eng
Современная электронная аппаратура крайне чувствительна к некачественной электроэнергии сети 220 В, 50 Гц, а нарушение ее функционирования и выход из строя связаны с повышенным риском. Низкое качество электроэнергии проявляется как в пропадании напряжения сети на время от десятков миллисекунд до десятков минут и более, так и в его кратковременных провалах и выбросах с интервалом от десятков наносекунд до сотен микросекунд. Методы борьбы с нестабильностью сети электроснабжения разнообразны [1]. Однако как универсальное средство признаны устройства бесперебойного питания (УБП), которые обеспечивают требуемое качество электроэнергии при низком ее качестве в сети. Правда, эти устройства дорого стоят – от десятков центов до нескольких долларов за один ватт выходной мощности УБП, т. е. цена электроэнергии улучшенного качества возрастает на порядок и более. Тем не менее спрос на УБП постоянно растет.
УБП различных классов имеют существенные особенности. Чтобы сделать правильный выбор, важно ознакомиться с классификацией устройств и их возможностями, а также сравнить стоимость устройств в зависимости от их класса.
По принципу действия УБП делятся на два класса: с гальванической связью нагрузки и первичной сети (off-line) и без нее (on-line). В УБП первого класса подключают аккумуляторную батарею (АБ) для передачи электроэнергии к потребителю лишь во время выхода параметров напряжения сети за допустимые границы (рис.1а). В УБП второго класса АБ постоянно подключена к выходу устройства через инвертор (рис.1б). В обоих вариантах к АБ подсоединены зарядные устройства (ЗУ), передающие электроэнергию из сети к АБ. Представленные на рынке УБП первого и второго классов на основе сетевого трансформатора разнообразны по схемотехнике и конструкции. При мощности менее 1 кВт, несмотря на значительные размеры и массу сетевого трансформатора, все они экономически выгодны. В новых разработках при мощности более 0,5 кВт, как правило, применяется бестрансформаторный вход. При этом сетевое напряжение предварительно выпрямляется, а затем инвертируется с использованием высокочастотной модуляции. Следовательно, такие УБП имеют два узла преобразования электроэнергии. Основные отличия двух классов приведены в табл.1.
Данные табл. 1 говорят о полном превосходстве УБП второго класса, если только не учитывать, что они в несколько раз дороже. Именно благодаря более низким ценам объем продаж УБП первого класса в 100 раз превышает продажи второго [2]. Кроме того, КПД устройств второго класса составляет 85–90%, а первого – 97–99%. Да и при непрерывной работе в течение 160 часов с нагрузкой около 1 кВт УБП первого класса потребляют энергии на 10 – 20 кВт.ч меньше второго.
В последние годы появилось несколько новых модификаций УБП: line-interactive; by-pass, triple-conversion, ferrups. Первая модификация (например, серия NetUPS фирмы Exide Electronics) представляет собой усовершенствованное устройство первого класса с сетевым стабилизатором напряжения (ССН). Эта модификация имеет много вариантов в зависимости от принципа построения ССН. Вторая модификация (например, серия АР 4300 фирмы Liebert), которую вряд ли можно отнести к значительным новшествам, обеспечивает возможность использования УБП второго класса в режиме первого: дополнительный канал передает сетевую электроэнергию непосредственно к потребителю “в обход” основных узлов устройства (рис.1в). Кроме того, она позволяет проводить ремонт УБП. Третья модификация (например, серия 200 фирмы Constant Power) представляет собой УБП второго класса с введенным в его структуру третьим преобразователем электроэнергии в виде стабилизирующего конвертора, после которого следует инвертор с ШИМ (рис.1г). УБП содержит также корректор входного импеданса (КВИ), называемый иногда корректором коэффициента мощности. Четвертая модификация (например, модели FE фирмы BEST) – УБП второго класса на базе феррорезонансного трансформатора. Она существенно отличается от других вариантов второго класса, так как феррорезонансный принцип построения УБП обеспечивает высокие показатели надежности, широкий диапазон входных напряжений и выполнение функций КВИ.
