ВЫБОР ИБП

Выбор ИБП EATON, выбор ИБП KSTAR, выбор ИБП APC, ABB, Legrand, General Electric, Riello, Socomec, Delta, Emerson, TrippLite… Существует ли разница в методике выбора ИБП различных торговых марок? Нет, не существует. Потому что основные принципы расчетов и разработки решений по построению системы бесперебойного питания базируются на характеристиках нагрузки и ее режимов работы.

Выбор типа ИБП. Классические ИБП с использованием аккумуляторных батарей можно разделить на три основных типа: резервного действия (Off line UPS), линейно-интерактивные (Line interactive UPS) и с двойным преобразованием напряжения (On line UPS).
ИБП резервного действия обычно имеют небольшую стоимость и рассчитаны на поддержку нагрузок с малой мощностью до 1000ВА. Они защищают нагрузку от исчезновения, провала и скачка напряжения. Форма выходного сигнала — ступенчатая аппроксимированная синусоида. Корпус устройства выполнен из пластика. Система охлаждения — конвекционного типа. Сфера применения — защита отдельных компьютеров или устройств с импульсными блоками питания.
Линейно-интерактивные ИБП кроме защиты нагрузок от исчезновения, провала и скачка напряжения также могут регулировать уровень напряжения при пониженных или повышенных значениях. ИБП данного типа можно условно разделить на две подкатегории в зависимости от сферы применения: для домашнего и бытового применения (SOHO) и профессиональные ИБП. Первые в основном предназначены для защиты отдельных компьютеров, роутеров и тому подобное. Они недорогие, имеют пластиковый корпус, форма сигнала — аппроксимированная синусоида, система охлаждения в основном конвекционного типа, возможность регулировки уровня напряжения — одноступенчатая, диапазон мощностей составляет 400ВА — 2000ВА. Линейно-интерактивные профессиональные ИБП предназначены для защиты дорогостоящего, важного оборудования: серверов, маршрутизаторов, систем хранения данных, медицинского оборудования и др. Диапазон мощностей от 500ВА до 8000ВА. Корпуса данных ИБП в основном выполнены из металла. Сигнал напряжения при работе от батарей — синусоидальный. Во многих из них реализована двухступенчатая система регулирования выходного напряжения. Существует две формы выполнения как напольные/башенные/настольные так и для монтажа в 19 » телекоммуникационные стойки/шкафы. Имеют принудительную вентиляцию. Появляется возможность подключения дополнительных аккумуляторных модулей для увеличения времени батарейной поддержки. Для мониторинга и управления существует возможность подключения WEB / SNMP адаптеров и релейных плат.
ИБП с двойным преобразованием напряжения защищают оборудование от всех возможных проблем с электропитанием, включая защиту от электромагнитных и частотных шумов, нестабильной частоты и нелинейных искажений напряжения. Форма выходного сигнала — чистая непрерывная синусоида. Отсутствует переход на батарею и обратно на сеть. Внутри источников реализована схема электронного байпаса, что значительно повышает надежность систем. При отказах или при перегрузке ИБП не отключает нагрузку а переводит ее на обходной шунт — электронный байпас. Корпуса ИБП выполнены из металла. Есть возможность подключения дополнительных аккумуляторных модулей. Диапазон мощностей от 700В до мегаватт. Для мониторинга и управления существует возможность подключения WEB / SNMP адаптеров, CAN Bus адаптеров и релейных плат. Для индустриальных ИБП существует возможность подключения трансформаторов гальванической развязки. Неограниченные сферы применения: защита ИТ оборудования, компьютерных офисных сетей, центров обработки данных (ЦОДов), медицинского оборудования и функциональных медицинских помещений, защита как систем автоматизаций так и в целом всего оборудования технологических процессов.

Расчет нагрузок и выбор мощности ИБП. Одним из важных аспектов выбора мощности ИБП является корректный анализ нагрузок и режимов их работы. Значение мощности ИБП должно быть достаточным для режимов с максимальными токами потребления оборудования, а пиковые значения токов потребления не должны превышать параметров ИБП в режимах перегрузок. Для трехфазных систем необходимо также обеспечить пропорциональное распределение по фазам, ведь перегрузка даже одной из фаз приведет к переходу источника бесперебойного питания в режим байпаса (для On-line ИБП). Для систем с 3ф входом и 1ф выходом следует помнить, что в случае перехода ИБП в режим байпаса, весь ток нагрузки будет потребляться по фазе байпаса.
Активная мощность, реактивная мощность и полная мощность — эти три параметра являются определяющими для проведения дальнейших расчетов. Активная мощность измеряется в ваттах Вт, реактивная — в вольт-амперах реактивных ВАр (может быть как индуктивного характера так и емкостного), полная мощность — в вольт-амперах ВА. Соотношение между активной мощностью и полной мощностью характеризуется коэффициентом мощности cos fi. Производители ИБП указывают данные значения в паспортных данных оборудования, например мощность ИБП 900Вт / 1000ВА, cos fi при этом равен 0,9.
Рассмотрим основные типы нагрузок. Наиболее распространенными из них являются ИТ оборудование, контроллеры, модули автоматизаций. Все они с емкостной реактивной составляющей. Cos fi для данных нагрузок составляет от 0,7 (офисные компьютеры) до 0.95 или даже 0.99 (современные серверы с компенсацией реактивной составляющей). ИБП первично были разработаны для защиты данного типа нагрузок и поэтому вопросов к их корректной работе не должно возникать. Но, принимая во внимание тенденцию повышения активной составляющей выходной мощности ИБП и их назначение для защиты современных серверов, необходимо проверить, в состоянии ли серверный ИБП с cos fi 1 защищать простые офисные компьютеры. В технических данных на ИБП должно быть указана возможность работы с реактивной составляющей, например от cos fi 0,7 емкостной до cos fi 0,8 индуктивной. Другие типы нагрузок не будем рассматривать в данной статье, поскольку Заказчики обычно обращаются в таких случаях к специалистам. Примеры других нагрузок: лифты, технологические линии с электродвигателями (cos fi от 0,6 до 0,8 индуктивного характера), системы релейной защиты подстанций (cos fi от 0,2 до 0,5 индуктивного), ретрансляционное оборудование (cos fi от 0 4 до 0,7 емкостного) и другие.
Какие значения взять для расчета установленной мощности ИТ нагрузок. Мы рекомендуем для офисных компьютеров принять установленную полную мощность 250ВА / 175Вт, а для ноутбуков на уровне 150ВА / 105Вт. Многие будут не согласны и могут отметить, что блок питания на 400Вт и еще монитор, да и проектанты принимают 300Вт на рабочее место. Да, все правы, но сделайте электрические замеры потребления офисного компьютера и вы увидите значения близкие к 180ВА / 125Вт. Для графических станций и для игровых компьютеров, конечно, нужно брать большие значения мощности, но не для офисных. Расчетная мощность. Если у вас большое количество работников, тогда необходимо вводить понижающие коэффициенты, учитывающие специфику работы сотрудников. Например, для банковского офиса с 200 сотрудниками, мы можем принять что 10% сотрудников отсутствуют (командировки, болезни, работа с клиентами) и еще 20% присутствуют, но компьютер находится в спящем режиме (занимаются бумажной деятельностью, в переговорной, на обеде и т.д.), таким образом, мы можем определить расчетную мощность. Установленная мощность компьютеров для данного офиса составит 200х250 (175) = 50кВА (35кВт), расчетная мощность компьютеров составит 50 (35) х0,9х0,8 = 36кВА (25,2кВт). Мощность ИБП выбираем по установленной мощности нагрузки, а время резервирования (автономной работы, батарейной поддержки) определяем исходя из расчетной мощности нагрузки. При выборе мощности ИБП следует заблаговременно учитывать запас на перспективу.
Особенности расчета электрической нагрузки серверного оборудования. Современные серверы, системы хранения данных и другое оборудование комплектуются резервными блоками питания. Например, сервер имеет четыре блока питания по 500 Вт. Читаем инструкцию, в которой указано, что для 100% работоспособности сервера достаточно 2-х блоков питания, или указана мощность потребления. То есть для данного случая мощность сервера нужно взять максимум 1000Вт, но никак не 2000Вт. Данная ситуация типична и очень часто Заказчики при самостоятельном расчете значительно завышают мощность ИБП и набора аккумуляторных батарей.

Расчет времени резервирования и выбор комплекта аккумуляторов. Время автономной работы ИБП зависит от величины активной мощности нагрузки, измеряется в ваттах или киловаттах (Вт, кВт) и комплекта аккумуляторов, а именно их количества и емкости. Остальные параметры, такие как производитель ИБП, значение КПД инвертора, производитель АКБ (если параметры соответствуют задекларированным), типа АКБ по назначению (универсальный, высокоразрядный, циклический и т.д.) некритичны, поскольку их суммарное влияние не составит более 10% -15% в полученные результаты. Есть еще один параметр, который может внести значительные коррективы во время автономии — это уставка нижнего уровня напряжения работы аккумуляторов, но мы надеемся, что все производители ИБП заботятся о состоянии АКБ и не занижают его, чтобы преждевременно не потерять комплект АКБ.
Многие Заказчики при выборе оборудования и расчета времени батарейной поддержки ориентируются на маркетинговые брошюры производителей ИБП. Этого ни в коем случае нельзя делать, поскольку время автономии указано для значений полной мощности нагрузки, а значения активной мощности при этом не указаны и не могут быть рассчитаны исходя из имеющейся информации. Именно поэтому, для одинакового комплекта батарей у различных производителей ИБП может быть указано время автономии отличающееся на 200% !!! Например, от 4 мин до 8 мин.
Для Вашего удобства приведем унифицированную таблицу расчетного времени батарейной поддержки ИБП мощностью 1000ВА — 3000ВА в зависимости от комплекта аккумуляторов и величины нагрузки. Эти данные можно использовать для любого производителя ИБП, главное — нужно знать комплект АКБ. Погрешность расчетов в пределах 10%. Коэффициент мощности выберем cos fi 0,8 что характерно для современного наполнения серверной стойки, где присутствуют как компенсированные так и некомпенсированные блоки питания ИТ оборудования.

Комплект АКБМощность нагрузки
500ВА /400Вт1000ВА /800Вт1500ВА /1200Вт2000ВА /1600Вт2500ВА /2000Вт3000ВА /2400Вт
8 х 5Ач28126.63.31.71
10 х 5Ач38169.563.52
2 х 7.2Ач61
3 х 7.2Ач113.61.1
6 х 7.2Ач32137.54.52.11.2
2 х 9Ач8.52
3 х 9Ач156.32.2
4 х 9Ач24105.52.3
6 х 9Ач42181174.72.5
8 х 9Ач5928161186
2 х 12Ач135.21.5

В таблице указаны наиболее типичные внутренние комплекты аккумуляторов ИБП от 1кВАдо 3кВА. Ее можно было-бы продолжить для вариантов использования дополнительных батарейных модулей и ИБП большей мощности, но тогда она будет очень большой и сложной в использовании. Поэтому, если перед Вами встала задача расчета времени батарейной поддержки — обращайтесь к нам.
В последние годы увеличилось количество проектов, где требуется обеспечить автономную работу оборудования в течение длительного времени (от 40 мин до 2-х часов и более). Вопрос решается с помощью дополнительных батарейных модулей. В таких случаях, кроме расчета комплекта батарей, нужно проверять величину зарядного тока и возможность заряда батарей за заданное время. Многие производители уже выпускают ИБП с мощной зарядной платой или дополнительные батарейные модули со встроенными зарядными устройствами.

Время заряда аккумуляторов. Аккумуляторные батареи являются дорогой составляющей систем бесперебойного питания. Они имеют свой плановый срок эксплуатации, в основном от 5-ти до 10-ти лет. Почему же почти все производители ИБП указывают ресурс работы аккумуляторов 3-5 лет? Какие факторы влияют на этот показатель? Конечно, самым критичным является температурный режим работы аккумуляторов, поскольку оптимальным является диапазон температур 18˚С — 22˚С, что не всегда может быть обеспечено на объекте. Повышение температуры на 10° С сокращает срок службы АКБ вдвое. Но существуют и другие не менее важные факторы, такие как ток заряда и разряда. Наиболее щадящим для свинцово-кислотных АКБ является режим заряда за время от 6 до 8 часов. А что мы видим в брошюрах по ИБП? В подавляющем большинстве производителей ИБП указано время заряда батарей от 90 минут до 3 часов. В результате имеем малый срок эксплуатации АКБ, а в случае, когда еще и температура повышена — внутренние повреждения АКБ с деформацией корпуса, раздуванием и тому подобное. Аналогичная ситуация с током разряда, если он превышает 3С, значение тройной емкости АКБ.

Простая рекомендация для выбора комплекта АКБ, которая позволит аккумуляторам полностью отработать свой ресурс: выбирайте ИБП со временем поддержки Вашей нагрузки не менее 10 минут, и временем заряда батарей от 6-ти до 8-ми часов.

Программное обеспечение и мониторинг. Сегодня все более распространенным является использование программного обеспечения для мониторинга и управления ИБП. Существует возможность подключения к локальному компьютеру / серверу или удаленно с помощью WEB / SNMP адаптеров, когда ИБП становится сетевым объектом и соответственно, доступным из любой точки Земли. Почти каждый ИТ специалист или инженер отдела поддержки и эксплуатации пользуется удаленным мониторингом и часто использует СМС-сервис с аварийными оповещениями, чтобы вовремя отреагировать на ситуацию и принять соответствующие меры. Следует заметить, что данные продукты доступны у большинства производителей ИБП. А где же конкуренция? Только ведущие компании уже интегрировали программное обеспечение в облачные технологии, разрабатывают и внедряют удобные инструменты для комплексного мониторинга всех составляющих инженерных систем объектов (кондиционирование, вентиляция, ИБП, блоки распределения нагрузок PDU, электростанции), разрабатывают «умные» программы которые не только собирают информацию, но и прогнозируют ситуации на будущее.

Разработка схемных решений для повышения надежности. Сами по себе ИБП являются высоконадежными устройствами и в 90% случаев полностью удовлетворяют потребности Заказчика, но в некоторых случаях существует необходимость повышения надежности, которая связана с разработкой избыточных схемных решений. Среди таких решений популярен выбор модульных ИБП со схемой N + 1 или N + X резервированием. При выходе одного из модулей или вывода его в ремонт система продолжает защищать нагрузку. Для данных систем существуют единые точки отказов, это общая плата управления (контроллер), общий байпас и совместная батарея, хотя некоторые производители уже используют отдельные комплекты батарей, подключенные к соответствующим силовым модулям, а еще некоторые разрабатывают модульные масштабируемые контролеры. Более надежными являются параллельные системы с конфигурацией ИБП по схемам 1 + 1, 2 + 1, N + 1, N + X, поскольку в них отсутствуют общие узлы и выход из строя или ремонт или обслуживание любой составляющей оставляет систему работоспособной. Наиболее надежными являются системы с конфигурацией 2N, 2N + 1, 2N + X. Данные схемы используются в основном для питания крупных ЦОДов и имеют избыточность по всем составляющим систем электропитания начиная с силовых трансформаторов, распределительных щитов, кабельных линий, ИБП и заканчивая системами распределения нагрузок PDU.
Следует заметить, что описанные решения значительно увеличивают стоимость первоначальных инвестиций но, кроме повышения надежности, предоставляют возможность безопасного обслуживания, ремонта и замены оборудования в процессе эксплуатации.

Послесловие. Надеемся, что данный материал пригодится Вам для разработки самостоятельных или анализа предлагаемых решений с использованием ИБП. Вместе с тем мы советуем обращаться за помощью к опытным специалистам в этой сфере. Инженеры ООО «КМП-ЭЛЕКТРО» готовы предоставить своим Заказчикам полный комплекс консультационных услуг по построению систем бесперебойного питания, включая анализ существующих систем электропитания и нагрузок объекта, разработку схемных решений, выбор типа и мощности ИБП, выбор комплекта аккумуляторных батарей, разработку проектной документации.