свое воздействие изменения магнитного потока в магнитной цепи системы (в основном в трансформаторной), которая достаточно зависима от частотных колебаний.
Представление потенциальных угроз даже в общем их виде помогает предварительно наметить, на какие разновидности, на какую группу источников бесперебойного питания в общих чертах надо на практике ориентироваться. Знание же и понимание их основных характеристик поможет обеспечить надежное, бесперебойное энергоснабжение, отсутствие перегрузок и недодач в электропитании, его экономный расход и высокий к.п.д.
Основные характеристики ИБП
В нижеследующей таблице мы приводим максимально широкий перечень основных характеристик ИБП, которые полезно знать любому пользователю, чтобы не ошибиться в выборе источника бесперебойного питания для своих конкретных нужд.
Таблица основных рабочих характеристик источников бесперебойного питания.
А. Выходные характеристики ИБП.
1. Выходная мощность ИБП.
Одна из основных характеристик ИБП, влияющая на его выбор. Единицы измерения приводятся либо вольт-ампер (ВА, VA), либо – ватт (Вт, W). И здесь есть своя тонкость. Величину мощности, указанную в ВА, нельзя считать равной мощности в Вт. И об этом многие иногда забывают.
Как же правильно тогда выбирать мощность ИБП?
Для относительно маломощных ИБП, рассчитанных на сравнительно небольшую полезную нагрузку (ПК и периферийное оборудование, например), в техпаспорте мощность обычно приводится в ВА.
Но надо знать, что доступная мощность в Вт будет меньше. На практике допускается принимать мощность бесперебойника в Вт примерно равной 60% от вольт-амперной мощности.
Довольно распространенный просчет заключается в том, что если для вычисления необходимой мощности в Вт использовать паспортную характеристику можно ошибочно выбрать питание, формально соответствующее параметру в вольт-амперах, но на самом деле мы получим превышение мощности в Вт.
Вот как выглядит характерный пример ошибки в расчете требуемой мощности при выборе ИБП
Задача: Необходимо подобрать ИБП для файлового сервера в 800 Вт. Решили взять источник бесперебойного питания 1000 вольт-ампер. У данного файлового сервера имеется ИП с коррекцией коэффициента мощности, соответственно его параметры: 800 ватт и 800 вольт-ампер.
И тогда, не смотря на то, что ВА-характеристика полезной нагрузки 800 вольт-ампер, то есть пребывает в диапазоне ВА-характеристики ИБП, тем не менее, бесперебойник не справится с задачей.
Все дело в том, что мощность сервера в 800 Вт, превосходит мощность ИБП, которая равна приблизительно 600 Вт (0,60 от 1000 вольт-ампер).
То есть, таким образом можно допустить опасную оплошность и подключить ИБП, показатели мощности которого выглядят вроде бы правильно, но в процессе эксплуатации будет возникать перегрузка ИБП.
Если нет точной информации о мощности полезной нагрузки в Вт, то следует руководствоваться таким правилом:
суммарная мощность всех устройств в системе (согласно их техпаспортам) не должна превышать 60% мощности ИБП в ВА.
Для обеспечения гарантированно бесперебойной работы электропитания рекомендуется немного завышать номинальную мощность ИБП по сравнению с мощностью устройства, указанного в его паспорте. Это создаст дополнительный резерв мощности, что поспособствует увеличению времени автономной работы ИБП.
Но тут одновременно надо отметить и имеющийся минус такого подхода, а именно, – завышение мощности ИБП вызывает увеличение времени его срабатывания. Поэтому, если этот параметр для потребителя не безразличен, то необходимы более точные оптимизирующие расчеты для выбора ИБП.
У более мощных ИБП, предназначенных для питания больших систем, таких как промышленное оборудование, крупные сервера, датацентры и т.п., мощность в технической документации, как правило, указывается либо в ваттах, либо и ваттах, и вольт-амперах одновременно.
2. 2. Выходное напряжение ИБП.
Указывается в вольтах (В, V). Еще одна сверхважная характеристика ИБП. От качества выходного напряжения зависит стабильность и безаварийность всей системы.
Величина отклонения напряжения может быть определена следующим образом:
V = [(U – U1) / U1] x 100%;
где U – фактическое напряжение;
U1 – номинальное напряжение.
Уход фактических параметров напряжения от требуемых делят на максимально- и нормально-допустимые. При этом 22,8 часов в сутки (95%) качество напряжения обязано находиться в диапазоне нормально-допустимых характеристик. Равно как и все время (в том числе и в поставарийных рабочих состояниях) оно обязано пребывать в диапазоне максимально-допустимых требований.
