Статья: Эффективность использования ИБП переменного тока в системах мониторинга

На рисунке 5 обозначены допустимые области работы ИБП: 1- в инверторном режиме, 2 - в режиме автоматического Bypass, 3 - область отключенного ИБП.

Рис.5 Перегрузочные характеристики ИБП

Вопрос ограничения тока инвертора в режиме перегрузки является важным в понимании перегрузочных свойств ИБП. При росте тока нагрузки свыше номинального значения инвертор переходит в режим генератора тока, ограничивая максимальное значение тока на определенной величине I_огр.

Экспериментально показано [6]: для того, чтобы искажение синусоидальности выходного напряжения не превышало 5%, необходимо устанавливать порог ограничения максимального (амплитудного) значения выходного тока в 1,5 раза больше амплитудной величины номинального тока инвертора при линейной нагрузке:

Соответственно, коэффициент амплитуды тока ограничения будет:

На рисунке 6 приведены кривые выходного напряжения и тока инвертора с номинальной мощностью 5 кВА при работе на нелинейную нагрузку типа RCD при различных значениях тока нагрузки. Инвертор с ШИМ регулированием выходного напряжения способен реагировать на изменения тока нагрузки, ограничивая его по амплитуде. При этом происходит увеличение длительности импульса тока на полупериоде выходного напряжения. (см. рис.6 б,в,г).

Рис.6 Кривые изменения напряжения и тока инвертора при RCD нагрузке

В таблицу 1 сведены электрические параметры, характеризующие режимы работы инвертора в соответствии с кривыми напряжения и тока на рисунке 6.

Таблица 1

Как видно из примера, инвертор с номинальной мощностью 5 кВА способен отдать 4 кВт активной мощности в RCD нагрузку с искажением синусоидальности выходного напряжения не более 5%. Таким образом, выходной коэффициент мощности такого инвертора равен Кр_вых=0,8.

Входные характеристики ИБП

Номинальная входная полная мощность (S_вх.ном) - полная мощность, загружающая сеть при 100% коэффициенте нагрузки и стандартных условиях эксплуатации. Различают входную мощность, потребляемую при заряженной аккумуляторной батарее (S_вх.мин), и мощность при форсированном заряде батареи (S_{вх.макс}), превышающую первое значение на 25-30%, в зависимости от величины емкости батареи и степени ее разряженности. Например, для ИБП с номинальной выходной мощностью 30 кВА и входным коэффициентом мощности 0.8, имеем S_вх.мин=32,8 кВА и S_{вх.макс}=41 кВА.

Номинальная входная активная мощность (Р_вх.ном) - характеризует энергопотребление на входе ИБП при номинальной нагрузке:

Входной коэффициент мощности (Кр_вх) - характеризует соотношение между полной и активной входной мощностью при номинальной нагрузке и определяется выражением (5). Значения Кр_вх для различных моделей и мощностей ИБП могут изменяться от 0,8 до 0,99. Чем больше значение Кр_вх, тем ниже искажение синусоидальности входного тока. При этом входное сопротивление ИБП по отношению к сети будет чисто активным. Наиболее высокое значение Кр_вх=0,99 достигнуто в ИБП модели Galaxy 3000 производства MGE UPS Systems, за счет использования в структуре ИБП корректора коэффициента мощности на основе двунаправленного управляемого выпрямителя на IGBT транзисторах с ШИМ регулированием [7].

Максимальный входной ток - параметр, определяющий выбор внешнего автомата защиты ИБП. Величина максимального тока определяется при 100% коэффициенте нагрузки, минимальном входном напряжении в режиме форсированного заряда батареи:

Переходные характеристики ИБП

В технических данных производителей ИБП эти характеристики носят название системных или вход - выход. К ним относятся такие параметры, как К.П.Д., энергетический коэффициент, и временные характеристики автономной работы ИБП.

Коэффициент полезного действия и тепловые потери

К.П.Д. характеризует эффективность использования ИБП и представляет отношение выходной активной мощности, потребляемой нагрузкой, к входной активной мощности, потребляемой ИБП из сети. Потери активной мощности (тепловые потери) в ИБП характеризуются рядом составляющих:

?P_хх - постоянная составляющая потерь (потери холостого хода ИБП) не зависит от коэффициента нагрузки и определяется энергией, необходимой для обслуживания системы управления силовых узлов ИБП, питания вентиляторов охлаждения ИБП и других вспомогательных блоков. Для ИБП малой и средней мощности 1 - 10 кВА потери х.х. составляют 20 - 30% от общих потерь. С ростом мощности ИБП относительная доля потерь х.х. снижается.

?P_сц - переменная составляющая потерь, зависящая от коэффициента нагрузки.

?P₁ - потери в силовой цепи выпрямителя,

?P₂ - потери в силовой цепи корректора коэффициента мощности,

?P₃ - потери в силовой цепи преобразователя постоянного напряжения,

?P₄ - потери в силовой цепи инвертора.

Технические данные производителей ИБП содержат значения К.П.Д. отдельных силовых узлов ИБП (в основном выпрямителя и инвертора) и значения общего (системного) К.П.Д. ИБП, составляющие 85-88% для ИБП малой мощности и 90-94% для ИБП средней и большой мощности;

?P_доп - дополнительные потери на заряд аккумуляторной батареи, являющиеся переменными во времени и зависящие от степени разряженности батареи и ее емкости. Наибольшие дополнительные потери возникают при форсированном заряде батареи. Например, потери при номинальной нагрузке в ИБП мощностью 30 кВА составляют: 2,8 кВт - при форсированном режиме заряда батареи и 2,2 кВт - при заряженной батарее.

Временные характеристики автономной работы ИБП показывают предельные времена работы ИБП от энергии аккумуляторных батарей при отсутствии или недопустимых отклонениях сети в зависимости от коэффициента нагрузки ИБП. На рисунке 7 представлены временные характеристики для различной энергоемкости батарей (Ач), используемых в ИБП. Значительное увеличение времени резерва достигается внешним подключением дополнительных аккумуляторных модулей к ИБП. [8]. Следует обратить внимание на нелинейную зависимость временных характеристик от значения коэффициента нагрузки.

источник бесперебойный питание автономный

Рис.7 Временные характеристики автономной работы ИБП

Энергетический коэффициент - определяет соотношение потребляемой ИБП и отдаваемой в нагрузку полных мощностей. По определению (8):

Если выполняется условие К_э ? Кр_н, то ИБП потребляет из сети полную мощность равную или меньше, чем ИБП отдает в нагрузку:

Данное положение распространяется на ИБП с высоким входным коэффициентом мощности при работе на нелинейные нагрузки с низким коэффициентом мощности. Это явление объясняется тем, что при нелинейной нагрузке ток реактивной мощности и высокочастотные гармоники тока мощности искажения замыкаются в контуре инвертор - нагрузка и не проявляется во входной цепи ИБП.

Можно показать, что при заданном коэффициенте мощности нагрузки Кр_н и К.П.Д. ИБП, активная мощность на входе ИБП будет составлять:

Полная мощность на входе ИБП будет определяться входным коэффициентом мощности ИБП:

При условии U_вх = U_вых, имеем:

Рассмотрим пример использования ИБП со следующими показателями: Кр_вх = 0,95, К.П.Д. = 90%, при работе на нелинейную нагрузку с коэффициентом мощности Кр_н = 0,63.

Из соотношения (23) имеем: I_вх = 0,74 I_вых.

Уменьшение действующего значения входного тока ИБП относительно выходного тока приводит к снижению загруженности сети, по сравнению с тем случаем, когда нагрузка подключена к сети напрямую. Это означает меньшее рассеяние мощности в линии электропередачи и понижающем силовом трансформаторе. Так как потери мощности пропорциональны квадрату тока, то потери мощности в линиях электропередачи с использованием ИБП в нашем примере составят 54% от потерь при питании той же нагрузки от сети без ИБП. Это обстоятельство особо важно при наличии, так называемых, "мягких" линий электропередачи.

Таким образом, энергетический коэффициент является одним из важнейших показателей, определяющих целесообразность применения ИБП с двойным преобразованием энергии не только для обеспечения бесперебойного электропитания нагрузки при пропадании или искажении сети, но и для оптимизации энергопотребления при нагрузках с низким коэффициентом мощности.

Литература

1. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

2. ГОСТ 27699-88 Системы бесперебойного питания приемников переменного тока. Общие технические условия.

3. Климов В.П., Портнов А.А., Зуенко В.В. Топологии источников бесперебойного питания переменного тока, Электронные компоненты, №7, 2003.

4. Климов В.П., Смирнов В.Н. Коэффициент мощности однофазного бестрансформаторного импульсного источника питания // Практическая силовая электроника, 2002г., вып. 5, стр.21-23.

5. UPS and Power Protection Solution.Design Guide, MGE UPS Systems, MGE 159,1998.

6. Jean N. Fiorina Inverters and Harmonics, MGE UPS Systems, MGE 159, 1993.

7. Galaxy 3000,MGE UPS Systems, MGE 331, 2000.

8. Климов В.П. "Электронные компоненты" N4, 2004