Бесперебойный источник питания - Uninterruptible power supply

ИБП башенного типа с одним IEC 60320 C14 вход и три C13 магазины
Электрики устанавливают большой ИБП размером с центр обработки данных

An бесперебойный источник питания или же источник бесперебойного питания (UPS) представляет собой электрическое устройство, которое обеспечивает аварийное питание нагрузки, когда входной источник питания или сетевое питание терпит неудачу. ИБП отличается от вспомогательного или система аварийного питания или же резервный генератор в том, что он будет обеспечивать почти мгновенную защиту от перебоев в подаче питания за счет подачи энергии, хранящейся в батареях, суперконденсаторы, или же маховики. Время работы от батареи большинства источников бесперебойного питания относительно невелико (всего несколько минут), но его достаточно для запуска резервного источника питания или надлежащего отключения защищаемого оборудования. Это тип система непрерывного питания.

ИБП обычно используется для защиты оборудования, например компьютеры, дата-центры, телекоммуникации оборудование или другое электрическое оборудование, непредвиденное отключение питания которого может привести к травмам, смертельному исходу, серьезному нарушению работы или потере данных. Размеры блоков ИБП варьируются от блоков, предназначенных для защиты одного компьютера без видеомонитора (около 200 вольт-ампер рейтинг) для крупных блоков, питающих целые центры обработки данных или здания. Самый большой в мире ИБП, 46-мегаваттная аккумуляторная электрическая система хранения (BESS), в Фэрбенкс, Аляска, обеспечивает питание всего города и близлежащих сельских населенных пунктов во время отключений.[1]

Общие проблемы с питанием

Основная роль любого ИБП - обеспечивать кратковременное питание при выходе из строя входного источника питания. Тем не менее, большинство ИБП также способны в той или иной степени исправлять общие проблемы с питанием от электросети:

  1. Скачок напряжения или устойчивый перенапряжение
  2. Кратковременный или продолжительный снижение входного напряжения
  3. Падение напряжения
  4. Шум, определяемый как высокочастотный переходный процесс или же колебание, обычно вводится в линию ближайшим оборудованием
  5. Нестабильность частота сети
  6. Гармонические искажения, определяемый как отход от идеального синусоидальный форма волны ожидается на линии

Некоторые производители ИБП классифицируют свои продукты в соответствии с количеством решаемых ими проблем с питанием.[2]

Технологии

Три основные категории современных систем ИБП: онлайн, линейно-интерактивный и ожидать:[3][4]

  • Онлайн-ИБП использует метод "двойного преобразования" для приема переменного тока, исправление в DC для прохождения через аккумуляторная батарея (или аккумуляторные батареи), а затем обратное переключение на 120/230 В переменного тока для питания защищаемого оборудования.
  • Линейно-интерактивный ИБП поддерживает инвертор в рабочем состоянии и перенаправляет путь постоянного тока батареи от нормального режима зарядки к подаче тока при потере питания.
  • В резервной («автономной») системе нагрузка питается напрямую от входной мощности, а схема резервного питания активируется только при отключении сетевого питания.

Большинство ИБП ниже одного килограммавольт-ампер (1 кВА) бывают линейно-интерактивными или резервными, которые обычно дешевле.

Для больших блоков питания иногда используются динамические источники бесперебойного питания (ДИБП). Синхронный двигатель / генератор подключается к сети через удушение. Энергия хранится в маховик. При пропадании сетевого питания вихретоковая регулировка поддерживает мощность на нагрузке до тех пор, пока не истощается энергия маховика. DUPS иногда комбинируются или объединяются с дизельным генератором, который включается после короткой задержки, образуя дизельный роторный источник бесперебойного питания (НАРКИ).

А топливная ячейка ИБП был разработан компанией Hydrogenics с использованием водорода и топливного элемента в качестве источника энергии, что потенциально обеспечивает длительное время работы в небольшом пространстве.[5]

Offline / standby

Автономный / резервный ИБП: Зеленая линия показывает поток электроэнергии. Типичное время защиты: 5–20 минут. Расширение емкости: Обычно недоступно.

Автономный / резервный ИБП предлагает только самые основные функции, обеспечивая защиту от перенапряжения и резервное питание от батареи. Защищаемое оборудование обычно подключается непосредственно к входящей электросети. Когда входящее напряжение падает ниже или поднимается выше заданного уровня, ИБП включает свою внутреннюю схему инвертора постоянного и переменного тока, которая питается от внутренней аккумуляторной батареи. Затем ИБП механически включает подключенное оборудование на свой инверторный выход постоянного и переменного тока. Время переключения может достигать 25 миллисекунд в зависимости от количества времени, которое требуется резервному ИБП для обнаружения потери напряжения в электросети. ИБП предназначен для питания определенного оборудования, такого как персональный компьютер, без каких-либо нежелательных провалов или затухание к этому устройству.

Линейно-интерактивный

Линейно-интерактивный ИБП: зеленая линия показывает поток электроэнергии. Типичное время защиты: 5–30 минут. Расширение емкости: несколько часов.

Линейно-интерактивный ИБП аналогичен по работе резервному ИБП, но с добавлением многоотводного устройства переменного напряжения. автотрансформатор. Это особый вид трансформатор которые могут добавлять или вычитать питаемые катушки провода, тем самым увеличивая или уменьшая магнитное поле и выходное напряжение трансформатора. Это также может быть выполнено повышающий трансформатор который отличается от автотрансформатора, поскольку первый может быть подключен для обеспечения гальваническая развязка.

Этот тип ИБП способен выдерживать постоянное пониженное напряжение. отключение и скачки перенапряжения без потребления ограниченной резервной мощности батареи. Вместо этого он компенсирует это путем автоматического выбора различных ответвлений мощности на автотрансформаторе. В зависимости от конструкции смена ответвления автотрансформатора может вызвать очень кратковременное отключение выходной мощности.[6] что может вызвать кратковременное «чириканье» ИБП, оборудованных сигнализацией потери мощности.

Это стало популярным даже в самых дешевых ИБП, поскольку в нем используются уже включенные компоненты. Основной трансформатор 50/60 Гц, используемый для преобразования между линейным напряжением и напряжением батареи, должен обеспечивать два немного разных отношения витков: один для преобразования выходного напряжения батареи (обычно кратного 12 В) в линейное напряжение, а второй - для преобразования линейное напряжение до немного более высокого напряжения зарядки аккумулятора (например, кратного 14 В). Разница между этими двумя напряжениями заключается в том, что для зарядки аккумулятора требуется дельта-напряжение (до 13–14 В для зарядки аккумулятора 12 В). Кроме того, легче выполнить переключение на стороне сетевого напряжения трансформатора из-за более низких токов на этой стороне.

Чтобы получить доллар / повышение Все, что требуется, - это два отдельных переключателя, чтобы вход переменного тока мог быть подключен к одному из двух отводов первичной обмотки, а нагрузка - к другому, таким образом, используя первичные обмотки главного трансформатора в качестве автотрансформатора. Аккумулятор все еще может заряжаться при «понижении» перенапряжения, но при «повышении» пониженного напряжения выход трансформатора слишком низкий для зарядки аккумуляторов.

Автотрансформаторы могут быть спроектированы так, чтобы покрывать широкий диапазон переменных входных напряжений, но это требует большего количества ответвлений и увеличивает сложность и стоимость ИБП. Обычно автотрансформатор покрывает диапазон только от 90 В до 140 В для мощности 120 В, а затем переключается на аккумулятор, если напряжение становится намного выше или ниже этого диапазона.

В условиях низкого напряжения ИБП будет потреблять больше тока, чем обычно, поэтому ему может потребоваться цепь с более высоким током, чем обычное устройство. Например, для питания устройства мощностью 1000 Вт при 120 В ИБП будет потреблять 8,33 А. Если произойдет отключение питания и напряжение упадет до 100 В, ИБП потребляет 10 А. для компенсации. Это также работает в обратном направлении, так что в условиях перенапряжения ИБП потребуется меньший ток.

Онлайн / двойное преобразование

В онлайн-ИБП батареи всегда подключены к инвертору, поэтому переключатели мощности не требуются. Когда происходит потеря мощности, выпрямитель просто выпадает из цепи, и батареи поддерживают стабильную и неизменную мощность. Когда питание восстанавливается, выпрямитель возобновляет работу с большей частью нагрузки и начинает заряжать батареи, хотя зарядный ток может быть ограничен, чтобы предотвратить перегрев аккумуляторов мощным выпрямителем и выкипание электролита. Основным преимуществом ИБП, подключенного к сети, является его способность обеспечивать «электрический брандмауэр» между входящим сетевым питанием и чувствительным электронным оборудованием.

Онлайн-ИБП идеально подходит для сред, где необходима электрическая изоляция, или для оборудования, которое очень чувствительно к колебаниям мощности. Хотя когда-то он был зарезервирован для очень крупных установок мощностью 10 кВт или более, достижения в области технологий теперь позволили ему быть доступным в качестве обычного потребительского устройства с мощностью 500 Вт или меньше. Интерактивный ИБП может потребоваться в случае «шумной» электросети, частых провалов в электроснабжении, перебоев в электроснабжении и других аномалий, когда требуется защита чувствительных нагрузок ИТ-оборудования или когда необходима работа от резервного генератора длительного режима.

Базовая технология онлайн-ИБП такая же, как у резервного или линейно-интерактивного ИБП. Однако, как правило, он стоит намного дороже из-за того, что у него гораздо больший ток зарядного устройства / выпрямителя переменного тока в постоянный, а также выпрямитель и инвертор, предназначенный для непрерывной работы с улучшенными системами охлаждения. Это называется двойное преобразование ИБП благодаря выпрямителю, непосредственно управляющему инвертором, даже при питании от нормального переменного тока.

Онлайн-ИБП обычно имеют статический переключатель (STS) для повышения надежности.

Другой дизайн

Гибридная топология / двойное преобразование по запросу

Эти гибридные роторные ИБП[7] конструкции не имеют официальных обозначений, хотя UTL использует одно название - «двойное преобразование по запросу».[8] Этот тип ИБП ориентирован на высокоэффективные приложения, сохраняя при этом функции и уровень защиты, обеспечиваемые двойным преобразованием.

Гибридный ИБП (двойное преобразование по требованию) работает как автономный / резервный ИБП, когда параметры питания находятся в пределах определенного предустановленного окна. Это позволяет ИБП достигать очень высоких показателей эффективности. Когда условия электропитания выходят за рамки предопределенных окон, ИБП переключается в режим онлайн / с двойным преобразованием.[8] В режиме двойного преобразования ИБП может регулировать колебания напряжения без использования батареи, может отфильтровывать линейный шум и частоту управления.

Феррорезонансный

Феррорезонансные блоки работают так же, как резервные ИБП; однако они в сети, за исключением того, что феррорезонансный трансформатор, используется для фильтрации вывода. Этот трансформатор предназначен для удержания энергии достаточно долго, чтобы покрыть время между переключением с сети на питание от батареи, и эффективно исключает время переключения. Многие феррорезонансные ИБП имеют КПД 82–88% (AC / DC-AC) и обеспечивают отличную изоляцию.

Трансформатор имеет три обмотки: одна для питания от обычной сети, вторая для питания от выпрямленной батареи и третья для вывода переменного тока на нагрузку.

Когда-то это был доминирующий тип ИБП, и его использование ограничивалось 150 кВА классифицировать. Эти блоки до сих пор в основном используются в некоторых промышленных условиях (нефтегазовая, нефтехимическая, химическая, коммунальная и тяжелая промышленность) из-за прочной природы ИБП. Многие феррорезонансные ИБП, в которых используется технология управляемого ферро, могут взаимодействовать с оборудованием коррекции коэффициента мощности. Это приведет к колебаниям выходного напряжения ИБП, но их можно исправить, уменьшив уровни нагрузки или добавив другие нагрузки линейного типа.[требуется дальнейшее объяснение ]

Мощность постоянного тока

ИБП, предназначенный для питания оборудования постоянного тока, очень похож на онлайн-ИБП, за исключением того, что ему не нужен выходной инвертор. Кроме того, если напряжение батареи ИБП соответствует напряжению, необходимому устройству, его источник питания тоже не понадобится. Поскольку один или несколько этапов преобразования мощности исключаются, это увеличивает эффективность и время работы.

Многие системы, используемые в телекоммуникациях, используют сверхнизкое напряжение "общая батарея «Электропитание 48 В постоянного тока, поскольку оно имеет менее строгие правила безопасности, такие как установка в кабелепроводах и распределительных коробках. Постоянный ток обычно был доминирующим источником питания для телекоммуникаций, а переменный ток обычно был основным источником для компьютеров и серверов.

Было много экспериментов с питанием 48 В постоянного тока для компьютерных серверов в надежде снизить вероятность сбоя и стоимость оборудования. Однако для обеспечения того же количества энергии ток должен быть выше, чем в эквивалентной цепи 115 В или 230 В; больший ток требует более крупных проводников или больше энергии теряется в виде тепла.

Постоянный ток высокого напряжения (380 В) находит применение в некоторых приложениях центров обработки данных и позволяет использовать малые силовые проводники, но на него распространяются более сложные правила электрического кодекса для безопасного сдерживания высокого напряжения.[9]

Роторный

Роторный ИБП использует инерцию прядения большой массы. маховик (маховик накопителя энергии ) для краткосрочного ехать через в случае отключения электроэнергии. Маховик также действует как буфер против скачков и провалов мощности, поскольку такие кратковременные события мощности не могут заметно повлиять на скорость вращения маховика большой массы. Это также одна из старейших разработок, предшествовавших электронным лампам и интегральным схемам.

Это можно считать онлайн поскольку при нормальных условиях он вращается непрерывно. Однако, в отличие от ИБП на батареях, системы ИБП с маховиком обычно обеспечивают защиту от 10 до 20 секунд до того, как маховик замедлится и выходная мощность прекратится.[10] Он традиционно используется в сочетании с резервными генераторами, обеспечивая резервное питание только в течение короткого периода времени, необходимого двигателю для запуска и стабилизации его мощности.

Поворотный ИБП обычно предназначен для приложений, требующих защиты более 10 000 Вт, чтобы оправдать расходы и получить выгоду от преимуществ поворотных систем ИБП. Более крупный маховик или несколько маховиков, работающих параллельно, увеличивают резервное время работы или мощность.

Поскольку маховики являются механическим источником энергии, нет необходимости использовать электродвигатель или генератор в качестве промежуточного звена между ним и дизельным двигателем, предназначенным для обеспечения аварийного питания. При использовании коробки передач инерция вращения маховика может использоваться для непосредственного запуска дизельного двигателя, а после запуска дизельный двигатель может использоваться для непосредственного вращения маховика. Аналогичным образом можно параллельно соединить несколько маховиков механически. промежуточные валы, без необходимости использования отдельных двигателей и генераторов для каждого маховика.

Обычно они предназначены для обеспечения очень высокого выходного тока по сравнению с чисто электронными ИБП и лучше способны обеспечивать пусковой ток для индуктивных нагрузок, таких как запуск двигателя или нагрузки компрессора, а также для медицинских МРТ и катетеризационная лаборатория оборудование. Он также способен выдерживать условия короткого замыкания, которые в 17 раз превышают токи электронного ИБП, что позволяет одному устройству перегореть предохранитель и выйти из строя, в то время как другие устройства продолжают получать питание от роторного ИБП.

Его жизненный цикл обычно намного больше, чем у чисто электронного ИБП, до 30 лет и более. Но они требуют периодического простоя для механического обслуживания, такого как подшипник замена. В более крупных системах резервирование системы обеспечивает доступность процессов во время этого обслуживания. Конструкции на основе батарей не требуют простоев, если батареи можно горячая замена, что обычно бывает с более крупными агрегатами. В более новых роторных установках используются такие технологии, как магнитные подшипники а также корпуса с воздушным вакуумированием для повышения эффективности работы в режиме ожидания и сокращения затрат на обслуживание до очень низких уровней.

Обычно маховик большой массы используется в сочетании с мотор-генератор система. Эти блоки могут быть сконфигурированы как:

  1. Двигатель, приводящий в движение механически связанный генератор,[7]
  2. Комбинированный синхронный двигатель и генератор, намотанный в чередующихся пазах одиночного ротора и статора,
  3. Гибридный ротационный ИБП, разработанный аналогично онлайн-ИБП, за исключением того, что в нем вместо батарей используется маховик. Выпрямитель приводит в движение двигатель, вращающий маховик, а генератор использует маховик для питания инвертора.

В случае № 3 двигатель-генератор может быть синхронным / синхронным или индукционным / синхронным. Сторона двигателя блока в корпусах №№ 2 и 3 может приводиться в действие напрямую от источника питания переменного тока (обычно при байпасе инвертора), 6-ступенчатого привода двигателя с двойным преобразованием или 6-пульсного инвертора. В случае № 1 в качестве источника кратковременной энергии вместо батарей используется встроенный маховик, чтобы дать время внешним генераторам с электрической связью для запуска и перевода в оперативный режим. В случаях № 2 и 3 в качестве кратковременного источника энергии можно использовать батареи или отдельно стоящий маховик с электрической связью.

Форм-факторы

Меньшие системы ИБП бывают разных форм и размеров. Однако две наиболее распространенные формы - это башня и стойка.[11]

Модели Tower устанавливаются вертикально на земле, на столе или полке и обычно используются в сетевых рабочих станциях или настольных компьютерных приложениях. Модели для монтажа в стойку могут быть установлены в стандартные 19-дюймовые стойки, и для них может потребоваться от 1U до 12U (стеллажи ). Обычно они используются в серверных и сетевых приложениях. Некоторые устройства оснащены пользовательскими интерфейсами, которые поворачиваются на 90 °, что позволяет устанавливать устройства вертикально на земле или горизонтально, как в стойке.

Приложения

N + 1

В крупных бизнес-средах, где надежность имеет большое значение, один огромный ИБП также может стать единственной точкой отказа, которая может вывести из строя многие другие системы. Для обеспечения большей надежности несколько небольших модулей ИБП и батарей могут быть объединены вместе для обеспечения избыточный защита мощности эквивалентна одному очень большому ИБП. "N +1 "означает, что если нагрузка может быть обеспечена N модулей, установка будет содержать N + 1 модуль. Таким образом, отказ одного модуля не повлияет на работу системы.[12]

Множественное резервирование

Многие компьютерные серверы предлагают возможность резервирования Источники питания, так что в случае отказа одного источника питания один или несколько других источников питания могут питать нагрузку. Это критический момент - каждый блок питания должен самостоятельно обеспечивать питание всего сервера.

Избыточность дополнительно повышается за счет подключения каждого источника питания к разным цепям (т. Е. К разным автоматический выключатель ).

Резервную защиту можно еще больше расширить, подключив каждый блок питания к собственному ИБП. Это обеспечивает двойную защиту как от сбоя источника питания, так и от сбоя ИБП, что гарантирует непрерывную работу. Эта конфигурация также обозначается как 1 + 1 или 2.N избыточность. Если бюджет не позволяет установить два одинаковых ИБП, то обычно подключают один блок питания к сетевое питание а другой - в ИБП.[13]

Использование на открытом воздухе

Когда система ИБП размещается на открытом воздухе, она должна обладать некоторыми особенностями, гарантирующими, что она может выдерживать погодные условия без каких-либо последствий для производительности. Такие факторы, как температура, влажность При проектировании системы ИБП для установки вне помещений производитель должен учитывать, среди прочего, дождь и снег. Рабочая Температура диапазоны для наружных систем ИБП могут составлять от -40 ° C до +55° C.[14]

Уличные системы ИБП могут быть установлены на столб, заземление (пьедестал) или на хост. Наружная среда может означать очень холодный, и в этом случае наружная система ИБП должна включать в себя нагревательный коврик для батареи, или сильную жару, и в этом случае наружная система ИБП должна включать в себя систему вентилятора или систему кондиционирования воздуха.

Внутренний вид солнечного инвертора. Обратите внимание на множество больших конденсаторов (синие цилиндры), которые используются для кратковременного накопления энергии и улучшения формы выходного сигнала.

А солнечный инвертор, или же Инвертор PV, или же солнечный преобразователь, преобразует переменную постоянный ток (DC) выход фотоэлектрический (PV) солнечная панель в частота сети переменный ток (AC), который можно подавать в коммерческую электрическую сетка или используется местным, от сетки электрическая сеть. Это критический BOS –Компонент в фотоэлектрическая система, что позволяет использовать обычное оборудование с питанием от переменного тока. Солнечные инверторы имеют специальные функции, адаптированные для использования с фотоэлектрическими батареями, в том числе: отслеживание точки максимальной мощности и анти-островок защита.

Гармонические искажения

Форма выходного сигнала ИБП (желтый) по сравнению с нормальным сигналом питания 120 В переменного тока 60 Гц (фиолетовый)

Выходной сигнал некоторых электронных ИБП может значительно отличаться от идеальной синусоидальной формы волны. Это особенно верно в отношении недорогих однофазных устройств потребительского класса, предназначенных для использования дома и в офисе. В них часто используются простые импульсные источники питания переменного тока, а выходной сигнал напоминает прямоугольную волну, богатую гармониками. Эти гармоники могут создавать помехи другим электронным устройствам, включая радиосвязь, а некоторые устройства (например, индуктивные нагрузки, такие как двигатели переменного тока) могут работать с пониженным КПД или вообще не работать. Более сложные (и дорогие) ИБП могут вырабатывать почти чистую синусоидальную мощность переменного тока.

Фактор силы

Смотрите также: Фактор силы

Проблемой в сочетании ИБП с двойным преобразованием и генератора является искажение напряжения, создаваемое ИБП. Вход ИБП с двойным преобразованием - это, по сути, большой выпрямитель. Ток, потребляемый ИБП, не является синусоидальным. Это может привести к тому, что напряжение в сети переменного тока или от генератора также станет несинусоидальным. Таким образом, искажение напряжения может вызвать проблемы во всем электрическом оборудовании, подключенном к этому источнику питания, включая сам ИБП. Это также приведет к потере большего количества энергии в проводке, подающей питание на ИБП, из-за всплесков тока. Этот уровень «шума» измеряется в процентах от «полное гармоническое искажение тока "(THDя). Классические выпрямители ИБП имеют THDя уровень около 25% –30%. Для уменьшения искажений напряжения требуется более толстая проводка сети или генераторы, в два раза превышающие мощность ИБП.

Есть несколько решений для уменьшения THD.я в ИБП с двойным преобразованием:

Классические решения, такие как пассивные фильтры, снижают THDя до 5% –10% при полной нагрузке. Они надежны, но большие, работают только при полной нагрузке и создают свои проблемы при использовании в тандеме с генераторами.

Альтернативное решение - активный фильтр. Благодаря использованию такого устройства THDя может упасть до 5% во всем диапазоне мощности. Новейшая технология в ИБП с двойным преобразованием - выпрямитель, в котором не используются классические компоненты выпрямителя (тиристоры и диоды), а используются высокочастотные компоненты. ИБП с двойным преобразованием и биполярный транзистор с изолированным затвором выпрямитель и катушка индуктивности могут иметь THDя всего 2%. Это полностью исключает необходимость увеличения размера генератора (и трансформаторов) без дополнительных фильтров, инвестиционных затрат, потерь или места.

Коммуникация

Управление энергопотреблением (PM) требует:

  1. ИБП сообщает о своем состоянии компьютеру, к которому он подключен, через канал связи, например Серийный порт, Ethernet и Простой протокол управления сетью, GSM /GPRS или же USB
  2. Подсистема в Операционные системы который обрабатывает отчеты и генерирует уведомления, события PM или команды на отключение.[15] Некоторые производители ИБП публикуют свои протоколы связи, но другие производители (например, APC ) использовать проприетарные протоколы.

Основные методы управления «компьютер-ИБП» предназначены для передачи сигналов «один-к-одному» от одного источника к одной цели. Например, один ИБП может подключаться к одному компьютеру для предоставления информации о состоянии ИБП и позволять компьютеру управлять ИБП. Точно так же протокол USB также предназначен для подключения одного компьютера к нескольким периферийным устройствам.

В некоторых ситуациях для одного большого ИБП полезно иметь возможность связываться с несколькими защищенными устройствами. Для традиционного последовательного или USB-управления репликация сигнала может использоваться устройство, которое, например, позволяет одному ИБП подключаться к пяти компьютерам через последовательные или USB-соединения.[16] Однако разделение обычно происходит только в одном направлении от ИБП к устройствам для предоставления информации о состоянии. Возврат управляющих сигналов может быть разрешен только от одной из защищенных систем к ИБП.[17]

Поскольку с 1990-х годов широко используется Ethernet, управляющие сигналы теперь обычно отправляются между одним ИБП и несколькими компьютерами с использованием стандартных методов передачи данных Ethernet, таких как TCP / IP.[18] Информация о состоянии и управлении обычно зашифрована, поэтому, например, посторонний хакер не может получить контроль над ИБП и дать ему команду на выключение.[19]

Распространение данных о состоянии и управлении ИБП требует, чтобы все промежуточные устройства, такие как коммутаторы Ethernet или последовательные мультиплексоры, получали питание от одной или нескольких систем ИБП, чтобы предупреждения ИБП достигли целевых систем во время отключение электричества. Чтобы избежать зависимости от инфраструктуры Ethernet, ИБП можно подключать напрямую к главному серверу управления, используя также канал GSM / GPRS. Пакеты данных SMS или GPRS, отправляемые от ИБП, запускают программное обеспечение, чтобы выключить ПК для снижения нагрузки.

Аккумуляторы

Батарейный шкаф

Существует три основных типа батарей ИБП: свинцово-кислотные батареи с клапанной регулировкой (VRLA), батареи с жидким электролитом или VLA, литий-ионные батареи. Время работы ИБП с батарейным питанием зависит от типа и размера батарей и скорости разряда. и КПД инвертора. Общая вместимость свинцово-кислотная батарея является функцией скорости его разряда, которая описывается как Закон Пейкерта.

Производители предоставляют время автономной работы в минутах для комплектных систем ИБП. Для более крупных систем (например, для центров обработки данных) требуется подробный расчет нагрузки, эффективности инвертора и характеристик батареи для обеспечения требуемого срока службы.[20]

Общие характеристики батареи и нагрузочное тестирование

Когда свинцово-кислотная батарея заряжается или разряжается, это сначала влияет только на реагирующие химические вещества, которые находятся на границе раздела между электродами и электролитом. Со временем заряд, накопленный в химикатах на границе раздела, часто называемый «заряд интерфейса», распространяется на распространение этих химикатов по всему объему активного материала.

Если батарея была полностью разряжена (например, автомобильные фары были оставлены включенными на ночь), а затем была произведена быстрая зарядка всего на несколько минут, то в течение короткого времени зарядки она вырабатывает заряд только возле интерфейса. Напряжение аккумулятора может возрасти до уровня, близкого к напряжению зарядного устройства, так что зарядный ток значительно снизится. Через несколько часов этот интерфейсный заряд не будет распространяться на объем электрода и электролита, что приведет к тому, что интерфейсный заряд станет настолько низким, что его может быть недостаточно для запуска автомобиля.[21]

Из-за заряда интерфейса кратковременно ИБП самопроверка функции, длящиеся всего несколько секунд, могут не точно отражать истинную продолжительность работы ИБП, и вместо этого повторная калибровка или же наезжать необходим тест, который глубоко разряжает аккумулятор.[22]

Тестирование на глубокую разрядку само по себе повреждает батареи из-за того, что химические вещества в разряженной батарее начинают кристаллизоваться в высокостабильные молекулярные формы, которые не будут повторно растворяться при перезарядке аккумулятора, постоянно снижая емкость заряда. В свинцово-кислотных аккумуляторах это известно как сульфатирование но также влияет на другие типы, такие как никель-кадмиевые батареи и литиевые батареи.[23] Поэтому обычно рекомендуется проводить кратковременные тесты нечасто, например, каждые шесть месяцев или год.[24][25]

Тестирование цепочек батарей / элементов

Мульти-киловатт коммерческие системы ИБП с большими и легкодоступными аккумуляторными батареями способны изолировать и тестировать отдельные ячейки в пределах аккумуляторная батарея, который состоит либо из блоков комбинированных аккумуляторных батарей (например, свинцово-кислотных батарей на 12 В), либо из отдельных химических элементов, соединенных последовательно. Изоляция отдельной ячейки и установка перемычки вместо нее позволяет испытать разряд одной батареи, в то время как остальная часть комплекта батарей остается заряженной и доступной для обеспечения защиты.[26]

Также возможно измерять электрические характеристики отдельных ячеек в цепочке батарей, используя промежуточные сенсорные провода, которые устанавливаются на каждом переходе между ячейками и контролируются как индивидуально, так и коллективно. Группы батарей также могут быть соединены последовательно-параллельно, например, два набора по 20 ячеек. В такой ситуации также необходимо контролировать ток между параллельными цепочками, так как ток может циркулировать между цепочками, чтобы уравновесить влияние слабых ячеек, мертвых ячеек с высоким сопротивлением или закороченных ячеек. Например, более сильные струны могут разряжаться через более слабые струны до тех пор, пока дисбалансы напряжений не будут уравновешены, и это должно быть учтено в индивидуальных измерениях между ячейками в каждой струне.[27]

Последовательно-параллельное взаимодействие батарей

Комплекты батарей подключены последовательно-параллельный могут развиваться необычные режимы отказа из-за взаимодействия между несколькими параллельными цепочками. Неисправные батареи в одной цепочке могут отрицательно повлиять на работу и срок службы исправных или новых батарей в других цепях. Эти проблемы также относятся к другим ситуациям, когда используются последовательно-параллельные цепочки, не только в системах ИБП, но и в электромобиль Приложения.[28]

Рассмотрим последовательно-параллельную схему батарей со всеми исправными ячейками, и одна из них закорочена или разрядилась

  • Неисправный элемент уменьшит максимальное развиваемое напряжение для всей последовательной цепочки, в которой он находится.
  • Другие последовательные цепочки, соединенные параллельно с поврежденной цепочкой, теперь будут разряжаться через поврежденную цепочку до тех пор, пока их напряжение не совпадет с напряжением поврежденной цепочки, что может привести к перезарядке и электролит кипение и выделение газа из оставшихся исправных ячеек в деградированной струне. Эти параллельные цепочки теперь невозможно полностью зарядить, так как повышенное напряжение будет уходить через цепочку, содержащую вышедшую из строя батарею.
  • Системы зарядки могут пытаться измерить емкость аккумуляторной батареи путем измерения общего напряжения. Из-за общего истощения напряжения в цепочке из-за мертвых ячеек система зарядки может определить это как состояние разряда и будет постоянно пытаться заряжать последовательно-параллельные цепочки, что приводит к непрерывной перезарядке и повреждению всех элементов в деградированная серия, содержащая поврежденный аккумулятор.
  • Если свинцово-кислотные батареи используются, все ячейки в ранее исправных параллельных цепочках начнут сульфатироваться из-за невозможности их полной перезарядки, что приведет к необратимому повреждению накопительной емкости этих элементов, даже если поврежденная ячейка в одной разрушенной цепочке в конечном итоге обнаружил и заменил на новый.

Единственный способ предотвратить эти тонкие последовательно-параллельные взаимодействия струн - это вообще не использовать параллельные струны и использовать отдельные контроллеры заряда и инверторы для отдельных последовательных струн.

Серия взаимодействий новой / старой батареи

Даже всего одна цепочка батарей, соединенных последовательно, может иметь неблагоприятные последствия, если новые батареи смешивать со старыми. Старые батареи, как правило, имеют меньшую емкость, поэтому они разряжаются быстрее, чем новые батареи, а также заряжаются до максимальной емкости быстрее, чем новые батареи.

По мере того, как разряжается смешанная цепочка из новых и старых батарей, напряжение в цепочке падает, и когда старые батареи разряжены, новые батареи все еще имеют доступный заряд. Новые элементы могут продолжать разряжаться через остальную часть колонны, но из-за низкого напряжения этот поток энергии может оказаться бесполезным и может быть потрачен впустую в старых элементах в качестве нагрева сопротивлением.

Для элементов, которые должны работать в определенном окне разряда, новые элементы с большей емкостью могут привести к тому, что старые элементы в последовательной цепочке будут продолжать разряжаться за пределами безопасного нижнего предела разрядного окна, повреждая старые элементы.

При перезарядке старые элементы перезаряжаются быстрее, что приводит к быстрому повышению напряжения почти до полностью заряженного состояния, но до того, как новые элементы с большей емкостью полностью перезарядятся. Контроллер заряда определяет высокое напряжение почти полностью заряженной струны и снижает ток. Новые элементы с большей емкостью теперь заряжаются очень медленно, настолько медленно, что химические вещества могут начать кристаллизоваться до достижения полностью заряженного состояния, уменьшая емкость нового элемента в течение нескольких циклов зарядки / разрядки, пока их емкость не будет более близка к старым элементам в последовательной цепочке. .

По этим причинам некоторые промышленные системы управления ИБП рекомендуют периодическую замену целых батарейных массивов, потенциально использующих сотни дорогих батарей, из-за этих разрушительных взаимодействий между новыми батареями и старыми батареями внутри и между последовательными и параллельными цепочками.[29]

Стандарты

  • EN 62040-1: 2008 Системы бесперебойного питания (ИБП) - Часть 1: Общие требования и требования безопасности для ИБП
  • EN 62040-2:2006 Uninterruptible power systems (UPS) – Part 2: Electromagnetic compatibility (EMC) requirements
  • EN 62040-3:2011 Uninterruptible power systems (UPS) – Part 3: Method of specifying the performance and test requirements
  • EN 62040-4:2013 Uninterruptible power systems (UPS) – Part 4: Environmental aspects – Requirements and reporting

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Electricity storage: Location, location, location … and cost – Battery storage for transmission support in Alaska". eia.gov. Energy Information Administration (EIA). 2012 г.. Получено 23 июля, 2012.
  2. ^ E-book on choosing a UPS topology based on application type "Avoiding Trap Doors Associated with Purchasing a UPS System" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) on 2013-03-26. Получено 2018-12-11.
  3. ^ Solter, W. (2002), "A new international UPS classification by IEC 62040-3", 24th Annual International Telecommunications Energy Conference, pp. 541–545, Дои:10.1109/INTLEC.2002.1048709, ISBN  0-7803-7512-2, S2CID  195862090
  4. ^ Detailed explanation of UPS topologies "High-Availability Power Systems, Part I: UPS Internal Topology" (PDF). November 2000. Archived from оригинал (PDF) on 2013-03-26. Получено 2018-12-11.
  5. ^ "Hydrogen Fuel Cell UPS".
  6. ^ "UPS On-Line Uninterruptible Power Supply Backup Power Source". Архивировано из оригинал 4 октября 2013 г.
  7. ^ а б "Hybrid Rotary UPS" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) on December 4, 2014.
  8. ^ а б "Increasing energy efficiency with modular HP three-phase power distribution". HP.
  9. ^ Ton, My; Fortenbery, Brian; Tschudi, William (January 2007). "DC Power for Improved Data Center Efficiency" (PDF). Национальная лаборатория Лоуренса Беркли. Архивировано из оригинал (PDF) on 2010-10-08.
  10. ^ "15 Seconds versus 15 Minutes: White Paper 107 Designing for High Availability" (PDF). Active Power. 2007 г.
  11. ^ "UPS Buying Guide". TrippLite.com.
  12. ^ Detailed explanation of optimized N + 1 configurations"Balancing Scalability and Reliability in the Critical Power System: When Does N + 1 Become Too Many + 1?". Архивировано из оригинал (PDF) на 03.03.2016.
  13. ^ Detailed explanation of UPS redundancy options"High-Availability Power Systems, Part II: Redundancy Options" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) on 2013-03-26. Получено 2018-12-11.
  14. ^ Refer to safety standard IEC 60950-22 or a local derivative according to location e.g. EN 60950-22 (Europe); UL 60950-22 (USA)
  15. ^ Раймонд, Эрик Стивен. UPS HOWTO, section 3.3. The Linux Documentation Project, 2003–2007.
  16. ^ Generex. "Multi-XS User Manual" (PDF). Multi-XS is an active RS232 data switch, designed to handle serial communications of one UPS with up to 5 / 10 computers
  17. ^ APC AP9207 Share-UPS, User Manual, pp. 6–7, Port 1 is called the Advanced port because it supplies smart signaling, which provides the advanced capabilities available to a server running PowerChute plus software. The Advanced port provides full access to the Computer Interface port of the UPS. Ports 2–8 on the rear panel of Share-UPS are called Basic ports because they supply simple UPS signaling for On Battery and Low Battery conditions in the UPS. "Share-UPS User Manual" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 24 апреля 2012 г.. Получено 14 ноября, 2011.
  18. ^ An example of an Ethernet UPS controller: Liebert IntelliSlot Web Card Communications Interface Card В архиве 2016-04-13 в Wayback Machine
  19. ^ APC Application Note #67 "APC Network Management Card Security Implementation" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 24 апреля 2012 г.. Получено 14 ноября, 2011.
  20. ^ "How to calculate battery run-time". PowerStream Technologies. Получено 2010-04-26.
  21. ^ Саслоу, Уэйн М. (2002). Electricity, Magnetism, and Light. Toronto: Thomson Learning. pp. 302–4. ISBN  0-12-619455-6.
  22. ^ Peter M. Curtis (2011). Maintaining Mission Critical Systems in a 24/7 Environment. Вайли. С. 261–262. ISBN  9781118041628.
  23. ^ Michael F. Hordeski (2005). Emergency and backup power sources: preparing for blackouts and brownouts. The Fairmont Press, Inc. ISBN  9780881734850.
  24. ^ Leonardo Energy. "Maintenance Manager's Guide, Section 2.1". Получено 1 августа, 2012.[мертвая ссылка ]
  25. ^ APC Inc. "Knowledgebase article: What is the expected life of my APC UPS battery?, Answer ID 8301".[мертвая ссылка ]
  26. ^ "Maintaining and Testing Your UPS System to Ensure Continuous Power, Section: Maintaining a Battery Bank". The Data Center Journal.[постоянная мертвая ссылка ]
  27. ^ BTECH Inc, BTECH's Focus – Predicting Battery Failure и Installation Manual, page 18, showing sensor wires for each cell/battery on a battery string, and also note that the current transducer sensors to detect cross-string series-parallel current recirculation.
  28. ^ "Cell Balancing". Electropaedia. Woodbank Communications.
  29. ^ Cotton, Bart (January 2005). "Battery Asset Management: VRLA ageing characteristics" (PDF). Batteries International. Архивировано из оригинал (PDF) on 2013-04-06.

внешняя ссылка