Во время аварий разрешается выход показателей качества электронапряжения за рамки регламентированных значений. Это касается и падения электронапряжения в ноль, и «гуляния» частоты в ± 5Гц с обратным их возвращением в диапазон максимально-допустимых для поставарийной работы параметров.
Требования к качеству выходного напряжения ИБП варьируются также и в зависимости от вида нагрузки. Так, например, в промышленности большую зависимость от качества питающего напряжения имеет работа электротермических установок. У них, с уменьшением напряжения падает рабочая температура, увеличивается длительность цикла техпроцесса, а иногда, при серьезных отклонениях, термическая операция может оказаться и вовсе незавершенной.
3. Частота выходного напряжения ИБП.
Строгость требований к частоте ИБП на его выходе зависит от чувствительности к ее изменениям тех устройств и сетей, которые он предназначен питать. Одни из них более зависимы от частотной нестабильности, другие менее.
Отклонения частоты от номинальных значений чревато двумя основными видами неприятностей.
Первый – электромагнитные потери. Нестабильность частоты может привести к росту расхода энергии при передаче. Так, понижение ее на 1 % способно увеличить расход электроэнергии на передачу на 2 %. Это в свою очередь ведет к снижению общего к.п.д. всей системы.
Второй вид проблем, вызываемых нестабильностью частоты это связанное с нею уменьшение производительности техоборудования, что влечет повышения времени всего рабочего процесса. Иногда для того, чтобы компенсировать такой негатив, приходится использовать дополнительное оборудование, со всеми вытекающими из этого допзатратами.
Удержание частоты в рамках номинала обычно обеспечивается предусмотрением резервного запаса мощности в энергосистеме.
4. Форма напряжения на выходе ИБП.
Параметр, к которому также могут оказаться чувствительны некоторые варианты устройств. В паспортных данных ИБП обычно указывают, какой обеспечивается сигнал напряжения по форме: строгая синусоида или же ее имитация, т.е. приближенная (аппроксимированная) к ней форма синусоиды (часто – линия ее не гладкая, а ступенеобразная). Надо знать, что у некоторых компьютеров блоки питания (у которых активный P.F.C.) не важно «переваривают» имитированную синусоидальность. В то же время, наличие в ИБП инвертора для идеализации формы синусоиды понижает к.п.д.
Б. Входные характеристики ИБП.
1. Напряжение на входе в ИБП.
Напрямую связаны с параметрами питающей ИБП электросети.
В зависимости от того, какое требуется напряжение полезной нагрузке, может быть:
— для мощных устройств и промышленного оборудования обычно: 380В, 400В, 415В.
2. Диапазон допустимых колебаний напряжения на входе, при котором ИБП способен выполнять свои функции без переключения на аккумуляторную батарею.
Чем шире этот диапазон, тем реже переключения на АКБ, тем, соответственно, дольше срок службы батареи. ИБП с более широким диапазоном колебаний данного параметра более востребованы могут быть теми потребителями, которые вынуждены работать от сетей с частыми просадками напряжения.
3. Диапазон частоты входного напряжения ИБП.
В техпаспорте обычно указывается диапазон колебаний частоты, который ИБП способен корректировать. Если в каком-то регионе в местной электросети бывают, например, сильные снижения частоты напряжения, то необходимы мощные бесперебойники, способные своими индуктивными и емкостными возможностями нейтрализовать такие понижения.
4. Величина напряжения при переключении байпаса.
Обычно указывают в процентах к отклонению от номинала входного напряжения. У некоторых ИБП имеются дополнительные опции, позволяющие пользователю самому выбрать, при каком проценте отклонений допустимо переключение на байпас (например, 10%, 15%, 20%). Это позволяет более точно настроить ИБП и избежать ненужных переключений.
1. Длительность перехода ИБП на резервный режим.
В техпаспорте, как правило, приводится длительность переключения источника бесперебойного питания на АКБ и на байпас (в мсек). Этот процесс должен происходить максимально быстро и корректно для потребителя электроэнергии.
2. Режим перегрузки.
Данный режим характеризуется следующими параметрами: допустимой величиной превышения напряжения (обычно указывается в процентах) и временем, в течение которого ИБП продолжает работать и по истечении которого он обесточивается и переходит на резервный режим.
Например, в паспорте это может выглядеть так.
Для батареи – «При нагрузке 100-140% – 20 сек, затем ИБП выключается». Или – «˂150% – 250 мс, затем ИБП выключается».
Для байпаса: «70 с при нагрузке >120%».
