Основные понятия и термины. Глоссарий
 | |
| |
| Источник бесперебойного питания (ИБП)
Uninterruptible Power Supply (UPS) |
 | Устройство, использующее для аварийного питания нагрузки энергию аккумуляторных батарей. Их основной задачей является поддержание работоспособности критичной нагрузки в течение незначительного времени от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от ее мощности и емкости батарейного комплекта. Этого времени достаточно либо для устранения неполадок в линии электропередачи, либо для штатного отключения критичной нагрузки. |
| |
| Дизель-генераторная установка (ДГУ), дизельная электростация (ДЭС) |
| ДГУ (ДЭС) — это устройства, состящие из дизельного двигателя и электрогенератора. Они обеспечивают автономное питание критичной нагрузки и предназначены для работы в качестве постоянных или резервных источников электроэнергии, способных функционировать в течение длительного периода времени (от нескольких часов до нескольких суток в зависимости от емкости топливного бака). |
| |
| Качество сетевого электропитания и его неполадки |
| На территории Российской Федерации действует государственный стандарт ГОСТ 13109-97 («Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»), оценивающий качество электической энергии (КЭ) по 10 показателям, основными из которых являются: |
| - напряжение 380 В (для трехфазных сетей) и 220 В (для однофазных), допустимое отклонение ±5%, предельно допустимое ±10%;
- частота 50 Гц, предельно допустимое отклонение частоты ±0.4 Гц;
- нормально допустимое значение коэффициента нелинейных искажений 6%, предельно допустимое — 20%.
|
| К основным неполадкам сетевого электропитания относятся: |
| - полное пропадание напряжения в сети (авария в сети);
- долговременные и кратковременные проседания и всплески напряжения;
- высоковольтные импульсные помехи;
- высокочастотный шум;
- отклонение частоты за пределы допустимых значений.
|
| Наиболее распространенным видом неполадок в больших городах являются долговременные проседания напряжения, а в сельской местности к ним добавляются аварии в электросети и высоковольтные импульсные помехи, вызванные атмосферным электричеством. |
| Критичная нагрузка (Critical Load) |
| Нагрузка, чувствительная к неполадкам в электросети, грозящим выходом оборудования из строя, нарушением технологического процесса или утратой важной информации. Чтобы предотвратить подобные случаи, для питания такой нагрузки (файловых серверов, рабочих станций, персональных компьютеров, телекоммуникационного и офисного оборудования и др.) следует применять ИБП. |
| ИБП резервного типа (Off-Line или Standby) |
| Источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей электросети, а в автономном — переводит ее на питание от аккумуляторных батарей. |
| Достоинством ИБП резервного типа является его простота и невысокая стоимость, а недостатком — ненулевое время переключения (~4 мс) на батареи и более интенсивная эксплуатация аккумуляторов, так как устройство переходит в автономный режим при любых неполадках в электросети. |
| ИБП резервного типа, как правило, имеют небольшую мощность и применяются для обеспечения бесперебойного электропитания отдельных устройств (персональных компьютеров, рабочих станций, офисного оборудования) в районах с хорошим качеством электрической сети. |
|  |  | Off-Line (Standby)
(нормальный режим работы) | Off-Line (Standby)
(автономный режим работы) |
|
| Линейно-интерактивный ИБП (Line-Interactive) |
| Источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством (Off-Line) и дополненной автоматическим регулятором напряжения (AVR) на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками (ступенчатым стабилизатором). |
| Основное преимущество линейно-интерактивного ИБП по сравнению с источником резервного типа заключается в том, что он способен обеспечить нормальное питание нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети (наиболее распространенный вид неполадок в отечественных электросетях) без перехода в автономный режим. В итоге продлевается срок службы аккумуляторных батарей. Недостатком линейно-интерактивной схемы является ненулевое время переключения (~4 мс) нагрузки на питание от батарей. |
| По эффективности линейно-интерактивные ИБП занимают промежуточное положение между простыми и относительно дешевыми резервными источниками (Off-Line) и высокоэффективными, но дорогостоящими ИБП с двойным преобразованием энергии (On-Line). Как правило, линейно-интерактивные ИБП применяют для защиты персональных компьютеров, мониторов, рабочих станций, узлов локальных вычислительных сетей и прочего офисного оборудования. |
| Примеры ИБП со схемой Line-Interactive: Smart-Vision Prime / Lite / S, выпускаемые компанией N-Power. |
|  |  | Line-Interactive
(нормальный режим работы) | Line-Interactive
(автономный режим работы) |
|
| Автоматический регулятор напряжения Automatic Voltage Regulator (AVR) |
| Автоматический регулятор напряжения, построенный на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками (см. рисунки). Применяется в ИБП, собранных по линейно-интерактивной схеме, для ступенчатой корректировки входного напряжения в сторону его повышения (пониженное входное напряжение) или понижения (повышенное входное напряжение). AVR расширяет диапазон входных напряжений, при которых ИБП обеспечивает нормальное питание нагрузки без перехода в автономный режим работы. У ИБП серии Smart-Vision производства N-Power такой диапазон допустимого изменения входного напряжения составляет −27% и +22% от номинального значения 220 В. |
|  |  | | Нормальный режим | Режим повышения (boost) |
|
|  | | Режим понижения (buck) |
|
| ИБП с двойным преобразованием напряжения (On-Line) |
| Схема On-Line подразумевает, что поступающее на вход ИБП переменное сетевое напряжение преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем с помощью инвертора снова в переменное. Аккумуляторная батарея, постоянно включенная между выпрямителем и инвертором, питает последний в аварийном режиме. |
| Схема On-Line обеспечивает идеальное выходное напряжение при любых неполадках в электросети. Она характеризуется нулевым временем переключения из нормального режима в автономный и обратно без переходных процессов в выходном напряжении. |
| К недостаткам схемы On-Line относятся ее сравнительная сложность, более высокая стоимость, а также энергетические потери на двойном преобразовании напряжения. |
| Необходимо заметить, что защита таких устройств, как файловые серверы и телекоммуникационное оборудование, осуществляется только с использованием ИБП со схемой On-Line. |
| Примеры ИБП с двойным преобразованием (On-Line): Master-Vision, Pro-Vision, Power-Vision и Safe-Power Evo компании N-Power. |
|  |  | | On-Line (нормальный режим работы) | On-Line (автономный режим работы) |
|
| Схема байпас (Bypass) — «обход» |
| Байпас — это режим питания нагрузки сетевым напряжением в обход основной схемы ИБП. Переход устройства в режим байпас может выполняться автоматически или вручную. ИБП со схемой On-Line автоматически переходят в режим байпас при перегрузке выходных цепей или при возникновении внутренних неисправностей. Таким образом, нагрузка защищается не только от сбоев в питающей электросети, но и от неполадок в самом ИБП. Возможность ручного перевода устройства в режим байпас предусмотрена на случай проведения его технического обслуживания без отключения нагрузки. |
|  | | On-Line (режим работы байпас) |
|
| Инвертор (Invertor) |
| Устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменное. В зависимости от используемого принципа преобразования различают три основных типа инверторов (см. рисунки): инверторы, генерирующие напряжение прямоугольной формы, инверторы с пошаговой аппроксимацией и инверторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Последние обеспечивают наиболее близкую к гармонической форму выходного напряжения. Кроме того, манипулируя скважностью импульсов ШИМ-сигнала, «интеллектуальные» инверторы, применяемые в сериях Pro-Vision, Power-Vision и Safe-Power Evo компании N-Power, автоматически корректируют форму выходного напряжения при работе с нелинейной нагрузкой. Основными показателями эффективности работы инвертора являются: |
| - Перегрузочная способность.
- Коэффициент полезного действия (КПД).
- Допустимый крест-фактор нагрузки.
- Допустимый коэффициент мощности нагрузки.
- Качество выходного напряжения.
|
|  | | Форма напряжения на выходе инвертора, генерирующего прямоугольные импульсы |  | | Форма напряжения на выходе инвертора с пошаговой аппроксимацией |  | | Форма напряжения на выходе инвертора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) |
|
| Выпрямитель (Rectifier) |
| Устройство, преобразующее переменное напряжение электросети в постоянное. Однофазные ИБП оснащаются 2- или 4-полупериодными выпрямителями, а трехфазные ИБП — 6-, 12- или 24-полупериодными. Существуют следующие основные типы выпрямителей: |
| - Диодный неуправляемый.
- Диодный индуктивный (улучшенный).
- Тиристорный управляемый (классический 6-полупериодный).
- Тиристорный управляемый составной индуктивный (12- или 24-полупериодный).
- На мощных полевых транзисторах (MOSFET) с активной коррекцией входного коэффициента мощности (APFC).
- IGBT-выпрямитель с активной коррекцией входного коэффициента мощности (APFC) и низким КНИ входного тока.
|
| Примечание: все типы выпрямителей (кроме диодного) обладают функцией активной (или пассивной) коррекции входного коэффициента мощности (APFC/PFC). |
| Коэффициент полезного действия (КПД) |
| Коэффициент полезного действия, определяемый как отношение выходной мощности устройства к потребляемой им от сети. Выпускаемые компанией N-Power ИБП с двойным преобразованием (On-Line) имеют достаточно высокие значения КПД, укладывающиеся в диапазон 90 … 95%. |
| Нормальный и автономный режимы работы ИБП |
| Нормальный режим работы — нагрузка питается за счет энергии, отбираемой из электросети, а аккумуляторные батареи отключены и подзаряжаются. Автономный режим работы — нагрузка питается энергией аккумуляторных батарей, преобразованной инвертором в переменное напряжение. |
| Классические ИБП с выходным изолирующим трансформатором |
| Инверторы с выходным изолирующим трансформатором применяются в ИБП средней и большой мощности с двойным преобразованием напряжения (On-Line) и предназначенных для работы с широким перечнем нагрузок. |
|  | | ИБП с выходным изолирующим трансформатором |
|
| - Возможность работы с нагрузками любых типов, имеющих различные коффициенты мощности.
- Стабильность выходных параметров как при статической, так и динамической нагрузке.
- Позволяет реализовать любую из известных питающих силовых схем (систем заземления): TN-C, TN-S, TN-C-S, TT и IT.
- Гальваническая изоляция увеличивает помехозащищенность нагрузки как по фазам, так и по нейтрали. Исключается постоянная составляющая выходного напряжения.
- Возможность работы с нелинейной и импульсной нагрузкой за счет широкого диапазона допустимого крест-фактора и КНИ тока нагрузки.
- Возможность питания как любых однофазных, так и трехфазных нагрузок.
- В связи с использованием выходного трансформатора типа «треугольник-звезда» выходная нейтраль формируется заново и все фазные напряжения жестко балансируются.
- Возможность работы с несбалансированными до 100% трехфазными нагрузками типа «звезда» и «треугольник».
|
| Основные недостатки: |
| - Большие габариты и вес по сравнению с бестрансформаторными.
- Более высокая стоимость.
|
| Бестрансформаторные ИБП со схемой On-Line и преобразованием на высокой частоте |
| Бестрансформаторные инверторы применяются в ИБП средней и ограниченно большой мощности (не более 100 кВА … 200 кВА), построенных по схеме On-Line с двойным преобразованием напряжения. ИБП данного типа предназначены преимущественно для защиты компьютерного и прочего оборудования с импульсными источниками питания. |
| Основные преимущества бестрансформаторных схем: |
| - Малые габариты и вес.
- Относительно высокий КПД.
|
| Основные недостатки бестрансформаторных схем: |
| - Ограниченный перечень нагрузок (для защиты компьютерного оборудования).
- Ниже перегрузочная способность и общая надежность ИБП.
- Не рекомендованы для работы с нестабильной и несбалансированной нагрузкой.
|
| Входной изолирующий трансформатор |
| Трансформатор, включаемый во входную цепь ИБП для обеспечения гальванической развязки его внутренних узлов и входной электросети. Применяется во избежание короткого замыкания цепей ИБП, комплектуемого негерметичными аккумуляторными батареями с жидким электролитом, если существует вероятность его утечки. Также применяется при необходимости гальванической развязки цепи байпас, а также для преобразования силовой системы «треугольник» — «звезда». |
| Температурная компенсация зарядного тока батарей |
| Технология, применяемая ведущими производителями ИБП, в т.ч. компанией N-Power, для продления срока службы аккумуляторных батарей. Как известно, герметичные батареи крайне чувствительны к величине зарядного тока, оптимальное значение которого зависит от температуры окружающей среды. Технология температурной компенсации зарядного тока позволяет автоматически корректировать режим заряда батарей в соответствии с изменениями внешних условий и тем самым продлить жизненный цикл аккумуляторов в несколько раз. |
| Силовые схемы электропитания Earthing Systems (системы заземления) |
| - TN-C — нейтраль и заземление совмещены в источнике напряжения и подаются в нагрузку единой шиной (глухозаземленная нейтраль).
- TN-S — раздельные шины заземления и нейтрали (самый распространенный и рекомендуемый в мире способ).
- TN-C-S — совмещенные в источнике напряжения нейтраль и заземление впоследствии были разделены на отдельные шины.
- TT — схема с глухозаземленной нейтралью (TN-C) и дополнительным локальным очагом заземления возле нагрузки.
- IT — схема с незаземленной нейтралью и локальным очагом заземления возле нагрузки (данный способ обеспечивает наивысшую степень защиты персонала и оборудования).
|
|  |  |  | | Схема TN-C | Схема TN-S | Схема TN-C-S |
|
|  |  | | Схема TT | Схема TI |
|
| Коэффициент нелинейных искажений (КНИ)
Total Harmonic Distorsions (THD) |
| Показатель, характеризующий степень отличия формы сигнала от синусоидальной. В основном используется для измерения искажений формы входного или выходного тока (Current THD). КНИ равен отношению суммы мощностей высших гармоник сигнала к мощности его первой гармоники. Типовые значения КНИ: |
| - 0% — форма сигнала предсталяет собой идеальную синусоиду.
- 3% — форма сигнала отлична от синусоидальной, но искажения не заметны на глаз.
- 5% — отклонение формы сигнала от синусоидальной заметно на глаз по осциллограмме.
- 21% — например, сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы.
- 43% — например, сигнал прямоугольной формы.
|
| Примеры осциллограмм входного тока для некоторых других видов нагрузок: |
|  |  |  | | 6-п.п. выпрямитель без фильтра | 6-п.п. выпрямитель с фильтром | 6-п.п. выпрямитель с улучшенным фильтром |
|
|  |  | | 12-п.п. выпрямитель с улучшенным фильтром | Индуктивная нагрузка (электродвигатель) |
|
| К-фактор (K-Factor) |
| К-фактор, как и КНИ тока, характеризует нелинейность нагрузки, т.е. количество гармонических искажений, вносимых потребителем в электросеть. В отличие от КНИ при вычислении К-фактора большее значение имеют высшие гармоники тока, вызывающие тепловые потери в силовых трансформаторах. Фактически К-фактор — это коэффициент увеличения потерь в трансформаторе за счет нелинейности нагрузки. |
| Существуют специализированные трансформаторы, позволяющие работать при повышенных K-факторах нагрузки. Они являются более эффективными и безопасными и рекомендованы для использования на ответственных объектах. |
| Примеры: K = 1 (стандартный трансформатор); K = 4 … 20 (улучшенные трансформаторы). |
| THD-фильтр |
| Устройство, устанавливаемое во входной цепи ИБП для уменьшения ее влияния на форму тока и напряжения в питающей электросети. Поскольку входным узлом любого мощного ИБП, построенного по схеме с двойным преобразованием (On-Line), является выпрямитель (нелинейный и потребляющий большой импульсный ток элемент), такой ИБП становится причиной «загрязнения» электросети. Применение THD-фильтра позволяет существенно ослабить подобное «загрязнение». |
| Мощные системы бесперебойного питания серий Safe-Power Evo компании N-Power комплектуются фильтрами, уменьшающими КНИ входного тока до 5 … 10%. |
| Последовательное резервирование |
| Техническое решение, направленное на повышение надежности системы питания нагрузки путем последовательного (каскадного) соединения нескольких ИБП, один из которых является основным, а другие — резервными (см. рисунок). Для соединения по такой схеме каждый ИБП должен иметь отдельный вход цепи байпас. В то время как основной ИБП питает нагрузку, резервные источники работают в холостом режиме, потребляя минимальную мощность. При возникновении признаков неисправности внутренних узлов основной ИБП переключается в режим байпас и всю нагрузку берет на себя следующий по схеме резервный источник. |
| ИБП, соединенные по схеме с последовательным резервированием, могут иметь собственные аккумуляторы или подключаться к единому для всех комплекту батарей для увеличения времени работы системы в автономном режиме. По такой схеме можно соединять устройства серий Power-Vision и Safe-Power Evo (UY) компании N-Power. |
|  |  | | Параллельное резервирование (система 1+1) | Последовательное резервирование |
|
| Параллельное резервирование, масштабирование системы |
| Техническое решение для повышение надежности (аппаратное резервирование) или для увеличение суммарной выходной мощности системы (масштабирование). Оно предусматривает параллельное соединение двух или нескольких одноранговых (одинаковых по мощности) ИБП по входу и выходу. Работоспособность такой системы обеспечивается специальной схемой фазовой синхронизации выходных напряжений. |
| Примеры обозначения параллельных систем: |
| - «1+1» — система из двух ИБП со 100% резервированием.
- «2+1» — система из трех модулей, один из которых (любой) является резервным (50% резервирование).
- «N+2» — система, состоящая из (N+2) модулей, два из которых (любые) являются избыточными.
|
| При аппаратном резервировании нагрузка равномерно распределяется между всеми ИБП, а в случае выхода из строя одного из них перераспределяется между исправными устройствами. |
| В схеме с параллельным резервированием допускается применение как отдельных аккумуляторов для каждого ИБП, так и общего комплекта батарей. ИБП серий Master-Vision и Safe-Power Evo компании N-Power могут быть объединены в параллельную систему. |
| Активная мощность |
| Полезная мощность, отбираемая нагрузкой, в том числе и ИБП, из электросети и преобразуемая в энергию любого иного вида (механическую, тепловую, электрическую, электромагнитную и др.). Вычисляется как усредненный по периоду сигнала определенный интеграл произведения мгновенных значений входного тока и напряжения. Единица измерения: Вт (ватт). |
| Полная мощность |
| Кажущаяся потребляемая нагрузкой (например, ИБП) суммарная мощность с учетом активной и реактивной ее составляющих, а также отклонения формы тока и напряжения от гармонической. Вычисляется как произведение среднеквадратичных значений входного тока и напряжения. Единица измерения: ВА (вольт × ампер). |
| |
| Коэффициент мощности
Power Factor (PF) |
| Комплексный показатель, характеризующий линейные и нелинейные искажения формы тока и напряжения в электросети, обусловленные влиянием нагрузки (например, ИБП). Вычисляется как отношение поглощаемой нагрузкой активной мощности к полной. |
| Типовые значения коэффициента мощности: |
| - 1 — идеальное значение.
- 0.9 — хороший показатель.
- 0.8 — типовая промышленная нагрузка.
- 0.7 — компьютерная нагрузка.
- 0.65 — двухполупериодный выпрямитель.
|
| В случае линейной нагрузки коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига между током и напряжением и в зависимости от характера нагрузки может носить емкостной или индуктивный характер. |
| В случае активной нелинейной нагрузки коэффициент мощности определяется отношением мощности первой гармоники тока к общей активной мощности, потребляемой нагрузкой. |
| Необходимо заметить, что реальная промышленная нагрузка является нелинейной и носит преимущественно емкостной характер (PF=0.8). |
| Крест-фактор нагрузки
(Crest Factor, Cross Ratio) |
| Показатель, характеризующий способность ИБП питать нелинейную нагрузку, потребляющую импульсный (нелинейный) ток. Определяется как отношение амплитуды импульсного тока в нелинейной нагрузке Im (нелин.) к амплитуде тока гармонической формы Im (лин.) при эквивалентной потребляемой мощности (см. рисунки). ИБП компании N-Power способны питать нелинейную нагрузку с крест-фактором до 3.5:1. |
|  | | Крест-фактор нагрузки. Форма напряжения и тока на линейной нагрузке |  | | Крест-фактор нагрузки. Форма напряжения и тока на нелинейной нагрузке |
|
| |
