Факты о современных роторных и статических системах бесперебойного питания (ИБП)

В этой технической статье дается краткое объяснение проблем качества электроэнергии со ссылкой на прошлое, а также два основных типа современных систем ИБП – роторные и статические системы бесперебойного питания, их характеристики, преимущества и недостатки.

Появление и развитие твердотельных полупроводников привело к распространению электронных вычислительных устройств, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. Все эти машины для правильной работы используют узкий диапазон номинальной мощности переменного тока. Действительно, многие другие типы оборудования также требуют, чтобы источник электроэнергии переменного тока имел номинальное напряжение и частоту или был близок к нему.

Нарушения энергоснабжения приводят к сбоям в процессах, потере данных, снижению эффективности и потере доходов.

Обычный источник питания, поставляемый местной коммунальной компанией или поставщиком, обычно недостаточно стабилен с течением времени, чтобы непрерывно обслуживать эти нагрузки без перерывов. Вполне возможно, что объект за пределами крупного мегаполиса, обслуживаемый энергосистемой, будет испытывать отключения того или иного характера 15–20 раз в год.

Некоторые отключения электроэнергии вызваны погодными условиями, а другие — выходом из строя системы коммунального снабжения из-за сбоев оборудования или перерывов в строительстве. Некоторые отключения электроэнергии длятся всего несколько циклов, тогда как другие могут длиться несколько часов.

В более широком смысле существуют и другие проблемы в области качества электроэнергии, и многие из этих проблем также способствуют неспособности источника питания обеспечить этот узкий диапазон мощности для этих чувствительных нагрузок.

Проблемы с качеством электроэнергии могут проявляться в следующих формах:

1. Сбой питания,
2. Просадка мощности,
3. Скачок напряжения,
4. Пониженное напряжение,
5. Перенапряжение,
6. Линейный шум,
7. Изменения частоты,
8. Переключение переходных процессов и
9. Гармонические искажения.

Независимо от причин отключений и проблем с качеством электроэнергии, чувствительные нагрузки не могут нормально функционировать без резервного источника питания . Кроме того, во многих случаях нагрузки должны быть изолированы от нестабильности электроснабжения и проблем с качеством электроэнергии и получать чистую надежную электроэнергию на постоянной основе или иметь возможность быстро переключиться на надежную чистую электроэнергию.

Системы бесперебойного питания (ИБП) были разработаны для удовлетворения потребностей чувствительного оборудования и могут обеспечивать стабильный источник электроэнергии или переключаться на резервный режим, чтобы обеспечить упорядоченное отключение нагрузок без заметной потери данных или процессов.

Системы ИБП развивались по принципу роторных и статических типов систем и имеют множество конфигураций, включая гибридные конструкции, имеющие характеристики обоих типов.

В последующем обсуждении предпринимаются попытки описать, сравнить и противопоставить два типа систем ИБП, а также дать основные рекомендации по критериям выбора. Это обсуждение будет сосредоточено на средних, больших и очень больших системах ИБП, необходимых пользователям, которым требуется более 10 кВА чистой и надежной энергии.

1. Номинальная мощность систем ИБП

1. Небольшой ИБП: обычно от 300 ВА до 10 кВА, а иногда и до 18 кВА.
2. Средний ИБП: 10–60 кВА.
3. Большой ИБП: устройства мощностью 100–200 кВА и выше, если устройства включены параллельно.
4. Очень большой ИБП: блоки мощностью 200–2 МВт и выше, если блоки включены параллельно.

Каждая из этих категорий условна, поскольку производители предлагают множество различных ИБП для одного и того же применения.

Вопрос по поводу выбора ИБП…

Выбор типа ИБП и конфигурации модулей ИБП для конкретного применения зависит от многих факторов, в том числе:

1. Сколько проблем с качеством электроэнергии должен решить ИБП?
2. Какой объем будущих мощностей необходимо приобрести сейчас для будущих нагрузок?
3. Характер чувствительных нагрузок и проводки нагрузки?
4. Какой тип системы ИБП предпочтительнее: роторный или статический?
5. Рассматривается ли выбор батареи или технологии хранения постоянного тока?
6. Множество других проблем с приложением?

2. Роторные системы ИБП

Типичные оценки:300–3 МВт максимум.

2.1 Типичные роторные конфигурации

Системы роторного ИБП являются одними из старейших работающих систем, разработанных для защиты чувствительных нагрузок. Многие из этих систем представляют собой сложные двигатель-генераторные установки в сочетании с высокоинерционными маховиками, работающими на относительно низких скоростях вращения. Эти устаревшие типы гибридных систем ИБП не являются предметом данного обсуждения, поскольку только один или два поставщика продолжают их предлагать.

На рисунке 1 показаны современные высокоскоростные системы роторных ИБП, обсуждаемые в этом разделе. Эти типы современных роторных систем ИБП представляют собой усовершенствованные интегрированные конструкции, в которых используются масштабируемые конфигурации высокоскоростного маховика, двигателя и генератора в одном компактном корпусе ИБП.

Новые роторные технологии потенциально могут заменить системы резервного питания или, по крайней мере, сократить количество батарей для определенных приложений.

Привлекательность ротационных систем заключается в том, что они позволяют избежать необходимости приобретения, обслуживания и площадей, необходимых для систем резервного питания на основе батарей постоянного тока.

2.2 Концепция работы высокоскоростного роторного механизма

Современный роторный тип работы ИБП можно понять, рассмотрев четыре темы ниже:

1. Режим запуска,
2. Нормальный режим работы,
3. Режим разрядки и
4. Режим перезарядки.

2.2.1 Режим запуска

Выход ИБП включается в режиме байпаса, как только питание подается от источника на вход системы. ИБП автоматически продолжает процедуру запуска, когда органы управления на передней панели переводятся в положение «Онлайн».

Внутренние проверки системы ИБП выполняются после замыкания входного контактора. Статический разъединитель включается, и угол проводимости быстро увеличивается от нуля до угла, при котором напряжение шины постоянного тока между сетевым преобразователем и маховиком достигает примерно 650 В за счет выпрямляющего действия обратных диодов в сетевом преобразователе.

Как только достигается этот уровень напряжения постоянного тока, статический разъединитель включается полностью.

Следующий шаг включает в себя запуск IGBT преобразователя общего назначения, что позволяет преобразователю действовать как выпрямитель, источник регулирующего напряжения и активный фильтр гармоник. Когда IGBT начинают работать, напряжение шины постоянного тока увеличивается до нормального рабочего напряжения примерно 800 В, а выходная шина переводится из байпаса на выход модуля силовой электроники.

Переход из байпаса завершается, когда выходной контактор замыкается, а байпасный контактор размыкается в режиме замыкания перед размыканием.

Включение кремниевых управляемых выпрямителей (SCR) в статическом разъединителе теперь изменено таким образом, что каждый SCR в каждой фазе включается только в течение полупериода, что позволяет реальной мощности течь от сети к ИБП. Такая схема срабатывания статического разъединителя предотвращает обратную подачу энергии от маховика в сеть электропитания и гарантирует, что вся энергия маховика будет доступна для поддержки нагрузки.

Сразу после передачи выходного сигнала с байпаса на силовой электронный модуль возбуждается поле маховика, что также обеспечивает магнитный подъем для разгрузки подшипников маховика. Инвертор маховика включается и постепенно увеличивает частоту с постоянной скоростью, чтобы разогнать маховик примерно до 60 об/мин.

Как только маховик достигает 60 об/мин, инвертор маховика контролирует ускорение , чтобы поддерживать токи ниже максимальной зарядки и максимальных входных настроек .

Когда маховик достигает 4000 об/мин, ИБП становится полностью работоспособным и способен поддерживать нагрузку при возникновении проблем с качеством электроэнергии. Ускорение маховика продолжается до тех пор, пока маховик не достигнет «полного заряда» при 7700 об/мин. Общее время завершения запуска составляет менее 5 минут.

2.2.2 Нормальный режим работы

Как только ИБП запускается и маховик работает со скоростью более 4000 об/мин, ИБП находится в нормальном рабочем режиме, в котором он регулирует выходное напряжение и подает реактивные и гармонические токи, необходимые нагрузке. В то же время он устраняет влияние гармоник тока нагрузки на выходное напряжение ИБП.

Входной ток состоит из трех компонентов:

1. Реальный ток нагрузки,
2. Зарядный ток и
3. Ток регулирования напряжения.

Реальный ток — это ток, который находится в фазе с напряжением питания и обеспечивает реальную мощность нагрузки. Реальный ток, протекающий через сетевой индуктор, вызывает небольшой сдвиг фазы тока, отставая от напряжения на 10 градусов, и гарантирует, что ИБП может быстро переключиться на байпас, не вызывая неприемлемых переходных процессов при переключении .

Второй компонент — это зарядный ток, необходимый маховику для поддержания полной зарядки вращающейся массы при номинальных оборотах или для подзарядки вращающейся массы после разряда.

Мощность для поддержания полного заряда невелика и составляет 2 кВт, и ее обеспечивают IGBT затвора преобразователя маховика, обеспечивающие небольшие импульсы моторного тока на маховике. Этот ток может быть намного выше, если выбрано быстрое время перезарядки.

Последним компонентом входного тока является ток регулирования напряжения , который обычно представляет собой реактивный ток, который циркулирует между входом и преобразователем сети для регулирования выходного напряжения. Опережающий реактивный ток вызывает повышение напряжения на линейном индукторе, а запаздывающий ток вызывает сопротивление напряжению.

Управляя сетевым преобразователем для поддержания номинального выходного напряжения, через линейный индуктор протекает ровно столько реактивного тока , чтобы компенсировать разницу между входным и выходным напряжением.

Ток нагрузки состоит из трех составляющих:

1. Гармонический ток, требуемый нагрузкой,
2. Реактивный ток нагрузки и
3. Реальный ток, который делает работу.

Сетевой преобразователь подает как гармонический, так и реактивный токи. Поскольку эти токи не передают полезной мощности нагрузке, маховик не подает энергию для этих токов. Они циркулируют между преобразователем сети и нагрузкой.

Органы управления силовой ступенью анализируют требования к гармоническому току нагрузки и устанавливают угол зажигания инверторных IGBT, чтобы сделать сетевой преобразователь источником с очень низким импедансом для любых гармонических токов.

Таким образом, нелинейные токи нагрузки практически полностью подаются от сетевого преобразователя с небольшим влиянием на качество формы выходного напряжения ИБП и практически без передачи токов гармоник нагрузки на вход ИБП.

2.2.3 Режим разрядки

ИБП определяет отклонение напряжения или частоты за пределы запрограммированных допусков и быстро отключает источник питания, отключая статический разъединитель и размыкая входной контактор. Отключение происходит менее чем за полпериода . Затем сетевой преобразователь начинает подавать мощность от шины постоянного тока к нагрузке, а преобразователь-маховик меняет точку зажигания своих IGBT для подачи мощности на шину постоянного тока.

ИБП поддерживает чистое выходное напряжение в пределах 3% или номинального напряжения на нагрузке при потере входного питания.

2.2.4 Режим перезарядки

Когда входное питание восстанавливается до допустимых пределов, ИБП синхронизирует выходное и входное напряжения, замыкает входной контактор и включает статический разъединитель. Затем сетевой преобразователь передает мощность от маховика к входному источнику, линейно увеличивая реальный входной ток.

Время передачи программируется от 1 до 15 секунд.

Как только мощность нагрузки полностью передается на входной источник, сетевой преобразователь и преобразователь маховика начинают подзаряжать маховик и возвращаются в нормальный режим работы. Скорость перезарядки маховика программируется между медленной и быстрой скоростью. Использование высокой скорости приводит к увеличению входного тока ИБП по сравнению с номинальным уровнем.

Перезарядка маховика осуществляется путем управления сетью и преобразователем маховика аналогично тому, как это используется для поддержания полного заряда в нормальном режиме работы, однако точки затвора IGBT изменяются для увеличения тока в маховике.

Преимущества высокоскоростного вращения

1. Решает все проблемы с качеством электроэнергии.
2. Аккумуляторные системы не требуются и не используются.
3. Не требуется обслуживание аккумулятора.
4. Неограниченное количество циклов разрядки.
5. Доступное время перезарядки 150 секунд.
6. Возможен широкий диапазон рабочих температур (от –20° до 40°C).
7. Небольшой компактный размер и требуемая меньшая площадь (системы 500 кВт занимают 20 кв. футов).
8. Надежность N+1 доступна максимум до 900 кВА .
9. Никаких проблем с утилизацией.

Недостатки высокоскоростного вращения

1. Маховик не имеет большого резерва мощности – при 100% нагрузке проезжает до 13 секунд .
2. Некоторые усовершенствованные системы маховика могут продлить поездку до 30 секунд при 100% нагрузке.
3. Техническое обслуживание механического маховика требуется каждые 2–3 года, а замена масла — каждый год.
4. Для быстрой перезарядки требуется, чтобы входной ток был рассчитан на 125 % номинального тока.
5. Неисправности маховиков в поле не понятны.
6. Требуются вакуумные насосы для высокоскоростных маховиков.
7. Ограниченное количество поставщиков и опыта.

3. Статические системы ИБП

Типичные оценки:От 20 кВт до 1 МВА/1 МВт и выше при параллельном подключении нескольких устройств.

3.1 Типичные конфигурации статических ИБП

Модули статических систем ИБП доступны в трех основных типах конфигураций, известных как:

1. Двойное преобразование,
2. Режим ожидания и
3. Линия интерактивная.

Более низкие номинальные мощности, скорее всего, будут относиться к одному из первых двух типов конфигураций, например, резервная или интерактивная от линии. В большинстве средних и крупных статических ИБП используется технология двойного преобразования в конфигурации с одним или несколькими модулями, т. е. или с несколькими блоками ИБП, подключенными параллельно.

Специальные высокоэффективные режимы работы ИБП, такие как экономичный режим, могут обеспечить повышение эффективности более чем на 99 %, что соответствует потерям менее 1 % в ИБП. Эти режимы зависят от работы системы с замкнутым статическим выключателем и приостановленными (не выключенными) секциями преобразования энергии.

Современные ИБП могут мгновенно вернуться к традиционному режиму двойного преобразования в течение 2 мс при обнаружении любой аномалии питания.

На рисунке 1 показана однолинейная схема простого модуля ИБП с двойным преобразованием. Краткие пояснения для резервных и линейных интерактивных ИБП приведены после текста, объясняющего тип системы статического ИБП с двойным преобразованием.

3.1.1 Принцип работы двойного преобразования

Основные операции ИБП двойного преобразования:

Шаг 1

Обычное питание подается на вход ИБП через систему электрораспределения объекта. Обычно это включает в себя две входные цепи, которые могут поступать либо от одного источника, либо от разных источников, таких как коммунальные предприятия и генераторы на объекте.

Шаг 2

Функция выпрямителя/зарядного устройства преобразует обычную мощность переменного тока в мощность постоянного тока для зарядки аккумулятора и питания инвертора. Нагрузка изолирована от нормального источника входного сигнала.

Шаг 3

Аккумулятор сохраняет энергию постоянного тока для использования в случае сбоя питания ИБП. Количество энергии, доступной от аккумуляторной системы постоянного тока, и время разряда напряжения зависят от типа выбранной батареи и используемого размера ампер-часов.

Батарейные системы должны быть рассчитаны на не менее 5 минут чистого энергопотребления из полностью заряженного состояния и, во многих случаях, рассчитаны на большее время работы от батареи.

Шаг №4

Звено постоянного тока соединяет выход выпрямителя/зарядного устройства со входом инвертора и аккумулятором. Обычно размер выпрямителя/зарядного устройства немного превышает 100% выходной мощности ИБП, поскольку он должен питать инвертор и подавать питание зарядного устройства на батарею.

Шаг №5

Схема байпаса обеспечивает путь для подачи нерегулируемой нормальной мощности вокруг основных электронных узлов ИБП к нагрузке, чтобы нагрузка могла продолжать работать во время технического обслуживания или в случае отказа электроники ИБП.

Статический переключатель байпаса может переключиться в проводящий режим менее чем за 1 миллисекунду. Когда ИБП распознает необходимость перехода в режим байпаса, он одновременно включает статический переключатель, выходной выключатель в положение ОТКРЫТЬ, а выключатель байпаса в положение ЗАКРЫТЬ. Выходной выключатель размыкается, а байпасный выключатель замыкается примерно через 50 миллисекунд.

Восстановление нормального состояния ИБП приводит к автоматическому восстановлению питания модуля ИБП нагрузки через выпрямитель/зарядное устройство и инвертор с изоляцией нагрузки от проблем с качеством электроэнергии и размыканием цепи байпаса.

Преимущества статического двойного преобразования

1. Решает все проблемы с качеством электроэнергии.
2. Подходит для применений от 5 кВА до более 2500 кВА.
3. Простые аккумуляторные системы рассчитаны на конкретное применение.
4. Доступны аккумуляторы с длительным временем автономной работы и аккумуляторами с длительным сроком службы.
5. Более высокая надежность достигается за счет резервных модулей ИБП.

Недостатки статического двойного преобразования

1. Требуются аккумуляторные системы, техническое обслуживание и замена аккумуляторов.
2. Большие требования к пространству для аккумуляторных систем (более длительный срок службы требует больше места, например, 500 кВт занимает 80–200 кв. футов в зависимости от типа используемой батареи: VRLA 10 лет, VRLA 20 лет или затопленная).
3. Ограниченные циклы разрядки аккумуляторной системы.
4. Узкий температурный диапазон применения.
5. КПД составляет 90–97%.
6. Режим байпаса подвергает нагрузку риску, если в байпасе нет резервного источника ИБП.
7. Резервирование модулей ИБП приводит к увеличению затрат.
8. Неисправности выходов устраняются байпасной схемой.
9. Выходная мощность ИБП составляет 150%.
10. Существуют проблемы с утилизацией аккумуляторов и безопасностью.

3.1.2 Концепция работы резервного ИБП

Основные операции резервного ИБП:

Шаг 1

Топология резервного ИБП аналогична топологии ИБП с двойным преобразованием, однако принцип работы ИБП существенно отличается. Обычное питание подается на вход ИБП через систему электрораспределения объекта.

Обычно это включает в себя две входные цепи, которые могут поступать от одного или двух источников, таких как коммунальные предприятия и генераторы на объекте. Подробности см. на рисунке 2.

Шаг 1

Функция выпрямителя/зарядного устройства преобразует обычную мощность переменного тока в мощность постоянного тока для зарядки только аккумулятора и не подает одновременно питание на инвертор. Нагрузка подключается к источнику байпаса через статический переключатель байпаса.

Инвертор находится в режиме ожидания и готов обслуживать нагрузку от аккумулятора в случае отказа источника входного питания .

Шаг 3

Аккумулятор сохраняет энергию постоянного тока для использования инвертором в случае сбоя питания ИБП. Количество энергии, доступной от аккумуляторной системы постоянного тока, и время разряда напряжения зависят от типа выбранной батареи и используемого размера ампер-часов.

Батарейные системы должны быть рассчитаны на ожидаемое отключение электроэнергии.

Шаг №4

Звено постоянного тока соединяет выход выпрямителя/зарядного устройства со входом инвертора и аккумулятором. Обычно выпрямитель/зарядное устройство рассчитано только на подачу питания зарядного устройства на батарею, и его номинал намного ниже, чем у ИБП с двойным преобразованием.

Шаг №5

Схема байпаса обеспечивает прямое подключение источника байпаса к нагрузке. Нагрузка работает от нерегулируемой мощности.

Статический переключатель байпаса может переключиться в непроводящий режим менее чем за 8 миллисекунд. Когда ИБП обнаруживает потерю нормальной входной мощности, он переходит в режим батареи/инвертора, одновременно включая инвертор и выключая статический переключатель.

Преимущества статического резервного ИБП

1. Более низкие затраты, чем двойная конверсия.
2. Выпрямитель и зарядное устройство имеют экономичные размеры.
3. Эффективный дизайн.
4. Батареи имеют размер, соответствующий данному применению.

Недостатки статического резервного ИБП

1. Непрактично при мощности свыше 2 кВА .
2. Практически отсутствует изоляция нагрузки от нарушений качества электроэнергии.
3. Питание в режиме ожидания осуществляется только от аккумулятора.
4. Требуются аккумуляторные системы, техническое обслуживание и замена аккумуляторов.
5. Ограниченные циклы разрядки аккумуляторной системы.
6. Узкий температурный диапазон применения.
7. Неисправности выходов устраняются байпасной схемой.
8. Существуют проблемы с утилизацией аккумуляторов и безопасностью.

3.1.3 Принцип работы статического линейного интерактивного ИБП

Основные операции Line Interactive UPS:

Шаг 1

ИБП линейно-интерактивного типа имеют топологию, отличную от статических систем с двойным преобразованием и резервных систем. Обычная входная мощность подключается к нагрузке параллельно с аккумулятором и двунаправленным инвертором/зарядным устройством . Входной источник обычно заканчивается на линейном индукторе, а выход индуктора подключается к нагрузке параллельно аккумулятору и цепи инвертора/зарядного устройства.

См. рисунок 3 для получения более подробной информации.

Шаг 2

Традиционная схема выпрямителя исключена, что приводит к уменьшению занимаемой площади и веса. Однако кондиционирование линии нарушено.

Шаг 3

При сбое входного питания схема зарядного устройства аккумулятора/инвертора меняет направление питания и подает на нагрузку регулируемую мощность.

Преимущества статического линейного интерактивного ИБП

1. Небольшое улучшение стабилизации электропитания по сравнению с резервными системами ИБП.
2. Небольшие размеры и вес.
3. Эффективный дизайн.
4. Батареи имеют размер, соответствующий данному применению.

Недостатки статического линейного интерактивного ИБП

1. Непрактично свыше 10 кВА.
2. Не такое хорошее кондиционирование, как двойное преобразование.
3. Питание в режиме ожидания осуществляется только от аккумулятора.
4. Требуются аккумуляторные системы, техническое обслуживание и замена аккумуляторов.
5. Ограниченное количество циклов разрядки аккумуляторной системы.
6. Узкий температурный диапазон применения.
7. Существуют проблемы с утилизацией аккумуляторов и безопасностью.