Источник бесперебойного питания

В статье перечислены технические решения, примененные в источниках бесперебойного питания (ИБП) Powercom. Представлена модель двойного преобразования MACAN MRT‑1000 SE и ее характеристики.

Powercom, г. Москва

скачать pdf >>

Источники бесперебойного питания двойного преобразования применяются в системах электроснабжения объектов с повышенными требованиями к качеству электроэнергии и непрерывности питания. К таким объектам относятся центры обработки данных, узлы связи, автоматизированные системы управления, а также промышленное и инженерное оборудование, чувствительное к отклонениям напряжения и частоты.

Развитие схемотехнических и алгоритмических решений в ИБП этого класса направлено на повышение энергоэффективности, улучшение характеристик выходного напряжения и увеличение ресурса аккумуляторных батарей. В отраслевой практике особое внимание уделяется активной коррекции коэффициента мощности, интеллектуальному управлению зарядом аккумуляторов, снижению потерь при преобразовании энергии и расширению возможностей мониторинга и управления.

В настоящей статье на примере одной из серийных моделей ИБП двойного преобразования рассматриваются реализованные технические подходы и конструктивные решения, применяемые в современных источниках бесперебойного питания данного класса, а также их влияние на эксплуатационные характеристики оборудования.

Активная коррекция коэффициента мощности для устранения сдвига фаз между током и напряжением, или, иными словами, для нейтрализации емкостной и индуктивной составляющих нагрузки преобразователя напряжения. Введение этого достаточно сложного корректора приводит к заметному удорожанию и усложнению устройства в целом, но обеспечивает несколько преимуществ: во‑первых, с той же электропроводкой, без нарушения каких-либо норм можно использовать как минимум втрое-вчетверо более мощные ИБП; во‑вторых, проще обеспечить высокую энергоемкость ИБП как способность отдавать в течение некоторого времени мощность в нагрузку, не «просаживая» сеть и не сильно снижая выходное напряжение; в‑третьих, корректор стабилизирует выходное напряжение, поэтому выходная мощность ИБП перестает жестко зависеть от напряжения се­ти. Да­же при сниженном напряжении се­ти в нагрузку отдается полная мощность. Корректор применен во всех ИБП двойного преобразования (онлайновых) на основе специализированных микросхем ШИМ-управления и IGBT-транзисторов. Такой способ является эффективным и недорогим, но позволяет получить коэффициент мощности порядка 99,9 %.

Улучшенное управление аккумуляторами (advanced battery managment). Обычно для компенсации саморазряда аккумуляторов ИБП проводится подзарядка малым током (капельная). Слабый ток вызывает изменения химического состава активных веществ, коррозию решетки и осыпание активной массы положительных пластин, что ведет к необратимому падению емкости аккумуляторных батарей, их срок службы сокращается, и реальное время аккумуляторного питания уменьшается. Компания Powercom реализует алгоритм управления зарядкой разной степени сложности.

Трехэтапный цикл зарядки. Сначала выполняется зарядка постоянным током, потом постоянным напряжением. Далее наступает режим покоя, когда схема управления выключает зарядное устройство до следующего зарядного цикла.

Температурная компенсация во время зарядки. Химические процессы в аккумуляторах сильно зависят от температуры окружающей среды. Все режимы работы ИБП рассчитываются при температуре +25 °C как наиболее оптимальной. По датчику температуры внутри корпуса микроконтроллер вычисляет текущую величину, исходя из поправочного коэффициента 3 мВ на 1 °C, что благоприятно сказывается на состоянии аккумулятора и увеличивает срок его службы, тем самым уменьшая общую стоимость ИБП.

Режим высокой эффективности. На каждом из двух преобразований энергии (выпрямление – инвертирование) определенная часть энергии теряется, поэтому ИБП двойного преобразования имеют КПД на уровне 86 %. В дополнение к обычному режиму работы функция оптимизации эффективности обеспечивает реальную экономию энергии, минимизируя потери и снижая потребляемую мощность. КПД в таком режиме достигает 95 %. В зависимости от качества электропитания ИБП автоматически переключается между режимом постоянной работы на линии (двойного преобразования) и обводным режимом (по ГОСТ Р МЭК 62040-1-1-2009 «Источники бесперебойного питания»), который еще называют обходным, или байпасным. Если сетевое напряжение хорошего качества и не содержит помех, ИБП автоматически переключается в обводной режим, уменьшая таким образом потери на преобразование. В то же время ИБП регистрирует любые дефекты сетевого напряжения и при необходимости мгновенно возвращается в режим двойного преобразования. По умолчанию режим энергосбережения/высокой эффективности выключен.

Возможность сегментации нагрузок обеспечивает раздельное управление группами выходных розеток. Это сделано для то­го, чтобы эффективней использовать ресурс аккумуляторов и максимально увеличить время аккумуляторного питания наиболее важных потребителей. Управление группами осуществляется с лицевой панели ИБП.

Высокочастотный инвертор. Во всех моделях ИБП двойного преобразования от Powercom используется инвертор по схеме с широтно-импульсной модуляцией на мощных транзисторах IGBT (от англ. In­su­la­ted-ga­te bipolar transistor – «биполярный транзистор с изолированным затвором»). Управление силовыми транзисторами на частоте порядка 20 кГц осуществляет непосредственно центральный микропроцессор, описывающий в цифровом ви­де форму выходной синусоиды. Далее этот цифровой код преобразуется специализированным цифро-аналоговым преобразователем, а сформированный сигнал поступает на управляющие схемы силовых ключей через гальваническую развязку на оптронах. Это эффективный способ, так как позволяет при небольших затратах выдавать в нагрузку большую мощность и при этом уменьшить габариты индуктивных элементов инвертора.

ИБП MACAN MRT-1000 SE

В качестве примера рассмотрена младшая модель линейки — MACAN MRT-1000 SE (рис. 1). Устройство относится к источникам бесперебойного питания двойного преобразования и обеспечивает непрерывное питание нагрузки без временного интервала переключения. MRT SE в названии означает MACAN Rack & Tower SE – «стойка и вертикальный корпус». Устройства серии представлены в четырех вариантах по мощности (1000, 1500, 2000 и 3000 ВА) и имеют базовый набор функций для современных систем бесперебойного питания. Особенностями этих ИБП являются максимальный коэффициент мощности PF = 1 и пониженный уровень шума за счет установки 6‑скоростного вентилятора охлаждения. Пользу при эксплуатации принесут рабочий режим высокой эффективности, горячая замена аккумуляторов, возможность подключения внешних аккумуляторных блоков для получения необходимого времени автономной (аккумуляторной) работы. С помощью специального ПО ИБП ведет мониторинг параметров на входе, и если в течение определенного времени показатели входного напряжения не выходят за пределы установленных величин, то ИБП может перейти в режим высокой эффективности, тем самым повысив КПД.

Рис. 1. Источник бесперебойного питания MRT‑1000 SE

Все модели серии MRT SE оснащены многофункциональным поворотным ЖК-дисплеем, а также портами USB, RS‑232 и внутренним слотом для SNMP-адаптера (поставляется отдельно), необходимого для организации удаленного управления и мониторинга с помощью специального ПО. ИБП MRT SE можно устанавливать в стандартную 19‑дюймовую телекоммуникационную стойку или на пол в вертикальном положении, для че­го в комплекте предусмотрены специальные подставки.

Индикация осуществляется на ЖК-дисплее. Выводятся показатели входного/выходного напряжения, частоты входного/выходного напряжения, режим работы (нормальный, «байпас», питание от аккумуляторов), уровень зарядки аккумуляторов, уровень нагрузки. При низкой зарядке аккумулятора, перегрузке и неисправности зарядного устройства формируется звуковой сигнал.

В ИБП двойного преобразования MACAN MRT‑1000 SE реализовано несколько способов защиты. Так, при перегрузке или КЗ входной тепловой автомат выполнит автоматическое выключение для защиты электронных схем. От повышенного или пониженного напряжения электросети спасет стабилизация с двойным преобразованием. При пропадании напряжения электросети ИБП немедленно перейдет на работу от внутренних аккумуляторных батарей или от внешнего аккумуляторного блока. Функция сетевого фильтра позволяет отфильтровывать электромагнитные и импульсные помехи. Чтобы не допустить искажения формы синусоидального входного напряжения, нагрузка всегда питается от работающего инвертора. А отклонение частоты предотвращается стабилизацией с двойным преобразованием.

В ИБП используются свинцово‑кислотные аккумуляторы – три штуки по 12 В, всего 36 В. Типовое время зарядки 4 ча­са (до 90 % от полной емкости). От полной разрядки аккумулятор защищен автоматическим отключением. Возможно подключение дополнительных аккумуляторов и их горячая замена.

Опубликовано_в журнале ИСУП № 2(110)_2024

Powercom, г. Москва,
тел.: +7 (495) 651‑6281,
e-mail: info@pcm.ru