Анализ коэффициента эффективности СБП постоянного тока российского производства

Назначение систем бесперебойного питания постоянного тока (СБП) – обеспечение бесперебойным, качественным электропитанием потребителей постоянного тока. Главными требованиями к СБП являются высокая надежность и эффективность. Критерием надежности СБП является безотказная работа при сохранении во времени значений установленных эксплуатационных параметров в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям технического обслуживания. Среди эксплуатационных требований к СБП (таких, как: допустимые пределы изменения сетевого напряжения без перехода на автономный режим питания нагрузки от аккумуляторов, коэффициент полезного действия, климатика, электромагнитная совместимость, степень резервирования, статическая и динамическая точность поддержания выходного напряжения и т.п.) в ряде случаев особое значение имеет показатель удельной мощности СБП. Удельная мощность (энергетическая плотность) – отношение максимальной мощности системы к ее объему Р_УД (Вт/дм³). Повышение удельной мощности позволяет сократить габариты используемой системы [1].

Более полным показателем эффективности СБП является коэффициент эффективности, зависящий от удельной мощности и коэффициента полезного действия системы [2]. Полезность оценки коэффициента эффективности объясняется тем, что производитель стремится к такой структуре и конструкции СБП, которые являются компромиссными с точки зрения массо-габаритных и энергетических показателей системы. Однако, и в этом случае не учитываются ряд энергетических параметров, характерных для СБП. Это, в первую очередь, – входной коэффициент мощности К_Р. В связи с этим введем понятие комплексного коэффициента эффективности К_ЭФ СБП, представляющего собой произведение удельной мощности, КПД и коэффициента мощности.

К_ЭФ = Р_УД х КПД х К_Р      ( 1 )

Для ограничения рассматриваемых типономиналов СБП проведем их классификацию. По составу и исполнению СБП можно разделить на:

• моноблочные и многоблочные системы;
• одномодульные и многомодульные системы.

По используемому диапазону мощностей СБП классифицируются как:

• мини-системы (одномодульные) мощностью до 0,5 кВт;
• системы малой мощности (0,6 – 5 кВт);
• системы средней мощности (6 – 16 кВт);
• системы большой мощности более 16 кВт.

Номинальное значение выходного напряжения СБП может быть: 12 В, 24 В, 48 В, 60 В, 110 В и выше. Наиболее распространенный ряд СБП для средств телекоммуникаций является 24, 48, 60 В.

Основные области применения одномодульных мини-систем мощностью до 500 Вт – это обеспечение бесперебойного питания:

• систем ОПС (охранно-пожарной сигнализации);
• систем видеоконтроля и наблюдения;
• систем контроля и управления доступом;
• систем связи малой мощности.

Многомодульные системы бесперебойного питания предназначены для:

• систем телекоммуникаций;
• комплексных систем безопасности;
• систем специального назначения и др.

В состав многомодульного СБП в общем случае входят: выпрямительные модули, батарейные модули, блок коммутации и защиты, блок контроля и управления, блок распределения и защиты нагрузок.

Структурная схема многомодульной СБП приведена на рис.1 со следующими обозначениями:

• ВМ – выпрямительный модуль,
• АБ – аккумуляторная батарея,
• БКЗ – блок коммутации и защиты,
• БКУ – блок контроля и управления,
• БРН – блок распределения нагрузок.

Рис.1 Структурная схема СБП

Многомодульный принцип построения систем бесперебойного питания обеспечивает возможность наращивания мощности системы электропитания путем увеличения числа выпрямительных модулей, повышает надежность системы за счет резервирования “n+1” и дает удобство технического обслуживания без нарушения питания потребителей.

Выпрямительные модули представляют собой преобразователи AC/DC со стабильным выходным напряжением постоянного тока. В качестве аккумуляторов в АБ используются герметичные кислото-свинцовые необслуживаемые аккумуляторы с номинальными напряжениями 2, 6, 12 В, емкость от 2 до 60 Ач и более. Блок коммутации и защиты (БКЗ) обеспечивает надежное подключение выпрямительных модулей к сети и защиту их от возможных перенапряжений и перегрузок. Блок контроля и управления (БКУ) выполняет функции контроллера, панели управления и индикации состояния системы в целом и отдельных ее блоков. Блок распределения нагрузок (БРН) обеспечивает подключение к системе ряда нагрузок и их защиту.

При выборе оптимального типономинала ИБП и необходимого количества и емкости аккумуляторов следует учитывать следующие основные требования к системе электропитания:

• обеспечение необходимой мощности питания нагрузки при возможных кратковременных перегрузках даже в случае выхода из строя одного выпрямительного модуля (при многомодульной структуре с избыточностью n+1).
• обеспечение заданного времени резерва при питании нагрузки от аккумуляторных батарей;
• обеспечение заданного времени заряда аккумуляторных батарей после их разряда (от 20% остаточной емкости до 90%).

КПД современных многомодульных СБП составляет 85% – 92% при номинальной нагрузке. Коэффициент мощности при наличие в структуре выпрямительных модулей корректора коэффициента мощности достигает значений 0,98 – 0,99. При использовании на входе выпрямительного модуля только пассивного фильтра К_р снижается до значения 0,8.

Остановимся на анализе значений комплексного коэффициента эффективности СБП российских производителей, ограничившись системами малого и среднего диапазонов мощностей. Принимая постоянными для всех производителей СБП значения К_Р = 0,98 и КПД равным 90%, имеем следующее выражение для комплексного коэффициента системы.

К_ЭФ = 0,88 Р_УД ( Вт/дм³)      ( 2 )

Таким образом, для сравнительной оценки эффективности СБП достаточно знать ее удельную мощность. В таблице N1 приведены значения удельных мощностей СБП с номинальным выходным напряжением 48/60В шести отечественных производителей, известных на российском рынке. Наличие аккумуляторных отсеков в СБП ряда производителей, достигающих 1/4 – 1/3 объема корпуса, означает, что относительная удельная мощность таких СБП увеличивается на 25% – 50%. При сравнении с СБП зарубежного производства, удельная мощность которых достигает 40% – 75%, можно сделать заключение о соответствие ряда моделей СБП отечественного производства международным стандартам.

Определяющее значение в эффективности СБП имеют выпрямительные модули, относительные удельные мощности которых достигают значений 50 – 150 Вт/дм³. Однако совершенствование выпрямительных модулей не всегда приводит к существенному увеличению удельной мощности системы в целом. Это объясняется тем, что значительная часть объема корпуса СБП занята блоками распределения, коммутации, защиты и т.д. Поэтому, пути повышения эффективности СБП должны быть в направлении использования современных технологий выполнения силовых шин и разъемов коммутации выпрямительных и других модулей, совершенствования блоков распределения и защиты нагрузок, обеспечение необходимого теплового режима работы силовых элементов при ограниченном объеме корпуса СБП.

* – наличие в указанных габаритах корпуса СБП аккумуляторных отсеков (полок).

Климов В.П., Портнов А.А., Синяков В.В.

Литература

1. Конев Ю.И., Полянин К.П. Микроминиатюризация и развитие электротехнических систем
   // Электронная техника в автоматике / под ред. Ю.И.Конева – М.: Радио и связь, 1978, вып.10, с.26-30.
2. Курашов В.И. Сравнительный анализ структурных схем микроэлектронных ИВЭП
   // Электронная техника в автоматике / под ред. Ю.И.Конева – М.: Радио и связь, 1982, вып.13, с.74-83.