Расчет выбора ибп. Грамотный выбор источника бесперебойного питания. Индикация и средства управления

Источник бесперебойного питания важный элемент при построении сложных систем, где нужна гарантия безопасности от непредвиденных перебоев в энергоснабжении

Источник бесперебойного питания важный элемент при построении сложных систем, где нужна гарантия безопасности от непредвиденных перебоев в энергоснабжении и других проблем в электросети. Расскажем о том, какие критерии необходимо учесть при выборе ИБП.

Сейчас рынок забит множеством устройства отличающихся, как ценником, так и качеством. Разобраться во всем этом многообразии невероятно сложно. Если же бюджет ограничен, то нужно подходить к выбору максимально ответственно. Поэтому для начала стоит ответить себе на несколько вопросов:

Насколько ответственное оборудование вы собираетесь защищать?

Какое время автономной работы оборудования в случае пропадания напряжения будет оптимальным?

Дабы ответить на поставленные вопросы стоит разобраться с тем какие классы ИБП сейчас существуют, и определиться с основными критериями, которые нужно учитывать при выборе ИБП.

Классы ИБП

Классы, представленных на рынке ИБП, отличаются друг от друга поведением в разных режимах работы и схематикой. Выделяют:

Резервные или off-line ИБП (BackUp),
- Линейно-интерактивные ИБП (Line-interactive),
- ИБП с двойным преобразованием (on-line, double-conversion).

Off-Line ИБП считаются наиболее простыми и неприхотливыми. В нормальном режиме работы от сети электричество поступает на вход такого “бесперебойника, а после транзитом подается на основную нагрузку. При возникновении неполадок сети (перепадов и потерь напряжения) ИБП автоматически переходит на работу от аккумулятора.

Недостатки такой схемы работы - это длительное переключение питания на аккумуляторы (от 4 до 10 миллисекунд). Кроме того при работе ИБП от аккумулятора на оборудование подается не привычный для сети синус, а аппроксимированный синус.

Следующий класс источников бесперебойного питания Line-interactive не имеет кардинальных отличий от схемы Off-line. В случае аварии питание также переключается на аккумулятора, а затрачивается на это аналогичные (от 4 до 10 миллисекунд). На выходе также получается аппроксимированный синус.

Однако в ИБП этого класса на входе присутствует трансформатор, благодаря которому удается компенсировать те самые перепады напряжения. Стоит подчеркнуть, что ИБП класса Off-line и Line-interactive не предназначены для подключения ответственного оборудования.

При подключении ответственного оборудования рекомендуется использовать ИБП с двойным преобразованием (double conversion) или On-line ИБП. Работа таких источников бесперебойного питания устроена так, что входящее напряжение выправляется благодаря выпрямителю. После этого инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное. При такой схеме аккумуляторы подключены к выходу выпрямителя и входу инвертора, что обеспечивает мгновенный переход (0 миллисекунд) к работе от аккумулятора.

Помимо этого КПД определяет какое количество тепла в окружающую среду выделяет ИБП. Этот показатель важен при проектировании серверной. Например, если будет установлен ИБП небольшой мощности, то он не будет выделять много тепла. Напротив, при большой мощности “бесперебойника” в несколько десятков киловатт, тепловыделение будет большим. Чтобы избежать перегрева оборудования придется каким-то образом удалять тепло из помещения, а это дополнительные траты на мощные кондиционеры. Итог таков: чем больше коэффициент полезного действия ИБП, тем меньше будет выделяться тепло.

В качестве примера представим несколько вариантов эффективного и неэффективного использования ИБП:

В первом случае, к ИБП мощностью 800 Ватт подключили оборудование мощностью 50 Ватт. На самообеспечение ИБП использует около 70 Ватт. Рассчитываем КПД по формуле и получаем 42%.

Во втором случае, при нагрузке же в 600 Вт, коэффициент полезного действия ИБП будет значительно выше - 89%. Этот вариант более предпочтителен и эффективен.

Источник бесперебойного электропитания (ИБП) - это автоматическое устройство, основная функция которого - питание подключенной нагрузки за счёт энергии аккумуляторных батарей при пропадании сетевого напряжения или выхода его параметров (напряжение, частота) за допустимые пределы. Кроме этого, некоторые ИБП могут корректировать параметры электропитания при работе от электрической сети, т.е. выполнять функции фильтра и стабилизатора.

В данной статье выбор ИБП иллюстрируется на примере продукции компании APC (American Power Conversion), основанной в 1981 году тремя инженерами-электротехниками, закончившими Массачусетский технологический институт (MIT).
Первый ИБП был выпущен компанией в 1984 году, а с 2007 г. APC является подразделением корпорации Schneider Electric и в настоящее время является лидером рынка систем бесперебойного электропитания и обладателем многочисленных наград.

В начале 2010 года компания APC выпустила обновленную модель серии RS - Back-UPS RS 550 () Данное устройство обладает новой интересной функцией энергосбережения. Она реализована в виде "зависимых" выходных розеток UPS, которые обесточиваюся, если вы выключаете компьютер, подключенный к "основным" розеткам устройства.
Таким образом можно экономить энергию, автоматически отключая оборудование типа хабов, модемов, роутеров и прочей периферии, обычно ненужной при неработающем компьютере. Еще одним важным новшеством, делающим использование UPS более удобным, является наличие жидкокристаллического дисплея, отображающего развернутую информацию о состоянии ИБП и электросети.

Для справки: В Российской Федерации стандарт бытового электропитания следующий: действующее напряжение - 220 В ± 10%, частота 50 Гц ± 1%, коэффициент несинусоидальности - длительно до 8%, кратковременно до 12%. Таким образом, напряжение в сети должно менять свое значение по синусоиде с периодом 1/49 - 1/51 сек, находиться в пределах 196 В - 242 В и отличаться по форме от идеальной синусоиды не более чем на 8%.

Мощность источников бесперебойного питания указывается в вольт-амперах (VA), а мощность в более привычных в ваттах (Вт) можно узнать, умножив мощность в вольт-амперах на коэффициент 0,6. Например, ИБП с характеристикой мощности 700VA защитит бесперебойным питанием технику с максимальным потреблением 420 Вт.

Рассчитать мощность подключенной нагрузки можно, просуммировав мощность всех подключенных к ИБП потребителей, для персональных компьютеров эта мощность всегда меньше, чем номинальная мощность их блоков питания (как правило - в полтора-два раза) и зависит от особенностей конкретной конфигурации, ориентировочно её можно рассчитать, например, воспользовавшись .
Пример: системный блок компьютера с блоком питания номиналом 350Ватт потребляет 250 Вт + монитор 45Вт = 295 Вт, разделив эту цифру на 0.6, получаем 491VA, т.е. для такой конфигурации минимально подходящая мощность ИБП - 500VA.

Предположительное время работы ИБП при заданном уровне нагрузки проще всего выяснить, посмотрев документацию предоставленную производителем. В данной статье далее приводятся ссылки на диаграммы времени работы всех упоминаемых семейств ИБП APC. Обычно для максимальной нагрузки время автономной работы измеряется несколькими минутами, что, как правило достаточно для сохранения пользовательских данных и корректного выключения оборудования.

Помните также, что зависимость времени автономной работы от мощности подключенной нагрузки имеет нелинейную форму из-за падения КПД преобразователя при снижении нагрузки относительно номинальной, например, для ИБП серии BackES эта зависимость имеет вид, приведённый на графике слева. Понимание этого факта избавит вас от покупки слишком мощного ИБП в целях обеспечения длительной работы подключенного оборудования - подобная затея вряд ли кончится успешно, так как при работе от батарей на мощности, в разы меньшей чем номинальная для ИБП, их ресурс будет преимущественно расходоваться инвертором, а не нагрузкой.

Ещё одним фактором, снижающим время автономной работы ИБП, является падение ёмкости аккумуляторных батарей. Ёмкость аккумуляторных батарей падает в течении срока эксплуатации, об этом необходимо помнить, если аккумуляторы в данном ИБП эксплуатируются существенную часть их жизненного цикла (обычно он составляет от двух до четырёх лет).

Как выбрать оптимальную конфигурацию ИБП для организации бесперебойного питания оборудования и бытовых приборов в доме

Ответить на вопрос о выборе конфигурации источника бесперебойного питания для обеспечения надёжного электропитания отопительных и инженерных систем, бытовых электроприборов достаточно сложно. По сути, это уравнение с многими неизвестными. Ведь, заранее неизвестно на сколько плохим будет сетевое электропитание, и какова будет продолжительность отключений электроэнергии.

На первом этапе необходимо определить общую мощность всех потребителей энергии, работу которых необходимо обеспечивать в случае отсутствия сетевого электропитания. Исходя из этого значения необходимо выбрать ИБП мощностью на 20% превышающей максимальное значение нагрузки. После этого нужно определится с ёмкостью внешних аккумуляторных батарей, исходя из необходимого времени резервирования.

Наиболее оптимальным решением бесперебойного питания будет разбить нагрузку на несколько более маленьких групп потребителей. И решать задачи обеспечения резерва раздельно для различных групп потребителей в зависимости от их важности. При выборе конфигурации источника бесперебойного питания и аккумуляторных батарей следует учитывать, что увеличение запаса мощности ИБП не приводит к линейному увеличению длительности резерва. Для обеспечения большой мощности нагрузки необходим более мощный ИБП, а для обеспечения большого времени резерва необходимо увеличивать ёмкость внешних аккумуляторных батарей.

Простой способ расчета времени резерва бесперебойника

Время резерва питания определяется прежде всего двумя параметрами: мощностью полезной нагрузки и общей ёмкостью всех аккумуляторных батарей.

Однако следует отметить, что зависимость времени резерва от этих параметров не линейная. Но для быстрой примерной оценки времени резерва можно использовать простую формулу.

T = E * U / P (часов),

где Е - ёмкость аккумуляторов, U - напряжение аккумуляторов, Р - мощность нагрузки всех подключаемых приборов .

Уточненный способ расчёта времени резерва бесперебойника

Для уточнения расчёта времени резерва дополнительно вводятся специальные коэффициенты: КПД инвертора, коэффициент разряда аккумулятора, коэффициент доступной ёмкости в зависимости от температуры окружающей среды.

С учётом этих коэффициентов формула расчета принимает следующий вид.

T = E * U / P * KPD * KRA * KDE (часов),

где KPD (коэффициент полезного действия инвертора) находится в диапазоне 0,7-0,8,

KRA (коэффициент разряда аккумуляторов) находится в диапазоне 0,7-0,9,

KDE (коэффициент доступной ёмкости) находится в диапазоне 0,7-1,0.

Коэффициент доступной ёмкости имеет сложную зависимость от значения температуры и скорости прикладывания нагрузки. Чем холоднее температура воздуха, тем ниже коэффициент доступной ёмкости. Чем медленнее расходуется энергия батарей, тем больше значения коэффициента доступной ёмкости.

Готовые таблицы значения времени резерва бесперебойников серии SKAT и TEPLOCOM

Необходим один внешний аккумулятор напряжением 12 Вольт

Ёмкость, в Ач	Мощность нагрузки, ВА
	100	150	200	250	270
26	2ч 18мин	1ч 22мин	55мин	44мин	39мин
40	3ч 37мин	2ч 15мин	1ч 36мин	1ч 15мин	1ч 09мин
65	7ч 01мин	4ч 00мин	2ч 45мин	2ч 12мин	1ч 54мин
100	12ч 00мин	7ч 12мин	5ч 00мин	3ч 40мин	3ч 26мин

Таблица примерного времени резерва

Необходимо два внешних аккумулятора напряжением 12 Вольт

Емкость АКБ, Ач
	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
2х40	9,37	4,06	2,31	1,51	1,36	1,22	1,07	0,53	0,39	0,34
2х65	16,15	7,12	4,40	3,02	2,29	1,56	1,44	1,36	1,28	1,11
2х100	27,11	11,55	7,33	5,23	4,12	3,05	2,44	2,22	2,01	1,49
2х120	32,37	14,52	9,44	6,10	5,11	4,12	3,14	2,51	2,33	2,15
2х150	40,47	17,40	11,24	8,19	5,57	5,07	4,17	3,28	2,57	2,42
2х200	54,23	24,48	15,47	11,27	9,09	6,50	5,45	5,08	4,31	3,54

Таблица примерного времени резерва

Необходимо 8 внешних аккумуляторов напряжением 12 Вольт

Емкость АКБ, Ач
	500	1000	1500	2000	2500	3000
65	12ч 20мин	5ч 10мин	2ч 55мин	2ч 15мин	1ч 40мин	1ч 25мин
100	19ч 25мин	8ч 40мин	5ч 20мин	3ч 40мин	2ч 45мин	2ч 15мин
120	23ч 05мин	11ч 35мин	7ч 00мин	4ч 45мин	3ч 30мин	2ч 45мин
150	28ч 55мин	14ч 20мин	8ч 45мин	6ч 30мин	4ч 50мин	3ч 40мин
200	38ч 30мин	19ч 10мин	12ч 45мин	8ч 45мин	7ч 00мин	5ч 20мин

Линейка ИБП марок SKAT и TEPLOCOM обеспечивает возможность организации надёжного бесперебойного питания потребителей различной ёмкости и назначения. Бесперебойники дают возможность организовать бесперебойное питание от маленького котла отопления или циркуляционного насоса до питания всего дома или офиса. Специализированные ИБП дают возможность организации бесперебойного питания особо важных объектов, таких как системы связи, коммуникационное оборудование, системы безопасности и контроля.

Для увеличения времени резерва питания полезной нагрузки есть несколько путей. Все эти способы вытекают из формулы расчета времени резерва.

Для увеличения времени резерва можно увеличить ёмкость внешних АКБ, уменьшить полезную нагрузку, создать оптимальные условия эксплуатации ИБП и аккумуляторных батарей.

Первый вариант - самый простой, но затратный. Для увеличения ёмкости батарей придется покупать более дорогие аккумуляторы и ИБП, позволяющие производить их эффективный заряд. Кроме затрат на оборудование потребуется и выделение специального помещения, предназначенного для хранения и работы аккумуляторных батарей, снабженного хорошей системой вентиляции.

Второй метод - уменьшить нагрузку. Прежде всего нужно разбить нагрузку на группы в зависимости от необходимости обеспечения бесперебойного питания. Если электроэнергии не будет длительное время, то нужно будет выбирать между важностью обеспечения работы инженерных систем отопления, водоснабжения и необходимостью пользоваться холодильником или кондиционером. Так современный холодильник позволяет обеспечить приемлемую температуру около 20 часов, если его лишний раз не открывать. Еще одной группой потребителей является система освещения, для освещения можно использовать автономные источники бесперебойного питания или аварийные светильники со встроенной аккумуляторной батареей. В конечном счёте можно посидеть и при свете фонарика или старой доброй свечи, всё лучше, чем разморозить систему отопления.

Третий метод заключается в повышении качества обслуживания ИБП и батарей. Здесь наиболее важными моментами являются содержание оборудования в чистоте, обеспечение хорошего температурного режима. Отдельно стоит отметить необходимость проведения правильного заряда АКБ и проведения тренировок аккумуляторов. Часто бывает так, что проблем с электричеством нет, и аккумуляторы не подвергаются циклам разряда и заряда. В результате через несколько месяцев резко падает реальная ёмкость АКБ. Для тренировки АКБ необходимо использовать специальное оборудование или имитировать периодически отключение электроэнергии, давая возможность батареям работать.

Вспомним кое-что из физики

При оценке мощности, потребляемой нагрузкой, следует учитывать полную мощность. Полная мощность (единица измерения ВА – вольт-ампер) - это вся мощность, потребляемая электроприбором. Она складывается из активной (единица измерения "Вт" - Ватт) и реактивной (единица измерения ВАР – вольт-ампер реактивный) составляющих мощности. Потребители электроэнергии зачастую имеют как активную, так и реактивную составляющие.

. У этого вида нагрузки вся потребляемая энергия преобразуется в тепло. У целого ряда устройств данная составляющая является основной. К ним относятся, например, электроплиты, осветительные лампы, электрообогреватели, утюги, ТЭНы и т. д.

Реактивные нагрузки . Практически все остальное. Они могут носить индуктивный и емкостной характер. Типичный представитель электроустройства, имеющего индуктивную составляющую нагрузки - электродвигатель. Полная мощность (Р) и активная мощность (Ра) связаны между собой коэффициентом cosФ.

Ра = cosФ х P

В чем же заключается методика подсчета мощности электропотребителей?

Для того, чтобы сделать оптимальный выбор модели ИБП по критерию необходимой мощности, нужно рассчитать суммарную мощность, потребляемую Вашей нагрузкой. Под нагрузкой, в данном случае, подразумеваются все электроприборы, находящиеся в Вашем доме (офисе, квартире, производственном помещении), подлежащие защите.

Мощность, потребляемую конкретным устройством, лучше всего определить по паспорту или инструкции по эксплуатации на это изделие. Иногда потребляемая мощность и коэффициент cosФ указываются на задней стенке прибора или устройства. Следует учесть, что величина мощности в документах на разные приборы может быть указана либо в ваттах, либо в вольт-амперах. В целях избежания ошибок при расчетах мощности устройств суммируем отдельно по каждой единице измерения в две колонки.

1. перечислим все электропотребители, подлежащие защите;
2. просуммируем их мощности как указывалось выше;
3. приведем полученные результаты к одной единице измерения мощности (лучше в вольт-амперах). Для этого:

   Если в паспорте указана активная мощность и коэффициент cosФ, то легко пересчитать ее в полную мощность. Для этого активную мощность в "Вт" нужно разделить на cosФ. Например, если на изделии написано, что активная мощность составляет 700 Вт и cosФ = 0,7, то это означает, что потребляемая полная мощность будет равна 700/0,7=1000 ВА. Если cosФ не указан, то для примерного расчета примем его равным 0,7.

Рассчитанную таким образом мощность следует сложить с суммой мощностей по другой колонке (просуммированной в ВА).

Примечание : для электроприборов, имеющих только активную нагрузку, коэффициент cosФ принимаем равным 1.

Следует учесть еще один крайне важный момент - пусковые токи. Любой электродвигатель (компрессор) в момент включения потребляет энергии в несколько раз больше, чем в номинальном режиме. В случае, когда в состав нагрузки входит электродвигатель, (например: погружной насос, холодильник, дрель), его паспортную потребляемую мощность необходимо умножить, как минимум, на 3 (лучше на 5) во избежание перегрузки стабилизатора или ИБП в момент включения устройства. Внесите эти коррективы в Ваши расчеты.

Итак, мощность подсчитана.

Однако учтем еще два момента.

1. В жизни практически не бывает случаев, когда одновременно работает абсолютно вся нагрузка. В самом деле, если Вы встречаете гостей, то вряд ли в это время стирается белье, днем освещение не включается и т. д. На практике существует такое понятие как "коэффициент одновременного включения". Таким образом, посчитанную величину можно уменьшить (т.е. умножить примерно на коэффициент 0,3-0,5).
2. С другой стороны недопустимо, чтобы работал в режиме полной загрузки. Для создания "щадящего" режима работы полученную в результате предыдущих расчетов мощность желательно увеличить примерно на 10-15%. Этим Вы увеличиваете срок службы техники, повышаете надежность и создаете себе резерв мощности для подключения нового оборудования.

Искомая цифра найдена. Теперь, основываясь на конкретных примерах, выберем ИБП.

Для облегчения задачи определения мощности можно привести таблицу с примерными данными потребления элетроэнергии бытовой техники.

• Холодильник – до 1 кВт
• Телевизор - 0,08 кВт
• Стиральная машина - 1,5 кВт
• Электрочайник - 2 кВт
• Пылесос – 0,8 кВт
• Утюг - 1 кВт
• Микроволновая печь - 1 кВт
• Освещение (лампы накаливания – 1 шт.) – 0,06 кВт.
• Компьютеры и мониторы:

Мощность потребления современных мониторов CRT

• 15" 70-100 Вт
• 17" 90-110 Вт
• 19" 100-150 Вт
• 22" 110-180 Вт

Мощность потребления современных мониторов LCD

• 15" - 25-45 Вт
• 17" - 35-50 Вт
• 19" - 40-60 Вт

Источник бесперебойного питания для компьютера нужен для корректного завершения программ и сохранения важных данных пользователем при аварийном отключении питания. ИБП не рассчитан на долговременное питание компьютера. Время работы составляет в среднем 15 минут, чего вполне хватает, чтобы все закрыть и сохранить. Для более долгой работы нужны мощные аккумуляторы, что делает устройство очень громоздким и дорогим.

В зависимости от принципа работы ИБП делятся на три типа:

Резервные ИБП;
- линейно-интерактивные ИБП;
- ИБП с двойным преобразованием.

При покупке такого устройства следует помнить, что мощность ИБП обозначается в вольт-амперах – ВА, а мощность подключаемых устройств в ваттах – Вт. Для перевода одной величины в другую нужно количество ВА умножить на коэффициент 0,7 и получатся ватты. Например мощность ИБП 1000 ВА умножить на 0,7 - получится 700 Вт. Следовательно, учитывая необходимый запас по мощности, к такому ИБП можно подключать нагрузку до 500 Вт.

При выборе ИБП также стоит обратить внимание на время автономной работы при полной нагрузке, наличие защиты от короткого замыкания в сети и подключенном устройстве, возможность замены батарей, наличие дисплея и какая информация на нем отображается.

Резервные ИБП

При пропадании напряжения в сети или сильном падении напряжения резервный ИБП переключается на аккумуляторы. Время переключения составляет менее 10 миллисекунд, что вполне достаточно для бесперебойной работы компьютера. Из-за возможности переключения ИБП на питание от аккумуляторов при скачках напряжения, перед ним желательно включать сетевой стабилизатор, это существенно продлит срок службы аккумуляторов.

Резервные источники питания являются самым распространенным типом ИБП, т.к. относительно дешевы, имеют высокий КПД и низкий уровень шума. Время автономной работы составляет от 5 до 10-15 минут и зависит от мощности подключаемого устройства. Поэтому приобретать устройство необходимо с 20–30 % запасом по мощности.

Линейно-интерактивные ИБП

Источники бесперебойного питания этого типа имеют в своем составе стабилизатор напряжения, поэтому имеют преимущество перед предыдущими, но также и стоят существенно дороже.

Такие устройства переключаются на питание от батарей только при полном отключении электричества, поэтому батареи служат гораздо дольше. Также они более экономичны, имеют большее время автономной работы – до 20 минут, более высокую защиту подключаемых устройств. Недостатки – высокая цена и шум от вентилятора охлаждения стабилизатора.

ИБП с двойным преобразованием напряжения

Это самые сложные и дорогие устройства. Принцип работы заключается в преобразовании переменного тока в постоянный и затем снова в переменный. На выходе получается идеальная синусоида и напряжение ровно 220 вольт. Аккумуляторы подключены постоянно, поэтому эти ИБП имеют нулевое время переключения.

Предназначены для питания дорогостоящей техники, серверных станций и компьютерных сетей, не допускающих даже кратковременной остановки работы. Недостатки – очень высокая стоимость, низкий КПД, большое тепловыделение, повышенный шум.