Статья: Эффективность использования ИБП переменного тока в системах мониторинга

Теодорович Н.Н., Линьков А.О., Зарин А.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИБП ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В СИСТЕМАХ МОНИТОРИНГА

Рассмотрены вопросы эффективности использования и потребления электрической энергии, нагрузочные, перегрузочные и переходные характеристики современных источников бесперебойного питания (ИБП) переменного тока.

Энергетические показатели источников бесперебойного питания (ИБП) характеризуют эффективность использования, эффективность потребления электрической энергии, нагрузочные и перегрузочные характеристики системы.

Коэффициент полезного действия (К.П.Д.) характеризует эффективность использования оборудования и представляет отношение выходной активной мощности к входной:

Тепловые потери - активная мощность, рассеиваемая оборудованием:

Полная мощность (S) - характеризует величину загруженности сети оборудованием, равна произведению действующих значений напряжения и тока:

и определяется тремя составляющими мощности:

где P - активная мощность (Вт), Q - реактивная мощность (ВА_р), Т - мощность искажения (ВА). Для линейных нагрузок имеем Т=0.

Коэффициент мощности (Кр) - характеризует эффективность потребления энергии и представляет отношение активной мощности к полной:

где ц₁ - фазовый сдвиг между первыми гармониками напряжения и тока, К_ни - коэффициент нелинейности:

где I₁ - действующее значение первой (основной) гармоники тока, I - действующее значение несинусоидального периодического тока:

I_n - действующее значение "n "- гармоники тока, n - порядок высшей гармоники тока.

Энергетический коэффициент - обобщенный показатель эффективности оборудования:

Коэффициент искажения синусоидальности - характеризует степень отклонения формы периодической кривой тока от синусоидальной.

По определению ГОСТ 13109-97 [1] имеем:

Без учета гармонических составляющих, значения которых менее 0,1%, допускается расчет коэффициента искажения по следующему выражению:

Коэффициент нелинейности, влияющий на значение коэффициента мощности, может быть представлен через коэффициенты искажения синусоидальности:

Коэффициент амплитуды (крест-фактор) представляет отношение амплитудного (пикового) значения тока к действующему:

Коэффициент нагрузки - полная мощность нагрузки, отнесенная к номинальной мощности оборудования:

Коэффициент передачи полной мощности в нагрузку - отношение предельно допустимой мощности нагрузки к номинальной полной мощности оборудования:

Нагрузочная характеристика - зависимость коэффициента передачи полной мощности от значения коэффициента мощности нагрузки:

Внешняя характеристика - зависимость выходного напряжения от коэффициента нагрузки при номинальном входном напряжении и заданном коэффициенте мощности нагрузки.

Перегрузочная характеристика - время-токовая зависимость, определяющая способность ИБП выдерживать перегрузку в течение некоторого времени.

Ток короткого замыкания инвертора I_кз- способность инвертора при его внешнем коротком замыкании отдавать ток, кратный номинальному значению выходного тока, в течение определенного времени. Согласно ГОСТ 27699-88 [2] инвертор должен обеспечить I_кз = 2xI_ном в течение 0,1 секунды.

Представление ИБП электрическим многополюсником

Структурная схема ИБП, выполненного по топологии двойного преобразования энергии (см. рис.1), содержит три основные цепи преобразования энергии от внешних источников к нагрузке:

? цепь двойного преобразования энергии от сети (U_вх1);

? цепь BYPASS, обеспечивающая прямую передачу энергии от вспомогательного источника переменного тока к нагрузке (U_вх2);

? цепь преобразования энергии источника постоянного тока - аккумуляторной батареи (U_вх3).

? Передача энергии в нагрузку одновременно разрешена только по одному из входов ИБП.

Рис.1 Структурная схема ИБП с двойным преобразованием

В-ККМ - выпрямитель и корректор коэффициента мощности,

ИНВ - инвертор, ППН - преобразователь постоянного напряжения.

В зависимости от мощности ИБП, в структуре может присутствовать преобразователь постоянного напряжения ППН1 или ППН2.

Назначение ППН в структуре ИБП - поднять до определенного уровня напряжение от аккумуляторной батареи (ППН1) и стабилизировать напряжение питания инвертора, одновременно выполняя функцию ККМ (ППН2).

На рисунке 1 условно не обозначен блок зарядного устройства (ЗУ). Последний может быть реализован либо модулем AC/DC, подключенным ко входу U_вх1, либо модулем DC/DC, подключенным к шине питания инвертора, либо использован заряд аккумуляторной батареи (АБ) непосредственно от силового выпрямителя ИБП.

Современная топология ИБП с двойным преобразованием энергии рассмотрена в работе [3]. Для обобщения анализа энергетических показателей при разнообразии схемотехнических решений при реализации ИБП воспользуемся его представлением в виде электрического многополюсника (см. рис.2), свойства которого можно описать семейством характеристик: выходных, входных и переходных (системных).

Рис.2 Представление ИБП многополюсником

Входы 1-1', 2-2' и выход 4-4' могут быть однофазными или трехфазными, в зависимости от фазности ИБП. Для ИБП 1/1 (однофазный вход - однофазный выход) входы и выход - однофазные. Для ИБП 3/1 (трехфазный вход - однофазный выход) вход 1-1' - трехфазный, вход 2-2' и выход - однофазные. Для ИБП 3/3 (трехфазный вход - трехфазный выход) все входы и выход - трехфазные.

Входы 1-1', 2-2' могут питаться от общей сети или от двух независимых источников переменного тока. Вход 1-1' и выход 4-4' необратимы, что соответствует невозможности осуществления режима рекуперации энергии из нагрузки в сеть. Коэффициенты мощности по входу и выходу в общем случае различны.

Вход 2-2' и выход 4-4' - обратимы, т.к. цепь Bypass представляет собой двунаправленную связь источника с нагрузкой, что позволяет осуществлять режим рекуперации энергии.

Вход 3-3' (АБ) используется только при недопустимых отклонениях напряжений на входах 1-1' и 2-2'.

Рассмотрим особенности характеристик ИБП с двойным преобразованием энергии и показатели его эффективности.

Выходные характеристики ИБП

Номинальная полная выходная мощность (S_{вых.ном}) - предельная полная мощность, которую инвертор может отдать в линейную нагрузку с коэффициентом мощности (Кр_н), равным выходному коэффициенту мощности ИБП (Кр_вых) при стандартных условиях эксплуатации ИБП (температура, влажность, высотность).Наиболее распространен среди производителей ИБП с двойным преобразованием энергии следующий ряд номинальных мощностей:

? для однофазных ИБП : 1, (1,5) 3, 6, 10, (15) кВА;

? для ИБП с трехфазным входом и однофазным выходом: 10, 15, 20 кВА;

? для трехфазных ИБП: 10, (15), 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800 кВА.

Выходной коэффициент мощности (Кр_вых), указанный производителем, соответствует тому значению коэффициента мощности нагрузки, при котором обеспечивается максимальная эффективность потребления нагрузкой электроэнергии от ИБП.

Значения Кр_вых для современных ИБП с двойным преобразованием приняты в диапазоне от 0,7 (для ИБП мощностью до 10-20 кВА) до 0,8 (для ИБП 30 кВА и более).

Номинальная активная выходная мощность (Р_{вых.ном}) - максимальная активная мощность, отдаваемая в нагрузку:

Внешняя характеристика характеризует степень статической точности выходного напряжения ИБП. В общем случае, жесткость внешней характеристики определяется внутренним сопротивлением силовой цепи, включающей выпрямитель, корректор коэффициента мощности, преобразователь постоянного напряжения и инвертор. Однако, в связи со стабилизирующими свойствами ККМ - ППН, обеспечивающими стабильное напряжение питание инвертора, можно считать, что основным параметром, определяющим внешнюю характеристику ИБП, является выходное сопротивление инвертора. Современные инверторы на IGBT-транзисторах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения обладают низким значением внутреннего сопротивления. По сравнению с силовыми трансформаторами, инвертор обладает внутренним сопротивлением в 5 раз меньше [5], что обеспечивает не только высокую точность стабилизации выходного напряжения (1-2)%, но и низкие значения коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения (менее 3%) при токах в нелинейных нагрузках с коэффициентом амплитуды до 3.

Нагрузочная характеристика представляет нелинейную зависимость коэффициента передачи полной мощности от коэффициента мощности нагрузки. Значение коэффициента передачи полной мощности в нагрузку достигает 100% при равенстве коэффициента мощности линейной нагрузки индуктивного характера выходному коэффициенту мощности ИБП.

На рисунке 3 приведены нагрузочные характеристики при различных типах линейной нагрузки RL, RC и нелинейной нагрузки RCD. При чисто активной нагрузке коэффициент передачи мощности соответствует значению Кр_вых 100%.

Рис.3 Нагрузочные характеристики ИБП

При нелинейной нагрузке коэффициент передачи мощности снижается. Наиболее распространены однофазные нелинейные нагрузки типа RCD - неуправляемые выпрямители с емкостным фильтром. Коэффициент амплитуды тока такой нагрузки достигает 2,5 - 3 при коэффициенте мощности 0,7 - 0,6.

На рисунке 4 приведены зависимости коэффициента мощности и коэффициента амплитуды RCD-нагрузки в функции длительности импульса тока на полупериоде сетевого напряжения [4].

Рис.4 Зависимости Кр и Ка от длительности импульса тока в RCD-нагрузке

При работе ИБП на разнотипные нагрузки за эквивалентную нелинейную нагрузку принимают сумму нагрузок: 50% - RL - линейная нагрузка с Кр_н=0,8 и 50% - RCD - нагрузка - неуправляемый выпрямитель с емкостью фильтра 2,5 мкФ/Вт. Коэффициент передачи мощности в нелинейную нагрузку при токе с коэффициентом амплитуды К_а=3 не превышает значения К_s=70 - 80%.

Перегрузочные характеристики ИБП и ток короткого замыкания инвертора.

Различают перегрузочные способности инвертора и цепи Bypass. При значительных и длительных перегрузках ИБП переходит в режим автоматического Bypass, отличающийся большой перегрузочной способностью. Однако, современные инверторы на IGBT-транзисторах с ШИМ регулированием обладают так же достаточно высокими перегрузочными характеристиками и значениями токов короткого замыкания (I_кз), достигающими 300% номинального выходного тока. При перегрузках, не превышающих 5-10% номинальной мощности, ИБП могут работать в инверторном режиме длительное время, не переходя в режим автоматического Bypass. На рисунке 5 приведены типичные перегрузочные характеристики ИБП. Следует иметь в виду, что количественные показатели приведенных время-токовых зависимостей могут отличаться для разных моделей ИБП различных производителей. Знание перегрузочных характеристик позволяет оптимально выбирать необходимую номинальную мощность ИБП для нагрузок, обладающих большими пусковыми токами, исключая низкий коэффициент загрузки ИБП в статическом режиме при номинальных токах нагрузки.