Системы бесперебойного электроснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Системы бесперебойного электроснабжения

Введение

бесперебойный электроснабжение энергетический

Настоящая работа посвящена теме «Системы бесперебойного электроснабжения». Система бесперебойного электроснабжения (СБЭ) представляет собой электроустановку, которая предназначена для автономного электроснабжения электроприемников в случаях отключения (нарушения) электроснабжения от основных источников.

В современном мире системы бесперебойного электроснабжения нужны постоянно. В первую очередь, они просто необходимы на промышленных предприятиях, от работы которых зависит благосостояние всей страны. Стратегические объекты, такие как сервера центральных офисов государственного и местного самоуправления, реанимационные отделения больниц (в том числе родильные дома и хосписы), крупные фабрики по производству скоропортящихся продуктов - это лишь небольшой список мест, где необходимы устройства для постоянного снабжения электроэнергией. Незаменимы данные системы и в быту при работе с персональным компьютером. Таким образом, их значимость неоспорима, это и обусловило выбор темы работы.

Основным источником для данного реферата стал труд Воробьева А.Ю. «Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем». Также в данной работе были использованы статьи по истории электротехники, в частности об эволюции аккумуляторов - Емцов Г. «Электрические аккумуляторы» и возникновении и развитии источников бесперебойного питания - «Все об источниках бесперебойного питания». Глава о перспективах развития систем бесперебойного электроснабжения была сформирована на основе статей-интервью электронного издания о высоких технологиях «c-news».

Предметом исследования стали системы бесперебойного электроснабжения.

Цель данной работы - изучить структуру системы бесперебойного электроснабжения, а также выявить особенности устройства элементов системы и их взаимодействия.

Настоящая реферативная работа состоит из введения, трех глав и заключения. В первой главе раскрывается история развития элементов системы бесперебойного электроснабжения. Во второй главе рассмотрена структура системы бесперебойного электроснабжения и особенности функционирования её элементов. Представлены классификации главной составляющей системы - источника бесперебойного питания. В третьей главе уделено внимание перспективам развития системы бесперебойного электроснабжения.

Список использованных источников включает 6 наименований, 4 из них интернет источники.

1. История возникновения элементов системы бесперебойного электроснабжения

Ключевыми элементами системы бесперебойного электроснабжения являются источник бесперебойного питания и аккумуляторные батареи. Исходя из этого, следует обратиться в первую очередь к истории возникновения и развития аккумуляторов.

Первые опыты, показавшие возможность аккумулировать, т.е. скоплять электрическую энергию, были произведены вскоре после открытия итальянским ученым Вольтой явлений гальванического электричества.

В 1801 году французский физик Готеро, пропуская через воду посредством платиновых электродов ток, обнаружил, что после того, как ток через воду прерван, можно, соединив между собой электроды, получить кратковременный электрический ток.

Ученый Риттер проделывал затем тот же опыт, употребляя вместо платиновых элекродов электроды из золота, серебра, меди и т.д. и, отделяя их друг от друга кусками сукна, пропитанными растворами солей, он получил первый вторичный, т.е. способный отдавать запасенную в нем электрическую энергию, элемент.

Первые попытки создать теорию такого элемента были сделаны Вольтой, Марианини и Бекерелем, которые утверждали, что действие аккумулятора зависит от разложения электрическим током растворов солей на кислоту и щелочь и, что последние затем, соединяясь, дают снова электрический ток.

Эта теория была разбита в 1926 году опытами Дерярива, который первый применил в аккумуляторе подкисленную воду.

Подкисленная вода при прохождении тока разлагается, очевидно, на кислород и водород, и этому разложению элемент и обязан своим последующим действием. Это положение блестяще доказал Грове, построив свой знаменитый газовый аккумулятор, состоящий из пластин, опущенных в подкисленную воду и окруженных в верхней части: одна - водородом и другая - кислородом. Однако, аккумулятор в таком виде был очень непрактичен, так как для запасания больших количеств электричества требовалось хранить очень большое количество газов, которые занимали большой объем.

Большое практическое усовершенствование в развитии аккумуляторов было внесено в 1859 году Гастоном Планте, который в результате длинного ряда опытов пришел к типу аккумулятора, состоящего из свинцовых пластин с большой поверхностью, которые при заряжении током покрывались окисью свинца, выделяя кислород и жидкость, отдавали электрический ток.

Планте брал две полосы из листового свинца, прокладывал между ними полосы сукна и сворачивал полосы вокруг круглой палки. Затем получившийся сверток он стягивал резиновыми кольцами и ставил в сосуд с подкисленной водой. При многократном заряжании и разряжании такого аккумулятора, на поверхности пластин образовывался активный действующий слой, который участвовал в процессе и придавал элементу большую емкость. Однако необходимость очень большого числа зарядов и разрядов аккумулятора Планте для придания ему некоторой емкости, очень сильно удорожало стоимость аккумулятора и затрудняло его выработку.

Следующим усовершенствованием, приведшим аккумулятор к его современному виду, было применение в 1880 году Камиллом Фором решетчатых свинцовых пластин, ячейки решеток которых были набиты специально приготовленной массой, изготовленной заранее. Этот процесс сильно упростил и удешевил изготовление аккумуляторов, сведя формовку аккумулятора к очень непродолжительному процессу.

Дальнейшие усовершенствования в истории свинцовых аккумуляторов шли уже по пути улучшения примененного Фором способа заполнения и формовки решетчатых пластин, не внося резких изменений в конструкцию аккумулятора. Параллельно с развитием свинцовых аккумуляторов, обладающих рядом крупных и неустранимых недостатков, как, например, большой вес на единицу емкости, невозможность сохранения без порчи в разряженном состоянии и т.д., шла разработка возможностей применения для изготовления аккумуляторов и других металлов, кроме свинца.

