Как ибп преобразует постоянный ток в переменный

Обновлено: 01.07.2024

Неожиданная приостановка централизованного электроснабжения или резкие скачки напряжения в сети всегда приносят массу проблем как владельцам частных домов, так и администрации общественных учреждений и производственных комплексов. Речь не о тех неудобствах, когда нельзя посмотреть фильм по кабельному ТВ, погладить белье или пропылесосить ковер сию же секунду. Дело даже не в том, что мясо в холодильнике подтает. Хотя это все и неприятно, но оно не имеет серьезных последствий.

Почему так важно иметь инверторный ИБП?

Суть проблемы отключения электроэнергии в том, что большинство современных жилых и нежилых помещений очень сильно энергозависимы. Если напряжение в сети нестабильно - срок эксплуатации любых электроприборов снижается в разы. Если нет электричества:

насосы не качают по системе отопления теплоноситель;
не работает электронный блок управления отопительных приборов;
не греет кабельный или инфракрасный теплый пол;
не работает система антиобледенения, например, труб водоснабжения;
вода из крана тоже не течет, если туда она подается насосной станцией из скважины;
жизнь в любом офисе замирает;
производственные линии останавливаются.

Понятно, что и без отопления, и без подачи воды несколько часов можно обойтись, так что кратковременные аварийные или плановые отключения централизованного электроснабжения не катастрофичны, но что касается систем отопления,лучше все-таки, чтобы у вас был ИБП для котельной. А для компьютеров, особенно серверных, да и другого цифрового оборудования прекращение подачи питания даже на несколько минут или скачки напряжения могут означать сбой всех настроек системы, выход техники со строя и даже возникновение пожароопасных ситуаций.

Именно по этим причинам источники бесперебойного питания жизненно необходимы в любом современном доме, организации, на производстве. Даже если у вас есть генераторы питания, при неожиданном отключении электричества вам нужно некоторое время, чтобы их запустить. То есть, перебой в питании оборудования и блоков управления все равно неизбежен без качественного ИБП.

Как устроен инверторный источник бесперебойного питания?

Инверторный ИБП является самым надежным и качественным устройством, так как только этот тип бесперебойников обеспечивает непрерывную подачу гладкой синусоиды и стабильность напряжения в любой ситуации.

Конструктивно инверторный ИБП состоит из нескольких блоков:

стабилизатора напряжения, нивелирующего скачки в сети;
инвертора, преобразовывающего постоянный ток в переменный с гладкой синусоидой;
зарядного устройства, обеспечивающего восстановление заряда батареи после периода функционирования устройства в автономном режиме.

Батарея может поставляться вместе с ИБП или приобретаться отдельно. Более современные модели имеют встроенный дисплей, на котором отображается вся необходимая для пользователя информация.

Принцип работы инверторного ИБП

Существует два вида таких источников питания, отличающихся между собой режимами работы:

Принцип работы первого вида устройства предусматривает при наличии напряжения в сети его непосредственную стабилизацию. И только когда сеть не обеспечивает подачи питания в заданном диапазоне, бесперебойник переходит в режим работы от батареи, в котором он может находиться в среднем несколько часов (этот показатель зависит от емкости элементов питания). Переключение с одного источника питания на другой (сеть-аккумулятор) в разных моделях занимает разное количество секунд.

Источники питания, работающие в режиме двойного преобразования, всегда сначала преобразовывают переменный ток сети в постоянный и подают его на аккумулятор, который таким образом поддерживается в заряженном состоянии. Далее инвертор повышает напряжение с 12 или 24 Вольт до 220, преобразовывая его в переменный с формой синусоиды, как в обычной сети электроснабжения.

Встречаются модели ИБП, работающие в режиме двойного преобразования, но в которых возможно выключение аккумулятора из цепи, если в сети есть напряжение. Таким образом экономится ресурс аккумулятора для бесперебойника.

Преобразование одного вида тока в другой требуется довольно часто. Способ превращения переменного в постоянный прост: применяется диодный мост и сглаживающий конденсатор.

А вот как из постоянного тока сделать переменный, знают не все. Между тем, в сфере электротехники такое преобразование, как будет показано далее, также выполняется довольно часто.

Способы получения электричества

Электроток производят с помощью таких устройств:

Из всех перечисленных источников только механический генератор дает переменный ток. Если же ток поступает от аккумулятора, например, установленного в источнике бесперебойного питания (ИБП), его из постоянного превращают в переменный.

Как из постоянного сделать переменный?

Устройство, преобразующее постоянный ток в переменный, называют инвертором. Существует несколько видов этих аппаратов.

Инвертор с электродвигателем

Вал двигателя постоянного тока подсоединяется к скользящему контактному узлу, состоящему из двух частей:

вращающейся: состоит из нескольких кольцевых и сегментных пластин, упакованных в форме цилиндра;
неподвижной: графитовые щетки в щеткодержателях.

Одна пара щеток подключена к источнику постоянного тока, другая — к цепи переменного тока. Первая пара контактирует с кольцевыми пластинами, другая — с сегментными.

Часть последних электрически соединена с положительным кольцом, другая — с отрицательным. При вращении двигателя щетки цепи переменного тока по очереди контактируют с сегментными пластинами, в результате чего направление тока постоянно меняется. Более качественный переменный ток дает связка «двигатель постоянного тока – механический генератор», но у этого инвертора ниже КПД.

Релейный инвертор

Как и предыдущий вариант, является электромеханическим. Переключение контактов осуществляет подключенное параллельно с нагрузкой реле с пружиной: при протекании тока катушка соленоида втягивает сердечник, в результате чего к 1-му контакту цепи переменного тока подключается анодный контакт цепи постоянного тока.

Тут же пружина отбрасывает сердечник в исходное положение, так что к упомянутому контакту подключается катод. Такие колебания повторяются многократно, пока на катушку соленоида подается постоянный ток.

Электронный инвертор

С появлением и постепенным удешевлением полупроводников электромеханические инверторы перекочевали в разряд устаревших.

В их электронном аналоге ток перенаправляется ключевыми транзисторами, управляемыми микросхемой. Именно такие инверторы применяются в инверторных сварочных аппаратах, импульсных блоках питания, ИБП и др.

При использовании особых быстро переключающихся транзисторов такой инвертор способен создать из постоянного тока переменный с частотой в десятки кГц. Это позволяет уменьшить габариты трансформатора и потери в нем (сварочные аппараты, импульсные блоки питания). Существует несколько видов электронных инверторов. Они описываются в последнем разделе.

Переменный ток и его свойства

Переменный ток циклически меняет направление и силу, характеризуется следующими параметрами:

частота. Число циклов (периодов) в секунду. Например, частота тока в сети составляет 50 Гц;
амплитуда. Максимальное отклонение напряжения и силы тока от нуля. Так, сетевое напряжение 50 раз в секунду меняет значение от -311 В до 311 В;
действующее значение. Это напряжение или сила эквивалентного постоянного тока, то есть такого, который вызывает в проводнике такое же тепловыделение, как и данный переменный. К действующему значению прибегают с целью упрощения расчетов: работать с постоянно изменяющимися величинами крайне неудобно. Например, если в формуле записать действительное значение переменного сетевого напряжения, изменяющегося от -311 В до 311 В по синусоидальному закону, получится уравнение с тригонометрическими функциями либо комплексными числами. Гораздо проще оперировать постоянным действующим значением в 220 В;
форма. Сетевой ток, производимый механическими генераторами, имеет синусоидальную форму. На выходе инвертора она может быть остроугольной, ступенчатой и т. д.

Переменный ток уступает постоянному в следующем:

он менее качественный. Так, сварной шов получается более прочным и надежным, если сварка осуществлялась постоянным током. Качественнее работает и электроника;
при частоте в 50 Гц — более опасен. Нарушения в организме вызывает уже при силе в 50 мА, тогда как постоянный — при силе в 300 мА. Однако, с повышением частоты переменный ток становится уже не таким опасным. Так, выдающийся изобретатель Никола Тесла на публичных опытах пропускал через себя переменный ток большого напряжения (светилась зажатая в руке лампа), предварительно подняв его частоту до нескольких мегагерц; переменному току выше, чем постоянному. Разъяснение этому будет дано ниже.

Но есть у переменного тока и полезная особенность: создаваемое им магнитное поле также является переменным, а значит, оно способно наводить в проводниках ЭДС (закон электромагнитной индукции).

Переменный ток делает возможным работу таких устройств:

индукционные нагреватели;
дроссельные фильтры. Дроссель — катушка. Создаваемое ею переменное магнитное поле противодействует переменному току, то есть дроссель выступает в качестве сопротивления. От индуктивности катушки зависит частота тока, которому она сильнее всего противодействует. Эта особенность позволяет глушить дросселем высокочастотные помехи в сети.

Наличием переменного магнитного поля объясняется и упомянутое выше увеличение сопротивления проводника. В нем полем также наводится ЭДС, противодействующая данному переменному току. Эта ЭДС выше в центре проводника, где сконцентрированы силовые линии поля, соответственно, носители заряда вытесняются наружу (поверхностный или скин-эффект).

В итоге вместо всего сечения проводника ток пропускает только некоторая его часть, отчего и возрастает сопротивление. Еще отличие переменного тока от постоянного — способность протекать по цепи с последовательно включенным конденсатором. Для постоянного тока разрыв между обкладками непреодолим, тогда как переменный протекает почти свободно, заряжая обкладки то с одним, то с другим знаком.

Конденсатор, как и катушка, каждый раз накапливает энергию и затем возвращает ее в цепь, так что он тоже оказывает переменному току сопротивление, которое зависит от емкости конденсатора.

