Классификация ИБП

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

В большинстве публикаций на тему источников бесперебойного питания (ИБП) их классификация дается в соответствии с принципами работы, схемотехники, мощностью, конструктивным исполнением. При этом ИБП рассматриваются с точки зрения производителей, торговых и сервисных организаций, а об интересах конечных пользователей часто забывают. Попробуем восполнить этот пробел.

Система бесперебойного электроснабжения (СБЭ) является последним «рубежом обороны» в борьбе за качество и надежность электроснабжения средств инфокоммуникаций. Она представляет собой электроустановку для автономного электроснабжения нагрузки в случаях нарушения или отключения подачи питания от основных источников. Период ее автономного функционирования, как правило, рассчитывается из необходимости завершения работы инфокоммуникационных систем без потери информации и повреждений оборудования. Минимального (базового) времени должно хватать для запуска резервного источника электроснабжения, например дизель-генераторной установки (ДГУ).

В общей массе нагрузок можно выделить так называемые «критические» нагрузки, которые нуждаются в дополнительном резервировании питания. К ним относятся, например, файловые серверы, ряд средств связи и телекоммуникаций, системы безопасности. Конструкция подобного оборудования предусматривает наличие двух блоков питания для его подключения к разным источникам электроснабжения. Этот технологический вид резервирования не влияет на принципиальную схему бесперебойного электроснабжения.

Основу СБЭ составляют источники бесперебойного питания (ИБП). В литературе также иногда применяется термин «агрегат бесперебойного питания» (АБП). ИБП представляет собой статическое устройство и предназначен, во-первых, для резервирования (защиты) электроснабжения оборудования за счет энергии, накопленной в аккумуляторной батарее (АБ), и, во-вторых, для подачи электроэнергии должного качества на защищаемые электроприемники.

КЛАССИФИКАЦИЯ ИБП

Классификация ИБП производится обычно по двум базовым показателям — его мощности и типу. Первая носит отчасти условный характер и связана с исполнением (конструкцией) устройства. Основные технико-экономические показатели СБЭ приведены в Таблице 1.

Показатель	Характеристика
Установленная мощность	Суммарная номинальная мощность ИБП
Избыточное резервирование	Избыточная установленная мощность на случай отказа части ИБП
Время автономной работы	Время работы с номинальной мощностью при отключении внешнего питания
Таблица 1. Основные технико-экономические показатели СБЭ.

Установленная мощность зависит от двух факторов: расчетной мощности (мощности нагрузки) и степени избыточного резервирования. Избыточное резервирование может достигать 100% — такое решение наименее экономично и реализуется по схеме с одним рабочим и одним резервным ИБП. В настоящее время наибольшее распространение получил принцип резервирования N+1, когда только часть мощности ИБП находится в резерве, который СБЭ позволяет использовать при отказе одного из работающих ИБП при построении схемы соответствующим образом. Как правило, это схемы с так называемым «горячим» резервом (находящимся под нагрузкой). Схемы построения СБЭ без избыточного резервирования менее предпочтительны. Время автономной работы (run-time) с номинальной нагрузкой определяется емкостью аккумуляторных батарей (АБ). На практике время автономной работы больше за счет избыточного резервирования и дискретности шкалы номинальных мощностей.

ИБП малой мощности подключаются непосредственно к защищаемому оборудованию и питаются от электрической сети через штепсельные розетки (поэтому их иногда называют «розеточные ИБП»). Данные устройства изготавливаются в настольном, реже напольном исполнении, а также для монтажа в стойку и выпускаются в диапазоне мощностей от 250 до 3000 ВА.

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

ИБП большой мощности подключаются к питающей сети с помощью кабеля от распределительного щита через защитно-коммутационный аппарат, а к защищаемому оборудованию — через выделенную групповую розеточную сеть. Они имеют напольное исполнение для размещения в специально приспособленных электромашинных помещениях. Типичный диапазон мощностей охватывает значения от 10 кВА до нескольких сотен (на рынке имеются модели мощностью до 800 кВА). Параллельные системы ИБП и энергетические массивы, о которых будет сказано ниже, могут иметь мощности до нескольких тысяч киловольт-ампер, но это уже характеристики системы, а не единичного ИБП или силового модуля энергетического массива.