Простейшим из этих аккумуляторов, но и обладающим рядом недостатков, является элемент Лалавда. При пропускании через отработавший элемент Лаланда тока в обратном нормальному направлении, восстановившаяся медь превращается в окись меди, жидкость восстанавливает свои свойства, а на цинковом электроде осаждается цинк в виде рыхлой массы или порошка. Последнее обстоятельство и мешает применению элемента Лаланда в качестве аккумулятора, так как осевший цинк держится на электроде очень непрочно, легко отделяется от него и не дает хорошего контакта. Большим преимуществом этого элемента является его незначительный вес на единицу емкости, по сравнению со свинцовым аккумулятором.

Работа над усовершенствованием этого аккумулятора была проделана многими учеными, такими как Ренье, Сомелином, Дариусом и др, и в 1901 году новый тип несвинцового аккумулятора был запатентован одновременно Эдиссоном и Юнгнером.

Этот аккумулятор состоит из двух систем пластин, содержащих одна окись железа, а другая черную окись никкеля, опущенных в 20% раствор едкой щелочи, обычно едкого кали, с прибавлением 0,5 - 1% едкого лития.

Элементы Эдиссона и Юнгнера получили широкое применение в тех случаях, когда необходим малый вес и неприхотливость аккумуляторов к зарядке, так как они могут стоять как угодно долго в разряженном состоянии. Вытеснить свинцовые аккумуляторы они, однако, не смогли как благодаря их высокой цене, так и вследствие малой отдачи и низкого напряжения, даваемого ими. Таким образом, железониккелевым аккумуляторам отведено, большое место во всех переносных и подвижных установках, в то время как за свинцовыми аккумуляторами установлено широкое поле применения в стационарных установках.

После изобретения в 1932-м году Шлехтом и Акерманом спрессованного анода, было внедрено много усовершенствований, что привело к более высокому току нагрузки и повышенной долговечности. Герметичный никель-кадмиевый аккумулятор, хорошо нам всем известный сегодня, стал доступен только после изобретения Ньюманом полностью герметичного элемента в 1947 году. [3]

С первых же дней после открытия электричества, человечество стало зависимым от изобретения, поэтому появилась необходимость в создании приборов, которые бы поставляли энергию при отключения основного источника питания. Именно аккумуляторные батареи стали основой данных источников бесперебойного питания (ИБП).

История создания источников бесперебойного питания насчитывает порядка ста лет. Впервые их разработку начала компания «Eaton Corporation», которая занялась проектировкой создания устройств данного типа с 1930 года, и продолжает развивать эту отрасль до сих пор. Первые бесперебойники появились в 40-х годах прошлого века, но не использовались обширно из-за нестабильности электрической системы. Наиболее известно ИБП стало во время Второй Мировой войны, и только определенному кругу людей, так как данные разработки были доступны лишь секретным войскам.

Только благодаря компании «Eaton Corporation» весь мир узнал об ИБП, чье использование начинается повсеместно с 50-х годов ХХ века. Разработчики представленной корпорации создали практически спасительный прибор для всего мира, так как многие промышленные предприятия стабильно работают лишь за счет бесперебойников.

Первые ИБП были внушительных размеров и предназначались исключительно для защиты от перепадов напряжения на фабриках и заводах, обеспечивающих производство жизненно важных препаратов. Они могли сохранять энергию не больше часа, чего хватало только на прекращение работы и своевременное отключение техники, но это считалось уникальным прорывом, так как резкое прекращение работы фабрик обычно приводило как к потере материала, так и к поломке приборов.

В дальнейшем, источники бесперебойного питания постоянно усовершенствовались. В их разработку включились многие компании со всего света, и, путем проб и ошибок, к концу прошлого века создали крупный промышленный бесперебойник, который мог работать до 5-ти часов - в то время это был настоящий прорыв всего человечества. [2]

2. Система бесперебойного электроснабжения

Система бесперебойного электроснабжения (СБЭ) представляет собой электроустановку, которая предназначена для автономного электроснабжения электроприемников в случаях отключения (нарушения) электроснабжения от основных источников. Время автономной работы СБЭ, как правило, выбирается из расчета завершения работы инфокоммуникационных систем без потери информации и повреждений оборудования. Минимального (базового) времени автономной работы всегда хватает на запуск резервного источника электроснабжения, например дизель-генераторной установки (ДГУ).

Основу СБЭ составляют источники бесперебойного питания (ИБП) и аккумуляторные батареи (АБ). Так же, в зависимости от предназначения, в состав СБЭ могут входить преобразователи напряжения (инверторы и выпрямители).

Источник бесперебойного питания (Uninterruptible Power Supplie, UPS) - статическое устройство, предназначенное, во-первых, для резервирования (защиты) электроснабжения электроприемников за счет энергии, накопленной в аккумуляторной батарее и, во-вторых, для обеспечения качественной электроэнергии (КЭ) у защищаемых электроприемников. В литературе также применяется термин «агрегат бесперебойного питания» (АБП). Существующая классификация ИБП производится по двум основным показателям - мощности и типу ИБП. Классификация ИБП по мощности носит отчасти условный характер и связана с исполнением (конструкцией) ИБП.

К маломощным ИБП принято относить устройства, предназначенные для непосредственного подключения к защищаемому оборудованию и питающиеся от электрической сети через штепсельные розетки. Данные устройства изготавливаются в настольном, реже - напольном исполнении, а также в исполнении, предназначенном для установки в стойку (rack-mount, RM), Как правило, эти устройства выпускаются в диапазоне мощностей от 250 до 5000 ВА.

К ИБП средней мощности относятся устройства, питающие защищаемое оборудование от встроенного блока розеток либо подключаемые к групповой розеточной сети, выделенной для питания защищаемых электроприемников. К питающей сети эти ИБП подключаются кабелем от распределительного щита через защитно-коммутационный аппарат. Данные устройства изготавливаются в исполнении, пригодном для размещения как в специально приспособленных электромашинных помещениях, так и в технологических помещениях инфокоммуникационного оборудования, допускающих постоянное присутствие персонала. Как правило, эти устройства выпускаются в напольном исполнении или в исполнении RM. Типичный диапазон мощностей таких ИБП от 5 до 30 кВА.