Схемы преобразователей

Инверторы классифицируются по принципу работы, форме и схеме.

Принцип действия

По данному признаку устройства делятся на два типа: автономные и инверторы, ведомые сетью.

Автономные делятся на несколько подгрупп, объединяющих инверторы:

напряжения (ИН): устанавливаются в большинстве ИБП;
тока;
резонансные.

Инверторы, ведомые сетью иначе называются зависимыми. Применяются, к примеру, в качестве силовых преобразователей на электровозах.

Схемы

Существует несколько основных схем инверторов:

мостовой ИН без трансформатора. Применяется в ИБП мощностью свыше 500 ВА и в различных устройствах, рассчитанных на 220 или 380 В;
ИН с нулевым выводом трансформатора. Применяется в ИБП мощностью 250-500 ВА, в установках напряжением 12 или 24 В и мобильных радиопередатчиках;
мостовой ИН с трансформатором. Используется в ИБП ответственных объектов с потребляемой мощностью от нескольких кВА до десятков.

Принципиальная схема преобразователя

Форма

По форме выходного напряжения инверторы делятся на:

Полученное постоянное напряжение преобразуется в близкое к синусоидальному переменное.

Видео по теме

О том, как из постоянного тока сделать переменный и наоборот, в видео:

У каждой разновидности тока есть и преимущества, и недостатки. Потому инверторы и выпрямители применяются достаточно часто. В статье приведены только основные схемы преобразователей, всего же их довольно много.

На рисунке 17 представлена блок-схема ИБП с двойным преобразованием энергии.

Рис. 17. ИБП с двойным преобразованием энергии

На входе ИБП с двойным преобразованием энергии находится выпрямитель. В отличие от выпрямителей рассмотренных нами ранее типов ИБП - это мощное устройство. Ведь выпрямитель должен не только подзаряжать батарею ИБП , но, прежде всего, снабжать инвертор ИБП постоянным напряжением.

Инвертор преобразует весь поток мощности из напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока.

Байпас - это специальная линия, которая позволяет в случае необходимости питать нагрузку напрямую от электрической сети. Для переключения на работу через байпас служит статический (т.е. не имеющий движущихся элементов) переключатель. Поэтому этот байпас часто называют статическим байпасом.

ИБП с двойным преобразованием энергии может работать в трех режимах.

Если в сети есть "нормальное" напряжение, то вся мощность, потребляемая нагрузкой, проходит через выпрямитель ИБП . Выпрямитель преобразует напряжение электрической сети в стабилизированное напряжение постоянного тока. Оно используется для заряда батареи и для питания инвертора.

Инвертор преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, которым и питается нагрузка.

Работа от батареи

Выпрямитель ИБП с двойным преобразованием выдает стабилизированное напряжение постоянного тока. Т.е. независимо от величины напряжения переменного тока на входе выпрямителя напряжение постоянного тока на его выходе сохраняется постоянным. Естественно, напряжение остается стабильным только если входное напряжение не выходит из некоторого диапазона допустимых напряжений. Этот диапазон называется диапазоном входных напряжений ИБП.

Диапазон входных напряжений ИБП с двойным преобразованием не остается постоянным. Его величина (или вернее его нижняя граница) зависит не только от конкретной модели ИБП , но и его нагрузки.

Если напряжение сети становится меньше нижней границы диапазона входных напряжений (т.е. выпрямитель уже не может стабилизировать напряжение), напряжение постоянного тока на выходе выпрямителя уменьшается и становится ниже напряжения заряженной батареи ИБП . Никакого переключения не происходит. Просто инвертор начинает частично питаться от батареи, а батарея начинает разряжаться. При дальнейшем уменьшении напряжения или если напряжение пропадает совсем, инвертор начинает полностью питаться от батареи. Говорят, что ИБП перешел на режим работы от батареи.

Работа ИБП от батареи продолжается некоторое время, определяемое зарядом батареи и нагрузкой. После того, как батарея разрядится до напряжения примерно 1.7 В на элемент, инвертор ИБП будет отключен автоматикой, защищающей батарею от необратимого переразряда.

Если напряжение на входе ИБП снова поднимется до нормального, выпрямитель опять начнет заряжать батарею и питать инвертор.

Режим работы через статический байпас

Основные элементы ИБП с двойным преобразованием при работе от сети постоянно находятся под нагрузкой. Если бы ИБП с двойным преобразованием был построен по схеме, придуманной нами во второй главе, то он имел бы низкую надежность. Ведь при выходе из строя инвертора, подача напряжения к нагрузке прервалась бы и ИБП не только не выполнил бы своего предназначения, но даже сам из-за своей поломки мог бы стать причиной потери данных в подключенных к нему компьютерах или отключения каких-либо подключенных к нему важных устровйств.

Для того, чтобы этого не происходило, в ИБП введена еще одна линия электроснабжения нагрузки - статический байпас.

При выходе из строя инвертора или его перегрузке, срабатывает переключатель (размыкается линия "инвертор-нагрузка" и замыкается линия "байпас-нагрузка") и нагрузка продолжает питаться от сети.

К сожалению не все ИБП с переключением имеют статический байпас. На мой взгляд такие ИБП вообще не следует использовать, поскольку они не надежны.

Рассмотрим теперь работу отдельных элементов ИБП .

Выпрямитель ИБП с двойным преобразованием должен иметь мощность, достаточную для двух его основных функций. Его максимальный выходной ток должен быть не меньше суммы максимального входного тока инвертора и максимального зарядного тока батареи.

Для правильного заряда батареи выпрямитель должен очень точно (с точностью не хуже 1 %) поддерживать напряжение плавающего заряда на батарее.

Иногда в ИБП с двойным преобразованием энергии применяют регулируемые тиристорные выпрямители.

В некоторых случаях в ИБП устанволены пассивные (диодные) выпрямители, а для точного регулирования напряжения на аккумуляторной батарее используется преобразователь напряжения постоянного тока. Иногда ИБП , построенные по такой схеме их производители называют ИБП с тройным преобразованием.

Инвертор, синхронизация с сетью и переключение на статический байпас

Инвертор ИБП с двойным преобразованием энергии имеет возможность изменения выходной частоты инвертора для синхронизации выходного напряжения инвертора с сетью.

Эта функция используется в ИБП с двойным преобразованием постоянно и просто необходима для переключения ИБП на статический байпас. Рассмотрим это переключение несколько подробнее.

Для того, чтобы ИБП с двойным преобразованием имел непрерывное выходное напряжение без скачков и разрывов на всех режимах работы, нужно обеспечить гладкое переключение на статический байпас при выходе из строя инвертора или его перегрузке.

Для этого необходимо, чтобы фаза и частота сетевого напряжения (т.е. напряжения в цепи байпаса) в момент переключения были такими же, как фаза и частота выходного напряжения инвертора.

Но мы не можем управлять фазой и частотой сети, следовательно мы должны добиться желаемой цели за счет настройки инвертора. Мы не можем, как в ИБП , взаимодействующим с сетью, подстроить фазу и частоту инвертора перед самым переключением. Ведь мы, к сожалению, не знаем, в какой момент инвертор выйдет из строя или испытает перегрузку.

Поэтому инвертор ИБП с двойным преобразованием должен всегда быть синхронизован с сетью. Точнее говоря, должна быть достигнута синхронизации инвертора с линией статического байпаса, которая в общем случае может быть подключена к другой линии электроснабжения, чем вход выпрямителя ИБП .

Посмотрим теперь, что произойдет с ИБП с двойным преобразованием энергии, если частота сети вдруг начнет отличаться от стандартной (50 Гц).

ИБП с двойным преобразованием имеет некоторые пределы допустимых изменений частоты сети (эта характеристика указана в паспорте или описании). Скажем минимальная допустимая частота равна 49 Гц, а максимальная допустимая частота - 51 Гц (т.е. пределы допустимых изменений частоты равны ± 2%)

Если частота в линии байпаса находится в пределах допустимого, то частота инвертора аккуратно следует за ней. Частота и фаза инвертора равны частоте и фазе в линии байпаса. Следовательно ИБП в любой момент (при выходе из строя инвертора или его перегрузке) может переключиться на статический байпас, не испытывая импульсных нагрузок.

Если же частота в линии байпаса станет равной 48 Гц, то частота инвертора не может следовать за ней, чтобы не питать нагрузку напряжением с частотой, сильно отличающейся от номинальной.

Как мы уже знаем, ИБП, взаимодействующие с сетью, в этом случае переходят на режим работы от батареи, а после исчерпания заряда батареи отключаются.

ИБП с двойным преобразованием энергии отрабатывают эту ситуацию гораздо лучше. Блок управления просто разрешает инвертору ИБП прекратить синхронизацию с линией байпаса и перейти на режим независимой работы. Частота инвертора становится равной ровно 50 Гц и остается такой до тех пор, пока частота линии байпаса не вернется в пределы допустимого.

Во время независимой работы инвертора, переключение ИБП на статический байпас блокируется, поскольку при таком переключении возможны сильные фазовые и амплитудные искажения, которые могут нанести ущерб чувствительной нагрузке. Более того, переключение в отсутствие синхронизации опасно для самого ИБП.

Некоторые ИБП имеют возможность настройки пределов допустимых изменений частоты. Например они могут быть настроены на допустимые колебания частоты 0.5, 1 или 2 Герца в каждую сторону.

Казалось бы, чем уже диапазон допустимых колебаний частоты, тем лучше для чувствительной нагрузки. На самом деле улучшение качества стабилизации частоты происходит за счет общей надежности системы. Ведь если диапазон допустимых изменений частоты установлен меньше реального диапазона изменения частоты сети в месте установки ИБП , то ИБП большую часть времени работает без синхронизации инвертора с линией байпаса. Это снижает общую надежность системы, защищаемой с помощью ИБП , поскольку во время независимой работы инвертора невозможно переключение на статический байпас.

В случае если ИБП имеет возможность настройки диапазона допустимых изменений частоты, пользователь имеет возможность выбирать выгодный для себя компромисс. Он может установить очень узкий диапазон частот для чувствительной нагрузки, сознательно пойдя на некоторое снижение надежности системы, или расширить этот диапазон для получения максимальной надежности, если нагрузка не слишком чувствительна к изменениям частоты.

Как мы выяснили, основное назначение статического байпаса - это увеличение надежности ИБП и компьютерной системы в целом за счет организации резервного источника электроснабжения, который вступает в действие при выходе из строя инвертора. В рассмотренном простейшем случае таким источником является та же электрическая сеть, которая питает выпрямитель ИБП . (Заметим в скобках, что это не единственный возможный источник).

Выход из строя какой-либо из систем ИБП вещь, в общем-то, довольно маловероятная. Хорошие ИБП с двойным преобразованием имеют среднее время наработки на отказ до 10 лет. Но статический байпас имеет еще одну функцию, которая используется буквально при каждом включении сильно нагруженного ИБП .

Инвертор естественно имеет ограничение по допустимой нагрузке. При постоянной нагрузке этой границей является номинальная мощность ИБП . Кратковременно инвертор способен выдерживать большие токи. Обычно допускается перегрузка около 50-150 % на несколько миллисекунд и около 10-50 % на несколько секунд или десятков секунд.

Практически любому потребителю электроэнергии известно такое явление, как стартовый ток. Под этим понимается ток, возникающий при включении потребителя электроэнергии в отличие от тока на установившемся режиме работы.

Для компьютеров и других часто питаемых от ИБП устройств характерен довольно большой стартовый ток. При каждом включении компьютер потребляет в несколько раз больший ток, чем после запуска (как мы увидим далее, стартовый ток легко может превысить номинальный ток в 10 раз).

Таким образом при запуске потребителей, мощность которых составляет хотя бы 10 % номинальной мощности ИБП , возможна перегрузка инвертора. Если перегрузка возникла, ИБП для предохранения своего инвертора от перегрузки переключается на работу через байпас. Через несколько секунд ИБП снова переключается на работу от инвертора. Этот режим работы предохраняет инвертор от выхода из строя и увеличивает общую надежность компьютерной системы, защищенной с помощью ИБП с двойным преобразованием энергии.

Другие элементы ИБП с двойным преобразованием

Сравним еще раз схемы ИБП с двойным преобразованием и взаимодействующего с сетью. У ИБП с двойным преобразованием отсуствуют (хотя и не у всех моделей) некоторые элементы: фильтры шумов и импульсов. В ИБП этого типа импульсы и шумы фильтруются в результате выпрямления напряжения переменного тока: на выходе выпрямителя имеются схемы подавления пульсаций напряжения, выполняющие роль фильтров.

В процессе второго преобразования энергии шумы и импульсы еще раз уменьшаются и нагрузка питается чистым синусоидальным напряжением.

Поэтому отсутствие в схеме фильтров можно считать своего рода фокусом: внутри ИБП есть элементы, выполняющие эти функции, но называющиеся по другому. Кроме того, в некоторых ИБП с двойным преобразованием энергии установлены варисторные шунты.

Блок управления ИБП с двойным преобразованием энергии не анализирует состояния электрической сети (вы видите, что на блок-схеме нет соответствующей стрелки). В этом нет необходимости, ведь нам не нужно управлять переключением (или, вернее, переходом) ИБП с двойным преобразованием на работу от батареи - этот переход производится или, вернее, происходит, без участия управляющей электроники.

Нет необходимости и производить анализ формы напряжения переменного тока на входе ИБП : выпрямитель ИБП с двойным преобразованием энергии может питаться напряжением переменного тока практически любой формы - все равно на выходе выпрямителя будет стабилизированное напряжение постоянного тока, а на выходе инвертора - чистая синусоида.

Задача блока управления - регулировать напряжение на выходе выпрямителя, напряжение на выходе инвертора (как и у других, рассмотренных ранее ИБП ) и не пропустить момент, когда понадобится произвести переключение на работу через статический байпас.

Батарея ИБП с двойным преобразованием не имеет никаких отличий от батарей ИБП других типов.

Все силовые элементы ИБП с двойным преобразованием энергии работают под нагрузкой все время, пока ИБП включен (в отличие, например, от инвертора и выпрямителя ИБП с переключением, которые простаивают, пока ИБП работает от сети). Поэтому все полупроводники и другие силовые элементы ИБП с двойным преобразованием рассчитаны на длительную работу по полной нагрузкой. Это позволяет, не внося значительных изменений в ИБП , подключать к нему дополнительные аккумуляторы для увеличения длительности работы от батареи.

Большинство ИБП с двойным преобразованием имеют такую возможность.

Индикация и управление

Органы индикации и управления ИБП с двойным преобразованием не имеют принципиальных отличий от панелей управления других ИБП .

Стандартный набор включает клавиши включения и выключения прибора, индикаторы сети, заряда батарей и нагрузки (для некоторых моделей).

Характеристики ИБП с двойным преобразованием энергии

ИБП с двойным преобразованием имеют наиболее широкий диапазон мощностей по сравнению с другими ИБП .

Минимальная мощность - 500-700 ВА для разных серий небольших ИБП .

Схема ИБП с двойным преобразованием позволяет создавать устройства очень большой мощности. Обычно максимальная мощность единичного ИБП ограничивается величиной около 300-500 кВА. Но возможно наращивание мощности ИБП за счет параллельной работы нескольких модулей на одну нагрузку.

Начиная с мощности около 10 кВА ИБП обычно предназначены для работы с трехфазным входным напряжением. Потому все, что связано с ИБП средней и большой мощности, рассматривается в главе "Трехфазные ИБП".

Коэффициент полезного действия

ИБП с двойным преобразованием энергии имеют не слишком высокий КПД, по сравнению с ИБП других типов. Тем не менее, их КПД довольно велик. Он составляет примерно 90% при полной или близкой к полной мощности. При уменьшении мощности КПД уменьшается.

На примерно 50 % мощности КПД может составлять около 70 %.

Исходя из КПД, можно оценить максимальное тепловыделение ИБП . Оно примерно равно 10 % от номинальной мощности ИБП . Тепловыделение ИБП должно учитываться при расчете теплового режима помещения, где установлены ИБП . Подробнее это рассмотрено в главе "Трехфазные ИБП ", поскольку тепловой режим критичен именно для больших ИБП .

Приведенная выше величина КПД не учитывает использования части входной мощности для заряда батареи. Потому для того, чтобы даже примерно определить максимальный входной ток ИБП , величины КПД не достаточно. Нужно смотреть более подробные технические характеристики ИБП, а для точного расчета максимального входного тока, нужно рассчитывать эту величину, исходя их емкости батареи, установленной в ИБП .

Время работы от батареи

ИБП небольшой мощности (до 1 кВА) имеют время работы от батареи при полной нагрузке примерно 5-15 минут. Но почти для всех ИБП большей мощности фирма производитель обычно предусматривает возможность наращивания емкости батареи по сравнению со стандартной.

ИБП средней и большой мощности (более 10-30 кВА) часто не имеют "стандартной" батареи. Батарея для них подбирается, исходя из требований заказчика. Наиболее распространенными вариантами являются батареи на 3-5 минут автономной работы - для сопряжения ИБП с дизельным генератором и батарея на 10-30 минут - для автономной работы ИБП .

Бесперебойная подача электропитания в серверные — одна из обязательств провайдера дата-центра перед клиентами. Но важна не только отказоустойчивость решения, но и его эффективность с точки потребления ресурсов. Мы в Selectel решили перейти с классических ИБП на динамический установки Piller CPM300. Рассказываем, как они вписались в ЦОД.

Достоинства и недостатки динамических ИБП

Систем резервирования питания много. Их основная задача — сделать так, чтобы при сбоях в подаче электроэнергии система могла поддерживать работу оборудования в течение времени, достаточного для решения приведших к сбою проблем.

Часто в центрах обработки данных, в том числе в существующих серверных Selectel, используются классические статические ИБП в связке с дизель-генераторными установками (ДГУ). Статическими такие ИБП называются потому, что в их конструкции нет движущихся элементов, кроме крутящихся вентиляторов. Традиционны для дата-центров ИБП с двойным преобразованием электроэнергии — в них есть выпрямитель и инвертор. Выпрямитель «причесывает» ток, преобразуя переменный в постоянный, а инвертор выполняет обратное действие так, чтобы из него вышел сигнал чистой синусоидальной формы.

Статические ИБП надежно резервируют питание критической нагрузки, но имеют ряд недостатков в сравнении с динамическими машинами. В последних запасание энергии и передача питания на нагрузку производится за счет использования вращающихся элементов (маховиков, мотор-генераторов и т.д.).

Аккумуляторные батареи

В случае статических ИБП при отключении электроэнергии или длительных сбоях оборудование питается от аккумуляторных батарей постоянного тока. Они способны поддерживать 5-30 минут работы — этого достаточно для переключения на ДГУ.

Динамическим источникам бесперебойного питания аккумуляторные батареи не нужны. Они сами выступают как временное хранилище энергии и включаются, когда в сети пропадает электропитание. В «спокойное» время динамический элемент ИБП накапливает в себе энергию, а в критических ситуациях берет на себя роль электрогенератора. Поддерживать работу оборудования он может всего лишь 30 секунд (зависит от нагрузки), но и этого времени хватает для подключения ДГУ.

В случае динамических ИБП аккумуляторные батареи исключены из системы, а значит, оператору ЦОД не нужно закладывать место для их размещения. Освободившиеся квадратные метры можно использовать для полезной IT-нагрузки — разместить там серверные стойки. Серверы приносят выгоду провайдеру, а вот обслуживание, закупка и замена аккумуляторов обременяют и стоят денег. Кроме того, аккумуляторы неэкологичны и сложны в утилизации.

Эксплуатация

Классические ИБП двойного преобразования требуют ежеквартального технического обслуживания с проверкой (и возможной регламентной заменой) аккумуляторных батарей, проведения тестов разрядки, постоянного тепловизионного контроля и контроля уровня водорода, который так или иначе выделяется при заряде.

Обслуживание динамических ИБП минимально. Так, производитель CPM (Critical Power Module), которые мы закупили для новых серверных в Москве и Санкт-Петербурге, пишет, что срок службы подшипников силового моста составляет 11 лет, а вакуумный насос обслуживается каждые 5 лет. Чаще всего нужно менять смазку — раз в 3 года. В результате при расчете капитальных затрат на продолжительный срок службы динамические ИБП сильно выигрывают.

Время резервирования

Чайную ложку дегтя все же добавлю. Время резервирования энергии динамических ИБП можно считать относительно небольшим — 20 секунд при максимальной нагрузке либо больше, все зависит от мощности, которую они должны резервировать. Аккумуляторных батарей нет, заряд запасается в виде кинетической энергии в маховике силового моста. Так что в связку для таких установок необходимо подбирать дизель-генераторы, способные взять всю нагрузку в кратчайшее время. К счастью, функциональность подобного оборудования тоже не стоит на месте — есть по-настоящему шустрые ДГУ. В нашем случае подошли дизельные электростанции KOHLER-SDMO.

Почему мы выбрали CPM Piller

Динамические (дизель-роторные) ИБП давно используются на рынке ЦОД. Selectel эти решения не подходили, так как в них не было возможности двойного преобразования энергии — установки не удовлетворяли нашим требованиям по условию двойного преобразования как напряжения, так и частоты.

CPM Piller300 – новинка на рынке дата-центров, которая нас сразу заинтересовала. Решение объединяет достоинства динамических и статических ИБП. Динамический модуль играет роль накопителя энергии вместо аккумуляторных батарей, но, если его исключить, у нас остается система, максимально приближенная к классическим ИБП.

Исключая из схемы аккумуляторы, дата-центр выигрывает по нескольким пунктам:

→ Экологичность: батареи нужно правильно утилизировать, здесь мы сотрудничаем со специализированными компаниями.
→ Экономия полезной площади серверной: аккумуляторы занимали место, где можно было поставить серверную стойку.
→ Нетребовательность CPM к температуре: аккумуляторы нужно охлаждать фреоном, чтобы поддерживать необходимую им температуру в 20-25° C; CPM Piller300 же могут работать при температуре до 50° C. Исключая аккумуляторы, мы решаем проблему с доохлаждением оборудования.

CPM Piller300 на данный момент удовлетворяют требования к резервированию критической нагрузки, которые были у Selectel, и в тоже время имеют модульность для построения отказоустойчивой архитектуры. Оценив технические преимущества ИБП и подсчитав экономию бюджета, полезной площади машинного зала, времени на эксплуатацию, мы закупили новые для компании ИБП и начали ждать поставку.

Вот так инфернально выглядит установка на сайте поставщика

Габариты CPM Piller300

Подготовка к установке динамического ИБП

К приезду и установке новых ИБП нужно было хорошо подготовиться.

Прежде всего с помощью компьютерного моделирования мы рассчитали, справятся ли основания дата-центра с вибро-динамическими нагрузками. Важно, чтобы нетипичная для здания нагрузка не нарушила его целостность.

Элементная схема здания для расчета нагрузок

Далее подготовили плиту для установки CPM и надежную прокладку, гасящую вибрации. Надежное основание для установки модулей роторного динамического ИБП критически важно, ведь масса каждого «волчка», или силового моста, — 3 900 килограммов. При нормальной работе они производят 4 750 оборотов в минуту, с частотой 158 Гц.

Наконец, CPM будет выделять тепло при работе. Для его отвода мы спроектировали систему вентиляции, которая будет выводить горячий воздух из нового помещения ГРЩ, где установлены CPM.

Установка и подключение

Итак, CPM привезли. Для их разгрузки и установки мы заранее вызвали вилочный погрузчик и подготовили площадки для размещения модулей.

Далее инженеры расставили оборудование по ГРЩ и закрепили к полу анкерными болтами.

Переходим к подключению.

Кстати, еще одно преимущество динамических ИБП состоит в том, что в их случае не нужно «обвязывать» сотни аккумуляторных батарей, работая под напряжением, как на классических ИБП с батарейными секциями. Обычно это требует большого количества времени, сил, а также создает опасность короткого замыкания или даже поражения людей электрическим током.

CPM Piller приехал к нам полностью готовым к подключению и запуску. Необходимо было только собрать модули между собой, подключить питание и нагрузку.

Как это выглядит на практике:

Силовые кабели подключены на соответствующие клеммы

В нашем случае ввод силовых кабелей в ИБП производится сверху. Кабели подключаются на соответствующие клеммы входа на ИБП, вход байпаса, выход к нагрузке.

Также подключаются кабели диспетчеризации, управления, параллельной работы.

Устройство CPM Piller300

Выбранные динамические ИБП отличаются простым устройством. По схеме работы аналогичны классическим ИБП двойного преобразования.

Перечислю его основные элементы:

Выпрямитель — преобразует переменный ток входящей сети в постоянный, заряжает силовой мост ИБП и дает питание на инвертор.

Инвертор — преобразует постоянный ток в переменный, задавая ему необходимые параметры. Такое двойное преобразование позволяет исключить попадание в дата-центр вредных колебаний внешней сети.

Силовой мост — накопитель кинетической энергии. Маховик представляет собой вращающееся устройство, работающее в вакууме, для обеспечения минимальных потерь энергии. Выполнен в виде вертикального ротора, закрепленного на подшипниках. Маховик заряжается и разряжается синхронной машиной, преобразуя электрическую энергию в механическую и наоборот.

Габариты и составляющие внутренней части модуля силового моста

Конвертер — еще один преобразователь. Его роль — связь силового моста с сетью ИБП. Он преобразует постоянный ток внутри ИБП в переменный и обратно, управляя процессом разгона (заряда) и торможения (разряда) силового моста.

Технические характеристики Piller CPM300

Номинальная выходная мощность одной установки (одного ИБП Piller CPM300) – 333 кВА, что равно 300 кВт .
Установка работает на частоте 50 Гц и регулируемом выходном диапазоне напряжения от 380В до 440В.
Силовой мост производит от 2700 до 4750 об./мин и запасает энергию в 6 МДж.

CPM может работать в режимах VI (Voltage Independent, независимо от напряжения), VFD (Voltage Frequency Dependent, зависимо от частоты и напряжения) и VFI (Voltage Frequency Independent, независимо от частоты и напряжения). При последнем режиме работа ИБП не зависит от напряжения в сети, а потому не зависит и от амплитуды напряжения, и от перепадов частот. Любые отклонения могут быть полностью компенсированы

Запуск динамического ИБП и его работа в системе электроснабжения

После подготовки системы и подачи питания на ввод иконки VI Input и VFI Input отображаются зеленым цветом. ИБП готов к запуску.

Включается байпас. Нагрузка запитывается от сети через байпасную линию.

Теперь можно запустить силовой мост. Происходит предварительная зарядка, или «раскрутка», силового моста, установка выходит на свои номинальные 3 800 оборотов в минуту. После этого он (Powerbridge) становится зеленым на схеме.

Нажатием кнопки Output замыкается выходной контактор QA006. Нагрузка переходит на питание от ИБП в режиме двойного преобразования.

При выходе за пределы установленных значений внешней электросети входной контактор QA001 размыкается. Нагрузка переходит на питание от силового моста, через инвертор. Маховик вращается за счет накопленной энергии, преобразуя кинетическую энергию вращения в электрическую, и поддерживает бесперебойное питание.

Трудности на старте

При вводе в работу нового оборудования без сложностей не обходится — так было и с новыми роторными ИБП. После первых запусков мы обнаружили некорректную работу реле контроля скорости вращения маховика одной из установок.

К счастью, инженеры Piller быстро нашли замену, и мы перешли к испытаниям ИБП под нагрузкой.

Нагрузочный модуль для проведения испытаний

При нагрузочных испытаниях нам нужно было добиться максимально плавной передачи нагрузки на ДГУ, после того как ДГУ вышел на номинальный режим.

Для создания таких условий мы изменили настройки ДГУ: убрали двухсекундную задержку перед пуском для максимально быстрого старта. Также настроили АВР ГРЩ на более быстрое переключение. Активировали на CPM режим Diesel Mode и увеличили рампу передачи нагрузки от CPM на дизель с начальных 5 до 14 секунд.

Панель управления ДГУ

Нам было необходимо добиться оптимальной работы системы: ДГУ должен быть способен как можно быстрее принять нагрузку, а CPM — передать ее максимально плавно. В результате всех настроек система «мягко» переходит на питание от ДГУ даже при максимальной нагрузке.

Как будут вести себя системы спустя некоторое время в эксплуатации, покажет время. И об этом я обязательно расскажу в будущих статьях.

Читайте также: