Энергетические показатели ИБП переменного тока


Основные понятия и соотношения

Энергетические показатели источников бесперебойного питания (ИБП) характеризуют эффективность использования, эффективность потребления электрической энергии, нагрузочные и перегрузочные характеристики системы.

Коэффициент полезного действия (К.П.Д.) характеризует эффективность использования оборудования и представляет отношение выходной активной мощности к входной:

1172746047_m (1)

Тепловые потери – активная мощность, рассеиваемая оборудованием:

1172746374_m (2)

Полная мощность (S) – характеризует величину загруженности сети оборудованием, равна произведению действующих значений напряжения и тока:

1172746388_m (3)

и определяется тремя составляющими мощности:

1172746401_m (4)

где P – активная мощность (Вт), Q – реактивная мощность (ВАр), Т – мощность искажения (ВА). Для линейных нагрузок имеем Т=0.

Коэффициент мощностир) – характеризует эффективность потребления энергии и представляет отношение активной мощности к полной:

1172746417_m (5)

где φ1 – фазовый сдвиг между первыми гармониками напряжения и тока, Кни – коэффициент нелинейности:

1172746432_m (6)

где I1 – действующее значение первой (основной) гармоники тока, I – действующее значение несинусоидального периодического тока:

1172746443_m (7)

In – действующее значение “n “- гармоники тока, n – порядок высшей гармоники тока.

Энергетический коэффициент – обобщенный показатель эффективности оборудования:

1172746454_m (8)

Коэффициент искажения синусоидальности – характеризует степень отклонения формы периодической кривой тока от синусоидальной.

По определению ГОСТ 13109-97 [1] имеем:

1172746466_m (9)

Без учета гармонических составляющих, значения которых менее 0,1%, допускается расчет коэффициента искажения по следующему выражению:

1172746067_m (10)

Коэффициент нелинейности, влияющий на значение коэффициента мощности, может быть представлен через коэффициенты искажения синусоидальности:

1172746081_m (11)

Коэффициент амплитуды (крест-фактор) представляет отношение амплитудного (пикового) значения тока к действующему:

1172746095_m (12)

Для синусоидальной формы тока имеем 1172746185_m, а при несинусоидальной – 1172746212_m

Коэффициент нагрузки – полная мощность нагрузки, отнесенная к номинальной мощности оборудования:

1172746229_m (13)

Коэффициент передачи полной мощности в нагрузку – отношение предельно допустимой мощности нагрузки к номинальной полной мощности оборудования:

1172746242_m (14)

Нагрузочная характеристика – зависимость коэффициента передачи полной мощности от значения коэффициента мощности нагрузки:

Внешняя характеристика – зависимость выходного напряжения от коэффициента нагрузки при номинальном входном напряжении и заданном коэффициенте мощности нагрузки.

Перегрузочная характеристика – время-токовая зависимость, определяющая способность ИБП выдерживать перегрузку в течение некоторого времени.

Ток короткого замыкания инвертора Iкз– способность инвертора при его внешнем коротком замыкании отдавать ток, кратный номинальному значению выходного тока, в течение определенного времени. Согласно ГОСТ 27699-88 [2] инвертор должен обеспечить Iкз = 2xIном в течение 0,1 секунды.

Представление ИБП электрическим многополюсником.

Структурная схема ИБП, выполненного по топологии двойного преобразования энергии (см. рис.1), содержит три основные цепи преобразования энергии от внешних источников к нагрузке:

  • цепь двойного преобразования энергии от сети (Uвх1);
  • цепь BYPASS, обеспечивающая прямую передачу энергии от вспомогательного источника переменного тока к нагрузке (Uвх2);
  • цепь преобразования энергии источника постоянного тока – аккумуляторной батареи (Uвх3).

Передача энергии в нагрузку одновременно разрешена только по одному из входов ИБП.

Структурная схема ИБП с двойным преобразованием

Рис.1 Структурная схема ИБП с двойным преобразованием

В-ККМ – выпрямитель и корректор коэффициента мощности,
ИНВ – инвертор, ППН – преобразователь постоянного напряжения.

В зависимости от мощности ИБП, в структуре может присутствовать преобразователь постоянного напряжения ППН1 или ППН2.

Назначение ППН в структуре ИБП – поднять до определенного уровня напряжение от аккумуляторной батареи (ППН1) и стабилизировать напряжение питания инвертора, одновременно выполняя функцию ККМ (ППН2).

