Электропитание инфокоммуникационного оборудования. Учебное пособие

прежнем уровне переключатель S1 необходимо перевести в положение 1 или положение 2, что позволит увеличить число витков обмотки, подключенной к сети переменного тока и тем самым поддержать выходное напряжение ИБП на прежнем уровне.

Рис. 8. Структурная схема линейноинтерактивного ИБП.

И наоборот, при понижении напряжения сети переключатель необходимо перевести в положение 3 или 4. Переключение числа витков обмотки автотрансформатора осуществляется обычно с помощью симисторов, которые управляются контроллером. Применение автотрансформатора при дискретном изменении его числа витков позволяет сохранить синусоидальность формы кривой выходного напряжения при нормальном режиме работы ИБП, а следовательно нет необходимости в введении дополнительных сглаживающих фильтров на входе и выходе ИБП. Кроме того КПД такого ИБП остается достаточно высоким, за счет высокого КПД автотрансформатора. Основным достоинством линейно-интерактивного ИБП, по сравнению с ИБП резервного типа является больший срок службы встроенных аккумуляторов, так как этот ИБП реже переходит на работу от встроенных аккумуляторов. Например ИБП серии Smart-Vision производства фирмы N-Power допускает изменение

12

напряжения питающей сети в пределах –27%…+22% без перехода в режим работы от аккумуляторов. Все остальные недостатки, ранее рассмотренного ИБП, присущи и этому типу ИБП. Как правило, линейноинтерактивные ИБП применяют для обеспечения электропитания персональных компьютеров, файловых серверов, узлов локальных вычислительных сетей и офисного оборудования.

Действительно бесперебойную, а не гарантированную, подачу электрической энергии высокого качества к нагрузке обеспечивают ИБП с двойным преобразованием энергии (в литературе подобные ИБП достаточно часто называют On-Line). Структурная схема ИБП этого типа показана на рис.9.

Рис. 9. Структурная схема ИБП с двойным преобразованием энергии.

В режиме работы ИБП On-line питание аппаратуры осуществляется от инвертора (И), в свою очередь получающего электрическую энергию от стабилизирующего выпрямителя (В). Кроме того, этот выпрямитель обеспечивает содержание (непрерывный подзаряд) аккумуляторной батареи АБ. В отличие от выпрямителей рассмотренных ранее ИБП - это, как правило, мощное устройство. Ведь выпрямитель этого ИБП должен не только подзаряжать АБ, но, прежде всего, обеспечивать через инвертор питание нагрузки, т.е. он должен быть рассчитан на выходной ток, равный сумме максимального зарядного тока АБ и тока, потребляемого инвертором при минимальном входном напряжении, т.е. в начале заряда батареи. Требуемая стабильность выходного напряжения выпрямителя определяется АБ при ее эксплуатации в режиме непрерывного подзаряда. Фильтры нижних частот,

13

представляющие собой фильтры радиопомех, препятствуют прохождению высокочастотных помех из сети в аппаратуру и наоборот.

В случае отключения сети переменного тока питание аппаратуры по прежнему осуществляется через инвертор, получающий электрическую энергию от разряжающейся АБ. Работа УБП от батареи продолжается некоторое время, определяемое емкостью аккумуляторной батареи и нагрузкой. После того, как батарея разрядится до напряжения примерно 1.7 В на элемент, инвертор будет отключен автоматикой, защищающей батарею от недопустимо глубокого разряда. После восстановления напряжения сети выпрямитель заряжает аккумуляторную батарею и обеспечивает работу инвертора.

Для питания нагрузки в случае отключения инвертора из-за его длительной перегрузки или его повреждения в ИБП предусмотрено автоматическое бесперебойное переключение нагрузки на питание по обходной цепи (байпас) непосредственно от сети переменного тока. Байпас - это специальная линия, которая позволяет в случае необходимости питать нагрузку непосредственно от той же сети, к которой подключено выпрямительное устройство ИБП (рис.8) или от любого другого источника электрической энергии переменного тока. Для переключения на работу через байпас служит статический (т.е. не имеющий движущихся элементов) электронный переключатель, силовая часть которого обычно выполняется на тиристорах, как показано на рис. 9. Режим работы ИБП, при котором аппаратура получает питание непосредственно от сети переменного тока называется режимом Off-line. Для того, чтобы обеспечить бесперебойное переключение нагрузки с инвертора на резервное питание или обратно без недопустимых переходных процессов в инверторе или нагрузки, способных вывести их из строя, инвертор ИБП должен быть синхронизирован по фазе и частоте с напряжением питания статического байпаса. Только в этом случае можно обеспечить “безобрывное” переключение нагрузки на статический байпас при выходе из строя инвертора или его перегрузке. Естественно, что выходное напряжение инвертора данного ИБП должно иметь синусоидальную форму в отличие от ранее рассмотренных типов ИБП.

Современные однофазные ИБП (подключаемые к однофазной сети переменного тока) данного типа комплектуются, как правило, выпрямительными устройствами с бестрансформаторным входом, имеющими корректор коэффици-

14

ента мощности, а потому диапазон допустимых изменений напряжения сети (без перехода на работу от встроенных аккумуляторов) обычно составляет 160…276 В. ИБП данного типа позволяют обеспечить практически идеальное питание нагрузки даже при плохом качестве сети переменного тока. Наличие гальванической развязки между сетью и выходом ИБП, а также АБ с малым внутренним сопротивлением на входе инвертора позволяет исключить проникновение высокочастотных импульсных помех из сети в аппаратуру. В современных ИБП в основном применяются инверторы с широтно-импульсной модуляцией, обеспечивающие практически синусоидальную форму кривой его выходного напряжения. Кроме того, применение ШИМ позволяет автоматически корректировать форму выходного напряжения при работе с нелинейной нагрузкой, что позволяет работать ИБП при значении коэффициента амплитуды нагрузки до 3…5,0 без существенного ухудшения формы кривой выходного напряжения инвертора. Под коэффициентом амплитуды нагрузки понимается отношение амплитудного (пикового) значения тока в случае нелинейной нагрузки к действующему значению этого тока (в технической литературе для этого параметра также часто встречаются термины крест-фактор). Нелинейной нагрузкой для ИБП является например блок питания персонального компьютера, не имеющего в своем составе корректора коэффициента мощности. К недостаткам ИБП с двойным преобразованием энергии следует отнести более низкий КПД (на уровне 0,85…0,87) и большую стоимость по сравнению с ИБП типа Off-Line и Line-Interactive.

Помимо рассмотренных выше типов ИБП находят применение также 3-х фазные ИБП с “дельта-преобразованием”. Серия APC Silcon содержит линейку ИБП на выходные мощности от 10 до 480 кВА при действующем значении линейного напряжения, равном 400 В. Структурные схемы этого типа ИБП для нормального и аварийного режимов работы показаны на рис.10.

Рис.10. ИБП с дельта преобразованием.

15

В нормальном режиме работы ИБП (при наличии сети переменного тока) основной инвертор И2 (рис.9а) работает в режиме выпрямителя, обеспечивая содержание аккумуляторов и питание дополнительного инвертора И1 (дельтаинвертор). Этот инвертор И1 совместно с трансформатором TV осуществляет стабилизацию выходного напряжения ИБП, используя принцип вольтодобавки и вольтвычета, так что напряжение на вторичной обмотке (включенной между сетью и нагрузкой) трансформатора TV равно отклонению сетевого напряжения от номинального значения, но противоположно по знаку. Процесс стабилизации выходного напряжения в ИБП с дельта-преобразованием носит плавный характер, а не дискретный как в линейно-интерактивных ИБП, что обеспечивает более высокую стабильность выходного напряжения. Так как двойному преобразованию энергии в ИБП с дельта-преобразованием подвергается только часть мощности, потребляемой нагрузкой, а не вся мощность, как это имеет место в ИБП типа OnLine, то КПД этих ИБП оказывается существенно выше по сравнению с ИБП типа On-Line и тем выше, чем меньше пределы изменения напряжения питающей сети. В аварийном режиме работы питание нагрузки осуществляется от встроенных аккумуляторов через основной инвертор И2 (рис.9б). Переход из нормального режима работы в аварийный и обратно происходит практически без перерыва в питании нагрузки. К недостаткам ИБП с дельта-преобразованием по сравнению с ИБП с двойным преобразованием следует отнести:

-отсутствие гальванической развязки между сетью и нагрузкой;

-повышенная сложность схемы основного инвертора, представляющего собой обратимое устройство (выпрямитель-инвертор-выпрямитель) и соответственно меньшую его надежность;

-меньшую защищенность нагрузки в нормальном режиме работы ИБП от резких изменений напряжения сети, вследствие определенной инерционности цепи обратной связи устройства.

Внастоящее время все более широкое применение в практике электропитания аппаратуры инфокоммуникационных систем находят децентрализованные модульные системы бесперебойного электропитания постоянного и переменного тока с горячим резервированием по формуле (n+1). Применение децентрализованных систем позволяет размещать ИБП в непосредственной близости к питаемой аппаратуре, что значительно сокращает длину токораспределительной сети постоянного и переменного тока, и тем самым снижает потери в них, позволяет на 3-5% повысить КПД СЭП в целом, а также

16

уменьшает помехи и динамические изменения напряжения на зажимах аппаратуры. С другой стороны децентрализация ограничивает зону влияния повреждений в оборудовании самого УБП на функционирование аппаратуры связи, что приводит к увеличению живучести сетей передачи и обработки данных.

Важным экономическим фактором, отличающим децентрализованную систему, является возможность снижения первоначальных капитальных затрат при ее применении и ускорения отдачи вложенных средств.

Таким образом, упрощается и становится более гибкой схема наращивания мощности оборудования электропитания и проведения реконструкции, повышается ремонтопригодность, снижаются доля избыточности в установленной мощности и первоначальные капитальные затраты. Все это приводит к тому, что при более высокой надежности децентрализованных систем их суммарная стоимость становится ниже по отношению к централизованным, при повышении качества выходных характеристик.

Следует отметить еще одну важную особенность децентрализованной системы, которая заключается в возможности создания универсальных ИБП. В этих ИБП конструктивно могут быть объединены устройства постоянного и переменного тока, а также устройства с различными уровнями выходных напряжений.

По такому пути идут в настоящее время разработчики ведущих фирм изготовителей ИБП переменного тока. Так корпорация АРС приступила к выпуску ИБП Symmetra LX, представляющую собой модульную систему с горячим резервированием по формуле (n+1) на выходную мощность от 4 до 16 кВА. Выходная мощность каждого силового модуля системы, представляющего собой ИБП типа On-Line – 4 кВА (максимальное количество модулей в стойке - 4). Все модули синхронизируются между собой и с напряжением статического байпаса при изменении частоты напряжения на входе байпаса в диапазоне 47-63 Гц.

Общим недостатком всех типов, рассмотренных ИБП, является ограниченная емкость встроенных аккумуляторов, а, следовательно, малая допустимая длительность работы в аварийном режиме и, кроме того, относительно малый срок службы этих аккумуляторов, стоимость которых составляет до 40…50% стоимости всего ИБП. Для увеличения допустимой длительности работы ИБП в аварийном режиме некоторые фирмы предлагают использовать

17

дополнительные аккумуляторные батареи со своими выпрямительными устройствами, т.е. по существу создавать электропитающие установки, обеспечивающие бесперебойную подачу электрической энергии переменного тока к аппаратуре. Подобные электропитающие установки широко применяются в настоящее время на узлах связи для питания компьютерных сетей. В качестве примера на рис.11 показана структурная схема ЭПУ компьютерной сети узла связи. На узле связи организуется ЭПУ, выполненная по так называемой буферной модульной системе электропитания (СЭП),

Рис. 11 . Структурная схема ЭПУ компьютерной сети узла связи.

в состав которой входит выпрямительно-аккумуляторная установка, содержащая двухгруппную аккумуляторную батарею (АБ №1 и АБ №2) и инверторная система. Количество элементов в каждой группе АБ зависит от требуемого номинального напряжения постоянного тока и конкретного типа выбранных аккумуляторов (на рис. 10 каждая группа содержит по 29 элементов). Причем каждая группа АБ должна обеспечивать при отсутствии сети переменного тока электропитание всего технологического оборудования, а также аварийное и эвакуационное освещение в течение по крайней мере 1 часа. Для защиты АБ от недопустимо глубоких разрядов, способных вывести еѐ из строя, в цепь АБ введен контактор глу-

18

бокого разряда КГР, обеспечивающий отключение АБ от нагрузки при снижении напряжения на еѐ зажимах по мере разряда до минимально допустимого значения. Выпрямительные устройства получают электрическую энергию однофазного, как показано на рис.11, или трехфазного переменного тока с шин вводнораспределительного щита ЩВРА. Число выпрямительных устройств, входящих в состав ЭПУ должно выбираться с избыточностью по формуле (n+1). Минимально возможное число рабочих выпрямителей (n) должно обеспечивать электропитание всего технологического оборудования и заряд обеих групп аккумуляторной батареи.