По принципу устройства ИБП можно отнести к двум основным типам:

источники бесперебойного питания пассивного типа с режимом работы «вне линии» (off-line). Принцип действия заключается в питании нагрузки от энергосети и быстром переключении на внутреннюю резервную схему при отключении питания или выходе напряжения за пределы допустимого диапазона. Время переключения обычно составляет около 4—12 мс, что вполне достаточно для большинства технических средств инфокоммуникаций с импульсными блоками питания;
источники бесперебойного питания активного типа с режимом работы «на линии» (on-line). Питание нагрузки осуществляется источником, поэтому время переключения равно нулю. Наряду с резервированием электроснабжения, устройства способны обеспечить необходимое качество электроэнергии при его нарушениях в питающей сети и фильтрацию привносимых помех.

В отдельную группу выделяют источники бесперебойного питания с линейно-интерактивным режимом работы (line-interactive). Особенности их функционирования в значительной степени схожи с принципом работы резервных источников, за исключением наличия устройства ступенчатой стабилизации напряжения (так называемого «бустера») и меньшего времени переключения на работу от батарей (2—4 мс). Различие между резервными и линейно-интерактивными источниками фактически стерлось, поскольку появились модели резервных ИБП с возможностью регулирования напряжения в нормальном режиме при помощи введенного в схему бустера. Эти типы ИБП различаются пока лишь формой выходного напряжения в автономном режиме. У резервных источников оно имеет прямоугольную форму, или же синусоида апроксимируется ступеньками и трапецией. Линейно-интерактивные источники имеют синусоидальное выходное напряжение. Для питания технических средств с импульсными блоками питания форма выходного напряжения ИБП значения не имеет.

В зависимости от типа ИБП в автономном режиме (при работе от батарей) на выходе формируется напряжение различной формы. Упрощенные схемы формируют напряжение прямоугольной формы с паузами без тока (см. Рисунок 1а), более совершенные — близкое к синусоидальной, путем ступенчатой апроксимации (см. Рисунок 1б). Оба типа таких схем характерны для ИБП малой мощности и вполне пригодны для работы с импульсными блоками питания. Линейно-интерактивные, а тем более активные ИБП формируют напряжение синусоидальной формы (см. Рисунок 1в) с низким содержанием гармоник (чаще всего коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения KU менее 3%). Такие инверторы пригодны для питания всех типов нагрузок — от импульсных блоков питания до двигателей. Как правило, форма напряжения инвертора и KU указывается в каталожных данных ИБП.

Рисунок 1. Форма выходного напряжения ИБП при работе от аккумуляторов: а) ступенчатая; б) апроксимированная синусоида; в) синусоидальная.

Следует иметь в виду, что, несмотря на ступенчатое регулирование напряжения, линейно-интерактивные ИБП, как и резервные, при нормальной работе фактически питают нагрузку непосредственно от сети, дополнительно осуществляя фильтрацию высокочастотных помех.

Типичный диапазон мощностей резервных и линейно-интерактивных ИБП составляет от 250 ВА до 3—5 кВА.

ИБП АКТИВНОГО ТИПА

Источники бесперебойного питания активного типа с режимом работы «на линии» выпускаются нескольких видов (по принципам преобразования энергии):

одиночное преобразование;
феррорезонансные ИБП;
дельта-преобразование;
двойное преобразование.

ИБП с принципом одиночного преобразования и феррорезонансные ИБП практически не выпускаются, поэтому остановимся на двух последних типах. Не вдаваясь в подробности их схемотехники отметим только, что схема ИБП с дельта-преобразованием (delta conversion) основана на применении так называемого дельта-трансформатора. Она постоянно отслеживает изменения нагрузки и искажения, а также изменения входного напряжения. ИБП формирует выходную синусоиду, корректируя отклонения формы входного напряжения, и питает нагрузку от батарей при работе ИБП в автономном режиме. Благодаря этому возврат от автономного режима работы от батарей к работе от сети (режим «на линии») осуществляется при плавном увеличении загрузки входной сети, а источник может выдерживать перегрузку до 100% в течение 1 мин.

При загрузке ИБП данного типа на 100% номинальной мощности коэффициент полезного действия составляет 96,5%. Однако столь высокие показатели обеспечиваются при отсутствии отклонений и искажений напряжения в питающей сети, а также если нагрузка ИБП близка к номинальной и является линейной. На практике показатели такого ИБП (КПД = 0,8—93,5%) приближаются к показателям ИБП с двойным преобразованием, рассматриваемого ниже. Реальное достижение высоких заявленных значений КПД устройства с дельта-преобразованием возможно при широком внедрении импульсных блоков питания с коррекцией коэффициента мощности. Это будет означать, что нагрузка приобретает преимущественно активный характер, и тем самым создаются условия для проявления высоких энергетических характеристик. 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, что облегчает совместную работу ИБП и ДГУ.

На основе ИБП с дельта-преобразованием строятся мощные централизованные СБЭ с избыточным резервированием. (Естественно, это не исключает возможности использования единичного ИБП.) Диапазон мощностей подобных устройств составляет от 10 до 480 кВА. До восьми устройств могут работать параллельно на общую нагрузку в одной СБЭ. Данный тип ИБП является главной альтернативой ИБП с двойным преобразованием.

Наибольшее распространение получили ИБП с двойным преобразованием (double conversion). Зачастую термин «двойное преобразование» употребляют в качестве синонима on-line. Это не вполне верно, поскольку, как было показано выше, к группе ИБП данного типа относятся и другие схемы ИБП.

Рисунок 2. Схема ИБП с двойным преобразованием.

В ИБП с двойным преобразованием вся потребляемая энергия поступает на выпрямитель, преобразуется в энергию постоянного тока, а затем (с помощью инвертора) — в энергию переменного тока. Одновременно осуществляется подзарядка батарей. При переходе в автономный режим энергия поступает от батарей, они все время «дежурят» на входе инвертора (см. Рисунок 2).

Обязательным элементом схемы ИБП средней и большой мощности, независимо от типа, является устройство обходного пути — байпас (bypass) (см. Рисунок 2). Оно представляет собой комбинированную электронно-механическую схему, состоящую из статического (электронного) байпаса и ручного (механического) байпаса, что позволяет произвести перевод нагрузки с инвертора на байпас и обратно «без разрыва синусоиды». Устройство предназначено для непосредственной связи входа и выхода ИБП, минуя схему резервирования питания. Байпас позволяет реализовать следующие функции:

включение/отключение ИБП при проведении ремонтов и регулировок без прерывания снабжения питанием 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 качестве электроэнергии в питающей сети с целью снижения потерь электроэнергии в ИБП (экономичный режим работы, см. далее).

Технология двойного преобразования отработана и успешно применяется свыше 20 лет, однако ей присущи принципиальные недостатки:

ИБП вызывают гармонические искажения тока в электрической сети;
ИБП имеют значительные потери вследствие двойного преобразования (обычно до 10% энергии).

Если первый недостаток можно устранить за счет применения дополнительных устройств (входных фильтров, 12 импульсных выпрямителей, оптимизаторов-бустеров), то второй принципиально неустраним (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.

В настоящее время для повышения эффективности (КПД) применяется комбинированная схема, суть которой заключается в следующем. Если входное напряжение находится в заданном диапазоне, обычно ?6ё10%, то ИБП работает в экономичном режиме (переходит на статический байпас), а когда входное напряжение превышает установленные рамки, ИБП в течение 2—4 мс переключаются «на линию». Аналогично известному рекламному слогану эту технологию можно назвать как «два в одном». При использовании ИБП в электросетях, показатели качества электроэнергии в которых не хуже, чем заданные в ГОСТ 13109-97, она дает существенное снижение потерь электроэнергии благодаря высокому коэффициенту полезного действия в экономичном режиме. Все потери сводятся к потерям в проводниках и тиристорах статического байпаса, а КПД приближается к 98%.

Однако и у описанной схемы имеются некоторые недочеты:

случае применения таких ИБП в качестве централизованных при двухуровневой схеме СБЭ (см. далее) диапазон напряжения экономичного режима должен быть меньше диапазона напряжения ИБП второго уровня до перехода на питание от батарей, чтобы не спровоцировать ИБП второго уровня на переключение в автономный режим;
при работе в экономичном режиме ИБП не защищает входную сеть от гармонических искажений тока со стороны нагрузок с импульсными блоками питания. Как следствие, необходимо увеличение сечения нейтрального проводника на входе ИБП и значительное увеличение мощности ДГУ. Поэтому при работе ИБП с ДГУ соизмеримой мощности экономичный режим работы следует отключать средствами конфигурирования ИБП.

КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ

Рисунок 3а). Внешний вид ИБП: системный блок ИБП и АБ;

Конструктивное исполнение ИБП определяется их назначением, номинальной мощностью и временем автономной работы. Устройства средней и большой мощности любых типов состоят из системного блока и аккумуляторной батареи (см. Рисунок 3а). Системный блок ИБП представляет собой шкаф (cabinet), в который устанавливаются выпрямитель, инвертор и система управления, в том числе пульт.

Рисунок 3б). Внешний вид ИБП: шкаф для батарей (аккумуляторы не установлены).

Аккумуляторная батарея имеет немалый вес (до нескольких тонн) и часто поставляется в разобранном виде: аккумуляторы и шкаф для аккумуляторных батарей (см. Рисунок 3б).Шкафы бывают нескольких типоразмеров, в зависимости от емкости применяемых аккумуляторов и требуемого времени автономной работы. В них устанавливаются аккумуляторы и защитно-коммутационный аппарат звена постоянного тока — блок рубильник-предохранитель или автоматический выключатель. Монтаж аккумуляторных батарей на объекте заключается в сборке аккумуляторов в батарею и подключении кабелем к системному блоку.

Рисунок 4. ИБП средней мощности с совмещенной аккумуляторной батареей.

ИБП средней мощности могут размещаться в одном шкафу вместе с батареями (см. Рисунок 4). Такая компоновка применяется как базовая комплектация. При необходимости увеличения емкости батарей устанавливается дополнительный шкаф.

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


Рисунок 4. ИБП средней мощности с совмещенной аккумуляторной батареей.

ИБП малой мощности выполняются в едином конструктиве. Внешний вид ИБП данного типа представлен на Рисунке 5. Если нужны дополнительные аккумуляторные батареи, они помещаются в аналогичный корпус. Конструкция ряда моделей ИБП малой мощности позволяет производить замену аккумуляторной батареи без отключения нагрузки («горячая» замена — hot swap). Кроме того, ИБП малой мощности выпускаются также в специальных корпусах для установки в стандартные шкафы шириной 19? для активного сетевого оборудования и серверов (см. Рисунок 6).

Рисунок 6. Встраиваемый ИБП для монтажа в стойку 19?.

ИБП классифицируются также по количеству поддерживаемых фаз:

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

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

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МАССИВЫ

Среди рассмотренных типов ИБП следует выделить так называемые энергетические массивы (power array). Эти сравнительно новые устройства появились на рынке начиная с середины 90-х гг. Выполненные по методу двойного преобразования и принципу N+1 (принцип избыточности, «горячий» резерв), они представляют собой параллельную систему ИБП (модулей) в одном корпусе (см. Рисунок 7) и способны продолжать работу при выходе из строя силового модуля (модуля преобразователей), модуля батарей или модуля управления.

Рисунок 7а). Энергетический массив: внешний вид

Блок силового модуля содержит выпрямитель и инвертор, устанавливаемый в корпус энергетического массива для параллельной работы с другими силовыми модулями. Энергетические массивы реализуются в соответствии с различными концепциями — с распределенной логикой управления, с централизованной избыточной логикой, с отдельными батарейными модулями и совмещенными силовыми и батарейными модулями. Отказ любого модуля не вызывает остановки ИБП в целом. Процедура ремонта состоит в замене отказавшего блока без отключения ИБП («горячая» замена), как это показано на Рисунке 7.

Рисунок 7б). Энергетический массив: состав.

Индикация о неисправности выводится на пульт управления и на коммуникационный порт для передачи в систему мониторинга ИБП. Слоты дополнительных устройств предназначены для расширения коммуникационных и функциональных возможностей ИБП.

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

избыточного резервирования по принципу N+2 и более для электроприемников с особенно высокими требованиями к надежности электроснабжения (системы безопасности, технические средства органов государственного управления, транспорта и опасного производства, крупные платежные системы и т. д.);
достижения необходимой установленной мощности;
обеспечения большего времени автономной работы от батарей.

Масштабируемость может осуществляться в пределах одного устройства, причем количество силовых и батарейных модулей определяется с учетом дальнейшего доукомплектования при расширении состава или числа защищаемых электроприемников. Ряд моделей энергетических массивов позволяет объединять значительное — теоретически неограниченное — количество устройств для параллельной работы. При этом сохраняются все функции, характерные для энергетического массива (в первую очередь «горячая» замена).

Для масштабирования следует выбрать мощность модуля или единичного устройства. Суммарную мощность установки можно подобрать с точностью до одного модуля, обеспечив резервирование N+1 с минимально необходимой избыточностью. Экономия средств, затрачиваемых на резерв, достигается за счет оптимизации выбора мощности (и соответственно стоимости) единичного модуля и составляет несколько процентов по сравнению с суммарной мощностью всей установки.

Энергетические массивы способны обеспечить высшую степень защиты нагрузки и наиболее подходят для построения отказоустойчивых систем электроснабжения. В последние годы номенклатура энергетических массивов пополнилась моделями разных производителей, и эта тенденция — расширение производства энергетических массивов — явно набирает силу. Диапазон мощностей энергетических массивов покрывает потребности в создании отказоустойчивой системы бесперебойного электроснабжения практически любого здания. Технические возможности современных технологий и ассортимент выпускаемой продукции ИБП класса «энергетический массив» открывают широкие возможности выбора оборудования по заданным технико-экономическим показателям.

Производители ИБП предоставляют достаточно большой объем технических характеристик выпускаемой продукции. В Таблице 2 приводятся наименования и необходимые комментарии.

АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

Все 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 оснащены батареями из нескольких аккумуляторов в зависимости от модели. Собранные в последовательные цепочки, они, в свою очередь, могут включаться параллельно для увеличения емкости батареи.

Подавляющее большинство батарей комплектуется герметичными необслуживаемыми свинцово-кислотными аккумуляторами, где используется принцип рекомбинации газов (Valve Regulated Lead Acid, VRLA — свинцово-кислотные необслуживаемые герметичные аккумуляторы с регуляцией посредством клапана). Батареи VRLA при нормальных циклах заряда/разряда не выделяют водород.

Производители предлагают несколько стандартных конфигураций комплектования своих аппаратов на основе одного-двух типов герметичных необслуживаемых батарей. Производитель батареи определяется (рекомендуется) поставщиком ИБП и системы постоянного тока.

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

свыше 10 лет — высокой целостности (High Integrity) — для применения в оборудовании, где требуется высочайшая степень безопасности, — телекоммуникационные центры, атомные электростанции, нефтеперекачивающие комплексы и т. д.;
10 лет — высокой производительности (High Performance) — исполнение практически повторяет предыдущую категорию, однако требования к характеристикам и надежности несколько снижены;
от пяти до восьми лет — общего назначения (General Purpose) — исполнение также практически повторяет предыдущую категорию, но требования менее строгие;
от трех до пяти лет — стандартные коммерческие (Standart Commercial) — эта категория батарей применяется в стационарных установках и особенно популярна в небольших ИБП.

Следует отметить, что реальный срок службы аккумуляторных батарей во многом зависит от условий их эксплуатации и может существенно отличаться от паспортных данных. К числу наиболее важных факторов, влияющих на продолжительность эксплуатации батарей, относятся:

температура окружающей среды;
количество прошедших циклов заряда/разряда;
степень заряженности батареи.

Параметры в спецификации указываются для температуры +250C. Если температура среды снижена до +200C, то емкость батареи нужно увеличить на 4%; если же температура увеличивается на 100C, то срок службы аккумуляторов сокращается вдвое, невзирая на категорию. Отсюда следует, что наиболее критичные требования к параметрам окружающей среды предъявляет аккумуляторная батарея. Со временем ее емкость падает. При снижении емкости до 80% от начальной, она подлежит замене. Эти 20% не учитываются производителем при указании параметров батареи, т. е. аккумуляторы одного типа могут обладать емкостью на уровне 80% относительно каталожных данных и при этом считаются кондиционными.

Из вышеизложенного следует: во всем многообразии моделей и производителей следует учитывать принадлежность ИБП к различным типам и правильно проектировать свою систему бесперебойного электроснабжения, добиваясь заданной надежности и качества за счет применения необходимого типа, конструкции и мощности ИБП, формируя таким образом схему СБЭ.

Александр Воробьев — сотрудник Управления информационных систем «ОАО Внешторгбанк». С ним можно связаться по адресу: vorobyov@vtb.ru или electric@veernet. iol.ru .