Необходимость КВИ или устройства, выполняющего функцию КВИ наряду с основными, становится понятной, если учесть постоянно ужесточающиеся нормы искажений сети потребителями электроэнергии. В то же время отечественный ГОСТ 13109-87 допускает на входах потребителей электроэнергии повышенные помех. Такой подход вряд ли правомерен, так как оставляет лазейки для появления на рынке низкокачественной аппаратуры. При аварийных нарушениях электроснабжения допускается кратковременный выход значений параметров качества электроэнергии за установленные пределы, в том числе снижение напряжения вплоть до нулевого уровня. Что представляет собой в результате отечественная (московская) сеть внутри компьютеризированного предприятия, показано на рис.2-4. Таким образом, “вольности” стандарта заставляют проектировать более сложные устройства. Следовательно, производителям УБП выгодно бороться за “жeсткие” стандарты по качеству сети.
Итак, совмещение КВИ с ССН, их установка перед или в УБП либо использование четвертой модификации устройства бесперебойного питания – главные направления создания высоконадежного электропитания для мощных потребителей (от единиц до десятков киловатт).
Важное значение имеет минимизация стоимости энергетического оборудования при некоторых заданных показателях надежности. Одна из серьезных проблем – оптимальная степень децентрализации мощных УБП. Примером средней степени децентрализации аппаратуры вторичного электропитания может служить подход [3], который при общей потребляемой мощности в десятки киловатт рекомендует применять УБП мощностью 1–2 кВт. В табл. 2 приводятся преимущества и недостатки различной степени децентрализации.
Анализируя табл. 2, можно заметить, что по способу предельной децентрализации УБП строятся на базе устройств класса off-line, по способу средней децентрализации — на базе обоих классов, по централизованному способу – на базе устройств класса on-line. Окончательный выбор УБП зависит от множества дополнительных факторов [4].
Как уже отмечалось, качество электроэнергии сети, поступающей на УБП, в значительной степени влияет на ряд показателей УБП, а также на электро- и пожаробезопасность мощных систем потребителей. Если при централизованном способе предусматривается специальная разводка сети, то для двух других способов необходимо, по возможности, учитывать некоторые рекомендации. Например, при питании ПК целесообразно применение УБП второго класса с трехфазным входом [5]. При этом разгружается нейтраль и по фазам ток распределяется более равномерно. Другая важная практическая рекомендация — использование отдельно от нейтрального провода шин защитного заземления, соединенных с корпусами УБП, без их объединения на стороне потребителя.
Рассмотрим три варианта построения УБП в зависимости от формы выходного напряжения: синусоидальной, типа меандр (прямоугольный, трапецеидальный, с паузой “на нуле” и т. д.), постоянного уровня. Обоснованные требования для ряда потребителей электроэнергии синусоидального напряжения с низким коэффициентом гармоник (радиолокационное оборудование, аудиоаппаратура и т.д.) определяют конкретную область применения УБП. Для распространенного потребителя – ПК – требование синусоидального напряжения нельзя считать обоснованным. На практике проверено, что меандр и постоянное напряжение – перспективные варианты.
УБП с выходом на постоянном токе могут быть построены так же, как и с выходом на переменном токе, по принципу off-line и on-line (рис.1д,е). Однако выход на постоянном токе позволяет значительно упростить УБП и, что не менее важно, сделать его экологически чистым с точки зрения электромагнитной совместимости с чувствительной аппаратурой. Структурные схемы таких УБП обоих классов приведены на рис.1ж,з [6].
ОАО “Вычислительная техника и промышленная электроника” (ОАО ВТ и ПЭ), входящее в НТФ “Энергетическая электроника” (НТФ ЭНЭЛ), разработало и изготовило образцы устройств бесперебойного питания с полной выходной мощностью 2 кВА типа УБП-2000 с выходом на постоянном токе [7]. Эти устройства предназначены для использования с ПК. Первые образцы сейчас осваиваются у заказчика. Основные характеристики УБП-2000 в сравнении с параметрами зарубежных устройств на 2 кВА приведены в табл. 3.
Анализ табл. 3 позволяет утверждать, что характеристики отечественного УБП-2000 находятся на одном уровне с характеристиками рассмотренных зарубежных аналогов , в то время как цена его значительно ниже.
Научно-производственный концерн “Александер и Пауэл”, также входящий в НТФ ЭНЭЛ, выпускает УБП с выходом на постоянном токе типов ИП-35 (рис. 1з) и ИБП-48 (рис.1е) для аппаратуры сбора информации, систем охранной сигнализации, противопожарных устройств, систем видеонаблюдения, мини-АТС, радиостанций, радиорелейных линий связи, систем управления непрерывными технологическими процессами и военной техники. ИП-35 и ИБП-48 содержат встроенные герметичные необслуживаемые АБ емкостью от 12 до 80 А-ч. Выходные напряжения и токи — 24 В (27—22 В), 4А в ИП-35 и 48 В (55—43 В), 4 А в ИБП-48. Эти УБП позволяют организовать бесперебойное электропитание при пропадании сети 220 В, 50 Гц в течение нескольких часов. Устройства выполнены в настенном и стоечном вариантах, смонтированы в металлических корпусах, снабжены звуковой сигнализацией, имеют индикацию режимов.
УБП, выполненные по различным структурным схемам, выпускают и другие предприятия РФ. Как правило, их цены на 20—50% ниже зарубежных. Таким образом, мнение о том, что на российском рынке присутствуют только иностранные модели УБП, не соответствует действительности. Тот факт, что оно получило широкое распространение, можно объяснить отсутствием рекламы и неопытностью отечественных предприятий в области маркетинга.
НТФ ЭНЭЛ предлагает помощь потребителям УБП в определении оптимальной для них модели устройств, а отечественным разработчикам и производителям УБП – в организации рекламы и маркетинга.
Адрес для переписки:
119517 Москва, а/я 5.
Тел. (095)330-0638,
факс (095)330-5630,
e-mail ENEL@GLASNET.RU
Литература
1. Колосов В. НТФ “Энергетическая электроника” разрабатывает устройства защиты электронной аппаратуры от нестабильности сети электроснабжения. — Электроника: НТБ, 1997, №6, с.47.
2. Рубцов В. Защита компьютера от сетевых помех. – Электроника и компоненты, 1997, вып.3—4.
3. Колосов В. Особенности проектирования систем и устройств электропитания для вычислительных комплексов. – Радиопромышленность, 1996, вып.1.
4. Колосов В. Комплексные решения по защите производственной и бытовой электронной аппаратуры от некачественной электроэнергии сети. / Тез. докл. конф. УСЭЭ-98. — М.: НТФ ЭНЭЛ, 1998.
5. Капустин В., Лопухин А. Компьютеры и трехфазная электрическая сеть. — СТА, 1997, вып.2.
6. Колосов В, Гаврилин Н, Османов И., Замятин А., Булычев Ю. Способ гарантийного питания радиоэлектронной аппаратуры. Заявка на патент №97118452/09(019676).
7. Конев Ю., Колосов В., Поликарпов А., Гончаров А., Титкин В. Перспективы устройств бесперебойного питания с выходом на постоянном токе. /Тез. докл. конф. ЭКАО-97. — М.: МЭИ, 1997.
УБП различных классов имеют существенные особенности. Чтобы сделать правильный выбор, важно ознакомиться с классификацией устройств и их возможностями, а также сравнить стоимость устройств в зависимости от их класса.
По принципу действия УБП делятся на два класса: с гальванической связью нагрузки и первичной сети (off-line) и без нее (on-line). В УБП первого класса подключают аккумуляторную батарею (АБ) для передачи электроэнергии к потребителю лишь во время выхода параметров напряжения сети за допустимые границы (рис.1а). В УБП второго класса АБ постоянно подключена к выходу устройства через инвертор (рис.1б). В обоих вариантах к АБ подсоединены зарядные устройства (ЗУ), передающие электроэнергию из сети к АБ. Представленные на рынке УБП первого и второго классов на основе сетевого трансформатора разнообразны по схемотехнике и конструкции. При мощности менее 1 кВт, несмотря на значительные размеры и массу сетевого трансформатора, все они экономически выгодны. В новых разработках при мощности более 0,5 кВт, как правило, применяется бестрансформаторный вход. При этом сетевое напряжение предварительно выпрямляется, а затем инвертируется с использованием высокочастотной модуляции. Следовательно, такие УБП имеют два узла преобразования электроэнергии. Основные отличия двух классов приведены в табл.1.
Данные табл. 1 говорят о полном превосходстве УБП второго класса, если только не учитывать, что они в несколько раз дороже. Именно благодаря более низким ценам объем продаж УБП первого класса в 100 раз превышает продажи второго [2]. Кроме того, КПД устройств второго класса составляет 85–90%, а первого – 97–99%. Да и при непрерывной работе в течение 160 часов с нагрузкой около 1 кВт УБП первого класса потребляют энергии на 10 – 20 кВт.ч меньше второго.
В последние годы появилось несколько новых модификаций УБП: line-interactive; by-pass, triple-conversion, ferrups. Первая модификация (например, серия NetUPS фирмы Exide Electronics) представляет собой усовершенствованное устройство первого класса с сетевым стабилизатором напряжения (ССН). Эта модификация имеет много вариантов в зависимости от принципа построения ССН. Вторая модификация (например, серия АР 4300 фирмы Liebert), которую вряд ли можно отнести к значительным новшествам, обеспечивает возможность использования УБП второго класса в режиме первого: дополнительный канал передает сетевую электроэнергию непосредственно к потребителю “в обход” основных узлов устройства (рис.1в). Кроме того, она позволяет проводить ремонт УБП. Третья модификация (например, серия 200 фирмы Constant Power) представляет собой УБП второго класса с введенным в его структуру третьим преобразователем электроэнергии в виде стабилизирующего конвертора, после которого следует инвертор с ШИМ (рис.1г). УБП содержит также корректор входного импеданса (КВИ), называемый иногда корректором коэффициента мощности. Четвертая модификация (например, модели FE фирмы BEST) – УБП второго класса на базе феррорезонансного трансформатора. Она существенно отличается от других вариантов второго класса, так как феррорезонансный принцип построения УБП обеспечивает высокие показатели надежности, широкий диапазон входных напряжений и выполнение функций КВИ.
Необходимость КВИ или устройства, выполняющего функцию КВИ наряду с основными, становится понятной, если учесть постоянно ужесточающиеся нормы искажений сети потребителями электроэнергии. В то же время отечественный ГОСТ 13109-87 допускает на входах потребителей электроэнергии повышенные помех. Такой подход вряд ли правомерен, так как оставляет лазейки для появления на рынке низкокачественной аппаратуры. При аварийных нарушениях электроснабжения допускается кратковременный выход значений параметров качества электроэнергии за установленные пределы, в том числе снижение напряжения вплоть до нулевого уровня. Что представляет собой в результате отечественная (московская) сеть внутри компьютеризированного предприятия, показано на рис.2-4. Таким образом, “вольности” стандарта заставляют проектировать более сложные устройства. Следовательно, производителям УБП выгодно бороться за “жeсткие” стандарты по качеству сети.
Итак, совмещение КВИ с ССН, их установка перед или в УБП либо использование четвертой модификации устройства бесперебойного питания – главные направления создания высоконадежного электропитания для мощных потребителей (от единиц до десятков киловатт).
Важное значение имеет минимизация стоимости энергетического оборудования при некоторых заданных показателях надежности. Одна из серьезных проблем – оптимальная степень децентрализации мощных УБП. Примером средней степени децентрализации аппаратуры вторичного электропитания может служить подход [3], который при общей потребляемой мощности в десятки киловатт рекомендует применять УБП мощностью 1–2 кВт. В табл. 2 приводятся преимущества и недостатки различной степени децентрализации.
Анализируя табл. 2, можно заметить, что по способу предельной децентрализации УБП строятся на базе устройств класса off-line, по способу средней децентрализации — на базе обоих классов, по централизованному способу – на базе устройств класса on-line. Окончательный выбор УБП зависит от множества дополнительных факторов [4].
Как уже отмечалось, качество электроэнергии сети, поступающей на УБП, в значительной степени влияет на ряд показателей УБП, а также на электро- и пожаробезопасность мощных систем потребителей. Если при централизованном способе предусматривается специальная разводка сети, то для двух других способов необходимо, по возможности, учитывать некоторые рекомендации. Например, при питании ПК целесообразно применение УБП второго класса с трехфазным входом [5]. При этом разгружается нейтраль и по фазам ток распределяется более равномерно. Другая важная практическая рекомендация — использование отдельно от нейтрального провода шин защитного заземления, соединенных с корпусами УБП, без их объединения на стороне потребителя.
Рассмотрим три варианта построения УБП в зависимости от формы выходного напряжения: синусоидальной, типа меандр (прямоугольный, трапецеидальный, с паузой “на нуле” и т. д.), постоянного уровня. Обоснованные требования для ряда потребителей электроэнергии синусоидального напряжения с низким коэффициентом гармоник (радиолокационное оборудование, аудиоаппаратура и т.д.) определяют конкретную область применения УБП. Для распространенного потребителя – ПК – требование синусоидального напряжения нельзя считать обоснованным. На практике проверено, что меандр и постоянное напряжение – перспективные варианты.
УБП с выходом на постоянном токе могут быть построены так же, как и с выходом на переменном токе, по принципу off-line и on-line (рис.1д,е). Однако выход на постоянном токе позволяет значительно упростить УБП и, что не менее важно, сделать его экологически чистым с точки зрения электромагнитной совместимости с чувствительной аппаратурой. Структурные схемы таких УБП обоих классов приведены на рис.1ж,з [6].
ОАО “Вычислительная техника и промышленная электроника” (ОАО ВТ и ПЭ), входящее в НТФ “Энергетическая электроника” (НТФ ЭНЭЛ), разработало и изготовило образцы устройств бесперебойного питания с полной выходной мощностью 2 кВА типа УБП-2000 с выходом на постоянном токе [7]. Эти устройства предназначены для использования с ПК. Первые образцы сейчас осваиваются у заказчика. Основные характеристики УБП-2000 в сравнении с параметрами зарубежных устройств на 2 кВА приведены в табл. 3.
Анализ табл. 3 позволяет утверждать, что характеристики отечественного УБП-2000 находятся на одном уровне с характеристиками рассмотренных зарубежных аналогов , в то время как цена его значительно ниже.
Научно-производственный концерн “Александер и Пауэл”, также входящий в НТФ ЭНЭЛ, выпускает УБП с выходом на постоянном токе типов ИП-35 (рис. 1з) и ИБП-48 (рис.1е) для аппаратуры сбора информации, систем охранной сигнализации, противопожарных устройств, систем видеонаблюдения, мини-АТС, радиостанций, радиорелейных линий связи, систем управления непрерывными технологическими процессами и военной техники. ИП-35 и ИБП-48 содержат встроенные герметичные необслуживаемые АБ емкостью от 12 до 80 А-ч. Выходные напряжения и токи — 24 В (27—22 В), 4А в ИП-35 и 48 В (55—43 В), 4 А в ИБП-48. Эти УБП позволяют организовать бесперебойное электропитание при пропадании сети 220 В, 50 Гц в течение нескольких часов. Устройства выполнены в настенном и стоечном вариантах, смонтированы в металлических корпусах, снабжены звуковой сигнализацией, имеют индикацию режимов.
УБП, выполненные по различным структурным схемам, выпускают и другие предприятия РФ. Как правило, их цены на 20—50% ниже зарубежных. Таким образом, мнение о том, что на российском рынке присутствуют только иностранные модели УБП, не соответствует действительности. Тот факт, что оно получило широкое распространение, можно объяснить отсутствием рекламы и неопытностью отечественных предприятий в области маркетинга.
НТФ ЭНЭЛ предлагает помощь потребителям УБП в определении оптимальной для них модели устройств, а отечественным разработчикам и производителям УБП – в организации рекламы и маркетинга.
Адрес для переписки:
119517 Москва, а/я 5.
Тел. (095)330-0638,
факс (095)330-5630,
e-mail ENEL@GLASNET.RU
Литература
1. Колосов В. НТФ “Энергетическая электроника” разрабатывает устройства защиты электронной аппаратуры от нестабильности сети электроснабжения. — Электроника: НТБ, 1997, №6, с.47.
2. Рубцов В. Защита компьютера от сетевых помех. – Электроника и компоненты, 1997, вып.3—4.
3. Колосов В. Особенности проектирования систем и устройств электропитания для вычислительных комплексов. – Радиопромышленность, 1996, вып.1.
4. Колосов В. Комплексные решения по защите производственной и бытовой электронной аппаратуры от некачественной электроэнергии сети. / Тез. докл. конф. УСЭЭ-98. — М.: НТФ ЭНЭЛ, 1998.
5. Капустин В., Лопухин А. Компьютеры и трехфазная электрическая сеть. — СТА, 1997, вып.2.
6. Колосов В, Гаврилин Н, Османов И., Замятин А., Булычев Ю. Способ гарантийного питания радиоэлектронной аппаратуры. Заявка на патент №97118452/09(019676).
7. Конев Ю., Колосов В., Поликарпов А., Гончаров А., Титкин В. Перспективы устройств бесперебойного питания с выходом на постоянном токе. /Тез. докл. конф. ЭКАО-97. — М.: МЭИ, 1997.
Отзывы читателей
