Как рассчитать время работы ибп
Обновлено: 04.07.2024
Точный расчет времени автономной работы от аккумулятора при помощи математических выкладок занятие нетривиальное. В связи с этим, мы упростили задачу, реализовав алгоритм расчета в калькуляторах:
Однако давайте рассмотрим подходы к определению времени автономной работы.
1) Простая формула
Т = E • U / P
- Е - емкость аккумулятора в Ач
- U - напряжение
- P - мощность нагрузки в Вт.
Это сильно упрощенная формула, которая дает очень приблизительный результат при разрядах в диапазоне 5-15 часов. Подходит для того, чтобы быстро в уме прикинуть время автономии. Алгоритм не учитывает снижение энергоотдачи АКБ на коротких разрядах и увеличение на длинных, а также различные коэффициенты.
Существует усовершенствованная формула с коэффициентами:
Т = Uаб * Сак * К * h * Кр * Кg / Рнагр
Этот алгоритм даёт относительно точные результаты, но для длительных разрядов от 1 часа и выше. На коротких разрядах результаты могут быть сильно искаженными из-за нелинейной функции разряда свинцово-кислотных АКБ. Похожий метод мы использовали в статье Расчет автономной работы потребителя от аккумуляторов.
2) Формула Пекерта
T=Cp/I^ n
На базе этой формулы с учетом КПД инверторов и глубины разряда основаны наши калькуляторы. Они с высокой точностью рассчитывают время автономии как на коротких, так и на длинных разрядах.
3) Расчет по таблицам из спецификаций АКБ
Профессионально и точно можно рассчитать время автономии используя разрядные таблицы аккумуляторов. Опишем алгоритм по шагам:
Шаг 1. Расчет полной мощности в мощность нагрузки на аккумуляторы
Ракб= (Pнагр*cos(φ)*Кнагр)/КПДинв
Для примера возьмем ИБП мощностью 120кВа работающий на нагрузке 70% с коэффициентом мощности 0.8:
Ракб= (120000*0,8*0,7)/0,94=71 489Вт - именно эта нагрузка ляжет на весь аккумуляторный банк при питании ИБП от АКБ.
Шаг 2. Расчет нагрузки на один аккумулятор
Пересчитаем нагрузку на один АКБ. Как правило, в крупных ИБП аккумуляторы соединяются последовательно кол-вом 32-40шт. Для расчета нагрузки на на одну батарею при 40АКБ:
71 489Вт/40=1 788Вт.
В дата-листе аккумуляторов как правило указывается мощность на элемент (Pэл), которых 6шт. в 12В АКБ. Следовательно:
Pэл = 1788/6 = 298Вт.
Шаг 3. Изучение разрядных таблиц батарей и подбор.
В статье Как правильно выбрать аккумулятор для ИБП мы рассматривали подвиды аккумуляторов в разрезе различного целевого использования. Одна из базовых характеристик – это энергоотдача, т.е. сколько способен отдать мощности АКБ за определенное время.
Давайте посмотрим разрядные таблицы 100Ач аккумуляторов Delta двух различных серий.
Delta DTM 12100 l:
Delta HRL 12100:
4) Проведение реальных разрядов
Конечно, идеальным является проведение реальных разрядных тестов. Необходимо учитывать, что аккумуляторы набирают максимальную емкость к 10-му циклу заряда-разряда.
Сначала нужно определить среднюю мощность подключенного к UPS оборудования в ваттах. Нам нужно узнать именно среднее (за время работы UPS от аккумулятора) потребление. Оно может отличаться от максимальной или номинальной мощности, указанной в описаниях оборудования.
Второй пример. Подключенный к UPS холодильник имеет компрессор с электрической мощностью 200 Вт, но включается этот компрессор один раз в 10 минут и работает 2 минуты. В этом случае, среднее потребление будет равно:
200 Вт / 10 мин. * 2 мин. = 40 Вт
Если для холодильника указано годовое потребление энергии в киловатт-часах, (например, 270 кВт*час в год), то для расчета средней мощности эту величину нужно разделить на 9:
P = 270 / 9 = 30 Вт
Нас интересует средняя активная мощность оборудования, питающегося от UPS, т.е. мощность, выраженная в ваттах (Вт), а не в вольт-амперах (ВА). Если известна только полная мощность (в ВА), то ее нужно умножить на коэффициент от 0.6 до 1.0 в зависимости от характеристик оборудования.
Расчет суммарной емкости аккумулятора UPS
Обычно аккумуляторная батарея UPS состоит из нескольких одинаковых герметичных свинцовые кислотных аккумуляторов. В частном случае, такой аккумулятор может быть один.
Нам нужно найти суммарную емкость аккумуляторной батареи UPS. Для этого умножим общее количество аккумуляторов на емкость одного аккумулятора.
Например, UPS имеет встроенную аккумуляторную батарею, состоящую из 2-х герметичных свинцовых кислотных аккумуляторов емкостью 17 А*час и напряжением 12 вольт. Кроме того, к UPS подключен один внешний батарейный блок с четырьмя такими же аккумуляторами. Тогда суммарная емкость аккумуляторной батареи UPSбудет равна:
C = 17 А*час * (2 + 4) = 102 А*час
Расчет времени работы UPS, ИБП, от аккумулятора (аккумуляторной батареи)
Теперь мы готовы рассчитать время работы UPS от аккумуляторной батареи:
T [час] = C [А*час] * V [В] * η / P [Вт],
Для рассмотренных примеров (компьютер средней мощностью 120 Вт и UPS с двумя встроенными 12-вольтовыми аккумуляторами на 17 А*час и внешней аккумуляторной батареей из четырех таких же аккумуляторов) имеем:
T = 102 А*час * 12 В * 0.85 / 120 Вт = 8.67 час = 8 час 40 мин
Как мы видим, время работы UPS от аккумуляторной батареи не зависит ни от мощности UPS (ИБП), ни от суммарного напряжения его аккумуляторной батареи. Поэтому, для увеличения времени работы UPS от аккумуляторной батареи нужно не выбирать UPS большей мощности, а выбирать UPS (ИБП), у которого больше суммарная емкость аккумуляторов.
Очень важная поправка
Для точного расчета времени работы UPS от аккумуляторной батареи, нужно использовать точные значения КПД инвертора UPS при данной мощности и разрядные кривые данного типа аккумуляторов.
Определение необходимого времени автономной работы ИБП
Учитывая возможность отключения внешнего электропитания дома, необходимо знать (определить) расчётное время автономной работы источника бесперебойного питания котла отопления. Причин, по которым может пропасть напряжение в сети, достаточно много. Это может быть авария на линиях электропередач, авария на трансформаторной подстанции, обрыв подводящих линий электросети, замыкание проводки внутри дома, существенные искажения параметров поставляемого тока, переход поставщика энергии на графики временных отключений потребителей.
Однако, какой бы ни была причина отключения электроэнергии, необходимо обеспечить эффективное и надёжное электропитание отопительного оборудования. Остановка системы отопления в зимнее время может привести к размораживанию системы и большим расходам по её ремонту и ремонту помещений.
Длительность отключений электроэнергии существенно различается в разных районах города или в разных поселениях. Для примерной оценки времени возможных отключений нужно провести длительные наблюдения или опрос соседей.
Если длительность отключений не превосходит одних суток, то задачу обеспечения бесперебойным электропитанием системы отопления можно решить с помощью установки нужного ИБП. Если длительность отключений превосходит сутки, то для решения задачи бесперебойного питания лучше использовать комбинацию двух приборов: ИБП и электрогенератор.
Расчёт времени автономной работы ИБП системы отопления дома
После того, как мы определились с желаемой длительной автономной работы системы отопления, можно переходить к проектированию системы бесперебойного питания отопительного оборудования.
На этом этапе нужно определить общую электрическую мощность всех приборов системы отопления, для которых необходимо обеспечивать автономное электропитание.
Точное значение электрической мощности отопительного оборудования можно найти в технических паспортах данных приборов. Для расчёта конфигурации источника бесперебойного питания и времени его автономной работы можно использовать приблизительные значения мощности приборов.
Электрическая мощность настенных газовых котлов отопления обычно находится в диапазоне от 100 до 200 Вт.
Электрическая мощность напольных газовых котлов отопления обычно находится в диапазоне от 50 до 150 Вт.
Электрическая мощность внешних циркуляционных насосов обычно находится в диапазоне от 50 до 200 Вт.
Значения некоторых популярных котлов отопления вы найдёте в статье Электрическая мощность настенных и напольных газовых котлов.
Аналитический метод расчета времени автономной работы бесперебойника для котла
Длительность автономной работы ИБП с внешними аккумуляторными батареями зависит в первую очередь от общей ёмкости всех АКБ. Фактически, при работе ИБП происходит перевод энергии заряда аккумуляторных батарей в электрическую энергию с напряжением 220 Вольт. Так как инвертор бесперебойника не является абсолютно идеальным прибором и имеет потери, то необходимо учитывать коэффициент его полезного действия. Кроме того, аккумуляторные батареи не могут высвободить все 100 % энергии, нужно учитывать коэффициент доступной ёмкости АКБ.
С учетом этих коэффициентов формула расчёта принимает следующий вид:
T = E * U / P * KPD * KDE (часов),
где E — ёмкость всех подключенных АКБ, U — напряжение АКБ, P — мощность нагрузки, KPD примерно равен 0,8, KDE равен примерно 0,9.
Коэффициенты доступной ёмкости и полезного действия не являются фиксированными величинами. Эти коэффициенты зависят от скорости расхода энергии, от температуры и влажности воздуха.
Приведём несколько примеров расчётов времени автономной работы ИБП:
- Используются АКБ напряжением 12 Вольт и ёмкостью 60 Ач. ИБП осуществляет питание настенного котла отопления электрической мощностью 150 Вт.
В этом случае получаем время автономной работы ИБП:
T = 60 х 12 / 150 х 0,8 х 0,9 = 3,5 ч - Используются АКБ напряжением 12 Вольт и ёмкостью 150 Ач. ИБП осуществляет питание настенного котла отопления электрической мощностью 150 Вт.
В этом случае получаем время автономной работы ИБП:
T = 150 х 12 / 150 х 0,8 х 0,9 = 8,6 ч - Используются два АКБ напряжением 12 Вольт и ёмкостью 150 Ач. ИБП осуществляет питание настенного котла отопления электрической мощностью 150 Вт.
В этом случае получаем время автономной работы ИБП:
T = 2 х 150 х 12 / 150 х 0,8 х 0,9 = 17,2 ч - Используются два АКБ напряжением 12 Вольт и ёмкостью 120 Ач. ИБП осуществляет питание напольного котла отопления электрической мощностью 50 Вт и двух циркуляционных насосов мощностью 100 Вт каждый.
В этом случае получаем время автономной работы ИБП:
T = 2 х 120 х 12 / (50 + 2 х 100) х 0,8 х 0,9 = 8,3 ч - Используются три АКБ напряжением 12 Вольт и ёмкостью 200 Ач. ИБП осуществляет питание напольного котла отопления электрической мощностью 50 Вт и трех циркуляционных насосов мощностью 100 Вт каждый
В этом случае получаем время автономной работы ИБП:
T = 3 х 200 х 12 / (50 + 3 х 100) х 0,8 х 0,9 = 14,8 ч - Используются три АКБ напряжением 12 Вольт и ёмкостью 200 Ач. ИБП осуществляет питание настенного котла отопления электрической мощностью 130 Вт
В этом случае получаем время автономной работы ИБП:
T = 3 х 200 х 12 / 130 х 0,8 х 0,9 = 40 ч
Использование таблиц для расчёта времени автономного бесперебойного питания
Для расчёта времени резерва источников бесперебойного питания для систем отопления можно использовать специальную таблицу. Таблица составлена на основе использования формулы расчёта времени автономной работы ИБП. При расчёте данных использовались следующие значения вспомогательных коэффициентов: КПД источника бесперебойного питания 80%, коэффициент доступной ёмкости аккумуляторной батареи 90%.
Таблица расчёта времени автономной работы ИБП для котлов отопления по общей ёмкости подключенных АКБ в зависимости от величины полезной нагрузки.
| Общая ёмкость и напряжение АКБ | Нагрузка 100 Вт | Нагрузка 150 Вт | Нагрузка 200 Вт | Нагрузка 300 Вт | Нагрузка 400 Вт | Нагрузка 500 Вт |
| 40 Ач, 12 В | 3,5 ч | 2,3 ч | 1,7 ч | - | - | - |
| 60 Ач, 12 В | 5,2 ч | 3,5 ч | 2,6 ч | - | - | - |
| 100 Ач, 12 В | 8,6 ч | 5,8 ч | 4,3 ч | 2,9 ч | 2,2 ч | 1,7 ч |
| 150 Ач, 12 В | 13 ч | 8,6 ч | 6,5 ч | 4,3 ч | 3,2 ч | 2,6 ч |
| 200 Ач, 12 В | 17,3 ч | 11,5 ч | 8,6 ч | 5,8 ч | 4,3 ч | 3,5 ч |
| 300 Ач, 12 В | 25,9 ч | 17,3 ч | 13 ч | 8,6 ч | 6,5 ч | 5,2 ч |
| 400 Ач, 12 В | 34,6 ч | 23 ч | 17,3 ч | 11,5 ч | 8,6 ч | 6,9 ч |
| 500 Ач, 12 В | 43,2 ч | 28,8 ч | 21,6 ч | 14,4 ч | 10,8 ч | 8,6 ч |
| 600 Ач, 12 В | 51,8 ч | 34,6 ч | 25,9 ч | 17,3 ч | 13 ч | 10,4 ч |
Примечание: ориентировочное время резерва указано при следующих условиях:
- АКБ полностью заряжена;
- температура АКБ +25 °С;
- фактическая ёмкость АКБ соответствует номиналу, указанному на АКБ.
Указано время для НЕПРЕРЫВНОГО режима работы. В циклическом режиме работы время увеличится пропорционально.
Время работы в значительной степени может отличаться от полученных значений в зависимости от типа производителя АКБ, а также от остаточной ёмкости АКБ.
При выборе ИБП для котла отопления следует учитывать следующие параметры:
- максимальную полную мощность подключаемой полезной нагрузки с учётом реактивной нагрузки;
- максимальную разрешенную ёмкость подключаемых АКБ;
- время заряда батарей указанной ёмкости.
Более точные таблицы расчёта длительности резерва источника бесперебойного питания для систем отопления вы найдёте в технических спецификациях специализированных ИБП в разделе Источники бесперебойного питания.
Надёжная защита компьютеров, работоспособность и долгий срок службы источников бесперебойного питания (ИБП) зависят от правильно подобранной мощности ИБП по отношению к нагрузке. В этом посте мы рассмотрим простые правила подбора ИБП по мощности — они помогут и сэкономить бюджет, и остаться уверенным, что эти устройства обеспечат защиту в случае внезапного сбоя или отключения электроснабжения.
Расчёт нагрузки при выборе мощности ИБП
При подборе ИБП оперируют тремя величинами:
- мощность нагрузки,
- номинальная мощность ИБП,
- требуемое время автономной работы ИБП от батареи.
С определением мощности нагрузки всё относительно просто — суммируется мощность всех устройств, которые планируется подсоединить к одному ИБП (обычно это группа устройств, расположенных рядом друг с другом). Затем полученные цифры суммируются по всем ИБП, обслуживающих такие группы устройств. Мощность, потребляемую мониторами, принтером, колонками, роутером, внешним дисководом и т.д., можно найти на этикетках устройств. Для ПК или сервера берётся мощность указанная на блоке питания.
Знатоки скажут, что это весьма приблизительный подсчёт нагрузки, поскольку в разных режимах потребляемая мощность каждого устройства может существенно отличаться от той, что указана на этикетках или в спецификациях на блоки питания. Это будет абсолютной правдой, но они же согласятся, что таким образом определяется мощность «по верхнему пределу потребления». Если реальная мощность нагрузки в результате окажется ниже рассчитанной, то ничего плохого не случится.
Дальше идёт первый нюанс — он связан с номинальной мощностью ИБП: обычно она указывается в вольт-амперах (В·А) и выносится в виде цифр в название модели ИБП. Например, модель ИБП Eaton 5P 850 имеет номинальную мощность 850 В·А. При этом мощность нагрузки подсчитывается в ваттах (Вт), так как именно в ваттах маркируются блоки питания компьютеров, мониторов и других ИТ-устройств. Удобные онлайн-калькуляторы пересчёта «В·А в Вт» есть в интернете. Если же вы хотите пересчитать самостоятельно, можно воспользоваться следующей формулой:
Активная мощность (ватты) = Полная мощность (вольт-амперы) × Коэффициент мощности (Cos φ)
Второй нюанс состоит в том, что неизвестной величиной в этой формуле будет коэффициент мощности (Cos φ). И, кстати, в онлайн-калькуляторе тоже потребуется указать значение этого параметра. Для измерения «косинуса фи» для конкретного устройства существуют специальные приборы, называемые фазометрами. Но в малом бизнесе столь точные расчеты Cos φ обычно никто не проводит. Как правило, пользуются оценочными значениями Cos φ, характерными для данного типа устройств.
Так, для типового ПК эта величина составляет 0,7, и именно с этим коэффициентом указана мощность ИБП в ваттах в каталогах Eaton.
А какой Cos φ у современных серверов, систем хранения данных и сетевого оборудования (коммутаторов, маршрутизаторов и прочего)? В них используются блоки питания с коррекцией коэффициента мощности, поэтому его значение приближается к единице (1,0). Принято считать, что такое оборудование является нагрузкой с небольшой ёмкостной составляющей, и коэффициент мощности принимают равным 0,95.
Отдельным вопросом является использование таких блоков питания с ИБП – при их использовании требуется выбрать ИБП бОльшей мощности, особенно, если ИБП выдает не чистую синусоиду напряжения на выходе, а меандр.Также могут возникнуть дополнительные требования к ИБП, связанные с принципом работы таких источников. Тема требует отдельной статьи, и таких статей уже написано множество.
Следующий параметр, значение которого следует знать перед выбором мощности ИБП — это желаемое время работы ИБП в режиме «от батарей». В каталоге для каждой модели ИБП приводится оценочное время автономной работы при нагрузке 50% и 70% от номинальной мощности.
Узнать мощность нагрузки можно с помощью самого ИБП. Источник: Eaton
Обычно для корректного завершения работы операционной системы на компьютерах достаточно 5 минут, особенно если автоматизировать этот процесс посредством программного обеспечения мониторинга и управления ИБП — стороннего или от производителя ИБП (например, Eaton Intelligent Power Manager). Однако если требуется значительно большее время на поддержание работы компьютеров, то следует выбирать более мощные модели ИБП или даже докупать и устанавливать дополнительные внешние батареи. Такие внешние батареи доступны для моделей ИБП, работающих в корпоративном секторе.
Давайте выполним пример расчёта мощности ИБП для защиты электропитания двух современных серверов, позиционируемых как «серверы для малого бизнеса» с блоками питания по 200 Вт (то есть общая мощность двух серверов — 400 Вт). Низкая мощность блоков питания объясняется тем, что в таких серверах нет никаких движущихся частей, кроме вентиляторов охлаждения. Дисковая память реализована на SSD и нет CD-дисковода. Да, и ещё предполагается, что мощных видеокарт тоже нет.
При коэффициенте мощности 0,95 и ориентации на 70-процентную нагрузку от номинальной мощности получим, что требуется ИБП не менее, чем на 600 В·А: (400 ÷ 0,95) ÷ 0,7. Таким требованиям удовлетворит, скажем, ИБП Eaton 5P 650 в корпусе «башня» или «для стойки, 1U». Согласно каталогу, время автономной работы такого источника будет порядка 6 минут. Однако если вы не уверены, что точно знаете коэффициент мощности БП вашего сервера, то лучше ориентироваться на стандартное значение 0,7, а не на близкое к идеальному 0,95. Тогда наш расчёт (400 ÷ 0,7) ÷ 0,7 даст требуемую мощность ИБП 816 В·А. Следовательно, следует выбрать следующую по мощности модель ИБП Eaton 5P 850. Всегда лучше выбирать ИБП с запасом, т.к. время автономной работы в каталогах указано приблизительно и может варьироваться в зависимости от реальной нагрузки, возраста батареи и уровня её заряда, температуры окружающей среды.
Заметим тут же, что ИБП, как и любой компонент системы электропитания (к примеру, трансформатор), должен быть рассчитан на полную мощность нагрузки. Поэтому в нормальном режиме линейно-интерактивный ИБП работает через автотрансформатор и приведенная выше методика справедлива. Но при работе от батареи преобразуется только активная составляющая, поэтому необходимо учитывать номинальную активную мощность ИБП. Для ИБП Eaton 5-й серии это значение обычно подсчитывается как S·0,6 (0,7). Для класса онлайн-ИБП в любом режиме (кроме байпаса) необходимо учитывать и активную мощность, и полную, и разрешенный диапазон коэффициента мощности нагрузки.
Мониторинг и управление шатдауном нагрузок
После того, как расчёты сделаны, ИБП куплен и нагрузка подключена, в процессе эксплуатации желательно контролировать реальный уровень нагрузки. Это можно делать, используя служебный дисплей ИБП или с помощью ПО удалённого мониторинга. На основании этих наблюдений, сделанных при разных режимах работы нагрузок, можно окончательно определить, правильно ли подобрана мощность ИБП для защищаемых устройств.
Скриншот ПО управления ИБП. Источник: Eaton
Для удалённого мониторинга нагрузок Eaton предлагает компаниям фирменное ПО управления системой бесперебойного электроснабжения Intelligent Power Manager (IPM).
Базовая версия на десять ИБП доступна бесплатно, для контроля большего числа источников потребуется платная лицензия. IPM обеспечивает удалённый контроль корпоративной инфраструктуры гарантированного энергоснабжения с любого компьютера с использованием веб-интерфейса. Кроме физических серверов, IPM поддерживает управление питанием виртуальных машин — можно автоматически завершать работу гипервизоров VMware, HyperV, RedHat KVM и Xen.
Читайте также: