Источник бесперебойного питания

ИБП башенного типа с одним входом IEC 60320 C14 и тремя C13. розетками

Электрики устанавливают большой ИБП масштаба центра обработки данных.

Источник бесперебойного питания ( ИБП ) или источник бесперебойного питания — это тип системы непрерывного электропитания , которая обеспечивает автоматическое резервное электропитание нагрузки при выходе из строя источника входного питания или сетевого питания . ИБП отличается от традиционной системы вспомогательного / аварийного питания или резервного генератора тем, что он обеспечивает почти мгновенную защиту от перебоев в подаче электроэнергии путем переключения на энергию, хранящуюся в аккумуляторных блоках , суперконденсаторах или маховиках . Время работы от батареи большинства ИБП относительно невелико (всего несколько минут), но достаточно, чтобы «выиграть время» для включения резервного источника питания или правильного отключения защищаемого оборудования. Почти все ИБП также содержат встроенную защиту от перенапряжения , защищающую выходные устройства от скачков напряжения .

ИБП обычно используется для защиты оборудования, такого как компьютеры , центры обработки данных , телекоммуникационное оборудование или другое электрическое оборудование, где неожиданный сбой в подаче электроэнергии может привести к травмам, смертельным случаям, серьезным сбоям в работе бизнеса или потере данных . Размеры ИБП варьируются от устройств, предназначенных для защиты одного компьютера (номинальное напряжение около 200 вольт-ампер ), до крупных блоков, питающих целые центры обработки данных или здания.

Распространенные проблемы с питанием

Основная роль любого ИБП — обеспечить кратковременное питание при выходе из строя источника входного питания. Однако большинство ИБП также способны в той или иной степени устранять распространенные проблемы с электропитанием:

1. Скачок напряжения или устойчивое перенапряжение
2. Мгновенное или продолжительное снижение входного напряжения
3. Случай напряжения
4. Шум, определяемый как высокочастотный переходный процесс или колебание , обычно вносимый в линию близлежащим оборудованием.
5. Нестабильность частоты сети
6. Гармонические искажения , определяемые как отклонение от идеальной синусоидальной формы сигнала, ожидаемой на линии.

Некоторые производители ИБП классифицируют свою продукцию в соответствии с количеством проблем, связанных с питанием, которые они решают.

Блок ИБП также может создавать проблемы с качеством электроэнергии . Чтобы этого не произошло, ИБП следует выбирать не только по мощности, но и по качеству мощности, которое требуется питаемому оборудованию.

Технологии

Три основные категории современных систем ИБП — онлайновые , линейно-интерактивные и резервные :

• Онлайн-ИБП использует метод «двойного преобразования»: он принимает входной переменный ток, выпрямляется в постоянный ток для прохождения через аккумуляторную батарею (или комплекты батарей), а затем обратно инвертируется в 120 В/230 В переменного тока для питания защищаемого оборудования.
• Линейно-интерактивный ИБП поддерживает инвертор в рабочем состоянии и перенаправляет путь постоянного тока батареи из нормального режима зарядки в режим подачи тока при потере питания.
• В резервной («автономной») системе нагрузка питается напрямую от входной мощности, а схема резервного питания задействуется только в случае сбоя питания от сети.

Большинство ИБП мощностью менее одного киловольт -ампера (1 кВА) относятся к линейно-интерактивным или резервным типам, которые обычно дешевле.

Для крупных энергоблоков иногда применяют динамические источники бесперебойного питания (ДУПС). Синхронный двигатель/генератор переменного тока подключается к сети через дроссель . Энергия запасается в маховике . При отключении сетевого питания вихретоковое регулирование поддерживает мощность нагрузки до тех пор, пока не исчерпается энергия маховика. ДУПС иногда объединяют или интегрируют с дизель-генератором, который включается после небольшой задержки, образуя дизельный роторный источник бесперебойного питания (ДРУПС).

Автономный режим/режим ожидания

Автономный/резервный ИБП: зеленая линия показывает поток электроэнергии. Типичное время защиты: 5–20 минут. Расширение емкости: Обычно недоступно.

Автономный/резервный ИБП предлагает только самые базовые функции, включая защиту от перенапряжения и резервное питание от батареи. Защищаемое оборудование обычно подключается непосредственно к входящей электросети. Когда входное напряжение падает ниже или превышает заданный уровень, ИБП включает свою внутреннюю схему инвертора постоянного/переменного тока, которая питается от внутренней аккумуляторной батареи. Затем ИБП механически переключает подключенное оборудование на выход инвертора постоянного/переменного тока. Время переключения может достигать 25 миллисекунд в зависимости от количества времени, которое требуется резервному ИБП для обнаружения потери сетевого напряжения. ИБП предназначен для питания определенного оборудования, например персонального компьютера, без каких-либо нежелательных провалов или отключений питания этого устройства.

Линейно-интерактивный

Линейно-интерактивный ИБП: зеленая линия показывает поток электроэнергии. Типичное время защиты: 5–30 минут. Расширение мощности: несколько часов.

Линейно-интерактивный ИБП по работе аналогичен резервному ИБП, но с добавлением многоотводного автотрансформатора переменного напряжения . Это особый тип трансформатора , который может добавлять или убирать питаемые катушки провода, тем самым увеличивая или уменьшая магнитное поле и выходное напряжение трансформатора. Это также может быть выполнено с помощью повышающе-понижающего трансформатора , который отличается от автотрансформатора, поскольку первый может быть подключен для обеспечения гальванической развязки .

Этот тип ИБП способен выдерживать постоянные провалы напряжения и скачки напряжения, не потребляя при этом ограниченную резервную мощность батареи. Вместо этого он компенсирует это, автоматически выбирая различные отводы мощности на автотрансформаторе. В зависимости от конструкции, замена отпайки автотрансформатора может вызвать очень кратковременный сбой выходной мощности, это может привести к тому, что ИБП, оснащенные сигнализацией о потере питания, на мгновение «пищат».

Это стало популярным даже в самых дешевых ИБП, поскольку в нем используются уже включенные компоненты. Главный трансформатор 50/60 Гц, используемый для преобразования сетевого напряжения в напряжение батареи, должен обеспечивать два немного разных коэффициента трансформации: один для преобразования выходного напряжения батареи (обычно кратного 12 В) в линейное напряжение, а второй для преобразования напряжение сети на несколько более высокое напряжение зарядки аккумулятора (например, кратное 14 В). Разница между этими двумя напряжениями заключается в том, что для зарядки аккумулятора требуется напряжение треугольника (до 13–14 В для зарядки аккумулятора 12 В). Кроме того, переключение на стороне сетевого напряжения трансформатора легче осуществить из-за меньших токов на этой стороне.

Чтобы получить функцию понижения/повышения , все, что требуется, — это два отдельных переключателя, чтобы вход переменного тока можно было подключить к одному из двух первичных отводов, а нагрузку подключить к другому, таким образом используя первичные обмотки основного трансформатора в качестве автотрансформатор. Аккумулятор все еще можно заряжать, «снимая» повышенное напряжение, но при «повышении» пониженного напряжения выходная мощность трансформатора оказывается слишком низкой для зарядки аккумуляторов.

Автотрансформаторы могут быть спроектированы так, чтобы охватывать широкий диапазон входных напряжений, но это требует большего количества отводов и увеличивает сложность, а также стоимость ИБП. Автотрансформатор обычно охватывает диапазон только от 90 В до 140 В для мощности 120 В, а затем переключается на батарею, если напряжение становится намного выше или ниже этого диапазона.

В условиях низкого напряжения ИБП будет потреблять больший ток, чем обычно, поэтому ему может потребоваться цепь с более высоким током, чем обычному устройству. Например, для питания устройства мощностью 1000 Вт при напряжении 120 В ИБП будет потреблять 8,33 А. Если произойдет падение напряжения и напряжение упадет до 100 В, ИБП будет потреблять 10 А для компенсации. Это также работает и в обратном порядке: в условиях перенапряжения ИБП потребуется меньший ток.

Онлайн/двойная конверсия

В онлайн-ИБП батареи всегда подключены к инвертору, поэтому переключатели передачи мощности не требуются. Когда происходит потеря мощности, выпрямитель просто отключается от цепи, а батареи поддерживают стабильное и неизменное питание. Когда питание восстанавливается, выпрямитель возобновляет передачу большей части нагрузки и начинает заряжать батареи, хотя зарядный ток может быть ограничен, чтобы предотвратить повреждение батарей выпрямителем высокой мощности. Основным преимуществом онлайн-ИБП является его способность обеспечивать «электрический брандмауэр» между входящей электроэнергией и чувствительным электронным оборудованием.

Онлайн-ИБП идеально подходит для сред, где необходима электрическая изоляция, или для оборудования, которое очень чувствительно к колебаниям напряжения. Хотя когда-то оно предназначалось для очень больших установок мощностью 10 кВт и более, теперь технологические достижения позволили сделать его доступным в качестве обычного потребительского устройства мощностью 500 Вт или меньше. Онлайн-ИБП может потребоваться, когда энергетическая среда «зашумлена», когда часты перебои в подаче электроэнергии, отключения и другие аномалии, когда требуется защита чувствительных нагрузок ИТ-оборудования или когда необходима работа от резервного генератора длительного действия.

Базовая технология онлайн-ИБП такая же, как и в резервном или линейно-интерактивном ИБП. Однако обычно он стоит намного дороже из-за того, что он имеет зарядное устройство / выпрямитель аккумулятора с гораздо большим током переменного тока в постоянный, а также выпрямитель и инвертор, предназначенные для непрерывной работы, с улучшенными системами охлаждения. Его называют ИБП с двойным преобразованием, поскольку выпрямитель напрямую управляет инвертором, даже при питании от обычного переменного тока.

Онлайн-ИБП обычно имеет статический переключатель резерва (STS) для повышения надежности.

Другие конструкции

Гибридная топология/двойное преобразование по требованию

Эти гибридные роторные ИБП проекты не имеют официальных обозначений, хотя одно из названий, используемое UTL, — «двойное преобразование по требованию». Этот тип ИБП предназначен для высокоэффективных приложений, сохраняя при этом функции и уровень защиты, предлагаемые двойным преобразованием.

Гибридный ИБП (двойное преобразование по требованию) работает как автономный/резервный ИБП, когда условия электропитания находятся в пределах определенного заданного диапазона. Это позволяет ИБП достигать очень высоких показателей эффективности. Когда условия электропитания выходят за пределы заранее заданных окон, ИБП переключается в режим онлайн/двойного преобразования. В режиме двойного преобразования ИБП может адаптироваться к изменениям напряжения без необходимости использования энергии аккумулятора, фильтровать сетевые помехи и регулировать частоту.

Феррорезонансный

Феррорезонансные блоки работают так же, как резервный блок ИБП; однако они работают, за исключением того, что феррорезонансный трансформатор для фильтрации выходного сигнала используется . Этот трансформатор предназначен для удержания энергии достаточно долго, чтобы покрыть время между переключением с сетевого питания на питание от батареи, и эффективно устраняет время переключения. Многие феррорезонансные ИБП имеют КПД 82–88% (переменный/постоянный-переменный ток) и обеспечивают отличную изоляцию.

Трансформатор имеет три обмотки: одну для обычного сетевого питания, вторую для выпрямленного питания от аккумуляторной батареи и третью для вывода переменного тока на нагрузку.

Когда-то этот тип ИБП был доминирующим, и его мощность ограничивалась примерно 150 кВА . Эти устройства до сих пор в основном используются в некоторых отраслях промышленности (нефтегазовая, нефтехимическая, химическая, коммунальная и тяжелая промышленность) из-за надежности ИБП. Многие феррорезонансные ИБП, использующие технологию контролируемых ферро, могут взаимодействовать с оборудованием, корректирующим коэффициент мощности. Это приведет к колебаниям выходного напряжения ИБП, но это можно исправить, уменьшив уровень нагрузки или добавив другие нагрузки линейного типа.

мощность постоянного тока

ИБП, предназначенный для питания оборудования постоянного тока, очень похож на онлайн-ИБП, за исключением того, что ему не требуется выходной инвертор. Кроме того, если напряжение батареи ИБП соответствует напряжению, необходимому устройству, источник питания устройства также не понадобится. Поскольку исключен один или несколько этапов преобразования энергии, это увеличивает эффективность и время работы.

Во многих системах, используемых в телекоммуникациях, используется » сверхнизкого напряжения ( « обычная батарея 48 В постоянного тока), поскольку к ней предъявляются менее строгие правила безопасности, например, при установке в кабелепроводах и распределительных коробках. Постоянный ток обычно был доминирующим источником питания для телекоммуникаций, а переменный ток обычно был доминирующим источником питания для компьютеров и серверов.

Было проведено много экспериментов с питанием постоянного тока 48 В для компьютерных серверов в надежде снизить вероятность сбоя и стоимость оборудования. Однако для подачи такого же количества мощности ток должен быть выше, чем в эквивалентной цепи на 115 В или 230 В; больший ток требует более крупных проводников или больше энергии теряется в виде тепла.

Высокое напряжение постоянного тока (380 В) находит применение в некоторых приложениях центров обработки данных и позволяет использовать силовые проводники небольшой мощности, но на него распространяются более сложные правила электротехнических норм для безопасного сдерживания высокого напряжения.

Для устройств с низким энергопотреблением, работающих от напряжения 5 В, некоторые портативные аккумуляторные батареи могут работать в качестве ИБП.

Роторный

Роторный ИБП использует инерцию вращающегося маховика большой массы ( накопитель энергии маховика ) для обеспечения кратковременной работы в случае потери мощности. Маховик также выполняет функцию буфера от скачков и провалов мощности, поскольку такие кратковременные силовые явления не способны заметно повлиять на скорость вращения маховика большой массы. Это также одна из старейших разработок, предшествовавшая электронным лампам и интегральным схемам.

Его можно считать находящимся в режиме онлайн, поскольку при нормальных условиях он вращается непрерывно. Однако, в отличие от ИБП с батарейным питанием, системы ИБП с маховиком обычно обеспечивают защиту в течение 10–20 секунд, прежде чем маховик замедлится и выходная мощность прекратится. Он традиционно используется вместе с резервными генераторами, обеспечивая резервное питание только на тот короткий период времени, который необходим двигателю для запуска и стабилизации его мощности.

Роторные ИБП обычно предназначены для приложений, требующих защиты мощностью более 10 000 Вт, чтобы оправдать затраты и получить выгоду от преимуществ ротационных ИБП. Маховик большего размера или несколько маховиков, работающих параллельно, увеличат резервное время работы или мощность.

Поскольку маховики являются механическим источником энергии, нет необходимости использовать электродвигатель или генератор в качестве посредника между ним и дизельным двигателем, предназначенным для обеспечения аварийной мощности. Используя коробку передач, инерцию вращения маховика можно использовать для непосредственного запуска дизельного двигателя. и после запуска дизельный двигатель можно использовать для непосредственного вращения маховика. Несколько маховиков также могут быть соединены параллельно через механические промежуточные валы без необходимости использования отдельных двигателей и генераторов для каждого маховика.

Они обычно предназначены для обеспечения очень высокого выходного тока по сравнению с чисто электронными ИБП и способны лучше обеспечивать пусковой ток для индуктивных нагрузок, таких как запуск двигателя или нагрузки компрессора, а также медицинского оборудования МРТ и катетеризации . Он также способен выдерживать короткое замыкание в 17 раз сильнее, чем электронный ИБП, что позволяет одному устройству перегореть и выйти из строя, в то время как другие устройства продолжают получать питание от роторного ИБП.

Его жизненный цикл обычно намного больше, чем у чисто электронного ИБП, до 30 лет и более. Но они требуют периодических простоев для механического обслуживания, например замены шарикоподшипников . В более крупных системах резервирование системы обеспечивает доступность процессов во время этого обслуживания. Конструкции на основе батарей не требуют простоев, если батареи можно заменять в горячем режиме , что обычно имеет место для более крупных устройств. В новых роторных агрегатах используются такие технологии, как магнитные подшипники и кожухи с откачкой воздуха, чтобы повысить эффективность работы в режиме ожидания и сократить объем технического обслуживания до очень низкого уровня.

Обычно маховик большой массы используется совместно с системой мотор-генератор . Эти устройства могут быть сконфигурированы как:

1. Двигатель, приводящий в движение механически связанный генератор,
2. Комбинированный синхронный двигатель и генератор, намотанный в чередующихся пазах одного ротора и статора.
3. Гибридный роторный ИБП, аналогичный онлайн-ИБП, за исключением того, что вместо батарей в нем используется маховик. Выпрямитель приводит в движение двигатель, который вращает маховик, а генератор использует маховик для питания инвертора.

В случае №3 двигатель-генератор может быть синхронным/синхронным или асинхронным/синхронным. Сторона двигателя агрегата в случаях № 2 и 3 может управляться напрямую от источника переменного тока (обычно в режиме байпаса инвертора), 6-ступенчатого привода двигателя с двойным преобразованием или 6-пульсного инвертора. В случае № 1 в качестве кратковременного источника энергии вместо батарей используется встроенный маховик, что дает время для запуска и ввода в эксплуатацию внешних электрически связанных генераторных установок. В случае № 2 и 3 в качестве кратковременного источника энергии можно использовать аккумуляторы или отдельно стоящий электрически соединенный маховик.

Форм-факторы

Небольшие системы ИБП бывают разных форм и размеров. Однако двумя наиболее распространенными формами являются башенный и стоечный.

Модели Tower стоят вертикально на земле, на столе или полке и обычно используются в сетевых рабочих станциях или настольных компьютерах. Модели для монтажа в стойку могут монтироваться в стандартные 19-дюймовые стойки, и им может потребоваться от 1U до 12U ( стойочные единицы ). Обычно они используются в серверных и сетевых приложениях. Некоторые устройства оснащены пользовательскими интерфейсами, которые поворачиваются на 90°, что позволяет устанавливать устройства вертикально на земле или горизонтально, как в стойке.

Приложения

Н + 1

В крупных бизнес-средах, где надежность имеет большое значение, один огромный ИБП также может стать единой точкой отказа, которая может вывести из строя многие другие системы. Для обеспечения большей надежности несколько модулей и батарей ИБП меньшего размера могут быть объединены вместе, чтобы обеспечить резервную защиту электропитания, эквивалентную одному очень большому ИБП. « N +1» означает, что если нагрузку можно обеспечить N модулями, то установка будет содержать N +1 модулей. Таким образом, выход из строя одного модуля не повлияет на работу системы.

Множественное резервирование

Многие компьютерные серверы предлагают возможность резервных источников питания , чтобы в случае сбоя одного источника питания один или несколько других источников питания могли питать нагрузку. Это критический момент — каждый источник питания должен быть способен самостоятельно питать весь сервер.

Резервирование дополнительно повышается за счет подключения каждого источника питания к отдельной цепи (т. е. к другому автоматическому выключателю ).

Резервную защиту можно расширить, подключив каждый источник питания к отдельному ИБП. Это обеспечивает двойную защиту как от сбоя источника питания, так и от сбоя ИБП, что гарантирует непрерывную работу. Эту конфигурацию также называют 1 + 1 или 2 N. резервированием Если бюджет не позволяет использовать два одинаковых блока ИБП, обычной практикой является подключение одного источника питания к сети , а другого к ИБП.

Наружное использование

Когда система ИБП размещается вне помещения, она должна иметь некоторые особенности, гарантирующие, что она выдержит погодные условия без какого-либо влияния на производительность. такие факторы, как температура, влажность При проектировании наружной системы ИБП производитель должен учитывать , дождь и снег. Диапазон рабочих температур для наружных систем ИБП может составлять от -40 °C до +55 °C .

Наружные системы ИБП могут быть установлены на столбе, на земле (пьедестале) или на хосте. Наружная среда может означать сильный холод, и в этом случае наружная система ИБП должна включать в себя нагревательный коврик для батареи, или сильную жару, и в этом случае наружная система ИБП должна включать систему вентилятора или систему кондиционирования воздуха.

Внутренний вид солнечного инвертора. Обратите внимание на множество больших конденсаторов (синие цилиндры), которые используются для кратковременного хранения энергии и улучшения формы выходного сигнала.

, Солнечный инвертор или фотоэлектрический инвертор , или солнечный преобразователь , преобразует переменный постоянный ток (DC) на выходе фотоэлектрической (PV) солнечной панели в (AC) промышленной частоты переменный ток , который можно подавать в коммерческую электрическую сеть или использовать локальная автономная электрическая сеть. Это важнейший BOS -компонент фотоэлектрической системы , позволяющий использовать обычное оборудование с питанием от переменного тока. Солнечные инверторы имеют специальные функции, адаптированные для использования с фотоэлектрическими батареями, включая отслеживание точки максимальной мощности и защиту от изолирования .

Гармонические искажения

Форма выходного сигнала ИБП (желтый) в сравнении с сигналом нормальной мощности 120 В переменного тока, 60 Гц (фиолетовый)

Выходная мощность некоторых электронных ИБП может существенно отличаться от идеальной синусоидальной формы сигнала. Особенно это касается недорогих однофазных агрегатов потребительского класса, предназначенных для домашнего и офисного использования. В них часто используются простые импульсные источники питания переменного тока, а выходной сигнал напоминает прямоугольную волну, богатую гармониками. Эти гармоники могут вызывать помехи в работе других электронных устройств, включая радиосвязь, а некоторые устройства (например, индуктивные нагрузки, такие как двигатели переменного тока) могут работать с пониженной эффективностью или вообще не работать. Более сложные (и дорогие) ИБП могут производить почти чистую синусоидальную мощность переменного тока.

Коэффициент мощности

См. также: Коэффициент мощности

Проблема в сочетании ИБП с двойным преобразованием и генератором заключается в искажении напряжения, создаваемом ИБП. Вход ИБП с двойным преобразованием по сути представляет собой большой выпрямитель. Ток, потребляемый ИБП, несинусоидальный. Это может привести к тому, что напряжение от сети переменного тока или генератора также станет несинусоидальным. Искажение напряжения может вызвать проблемы во всем электрооборудовании, подключенном к этому источнику питания, включая сам ИБП. Это также приведет к потерям большей мощности в проводке, подающей питание к ИБП, из-за скачков тока. Этот уровень «шума» измеряется в процентах от « общего гармонического искажения тока » (THD _I ). Классические выпрямители ИБП имеют уровень THD _I около 25–30%. Чтобы уменьшить искажения напряжения, требуется более мощная сетевая проводка или генераторы, более чем в два раза превышающие мощность ИБП.

Существует несколько решений по снижению THD _I в ИБП с двойным преобразованием:

Классические решения, такие как пассивные фильтры, снижают THD _I до 5–10 % при полной нагрузке. Они надежны, но большие, работают только при полной нагрузке и создают свои проблемы при использовании в тандеме с генераторами.

Альтернативное решение – активный фильтр. Благодаря использованию такого устройства THD _I может снизиться до 5% во всем диапазоне мощности. Новейшая технология в ИБП с двойным преобразованием — это выпрямитель, в котором не используются классические выпрямительные компоненты (тиристоры и диоды), а используются высокочастотные компоненты. ИБП с двойным преобразованием с выпрямителем и дросселем на биполярном транзисторе с изолированным затвором может иметь коэффициент нелинейных искажений _I всего 2%. Это полностью устраняет необходимость увеличения размеров генератора (и трансформаторов) без дополнительных фильтров, инвестиционных затрат, потерь или пространства.

Коммуникация

Управление питанием (PM) требует:

1. ИБП сообщает о своем состоянии компьютеру, который он питает, через канал связи, такой как последовательный порт , Ethernet и простой протокол сетевого управления , GSM/ GPRS или USB.
2. Подсистема в ОС , которая обрабатывает отчеты и генерирует уведомления, события PM или командует упорядоченное завершение работы. Некоторые производители ИБП публикуют свои протоколы связи, но другие производители (например, APC ) используют собственные протоколы .

Основные методы управления компьютером-ИБП предназначены для однозначной передачи сигналов от одного источника к одной цели. Например, один ИБП можно подключить к одному компьютеру, чтобы предоставить информацию о состоянии ИБП и позволить компьютеру управлять ИБП. Аналогично, протокол USB также предназначен для подключения одного компьютера к нескольким периферийным устройствам.

В некоторых ситуациях полезно, чтобы один большой ИБП мог взаимодействовать с несколькими защищенными устройствами. Для традиционного последовательного или USB-управления можно использовать устройство репликации сигнала , которое, например, позволяет подключать один ИБП к пяти компьютерам с помощью последовательных или USB-соединений. Однако разделение обычно осуществляется только в одном направлении от ИБП к устройствам для предоставления информации о состоянии. Возврат сигналов управления может быть разрешен только от одной из защищаемых систем к ИБП.

Поскольку с 1990-х годов широкое распространение Ethernet приобрело, сигналы управления теперь обычно передаются между одним ИБП и несколькими компьютерами с использованием стандартных методов передачи данных Ethernet, таких как TCP/IP . Информация о состоянии и управлении обычно зашифрована, чтобы, например, внешний хакер не мог получить контроль над ИБП и отдать ему команду на выключение.

Распределение данных о состоянии и управлении ИБП требует, чтобы все промежуточные устройства, такие как коммутаторы Ethernet или последовательные мультиплексоры, питались от одной или нескольких систем ИБП, чтобы предупреждения ИБП достигали целевых систем во время отключения электроэнергии . Чтобы избежать зависимости от инфраструктуры Ethernet, ИБП можно подключить непосредственно к главному серверу управления, используя также канал GSM/GPRS. Пакеты данных SMS или GPRS, отправляемые ИБП, запускают программное обеспечение для выключения компьютеров для снижения нагрузки.

Батареи

Батарейный шкаф

Существует три основных типа аккумуляторов ИБП: свинцово-кислотные с клапанным регулированием (VRLA), аккумуляторы с затопленными элементами или VLA и литий-ионные аккумуляторы. Время работы ИБП с батарейным питанием зависит от типа и размера батарей, скорости разряда и эффективности инвертора. Общая емкость свинцово-кислотного аккумулятора зависит от скорости его разряда, что описывается законом Пейкерта .

Производители указывают время работы в минутах для комплектных систем ИБП. Более крупные системы (например, для центров обработки данных) требуют детального расчета нагрузки, эффективности инвертора и характеристик батареи, чтобы обеспечить требуемый срок службы.

Общие характеристики аккумуляторов и нагрузочное тестирование

Когда свинцово-кислотный аккумулятор заряжается или разряжается, это первоначально влияет только на реагирующие химические вещества, находящиеся на границе раздела между электродами и электролитом. Со временем заряд, накопленный в химических веществах на границе раздела, часто называемый «интерфейсным зарядом», распространяется за счет диффузии этих химических веществ по всему объему активного материала.

Если аккумулятор был полностью разряжен (например, фары автомобиля были оставлены включенными на ночь), а затем подвергся быстрой зарядке всего на несколько минут, то за короткое время зарядки он развивает заряд только вблизи интерфейса. Напряжение аккумулятора может подняться до уровня, близкого к напряжению зарядного устройства, в результате чего зарядный ток значительно уменьшится. Через несколько часов этот интерфейсный заряд не распространится на объем электрода и электролита, что приведет к тому, что интерфейсный заряд станет настолько низким, что его может оказаться недостаточно для запуска автомобиля.

Из-за заряда интерфейса краткие функции самотестирования ИБП , длящиеся всего несколько секунд, могут неточно отражать истинную рабочую емкость ИБП, и вместо этого требуется расширенная повторная калибровка или тест на истощение , который глубоко разряжает батарею.

Испытание на глубокий разряд само по себе вредно для батарей, поскольку химические вещества в разряженной батарее начинают кристаллизоваться в высокостабильные молекулярные формы, которые не растворяются повторно при перезарядке батареи, что постоянно снижает зарядную емкость. В свинцово-кислотных батареях это называется сульфатацией , но повреждение от глубокого разряда также затрагивает и другие типы батарей, такие как никель-кадмиевые и литиевые батареи . Поэтому обычно рекомендуется проводить тесты на ликвидацию нечасто, например, каждые шесть месяцев или год.

Тестирование цепочек батарей/элементов

Коммерческие системы ИБП мощностью несколько киловатт с большими и легко доступными аккумуляторными блоками способны изолировать и тестировать отдельные элементы в цепочке батарей , которая состоит либо из комбинированных аккумуляторных блоков (например, свинцово-кислотных батарей на 12 В), либо из отдельных химических элементов, подключенных к ряд. Изолирование одного элемента и установка перемычки вместо него позволяет проверить один аккумулятор на разряд, в то время как остальная часть комплекта батарей остается заряженной и доступной для обеспечения защиты.

Также возможно измерять электрические характеристики отдельных ячеек в аккумуляторной цепочке, используя промежуточные сенсорные провода, которые устанавливаются в каждом межэлементном соединении и контролируются как индивидуально, так и коллективно. Батарейные цепочки также могут быть подключены последовательно-параллельно, например, два комплекта по 20 ячеек. В такой ситуации также необходимо контролировать ток между параллельными цепочками, поскольку ток может циркулировать между цепочками, чтобы уравновесить влияние слабых ячеек, мертвых ячеек с высоким сопротивлением или закороченных ячеек. Например, более сильные струны могут разряжаться через более слабые струны до тех пор, пока дисбаланс напряжения не будет выровнен, и это необходимо учитывать при индивидуальных измерениях между ячейками внутри каждой цепочки.

Последовательно-параллельное взаимодействие батарей

В цепочках батарей, соединенных последовательно-параллельно, могут возникать необычные режимы отказа из-за взаимодействия между несколькими параллельными цепями. Неисправные батареи в одной цепочке могут отрицательно повлиять на работу и срок службы исправных или новых батарей в других цепочках. Эти проблемы также применимы и к другим ситуациям, когда используются последовательно-параллельные цепи не только в системах ИБП, но и в электромобилях .

Рассмотрим последовательно-параллельную схему батареи со всеми исправными элементами, и один из них закорочен или разряжен:

• Неисправный элемент снизит максимальное развиваемое напряжение для всей последовательной цепочки, в которой он находится.
• Другие последовательные цепочки, подключенные параллельно с неисправной цепочкой, теперь будут разряжаться через неисправную цепочку до тех пор, пока их напряжение не совпадет с напряжением неисправной цепочки, что может вызвать перезарядку и привести к кипению электролита и выделению газа из оставшихся исправных элементов в неисправной цепочке. Эти параллельные цепочки теперь никогда не смогут быть полностью перезаряжены, поскольку повышенное напряжение будет утекать через цепочку, содержащую неисправную батарею.
• Системы зарядки могут пытаться измерить емкость аккумуляторной батареи путем измерения общего напряжения. Из-за общего снижения напряжения цепочки из-за мертвых элементов система зарядки может обнаружить это как состояние разряда и будет постоянно пытаться зарядить последовательно-параллельные цепочки, что приводит к непрерывному перезаряду и повреждению всех ячеек в цепи. строка поврежденной серии, содержащая поврежденную батарею.
• Если используются свинцово-кислотные аккумуляторы , все элементы в ранее исправных параллельных цепочках начнут сульфатироваться из-за невозможности их полной перезарядки, в результате чего емкость этих элементов будет необратимо повреждена, даже если поврежденный элемент в одна испорченная струна в конечном итоге обнаруживается и заменяется новой.

Единственный способ предотвратить эти тонкие взаимодействия последовательно-параллельных цепочек — вообще не использовать параллельные цепочки и использовать отдельные контроллеры заряда и инверторы для отдельных последовательных цепочек.

Взаимодействие новой/старой батареи серии

Даже одна цепочка батарей, соединенных последовательно, может иметь неблагоприятное взаимодействие, если новые батареи смешиваются со старыми. Старые батареи, как правило, имеют меньшую емкость, поэтому они разряжаются быстрее, чем новые батареи, а также быстрее заряжаются до максимальной емкости, чем новые батареи.

По мере того, как смешанная цепочка из новых и старых батарей разряжается, напряжение цепочки падает, и когда старые батареи разряжаются, новые батареи все еще имеют заряд. Новые элементы могут продолжать разряжаться через остальную часть цепочки, но из-за низкого напряжения этот поток энергии может оказаться бесполезным и может быть потрачен впустую в старых элементах на резистивный нагрев.

Для аккумуляторов, которые должны работать в пределах определенного окна разряда, новые элементы с большей емкостью могут привести к тому, что старые элементы в последовательной цепочке будут продолжать разряжаться за пределами безопасного нижнего предела окна разряда, повреждая старые элементы.

При перезарядке старые элементы перезаряжаются быстрее, что приводит к быстрому повышению напряжения почти до полностью заряженного состояния, но до того, как полностью перезарядятся новые элементы с большей емкостью. Контроллер заряда обнаруживает высокое напряжение почти полностью заряженной струны и уменьшает ток. Новые элементы с большей емкостью теперь заряжаются очень медленно, настолько медленно, что химические вещества могут начать кристаллизоваться до достижения полностью заряженного состояния, что снижает емкость новых элементов в течение нескольких циклов зарядки/разрядки, пока их емкость не будет более близко соответствовать старым элементам в последовательной цепочке. .

По этим причинам некоторые системы управления промышленными ИБП рекомендуют периодическую замену целых батарейных массивов, при этом могут использоваться сотни дорогих батарей из-за разрушительного взаимодействия между новыми батареями и старыми батареями внутри и между последовательными и параллельными цепочками.

Стандарты

• IEC 62040-1:2017 Системы бесперебойного питания (ИБП). Часть 1. Общие требования и требования безопасности для ИБП.
• IEC 62040-2:2016 Системы бесперебойного питания (ИБП). Часть 2. Требования к электромагнитной совместимости (ЭМС).
• IEC 62040-3:2021 Системы бесперебойного питания (ИБП). Часть 3. Метод определения требований к производительности и испытаниям.
• IEC 62040-4:2013 Системы бесперебойного питания (ИБП). Часть 4. Экологические аспекты. Требования и отчетность.

См. также

• Аккумуляторная комната
• Система аварийного электроснабжения
• Применение топливных элементов
• Базовая защита ИТ
• Кондиционер мощности
• Динамическое восстановление напряжения
• Система чистого учета с накопителем энергии
• сетевой фильтр
• Импульсный источник питания (SMPS)
• Применение импульсных источников питания
• Аварийное освещение

Внешние ссылки

• Скотт Сидденс (февраль 2007 г.), UPS на передовой , Plant Engineering, заархивировано из оригинала 09 ноября 2009 г.
• Коттули, Кэрол (2011), Сравнение статических и роторных ИБП (PDF) , Schneider Electric, Технический документ, 92 ред. 2, заархивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. , получено 7 апреля 2012 г.
• Расмуссен, Нил (2011), Различные типы систем ИБП (PDF) , Schneider Electric, Технический документ, 1 ред. 7 , получено 7 апреля 2012 г.
• ВанДи, Дон (1 марта 1999 г.), «Обзор функций роторных ИБП» , EC&M , Penton Business Media, заархивировано из оригинала 30 ноября 2020 г. , получено 7 апреля 2012 г.
• Леффлер, Крис; Спирс, Эд (2022). «Основы ИБП» (PDF) . Технический документ – Обслуживаемые рынки – Центры обработки данных : 8. Архивировано (PDF) из оригинала 29 февраля 2024 г. Проверено 29 февраля 2024 г.
• Доступны различные типы систем ИБП , заархивировано из оригинала 30 мая 2015 г.