Входной коэффициент мощности ибп что это

Обновлено: 06.07.2024

Чтобы ответить на поставленные выше вопросы, необходимо детально вникнуть в классы представленных сегодня на рынке источников бесперебойного питания. А также определиться с основными критериями, которые необходимо учесть, чтобы сделать взвешенный выбор.

Классы ИБП

Все разнообразие современных источников бесперебойного питания, представленное сегодня на рынке, можно разделить на несколько классов, отличающихся друг от друга схематикой, а также поведением как в режиме нормальной работы, так и работы от аккумуляторов.

Резервные или off-line ИБП (BackUp),
Линейно-интерактивные ИБП (Line-interactive),
ИБП с двойным преобразованием (on-line, double-conversion).

Самыми простыми и неприхотливыми считаются Off-Line ИБП. При работе сети в нормальном режиме электричество поступает на вход ИБП и, проходя через него, подается на основную нагрузку. В случае же потерь и перепадов напряжения в сети, "бесперебойник" автоматически переключается на аккумулятор. Основные недостатки такой схемы заключаются в том, что переключение питания ИБП на аккумуляторы занимает от 4 до 10 миллисекунд. При работе же в режиме питания от аккумулятора, на выходе ИБП выдается не привычный для сети синус, а аппроксимированный синус.

Line-interactive не имеет принципиальных отличий от схемы Off-line. Электричество также напрямую проходит через ИБП, который уже питает оборудование. При авариях в сети происходит переключение на работу от аккумуляторов (от 4 до 10 миллисекунд). На выходе получается аппроксимированный синус. Главное отличие от схемы Off-line — это наличие на входе трансформатора, позволяющее компенсировать незначительные перепады напряжения в сети. В целом, классы "бесперебойников" Off-line и Line-interactive предназначены для подключения не слишком ответственного оборудования.

При подключении ответственного оборудования применяют источники бесперебойного питания с двойным преобразованием (double conversion) или On-line ИБП. Схема double-conversion подразумевает, что поступающее напряжение выправляется с помощью выпрямителя, а затем с помощью инвертора постоянное напряжение преобразуется в переменное. В этой схеме аккумуляторы подключены к выходу выпрямителя и входу инвертора, что обеспечивает мгновенный переход (0 миллисекунд) к работе от аккумулятора.

Мощность

Мощность подключаемого оборудования - это один из важнейших факторов при выборе "бесперебойника". Его недооценка может привести к тому, что ИБП просто не справится с нагрузкой в случае аварийной работы, что чревато негативными последствиями. Если же мощность ИБП превышает нагрузку, то его использование попросту неэффективно. А кому нужны неоправданные затраты?

Понятие мощности, применительно к источникам бесперебойного питания, разделяется на полную и активную. Полная мощность — это сумма активной и реактивной мощностей, а также отклонение от формы тока и напряжения от синусоидальной. Активная мощность - это та энергия, которую нагрузка отбирает от источника энергии для дальнейшего преобразования другую полезную энергию.

Для того, чтобы определиться с мощностью необходимого ИБП, нужно знать коэффициент мощности подключаемого оборудования. То есть, отношение активной мощности к полной.

Чтобы рассчитать мощность "бесперебойника", необходимую непосредственно для обеспечения нагрузки вашего оборудования, нужно учесть сумму номинального потребления оборудования, а также включить в расчеты нагрузку, необходимую при запуске оборудования (запуск электродвигателей и т. д.). Кроме того, рекомендуется приобретать ИБП с запасом мощности до 25%.

Коэффициент полезного действия ИБП

Коэффициент полезного действия ИБП- это еще один пункт, определиться с которым очень важно — ведь это главный показатель того, как эффективно он используется. Неэффективная работа, а, следовательно, и необоснованные затраты, происходят, когда "бесперебойник" с большим коэффициентом мощности используется для подачи напряжения на оборудование, не требующее большой нагрузки.

Также, КПД определяет количество тепла выделяемого ИБП в окружающую среду. Например, когда при проектировании серверной подбирается ИБП небольшой мощности, то тепловыделение не будет иметь особого значения. При мощностях, к примеру, в несколько десятков киловатт, тепловыделение будет большим. Тепло, безусловно, необходимо будет утилизировать, а для этого придется подбирать более мощные кондиционеры, что приведет к дополнительным затратам. Чем больше коэффициент полезного действия ИБП, тем меньшим будет выделение тепла.

Разберем примеры эффективного и неэффективного использования ИБП.

В первом случае на источник бесперебойного питания с мощностью 800 Ватт повесили нагрузку мощностью 50 Ватт. На самообеспечение ИБП использует примерно 70 Вт. Если произвести расчет по формуле, то коэффициент использования ИБП будет равен 42%.

При нагрузке же в 600 Вт, коэффициент полезного действия ИБП будет значительно выше - 89%.

Время автономной работы

Собственно, один из самых важных критериев ИБП — это время его работы в случае аварийной ситуации. Этот показатель зависит от мощности потребляемой нагрузки и состояния аккумуляторных батарей.

Источник бесперебойного питания со встроенными аккумуляторами будет верным решением, когда при проблемах с напряжением в сети важно лишь корректное завершение работы оборудования, занимающее от 5 до 10 минут.

При необходимости большего времени работы оборудования, нужно рассчитать необходимый ток разряда батарей. Сделать это можно следующим образом:

Из всего вышесказанного становится ясно, что при выборе источника бесперебойного питания необходимо учесть множество как технических, так и чисто физических нюансов, определяющихся как конкретным месторасположением ИБП и оборудования подключаемого к нему, так и рядом других факторов.

Для облегчения расчетов при выборе ИБП, на сайте компании НАГ есть удобный инструмент - "Калькулятор ИБП", при помощи которого можно определить все необходимые параметры.

Энергетические показатели источников бесперебойного питания (ИБП) характеризуют эффективность использования, эффективность потребления электрической энергии, нагрузочные и перегрузочные характеристики системы.

Коэффициент полезного действия (К.П.Д.) характеризует эффективность использования оборудования и представляет отношение выходной активной мощности к входной:

Тепловые потери - активная мощность, рассеиваемая оборудованием:

Полная мощность (S) - характеризует величину загруженности сети оборудованием, равна произведению действующих значений напряжения и тока:

и определяется тремя составляющими мощности:

где P - активная мощность (Вт), Q - реактивная мощность (ВА_р), Т - мощность искажения (ВА). Для линейных нагрузок имеем Т=0.

Коэффициент мощности (Кр) - характеризует эффективность потребления энергии и представляет отношение активной мощности к полной:

где φ ₁ - фазовый сдвиг между первыми гармониками напряжения и тока, К _ни - коэффициент нелинейности:

где I ₁ - действующее значение первой (основной) гармоники тока, I - действующее значение несинусоидального периодического тока:

I_n - действующее значение "n "- гармоники тока, n - порядок высшей гармоники тока.

Энергетический коэффициент - обобщенный показатель эффективности оборудования:

Коэффициент искажения синусоидальности - характеризует степень отклонения формы периодической кривой тока от синусоидальной.

По определению ГОСТ 13109-97 [1] имеем:

Без учета гармонических составляющих, значения которых менее 0,1%, допускается расчет коэффициента искажения по следующему выражению:

Коэффициент нелинейности , влияющий на значение коэффициента мощности, может быть представлен через коэффициенты искажения синусоидальности:

Коэффициент амплитуды (крест-фактор) представляет отношение амплитудного (пикового) значения тока к действующему:

Для синусоидальной формы тока имеем , а при несинусоидальной -

Коэффициент нагрузки - полная мощность нагрузки, отнесенная к номинальной мощности оборудования:

Коэффициент передачи полной мощности в нагрузку - отношение предельно допустимой мощности нагрузки к номинальной полной мощности оборудования:

Нагрузочная характеристика - зависимость коэффициента передачи полной мощности от значения коэффициента мощности нагрузки:

Внешняя характеристика - зависимость выходного напряжения от коэффициента нагрузки при номинальном входном напряжении и заданном коэффициенте мощности нагрузки.

Перегрузочная характеристика - время-токовая зависимость, определяющая способность ИБП выдерживать перегрузку в течение некоторого времени.

Ток короткого замыкания инвертора I_кз- способность инвертора при его внешнем коротком замыкании отдавать ток, кратный номинальному значению выходного тока, в течение определенного времени. Согласно ГОСТ 27699-88 [2] инвертор должен обеспечить I_кз = 2xI_ном в течение 0,1 секунды.

Представление ИБП электрическим многополюсником

Структурная схема ИБП, выполненного по топологии двойного преобразования энергии (см. рис.1), содержит три основные цепи преобразования энергии от внешних источников к нагрузке:

цепь двойного преобразования энергии от сети (U_вх1);
цепь BYPASS, обеспечивающая прямую передачу энергии от вспомогательного источника переменного тока к нагрузке (U_вх2);
цепь преобразования энергии источника постоянного тока - аккумуляторной батареи (U_вх3).
Передача энергии в нагрузку одновременно разрешена только по одному из входов ИБП.

Рис.1 Структурная схема ИБП с двойным преобразованием

В-ККМ - выпрямитель и корректор коэффициента мощности,
ИНВ - инвертор, ППН - преобразователь постоянного напряжения.

В зависимости от мощности ИБП, в структуре может присутствовать преобразователь постоянного напряжения ППН1 или ППН2.

Назначение ППН в структуре ИБП - поднять до определенного уровня напряжение от аккумуляторной батареи (ППН1) и стабилизировать напряжение питания инвертора, одновременно выполняя функцию ККМ (ППН2).

На рисунке 1 условно не обозначен блок зарядного устройства (ЗУ). Последний может быть реализован либо модулем AC/DC, подключенным ко входу U_вх1, либо модулем DC/DC, подключенным к шине питания инвертора, либо использован заряд аккумуляторной батареи (АБ) непосредственно от силового выпрямителя ИБП.

Современная топология ИБП с двойным преобразованием энергии рассмотрена в работе [3]. Для обобщения анализа энергетических показателей при разнообразии схемотехнических решений при реализации ИБП воспользуемся его представлением в виде электрического многополюсника (см. рис.2), свойства которого можно описать семейством характеристик: выходных, входных и переходных (системных).

Рис.2 Представление ИБП многополюсником

Рассмотрим особенности характеристик ИБП с двойным преобразованием энергии и показатели его эффективности.

Выходные характеристики ИБП

Номинальная полная выходная мощность (S_{вых.ном}) - предельная полная мощность, которую инвертор может отдать в линейную нагрузку с коэффициентом мощности (Кр_н), равным выходному коэффициенту мощности ИБП (Кр_вых) при стандартных условиях эксплуатации ИБП (температура, влажность, высотность).Наиболее распространен среди производителей ИБП с двойным преобразованием энергии следующий ряд номинальных мощностей:

для однофазных ИБП : 1, (1,5) 3, 6, 10, (15) кВА;
для ИБП с трехфазным входом и однофазным выходом: 10, 15, 20 кВА;
для трехфазных ИБП: 10, (15), 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800 кВА.

Выходной коэффициент мощности (Кр_вых), указанный производителем, соответствует тому значению коэффициента мощности нагрузки, при котором обеспечивается максимальная эффективность потребления нагрузкой электроэнергии от ИБП.

Значения Кр_вых для современных ИБП с двойным преобразованием приняты в диапазоне от 0,7 (для ИБП мощностью до 10-20 кВА) до 0,8 (для ИБП 30 кВА и более).

Номинальная активная выходная мощность (Р_{вых.ном}) - максимальная активная мощность, отдаваемая в нагрузку:

Внешняя характеристика характеризует степень статической точности выходного напряжения ИБП. В общем случае, жесткость внешней характеристики определяется внутренним сопротивлением силовой цепи, включающей выпрямитель, корректор коэффициента мощности, преобразователь постоянного напряжения и инвертор. Однако, в связи со стабилизирующими свойствами ККМ - ППН, обеспечивающими стабильное напряжение питание инвертора, можно считать, что основным параметром, определяющим внешнюю характеристику ИБП, является выходное сопротивление инвертора. Современные инверторы на IGBT-транзисторах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения обладают низким значением внутреннего сопротивления. По сравнению с силовыми трансформаторами, инвертор обладает внутренним сопротивлением в 5 раз меньше [5], что обеспечивает не только высокую точность стабилизации выходного напряжения (1-2)%, но и низкие значения коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения (менее 3%) при токах в нелинейных нагрузках с коэффициентом амплитуды до 3.

Нагрузочная характеристика представляет нелинейную зависимость коэффициента передачи полной мощности от коэффициента мощности нагрузки. Значение коэффициента передачи полной мощности в нагрузку достигает 100% при равенстве коэффициента мощности линейной нагрузки индуктивного характера выходному коэффициенту мощности ИБП.

На рисунке 3 приведены нагрузочные характеристики при различных типах линейной нагрузки RL, RC и нелинейной нагрузки RCD. При чисто активной нагрузке коэффициент передачи мощности соответствует значению Кр_вых 100%.

Рис.3 Нагрузочные характеристики ИБП

При нелинейной нагрузке коэффициент передачи мощности снижается. Наиболее распространены однофазные нелинейные нагрузки типа RCD - неуправляемые выпрямители с емкостным фильтром. Коэффициент амплитуды тока такой нагрузки достигает 2,5 - 3 при коэффициенте мощности 0,7 - 0,6.

На рисунке 4 приведены зависимости коэффициента мощности и коэффициента амплитуды RCD-нагрузки в функции длительности импульса тока на полупериоде сетевого напряжения [4].

Рис.4 Зависимости Кр и Ка от длительности импульса тока в RCD-нагрузке

При работе ИБП на разнотипные нагрузки за эквивалентную нелинейную нагрузку принимают сумму нагрузок: 50% - RL - линейная нагрузка с Кр_н=0,8 и 50% - RCD - нагрузка - неуправляемый выпрямитель с емкостью фильтра 2,5 мкФ/Вт. Коэффициент передачи мощности в нелинейную нагрузку при токе с коэффициентом амплитуды К_а=3 не превышает значения К_s=70 - 80%.

Перегрузочные характеристики ИБП и ток короткого замыкания инвертора

Различают перегрузочные способности инвертора и цепи Bypass. При значительных и длительных перегрузках ИБП переходит в режим автоматического Bypass, отличающийся большой перегрузочной способностью. Однако, современные инверторы на IGBT-транзисторах с ШИМ регулированием обладают так же достаточно высокими перегрузочными характеристиками и значениями токов короткого замыкания (I_кз), достигающими 300% номинального выходного тока. При перегрузках, не превышающих 5-10% номинальной мощности, ИБП могут работать в инверторном режиме длительное время, не переходя в режим автоматического Bypass. На рисунке 5 приведены типичные перегрузочные характеристики ИБП. Следует иметь в виду, что количественные показатели приведенных время-токовых зависимостей могут отличаться для разных моделей ИБП различных производителей. Знание перегрузочных характеристик позволяет оптимально выбирать необходимую номинальную мощность ИБП для нагрузок, обладающих большими пусковыми токами, исключая низкий коэффициент загрузки ИБП в статическом режиме при номинальных токах нагрузки.

На рисунке 5 обозначены допустимые области работы ИБП: 1- в инверторном режиме, 2 - в режиме автоматического Bypass, 3 - область отключенного ИБП.

Рис.5 Перегрузочные характеристики ИБП

Вопрос ограничения тока инвертора в режиме перегрузки является важным в понимании перегрузочных свойств ИБП. При росте тока нагрузки свыше номинального значения инвертор переходит в режим генератора тока, ограничивая максимальное значение тока на определенной величине I_огр.

Экспериментально показано [6]: для того, чтобы искажение синусоидальности выходного напряжения не превышало 5%, необходимо устанавливать порог ограничения максимального (амплитудного) значения выходного тока в 1,5 раза больше амплитудной величины номинального тока инвертора при линейной нагрузке:

Соответственно, коэффициент амплитуды тока ограничения будет:

На рисунке 6 приведены кривые выходного напряжения и тока инвертора с номинальной мощностью 5 кВА при работе на нелинейную нагрузку типа RCD при различных значениях тока нагрузки. Инвертор с ШИМ регулированием выходного напряжения способен реагировать на изменения тока нагрузки, ограничивая его по амплитуде. При этом происходит увеличение длительности импульса тока на полупериоде выходного напряжения. (см. рис.6 б,в,г).

Рис.6 Кривые изменения напряжения и тока инвертора при RCD нагрузке

В таблицу 1 сведены электрические параметры, характеризующие режимы работы инвертора в соответствии с кривыми напряжения и тока на рисунке 6.

Параметры	Рис.6а	Рис.6б	Рис.6в	Рис.6г
Действующее значение выходного напряжения, U_вых, В	220	220	220	220
Действующее значение выходного тока, I_вых, А	11	20	24	29
Коэф. мощности нагрузки, Кр_н	0,61	0,69	0,79	0,82
Коэф. амплитуды тока, К_а	3,6	2,4	2	1,64
Коэф. искажения синусоидальности выходного напряжения, К_и, %	2,7	3	5	10
Полная выходная мощность, S_вых, кВА	2,4	4,4	5,2	6,3
Активная выходная мощность, Р_вых, кВт	1,5	3	4,17	5,2

Как видно из примера, инвертор с номинальной мощностью 5 кВА способен отдать 4 кВт активной мощности в RCD нагрузку с искажением синусоидальности выходного напряжения не более 5%. Таким образом, выходной коэффициент мощности такого инвертора равен Кр_вых=0,8.

Номинальная входная полная мощность (S_вх.ном) - полная мощность, загружающая сеть при 100% коэффициенте нагрузки и стандартных условиях эксплуатации. Различают входную мощность, потребляемую при заряженной аккумуляторной батарее (S_вх.мин), и мощность при форсированном заряде батареи (S_{вх.макс}), превышающую первое значение на 25-30%, в зависимости от величины емкости батареи и степени ее разряженности. Например, для ИБП с номинальной выходной мощностью 30 кВА и входным коэффициентом мощности 0.8, имеем S_вх.мин=32,8 кВА и S_{вх.макс}=41 кВА.

Номинальная входная активная мощность (Р_вх.ном) - характеризует энергопотребление на входе ИБП при номинальной нагрузке:

Максимальный входной ток - параметр, определяющий выбор внешнего автомата защиты ИБП. Величина максимального тока определяется при 100% коэффициенте нагрузки, минимальном входном напряжении в режиме форсированного заряда батареи:

Переходные характеристики ИБП

В технических данных производителей ИБП эти характеристики носят название системных или вход - выход. К ним относятся такие параметры, как К.П.Д., энергетический коэффициент, и временные характеристики автономной работы ИБП.

Коэффициент полезного действия и тепловые потери

К.П.Д. характеризует эффективность использования ИБП и представляет отношение выходной активной мощности, потребляемой нагрузкой, к входной активной мощности, потребляемой ИБП из сети. Потери активной мощности (тепловые потери) в ИБП характеризуются рядом составляющих:

∆P_хх - постоянная составляющая потерь (потери холостого хода ИБП) не зависит от коэффициента нагрузки и определяется энергией, необходимой для обслуживания системы управления силовых узлов ИБП, питания вентиляторов охлаждения ИБП и других вспомогательных блоков. Для ИБП малой и средней мощности 1 - 10 кВА потери х.х. составляют 20 - 30% от общих потерь. С ростом мощности ИБП относительная доля потерь х.х. снижается.

∆P_сц - переменная составляющая потерь, зависящая от коэффициента нагрузки.

∆P₁ - потери в силовой цепи выпрямителя,

∆P₂ - потери в силовой цепи корректора коэффициента мощности,

∆P₃ - потери в силовой цепи преобразователя постоянного напряжения,

∆P₄ - потери в силовой цепи инвертора.

Технические данные производителей ИБП содержат значения К.П.Д. отдельных силовых узлов ИБП (в основном выпрямителя и инвертора) и значения общего (системного) К.П.Д. ИБП, составляющие 85-88% для ИБП малой мощности и 90-94% для ИБП средней и большой мощности;

∆P_доп - дополнительные потери на заряд аккумуляторной батареи, являющиеся переменными во времени и зависящие от степени разряженности батареи и ее емкости. Наибольшие дополнительные потери возникают при форсированном заряде батареи. Например, потери при номинальной нагрузке в ИБП мощностью 30 кВА составляют: 2,8 кВт - при форсированном режиме заряда батареи и 2,2 кВт - при заряженной батарее.

Временные характеристики автономной работы ИБП показывают предельные времена работы ИБП от энергии аккумуляторных батарей при отсутствии или недопустимых отклонениях сети в зависимости от коэффициента нагрузки ИБП. На рисунке 7 представлены временные характеристики для различной энергоемкости батарей (Ач), используемых в ИБП. Значительное увеличение времени резерва достигается внешним подключением дополнительных аккумуляторных модулей к ИБП. [8]. Следует обратить внимание на нелинейную зависимость временных характеристик от значения коэффициента нагрузки.

Рис.7 Временные характеристики автономной работы ИБП

Энергетический коэффициент - определяет соотношение потребляемой ИБП и отдаваемой в нагрузку полных мощностей. По определению (8):

Если выполняется условие К _э ≥ Кр _н , то ИБП потребляет из сети полную мощность равную или меньше, чем ИБП отдает в нагрузку:

Данное положение распространяется на ИБП с высоким входным коэффициентом мощности при работе на нелинейные нагрузки с низким коэффициентом мощности. Это явление объясняется тем, что при нелинейной нагрузке ток реактивной мощности и высокочастотные гармоники тока мощности искажения замыкаются в контуре инвертор - нагрузка и не проявляется во входной цепи ИБП.

Можно показать, что при заданном коэффициенте мощности нагрузки Кр_н и К.П.Д. ИБП, активная мощность на входе ИБП будет составлять:

Полная мощность на входе ИБП будет определяться входным коэффициентом мощности ИБП:

При условии U _вх = U _вых , имеем:

Рассмотрим пример использования ИБП со следующими показателями: Кр_вх = 0,95, К.П.Д. = 90%, при работе на нелинейную нагрузку с коэффициентом мощности Кр_н = 0,63.

Из соотношения (23) имеем: I_вх = 0,74 I_вых.

Уменьшение действующего значения входного тока ИБП относительно выходного тока приводит к снижению загруженности сети, по сравнению с тем случаем, когда нагрузка подключена к сети напрямую. Это означает меньшее рассеяние мощности в линии электропередачи и понижающем силовом трансформаторе. Так как потери мощности пропорциональны квадрату тока, то потери мощности в линиях электропередачи с использованием ИБП в нашем примере составят 54% от потерь при питании той же нагрузки от сети без ИБП. Это обстоятельство особо важно при наличии, так называемых, "мягких" линий электропередачи.

Таким образом, энергетический коэффициент является одним из важнейших показателей, определяющих целесообразность применения ИБП с двойным преобразованием энергии не только для обеспечения бесперебойного электропитания нагрузки при пропадании или искажении сети, но и для оптимизации энергопотребления при нагрузках с низким коэффициентом мощности.

Мощность одна из основных характеристик, принимаемых во внимание при выборе источника бесперебойного питания (ИБП). При ее определении, следует учитывать особенности нагрузки.

Покупка ИБП, мощность которого превышает ваши потребности, означает трату денег впустую. Однако недооценка необходимой мощности системы бесперебойного электропитания чревата потерей нагрузки, что совершенно недопустимо. Как максимально точно рассчитать эту характеристику?

Для этого следует знать коэффициент мощности нагрузки (Power Factor, P), который определяет, какая часть мощности, предоставляемой источником электроэнергии, действительно потребляется оборудованием (активная мощность). Если нагрузка ведет себя как идеальное сопротивление, она поглощает всю подаваемую на нее мощность, то есть P=1. Идеальная емкость (конденсатор) или индуктивность (катушка) вообще не потребляют активной мощности (Р=0), поскольку не преобразуют электрическую энергию в другие ее виды. В течение одной четверти периода синусоиды энергия запасается в магнитном поле катушки или в электрическом поле конденсатора, а на протяжении другой – возвращается в сеть. Таким образом, в данном случае имеет место лишь рециркуляция энергии, а сопротивления катушки и конденсатора, в отличие от активного сопротивления резистора, называют реактивным.

В реальной жизни ничего идеального не существует, поэтому и значение коэффициента мощности нагрузки обычно находится в интервале от 0 до 1. В общем случае P вычисляется как отношение поглощаемой нагрузкой активной мощности (она измеряется в ваттах, Вт) к полной поступающей мощности (измеряется в вольт-амперах, ВА):

коэффициент мощности (Р) = активная мощность (Вт)/полная мощность (ВА).

При наличии только гармонических искажений коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига фаз между током и напряжением, поэтому его часто обозначают cos φ. Нагрузка с преобладанием емкостной составляющей характеризуется опережающим коэффициентом мощности (cos φ положительный), а индуктивная нагрузка — отстающим (cos φ отрицательный).

Основной нагрузкой для ИБП являются ПК и серверы. В блоки питания этих устройств устанавливается выпрямитель с фильтром в виде конденсатора, поэтому они обладают определенной емкостной составляющей. Коэффициент мощности простейших блоков питания, используемых в дешевых ПК, может не превышать 0,6 — это означает, что лишь 60% подаваемой источником полезной мощности идет в дело. В действительности для типичных ПК ситуация не столь плоха — их коэффициент мощности составляет обычно 0,8, соответственно, большинство ИБП малой мощности проектируются с расчетом на обслуживание такой нагрузки.

Что касается современных серверов, систем хранения данных и сетевого оборудования (коммутаторы, маршрутизаторы), то здесь дело обстоит еще лучше. В них используются блоки питания с функцией коррекции коэффициента мощности, поэтому его значение приближается к 1. Но в расчетах все же лучше считать такое оборудование нагрузкой с небольшой емкостной составляющей, а коэффициент мощности принимать равным 0,95.

А вот кондиционеры, которые часто тоже защищают с помощью ИБП, представляют собой уже нагрузку с индуктивной составляющей, что связано с наличием электродвигателей в их компрессорах. Коэффициент мощности этого оборудования обычно находится в интервале от 0,6 до 0,8 (см. Таблицу 1).

Как оценить средний коэффициент мощности нагрузки, состоящей из разнотипного оборудования? Предположим, в офисе установлено следующее оборудование:

Тогда для определения усредненного коэффициента вначале рассчитывается усредненное отклонение Р от единицы:

Таким образом, нагрузка будет иметь индуктивный характер с P=0,95.

ДВА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

В спецификации почти любого ИБП указан его входной коэффициент мощности. Этот параметр не имеет никакого отношения к выходному коэффициенту и определяет то, как сам ИБП (как нагрузка) ведет себя по отношению к внешней сети. В современных ИБП, где выпрямитель построен на основе транзисторов IGBT, входной коэффициент мощности близок к единице, а значит, источник ведет себя практически как идеальное активное сопротивление и почти не вносит искажений во внешнюю сеть. Значение входного P полностью зависит от схемотехники ИБП.

Выходной коэффициент мощности для ИБП определяется подключенной к нему нагрузкой. Зная эту характеристику (наряду с полной мощностью в ВА), можно, умножив одно на другое, получить максимальную мощность в Вт, которую источник способен обслужить. Если коэффициент мощности нагрузки окажется больше указанного для ИБП, последний все равно не сможет превысить рассчитанную приведенным выше способом мощность в Вт, а значит, не обеспечит максимального значения ВА.

Обратимся опять к примеру. Пусть имеется ИБП номинальной мощностью 60 кВА, рассчитанной для нагрузки с коэффициентом мощности 0,9. Максимальная активная мощность, которую он может обслужить, составляет 54 кВт:

Нагрузку с указанной полной мощностью, но меньшим Р, например 0,8, он обслужит без проблем:

Как уже упоминалось, коэффициент мощности многих типов современного ИТ- и телекоммуникационного оборудования приближается к 1, поэтому здесь надо быть очень внимательным. Чтобы не ошибиться, многие специалисты сегодня при выборе ИБП предпочитают руководствоваться его выходной мощностью в Вт.

Если вы затрудняетесь в определении коэффициента Р, то для полной гарантии следует выбирать ИБП, мощность которого в Вт была бы больше характеристики нагрузки в ВА. Но в этом случае возможно существенное завышение мощности ИБП. Для более точного расчета следует сначала вычислить суммарную величину нагрузки (в ВА), затем ее усредненный Р, после чего, умножив оба значения, получить значение в Вт. Мощность ИБП в Вт не должна быть ниже характеристики нагрузки, выраженной в тех же единицах измерения.

ЕЩЕ ДВА ФАКТОРА

Важной характеристикой нагрузки служат еще два коэффициента: Crest Factor и Surge Factor. Первый из них в русскоязычной документации часто именуют пик-коэффициентом (или пик-фактор). Он определяется отношением максимального (пикового) значения тока к его среднеквадратичному (RMS) значению. Для волн прямоугольной формы пик-фактор равен единице, для идеальной синусоиды – 1,414 (√2).

Хотя мы назвали пик-фактор «характеристикой нагрузки», на самом деле на его значение влияют и характеристики источника электропитания. Импульсные блоки питания компьютеров потребляют ток очень неравномерно, поэтому для них пик-фактор обычно составляет от 2 до 3. Но это в том случае, если на нагрузку поступает чистая синусоида. Если же ИБП выдают ступенчато аппроксимированную синусоиду (что типично для источников мощностью менее 1 кВт), то пик-фактор оказывается менее 2 (обычно от 1,4 до 1,9). В целом же использование ИБП, сетевых фильтров и устройств подавления импульсных помех способствует снижению пик-фактора. Это, безусловно, положительный момент, поскольку высокий пик-фактор (большой ток) приводит к сильному нагреву элементов систем электропитания.

Большинство ИБП при полной нагрузке способны поддерживать пик-фактор 3 (при снижении нагрузки значение этой характеристики увеличивается), поэтому обычно проблем не возникает. Даже если источник не обеспечивает необходимое пиковое значение тока, то, как правило, работа блока питания нагрузки не нарушается, возможны лишь небольшие искажения формы электрического сигнала. Однако в крупных инсталляциях (например, когда ИБП обслуживает большое число ПК) такие искажения могут оказаться настолько значительными, что способны привести к нарушению функционирования нагрузки. Поэтому желательно, чтобы пик-фактор, поддерживаемый ИБП, не оказался ниже пик-фактора нагрузки.

Для расчета среднего пик-фактора нагрузки, состоящей из разнотипного оборудования, можно порекомендовать тот же способ, что и для расчета среднего коэффициента мощности. Обратимся к нашему примеру:

Усредненный пик-фактор можно вычислить так:

Если заявленный в характеристиках ИБП пик-фактор больше указанного значения, то проблем не будет.

Значение Surge Factor (к сожалению, устоявшегося рускоязычного термина для этой характеристики нет) определяет то, насколько пусковой ток, потребляемый нагрузкой, превышает его номинальное значение. Например, для запуска электродвигателя требуется большой пусковой момент, поэтому компрессоры холодильных установок при включении потребляют ток, в несколько раз превышающий номинальный (см. Таблицу 1). Пусковой ток системы освещения, использующей обычные лампы накаливания, тоже может значительно превосходить его номинальное значение. Дело в том, что удельное электрическое сопротивление вольфрама, из которого изготавливают нити накаливания, в значительной степени зависит от температуры: при 20°C его значение составляет 55×10 -9 Ом×м, при 1727°C — 557х10 -9 Ом×м. Соответственно, пусковой ток будет примерно в 10 раз превосходить номинальный.

Что касается компьютеров и серверов, то для них значение Surge Factor обычно не превышает 1,5, и большинство ИБП имеют достаточную перегрузочную способность, чтобы гарантировать надежное включение и стабильную работу этих устройств. Если же в составе нагрузки имеется оборудование с большим пусковым током, то перегрузочную способность выбираемого ИБП следует изучить самым тщательным образом.

Проанализировав рассмотренные в статье факторы, не забудьте еще и о том, что для обеспечения устойчивой работы оборудования мощность ИБП следует выбирать «с запасом» – больше требуемой на 15-25%.

Качество электропитания в нашей электросети заставляет всерьез задуматься о выборе источника бесперебойного питания. Проблемы в сети могут быть незначительного характера, но могут и перерасти в настоящую катастрофу для организаций, пользователей персональных компьютеров и для промышленных объектов. Могут случаться и пропадание питания, и завышенное напряжение, и импульсные радиопомехи. Вот почему так необходимо порой найти точную, полную информацию о принципах работы и типах конкретных ИБП.

Ниже приводится основной список технических характеристик и электрических параметров ИБП.

Номинальное значение входного напряжения: для однофазных ИБП это 220В, для трехфазных - 380 В.

Допустимые отклонения от номинального входного напряжения - это диапазон, в котором ИБП работает в сетевом режиме, при выходе из которого, ИБП переходит в автономный режим.

Номинальной входной полной мощностью является мощность сети в нормальных условиях эксплуатации при полном коэффициенте нагрузки

Номинальная входная активная мощность - это потребление энергии на входе ИБП при номинальной нагрузке.

Максимальный входной ток – это внешний автомат защиты источника бесперебойного питания.

Величина пускового тока – это скачек входного тока от заряда накопительных конденсаторов при включении ИБП.

Выходной коэффициент мощности – это коэффициент мощности нагрузки обеспечивающий наибольшую энергоэффективность потребления от ИБП.

Номинальная полная выходная мощность - полная мощность, подаваемая на ИБП при обычных условиях эксплуатации.

КПД - отношение выходной активной мощности, потребляемой нагрузкой, к входной активной мощности, потребляемой источником бесперебойного питания из сети.

Ток короткого замыкания инвертора зависит от перегрузочных способностей источника бесперебойного питания.

Предельное время работы ИБП определяется энергией заряженной аккумуляторной батареи при отсутствии питании.

Время восстановления заряда аккумуляторной батареи – время, требующееся аккумуляторной батарее для полного перезаряда, пока происходит переход из автономного режима в сетевой (прямо пропорционально емкости батареи).

Существуют два основных типа ИБП.

ИБП резервного типа (Off-line, Back UPS, Standby, Passive Standby) оснащены резервной схемой обеспечения, которая переключается автоматически в случае сбоев. Обычно питание подается от внешней электрической сети напрямую, при этом фильтруются скачки напряжения и электромагнитные наводки. Если показатели электропитания выше стандартных, или отключается электричество, то оборудование автоматически начинает получать питание от встроенных аккумуляторов через встроенный инвертор. При устранении сбоев напряжения и восстановлении до стандартных значений, опять происходит переход на питание от первичной внешней электросети.

Линейно-интерактивный тип ИБП обеспечивает стабильное напряжение на выходе, а частота на входе и выходе совпадает. Принцип работы данного типа подразумевает под собой, что инвертор ИБП подключен параллельно к электрической сети и работает в двух режимах: анализ качества электропитания в сети, регулировка и стабилизация выходного напряжения ИБП. При этом батареи заряжаются. Кроме того, в линейно-интерактивных ИБП есть аппаратные узлы, расширяющие диапазон входного напряжения (основу составляет автотрансформатор с переключаемыми обмотками). Напряжение на выходах удерживается на требуемом уровне без перехода на питание от батарей. Происходит реакция на изменения во входной электросети, выходное напряжение регулируется.

Расчёт мощности ИБП.

Для расчета мощности ИБП необходимо прежде всего определиться с оборудованием, которое нужно защитить от перепадов энергии, определить суммарное номинальное потребление энергии, понять, есть ли нагрузка с пусковыми токами.

· Рассчитать время автономной работы нагрузки.

· Определить перечень защищаемого оборудования;

· Определить суммарное номинальное потребление оборудования;

· Определить, есть ли у Вас нагрузка с пусковыми токами (электродвигатели, кондиционеры, насосы). Кондиционер часто имеет пусковой ток 3-5 номинального потребления, обычный асинхронный двигатель до 6-8 номинального потребления. Посчитать потребление нагрузки с учетом пусковых токов;

· Определить необходимое время автономной работы нагрузки;

· Подумать, будет ли расти нагрузка в ближайшее время и надо ли на это учесть в расчетах;

· Подумать, нужна ли отказоустойчивая система бесперебойного питания N+1/.

Мощность ИБП без резервного модуля определяется путем выбора большего: сумма номинальной нагрузки и роста, умноженная на 1,2 (учитываем загрузку ИБП на 80%) или же ИБП с учетом перегрузки, покрывающий пусковые токи нагрузки (перегрузочную способность будем считать равной около 110-120%).

Допустим, у нас есть персональный компьютер с мощностью блока питания 400 Вт, монитор 40 Вт, акустическая система 5 Вт, принтер 17 Вт. Итого: 462 Вт. Полную мощность (в вольт-амперах) составит 462×1,4= 647 В·А (1 В·А равен 1,4 Вт).

В целом же мощность ИБП должна соответствовать совокупной мощности всех устройств, запитанных от него. И нужно помнить также о запасе по мощности, хотя бы в 20-30%. Очевидно, что чем больше емкость аккумулятора - тем дольше время автономной работы ИБП.

В мощных промышленных котлах могут быть два и более насосов. Котел с одним насосом потребляет при включенном насосе 90-150Вт, ему достаточно стабилизатора или ИБП мощностью до 300 Вт. Соответственно, есть два насоса в системе, необходим ИБП как минимум 400-500Вт.

Для расчета мощности ИБП для ЦОД не всё так просто. Необходимо понять какой уровень отказоустойчивости вам нужен. Он же включает в себя время простоя в год, схему резервирования.

Примерный расчет потребления электроэнергии приведен в таблице 1.

Потребляемая мощность, Вт/кв, фут

Среднее потребление на 1 стойку, кВт

20−35 стоек, в каждой по 8−12 серверов

40−80 стоек, в каждой по 12−18 серверов

Более 60 стоек, в каждой по 20−40 серверов

Расчет времени автономной работы ИБП.

Расчёт по упрощённой формуле:

Т ар = (С ак * U ак * N) / Р наг,

Т ар - Время автономной работы, час;
С ак- Ёмкость одного аккумулятора, А*ч;
U ак- Напряжение одного аккумулятора, В;
N г- Количество групп аккумуляторов;
Р наг - Постоянная мощность нагрузки, Вт.

Расчёт времени автономной работы ИБП по уточнённой формуле:

Т ар = (С ак * U ак * N аг * N г * КПД * К г * К т *К вр) / Р наг,

Т ар - Время автономной работы, час;
С ак- Ёмкость одного аккумулятора, А*ч;
U ак- Напряжение одного аккумулятора, В;
N аг- Количество аккумуляторов в группе;
N г- Количество групп аккумуляторов;
КПД- Коэффициент полезного действия ИБП;
К г- Коэффициент глубины разряда батарей, принимается равным 0,8 – 0,9 в зависимости от типа и изношенности батарей;
К т- Коэффициент, зависящий от температуры, при которой эксплуатируются аккумуляторные батареи (при температуре 25 °С принимается равным 1, при температуре 0 °С принимается равным 0,88);
К вр- Коэффициент, зависящий от времени разряда аккумуляторных батарей. При 10-ти часовом разряде принимается равным единице;

Р наг - постоянная средняя мощность нагрузки, Вт.

Оптимальный аккумулятор для ИБП.

Существует несколько видов аккумуляторов.

· Никелево-кадмиевые (маленький весу и размер, применимы в электронных устройствах, обладают высокой энергетической плотностью, осуществляется до 1500 перезарядок, имеет низкий саморазряд, не дороги, надежны).

· Никелево-металлогидридные сложны в эксплуатации. Обладают высокой удельной емкостью, стабильны в работе, имеют большую энергетическую плотность, не снижает уровень емкости, но способны на малое число циклов заряда / разряда, дороги в цене, имеют более узкий температурный режим работы.

· Литиево-ионные аккумуляторы для ИБП имеют большую удельную емкость, малый вес и размер, надежны, обладают большой энергетической плотностью (около 100 Вт*ч/кг), низкой скоростью саморазряда (около пяти процентов в месяц), недороги в обслуживании. Сами по себе они стоят дорого. Обладают эффектом старения, необходимо использовать специальные зарядные устройства.

· Свинцово-кислотные аккумуляторы для ИБП наиболее распространены, так как они надежны, не дороги, просты в обслуживании, выдерживают тяжелые климатические условия, их можно многократно заряжать.

Чтобы вычислить максимальную мощность ИБП нужно перемножить номинальную мощность ИБП и коэффициент мощности. В итоге можно получить число, показывающее максимальную активную мощность, которую сможет обслуживать источник бесперебойного питания. Коэффициент мощности нагрузки (Power Factor, P) определяет, какая часть мощности, предоставляемой источником электроэнергии, действительно потребляется оборудованием (активная мощность). Как правило, P вычисляется как отношение поглощаемой нагрузкой активной мощности (измеряется в ваттах, Вт) к полной поступающей мощности (измеряется в вольт-амперах, ВА):

коэффициент мощности (Р) = активная мощность (Вт)/полная мощность (ВА).

Расчет времени резерва питания нагрузки от ИБП. Как выбрать оптимальную конфигурацию ИБП для организации бесперебойного питания оборудования и бытовых приборов в доме.

Порой нелегко подобрать конфигурации источника бесперебойного питания для той или иной задачи. Во-первых, нужно знать общую мощность всех потребителей энергии, для которых нужно будет обеспечить бесперебойное питание. Далее следует выбрать ИБП, мощность которого составит примерно на 20 % больше максимального значения нагрузки. Потом необходимо собрать данные о емкости внешних аккумуляторных батарей, учитывая нужное время резервирования.

Лучше всего, если есть возможность распределить нагрузку на потребляющие группы, а далее исходить уже из того, какие потребители будут наиболее важны и приоритетны. Если Вам предстоит выбрать определенную конфигурацию ИБП и аккумуляторов для них, то необходимо помнить, что, если запас мощности будет увеличен, то это не значит, что длительности запаса будет тоже увеличиваться. Выбирая ИБП мощнее, Вы повышаете мощность нагрузки, а для продления времени резерва нужно повышать емкость внешних аккумуляторных батарей.

Расчета времени резерва ИБП.

Здесь нужно знать два параметра: мощность полезной нагрузки и общую емкость всех аккумуляторных батарей. В большинстве случаев этого хватит, чтобы рассчитать время резерва:

T=E*U/P (часов),

где: Е - емкость аккумуляторов, U - напряжение аккумуляторов, Р - мощность нагрузки всех подключаемых приборов.

Другой, более точной формулой расчета послужит формула:

T = E * U / P * KPD * KRA * KDE (часов),

где KPD (коэффициент полезного действия инвертора, не выходящий за рамки 0,7—0,8);

KRA (коэффициент разряда аккумуляторов, не выходящий за рамки 0,7—0,9);

KDE (коэффициент доступной емкости, не выходящий за рамки 0,7—1,0).

Так же, можно воспользоваться готовыми таблицами значения времени резерва производителей ИБП.

Как увеличить время резервного питания нагрузки.

Существует несколько вариантов увеличения резервного питания нагрузки.

Первый – повышение емкости внешних батарей, что ведет, увы, к покупке дорогих аккумуляторов для заряда, плюс затраты на помещение с соответствующими требованиям условиями для хранения батарей.

Второй – понижение нагрузки. Разбиваем нагрузку на группы и, исходя из этого, обеспечиваем питание для каждой из них.

И, наконец, третий способ – это обслуживание батарей ИБП и его качество. Существует ряд правил, которых необходимо придерживаться для оптимальной работы источников бесперебойного питания (чистота, температура и т. д.). Не стоит забывать об обслуживании аккумуляторов (заряд/ разряд, контроль срока службы, своевременная замена).

Читайте также: