Системы бесперебойного электроснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Раньше системы гарантированного энергоснабжения устанавливали в основном банки. Руководители производств, полагавшие, что резервное энергоснабжение -- излишняя предосторожность, изменили отношение к энергозащите и сегодня устанавливают энергозащитные комплексы. Это касается, например, пищевой промышленности, производителей табачных и кондитерских изделий, а также металлургов, химиков и машиностроителей.

Спрос на энергозащитную технику подогревает реконструкция предприятий. Чтобы быть эффективным, реконструированное производство оснащается современным точным оборудованием и становится весьма и весьма чувствительным к непостоянству тока из розетки. Технологические процессы контролируются компьютерными системами, и даже полусекундный провал напряжения в сети грозит сбоем и тоннами испорченного сырья.

Таким образом, целью КП является рассмотрение основных аспектов применения энергозащитных комплексов информационных систем.

Задачи КП:

1. Рассмотреть системы бесперебойного электроснабжения.

2. Изучить системы гарантированного электроснабжения.

3. Исследовать составные элементы комплексов энергозащиты информационных систем такие как:

- источники бесперебойного питания;

- аккумуляторные батареи ИБП;

- дизель-генераторные установки;

- стабилизаторы напряжения.



1. Системы бесперебойного электроснабжения

стабилизатор аккумулятор дизель генераторный

Во многих публикациях, проспектах и технических материалах компаний-производителей можно встретить термин «системы бесперебойного электропитания», под которым подразумеваются источники бесперебойного питания (ИБП). Термин «электропитание» в данном контексте употреблен неверно, так как, согласно определению, обеспечение потребителей электрической энергией называется «электроснабжение». В случае инфокоммуникационных систем потребителями являются технические средства и соответствующее оборудование, а их электроснабжение должно быть бесперебойным. К тому же само понятие «система электроснабжения» шире и включает в себя совокупность машин и аппаратов (электрических), линий (кабельных, воздушных), вспомогательного оборудования и помещений, где они установлены. Поэтому маленький настольный ИБП с подключенным к нему персональным компьютером вряд ли можно считать системой, но в то же время на основе ИБП малой мощности строятся так называемые распределенные системы бесперебойного электропитания.

1.1 Распределенные системы бесперебойного электропитания

Система бесперебойного энергоснабжения строится в соответствии с одной из двух традиционных структур: распределенной (локальной) и централизованной. При распределенной системе системы бесперебойного электропитания (см. Рисунок 1) одно устройство или небольшая группа получают питание от отдельного (локального) источника бесперебойного питания.



Рисунок 1 - Распределенная системы бесперебойного электропитания

Распределенная система имеет следующие преимущества:

- система создается без переделки существующей электрической сети с использованием "розеточных" источников бесперебойного питания (т. е. включаемых непосредственно в розетку ИБП малой мощности);

- наращивание мощности и изменение конфигурации осуществляется достаточно просто;

- при отказе одного из источника бесперебойного питания отключается лишь незначительная часть системы, а последствия отказа устраняются обычной заменой поврежденного источника;

- для размещения ИБП не выделяются специальные помещения.

Недостатки распределенной системы состоят в следующем:

- установленная мощность источников бесперебойного питания используется неэффективно из-за невозможности обеспечения номинальной загрузки всех ИБП;

- время автономной работы всей системы не одинаково для всех нагрузок;

- при подключении дополнительной нагрузки или коротком замыкании в цепи нагрузки одного ИБП дает о себе знать недостаточная перегрузочная способность системы (этот недостаток не слишком существенен и проявляется редко);

- в случае использования резервных или линейно-интерактивных ИБП даже при сбалансированной симметричной нагрузке в нейтральном проводнике возникают токи, значения которых могут превосходить значения токов в фазных проводниках; это явление приводит к перегрузке нейтрального проводника и ухудшению электромагнитной совместимости.

1.2 Централизованные системы бесперебойного электропитания

Рисунок 2 - Централизованная системы бесперебойного электропитания

Централизованная система (см. Рисунок 2) строится на основе одного или несколько мощных ИБП. Перечислим преимущества централизованной структуры:

- эффективное использование установленной мощности ИБП и емкости батарей;

- устойчивость к перегрузкам;

- возможность увеличения времени автономной работы за счет отключения менее ответственных потребителей в соответствии с так называемым планом "деградации" системы;

- исключение перегрузки нейтрального проводника на участке от ввода до ИБП.

Недостатки централизованной системы:

- более высокая стоимость по сравнению с распределенной системой;

- вероятность общего отказа из-за неисправности распределительной сети бесперебойного электроснабжения или самого ИБП.

В чистом виде каждая из приведенных систем встречается достаточно редко. Типичными областями применения распределенной системы являются офисные здания, где в арендуемых помещениях размещаются организации сравнительно небольшого размера, а многочисленные персональные компьютеры функционируют в режиме независимых рабочих станций, зачастую без объединения их в локальную сеть. Использование для электроснабжения централизованной системы целесообразно, когда оборудование выполняет общую задачу и состоит из однотипных по назначению и надежности элементов (телекоммуникационные центры, издательские комплексы и т.п.). На практике часто строится двухуровневая система, которая представляет собой комбинацию централизованной и распределенной системы (см. Рисунок 3).



Рисунок 3 - Двухуровневая системы бесперебойного электропитания

Оптимизация установленной мощности ИБП и, соответственно, стоимости оборудования состоит в выделении наиболее ответственных потребителей, электроснабжение которых будет осуществляться от источников бесперебойного питания малой мощности (ИБП «второго уровня»), последовательно подключенных к централизованной системе. Двухуровневое резервирование предназначено для защиты файловых серверов и рабочих станций администраторов, коммуникационного оборудования, систем связи и др. от обесточивания вследствие аварий электрической сети внутри здания, вызванных локальными повреждениями, короткими замыканиями или перегрузками (в том числе подключенной к основному ИБП сети бесперебойного электроснабжения).

Появление нового класса ИБП «энергетических массивов» позволяет организовать электроснабжение в соответствии с централизованной схемой и разделить оборудование по функциональным и территориальным группам. Коммутационные центры и серверы защищаются энергетическими массивами малой и средней мощности в масштабах телекоммуникационной стойки или технологического помещения. Рабочие же станции защищаются по централизованной схеме в масштабах здания.



1.3 Расчет мощности ИБП

Выбор конкретных моделей ИБП для проектируемой системы бесперебойного электропитания производится на основе расчета потребляемой мощности нагрузки и прогноза ее роста в будущем.

Для расчета мощности ИБП необходимы следующие расчетные и задаваемые параметры:

- мощность нагрузки;

- коэффициент мощности нагрузки;

- пусковые токи потребителей, мощность которых соизмерима с номинальной мощностью ИБП;

- время автономной работы ИБП;

- время заряда батарей;

- требования к надежности.

Как правило, в задании на проектирование обычно предоставляются следующие данные:

- мощность нагрузки;

- характер нагрузки;

- требуемое время автономной работы ИБП.

При расчете мощности ИБП следует помнить, что основными потребителями являются устройства с импульсными блоками питания, чье потребление характеризуется высоким крест фактором (отношением амплитудного значения тока к его действующему значению). Поэтому при выборе мощности ИБП по каталогу необходимо обращаться к значениям номинальной мощности, относящейся именно к нагрузке с импульсными блоками питания (Switch Mode Power Supply, SMPS).

1.4 Расчет времени автономной работы ИБП

Помимо мощности, система бесперебойного электропитания характеризуется временем автономной работы (run-time), т. е. временем работы ИБП от аккумуляторной батареи (АБ).

Данный показатель тесно связан с понятием отказоустойчивости и не должен быть меньше того срока, который необходим для включения или переключения на резервный (резервирующий) источник электроснабжения от внешней системы или от дизельной электростанции (ДЭС). При полном отключении основных и резервных источников электроснабжения время автономной работы позволяет завершить информационный процесс без потери информации: например, корректно остановить сервер. Эта функция возлагается преимущественно на ИБП второго уровня.

Для центральных (основных) ИБП время автономной работы обычно составляет 10-20 мин, чего вполне достаточно для запуска резервной дизельной электростанции или завершения работы пользователей компьютерной сети. Альтернативой ДЭС может служить системы бесперебойного электропитания с более продолжительным временем автономной работы.

Как и при расчете мощности, выбирая время автономной работы для ИБП первого уровня, необходимо ясно представлять себе перспективы развития системы бесперебойного электропитания. Увеличение времени автономной работы возможно впоследствии путем увеличения емкости аккумуляторных батарей. Главное - заранее предусмотреть такую возможность при создании системы бесперебойного электропитания (включая соответствующие площади в электромашинных помещениях, необходимые запасы по сечениям питающих кабелей, коммутационной аппаратуры, комплектации ИБП и т. д.).



2. Источники бесперебойного питания

Источники бесперебойного питания, согласно действующим стандартам, классифицируют по принципу действия на три основные группы:

1) Off-Line/Stand-By/back-up UPS;

2) Line-Interactive;

3) On-Line.

2.1 Источники бесперебойного питания типа Off-Line

Источники бесперебойного питания типа Off-Line стандартом определяются как пассивные, резервного действия (UPS-PSO). В нормальном режиме функционирования штатным питанием нагрузки является отфильтрованное напряжение первичной сети при допустимых отклонениях входного напряжения и частоты. В случае, когда параметры входного напряжения выходят за значения настроенных диапазонов, включается инвертор источника бесперебойного питания, обеспечивающий непрерывность питания нагрузки. Инвертор питается от аккумуляторов.

Это наиболее простые ИБП (рисунок 4), а значит, и самые дешевые. Источник бесперебойного питания состоит из двух параллельных ветвей:

* фильтр-нагрузка;

* выпрямитель-батарея-инвертор-нагрузка.



Рисунок 4 - Схема источника бесперебойного питания Stand-By типа

При нормальных характеристиках сети, напряжение в нагрузку поступает через фильтр, фильтрующий всевозможные помехи. Это, обычно, фильтр-ограничитель (surge suppressor), хотя может быть и фильтр-стабилизатор (line conditioner) либо их сочетание, а также статический переключатель.

Одновременно через выпрямитель подзаряжаются и аккумуляторы аккумуляторной батареи. При пропадании, завышении либо понижении входного напряжения, питание нагрузки электронным переключателем переключается на батарейное через инвертор (инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное). Переключатель обеспечивает время переключения от 2 до 15 мс. Отметим, что пропадание электроэнергии в ходе этого времени не оказывает сколь-нибудь заметного влияния на компьютерные системы, которые спокойно переносят отключение питания на 10-20мс. Учитывая, что почти у всей современной аппаратуры блоки питания импульсные, переключение совершается незаметно для пользователя. Источники бесперебойного питания такого типа могут поддержать работу персонального компьютера в ходе 5-10 мин.

Основные недостатки ИБП Off-Line:

* плохая работа источников питания этого типа в сетях с низким качеством электрической сети: плохая защита от провалов напряжения (sags), превышений допустимого значения напряжения, изменений частоты и формы входного напряжения;

* невозможность своевременного восстановления емкости аккумуляторов при частых переключениях на батарейное питание;

* несинусоидальное выходное напряжение при питании от аккумуляторной батареи.

Итак, основное рекомендуемое использование источников бесперебойного питания off-line типа - устройство защиты нагрузки с импульсным блоком питания с редкими отклонениями в питающей сети.

2.2 Источники бесперебойного питания типа Line-Interactive

В источниках бесперебойного питания линейно-интерактивного типа (Line-Interactive, иногда Ferroresonant) сочетаются преимущества типа On-line с надежностью и эффективностью резервных (standby). В источниках бесперебойного питания этого типа в отличие от технологии Off-line в прямую цепь включен ступенчатый автоматический регулятор напряжения (booster), построенный на основе автотрансформатора (трансформатор с переключающимися обмотками). В некоторых моделях применяется сетевой стабилизатор напряжения.

Инвертор связан с нагрузкой. При работе он питает нагрузку параллельно стабилизированному (conditioned) переменному напряжению сети. Нагрузка подключается полностью лишь в том случае, когда входное напряжение электросети пропадает.



Рисунок 5 - Схема источника бесперебойного питания Line-Interactive типа

Из-за такого взаимодействия ("interaction") со входным сетевым напряжением данная архитектура и получила свое название. В определенном диапазоне изменения сетевого напряжения, выходное напряжение поддерживается в заданных границах за счет переключения обмоток трансформатора либо стабилизатором. Инвертор как правило работает при низком напряжении, регулирует выходное напряжение и подзарядку аккумуляторов до тех пор, пока не потребуется его включение для полного питания нагрузки при перебоях в электросети.

Трансформатор, сделанный по специальной так называемой ferro-технологии, сглаживает скачки напряжения, при этом источник бесперебойного питания реже переключается на работу от аккумуляторной батареи, и следовательно повышается срок службы батареи. Обычно, эти источники бесперебойного питания оборудованы совершенными фильтрами, обеспечивающими защиту от помех различного происхождения. Типовое время переключения в режим питания от аккумуляторов или обратно составляет 2 мс.

Конструктивно трансформатор не имеет несколько дополнительных отводов во вторичной обмотке (это может быть автотрансформатор с единственной обмоткой), переключением отводов трансформатора при изменениях входного напряжения управляет контроллер (микропроцессор), поддерживая напряжение на выходе в требуемом диапазоне. В этой схеме зарядное устройство конструктивно совмещено с преобразователем.

Одним из преимуществ ИБП такого типа является широкий диапазон допустимых входных напряжений.

В некоторых линейно-интерактивных моделях есть шунтовая цепь между входом первичной электросети и нагрузкой, такие ИБП называются шунтовыми линейно-интерактивными ИБП (UPS-LIB, Reversible + Bypass). В шунтовом режиме питаемая нагрузка не защищается. При работе с источниками на основе ferro-технологий нужно иметь в виду:

* высокое выходное сопротивление источников может угрожать безопасной работе приборов, препятствуя срабатыванию сетевых предохранителей;

* возможна нестабильная работа (паразитные колебания) при использовании источников для питания приборов с корректорами коэффициента мощности.

2.3 Источники бесперебойного питания типа On-Line типа

Технология On-Line позволяет реализовать самый надежный тип источника бесперебойного питания. С выпрямителя (рисунок 6) напряжение сети поступает на преобразователь постоянного напряжения высокого уровня в низкое ПН1, а далее - на преобразователь постоянного напряжения в переменное выходное напряжение (ПН2). Преобразователь ПН2 - инвертор, питание на который поступает как от аккумуляторов, так и от сети через выпрямитель-преобразователь напряжения ПН1, подключенных параллельно:

* при нормальном входном переменном напряжении инвертор ПН2 питается от выпрямителя;

* при отклонениях в питающей электросети от нормы, входное напряжение для ПН2 снимается с аккумуляторной батареи.

Рисунок 6 - Схема источника бесперебойного питания On-Line типа

В большинстве систем источников бесперебойного питания мощностью до 5 кВт вместо непрерывно подключенного аккумулятора, подключен резервный преобразователь постоянного тока (DC-DC converter), включающийся при сбоях сети и дублирующий шину постоянного тока от низковольтного аккумулятора.

Недостатки источников бесперебойного питания On-line типа: невысокий, по сравнению с ранее рассмотренными типами, КПД (85-90%) из-за двойного преобразования (по отношению к Standby и Line-Interactive) и высокая цена. Однако, уровень защиты нагрузки и стабильность выходных параметров ИБП - разумный компромисс между безопасностью, КПД и ценой устройства. Потери в ИБП мощностью в 4000ВА не превышают 380Вт и могут быть несоизмеримыми с той задачей, которую решает подобный источник питания.

Новые модификации источников бесперебойного питания

Сейчас имеется несколько новых модификаций источников бесперебойного питания:

* by-pass;

* triple-conversion;

* ferrups.

Первая модификация (by-pass) как и на рисунке 6 представляет собой дополнительный канал передачи электроэнергии в нагрузку, его наличие позволяет обеспечить высокую надежность устройства. Переключение в режим On-line производится автоматически при отклонении параметров выходной сети от нормы либо же в аварийных условиях работы. Таким образом, этот режим способствует увеличению надежности устройства. Вторая модификация (triple-conversion) содержит корректор коэффициента мощности. В третьей модификации (ferrups) применен феррорезонансный трансформатор, обеспечивающий высокие показатели надежности и широкий диапазон входных напряжений.

2.4 Основные технические характеристики ИПБ

1. Форма питающего напряжения

Важное значение для нагрузки имеет именно эта характеристика источника бесперебойного питания. В режиме работы ИБП от аккумуляторных батарей на нагрузку может поступать выходное переменное напряжение близкое к прямоугольной форме (меандр[2]), из-за сглаживающих свойств фильтров, аппроксимированная синусоида и чистая синусоида. Самая близкая к синусоиде форма выходного напряжения получается применением широтно-импульсной модуляции. Получение синусоиды в качестве питающего напряжения характерно лишь для ИБП On-line и некоторых источников питания Line-Interactive.

2. Мощность

Полная либо выходная мощность (output power). Обозначается буквой S, единица измерения - VA или Вольт-Амперы. Является геометрической суммой активной и реактивной мощностей. Параметр рассчитывается как произведение действующих (среднеквадратических) значений тока и напряжения. Её значение указывается изготовителем источника питания.

Активная потребляемая нагрузкой мощность. Обозначается буквой P, единица измерения - ватт (Вт). В случаи отсутствия реактивной составляющей в сети, совпадает с полной мощностью. Определяется как произведение полной мощности на косинус угла ?, где ? - угол сдвига фаз векторов линейных напряжения и тока, т.е. P = S * cos(?). Типичное значение cos(?) для персональных компьютеров около 0,6-0,7. Эта величина именуется коэффициентом мощности. Очевидно, что для выбора требуемой мощности для источника бесперебойного питания, надо мощность нагрузки в ваттах разделить на величину cos(?).

3. Диапазон входного питающего напряжения

Диапазон входного питающего напряжения (input voltage) - определяет пределы допустимых значений напряжения в сети, при которых источник бесперебойного питания еще способен поддерживать напряжение на выходе, не переключаясь на питание от аккумуляторов. Для некоторых моделей этот диапазон зависит от нагрузки.

К примеру, при 100% нагрузке диапазон входных напряжений может составлять 15-20% от номинального, при 50% нагрузке - этот диапазон составляет 20-27% от номинального, а при 30% нагрузке - 40% номинального. От этого параметра зависит срок службы аккумуляторов, чем шире диапазон, тем дольше прослужат аккумуляторы при прочих равных условиях.

4. Частота входного напряжения

Частота входного напряжения - характеризует диапазон отклонения частоты электросети. При нормальных условиях эксплуатации отклонение частоты от номинального значения как правило не превосходит 1 Гц.

5. Коэффициент искажения формы выходного напряжения

Коэффициент искажения формы выходного напряжения (total harmonic distortion - THD) характеризует отклонение формы выходного напряжения от синусоиды, измеряется в процентах. Маленькие значения коэффициента соответствуют форме выходного напряжения, приближающейся к синусоидальной.

6. Время переключения режимов

Время переключения режимов (transfer time) характеризует инерционность источника бесперебойного питания, для разных источников составляет приблизительно до 2-15 мс.

7. Допустимая нагрузка

Допустимая нагрузка (over load) характеризует устойчивость источника бесперебойного питания при перегрузках по мощности, измеряется в процентах по отношению к номинальной мощности. Определяет устойчивость ИБП к нестационарным перегрузкам.

8. Время автономной работы

Время автономной работы определяется емкостью аккумуляторной батареи и размером нагрузки. Для типовых источников бесперебойного питания небольшой мощности, питающих персональные компьютеры, оно составляет 5-10 мин. Это время рассчитано на то, чтобы пользователь мог закрыть все работающие приложения с сохранением информации и выключить ПК в нормальном режиме.

9. Крест-фактор

Крест-фактор (crest factor) - отношение пикового значения потребляемого тока к среднедействующему. Величина зависит от формы питающего напряжения.

10.Срок службы аккумуляторной батареи

Срок службы аккумуляторных батарей составляет 4-5 лет, но реальный сильно зависит от условий эксплуатации: частоты переключений в автономный режим, условий зарядки, окружающей среды.

11. Наличие холодного старта

Наличие холодного старта - это возможность включения источника бесперебойного питания при отсутствии напряжения в питающей сети. Такая функция полезна, когда необходимо срочно выполнить какие либо действия независимо от наличия напряжения в электросети.

3. Аккумуляторные батареи ИБП

Сегодня в ИБП применяются батареи типа VRLA (Valve Regulated Lead Acid), эта аббревиатура обозначает конструктивное исполнение аккумуляторов и переводится как Клапанно-Регулируемые Свинцово-Кислотные. Данный тип батарей часто называют герметизированными необслуживаемыми, в которых практически отсутствует выделение газов (водорода и кислорода), сопровождающих работу любого свинцово-кислотного аккумулятора. Благодаря особенностям конструкции, составу электролита и материалов из которых изготовлены электроды и сепараторы, молекулы газов вновь превращаются в молекулы воды и возвращаются в состав электролита.

Особенностью батарей VRLA является нахождение электролита в связанном состоянии. В настоящее время наибольшее распространение получили два варианта реализации этого состояния. В батареях, созданных по технологии AGM (Absorbed Glass Material) для изготовления сепараторов применяется стекловолоконный пористый материал, который пропитывается электролитом.

Аккумуляторы технологии GEL используют гелеобразный электролит, который получается путем добавления силиконового наполнителя. Оба варианта связывания электролита имеют свои плюсы и минусы. Так батареи AGM обеспечивают лучшую рекомбинацию газов, выравнивание температурных неоднородностей внутри корпуса и имеют хорошие динамические характеристики процессов заряда-разряда. Гелиевые АКБ обладают меньшей эффективностью рекомбинации и более требовательны к условиям эксплуатации. Большая плотность электролита по сравнению с AGM снижает динамические характеристики ее работы и накладывает высокие требования к качеству зарядного устройства.

Кроме способа связывания электролита, герметизированные АКБ различаются конструктивными вариантами изготовления электродов. Чаще всего они выполняются в виде плоских пластин, которые могут иметь разную толщину, структуру и состав активных материалов. От толщины и геометрии решетки электрода зависит срок службы батареи, число пластин определяет ее динамические характеристики, а состав активных материалов влияет на интенсивность выделения газов и эффективность их рекомбинации. Наряду с плоскими электродами в батареях GEL применяются трубчатые, обладающие большей поверхностью. Корпус герметизированного аккумулятора обычно изготавливается из ударопрочного термостойкого пластика ABS[3], так же выпускаются корпуса батарей пластика, который не поддерживает горение.

Ассоциация EUROBAT, объединяющая ведущих европейских производителей аккумуляторных батарей, предложила классификацию, включающую четыре категории АКБ, основанную, в первую очередь, на ожидаемой продолжительности их службы. В категорию высокой целостности (High Integrity) включаются аккумуляторы, которые служат более 10 лет и предназначены для использования в оборудовании на объектах, где необходимо поддержание высшего уровня безопасности. К таким объектам относятся телекоммуникационные центры, атомные электростанции, нефтеперекачивающие комплексы и т.п.

Аккумуляторы категории высокой производительности (High Performance) должны служить не менее 10 лет и требования к их характеристикам и надежности чуть ниже предыдущей категории. От пяти до восьми лет должны работать АКБ общего назначения (General Purpose) и от трех до пяти лет стандартные коммерческие (Standart Commercial). Последняя категория батарей наиболее часто применяется в стационарных установках и небольших ИБП.

Долговечность работы аккумуляторов оценивается числом возможных циклов заряда-разряда и зависит от конструктивного исполнения, условий ввода в эксплуатацию, условий эксплуатации. Так же на надежность и продолжительность работы очень сильно влияет соблюдение технологических процессов и качество исходного сырья при производстве батарей.

Основными характеристиками аккумуляторных батарей являются напряжение на клеммах и номинальная емкость заряда, измеряемая в Ампер-часах (Ач). Герметизированные свинцово-кислотный аккумуляторы обладают достаточно высокими удельными энергетическими характеристиками в расчете на единицу веса или объема (до 40 Втч/кг и 100 Втч/л).

3.1 Производители аккумуляторов и их продукция

Американская компания C&D Technologies производит аккумуляторы с 20-х годов прошлого столетия и по праву считается одной из самых авторитетных в этой области. В части герметизированных батарей сегодня она предлагает две линейки продуктов, созданных с использованием технологии AGM. Это линейка DYNASTY, представленная батареями с расчетным сроком службы 10 лет, напряжением 6 и 12В с номинальной емкостью от 28 до 208Ач. Другая линейка батарей нового поколения msEndurII так же использует технологию AGM. Входящие в ее состав батареи имеют выходное напряжение 2В и заявляемый срок службы 20 лет. Емкость этих батарей составляет от 345 до 2038Ач.

Производство компании CSB Battery расположено на Тайване. Изначально эта компания выпускала необслуживаемые АКБ для ИБП АРС. Сейчас ее продукция расширилась и потеряла моновендорную ориентацию. Для работы в буферном режиме в составе ИБП предлагаются аккумуляторы нескольких серий из которых стоит популярные в России батареи линейки GP, ориентированные на срок службы от 3 до 5 лет и линейки GPL с заявляемым сроком службы более 10 лет. Обе серии имеют в своем составе батареи напряжением 6 и 12В, емкостью до 100Ач.

Так же следует упомянуть серии аккумуляторов MSJ, MSV и MU, которые включают батареи напряжением 2В и емкостью от 150 до 1500Ач. Они выполнены по технологии AGM и имеют заявляемый срок службы 15-20 лет.

Компания Delta поставляет свои аккумуляторы в Россию с 2003г., производство которых осуществляется на партнерских заводах, расположенных в Китае. Для использования в составе ИБП компания рекомендует серию батарей Delta HR. Эти аккумуляторы относятся к группе AGM и специально разрабатывались для работы в источниках бесперебойного питания. Аккумуляторы выпускаются напряжением 6 и 12 Вольт в диапазоне емкости от 4,5 до 100Ач.

Концерн EXIDE Technologies является одним из крупнейший в мире поставщик свинцово-кислотных аккумуляторов различного назначения. Сегодня EXIDE Technologies оценивает свою долю в общемировом производства свинцово-кислотных аккумуляторов более 30,5%. Концерн предлагает широкую номенклатуру аккумуляторов известных под торговыми марками Sonnenschein, Sprinter, Marathon, Absolyte, Tudor, Powerfit. Технологическое направление GEL представлено несколькими линейками торговой марки Sonnenschein. Аккумуляторы этих линеек отличаются конструктивным исполнением и рекомендованной областью применения. Большая часть АКБ Sonnenschein может использоваться в составе телекоммуникационных систем. Эти батареи выпускаются номинальной емкостью от 1,2 до 3500Ач. Батареи других торговых марок изготавливаются с применением технологии AGM. Их емкость лежит в диапазоне от 1,2 до 6000Ач, и срок службы анонсируется от 5 до 20 лет. Значительное число аккумуляторов этих торговых марок так же рекомендуются изготовителем для применения в составе ИБП.

Компания FIAMM является одним из самых известных производителей АКБ и владеет 12 заводами, расположенными в Италии, Германии, Франции, Австрии, США, Бразилии и других странах. Основные исследовательские и производственные подразделения фирмы находятся в Италии.

Для систем бесперебойного питания компания предлагает пять серий герметизированных аккумуляторов, изготавливаемых по технологии AGM, а так же серию гелиевых аккумуляторов с трубчатыми пластинами. Аккумуляторы серий FG, FGH, FGHL выпускаются на напряжение 6 и 12В, емкостью до 200Ач. Серия SP-ENERLITE представлена батареями емкостью от 26 до 200Ач с напряжением 12В. Аккумуляторы серии FLB-HIGHLITE разработаны на срок службы 10-12 лет по классификации EUROBAT. Эти батареи имеют напряжение 12В и емкость до 135Ач. Гелиевая технология представлена серией SMG, входящие в нее аккумуляторы обладают емкостью от 200 до 3000Ач при напряжении 2В.

Компания Oerlikon Stationary Batteries предлагает на отечественном рынке три серии аккумуляторов, которые могут быть использованы в составе ИБП. Это линейка Rackline, включающая батареи напряжением 12В и емкостью от 25 до 165Ач. Аккумуляторы серии Blockline обладают выходным напряжением 2, 4, 6 и 12В и емкостью от 39 до 467Ач. При этом незыблемым остается правило -- чем выше выходное напряжение, тем ниже емкость АКБ. При необходимости получения большой емкости аккумуляторного буфера ИБП следует обратить внимание на батареи серии Towerline, которые имеют выходное напряжение 2В при диапазоне номинальной емкости от 552 до 2800Ач.

В портфеле продуктов российской компании SSK, которая выпускает аккумуляторы совместно с бельгийской фирмой SSKgroup, присутствуют батареи, предназначенные для использования в составе ИБП. Это аккумуляторы серии GM, включающую модели с выходным напряжением 2В и номинальной емкостью от 100 до 3000Ач, и серии OPzV[4], чьи батареи так же имеют выходное напряжение 2В и обладают емкостью от 200 до 3000Ач.

Серия GM выпускается по технологии AGM, а в батареях OPzV применяется технология GEL. Обе серии аккумуляторов разработаны на срок службы 15 лет.

Греческая компания Sunlight предлагает несколько линеек моделей аккумуляторов, разработанных для использования в составе ИБП. Батареи серии Sunlight SPa изготавливаются по технологии AGM с выходным напряжением 4, 6 и 12В с номинальной емкостью до 26Ач. Заявляемый срок их службы 5-7 лет. В аккумуляторах Sunlight SPb также используется технология AGM, но они обладают большим сроком службы, до 10 лет. Эти батареи выпускаются напряжением 6 и 12В емкостью от 33 до 200Ач. АКБ серии Sunlight STb отличаются фронтальным расположением клемм подключения и имеют заявляемый срок службы 10 лет. Они выпускаются по технологиям AGM и GEL, имеют выходное напряжение 12В и емкость от 50 до 150Ач. Аккумуляторы линейки Sunlight SVT так же изготавливаются с применением обеих технологий связывания электролита на выходное напряжение 2В и номинальную емкость от 50 до 3850Ач. Срок их службы составляет 12 лет.

3.2 Дизель - генераторные установки

При сжатии в дизельном двигателе топлива происходит возгорание последнего и энергия расширения воспламененных газов преобразуется в механическую энергию путем кривошипно-шатунного механизма, который вращает ротор электрогенератора. При работе ротор создает в статоре электромагнитное поле, которое преобразуется на выходе к потребителю из индукционного тока в переменный.

Основные части дизель-генератора:

* дизельный двигатель с системами бесперебойной работы: охлаждения, подачи воздуха и топлива;

* генератор (альтернатор) для производства переменного тока: асинхронный или синхронный;

* станина (рама) с креплениями для дизельного двигателя и генератора с защитными устройствами;

* автоматическая система контроля и управления дизель-генератором.

Двигатели для дизель-генераторов:

* с турбонаддувом, служащим для нагнетания воздуха в дизельный двигатель, используя выхлопные газы;

* с турбонаддувом, снабженным устройством для охлаждения нагнетаемого в двигатель воздуха;

* без турбонаддува.

3.3 Генераторы переменного тока

Генератор переменного тока преобразует механическую энергию в электрическую. Генераторы бывают асинхронные и синхронные. Дизель-генераторы различают на трехфазные и однофазные, при выборе потребители руководствуются распределением нагрузки или требуемой фазности. В трехфазных дизель-генераторах распределение нагрузки, обычно устанавливается на уровне 25%.

Виды дизель-генераторов

В соответствии с условиями, в которых будут эксплуатироваться дизель-генераторы, и требованиями заказчика дизель-генераторы различаются на следующие виды:

* шумопоглощающее исполнение;

* мобильное исполнение на базе полуприцепов, прицепов или самоходных шасси;

* стационарное исполнение;

* климатическое исполнение (северное, морское и тропическое).

Устройство дизель-генератора (дизельной электростанции):

* дизельный двигатель;

* топливная система;

* система шумоподавления;

* система выхлопа;

* электрогенератор;

* приборы системы контроля и автоматики (КИПиА);

Современные дизельные двигатели в дизельных электростанциях обычно оснащены турбонаддувом, который снижает расход топлива и повышает мощность двигателя. В камеру сгорания топлива воздух в таких дизельных двигателях нагнетается турбокомпрессором, который приводит в движение выхлопные газы самого двигателя. В зависимости от модификации дизельные двигатели с турбонаддувом могут комплектоваться системой охлаждения (воздушная, водяная) нагнетаемого турбокомпрессором воздуха.