На рисунке 1 условно не обозначен блок зарядного устройства (ЗУ). Последний может быть реализован либо модулем AC/DC, подключенным ко входу Uвх1, либо модулем DC/DC, подключенным к шине питания инвертора, либо использован заряд аккумуляторной батареи (АБ) непосредственно от силового выпрямителя ИБП.

Современная топология ИБП с двойным преобразованием энергии рассмотрена в работе [3]. Для обобщения анализа энергетических показателей при разнообразии схемотехнических решений при реализации ИБП воспользуемся его представлением в виде электрического многополюсника (см. рис.2), свойства которого можно описать семейством характеристик: выходных, входных и переходных (системных).

Представление ИБП многополюсником

Рис.2 Представление ИБП многополюсником

Входы 1-1′, 2-2′ и выход 4-4′ могут быть однофазными или трехфазными, в зависимости от фазности ИБП. Для ИБП 1/1 (однофазный вход – однофазный выход) входы и выход – однофазные. Для ИБП 3/1 (трехфазный вход – однофазный выход) вход 1-1′ – трехфазный, вход 2-2′ и выход – однофазные. Для ИБП 3/3 (трехфазный вход – трехфазный выход) все входы и выход – трехфазные.

Входы 1-1′, 2-2′ могут питаться от общей сети или от двух независимых источников переменного тока. Вход 1-1′ и выход 4-4′ необратимы, что соответствует невозможности осуществления режима рекуперации энергии из нагрузки в сеть. Коэффициенты мощности по входу и выходу в общем случае различны.

Вход 2-2′ и выход 4-4′ – обратимы, т.к. цепь Bypass представляет собой двунаправленную связь источника с нагрузкой, что позволяет осуществлять режим рекуперации энергии.

Вход 3-3′ (АБ) используется только при недопустимых отклонениях напряжений на входах 1-1′ и 2-2′.

Рассмотрим особенности характеристик ИБП с двойным преобразованием энергии и показатели его эффективности.

Выходные характеристики ИБП

Номинальная полная выходная мощность (Sвых.ном) – предельная полная мощность, которую инвертор может отдать в линейную нагрузку с коэффициентом мощности (Крн), равным выходному коэффициенту мощности ИБП (Крвых) при стандартных условиях эксплуатации ИБП (температура, влажность, высотность).Наиболее распространен среди производителей ИБП с двойным преобразованием энергии следующий ряд номинальных мощностей:

  • для однофазных ИБП : 1, (1,5) 3, 6, 10, (15) кВА;
  • для ИБП с трехфазным входом и однофазным выходом: 10, 15, 20 кВА;
  • для трехфазных ИБП: 10, (15), 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800 кВА.

Выходной коэффициент мощностирвых), указанный производителем, соответствует тому значению коэффициента мощности нагрузки, при котором обеспечивается максимальная эффективность потребления нагрузкой электроэнергии от ИБП.

Значения Крвых для современных ИБП с двойным преобразованием приняты в диапазоне от 0,7 (для ИБП мощностью до 10-20 кВА) до 0,8 (для ИБП 30 кВА и более).

Номинальная активная выходная мощностьвых.ном) – максимальная активная мощность, отдаваемая в нагрузку:

1172746284_m (15)

Внешняя характеристика характеризует степень статической точности выходного напряжения ИБП. В общем случае, жесткость внешней характеристики определяется внутренним сопротивлением силовой цепи, включающей выпрямитель, корректор коэффициента мощности, преобразователь постоянного напряжения и инвертор. Однако, в связи со стабилизирующими свойствами ККМ – ППН, обеспечивающими стабильное напряжение питание инвертора, можно считать, что основным параметром, определяющим внешнюю характеристику ИБП, является выходное сопротивление инвертора. Современные инверторы на IGBT-транзисторах с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения обладают низким значением внутреннего сопротивления. По сравнению с силовыми трансформаторами, инвертор обладает внутренним сопротивлением в 5 раз меньше [5], что обеспечивает не только высокую точность стабилизации выходного напряжения (1-2)%, но и низкие значения коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения (менее 3%) при токах в нелинейных нагрузках с коэффициентом амплитуды до 3.

Нагрузочная характеристика представляет нелинейную зависимость коэффициента передачи полной мощности от коэффициента мощности нагрузки. Значение коэффициента передачи полной мощности в нагрузку достигает 100% при равенстве коэффициента мощности линейной нагрузки индуктивного характера выходному коэффициенту мощности ИБП.

На рисунке 3 приведены нагрузочные характеристики при различных типах линейной нагрузки RL, RC и нелинейной нагрузки RCD. При чисто активной нагрузке коэффициент передачи мощности соответствует значению Крвых 100%.

Нагрузочные характеристики ИБП

Рис.3 Нагрузочные характеристики ИБП

При нелинейной нагрузке коэффициент передачи мощности снижается. Наиболее распространены однофазные нелинейные нагрузки типа RCD – неуправляемые выпрямители с емкостным фильтром. Коэффициент амплитуды тока такой нагрузки достигает 2,5 – 3 при коэффициенте мощности 0,7 – 0,6.

На рисунке 4 приведены зависимости коэффициента мощности и коэффициента амплитуды RCD-нагрузки в функции длительности импульса тока на полупериоде сетевого напряжения [4].

Зависимости Кр и Ка от длительности импульса тока в RCD-нагрузке

Рис.4 Зависимости Кр и Ка от длительности импульса тока в RCD-нагрузке

При работе ИБП на разнотипные нагрузки за эквивалентную нелинейную нагрузку принимают сумму нагрузок: 50% – RL – линейная нагрузка с Крн=0,8 и 50% – RCD – нагрузка – неуправляемый выпрямитель с емкостью фильтра 2,5 мкФ/Вт. Коэффициент передачи мощности в нелинейную нагрузку при токе с коэффициентом амплитуды Ка=3 не превышает значения Кs=70 – 80%.

Перегрузочные характеристики ИБП и ток короткого замыкания инвертора

Различают перегрузочные способности инвертора и цепи Bypass. При значительных и длительных перегрузках ИБП переходит в режим автоматического Bypass, отличающийся большой перегрузочной способностью. Однако, современные инверторы на IGBT-транзисторах с ШИМ регулированием обладают так же достаточно высокими перегрузочными характеристиками и значениями токов короткого замыкания (Iкз), достигающими 300% номинального выходного тока. При перегрузках, не превышающих 5-10% номинальной мощности, ИБП могут работать в инверторном режиме длительное время, не переходя в режим автоматического Bypass. На рисунке 5 приведены типичные перегрузочные характеристики ИБП. Следует иметь в виду, что количественные показатели приведенных время-токовых зависимостей могут отличаться для разных моделей ИБП различных производителей. Знание перегрузочных характеристик позволяет оптимально выбирать необходимую номинальную мощность ИБП для нагрузок, обладающих большими пусковыми токами, исключая низкий коэффициент загрузки ИБП в статическом режиме при номинальных токах нагрузки.

На рисунке 5 обозначены допустимые области работы ИБП: 1- в инверторном режиме, 2 – в режиме автоматического Bypass, 3 – область отключенного ИБП.

Перегрузочные характеристики ИБП

Рис.5 Перегрузочные характеристики ИБП

Вопрос ограничения тока инвертора в режиме перегрузки является важным в понимании перегрузочных свойств ИБП. При росте тока нагрузки свыше номинального значения инвертор переходит в режим генератора тока, ограничивая максимальное значение тока на определенной величине Iогр.

Экспериментально показано [6]: для того, чтобы искажение синусоидальности выходного напряжения не превышало 5%, необходимо устанавливать порог ограничения максимального (амплитудного) значения выходного тока в 1,5 раза больше амплитудной величины номинального тока инвертора при линейной нагрузке:

1172746303_m (16)

Соответственно, коэффициент амплитуды тока ограничения будет:

1172746314_m (17)

На рисунке 6 приведены кривые выходного напряжения и тока инвертора с номинальной мощностью 5 кВА при работе на нелинейную нагрузку типа RCD при различных значениях тока нагрузки. Инвертор с ШИМ регулированием выходного напряжения способен реагировать на изменения тока нагрузки, ограничивая его по амплитуде. При этом происходит увеличение длительности импульса тока на полупериоде выходного напряжения. (см. рис.6 б,в,г).

Кривые изменения напряжения и тока инвертора при RCD нагрузке

Кривые изменения напряжения и тока инвертора при RCD нагрузке

Рис.6 Кривые изменения напряжения и тока инвертора при RCD нагрузке

В таблицу 1 сведены электрические параметры, характеризующие режимы работы инвертора в соответствии с кривыми напряжения и тока на рисунке 6.

Таблица 1
Параметры Рис.6а Рис.6б Рис.6в Рис.6г
Действующее значение выходного напряжения, Uвых, В 220 220 220 220
Действующее значение выходного тока, Iвых, А 11 20 24 29
Коэф. мощности нагрузки, Крн 0,61 0,69 0,79 0,82
Коэф. амплитуды тока, Ка 3,6 2,4 2 1,64
Коэф. искажения синусоидальности выходного напряжения, Ки, % 2,7 3 5 10
Полная выходная мощность, Sвых, кВА 2,4 4,4 5,2 6,3
Активная выходная мощность, Рвых, кВт 1,5 3 4,17 5,2

Как видно из примера, инвертор с номинальной мощностью 5 кВА способен отдать 4 кВт активной мощности в RCD нагрузку с искажением синусоидальности выходного напряжения не более 5%. Таким образом, выходной коэффициент мощности такого инвертора равен Крвых=0,8.

Входные характеристики ИБП

Номинальная входная полная мощность (Sвх.ном) – полная мощность, загружающая сеть при 100% коэффициенте нагрузки и стандартных условиях эксплуатации. Различают входную мощность, потребляемую при заряженной аккумуляторной батарее (Sвх.мин), и мощность при форсированном заряде батареи (Sвх.макс), превышающую первое значение на 25-30%, в зависимости от величины емкости батареи и степени ее разряженности. Например, для ИБП с номинальной выходной мощностью 30 кВА и входным коэффициентом мощности 0.8, имеем Sвх.мин=32,8 кВА и Sвх.макс=41 кВА.

Номинальная входная активная мощностьвх.ном) – характеризует энергопотребление на входе ИБП при номинальной нагрузке:

1172746330_m (18)

Входной коэффициент мощностирвх) – характеризует соотношение между полной и активной входной мощностью при номинальной нагрузке и определяется выражением (5). Значения Крвхдля различных моделей и мощностей ИБП могут изменяться от 0,8 до 0,99. Чем больше значение Крвх, тем ниже искажение синусоидальности входного тока. При этом входное сопротивление ИБП по отношению к сети будет чисто активным. Наиболее высокое значение Крвх=0,99 достигнуто в ИБП модели Galaxy 3000 производства MGE UPS Systems, за счет использования в структуре ИБП корректора коэффициента мощности на основе двунаправленного управляемого выпрямителя на IGBT транзисторах с ШИМ регулированием [7].

Максимальный входной ток – параметр, определяющий выбор внешнего автомата защиты ИБП. Величина максимального тока определяется при 100% коэффициенте нагрузки, минимальном входном напряжении в режиме форсированного заряда батареи:

1172746357_m (19)

Переходные характеристики ИБП

В технических данных производителей ИБП эти характеристики носят название системных или вход – выход. К ним относятся такие параметры, как К.П.Д., энергетический коэффициент, и временные характеристики автономной работы ИБП.

Коэффициент полезного действия и тепловые потери

К.П.Д. характеризует эффективность использования ИБП и представляет отношение выходной активной мощности, потребляемой нагрузкой, к входной активной мощности, потребляемой ИБП из сети. Потери активной мощности (тепловые потери) в ИБП характеризуются рядом составляющих:

1172746482_m (20)

∆Pхх – постоянная составляющая потерь (потери холостого хода ИБП) не зависит от коэффициента нагрузки и определяется энергией, необходимой для обслуживания системы управления силовых узлов ИБП, питания вентиляторов охлаждения ИБП и других вспомогательных блоков. Для ИБП малой и средней мощности 1 – 10 кВА потери х.х. составляют 20 – 30% от общих потерь. С ростом мощности ИБП относительная доля потерь х.х. снижается.

∆Pсц – переменная составляющая потерь, зависящая от коэффициента нагрузки.

1172746497_m (21)

∆P1 – потери в силовой цепи выпрямителя,

∆P2 – потери в силовой цепи корректора коэффициента мощности,

∆P3 – потери в силовой цепи преобразователя постоянного напряжения,

∆P4 – потери в силовой цепи инвертора.

Технические данные производителей ИБП содержат значения К.П.Д. отдельных силовых узлов ИБП (в основном выпрямителя и инвертора) и значения общего (системного) К.П.Д. ИБП, составляющие 85-88% для ИБП малой мощности и 90-94% для ИБП средней и большой мощности;

∆Pдоп – дополнительные потери на заряд аккумуляторной батареи, являющиеся переменными во времени и зависящие от степени разряженности батареи и ее емкости. Наибольшие дополнительные потери возникают при форсированном заряде батареи. Например, потери при номинальной нагрузке в ИБП мощностью 30 кВА составляют: 2,8 кВт – при форсированном режиме заряда батареи и 2,2 кВт – при заряженной батарее.

Временные характеристики автономной работы ИБП показывают предельные времена работы ИБП от энергии аккумуляторных батарей при отсутствии или недопустимых отклонениях сети в зависимости от коэффициента нагрузки ИБП. На рисунке 7 представлены временные характеристики для различной энергоемкости батарей (Ач), используемых в ИБП. Значительное увеличение времени резерва достигается внешним подключением дополнительных аккумуляторных модулей к ИБП. [8]. Следует обратить внимание на нелинейную зависимость временных характеристик от значения коэффициента нагрузки.

Временные характеристики автономной работы ИБП

Рис.7 Временные характеристики автономной работы ИБП

Энергетический коэффициент – определяет соотношение потребляемой ИБП и отдаваемой в нагрузку полных мощностей. По определению (8):

1172746454_m (1)

Если выполняется условие Кэ ≥ Крн, то ИБП потребляет из сети полную мощность равную или меньше, чем ИБП отдает в нагрузку:

1172746509_m (22)

Данное положение распространяется на ИБП с высоким входным коэффициентом мощности при работе на нелинейные нагрузки с низким коэффициентом мощности. Это явление объясняется тем, что при нелинейной нагрузке ток реактивной мощности и высокочастотные гармоники тока мощности искажения замыкаются в контуре инвертор – нагрузка и не проявляется во входной цепи ИБП.

Можно показать, что при заданном коэффициенте мощности нагрузки Крн и К.П.Д. ИБП, активная мощность на входе ИБП будет составлять:

1172746523_m (23)

Полная мощность на входе ИБП будет определяться входным коэффициентом мощности ИБП:

1172746540_m (24)

При условии Uвх = Uвых, имеем:

1172746552_m (25)

Рассмотрим пример использования ИБП со следующими показателями: Крвх = 0,95, К.П.Д. = 90%, при работе на нелинейную нагрузку с коэффициентом мощности Крн = 0,63.

Из соотношения (23) имеем: Iвх = 0,74 Iвых.

Уменьшение действующего значения входного тока ИБП относительно выходного тока приводит к снижению загруженности сети, по сравнению с тем случаем, когда нагрузка подключена к сети напрямую. Это означает меньшее рассеяние мощности в линии электропередачи и понижающем силовом трансформаторе. Так как потери мощности пропорциональны квадрату тока, то потери мощности в линиях электропередачи с использованием ИБП в нашем примере составят 54% от потерь при питании той же нагрузки от сети без ИБП. Это обстоятельство особо важно при наличии, так называемых, “мягких” линий электропередачи.

Таким образом, энергетический коэффициент является одним из важнейших показателей, определяющих целесообразность применения ИБП с двойным преобразованием энергии не только для обеспечения бесперебойного электропитания нагрузки при пропадании или искажении сети, но и для оптимизации энергопотребления при нагрузках с низким коэффициентом мощности.

Климов В.П., Климова С.Р.

Литература

  1. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
  2. ГОСТ 27699-88 Системы бесперебойного питания приемников переменного тока. Общие технические условия.
  3. Климов В.П., Портнов А.А., Зуенко В.В. Топологии источников бесперебойного питания переменного тока, Электронные компоненты, №7, 2003.
  4. Климов В.П., Смирнов В.Н. Коэффициент мощности однофазного бестрансформаторного импульсного источника питания
    // Практическая силовая электроника, 2002г., вып. 5, стр.21-23.
  5. UPS and Power Protection Solution.Design Guide, MGE UPS Systems, MGE 159,1998.
  6. Jean N. Fiorina Inverters and Harmonics, MGE UPS Systems, MGE 159, 1993.
  7. Galaxy 3000,MGE UPS Systems, MGE 331, 2000.
  8. Климов В.П. Тенденции развития UPS, Банковские системы и оборудование, №3, 1994.

Статья опубликована в журнале “Электронные компоненты” N4 за 2004 год

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *