Как правильно подобрать ИБП?

ИБП — общепринятое сокращение слов “Источник бесперебойного питания”. Часто используют сокращение UPS от английского Uninterruptible Power Supply.

В последние годы ИБП все активнее используются с резким ростом значимости информационных технологий. Глобальные сети, работа в режиме 24/7, обмен важными данными в режиме реального времени, работа современных предприятий, связанных с безопасностью людей, например аэропортов и больниц — все это требует стабильной и качественной электроэнергии для телекоммуникационного и промышленного оборудования.

Главные причины для покупки ИБП

Главная причина для покупки ИБП в том, что потребность в электроэнергии растет, но вместе с тем не повышается ее качество. Качество электроэнергии может ухудшаться в самом здании (на предприятии), например, из-за плохого состояния проводки и заземления. Но может уже быть плохим на входе в электрическую систему здания, например, из-за работающих рядом промышленных установок с мощными нагрузками, к которым относятся электродвигатели с большими пусковыми токами, сварочные аппараты, силовая электроника (мощные импульсные источники питания, приводы с регулируемой частотой вращения, электронные балласты и т.п.), люминесцентное освещение.

Также отклонения напряжения и частоты происходят вследствие перегрузок на электростанциях в часы максимумов нагрузки потребителей, особенно в зимнее время. Не редкость и нештатные ситуации, например: атмосферные явления, влияющие на высоковольтные линии электропередач, повреждение подземного кабеля во время строительных работ.

Опросы показывают, какое оборудование пользователи чаще всего стараются защитить от некачественного электропитания — 61 % называют компьютерную технику. Для домашнего пользователя это компьютер, для корпоративного — компьютеры, серверы, хранилища данных, системы жизнеобеспечения и безопасности зданий (например, автоматика пожаротушения, контроля доступа, видеонаблюдения). Важное место занимают промышленные потребители — станки и автоматические линии, которые должны работать в непрерывном режиме. И особо важное значение имеют потребители, связанные с медициной (очевидно, что энергообеспечение операционных критично для спасения жизней людей).

Проблемы с электричеством классифицированы и сводятся к нескольким основным определениям:

1. Отключение электричества.
2. Кратковременные перепады напряжения.
3. Пониженное или повышенное напряжение.
4. Мощные скачки напряжения.

Из этих четырех причин выводится более подробная классификация. Она полезна, так как зная, от каких проблем электропитания оборудование должно быть защищено, потребитель понимает, какой тип ИБП ему необходимо выбрать. Эта классификация зафиксирована международными стандартами. В этих документах есть еще десятый тип — воздействие молнии, но его в многочисленной литературе об источниках бесперебойного питания упоминают редко, действие молнии сводится к всплеску напряжения в электросети.

Упомянутые стандарты информируют о том, какие помехи могут появиться в электросети, как они могут подействовать на подключенные устройства и как раз какие типы ИБП необходимо применять в том или ином случае.

Интересно, что полное отключение питания о статистике происходит в нескольких процентах случаев, а более 90% случаев — различные неравномерности питающего напряжения и помехи на линии.

Таким образом, предназначение ИБП — стабильное электроснабжение чувствительных потребителей.

Топологии источников бесперебойного питания

Существует три основных типа (или как принято также — три топологии) ИБП. Эта классификация также имеет свой источник в международных стандартах и приведена в таблице ниже.

1) Резервные или офлайн (offline).

Также называются в англоязычной литературе standby. Также в нашей литературе встречается название работающий в “режиме ожидания”.

2) Линейно-интерактивные. 

3) C двойным преобразованием, или онлайн (online)

Есть определенные рекомендации какое оборудование предназначено для работы с тем или иным типом ИБП, они приводятся в материалах изготовителей источников бесперебойного питания и подтверждаются практикой применения:

Стабилизатор напряжения

Стабилизатор напряжения — это устройство, которое приводит повышенное или пониженное напряжение в сети к нормальному значению. Фактически, стабилизатор — частный случай ИБП, в котором отсутствует батарея и инвертор. Иногда в стабилизаторах отсутствуют и фильтры. Таким образом, устройство защищает только от двух проблем электропитания:

• пониженное напряжение;
• повышенное напряжение.

Использование этого устройства целесообразно там, где пропадание напряжения совершенно не является критичным фактором. Стабилизаторы на большие мощности (более 10-20 кВА) чаще всего выполняются трехфазными, также как и ИБП.

Практические советы при выборе ИБП

Необходимо оценить три фактора:

1. Потребляемая мощность оборудования.
2. Требуемое время автономной работы от батарей при отключении электричества.
3. Способ подключения потребителей к ИБП.

О мощности

Потребляемая мощность оборудования может указываться либо в Ваттах (Вт), либо в Вольт-Амперах (ВА). В реальной жизни не вся мощность, предоставляемая ИБП, действительно потребляется оборудованием (нагрузкой).  Поглощаемая нагрузкой активная мощность (измеряемая в Вт) — это мощность, выполняющая полезную работу, и она всегда меньше полной поступающей мощности (измеряется в ВА). Это соотношение называется коэффициентом мощности нагрузки, или Power Factor, PF. Таким образом PF всегда меньше единицы.

Значения PF для типичных типов нагрузок:

• компьютерные блоки питания — 0,6;
• блоки питания с простой коррекцией коэффициента мощности (пассивной) — 0,7-0,75;
• блоки питания с усовершенствованной коррекцией коэффициента мощности (активной) — 0,95-0,99;
• электродвигатели — 0,5-0,8 (зависит от оборудования, в котором двигатель работает);
• лампы накаливания и люминесцентные лампы - 0,9-1,0.

В то же время основная характеристика ИБП —тоже мощность. Если говорить строго, мощность ИБП — это его выходная мощность, то есть мощность, которую он сможет подать на свой выход к потребителю. Выходная мощность ИБП указывается обычно в Вольт-Амперах (ВА), в подавляющем большинстве случаев эта цифра читается в его названии, например APC SUA750i, Eaton 5SC 1500i итп. Однако, ИБП также сам по себе является электронной схемой и имеет свой выходной коэффициент мощности. Именно поэтому в технических характеристиках ИБП указано две цифры, например:

• Выходная мощность 390Ватт / 620ВА — пример характерен для простых линейно-интерактивных ИБП малой мощности, видно, что  выходной коэффициент мощности = 0,63
• Выходная мощность 8,0 кВт / 10,0 кВА — этот пример ИБП онлайн большой мощности с более сложной схемотехникой, выходной коэффициент мощности уже 0,8.

Таким образом, мы имеем два значения мощности нагрузки и два значения мощности ИБП. Самая простая процедура выбора ИБП по мощности будет заключаться в том, что мощность нагрузки в ВА и Вт должна быть меньше соответствующих значений мощности ИБП.

Однако необходимо заметить, что это упрощенный подход, который 100% годен для домашнего оборудования и для простых корпоративных применений (например, малый офис). Мы просто имеем известные мощности и должны сравнить их. Для более серьезных инсталляций  требуется проводить более точные расчеты. В данном случае мы имеем в виду:

1. Повышенную мощностью потребителей более 5-10 кВА и может простираться до мегавольт-ампер.
2. Переход на трехфазное распределение питания, и как следствие переходом на ИБП с трехфазным входом и однофазным выходом (встречается наименование ИБП 3/1), а при мощностях от 40 кВА и выше это будет только ИБП с трехфазным входом и трехфазным выходом (ИБП 3/3).

Эти расчеты должны быть темой отдельной статьи с конкретными числовыми примерами. Но для простоты, и без применения формул процесс подбора мощного ИБП может быть описан в четырех этапах:

• составляется полный список групп нагрузок, для каждой их которых учитывается мощность (либо в Вт, либо в ВА, смотря что показано в паспортах соответствующего оборудования) и коэффициент мощности этих нагрузок. Как результат, рассчитывается  суммарные активная мощность нагрузки (Вт) и ее полная мощность (ВА).
• выбирается ИБП со значением полной выходной мощности в ВА, способный покрыть потребности в полной мощности потребителей (ВА);
• производится проверка, способен ли выбранный ИБП покрыть потребности в активной мощности потребителей (Вт) с учетом конкретной ситуации на объекте. Именно в этом шаге часто выясняется, что необходимо выбрать следующий ИБП в ряду, например 60 кВА вместо 48 кВА;
• проверяется еще раз, не следует ли выбрать следующий ИБП в ряду из-за возможных увеличений нагрузок в перспективе с учетом:

а) возможного расширения проекта;

б) переходом на схему ИБП с резервированием, где вступают в действие дополнительные повышающие коэффициенты в расчетах.

Кроме того, необходимо отметить, что при выборе мощных ИБП учитываются следующие факторы:

• такие ИБП часто имеют в своем составе системы распределения питания, или PDU (традиционное сокращение Power Distribution Unit). Фактически это распределительный шкаф с автоматическими выключателями. Если PDU в составе ИБП нет, его приходится скомплектовать и установить на объекте. Это делается подрядчиками в согласовании с ответственным за электрохозяйство предприятия. Хотя бы по этой причине видно, что выбор мощного ИБП - всегда проектная работы с электротехническими расчетами.
• любой ИБП (и не только мощный) даже не имея в своем составе PDU, снабжен одним или несколькими выходными автоматическими выключателями. Отсюда необходимо проверить способен ли выбранный ИБП выдержать пусковые токи потребителей. Например, это очень актуально для регулируемых приводов. Приходится или повышать мощность ИБП, или предусматривать в проекте устройства ограничения пусковых токов;
• сопряжение с генератором (или ДГУ, дизель-генераторной установкой). Это отдельный вопрос, также достойный хорошей статьи с примерами расчетов. Взаимодействие ДГУ и ИБП осуществляется по сложному циклу. Краткий вывод по этой тематике заключается в том, что необходимо выбирать мощность ДГУ выше мощности ИБП и при этом максимально точно подбирать мощность ИБП под его нагрузку;
• необходимо не забывать о собственном КПД ИБП, при больших мощностях это вносит существенные поправки в расчеты;
• необходимо учитывать факторы электробезопасности, в том числе и по высокому постоянному напряжению, которое встречается на пути соединения ИБП и большого массива его внешних батарей;
• необходимо точно учитывать массогабаритные характеристики, особенно нагрузку на перекрытия здания;
• необходимо учитывать климатические факторы. Инсталляция мощного ИБП неотделима от инсталляции системы кондиционирования для его работы, что само по себе является темой отдельного проектирования.

О времени автономной работы

Для любого ИБП в его паспорте указывается как минимум время автономной работы при полной потребляемой нагрузкой мощности (обычно это 3-10 минут, если используются только внутренние батареи). Часто указывается время работы на половинной мощности. Некоторые производители приводят на своих сайтах точные графики, откуда можно узнать точное кол-во минут при интересующей потребителя нагрузке.

Общая рекомендация — использовать ИБП на мощности 0,5-0,75 от полной. Это позволяет корректно завершить работу оборудования (если конечно речь не идет о запуске ДГУ). Как раз это дает 5-15 минут автономии.

Что делать, если время автономии нужно больше:

• использовать специальные серии ИБП с более емкими батареями (например в названии может быть Extended Run);
• использовать ИБП с возможностью подключения внешних батарей.

Тем самым, можно достичь времени автономии нескольких часов. Что нужно учитывать при этом:

• если ИБП работает при более низкой процентной нагрузке (например, 20-30-50%), то фактическое время автономной работы может быть больше, но сильно снижается КПД. Для домашних и простых офисных применений это не столь важно, однако для больших инсталляций в десятки кВт учетом КПД никогда не пренебрегают;
• ИБП любой конструкции не может подключить к себе неограниченное количество внешних блоков батарей. Это объясняется тем, что для зарядки батарей схема UPS должна вырабатывать зарядный ток. Если батарей много, то ток вырастает до некоторых предельных величин, которые может обеспечить сама электросеть. Поэтому к ИБП средней мощности (1-20 кВт) уровня телекоммуникационного шкафа можно на практике подключить около 10 внешних блоков батарей. Время автономии все равно останется порядка нескольких часов. Для больших ИБП батареи — это обычно аккумуляторы в специальных стеллажах или закрытых шкафах, и их кол-во выбирается особыми расчетами;
• содержать большое количество батарей экономически неэффективно, их средний срок службы - 5 лет. Есть специальные серии 10-12  лет. На срок службы батарей сильно влияют параметры окружающей среды;
• большое количество батарей (в любом их исполнении) — это большая масса и габариты, при этом вступает в действие фактор нагрузки на перекрытие, что необходимо согласовывать со службой эксплуатации здания;
• экономические расчеты, проводимые изготовителями ИБП показывают, что начиная с некоторого порога времени автономии (взятого для данного уровня мощности) совокупная стоимость владения системы ИБП+ ДГУ становится меньше, чем совокупная стоимость владения большим парком аккумуляторов.

Некоторые дополнительные сведения о батареях (аккумуляторах)

Типы аккумуляторов, используемые для нужд ИБП (по типу электролита):

• свинцовые;
• свинцово-кислотные с жидким электролитом;
• свинцово-кислотные с регулирующими клапанами (VRLA) со сгущеным электролитом (GEL) или электролитом, сконцентрированным в  стекловолокне (AGM) - пока получили наибольшее распространение благодаря низкой стоимости и безопасной эксплуатации;
• никелевые;
• никель-кадмиевые;
• никель-металл-гидридные;
• литиевые;
• литий-марганцевые (IMR), вышли на рынок источников бесперебойного питания недавно, пока очень дороги, но сильно выигрывают у остальных типов по массогабаритным характеристикам и сроку службы.

О способе подключения потребителей

Этот тип применяется только в простейших ИБП малой мощности для дома и малого офиса

2) IEC 320 C13;

Наиболее распространенный тип на ИБП малой мощности, данный разъем нормируется на ток нагрузки не более 10 А. Для подключения нагрузки используются шнуры C13-C14.

3) IEC 320 C19

Наиболее распространенный тип на ИБП средней мощности, часто комбинируется на ИБП 1-10 кВА с разъемами C13. Данный разъем нормируется на ток нагрузки не более 16 А. К выходу ИБП С19 подключаются или мощные отдельные устройства (например шассийный коммутатор), так и устройства распределения питания (PDU) уровня телекоммуникационного шкафа (стойки). Типичный PDU такого типа:

На рисунке виден справа разъем IEC 320 C20 — ответная часть для подсоединения к UPS, для чего используется шнур C19-C20.

Примечание: количество выходных разъемов у разных типов ИБП может отличаться, при этом не все из них могут быть предназначены для поддержки бесперебойного питания. Как правильно, на каждом устройстве указано соотношение таких разъемов, например 4/3 (всего 4 выходных разъема, 3 из них поддерживают бесперебойное питание). Подробное описание читайте в руководстве к устройству.

Также UPS могут иметь различные дополнительные интерфейсы, например USB для связи с локальным компьютером. Или Ethernet для связи с локальной сетью предприятия. Это означает, что такой ИБП может сигнализировать подключенным к нему устройствам о пропадании электропитания, что позволяет запустить на них автоматический процесс закрытия программ, а затем полного выключения. Это пример сохранения важных компьютерных данных с помощью технологий, применяемых в ИБП.

4) Клеммное соединение.

В англоязычной литературе Hard Wire. Начинает встречаться на UPS средней мощности. Необходимо по той причине, что не все потребители оснащены стандартными розетками IEC C14 или C20. Такие розетки встречаются в основном у компьютерных нагрузок. В случае, если потребитель — промышленное оборудование, или какая-то из систем здания целиком, например, освещение, то для подключения таких потребителей необходимо организовать щит питания. Кроме того, ИБП в таких инсталляциях почти всегда находится в одном помещении, а нагрузка в другом. Очевидно, что при этом необходимо организовать кабель питания, как раз подключив его к клеммам источника бесперебойного питания.

Клеммные колодки ИБП - это обычно три болтовых контакта при однофазном выходе (фаза, нейтраль, земля). Пример обозначения в документации - Hard Wire 3-wire (H N + G).

При трехфазном выходе это пять болтовых контактов (фаза 1, фаза 2, фаза 3, нейтраль, земля). Или в англоязычной документации L1, L2, L3, N+G или N+PE).

Примерная мощность различной бытовой техники указана в таблице ниже:

Пример кейса выбора ИБП

КПД источника бесперебойного питания — важный показатель, на который необходимо обращать внимание при выборе UPS. Чем выше показатель, тем выше эффективность прибора.

Выбираем UPS для домашнего рабочего места. Наши устройства: системный блок, монитор, струйный принтер.

1) Проверяем требования к выходному сигналу: ни одно из устройств не имеет специальных требований, значит, подойдет любой тип ИБП.

2) Проводим расчет необходимой мощности:

• Системный блок — 300 Вт
• Монитор — 40 Вт
• Принтер — 20 Вт

300 + 40 + 20 = 400 Вт + 20% = 432 Вт (Необходимая мощность UPS, выраженная в Вт)

3) Определяем выходные разъемы: каждое оборудование подключается через евророзетку, значит выбираем ups с минимум тремя входами. Нам подойдут:

Интерактивный ИБП APC by Schneider Electric Back-UPS BX950UI