К ИБП большой мощности принято относить устройства, подключаемые к питающей сети кабелем от распределительного щита через защитно-коммутационный аппарат и питающие защищаемое оборудование через выделенную групповую розеточную сеть. Данные ИБП имеют напольное исполнение для размещения в специально приспособленных электромашинных помещениях. Типичный диапазон мощностей таких ИБП охватывает значения от 30 до нескольких сотен кВА.

По принципу устройства ИБП можно отнести к двум типа.

Первый тип - это источники бесперебойного питания с режимом работы off-line (off-line - дословно «вне линии»). Принцип работы этого типа ИБП заключается в питании нагрузки от питающей сети и быстром переключении на внутреннюю резервную схему при отключении питания или отклонении напряжения за допустимый диапазон. Время переключения обычно составляет величину порядка 4…12 мс.

Рис. 1. ИБП типа off-line

Второй тип - это источники бесперебойного питания с режимом работы online (on-line - дословно «на линии»). Эти устройства постоянно питают нагрузку и не имеют времени переключения. Наряду с резервированием электроснабжения они предназначены для обеспечения КЭ при его нарушениях в питающей сети и фильтрации помех, приходящих из питающей сети.

Также в литературе по источникам бесперебойного питания упоминаются источники бесперебойного питания с режимом работы line-interactive (line-interactive UPS).

Рис. 2. ИБП типа line-interactive

Принцип их работы в значительной степени схож с принципом работы off-line, за исключением наличия так называемого «бустера» - устройства ступенчатой стабилизации напряжения посредством коммутации обмоток входного трансформатора и использования основной схемы для заряда и подзаряда батареи, что обеспечивает более быстрый выход устройства на рабочий режим при переходе на питание от АБ. Различие между ИБП off-line и line-interactive фактически стерлось, поскольку появились модели off-line с возможностью регулирования напряжения в нормальном режиме при помощи введенного в схему бустера. Единственно, что различает эти типы ИБП, - это форма выходного напряжения в автономном режиме. У ИБП типа off-line - это прямоугольная форма и аппроксимация синусоиды ступеньками и трапецией, line-interactive имеет синусоидальное выходное напряжение. В нормальном режиме ИБП пропускает питание на нагрузку, осуществляя подавление высокочастотных помех и импульсов напряжения в LC-фильтре и компенсируя отклонения напряжения бустером. Аккумуляторная батарея (АБ) заряжается (подзаряжается) от зарядного устройства (выпрямителя). При отключении питания запускается инвертор, и переключатель переводит питание нагрузки на инвертор ИБП. Переключение осуществляется автоматически, и АБ будет питать нагрузку до момента восстановления напряжения на входе или до исчерпания её ёмкости.

В состав всех типов ИБП входит Инвертор. Он представляет собой полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения АБ в переменное напряжение 220/380В, поступающее на электроприемники (нагрузку). В современных ИБП типа line-interactive инвертор совмещает в себе функции как собственно инвертора, так и зарядного устройства. Типичный диапазон мощностей ИБП типов off-line и line-interactive от 250 ВА до 3…5 кВА.

Источники бесперебойного питания с режимом работы on-line выпускаются нескольких типов (по принципам преобразования энергии). Существуют четыре типа on-line ИБП:

· с одиночным преобразованием;

· с дельта-преобразованием;

· феррорезонансные ИБП;

· с двойным преобразованием.

Принцип одиночного преобразования (рис. 3) заключается в следующем.

Рис. 3. ИБП одиночного преобразования

В цепь между питающей сетью и нагрузкой включен дроссель, к выходу которого подключен инвертор. Инвертор в данной схеме является реверсивным и способен преобразовывать постоянное напряжение в переменное и наоборот. Помимо питания нагрузки в автономном режиме вторым назначением инвертора является регулирование напряжения на стороне нагрузки при отклонениях в питающей сети.

У ИБП данного типа КПД весьма высок и может достигать 96%. Однако имеются некоторые недостатки, например низкое значение входного коэффициента мощности (cosц ~ 0,6), при этом он меняется при изменении как напряжения сети, так и характера нагрузки. Кроме того, при малых нагрузках данные ИБП потребляют существенные реактивные токи, соизмеримые с номинальным током установки. Среди современных ИБП последних моделей подобный тип не встречается, поскольку на смену ему пришла технология дельта-преобразования, являющаяся развитием технологии одиночного преобразования.

Принцип дельта-преобразования основан на применении в схеме ИБП так называемого дельта-трансформатора (рис. 4).

Рис. 4. ИБП дельта-преобразования

Дельта-трансформатор представляет собой дроссель с обмоткой подмагничивания, которая позволяет управлять током в основной обмотке (аналогично принципу магнитного усилителя). В ИБП применяются два постоянно работающих инвертора. Один служит для управления дельта-трансформатором и, соответственно, регулировки входного тока и компенсации некоторых помех. Его мощность составляет 20% от мощности второго инвертора, работающего на нагрузку. Второй инвертор, мощность которого определяет мощность ИБП, формирует выходную синусоиду, обеспечивая коррекцию отклонений формы входного напряжения, а также питает нагрузки от батарей при работе ИБП в автономном режиме. Благодаря такой схеме обеспечивается возможность плавной загрузки входной сети при переходе из автономного режима работы от батарей к работе от сети (режим on-line), а также высокая перегрузочная способность - до 200% в течение 1 мин.