3. Характеристики автономного режима ИБП при перегрузке.
На продолжительность работы АКБ при обесточенном источнике бесперебойного питания влияет емкость батареи и мощность потребителя электроэнергии. Если ИБП предназначен для компьютера, а вы к нему подключите на время отсутствия электричества в сети еще и электрокамин, то батареи в таком аварийном случае разрядятся, разумеется, мягко говоря, несколько быстрее.
Г. Другие характеристики ИБП.
1. Возможность управления и мониторинга состояния ИБП.
Современные ИБП оснащены микропроцессорами и представляют собой интеллектуальную систему, способную самостоятельно контролировать рабочее состояние ИБП, сигнализировать о внештатных ситуациях и передавать всю необходимую информацию электронным способом. Возможности такого мониторинга и управления отличаются характеристиками микропроцессора, разновидностями интерфейсов, видами сигнализации и др.
2. Условия эксплуатации.
В техническом паспорте указываются следующие характеристики: температура, влажность, уровень шума, иногда допустимая высота над уровнем моря.
В таблице приведены наиболее важные характеристики источников бесперебойного питания. Кроме них каждая модель ИБП может иметь свои индивидуальные преимущественные технические отличия и возможности. К ним относятся, например, – наличие возможности «холодного» пуска, горячей замены батареи, режимы онлайн с разной степенью преобразований, многоуровневый способ зарядки, дополнительные режимы преобразования частоты, особенности корпусной конструкции, габариты и т.д.
Для пользователя все определяется теми задачами, которые предстоит решать источнику бесперебойного питания и теми условиями, в которых ему предстоит трудиться.
Повышение требований к качеству электроэнергии в нынешнее время является вполне закономерным процессом. Требования упомянутых стандартов обусловлены двумя составляющими. К первой можно отнести желание потребителей максимально оградить себя от последствий аварийных ситуаций в энергосистеме. Вторая составляющая связана с условиями работы нагрузки. Сюда следует отнести требования стабильной и непрерывной работы интеллектуального и силового электрооборудования, снижение потерь в питающей сети и прочее. Один из эффективных вариантов технических решений проблемы качества электроэнергии – источники бесперебойного питания (ИБП, англ. UPS).
Задачи ИБП
Основная задача ИБП – обеспечить потребителя электроэнергией в момент выхода параметров качества из регламентируемых норм (просадка, повышение напряжения, значительное искажение формы…). Выполняя эту задачу ИБП может:
- отключаться от сети питания и передавать мощность нагрузке, используя собственный источник;
- питать нагрузку скорректированным напряжением питающей сети.
В более дорогих ИБП может быть реализована функция улучшения качества потребляемой электроэнергии (интегрирован корректор коэффициента мощности).
Типы «бесперебойников»
Существуют три базовых типа ИБП.
- Резервный ИБП (standby, offline, back-ups). Наиболее простое и дешёвое техническое решение (например, популярный APC Back-UPS CS 500). При значительно повышенном или пониженном напряжении ИБП отключается от сети 220В и переходит на режим работы от аккумулятора. Основные элементы offline ИБП: аккумуляторы (батарея), зарядное устройство, инвертор, повышающий трансформатор, система управления, фильтр (рис. 1).
а)
б)
Рис. 1 Нормальный режим работы (а) и режим работы от аккумуляторов (б)Преимуществом offline ИБП является низкая стоимость и высокий КПД при работе от сети. Недостатки: высокий уровень искажений выходного напряжения (высокий коэффициент гармоник, ≈30% в случае прямоугольного сигнала), отсутствие возможности регулировки параметров входного напряжения. Более подробно характеристики выходного напряжения будут рассмотрены ниже.). - Интерактивный ИБП (англ. line — interactive). Является промежуточным типом между дешёвым и простым offline ИБП и дорогим многофункциональным online ИБП (например, ippon back office 600). В отличие от offline ИБП интерактивный источник имеет автотрансформатор, позволяющий поддерживать уровень выходного напряжения в пределах 220В (+-10%) при просадках / повышениях сетевого напряжения (рис. 2). Как правило, число уровней напряжения автотрансформатора колеблется в пределах двух – трёх.
(а)
(б)
(в)
(г)
Рис. 2 Работа интерактивного ИБП при нормальном напряжении сети (а), при просадке напряжения сети (б), при повышенном напряжении сети (в), при исчезновении сетевого напряжения или значительном повышении (г)Регулировка выходного напряжения реализована путём переключения на соответствующую отпайку обмотки трансформатора. При глубокой просадке или значительном повышении, или полном исчезновении сетевого напряжения данный класс ИБП функционирует аналогично offline классу: отключается от сети и генерирует выходное напряжение, используя энергию аккумуляторов. Касательно формы выходного сигнала, она может быть как синусной, так и прямоугольной (или же трапецеидальной).
Преимущества line — interactive в сравнении с резервным ИБП: меньшее время переключения на автономную работу от аккумуляторов, стабилизация уровня напряжения на выходе. Недостатки: более низкий КПД при работе от сети, более высокая цена (сравнительно с offline типом), плохая фильтрация всплесков (импульсное перенапряжение). - ИБП с двойным преобразованием (англ. double-conversion UPS, online). Наиболее функциональный и дорогостоящий тип ИБП. Бесперебойник всегда включен в сеть. Входной синусный ток проходит через выпрямитель, фильтруется, затем снова инвертируется в переменный. В звене постоянного тока может быть установлен отдельный DC/DC конвертер. Поскольку инвертор всегда находится в работе, задержка на переключение в режим питания от батарей практически равна нулю. Стабилизация напряжения на выходе при просадках или провалах сетевого напряжения более качественная, в отличие от стабилизации line — interactive ИБП. КПД может находиться в пределах 85%÷95%. Напряжение на выходе зачастую имеет синусную форму (коэффициент гармоник Основные характеристики ИБП.
- Мощность. Единицы измерения мощности: вольт-ампер (ВА), ватт (Вт), вольт-ампер реактивный (ВАр). Напомним, что существует полная S, активная Р и реактивная Q мощности. Уравнение, связывающее мощности
S2=P2+Q2
Активная мощность (Вт) расходуется на полезную работу, реактивная (ВАр) – не выполняет полезной работы. Соответственно, полная мощность по определению – максимальная мощность, которой должен обладать источник для обеспечения нагрузки необходимой энергией. Отношение активной мощности к полной показывает качество использования электроэнергии и называется коэффициентом мощности (англ. Power Factor, PF):
PF=P/S
Активная нагрузка (лампы накаливания, обогреватели) имеет PF=1, полная мощность равна активной. ПК, микроволновые печи, кондиционеры имеютПример расчёта.
Рассчитать источник бесперебойного питания для компьютера (два ПК + два монитора). Мощность ПК легко оценить, зная на какую мощность рассчитан блок питания. Пускай в ПК установлены блоки питания 450 Вт (активная мощность). При неизвестном PF для ПК с блоком питания без PFC (англ. Power Factor Corrector, корректор коэффициента мощности) PF можно принимать равным 0,65. Аналогично PF монитора принимаем равным 0,65. Активная мощность монитора 50 Вт. В результате, общая активная мощность потребителя (два рабочих места)
Р=450+50+450+50=1000 Вт
Полная мощность (из формулы 2):
S= Р/PF=1000/0.65=1538 (ВА).
Если в блоках питания (БП) ПК и монитора установлен корректор коэффициента мощности (PF=1), то полная мощность S равна активной.
S=P=1000 (ВА)
Для нагрузки в виде ПК можно рассчитывать ИБП без запаса по мощности, исходя из следующих фактов:
- Компьютерные блоки питания имеют защиту от перегрузки. Иными словами, ПК не сможет потреблять мощность, большую, чем заявленная мощность БП.
- Мощность блока питания – максимальная мощность. По факту в ненагруженном режиме (сразу после запуска) ПК потребляют около 50% своей мощности.
Результат.
Итак, необходимые минимальные параметры ИБП:
- для ПК с блоками питания без PFC – 1кВт / 1540 ВА.
- для ПК с блоками питания с PFC – 1кВт/ 1кВА.
Для первого варианта подойдёт источник бесперебойного питания apc Smart-UPS C 2000VA (линейно – интерактивный ИБП 2кВА / 1.3 кВт). Для второго — ИБП Ippon Smart Winner 1500 (1.35 кВт) или Eaton 5SC 1500 ВА (1.05 кВт).
При расчёте важно учесть кратковременное повышение мощности для такой нагрузки, как электродвигатели. В моменты пуска ток Iпуск в пять, семь раз выше номинального Iн:
Iпуск=(5÷7)*Iн
- Время работы от батареи. Рассчитать время автономной работы бесперебойника можно по следующей формуле:
Т=(Uбат*Ih)/P
где Т – время автономной работы, Ih – ёмкость (миллиампер * час).
Пример расчёта.