Основной топливный бак устанавливает на той же станине, что и электростанция. Для дизельных генераторов, служащих источником резервного или аварийного электропитания, основной топливный бак устанавливается отдельно и выше уровня точки подачи топлива в дизельный двигатель. В таких случаях топливо подается в двигатель с помощью дополнительного топливного насоса.

3.4 Режимы работы дизель-генераторной установки

Дизельные электростанции работают в двух режимах: резервном в случаи перебоев с электроснабжении и длительном. Выбор управления дизель-генератором зависит от его режима работы и может быть автоматическим или ручным, последний выбирают при длительной (постоянной) работе дизельной электростанции. При этом режиме необходим постоянный контроль давления масла в дизельном двигателе; температуры и уровня охлаждающей жидкости; числа оборотов генератора; и напряжения в электросети.

При резервном автоматическом режиме работы дизель-генераторной установки требуются дополнительные сложные системы контроля и управления электростанцией.



3.5 Продолжительность работы дизель-генераторной установки

Увеличение срока необслуживаемой бесперебойной работы дизельной электростанции достигается двумя способами: организация бесперебойной подачи топлива, масла и охлаждающей жидкости из хранилищ или же увеличение основных топливных и масляных баков дизельного двигателя.

Для передвижных дизель-генераторных установок продолжительность работы без обслуживания составляет от 4 до 8 часов. Автономные стационарные и резервные дизельные электростанции способны работать без дополнительного обслуживания до 24 часов. В случае если мощность установки превышает 60 кВт, то автоматическая подача топлива в дизельный двигатель осуществляется из внешних резервуаров.

Для более длительной бесперебойной необслуживаемой работе дизель-генераторной установки потребуется установка дорогостоящего дополнительного оборудования, эффект от использования которого не всегда экономически оправдан.

3.6 Выбор мощности дизель-электрической установки

При выборе дизель-генератора следует учитывать нагрузку на него всеми потребителями электроэнергии в сети. Так называемую активную нагрузку дают все бытовые приборы, которые преобразуют электрическую энергию в тепловую: обогреватели, электроплиты, утюги и т.п. Для определения мощности дизельного генератора в данном случае просто суммируется мощность всех вышеперечисленных электрических приборов плюс 10-20% от общей мощности потребления.

Если электроэнергия преобразуется не только в тепло, а и расходуется по другому назначению, то таких потребителей называют реактивными. Определяющей реактивность переменной принято считать cos?, которая показывает, сколько электрической энергии преобразуется в тепловую. При подсчете реального потребления электроэнергии, мощность делят на переменную cos?.

При расчете мощности дизельной электрической установки следует принимать во внимание пусковые токи. Все электродвигатели в момент включения потребляют в несколько раз больше энергии, чем при постоянной работе. Например, потребление электроэнергии у погружного насоса во время пуска увеличивается в 7-9 раз, нежели при работе в штатном режиме. И хотя пусковые токи кратковременны, они способны привести к аварийному отключению дизель-генератора или даже вывести его из строя.



4. Стабилизаторы напряжения

Стабилизатор напряжения -- преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

По типу выходного напряжения стабилизаторы делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока. Как правило, тип питания (постоянный либо переменный ток) такой же, как и выходное напряжение, хотя возможны исключения.

4.1 Линейный стабилизатор

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности Pрасс = (Uin -- Uout) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, т. е. должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора -- простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.



4.2 Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе

Основными моментами, необходимыми для понимания работы этого стабилизатора, являются:

1) Напряжение Ube практически не зависит от величины тока, протекающего через p-n переход и для приборов на основе кремния приблизительно составляет 0,6В. В расчётах схем на биполярных транзисторах чаще всего используют именно такое значение, реже 0,7В. Это напряжение, необходимое для преодоления так называемого потенциального барьера p-n перехода, существующего между областями эмиттера и базы;

2) Напряжение Uz практически не зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон и равно напряжению стабилизации стабилитрона.

Но выходное напряжение Uout = Uz -- Ube. То есть выходное напряжение Uout постоянно и не зависит от тока, протекающего по нагрузке. Можно сказать, что выходное напряжение не зависит от величины нагрузки RL. Изменения входного напряжения Uin, если оно несколько больше ожидаемого выходного напряжения Uout, также не приводят к изменениям выходного напряжения. Вариант объяснения работы этого стабилизатора, начинающийся с предположения об изменении выходного напряжения Uout с последующей компенсацией за счёт изменения тока, не даёт понимания откуда берётся первоначальное изменение Uout. На самом деле незначительные изменения Uout вызваны незначительными изменениями напряжений Ube=0,6В и Uz, вызванными изменениями протекающих через них токов. А причиной изменения токов является изменение величины нагрузки RL + изменение входного напряжения Uin.

Часть выходного напряжения Uout снимаемая с потенциометра R2 сравнивается с опорным напряжением Uz на стабилитроне D1, разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя. Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения Uout подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает. Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается.

4.3 Импульсный стабилизатор

В импульсном стабилизаторе ток от нестабилизированного внешнего источника подаётся на накопитель (обычно дроссель) короткими импульсами; при этом запасается энергия, которая затем высвобождается в нагрузку в виде электрической энергии, но уже с другим напряжением. Стабилизация осуществляется за счёт управления длительностью импульсов и пауз между ними -- широтно-импульсной модуляции. Импульсный стабилизатор, по сравнению с линейным, обладает значительно более высоким КПД. Недостатком импульсного стабилизатора является наличие импульсных помех в выходном напряжении.

В отличие от линейного стабилизатора, импульсный стабилизатор может преобразовывать входное напряжение произвольным образом (зависит от схемы стабилизатора):

Понижающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда ниже входного и имеет ту же полярность.

Повышающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда выше входного и имеет ту же полярность.

Повышающе-понижающий стабилизатор: выходное напряжение стабилизировано, может быть как выше, так и ниже входного и имеет ту же полярность. Такой стабилизатор применяется в случаях, когда входное напряжение незначительно отличается от требуемого и может изменяться, принимая значение как выше, так и ниже необходимого.

Инвертирующий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение имеет обратную полярность относительно входного, абсолютное значение выходного напряжения может быть любым.

4.4 Стабилизаторы переменного напряжения

Во времена СССР получили широкое распространение бытовые феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Обычно через них подключали телевизоры. В телевизорах первых поколений применялись сетевые блоки питания с линейными стабилизаторами напряжения (а в некоторые цепи и вовсе питались нестабилизированным напряжением), которые не всегда справлялись с колебаниями напряжения сети, особенно в сельской местности, что требовало предварительной стабилизации напряжения. С появлением телевизоров 4УПИЦТ и УСЦТ, имевших импульсные блоки питания, необходимость в дополнительной стабилизации напряжения сети отпала.

Феррорезонансный стабилизатор состоит из двух дросселей: с не насыщаемым сердечником (имеющим магнитный зазор) и насыщенным, а также конденсатора. Особенность ВАХ насыщенного дросселя в том, что напряжение на нём мало изменяется при изменении тока через него. Подбором параметров дросселей и конденсаторов можно обеспечить стабилизацию напряжения при изменении входного напряжения в достаточно широких пределах, но незначительное отклонение частоты питающей сети очень сильно влияло на характеристики стабилизатора.

4.5 Современные стабилизаторы

В настоящее время основными типами стабилизаторов являются:

- электродинамические сервоприводные (механические)

- статические (электронные переключаемые)

- компенсационные (электронные плавные)

Модели производятся как в однофазном (220/230В), так и трёхфазном (380/400В) исполнении, мощность их от нескольких сотен ватт до нескольких мегаватт. Трёхфазные модели выпускаются двух модификаций: с независимой регулировкой по каждой фазе или с регулировкой по среднефазному напряжению на входе стабилизатора.

Выпускаемые модели также различаются по допустимому диапазону изменения входного напряжения, который может быть, например, таким: ±15%, ±20%, ±25%, ±30%, -25%/+15%, -35%/+15% или -45%/+15%. Чем шире диапазон (особенно в отрицательную сторону), тем больше габариты стабилизатора и выше его стоимость при той же выходной мощности.

Важной характеристикой стабилизатора напряжения является его быстродействие, то есть чем выше быстродействие, тем быстрее стабилизатор отреагирует на изменения входного напряжения. Быстродействие это промежуток времени (миллисекунды) за которое стабилизатор способен изменить напряжение на один вольт. У разного типа стабилизаторов разная скорость быстродействия, например у электродинамических быстродействие 12...18мс/В, статические стабилизаторы обеспечат 2мс/В, а вот у электронных, компенсационного типа этот параметр 0,75мс/В.



Заключение

В настоящем курсовом проекте были рассмотрены системы бесперебойного электроснабжения,

Падение сетевого напряжения на 25% вызовет ошибки в памяти компьютера, искажение данных и, наконец, отключение оборудования. На изменения частоты плохо реагирует компьютерная сеть и коммуникационное оборудование. Кроме того, скачки напряжения способствуют пробоям изоляции и пожару. Микроволновые печи и радиотелефоны наводят высокочастотные шумы в силовой сети, что ведет ко все тем же неприятностям.

Сетевые фильтры и стабилизаторы напряжения помогают далеко не во всех ситуациях. Фильтры защищают от высокочастотного шума, стабилизаторы -- от скачков напряжения, но эти устройства не в состоянии справиться с частотными колебаниями и ничем не помогут, если напряжение будет ниже нормы.

Создать полный комплекс энергозащиты без ИБП невозможно. Они спасают не только от полных провалов напряжения, но и от помех помельче кратковременных (от 0,01 до 3 с) пропаданий тока и скачков напряжения и частоты. Точные автоматизированные и компьютеризированные производства при такой грязи в сети вынуждены использовать стабилизирующие и энергозащитные приборы уже в качестве постоянного штатного, а не запасного аварийного варианта.



СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.Г. Костиков, Е.М. Парфенов, В.А. Шахнов "Источники электропитания электронных средств" Москва, Горячая линия - Телеком 2004.

2. Гребнев В.В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel.-М.: ИП Радиософт, 2005.

3. Костиков В.Г., Парфенов Е.М., Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов. 2-е изд. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004.

4. Конструирование РЭА. Оценка и обеспечение тепловых режимов. Учеб. пособие / В. И. Довнич, Ю. Ф. Зиньковський. - К.: УМК ВО, 1990.

5. Методические указания к дипломному проекту для студентов специальности "Радиотехника" / В.О. Дмитрук, В.В. Лысак, С.М.Савченко, В.І. Правда. - К.: КПІ, 1993.

7. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. М.: Солон-Р, 2005.

Размещено на Allbest.ur