При загрузке ИБП данною типа на 100% номинальной мощности коэффициент полезного действия составляет 96,5%. Однако высокие показатели данный тип ИБП обеспечивает при следующих условиях: отсутствии отклонений и искажений напряжения в питающей сети, нагрузке ИБП, близкой к номинальной и являющейся линейной. В реальных условиях показатели данного типа ИБП (КПД =93,5%) приближаются к показателям ИБП с двойным преобразованием, рассмотренного ниже. Реальное достижение высоких заявленных значений КПД ИБП с дельта-преобразованием возможно при широком внедрении импульсных блоков питания с коррекцией коэффициента мощности. Это означает, что нагрузка приобретает преимущественно активный характер и создаются условия для проявления высоких энергетических характеристик ИБП. В последнее время коэффициент мощности новых блоков питания достиг значения 0,92…0,97. Другим достоинством ИБП с дельта-преобразованием является высокий коэффициент мощности самого устройства, близкий к 1. Эго облегчает совместную работу ИБП и ДГУ. На основе ИБП с дельта-преобразованием строятся мощные централизованные СБЭ с избыточным резервированием. Естественно, возможны также схемы с единичными ИБП. Диапазон мощностей ИБП этого типа 10…480 кВА. Возможно параллельное объединение до 8 ИБП для работы на общую нагрузку в одной СБЭ. Данный тип ИБП является основной альтернативой типу ИБП с двойным преобразованием.

Феррорезонансные ИБП названы так по применяемому в них феррорезонансному трансформатору. В основу принципа его работы положен эффект феррорезонанса, применяемый в широко распространенных стабилизаторах напряжения. При нормальной работе трансформатор выполняет функции стабилизатора напряжения и сетевого фильтра. В случае потери питания феррорезонансный трансформатор обеспечивает нагрузку питанием за счет энергии, накопленной в его магнитной системе. Интервала времени длительностью 8… 16 мс достаточно для запуска инвертора, который уже за счет энергии аккумуляторной батареи продолжает поддерживать нагрузку. Коэффициент полезного действия ИБП данного типа соответствует КПД систем двойного преобразования (не превышает 93%). Данный тип источников бесперебойного питания широкого распространения не получил, хотя обеспечивает очень высокий уровень защиты от высоковольтных выбросов и высокий уровень защиты от электромагнитных шумов. Предел мощности ИБП данного типа не превышает 18 кВА.

Рис. 5. ИБП двойного преобразования

Наиболее широко распространен тип ИБП двойного преобразования (double conversion UPS), представленный на рис. 5. В ИБП этого типа вся потребляемая энергия поступает на выпрямитель и преобразуется в энергию постоянного тока, а затем инвертором - в энергию переменного тока. Выпрямитель - это полупроводниковый преобразователь. В трехфазных ИБП средней и большой мощности - это регулируемый преобразователь, выполненный по мостовой б-импульсной схеме (схеме Ларионова), на основе полупроводниковых вентилей - тиристоров. Для улучшения энергетических характеристик выпрямителя (снижения искажений, вносимых в сеть при работе преобразователя) применяют двухмостовые выпрямители, выполненные по 12-импульсной схеме. Выпрямители в такой схеме включены последовательно, они подключаются к питающей сети через трехобмоточный трансформатор. В современных ИБП выпрямитель непосредственно не работает на подзаряд АБ. Для зарядки АБ в схему ИБП введено специальное зарядное устройство - преобразователь постоянного тока, оптимизирующее заряд АБ, управляя напряжением на АБ и зарядным током.

Обязательным элементом схемы ИБП большой и средней мощности является байпас (bypass) - устройство обходного пути.

Рис. 6. Устройство обходного пути (байпас)

Это устройство предназначено для непосредственной связи входа и выхода ИБП, минуя схему резервирования питания.

Байпас позволяет осуществлять следующие функции:

· включение / отключение ИБП при проведении ремонтов и регулировок без отключения питания электроприемников;

· 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 КЭ в питающей сети с целью снижения потерь электроэнергии в ИБП.

Байпас представляет собой комбинированное электронно-механическое устройство, состоящее из так называемого статического байпаса и ручного (механического) байпаса. Статический байпас представляет собой тиристорный (статический) ключ из встречно-параллельно включенных тиристоров. Управление ключом (включено / выключено) осуществляется от системы управления ИБП. Оно может производиться как вручную, так и автоматически. Автоматическое управление осуществляется при возникновении перегрузки и в экономичном режиме работы ИБП. При этом в обоих случаях напряжение инвертора синхронизировано с напряжением на входе цепи байпаса и с импульсами управления, что позволяет произвести перевод нагрузки с инвертора на байпас и обратно «без разрыва синусоиды».

Ручной (механический) байпас представляет собой механический выключатель нагрузки, шунтирующий статический байпас. Он предназначен для вывода ИБП из работы со снятием напряжения с элементов ИБП. При включенном ручном байпасе питание нагрузки осуществляется через цепь «вход байпаса-ручной байпас-выход ИБП». Остальные элементы схемы ИБП: выпрямитель, инвертор, АБ, статический байпас - на время включения ручного байпаса могут быть обесточены (отключены от питания и нагрузки) с целью ремонта, регулировок, осмотров и т.д.

В современных ИБП двойного преобразования применяют схему зеркального преобразования.

Рис. 7. Зеркальное преобразование

На рис. 7 изображены выпрямитель и инвертор ИБП, выполненные по схеме зеркального преобразования. В основу схемы положено применение мощных IGBT-транзисторов (Insulated Gate Bipolar Transistor - полевой биполярный транзистор с изолированным затвором). Смысл термина «зеркальное преобразование» состоит в том, что процессы выпрямления и инвертирования электроэнергии реализованы на одинаково выполненных преобразователях. Преимущества применения зеркального преобразования заключаются в обеспечении:

· отсутствия нелинейных искажений входного тока без дополнительных фильтров;

· коэффициента мощности ИБП, близкого к единице;

· реализации принципа широтно-импульсной модуляции без выходного трансформатора и фильтра.

Это позволяет оптимизировать совместную работу ИБП с ДГУ, снизить массогабаритные показатели. Недостатком зеркального преобразования является более низкий КПД (на 1…1,5%), чем у ИБП двойного преобразования с тиристорными преобразователями. Это ограничивает область применения ИБП с зеркальным преобразованием мощностью до 30…40 кВА. В мощных трехфазных ИБП двойного преобразования часто применяют комбинированные схемы преобразователей - тиристорный выпрямитель и инвертор на IGBT-транзисторах.

Технология двойного преобразования отработана и успешно используется свыше тридцати лет, однако ей присущи принципиальные недостатки:

· ИБП является причиной гармонических искажений тока в электрической сети (до 30%) и, таким образом, - потенциально причиной нарушения работы другого оборудования, соединенного с электрической сетью; он имеет низкое значение входного коэффициента мощности;

· ИБП имеет значительные потери, так как принципом получения выходного переменного тока является первичное преобразование в энергию постоянного тока, а затем снова преобразование в энергию переменного тока; в процессе такого двойного преобразования обычно теряется до 10% энергии.

Первый недостаток устраняется за счет применения дополнительных устройств (входных фильтров, 12-импульсных выпрямителей, оптимизаторов-бустеров), а второй принципиально не устраним (у лучших образцов ИБП большой мощности КПД не превышает 93%). Современные ИБП двойного преобразования оборудуются так называемыми кондиционерами гармоник и устройствами коррекции коэффициента мощности. Эти устройства входят либо в базовый комплект ИБП, либо применяются опционально и позволяют снять проблему с внесением гармонических искажений (составляют не более 3%) и повысить коэффициент мощности до 0,98.

Поскольку в дальнейшем при рассмотрении систем бесперебойного электроснабжения мы будем ориентироваться в основном на ИБП двойного преобразования, то имеет смысл более подробно рассмотреть варианты исполнения схем ИБП данного типа. Существуют схемы ИБП 1:1,3:1 и 3:3. Это означает:

· 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 для мощностей нагрузки до 30 кВА, при этом симметрирование не требуется, и мощность инвертора используется рационально. Следует иметь в виду, что байпас в таких схемах является однофазным и при переходе ИБП с инвертора на байпас для входной сети ИБП 3:1 становится несимметричным устройством, подобно ИБП 1:1. Проектом должен быть предусмотрен режим работы на байпасе, т.е. электрическая схема не должна подвергаться перегрузкам, и: КЭ не должно выходить за установленные пределы при переходе ИБП на байпас.

На рис. 8 приведена схема ИБП 3:1.

Рис. 8. ИБП по схеме 3:1

Особенностью данной схемы является наличие на входе конвертора 3:1. При его отсутствии ИБП имеет схему 1:1. Наличие конвертора не только превращает ИБП 1:1 в 3:1, но и позволяет осуществлять работу на байпасе в симметричном режиме.

На рис. 9 приведена схема ИБП по схеме 3:3.

Рис. 9. ИБП по схеме 3:3

В отличие от схемы на рис. 8 здесь имеется зарядное устройство для оптимизации режима заряда аккумуляторной батареи и преобразователь постоянного тока - бустер (booster DC/DC), позволяющий облегчить работу выпрямителя за счет снижения глубины регулирования. Таким образом, обеспечивается меньший уровень гармонических искажений входного тока. В некоторых случаях такую схему называют схемой с тройным преобразованием.

Принципиально нет предпосылок выделять такие схемы в отдельный тип ИБП, так как остается общим главный принцип - выпрямление тока с его последующим инвертированием. Разумеется, в звене постоянного тока могут присутствовать сглаживающие ёмкости, а в некоторых случаях - дроссель. Источник работает по схеме 3:3 в любом режиме - при работе через инвертор (режим on-line) и при работе на байпасе. По отношению к питающей сети работа в режиме on-line является симметричной, тогда как работа на байпасе зависит от баланса нагрузок по фазам. Впрочем, сбалансированность нагрузок по фазам в первую очередь важна для рационального использования установленной мощности самого источника, а но отношению к питающей сети небаланс по фазам при работе на байпасе может проявить себя только при работе с ДГУ. Но в этом случае решающим будет не симметрия нагрузки, а её нелинейность.

В настоящее время для повышения эффективности (КПД) применяется комбинированная схема, суть функционирования которой заключается в следующем. Выделяется диапазон входного напряжения, как правило ±6…10%, в котором ИБП работает в так называемом экономичном режиме (переходит на статический байпас), а при выходе входного напряжения из этого диапазона ИБП в течение 2…4 мс переходит в режим on-line. Все потери электроэнергии в этом режиме сводятся к потерям в проводниках и тиристорах статического байпаса. КПД при этом приближается к 98%.

Однако и у этой схемы имеются некоторые недостатки:

· при применении таких ИБП в качестве централизованных в двухуровневой схеме СБЭ диапазон напряжения, в котором осуществляется работа в экономичном режиме, должен быть меньше диапазона напряжения ИБП второго уровня до перехода на питание от батарей, чтобы не вызвать перехода ИБП второго уровня в автономный режим;

· при работе в экономичном режиме ИБП не защищает входную сеть от гармонических искажений тока, вызываемых нагрузкой с импульсными блоками питания. Как следствие, необходимо увеличение сечения нейтрального проводника на входе ИБП и значительное увеличение мощности ДГУ (по данным фирмы АРС, мощность ДГУ должна превышать расчетную мощность ИБП в 6…9 раз). При работе ИБП с ДГУ соизмеримой мощности следует средствами конфигурирования ИБП исключать экономичный режим работы.

Конструктивное исполнение ИБП определяется их назначением, номинальной мощностью и временем автономной работы. ИБП состоят из системного блока и аккумуляторной батареи. Системный блок ИБП представляет собой шкаф, в который устанавливаются выпрямитель, инвертор и система управления, включая пульт. У ИБП, выполненных по типу двойного преобразования, количество шкафов системного блока зависит от комплектации выпрямителя. Комплектация выпрямителя зависит от выбранных мер по ограничению гармонических искажений. Могут устанавливаться дополнительные шкафы с 12-импульсным выпрямителем, фильтром подавления гармоник, изолирующим трансформатором. ИБП, выполненные по типу одиночного и дельта-преобразования, дополнительно могут иметь только шкафы с изолирующими трансформаторами.

АБ для ИБП средней и большой мощности имеет большую массу (до нескольких тонн) и поставляется в разобранном виде: аккумуляторы и шкаф аккумуляторных батарей. Шкафы аккумуляторных батарей бывают нескольких типоразмеров, в зависимости от емкости применяемых аккумуляторов и требуемого времени автономной работы. В шкаф устанавливаются аккумуляторы и защитно-коммутационный аппарат звена постоянного тока - блок рубильник-предохранитель или автоматический выключатель. Монтаж АБ на объекте заключается в сборке аккумуляторов в батарею и подключении АБ кабелем к системному блоку.

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

Охлаждение ИБП является принудительным и выполняется встроенными воздушными вентиляторами. Существуют модели ИБП с водяным охлаждением. Снятые теплоизбытки отводятся из помещения ИБП системами приточно-вытяжной вентиляции или мощными кондиционерами-охладителями (в комплект ИБП не входят).

ИБП малой мощности выполняются в едином конструктиве, содержащем собственно ИБП и аккумуляторную батарею. В случае необходимости применения дополнительных аккумуляторных батарей их помещают в аналогичный корпус. Конструкция ряда моделей ИБП малой мощности позволяет производить замену аккумуляторной батареи без отключения нагрузки («горячая» замена - hot swap).

ИБП малой мощности выполняются также в специальных корпусах, встраиваемых в стандартные шкафы (типоразмер - 19») для активного сетевого оборудования и серверов (Rack-Mount UPS, RM LJPS).

Среди рассмотренных типов ИБП следует выделить так называемые энергетические массивы (power array). Выполненные по типу двойного преобразования и принципу избыточности N+1 («горячий резерв»), эти ИБП представляют собой параллельную систему модулей ИБП в одном корпусе, имеющую способность продолжать работу при выходе из строя силового модуля (модуля преобразователей), модуля батарей или модуля управления.

Силовой модуль представляет собой блок, содержащий выпрямитель и инвертор, устанавливаемый в корпус энергетического массива для параллельной работы с другими силовыми модулями. Существуют различные концепции энергетических массивов: с распределенной логикой управления, с централизованной избыточной логикой, с отдельными батарейными модулями и с совмещенными силовыми и батарейными модулями.

Наряду с ИБП существуют системы постоянного тока, предназначенные для электроснабжения средств связи и телекоммуникаций. Эти системы обеспечивают АТС постоянным напряжением 24, 48 или 60 В с возможностью работы в автономном режиме в течение 4…8 ч. По классификации различают буферные системы питания - системы, в состав резервной цепи которых входит батарея, выводы которой постоянно соединены с нагрузкой, и системы питания с отделенной батареей, в состав резервной цепи которых входят батареи, выводы которых при нормальном режиме работы отключены от нагрузки с помощью коммутирующего устройства.

Современные системы постоянного тока обеспечивают питание напряжением 24, 48, 54, 60, 110, 125 В постоянного тока и рассчитаны на мощность до несколько десятков кВт. Система включает следующие компоненты:

· выпрямители;

· устройство управления и контроля (контроллер);

· аккумуляторную батарею;

· защитные устройства (размыкатели батареи);

· устройства распределения постоянного тока;

· конверторы DC/DC (преобразователи напряжения постоянного тока);

· инверторы.

Выпрямитель - устройство, производящее преобразование переменного входного напряжения в постоянное. Типовые выходные напряжения - 27 (24); 54 (48) В.

Устройство управления и контроля, (контроллер) - микропроцессорный модуль системы PMS (Power Management System), осуществляющий контроль и управление системой.

Защитное устройство (батарейный размыкатель, устройство отключения при низком напряжении) - устройство, производящее отключение, когда напряжение батареи достигает минимально допустимого (Low Voltage Disconnect, LVD). Это предотвращает глубокую разрядку батареи, которая может привести к выходу батареи из строя. LVD может быть отдельным модулем, устройством или входить в состав системы.

Устройство распределения постоянного тока - одна или несколько розеток для подключения нагрузки, обычно защищенных предохранителями или автоматами. Могут быть выполнены в виде панели, полки или шкафа.

Конвертор DC/DC (преобразователь напряжения постоянного тока) - преобразователь постоянного напряжения для питания нагрузок, номинальное напряжение которых отличается от выходного напряжения выпрямителей.

При необходимости обеспечения резервирования питания потребителей переменного тока системы комплектуются инверторами.

Модульный принцип построения систем постоянного тока, так же как и энергетических массивов, позволяет осуществлять отказоустойчивое электроснабжение потребителей. Конструкция систем постоянного тока выполняется как открытой в стойках (стативах), так и в стандартных шкафах типоразмеров 19» и 23».

Охлаждение для стативного исполнения может быть конвекционным, а для шкафного исполнения - принудительным. Теплоизбытки должны удаляться из помещений аналогично тому, как это делается для помещений, где установлены ИБП.

Источники бесперебойного питания различных типов и системы постоянного тока содержат аккумуляторную батарею (АБ). В ИБП малой мощности она может быть представлена единичным аккумулятором. ИБП средней и большой мощности и системы постоянного тока оборудованы АБ, составленной из различного числа (зависит от модели) аккумуляторов, собранных в последовательные цепочки, которые в свою очередь могут включаться параллельно для увеличения емкости АБ.

По классификации EUROBAT (Ассоциация ведущих европейских производителей аккумуляторных батарей) различают четыре категории аккумуляторных батарей, характеризующихся в первую очередь сроком их ожидаемой службы:

· 10+ years (10+ лет) - категория высокой целостности (High Integrity); применяется в оборудовании, где необходима высочайшая степень безопасности (телекоммуникационные центры, атомные электростанции, нефтеперекачивающие комплексы и т.д.);

· 10 years (10 лет) - категория высокого исполнения (High Performance); практически повторяет предыдущую категорию, однако требования к исполнению и надежности несколько снижены;

· 5-8 years (5-8 лет) - категория общего применения (General Purpose); практически повторяет предыдущую категорию, однако требования к исполнению

· и надежности менее строгие;

· 3-5 years (3-5 лет) - категория стандартных коммерческих применений (Stan - dart Commercial); применяется в стационарных установках и особенно популярна в небольших ИБП.

Следует отметить, что реальный срок службы аккумуляторных батарей существенно зависит от условий их эксплуатации и может значительно отличаться от паспортных данных.

К числу наиболее важных факторов, влияющих на продолжительность эксплуатации батарей, относятся:

· температура окружающей среды;

· количество прошедших циклов заряда-разряда;

· степень зараженности батареи.

Основные параметры батарей:

· тип батарей;

· рабочее напряжение батареи;

· минимальное напряжение батареи;

· температурные характеристики.

Построение систем бесперебойного электроснабжения может производиться по различным схемам в зависимости от требований к надежности работы системы, количества и мощности потребителей, строительно-архитектурных особенностей зданий, условий размещения основного оборудования: СБЭ и: некоторых других факторов, определяемых заданием на проектирование и результатами рабочего проектирования. В соответствии со сложившейся технической практикой создания СБЭ можно выделить две традиционные структуры систем - распределенную и централизованную (локальную). В распределенной системе СБЭ (рис. 10) электроприемник (или небольшая группа электроприемников) получает питание от отдельного (локального) ИБП. Централизованная система (рис. 11) строится на основе одного или несколько мощных ИБП.



Рис. 10. Распределенная СБЭ

Преимуществами распределенной системы являются:

· отсутствие необходимости переделки кабельной сети при использовании «розеточных» ИБП (ИБП малой мощности, включаемые непосредственно в розетку);

· простота наращивания мощности и изменения конфигурации;

· отключение только части системы при отказе одного ИБП и устранение последствий отказа простой заменой поврежденного источника;

· отсутствие необходимости выделения специальных помещений для размещения ИБП.

Недостатками распределенной системы являются:

· неэффективное использование установленной мощности ИБП из-за невозможности обеспечения номинальной загрузки всех ИБП;

· время автономной работы всей системы не является общим для всех нагрузок;

· недостаточная перегрузочная способность системы при подключении дополнительной нагрузки или коротком замыкании в цепи нагрузки одного ИБП (этот недостаток не является существенным и проявляется редко);

· при использовании ИБП с режимами работы off-line или line-interactive даже при сбалансированной симметричной нагрузке в нейтральном проводнике возникают токи, значения которых могут превосходить значения токов в фазных проводниках (это явление приводит к перегрузке нейтрального проводника и ухудшению электромагнитной совместимости).

Рис. 11. Централизованная СБЭ

Преимуществами: централизованной структуры СБЭ являются:

эффективное использование установленной мощности ИБП и емкости батарей;

· устойчивость к локальным перегрузкам;

· возможность увеличения времени автономной работы за счет отключения менее ответственных потребителей в соответствии с так называемым планом: «деградации» системы;

· исключение перегрузки нейтрального проводника на. участке от ввода до ИБП.

Недостатком централизованной системы является вероятность общего отказа из-за неисправности распределительной: сети бесперебойного электроснабжения или самого ИБП.

В чистом: виде каждая из приведенных систем применяется достаточно редко. На практике часто применяют комбинированные или двухуровневые системы. [1]

На рис. 12 представлена структурная схема частного применения комбинированной системы бесперебойного электроснабжения узла связи. [6]

Рис. 12. Комбинированная СБЭ

По данной схеме возможна организация канала ~220В повышенной надежности и с максимальным временем работы за счет объединения двух независимых каналов. Этот канал может формироваться непосредственно в потребляющей электроустановке. [6]

Непрерывный характер технологических процессов в инфокоммуникациях и необходимость сохранения и защиты информации обусловливают требования к надежности функционирования технических средств СБЭ. Поскольку надежность работы оборудования компьютерных сетей и комплексов связи неразрывно связана с электроснабжением, требуется принятие специальных мер по обеспечению надежности работы СБЭ.

Надежность системы - совокупное понятие, включающее возможность продолжения работы системы в целом: даже при возникновении неисправностей (отказов) ее элементов, локализацию места отказа элемента системы и восстановление исходной работоспособности путем замены или дублирования отказавшего элемента.

В СБЭ отказоустойчивость достигается за счет применения двухуровневой схемы электроснабжения и избыточности комплекса ИБП (принцип N+1).

Продолжение работы системы в целом, даже при возникновении неисправностей (отказов) ее элементов, достигается резервированием ее важнейших элементов, в нашем случае ИБП. Мощные трехфазные ИБП должны функционировать в параллельном комплексе.

Целью объединения нескольких ИБП в параллельный комплекс является обеспечение работы комплекса в целом при отказе одного из ИБП. Структура параллельного комплекса изображена на рис. 13

Количество ИБП рассчитывается таким образом, чтобы в случае выхода из строя одного из источников (на рис. 13 - ИБП 3) оставшиеся в работе могли обеспечивать питание нагрузки (принцип RPA - Redundant Parallel Architecture - избыточная параллельная архитектура).



Рис. 13. Параллельный комплекс ИБП

Возможны два варианта построения параллельного комплекса:

· по централизованной схеме (с выделением статического переключателя обходной цепи байпаса в виде объединительного блока);

· по децентрализованной (модульной) схеме - без объединительного блока.

Централизованная схема требует установки объединительного блока, рассчитанного на суммарную выходную мощность комплекса. Модульная структура (рис. 13) позволяет при необходимости нарастить комплекс, добавляя новые ИБП к уже установленным. В современных параллельных комплексах ИБП применяются модульные схемы.