Внормальном режиме функционирования ЭПУ все выпрямительные устройства должны быть включенными, т.е. в системе должно обеспечиваться горячее резервирование выпрямителей. Отключение групп АБ от нагрузки и защита от возможных коротких замыканий осуществляется с помощью автоматических выключателей А1 и А2. Для возможности определения тока АБ и тока нагрузки введены токовые шунты Ш1 и Ш2.

Внастоящее время большое число производителей предлагает широкий ассортимент так называемых цифровых систем бесперебойного электропитания (СБП) постоянного тока, в которых контроллер позволяет осуществлять как местный, так и удаленный мониторинг состояния всех элементов СБП и управление выпрямительными устройствами. Сами выпрямительные устройства также являются цифровыми, что позволяет организовать цифровой обмен информацией между ними и контроллером. Функции, выполняемые контроллерами, могут несколько отличаться в зависимости от выходной мощности СБП и конкретного производителя. Однако практически в любой СБП контроллер выполняет следующие основные функции:

-контроль напряжения сети;

-контроль напряжения и тока нагрузки и аккумуляторных батарей;

-контроль состояния автоматических выключателей (предохранителей) защиты;

-коррекцию выходного напряжения выпрямителей с целью температурной компенсации напряжения содержания АБ;

-проведение батарейного теста для определения действительной емкости АБ;

-отключение АБ от нагрузки при их разряде до заданного оператором (сетевым администратором) значения напряжения;

19

-ограничение значение тока заряда АБ на уровне, заданном оператором при любом значении тока нагрузки.

При выходной мощности СБП до 10 кВт СБП конструктивно представляет собой шкаф (стойку) в которой размещается все оборудование СБП, включая АБ. При большей мощности элементы СБП могут размещаться в нескольких шкафах, а АБ на стеллажах рядом или в отдельном помещении (в случае применения классических аккумуляторов). Более подробно с характеристиками СБП можно познакомиться на сайтах фирмпроизводителей или диллеров СБП

(например www.promsd.ru).

Электропитание компьютерных сетей и других нагрузок, требующих бесперебойной подачи электрической энергии переменного тока, осуществляется, как было сказано выше, от выпрямительно-аккумуляторной установки (СБП) через инверторную систему.

Всостав инверторной системы (ИС) входит комплект инверторов, включенных между собой параллельно по входу и выходу, так называемое электронное устройство переключения (статический байпас) и устройство ручной коммутации инверторной установки (байпас обслуживания). Число инверторов в инверторной установке также как в СБП выбирается с избыточностью по формуле (n+1), где n- необходимое число рабочих устройств), что позволяет получить высокую надежность бесперебойной подачи электрической энергии переменного тока высокого качества к аппаратуре компьютерной сети предприятия связи. Рабочие места компьютерной сети, включающие в себя: системный блок; монитор; принтер и другую перефирию, подключаются к выходу ИС через распределительное устройство

икомпьютерные щитки (ЩК). К ИС через ЩК и распределительное устройство также подключаются файловые и другие серверы и устройства, требующие бесперебойной подачи электрической энергии переменного тока.

Вцелом совокупность СБП и ИС представляет собой ИБП типа “On-Line”, в которой вместо встроенных аккумуляторов используются стационарные аккумуляторы СБП постоянного тока. При выходе из строя инверторов или при их недопустимой перегрузки статический байпас с помощью тиристоров VS2 переводит питание аппаратуры на сеть переменного тока. С целью уменьшения длительности перехода с инверторов на промышленную сеть, в нормальном режиме функционирования ИС инверторы синхронизируются с промышленной сетью. В случае необходимости ремонта или профилактического обслуживания статического байпаса питание аппаратуры переводится с помощью байпаса обслужива-

20