Вверх

← Назад

Различные типы систем ИБП


Различные типы систем ИБП и характеристики этого оборудования приводят в замешательство тех, кто имеет дело с этим рынком. Каждый из этих типов ИБП определен, практическое применение описано, а преимущества и недостатки зафиксированы. При наличии таких данных можно принять взвешенное решение в отношении соответствующей топологии ИБП для конкретной цели.

Введение

Разные типы ИБП и их отличительные признаки часто сбивают с толку тех, кто разрабатывает цен-тры обработки данных. К примеру, широко распространено мнение о том, что существует всего лишь два типа систем ИБП, а именно: резервные ИБП и оперативные ИБП (on-line). Эти два часто исполь-зуемых термина не совсем правильно характеризуют многие из существующих ИБП. При точном определении типа топологии ИБП устраняются многие недоразумения, связанные с системами ИБП. Топология ИБП указывает на основное свойство конструкции ИБП. Разные поставщики планомерно производят модели с похожей конструкцией или топологией, но все они различаются техническими характеристиками.

В настоящей статье рассматриваются общие конструктивные решения, включая краткие разъяснения того, как работает каждая топология. Это поможет читателю правильно определять и сравнивать системы.

Типы ИБП

Для внедрения систем ИБП используются различные конструктивные решения, каждое из которых отличается техническими характеристиками. Ниже указаны наиболее общие конструктивные решения.

• Резервные (standby);
• Линейно-интерактивные (line interactive);
• Резервные с ферромагнитами;
• Оперативные с двойным преобразованием (double conversion on-line);
• Оперативные с дельта-преобразованием (delta conversion on-line).

Резервные ИБП

Резервные ИБП являются наиболее распространенным типом, который используется для персональ-ных компьютеров. На блок-схеме, изображенной на Рис. 1, передаточный ключ установлен в положе-ние ввода фильтрованного переменного тока, выбранного в качестве основного источника питания (непрерывная линия); он переключается на батарею / инвертор (резервный источник) в случае нарушения энергоснабжения от основного источника. Когда происходит перебой в питании, передаточный ключ переключает нагрузку на источник резервного питания, в качестве которого используется бата-рея или инвертор (пунктирная линия). Инвертор включается только при перебое в питании и поэтому называется “Резервным”. Высокая эффективность, небольшие размеры и низкая стоимость - основ-ные преимущества данной конструкции. При наличии схемы фильтрации и стабилизации эти системы обеспечивают фильтрацию и подавление бросков тока.

Рисунок 1 Резервные ИБП

 

Линейно-интерактивные ИБП

Линейно-интерактивные ИБП, изображенные на Рис. 2, являются наиболее распространенным решением, используемым в малых предприятиях, Интернет-приложениях и для серверов отделов. В этом решении силовой преобразователь (инвертор) типа “батарея - переменный ток” всегда под-ключен к выходу ИБП. При работе инвертора в режиме, когда питание переменного тока подается обычным способом, обеспечивается подзарядка батареи.

При перебое в питании передаточный ключ размыкает цепь, и питание подается с батареи на выход ИБП. Когда инвертор постоянно включен и подключен к выходу, это решение обеспечивает дополни-тельную фильтрацию и более короткое время перехода по сравнению с топологией резервных ИБП.

Кроме того, конструкция линейно-интерактивных ИБП обычно включают в себя трансформатор с переключаемыми ответвлениями. При этом дополнительно выполняется регулировка напряжения путем подстройки ответвлений трансформатора во время колебаний входного напряжения. Регули-ровка напряжения очень важна в условиях понижения напряжения, в противном случае при переклю-чении ИБП на питание от батареи нагрузка, в конечном счете, отключаются по разряду батареи. Если такое использование батареи будет повторяться достаточно часто, она преждевременно выйдет из строя. Однако инвертор можно также спроектировать и таким образом, чтобы при его отказе питание, тем не менее, подавалось со входа переменного тока на выход - это исключит возможность отказа системы из-за неисправности одного элемента и эффективно обеспечит две независимых линии питания. Высокая эффективность, небольшие размеры, низкая стоимость и высокая надежность в сочетании с возможностью исправить состояние низкого или высокого напряжения делают эти сис-темы доминирующим типом ИБП в диапазоне мощности 0,5 - 5 кВА.

Рисунок 2 Линейно-интерактивные ИБП

 

Резервные ИБП с ферромагнитами

Резервные ИБП с ферромагнитами одно время были доминирующей формой ИБП, используемых в диапазоне 3 - 15 кВА. Это решение зависит от специального трансформатора с насыщающейся маг-нитной системой, имеющего три обмотки (подключения питания). По основной линии питание посту-пает со входа переменного тока; через передаточный ключ и трансформатор оно подается на выход. В случае нарушения энергоснабжения, передаточный ключ размыкается, и выходная нагрузка пода-ется на инвертор.

В конструкции резервного ИБП с ферромагнитами инвертор находится в режиме ожидания. Он воз-буждается, когда нарушается подача входного питания и размыкается передаточный ключ. В транс-форматоре предусмотрены "феррорезонансные" возможности, обеспечивающие ограниченную регу-лировку напряжения и формирование выходного сигнала. Изоляция от переходного режима во время переключения питания, обеспечиваемая ферромагнитным трансформатором, играет роль фильтра, и, возможно, это лучший из существующих фильтров. Но сам по себе ферромагнитный трансформа-тор создает серьезные искажения выходного напряжения и помехи, возникающие в переходных состояниях, что может нанести больший вред, чем перебои в энергоснабжении. Хотя описываемые системы спроектированы как резервные ИБП, они вырабатывают много тепла, потому что ферроре-зонансный трансформатор по своей природе является непроизводительным. Кроме того, эти транс-форматоры громоздки по сравнению с
обычными изолирующими трансформаторами. Поэтому резервные ИБП с ферромагнитами в большинстве своем достаточно велики и тяжелы.

Системы резервных ИБП с ферромагнитами часто выдают за оперативные блоки, хотя у них есть передаточный ключ, инвертор, работающий в режиме ожидания, а кроме того, они демонстрируют переходные характеристики во время перебоев в питании переменного тока. На рис. 3 изображена топология резервных систем с ферромагнитами.

Высокая надежность и превосходная линейная фильтрация являются сильными сторонами данного решения. Однако данное решение является малопродуктивным и отличается нестабильностью, если оно используется с определенными генераторами и современными компьютерами с коррекцией ко-эффициента мощности. Все это неблагоприятно сказывается на популярности этих систем.

Главной причиной того, почему системы резервных ИБП с ферромагнитами больше не используются повсеместно, является то, что они по существу нестабильны при работе с нагрузкой блоков питания, устанавливаемых в современных компьютерах. Во всех больших серверах и маршрутизаторах ис-пользуются блоки питания “с коррекцией коэффициента мощности”, получающие от энергосистемы только синусоидальный ток, подобно лампе накаливания. Сглаженное потребление тока достигается благодаря использованию конденсаторов, устройств, которые “проводят” приложенное напряжение. В феррорезонансных системах ИБП используются трансформаторы с сердечниками, имеющие ин-дуктивные характеристики, а это значит, что ток "запаздывает" относительно напряжения. При соче-тании этих двух элементов образуется параллельный резонансный контур. Резонанс или "звон" в резонансном контуре может вызывать сильные токи, подвергающие опасности подсоединенную нагрузку.

Рисунок 3 Резервные ИБП с ферромагнитами

 

Оперативные (on-line) ИБП с двойным преобразованием

Наиболее распространенный тип ИБП свыше 10 кВА. Блок-схема оперативного ИБП с двойным пре-образованием, изображенная на Рис. 4, аналогична используемой в резервных системах с той лишь разницей, что основным контуром нагрузки является инвертор, а не сеть переменного тока.

В оперативных ИБП с двойным преобразованием перебой в подаче входного переменного тока не влечет за собой активацию передаточного ключа, потому что входной переменный ток используется для подзарядки резервного батарейного источника, обеспечивающего питание выходного инвертора. Поэтому во время перебоя в подаче входного питания переменного тока при оперативном восста-новлении питания время перехода отсутствует.

В этом решении зарядное устройство батареи и инвертор преобразуют всю полезную выходную мощность, что приводит к снижению эффективности с сопутствующей увеличенной выработкой тепла.

Этот ИБП обеспечивает почти идеальные электрические выходные характеристики. Однако постоян-ный износ силовых компонентов снижает надежность этой конструкции, а энергия, компенсирующая неэффективные затраты электрической мощности, является важной частью затрат на протяжении жизненного цикла ИБП. Кроме того, входная мощность, получаемая зарядным устройством, зачастую является нелинейной и может затруднять выполнение силовой разводки или вызывать проблемы, связанные с резервными генераторами.

Рисунок 4 Оперативные (on-line) ИБП с двойным преобразованием

 

Оперативные (on-line) ИБП с дельта-преобразованием

Эта конструкция ИБП, изображенная на Рис. 5, является новой технологией, представленной около 10 лет назад и призванной устранить недостатки конструкции оперативных ИБП с двойным преобра-зованием. Выпускаемое оборудование покрывает диапазон мощности от 5 кВА до 1,6 МВт. Аналогич-но конструкции оперативных ИБП с двойным преобразованием, в оперативных ИБП с дельта-преобразованием всегда установлен инвертор, подающий напряжение на нагрузку. Однако дополни-тельный дельта-преобразователь также способствует увеличению мощности на выходе инвертора. В условиях перебоев в питании или нарушения энергоснабжения эта конструкция действует идентич-но оперативным ИБП с двойным преобразованием.

Рисунок 5 Оперативные ИБП с дельта-преобразованием

 

Чтобы оценить эффективность использования энергии в топологии дельта-преобразования, пред-ставьте себе количество энергии, необходимое для доставки упаковки с 4-го на 5-й этаж здания, как изображено на Рис. 6. Технология дельта-преобразования позволяет экономить энергию, поскольку при доставке упаковки она задействуется только в разнице (дельте) между начальной и конечной точками. Оперативные ИБП с двойным преобразованием преобразуют питание для подзарядки бата-реи и при необходимости обратно, а дельта-преобразователь передает часть мощности от входа к выходу.

Рисунок 6 Аналогия между двойным преобразованием и дельта-преобразованием

 

В конструкции оперативного ИБП с дельта-преобразованием дельта-преобразователь выполняет две цели. Первая - контроль характеристик входной мощности. На активный входной каскад питание подается в синусоидальном виде с последующим уменьшением влияния на сеть. Тем самым обеспе-чивается оптимальная совместимость систем энергоснабжения и генератора, а также снижается выработка тепла и износ системы в цепях распределения питания. Второе назначение дельта-преобразователя состоит в управлении током на входе. Этим обеспечивается стабилизация напря-жения для подзарядки батареи.

Выходные характеристики оперативных ИБП с дельта-преобразованием и оперативных ИБП с двой-ным преобразованием идентичны. Однако входные характеристики часто различаются. В решениях оперативных ИБП с дельта-преобразованием реализован динамически контролируемый вход с коррекцией коэффициента мощности, и отсутствует неэффективное использование блоков фильтров, имеющее место в традиционных решениях. Наиболее важным преимуществом является значительное уменьшение потерь электроэнергии. Контроль входной мощности обеспечивает совместимость ИБП со всеми генераторными установками и позволяет сократить потребности, связанные с силовым монтажом и наращиванием возможностей генераторов. Оперативные ИБП с дельта-преобразованием - это единственная сегодня основная технология, защищенная патентами.
Поэтому не все поставщики ИБП способны выпускать такое оборудование. В условиях устойчивого состояния дельта-преобразователь позволяет ИБП намного эффективнее обеспечивать питание для нагрузки, в отличие от решений с двойным преобразованием.

 

Краткий обзор типов ИБП

В приведенной ниже таблице указаны характеристики разных типов ИБП. Некоторые свойства ИБП, например эффективность, обусловлены выбором типа ИБП. Поскольку исполнение и промышленное качество серьезно влияют на такие характеристики, как надежность, оценка этих факторов должна производиться вместе с отличительными особенностями конструкций.

Таблица 1 UPS characteristics

 

Использование типов ИБП в отрасли

ИБП, предлагаемые сегодня в отрасли, являются результатом развития этих технологий и внедрения их лучших качеств. У разных типов ИБП существуют отличительные особенности, от которых более или менее зависят возможности их применения. В приведенной ниже таблице отражено многообразие ассортимента продуктов корпорации APC.

Таблица 2 UPS architecture characteristics

 

Выводы

Для разных областей применения подходят разные типы ИБП, однако ИБП универсального типа для всех областей применения не существует. Цель этой статьи - противопоставление преимуществ и недостатков различных топологий ИБП в условиях современного рынка. Существенные различия в решениях ИБП обеспечивают теоретические и практические преимущест-ва для различных целей. Тем не менее, базовое качество исполнения и промышленное качество решения часто являются главными факторами, определяющими оптимальные эксплуатационные характеристики в конкретных условиях применения.

 

Информация

Компания: APC (American Power Conversion)
Сайт: APC (American Power Conversion)