Контур заземлення

ІБП (UPS)- основні поняття та розшифрування

Пристрій безперебійного живлення ( ІБП) Uninterruptible Power Supply (UPS)

Пристрій, що використовує для аварійного живлення навантаження енергію акумуляторних батарей. Головним їх завданням є підтримання працездатності критичного навантаження протягом незначного часу - від кількох хвилин до кількох годин залежно від його потужності та ємності батарейного комплекту. Цього часу достатньо або для усунення неполадок у лінії електропередачі, або для штатного вимкнення критичного навантаження.

Критичне навантаження (Critical Load)

Навантаження, чутливе до неполадок в електромережі, що загрожує виходом обладнання з ладу, порушенням технологічного процесу або втратою важливої інформації. Щоб запобігти подібним випадкам, для живлення такого навантаження (файлових серверів, робочих станцій, персональних комп'ютерів, телекомунікаційного та офісного обладнання та ін.) слід застосовувати UPS
.

UPS резервного типу (Off-Line або Standby)

Джерело безперебійного живлення, виконане за схемою з комутувальним пристроєм, який у нормальному режимі роботи забезпечує під'єднання навантаження безпосередньо до зовнішньої живильної електромережі, а в аварійному переводить його на живлення від акумуляторних батарей. Перевагою UPS резервного типу є його простота і, як наслідок, невисока вартість, а недоліком - ненульовий час перемикання (~4 мс) на живлення від батарей та інтенсивніша їхня експлуатація, адже джерело переходить в аварійний режим за будь-яких неполадок в електромережі. UPS резервного типу зазвичай мають невелику потужність і застосовуються для забезпечення гарантованого електроживлення окремих пристроїв (персональних комп'ютерів, робочих станцій, офісного обладнання) у регіонах із гарною якістю електричної мережі.

Лінейно-інтерактивний (Line-interactive) UPS

Джерело безперебійного живлення, виконане за схемою з комутаційним пристроєм (Off-line), доповненим стабілізатором вхідної напруги (бустером) на основі автотрансформатора з обмотками, які можна перемикати. Основна перевага лінійно-інтерактивного UPS порівняно з джерелом резервного типу полягає в тому, що він здатний забезпечити нормальне живлення навантаження за підвищеної або зниженої напруги електромережі (найпоширеніший вид неполадок у вітчизняних лініях електропостачання) без переходу в аварійний режим. У підсумку подовжується термін служби акумуляторних батарей. Недоліком лінійно-інтерактивної схеми є ненульовий час перемикання (~4 мс) навантаження на живлення від батарей. За ефективністю лінійно-інтерактивні UPS посідають проміжне становище між простими і відносно дешевими резервними джерелами (Off-line) і високоефективними, але дорогими UPS із подвійним перетворенням енергії (On-line). Як правило, лінійно-інтерактивні UPS застосовують для забезпечення гарантованого живлення персональних комп'ютерів, робочих станцій, файлових серверів, вузлів локальних обчислювальних мереж і офісного обладнання.

Бустер (Booster)

Автоматичний регулятор напруги, побудований на основі автотрансформатора з обмотками, що перемикаються. Застосовується в UPS , зібраних за лінійно-інтерактивною схемою, для ступінчастого коригування вхідної напруги в бік її підвищення (знижена вхідна напруга) або зниження (підвищена вхідна напруга). Число обмоток бустера визначає діапазон вхідних напруг, за яких UPS забезпечує нормальне живлення навантаження без переходу в аварійний режим роботи.

UPS з подвійним перетворенням енергії (On-line)

Джерело безперебійного живлення, в якому змінну мережеву напругу, що надходить на вхід, спочатку випрямляч перетворює на постійну, а потім за допомогою інвертора знову на змінну. Акумуляторна батарея постійно під'єднана до виходу пристрою випрямлення і входу інвертора та живить останній в аварійному режимі. Така схема побудови UPS дає змогу забезпечити практично ідеальне живлення навантаження за будь-яких неполадок у мережі (включно з фільтрацією високовольтних імпульсів) і характеризується нульовим часом перемикання в аварійний режим без виникнення перехідних процесів на виході пристрою. До недоліків схеми з подвійним перетворенням енергії слід зарахувати її порівняльну складність, вищу вартість, а також зниження загального ККД системи через втрати під час дворазового перетворення напруги. UPS типу On-line застосовують у тих випадках, коли з тих чи інших причин висувають підвищені вимоги до якості електроживлення навантаження, яким можуть бути вузли локальних обчислювальних мереж (мережеве обладнання, файлові сервери, робочі станції, персональні комп'ютери), обладнання обчислювальних залів, системи керування технологічним процесом.

Bypass(обхід)

Режим живлення навантаження відфільтрованою напругою електромережі в обхід основної схеми UPS . Перемикання в режим Bypass, підтримуваний внутрішньою схемою UPS або спеціальним зовнішнім модулем, може виконуватися автоматично або вручну. UPS , що має відповідну вбудовану схему, автоматично переходить у режим Bypass за командою пристрою керування в разі перевантаження вихідних ланцюгів або в разі виявлення несправності в життєво важливих вузлах. Таким чином навантаження захищається не тільки від збоїв у електромережі живлення, а й від неполадок у самому UPS . Можливість ручного ввімкнення режиму Bypass передбачено на випадок проведення профілактичного обслуговування UPS або заміни його вузлів без знеструмлення навантаження.

Коефіцієнт потужності (Power Factor)

Коефіцієнт потужності - величина дуже універсальна і характеризує не тільки вихідні дані UPS, як джерела електричної енергії для споживача, а й сам UPS як навантаження для трансформаторної підстанції, дизель-електростанції або іншого джерела електроенергії.

Комплексний показник, що характеризує лінійні та нелінійні спотворення форми струму і напруги в електромережі, зумовлені впливом навантаження (наприклад, UPS). Обчислюється як відношення активної потужності, що поглинається навантаженням, до повної. Типові значення коефіцієнта потужності: 1 - ідеальне значення; 0.95 - гарний показник; 0.9 - задовільний показник; 0.8 - поганий показник; 0.7 - вплив комп'ютерного навантаження; 0.65 - вплив двох-напівперіодного пристрою живлення. У разі лінійних спотворень коефіцієнт потужності дорівнює косинусу кута зміщення між струмом і напругою і залежно від значення цього кута може характеризуватися як такий, що випереджає або відстає. Якщо мають місце тільки нелінійні спотворення форми струму, коефіцієнт потужності визначається відношенням потужності першої гармоніки струму до загальної активної потужності, споживаної навантаженням.

Електрична потужність (е. м.) - фізична величина, що характеризує швидкість передачі або перетворення електричної енергії. За змінного струму добуток миттєвих значень напруги і струму i являє собою миттєву потужність: р = ui, тобто потужність у даний момент часу, яка є змінною величиною. Середнє за період Т значення миттєвої е. м. називається активною потужністю.

Активна потужність (P) - середнє за період значення миттєвої потужності змінного струму. А. м. Р залежить від діючих значень напруги U і сили струму I та від косинуса j, де j - кут зсуву фаз між U і I. Одиниця виміру А. м. - Вт. У колах однофазного синусоїдального струму Р = UI cosj. Активна Е. м. характеризує швидкість необоротного перетворення електричної енергії на інші види енергії (теплову, світлову тощо). Е. м., що характеризує швидкість передачі енергії від джерела струму до приймача і назад, називається реактивною потужністю.

Реактивна потужність (Q) - величина, що характеризує навантаження, створювані в електротехнічних пристроях коливаннями енергії електромагнітного поля в колі змінного струму. Р. м. Q дорівнює добутку діючих значень напруги U і струму /, помноженому на синус кута зміщення фаз j між ними: Q = UI sinj. Вимірюється у варах.

Повна потужність

Кажущаяся потребляемая нагрузкой (например, ИБП) суммарная мощность с учетом активной и реактивной ее составляющих, а также отклонения формы тока и напряжения от гармонической. Вычисляется как произведение среднеквадратичных значений входного тока и напряжения. Единица измерения: ВА (вольт х ампер).

Выпрямитель

Устройство, преобразующее переменное напряжение электросети в постоянное. Однофазные ИБП оснащаются двух- или четырехполупериодными выпрямителями, а трехфазные ИБП — шести- или двенадцатиполупериодными.

Инвертор

Устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменное. В зависимости от используемого принципа преобразования различают три основных типа инверторов : инверторы, генерирующие напряжение прямоугольной формы, инверторы с пошаговой аппроксимацией и инверторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Последние обеспечивают наиболее близкую к гармонической форму выходного напряжения. Кроме того, манипулируя шириной отдельных импульсных составляющих ШИМ-сигнала, инверторы автоматически корректируют форму выходного напряжения при работе с нелинейной нагрузкой.

Входной изолирующий трансформатор

Трансформатор, включаемый во входную цепь ИБП для обеспечения гальванической развязки его внутренних узлов и входной электросети. Применяется во избежание короткого замыкания цепей ИБП, комплектуемого негерметичной аккумуляторной батареей с жидким электролитом, если существует вероятность его утечки. Также применяется при необходимости гальванической развязки цепи Bypass.

Выходной изолирующий трансформатор

Трансформатор, включаемый во выходную цепь ИБП для обеспечения гальванической развязки между самим ИБП и его нагрузкой. В трехфазных системах применяется трансформатор "треугольник-звезда". Он образует выходную нейтраль нагрузки, полностью изолированную от входной нейтрали ИБП. Таким образом, удается полностью защититься от помех по входной нейтрали, широко распространенных в промышленных районах.

·         Возможность работы с нагрузками любых типов, имеющих различные коффициенты мощности

·         Стабильность выходных параметров как при статической, так и динамической нагрузке

·         Позволяет реализовать любую из известных питающих силовых схем (систем заземления): TN- C, TN-S, TN-C-S, TT и IT

·         Гальваническая изоляция увеличивает помехозащищенность нагрузки как по фазам, так и по нейтрали. Исключается постоянная составляющая выходного напряжения

·         Возможность работы с нелинейной и импульсной нагрузкой за счет широкого диапазона допустимого крест-фактора и КНИ тока нагрузки

·         Возможность питания как любых однофазных, так и трехфазных нагрузок

·         В связи с использованием выходного трансформатора типа «треугольник-звезда» выходная нейтраль формируется заново и все фазные напряжения жестко балансируются

·         Возможность работы с несбалансированными до 100% трехфазными нагрузками типа «звезда» и «треугольник»

КПД

Коэффициент полезного действия, определяемый как отношение выходной мощности устройства к потребляемой им от сети.

Нормальный режим работы

Режим работы ИБП, при котором нагрузка питается за счет энергии, отбираемой из электросети, а аккумуляторные батареи отключены или подзаряжаются.

Аварийный (автономный) режим работы

Режим работы ИБП, при котором нагрузка питается энергией аккумуляторных батарей, преобразованной в переменное напряжение.

Виртуальная батарея

Конденсатор большой емкости, подключаемый параллельно аккумуляторной батарее ИБП и выполняющий ее функции при непродолжительных (длительностью не более 1 ... 2 с) неполадках в электросети. В результате уменьшается число случаев кратковременного использования основной батареи и увеличивается срок ее службы. Применение виртуальной батареи в сочетании с технологией температурной компенсации зарядного тока — одно из наиболее эффективных решений, позволяющих продлить жизненный цикл аккумуляторных батарей.

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ)

Показатель, характеризующий степень отличия формы напряжения или тока от синусоидальной.

Типовые значения КНИ:

·         0% — синусоидальная форма сигнала;

·         3% — форма сигнала отлична от синусоидальной, но искажения не заметны на глаз;

·         5% — отклонение формы сигнала от синусоидальной заметно на глаз;

·         до 21% — сигнал имеет трапецеидальную или ступенчатую форму;

·         43% — сигнал имеет прямоугольную форму;

ТНD-фильтр

Устройство, устанавливаемое во входной цепи ИБП для уменьшения ее влияния на форму напряжения в питающей электросети. Поскольку входным узлом любого мощного ИБП, построенного по схеме с двойным преобразованием (Оп-Ыпе), является выпрямитель, элемент нелинейный и потребляющий большой импульсный ток, такой ИБП становится причиной "загрязнения" электросети. Применение ТНО-фильтра позволяет в существенной мере ослабить подобное "загрязнение".

Температурная компенсация зарядного тока батарей

Технология, применяемая ведущими производителями ИБП, для продления срока службы аккумуляторных батарей. Как известно, герметичные батареи крайне чувствительны к величине зарядного тока, оптимальное значение которого зависит от температуры окружающей среды. Технология температурной компенсации зарядного тока позволяет автоматически корректировать режим заряда батарей в соответствии с изменениями внешних условий и тем самым продлить жизненный цикл аккумуляторов в несколько раз.

Последовательное резервирование

Техническое решение, направленное на повышение надежности системы питания нагрузки путем последовательного (каскадного) соединения нескольких ИБП, один из которых является основным, а другие — резервными (см. рисунок). Для соединения по такой схеме каждый ИБП должен иметь отдельный вход цепи Bypass. В то время как основной ИБП питает нагрузку, резервные источники работают в холостом режиме, потребляя минимальную мощность. При обнаружении признаков неисправности внутренних узлов основной ИБП переключается в режим Bypass, и всю нагрузку берет на себя следующий по схеме резервный источник. ИБП, соединенные по схеме с последовательным резервированием, могут иметь собственные аккумуляторы или подключаться к единому для всех комплекту батарей для увеличения времени работы системы в автономном режиме.

Параллельное резервирование, наращивание мощности системы

Техническое решение, направленное либо на повышение надежности (аппаратное резервирование), либо на увеличение общей выходной мощности системы (масштабирование). Оно предусматривает параллельное соединение нескольких одноранговых ИБП с объединением их входов и выходов. Работоспособность такой системы обеспечивается специальной схемой синхронизации фаз выходного напряжения. В случае аппаратного резервирования при исправности всех соединенных параллельно ИБП нагрузка равномерно распределяется между ними, а в случае выхода из строя одного из источников — перераспределяется между исправными. В схеме с параллельным резервированием допускается применение как отдельных аккумуляторов для каждого ИБП, так и общего комплекта батарей.

Крест-фактор нагрузки (Crest Factor)

Показатель, характеризующий способность ИБП питать нелинейную нагрузку, потребляющую импульсный (нелинейный) ток.