Управление централизованной и модульной структурой производится по принципу распределенной логики, т.е. без центрального управляющего звена. Таким образом, микропроцессорные блоки синхронизации работы параллельного комплекса в каждом ИБП полностью равноправны, и отключение либо выход из строя одного из ИБП не приводит к потере работоспособности комплекса в целом. Такая схема позволяет также производить техническое обслуживание и ремонт любого ИБП не только без отключения нагрузки, но и с сохранением бесперебойного электроснабжения.

Наряду с параллельной схемой СБЭ существует последовательная схема. В таких системах резервирование ИБП достигается за счет включения на вход байпаса резервного ИБП. Резерв находится во включенном состоянии, но нагрузки не несет и не участвует в работе при переходе основных ИБП в автономный режим. На рис. 14 приведена последовательная схема СБЭ с резервированием по линии байпаса.

Рис. 14. Последовательная схема СБЭ с резервированием по линии байпаса.

На рис. 15 изображена традиционная схема последовательного «горячего резервирования». Такие схемы исторически были первыми на пути создания отказоустойчивых систем, но после появления систем RPA отошли на второй план по причине наличия ряда недостатков, которые отсутствуют в параллельных системах.

Рис. 15. Схема последовательного «горячего резервирования»

Второй уровень СБЭ относится к ответственным рабочим станциям, файл-серверам, активному сетевому и телекоммуникационному оборудованию. При сосредоточенном размещении этого оборудования его электроснабжение обеспечивается с применением выделенного ИБП средней мощности (до 40 кВА) в сочетании с простыми резервными ИБП типа off-line. Такое решение в сочетании с дополнительными техническими средствами, позволяющими осуществлять резервирование ИБП второго уровня, представляет собой отказоустойчивую систему бесперебойного питания. В качестве наиболее прогрессивного решения по созданию отказоустойчивых систем следует рекомендовать СБЭ с применением источников бесперебойного питания класса энергетического массива.

Помимо применения параллельных комплексов ИБП и энергетических массивов в настоящее время начинают применять схемные решения, заимствованные из «большой» энергетики и позволяющие осуществлять электроснабжение нагрузок группы А от двух независимых. ИБП. Устройства, позволяющие реализовать эту схему, получили название «избыточный переключатель» (redundant switch). Устройство имеет сравнительно небольшую мощность и позволяет питать сервер или комплект сетевого оборудования. Рекомендуется подключать ИБП, работающие на избыточный переключатель, к различным групповым линиям, желательно от разных секций главного распределительного щита (ГРЩ).

Разумеется, такое схемное решение применяется для особо критичных нагрузок из группы А. В большинстве случаев эти технические средства информатизации и

телекоммуникаций оборудуются двумя независимыми блоками питания, и необходимость использования избыточного переключателя отпадает. Для питания таких потребителей следует выполнить групповую сеть таким образом, чтобы обеспечить питание от различных секций ГРЩ, причем по крайней мере одна из линий должна иметь питание от СБЭ.

Модульные системы постоянного тока также позволяют создавать отказоустойчивые системы электроснабжения. Применяя инверторы, можно создавать системы бесперебойного электроснабжения средств коммуникаций, использующих питание переменного тока, web-узлов и центров обработки. Существует мнение о целесообразности перевода питания средств информатизации на питание от постоянного тока. Действительно, существует ряд предпосылок для таких преобразований:

· большое время автономной работы систем постоянного тока (несколько часов);

· необходимость совместной работы потребителей, питающихся переменным и постоянным: током, исходя из условий обработки и передачи информации;

· сложившееся применение инверторов в системах постоянного тока;

· необходимость снижения эксплуатационных затрат.

Отказ питания от инверторов части оборудования в системах постоянного тока потребует перевода вторичных источников питания этого оборудования на электроснабжение от постоянного тока. Это повысит совокупную надежность системы, снизит затраты. Однако сложившийся парк оборудования и технология его производства не могут быть изменены в одночасье. Не является универсальным и сам принцип электроснабжения на постоянном токе. Например, для зданий в целом он вряд ли применим, поскольку требования нормативных документов в строительстве не разработаны для распределенных систем постоянного тока. Не изучены вопросы электромагнитной совместимости, электробезопасности, нет электрооборудования для систем, распределенных в масштабах зданий. В настоящее время область применения систем: постоянного тока остается прежней - средства связи и телекоммуникаций. [1]

3. Перспективы развития систем бесперебойного электроснабжения

Стремительный рост ИТ и телекоммуникационного бизнеса, функционирующего круглосуточно, повсеместная компьютеризация и автоматизация предъявляют повышенные требования к электропитанию. Современный бизнес зависит не только от качественного электропитания, но, в первую очередь, от доступности электропитания. В таких сферах деятельности, как, например, здравоохранение, банковский и телекоммуникационный бизнес, промышленность, сбои и пропадание напряжения могут стать причиной не только огромных потерь для коммерческой деятельности, но и нанести ущерб здоровью человека, а также стать решающими факторами для человеческой жизни.

Ключевой тенденцией на рынке ИБП можно считать уверенный рост спроса на крупные источники топологии on-line, которые все больше вытесняют источники типа off-line и line-interactive. Источники топологии on-line (девятая серия по классификации компании Eaton's Powerware Division) способны защитить оборудование от всех существующих сбоев электропитания и обеспечить высочайший уровень доступности электропитания - до 99,999%. [4]

Основным требованием при построении эффективной системы электропитания современного предприятия является обязательное включение оборудования защиты электропитания. Построение сложных систем бесперебойного питания требует особой тщательности и профессионализма на этапе проектирования, инсталлирования и ввода в эксплуатацию. Необходимо долгосрочное проектирование комплексной системы бесперебойного электроснабжения квалифицированными специалистами, способными учесть как текущие потребности компании, так и необходимость дальнейшего развития системы, дополнительного резервирования и масштабирования уже установленной системы с учетом роста её потребностей. [4,5]