Для источника бесперебойного питания Powercom BNT-2000AP (2 кВА, 1.2 кВт) и упомянутого потребителя (2 ПК + 2 монитора с корректорами коэффициента мощности) рассчитать максимальное время работы. Паспортная ёмкость батареи 9 А*час. Если напряжение аккумулятора ИБП не указано можно принять его равным 12 В.
Подставляя значения в формулу (4) получим:
Т=(12*9)/1000=0,108 часа или почти 7 минут.
Результат. Время работы ИБП на упомянутую нагрузку составляет примерно 7 минут. С учётом реальной неполной загруженности ПК это время будет немного больше. - Время переключения на автономный режим. Для упомянутого линейно-интерактивного ИБП Powercom время переключения на питание от аккумуляторов равно 2 ÷ 4 мс.
- Диапазон сетевого напряжения. Иными словами, минимально и максимально допустимые напряжения, при которых ИБП будет работать от электросети. Для Powercom BNT-2000AP это значение находится в диапазоне 155÷275 В. Напомним, что для более дешёвых offline ИБП этот диапазон меньше. Например offline ИБП APC Back-UPS CS 350 переключается на автономный режим питания при 180 В.
- Уровень искажений выходного напряжения. Идеальным вариантом напряжения на выходе ИБП является синус 50 Гц (коэффициент гармоник = 0%). ИБП с двойным преобразованием энергии имеют более сложный инвертор и достаточно качественный выходной сигнал напряжения с коэффициентом гармоник не больше 5%. Линейно-интерактивные ИБП могут иметь как сложный, так и более простой инвертор, генерирующий аппроксимированную (ступенчатую) синусоиду или же прямоугольник. Offline ИБП имеют наиболее простой инвертор и, соответственно, прямоугольный или ступенчатый вид выходного сигнала с коэффициентом гармоник
30% (для прямоугольника).
Для питания нагрузки с импульсными источниками питания (ПК, TV) можно без вреда для нагрузки использовать прямоугольную форму сигнала напряжения (рис. 4). Для питания электродвигателей (например, для циркуляционного насоса или привода насоса отопления) настоятельно рекомендуется использовать синусную форму сигнала напряжения. 
(а) 
(б)
Рис. 4 Синусная (а) и прямоугольная (б) формы выходного напряжения.
Особенности применения.
Источники бесперебойного питания для котла отопления, а также источники бесперебойного питания для газовых котлов имеют особенность, связанную с режимами работы нулевого проводника. Зачастую автоматика котла требует подключение нейтрали сети. Дело в том, что цепь контроля пламени горелки подключена к заземлению и в четырёхпроводной сети 220В нулевой проводник и заземление котла в конечном счёте замыкаются через физическую землю. Однако, при обрыве нейтрали или при механическом отключении нуля потребителя от нуля сети питания (автономная работа offline ИБП) цепь контроля пламени оказывается разорванной. Для устранения этой проблемы возможны следующие решения:
- Использовать источник бесперебойного питания для газового котла со «сквозным нулём». В line-interactive и online ИБП нейтраль сети может быть соединена с одним из выводов выходных клемм. Наличие в ИБП специальной схемы с разделительным трансформатором является более предпочтительным, но и более дорогим решением. В случае простого соединения нейтрали сети с выходом ИБП необходимо правильно включить вилку ИБП в розетку. Важно, чтоб именно нейтраль сети, а не фаза, оказалась проходящей через ИБП. В противном случае цепь контроля пламени окажется разорванной. Проверить наличие сквозной нейтрали в ИБП можно с помощью индикатора фазы. Если индикатор реагирует на обе фазы (оба выхода розетки) – то нейтраль на выходе ИБП отсутствует. Если есть реакция только на одну фазу – нейтраль подключена.
- Для offline ИБП внутри самого устройства необходимо замкнуть одну из фаз (рис. 5). Затем необходимо правильно включить ИБП в сеть (смотри предыдущий пункт).
Рис. 5 Создание сквозной нейтрали в offline ИБП.
Выводы
Начальный пункт выбора источника бесперебойного питания – определение характера нагрузки (ИБП для компьютера, для котлов отопления…). Для ответственных потребителей и устройств, содержащих электродвигатели переменного тока, следует выбирать дорогие и функциональные online ИБП. Для ПК и офисной аппаратура подойдут более дешёвые line-interactive или back ИПБ. Следующий пункт выбора – вычисление мощности и времени работы от батарей ИБП. Также следует предусмотреть возможность использования «сквозного» нуля. При формировании конечного решение следует учитывать популярность брендов на рынке: лидеру APC принадлежит около 50% всех продаж, далее со значительным отрывом следуют Ippon, Eaton Powerware, Powercom.