Конвертируемый по установке ибп
Обновлено: 04.07.2024
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 .
Для Selectel таким решением стали динамические источники бесперебойного питания Piller CPM300. В этой статье я расскажу вам, как мы запустили в работу новые для рынка ИБП, с какими трудностями столкнулись и почему вообще решили изменить подход к резервированию IT-нагрузок.
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.
Уже не раз показывали внутреннюю «кухню» дата-центров. Если любите такое, советуем эти тексты:
Почему мы выбрали CPM Piller300
Динамические (дизель-роторные) ИБП давно используются на рынке ЦОД. Selectel эти решения не подходили: установки не удовлетворяли наши требования 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 необходимо подписывать договоры 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.
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 4 800 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. А чтобы не пропустить следующие публикации, подпишитесь на наш блог.
Сегодня построенные на основе двойного преобразования энергии онлайн ИБП и инверторные стабилизаторы напряжения являются самыми востребованными изделиями в своих сегментах рынка электрооборудования. Высокий спрос на данные устройства объясняется их отличными техническими характеристиками, позволяющими обеспечивать качественным электропитанием даже самые требовательные нагрузки.
Содержание
Что же представляет собой технология двойного преобразования энергии, как она влияет на функционирование систем электропитания и почему на сегодняшний день считается одной из самых прогрессивных? Расскажем об этом в нашей статье.
Двойное преобразование
«С двойным преобразованием энергии» – такую фразу можно увидеть в описаниях, соответствующих многим источникам бесперебойного питания и всем инверторным стабилизаторам напряжения «Штиль». Что же она означает?
Технология двойного преобразования – один из способов повышения качества электроэнергии, заключающийся в двух последовательных трансформациях входного переменного напряжения: вначале оно переводится в постоянное (DC), а затем инвертируется обратно в переменное (AC). При этом вновь сформированное АС-напряжение имеет эталонные характеристики и избавлено от сетевых искажений.
Основное отличие данного способа от других, схожих по назначению, заключается в том, что преобразование (следовательно, и коррекция напряжения) осуществляется непрерывно, а не только в момент отклонения сетевых параметров от нормы. Это исключает влияние входных возмущений на выходное напряжение, которое абсолютно не зависит от состояния внешнего источника питания и имеет неизменно точное значение и синусоидальную форму. Иными словами, ни одна помеха или скачок напряжения не достигает нагрузки, подключенной к ИБП или стабилизатору с двойным преобразованием энергии. Такие устройства гарантируют надежную защиту любой, даже самой требовательной к качеству электропитания техники.
Отметим, что двойное преобразование энергии вошло в электротехнику сравнительно недавно – первые ИБП на его основе появились в конце XX века. Несколько позже – в начале XXI века данная технология нашла своё применение и в стабилизаторах напряжения. Номером один стали выпускаемые с 2015 года инверторные стабилизаторы «Штиль» серии «ИнСтаб». Они являются полностью отечественной разработкой (г. Тула), которая, выйдя на рынок, отлично зарекомендовала себя в практическом применении и быстро завоевала популярность у потребителей.
Конструктивные особенности
Изделия, использующие двойное преобразование энергии, имеют ряд специфических конструктивных особенностей. Разберем их на примере ИБП и стабилизаторов от бренда «Штиль», являющегося одним из лидеров среди российских производителей и поставщиков систем электропитания.
Главное отличие указанных приборов от устройств других типов – отсутствие автотрансформатора и каких-либо подвижных (электромеханических) частей в силовой цепи. Вместо них в состав онлайн ИБП и инверторного стабилизатора входят следующие компоненты:
Обратите внимание!В ИБП постоянное промежуточное напряжение и постоянное напряжение аккумуляторных батарей не равны между собой.
Ниже представлены структурные схемы инверторного стабилизатора и онлайн ИБП:
Источник бесперебойного питания — устройство, предназначенное для защиты подсоединенного к нему оборудования от сбоев в электросети. Они предохраняют от отключения напряжения, искажения, помех и поступающих от сети высоковольтных всплесков. Источник бесперебойного питания с двойным преобразованием энергии представляет самый совершенный вид такого рода устройств.
Что это такое
Рассматриваемые ИБП содержат наиболее продвинутую технологию доставки качественной и стабильной электроэнергии подсоединенным потребителям. Они обеспечивают непрерывность питания при переключении ИБП с получения тока от сети на батареи и обратно, во всех случаях выдавая ровное синусоидальное выходное напряжение.
Такая способность позволяет подключать к ним важных потребителей, для которых качество подаваемой энергии критично. В отличие от offline моделей, не выполняющих дополнительных коррекций, ИБП данного типа часто называют онлайн источниками питания.
Кроме того, современные источники питания с двойным преобразованием несут в себе так называемый корректор коэффициента мощности, на входе обеспечивающий близкий к 1 К. М., и синусоидальный ток. Источники с корректором иногда неправильно называют устройствами тройного преобразования
Для нештатных ситуаций большинство источников рассматриваемого типа снабжаются линией байпаса, о которой ниже будет сказано подробнее.
В силу более сложного устройства такие источники питания несколько дороже обычных. Стоимость источника малой мощности на 3 кВА от производителя IPPON в Москве составляет около 24–25 тысяч рублей.
Рекомендуем к прочтению: дополнительный материал о том, что такое ИБП и какие другие его разновидности существуют и в чем их особенности.
Схема работы
На входе on line ИБП находится мощный выпрямитель. Он мощнее таковых у обычных «бесперебойников», поскольку должен не только подзаряжать батарею, но и подавать инвертору постоянный ток.
Инвертор — часть ИБП, преобразующий всю подаваемую постоянным током мощность в переменный. На схеме видна также статическая обходная цепь, или байпас — отдельная магистраль, при возникновении необходимости позволяющая блоку питать подсоединенную нагрузку в обход цепи преобразования. За работу этого перехода отвечает статический (то есть лишенный движущихся частей) переключатель. Байпас поэтому иногда тоже называют статическим. Модуль байпаса может быть как встроенным, так и, в отдельных случаях, внешним.
Режимы работы
Бесперебойные источники питания с двойным преобразованием функционируют в следующих основных режимах.
От сети
При штатном напряжении в электросети блок передает нагрузке ток, проходящий сквозь выпрямитель. Последний трансформирует переменное напряжение сети 220 В в постоянный ток. Часть идет на подзарядку батареи, а другая питает инвертор устройства.
В инверторе ток снова преобразуется в переменный; он подается на нагрузку. В данном режиме источник:
- фильтрует высокочастотные и импульсные всплески, помехи;
- преобразует переменный ток обычной сети в постоянный, и далее посредством инвертора снова в стабильный переменный;
- заряжает АКБ.
От батареи
При падении входящего напряжения ниже установленного уровня выпрямитель теряет возможность его стабилизировать, и выходное напряжение падает ниже значения такового у АКБ с полным зарядом. Тогда инвертор частично получает питание от батареи. Если питания на входе нет совсем, то ИБП полностью переходит на батарею и работает в таком режиме до ее разряда.
Инвертор при этом выключится; это нужно для избежания необратимого глубокого разряда.
Через байпас
Когда инвертор выходит из строя или подвергается перегрузке, срабатывает байпас. Он нужен для предотвращения повреждения оборудования некорректным питанием. Если этот элемент цепи неработоспособен, то срабатывает переключатель, размыкая линию «инвертор-нагрузка». Ток идет напрямую через линию bypass. Важно: качество электричества на выходе при этом не гарантируется, такой режим работы считается аварийным.
Некоторые ИБП с двойным преобразованием байпаса не имеют, но использовать такие устройства не рекомендуется.
Разновидности
Производители электрооборудования выпускают различные источники питания с двойным преобразованием. В основном распространены следующие номинальные мощности устройств:
- однофазные малой мощности, 1–3 кВА;
- однофазные средней мощности, 6–20 кВА;
- с однофазным выходом и трехфазным входом, средние, 10–30 кВА;
- трехфазные средние 10–30 кВА;
- трехфазные большой мощности, от 30 кВА и выше.
Существуют варианты как напольного или настольного исполнения, так и для монтажа в стойку.
ИБП двойного преобразования напряжения — это аварийный источник высококачественного и бесперебойного питания электротехнических приборов бытового и промышленного назначения. В отличие от других средств аналогичного назначения, имеет уникальные технические параметры, позволяющие ИБП быть незаменимым. Вместе с тем, некоторые
технические характеристики устройства уступают другим ИБП.
Принцип работы ИБП двойного преобразования
Переменное напряжение сети подается вначале на сетевой фильтр, который сглаживает электромагнитные помехи (за счет снижения и ограничения высокочастотных гармоник). Далее диодный мост преобразуют переменный ток в постоянный, часть которого подается на аккумуляторный блок (если это требуется), а часть на инвертор. Инвертор, в свою очередь, снова преобразует ток в переменный и подает на электроприбор.
Как видите, ИБП двойного преобразования отличается от обычного стабилизатора отсутствием автотрансформатора. А отличие от обычного ИБП в том, что внешнее напряжение всегда преобразуется, а не просто транслируется к потребителям.
ИБП двойного преобразования имеет в быту обозначение «онлайн», т. к. при отключении напряжения в сети, обеспечивает непрерывное, мгновенное, без задержек и провалов питание защищенных потребителей за счет энергии в аккумуляторах.
Наличие источника бесперебойного питания критически важно для функционирования многих видов электрических приборов и техники: котлов отопления и теплоснабжения, повышающих и циркуляционных насосов, насосов водоснабжения, промышленной и бытовой вычислительной техники и др. Поэтому «on-line»-ИБП повсеместно используются в промышленных нуждах, а в данный момент и для бытовых потребителей.
Устройство ИБП двойного преобразования
ИБП с двойным преобразованием — полностью электрический прибор. В нем нет деталей, подверженных механическому износу. Поэтому устройство обладает длительным сроком бесперебойной эксплуатации.
Состав ИБП:
Сетевой фильтр - На сетевой фильтр, подключенный к сети ИБП, поступает переменный ток. Таким образом, происходит исключение импульсных помех высокой частоты, а также защита от выбросов индуктивной нагрузки. Обычно состоит из фильтра помех и устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).
Диодный выпрямитель - После сетевого фильтра переменный ток поступает на диоды для выпрямления. Группа собирается по мостовой схеме. В некоторых моделях применены схемы коррекции мощности для меньшей нагрузки на внешнюю сеть.
Аккумуляторы - Часть постоянного тока поступает после выпрямления на блок аккумуляторов. Иногда, для их зарядки используется еще один, параллельный, преобразователь.
Инвертор - Инвертор преобразует постоянный ток в переменный, который подает на электроприбор для его питания. Благодаря сборке на транзисторах типа MOFSET, выходной переменный ток обладает высокими качественными характеристиками.
Система охлаждения - Охлаждение производится при помощи радиатора, установленного на транзисторы и кулера, отводящего тепло от радиатора. Иногда второй вентилятор устанавливается на корпус прибора.
Блок управления - Контроль за управлением и метриками осуществляется с помощью контроллера, собранного на мощном микропроцессором с цифровой обработкой сигналов.
Байпас - Для надежности и увеличении КПД, ИБП оснащен байпасной системой на участке от блока после сетевого фильтра и до выхода на потребителей. Сделано это для того, чтобы при наличии в сети тока с достаточными для нормальной работы электроприборов, напряжение подавалось на них напрямую, минуя выпрямитель и инвертор. Если байпас не задействован, то напряжение на выход подается через весь блок.
Достоинства и недостатки ИБП
Достоинства
· наличии схемы двойного преобразования, совмещенной с аккумуляторами, которые позволяют все время подавать на электроприборы высококачественное стабильное напряжение как при наличии, так и при отсутствии сети.
· переключение на аккумуляторы происходит мгновенно, позволяя исключить малейшие перебои в питании. Это преимущество делает необходимым использование устройства для запитывания чувствительных к скачкам напряжения приборов. При этом выходное напряжение не имеет электромагнитных помех.
· функции ИБП позволяют регулировать уровень и частоту выходного напряжение переменного тока.
· главным достоинством «онлайн» ИБП с двойным преобразованием напряжения является синусоидальная форма тока, которая важна для бесперебойной работы многих устройств.
Недостатки
· за счет усложненной, в сравнении с другими видами источников бесперебойного питания, схемы прибор имеет высокие показатели тепловыделения, шума вентиляторов, стоимости, при относительно низком КПД.
· стоимость устройства обуславливается дорогостоящими деталями.
· за счет двойного преобразования снижается коэффициент полезного действия до 90-94%.
· для повышения теплоотдачи на транзисторный блок установлен теплоотводящий радиатор с вентилятором. В зависимости от мощности, вентиляторов может быть больше чем один.
Характеристики ИБП двойного преобразования
Все источники резервного питания с двойным преобразованиям напряжения имеют примерно идентичные базовые сравнительные характеристики. Они влияют на параметры выбора устройства для конкретных необходимых целей.
Мощность - единица измерения мощности прибора — Ватт или В/А (Вольт/Ампер). Параметр определяет максимально-допустимую мощность подключаемой нагрузки.
Емкость аккумуляторных батарей - параметр указывает на максимальную емкость батарей. От этого параметра зависит продолжительность работы подключенного к ИБП устройства при отсутствии напряжения в сети.
Характеристики выходного напряжения - параметры выходного напряжения зависят от качества используемых деталей и сборки. От этого зависит наличие или отсутствие помех на электроприборе, подключенном к источнику питания.
Время перехода при пропадании внешней сети - при переходе на питание от аккумуляторов, электроприбору не требуется время, поскольку блок батарей постоянно подключен к цепи. В характеристиках так и пишут – «Время перехода равно 0мс»
Диапазон входных напряжений в режиме двойного преобразования - это параметр определяет в каких пределах внешнее напряжение может отличаться от установленного, в которых ИБП будет работать в «режиме стабилизатора» без перехода на работу от АКБ.
Защита от внешних факторов - схемы защиты обеспечивают корректную работу устройства, как на входе, так и на выходе. Благодаря этому ни сам блок питания, ни подключаемый электроприбор не может выйти из строя.
Другие параметры:
- другие параметры являются субъективными или потребительскими: наличие или отсутствие дисплея контроллера, внешний вид, способ и варианты размещения, шумность, цена.
- дисплей прибора несет функцию отображения информации: входное и выходное напряжение, частота тока и др.
- в зависимости от области применения и мощности, вариант размещения может быть напольным, настенным или в специальной конструкционной стойке.
- цена зависит от производителя, поставщика, используемых схем, их качества и технических параметров.
Читайте также: