>ИБП, стабилизаторы, аккумуляторы, приборы для проверки аккумуляторов

Свернуть менюРазвернуть меню



Тел.: (495) 600-07-68
        (495) 671-50-13
        (495) 797-56-24

заказ тестеров аккумуляторов

Пользуясь нашим сайтом, пожалуйста помните, что технические характеристики, дизайн и цены представленных здесь товаров могут быть изменены без уведомления.

Последние изменения на сайте сделаны 02.04.2014 г.

Размещенные на данном сайте тексты или изображения не могут быть размещены в интернете или опубликованы другим способом без прямого письменного разрешения ООО "А и Т Системы". При цитировании прямые ссылки на сайт обязательны.

А.А.Лопухин

Источники бесперебойного питания без секретов

Глава 6

ИБП с двойным преобразованием энергии (Double Conversion UPS)

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

ris-17.gif (2270 bytes)

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.

Работа от сети

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

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

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
Мощность

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.

Преимущества ИБП с двойным преобразованием
К положительным свойствам   ИБП с двойным преобразованием следует отнести следующие.

Хорошая защита от шумов и наносекундных импульсов.

Очень хорошая защита от искажений формы кривой напряжения и микросекундных импульсов.

Возможность работы в сетях с нестабильной частотой.

Самая лучшая плавная стабилизация напряжения с высокой точностью.

Возможность наращивания батареи практически для всех моделей ИБП.

Недостатки ИБП с двойным преобразованием

Как и для других ИБП, недостатки ИБП с двойным преобразованием вытекают из особенностей силовой схемы ИБП (и, к сожалению, вряд ли могут быть отделены от преимуществ).

Более высокая цена, по сравнению с другими типами ИБП (кроме феррорезонансного).

Повышенное тепловыделение,  по сравнению с другими типами ИБП (кроме феррорезонансного)..

Оглавление