Многомодульный принцип построения однофазных ИБП

(Обзор современной технологий UPS-строения)

1. Многомодульный ИБП – современная тенденция развития систем бесперебойного питания

Современной тенденцией построения однофазных источников бесперебойного питания (ИБП) среди мировых производителей становится модульный принцип, обеспечивающий наиболее отказоустойчивые и наращиваемые по мощности системы бесперебойного электропитания [ 1, 2, 3 ].

Модульный принцип построения ИБП широко используется многие годы в системах постоянного тока. В основе таких систем заложено параллельное включение выпрямительных модулей на общую выходную шину, что обеспечивает необходимое резервирование системы по принципу “n + x” и возможность наращивания мощности системы при необходимости увеличения числа потребителей. Равномерное токораспределение между модулями обеспечивается согласованием их выходных характеристик : номинала напряжения и внутреннего сопротивления.

В последнее десятилетие получило распространение параллельное включение по выходу однофазных инверторов мощностью 1 – 3 кВА с использованием независимого принципа синхронизации системы от любого из инверторов, включенных в нее (рис.1.) [ 4 ].

Рис. 1. Параллельное включение инверторов

Число модулей, параллельно подключаемых к нагрузке, может достигать 16 штук. Информационная связь между модулями осуществляется по цифровой шине. После подключения очередного модуля, происходит тестирование его состояния, и при исправности системы, он автоматически определяется остальными подключенными к нагрузке модулями, что приводит к соответствующему перераспределению тока нагрузки. При возникновении сбоя в работе одного из модулей, он автоматически отключается от шины нагрузки, что позволяет изолировать поврежденный инвертор без отключения нагрузки от остальных модулей.

Определенные технические трудности осуществления параллельной работы ИБП переменного тока сдерживали развитие многомодульного принципа построения систем бесперебойного питания. В конце 80-х годов нашли применение однофазные системы переменного тока, содержащие параллельно включенные по входу и выходу до 6-ти одномодульных ИБП мощностью 1 – 3 кВА каждый, управляемые по подчиненному принципу ” Master – Slave” [ 3 ]. При этом способе управления отсутствовало резервирование “ведущего” ИБП, который осуществлял синхронизацию “ведомых” ИБП (рис. 2). Кроме того требовалось использование общего блока коммутации и равномерного распределения тока нагрузки “Parallel Kit”. Все это снижало отказоустойчивость системы в целом.

Рис.2. Подчиненное управление многомодульного ИБП

Одним из первых производителей, вышедших на рынок многомодульных однофазных систем переменного тока была компания American Power Сonversion Corp. (APC), c ИБП модели ” Symmetra ” [ 5 ]. В настоящее время на российском рынке представлен ряд мировых производителей многомодульных однофазных ИБП (см. таблицу 1).

Таблица 1. Диапазон входных напряжений и мощность силовых модулей
ИБП различных производителей

N	Производитель	Модель ИБП	Мощность силового модуля, кВА	Максимальное кол-во силовых модулей, шт.	Диапазон входного напряжения, В (% нагрузки )
1	APC	Symmetra	4	4	155 – 276 (% нагрузки н/д)
2	Invensys	Powerware 9170	3	6	176 – 276 (% нагрузки н/д)
3	Liebert	Nfinity	4	4 (6)	170 – 276 (100% нагрузки) 144 – 276 (60% нагрузки)
4	Socomec-Sicon	Modulys	1,5; 3; 4,5	4	184 – 276 (100% нагрузки) 161 – 276 (70 % нагрузки)
5	Meta System	Ecoline	1	8	184 – 264 (100% нагрузки) 110 – 264 (50% нагрузки)

Отличительным признаком многомодульной системы является избыточность, обеспечивающая повышенную надежность системы за счет:

• резервных силовых модулей,
• резервных батарейных модулей.

Модули могут оперативно заменяться в ходе работы системы. При неисправности любого модуля происходит автоматическое отключение его, что не нарушает целостности системы. При установке нового модуля происходит самодиагностика его состояния прежде, чем он начинает функционировать в составе системы.

Рассмотрим более подробно состав многомодульного ИБП на примере модели Nfinity производства Liebert [ 6 ].

2. Модель NFINITY (Liebert) – пример построения многомодульного ИБП

Источники бесперебойного питания Nfinity, обладая свойством избыточности, имеют мощность от 4 кВА до 16 кВА с параллельным резервированием N+x для обеспечения надежной защиты нагрузки по питанию. При этом ИБП обладает возможностью расширения времени резерва за счет подключения дополнительных внешних батарей до 2,5 часов при нагрузке 16 кВА и до 10 часов при нагрузке 4 кВА.

Модульный принцип построения ИБП и возможность масштабирования позволяет выбрать систему, которая подходит для современных потребностей и имеет возможность расширения в соответствии с требованиями на будущее – заявляет производитель Liebert.

Конструкция ИБП

ИБП выполняется в двух конструктивных вариантах : с 8 или 12 секциями для установки рабочих модулей. Габариты конструктивов составляют: 508x711x1016 мм для 8-секционного варианта и 508x711x1346 мм для 12- секционного варианта ИБП. В верхней передней части корпуса размещена съемная панель индикации и управления ИБП. В нижней части корпуса находится узел ByPass и разъемы подключения сети и нагрузки. В верхних 4 (6) отсеках при 8 (12) секционном корпусе могут размещаться силовые модули питания. Во всех свободных отсеках (в том числе и верхних) могут размещаться батарейные модули.

Структурная схема ИБП

В состав ИБП входят следующие модули и узлы:

• силовые модули по 4 кВА до 4-х (6-ти) штук,
• батарейные модули 12Вх10= 120В, 7,2 Ач,
• модули системного управления – 2 штуки,
• плата дисплея,
• плата входного фильтра,
• плата автоматического и ручного ByPass,
• плата внутреннего интерфейса,
• выходной трансформатор гальванической развязки нагрузки с сетью (опционально).

Структурная схема ИБП приведена на рис.3. Модули, узлы и платы ИБП связаны шинами входного напряжения, выходного напряжения, постоянного тока и внутреннего интерфейса управления. ПФ – плата фильтров

Рис. 3. Структурная схема многомодульного ИБП
ПБ – плата ByPass, СМ – силовой модуль, БМ – батарейный модуль,
МСУ – модуль системного управления, ПВИ – плата внутреннего интерфейса
ПД – плата дисплея

Режимы работы модулей ИБП

1. Режим двойного преобразования.

Силовые модули обеспечивают регенерацию синусоидального выходного напряжения при потреблении из сети близкого к синусоидальному тока за счет корректора коэффициента мощности силового модуля. Батарейные модули в этом режиме заряжаются зарядными устройствами, расположенными в каждом силовом модуле.

2. Автономный режим.

При отсутствии сети или недопустимом отклонении входного напряжения нагрузка обеспечивается энергией от батарейных модулей через инверторы силовых модулей.

3. Режим ByPass.

При этом режиме обеспечивается альтернативный путь питания нагрузки напрямую от сети:

• автоматически – в пусковых режимах, при перегрузках, выходе из строя узлов силового модуля,
• вручную (технический ByPass) – при необходимости выполнения регламентных работ и ремонте.

4. Автозапуск.

После разряда батарейных модулей, автоматическом отключении нагрузки и при восстановлении сети происходит автоматический повторный старт ИБП и подключение нагрузки. При этом пользователь может устанавливать допустимый уровень разряда батарейных модулей и время выдержки перезапуска системы при появлении сетевого напряжения.

5. Зарядный режим.

При отключенной нагрузке и наличии сети система автоматически осуществляет заряд батарейных модулей.

Таблица 2. Технические характеристики ИБП

Параметр	Размер- ность	Номиналы мощностей
Полная мощность	кВА	4	8	12	16
Активная мощность	кВт	2,8	5,6	8,4	11,2
Тепловыделение	кВт	0,31	0,62	0,93	1,24
Диапазон входного напряжения	В	170 – 276 (100% нагрузки) 140 – 276 (60% нагрузки)
Диапазон входной частоты	Гц	40 – 70
Входной коэффициент мощности		> 0,98
Выходное напряжение	В	220/230/240
Статическая точность	%	±3
Динамическая точность (при 100 % набросе и сбросе нагрузки)	%	±7
Время восстановления	мс	96
Коэффициент искажения выходного напряжения	%	< 3 (линейная нагрузка) < 7 (нелинейная нагрузка)
КПД при 100 % нагрузке	%	91
Перегрузочная способность		до 125 % – 10 мин, до 150% – 20 сек., до 200 – 0,25 сек.

3. Состав силового модуля

Силовые модули питания ИБП мощностью 4 кВА выполнены в виде прямоугольного блока, на передней панели которого находятся светодиодные индикаторы состояния блока и вентилятор охлаждения блока. Блок-схема силового модуля приведена на рис. 4. В состав модуля входят три платы, содержащие: выпрямитель, корректор коэффициента мощности (ККМ), инвертор (ИНВ), зарядное устройство (ЗУ), вторичный источник питания (ВИП) и систему управления (СУ) силового модуля.

Рис. 4. Блок-схема силового модуля

ВПР – выпрямитель, ККМ – корректор коэффициента мощности,
ИНВ – инвертор, ЗУ – зарядное устройство, ВИП – вторичный источник питания,
СУ – система управления, ВНТ – вентилятор

При установке модуля в корпус ИБП он подсоединяется 12-ти выводными разъемом к шинам входного напряжения и выходного напряжения переменного тока и шине постоянного тока. Разъемом с 34-мя выводами модуль подключается к шине управляющих и измерительных сигналов. Возможны варианты однофазного и трехфазного сетевого питания. Допустимое окно входного напряжения без перехода на автономный режим в однофазном варианте составляет 140 – 276 В (при 60% нагрузке). Принципиальная схема силового модуля приведена на рис.5. Рассмотрим каждый из узлов силового модуля в отдельности.

Рис. 5. Принципиальная схема силового модуля

Выпрямитель и корректор коэффициента мощности силового модуля

Однофазный вариант силового модуля ИБП содержит два силовых диода D1, D2 (рис 5), образующих схему удвоения выпрямленного напряжения. Корректор коэффициента мощности (ККМ) состоит из двух независимо управляемых однотактных повышающих напряжение преобразователей (бустеров ). ККМ обеспечивает постоянство поддержания напряжения на шинах постоянного тока + 400 В, – 400 В относительно нейтрали при любом допустимом напряжении сети или батареи. Бустер положительного напряжения содержит дроссель L1, транзистор G1,диод D3 и емкость С1. Бустер отрицательного напряжения содержит соответственно L2, G2, D4, C2. В течение положительного полупериода сетевого напряжения положительный бустер поддерживает + 400 В на плюсовой шине постоянного тока, а в течение отрицательного полупериода аналогичную функцию выполняет отрицательный бустер, поддерживая – 400 В на отрицательной шине постоянного тока силового модуля.

Управление силовыми транзисторами бустера осуществляется по принципу широтно-импульсной модуляции на частоте 20 кГц.

Реле К1 обеспечивает питание от батарейного модуля положительного бустера, а реле К2, К3 – питание отрицательного бустера в автономном режиме работы силового модуля. При этом ККМ-бустер функционирует таким образом, что обеспечивает синусоидальную форму входного тока, совпадающего по фазе с входным напряжением. Это позволяет приблизить входной коэффициент мощности к 1 и, тем самым, снизить действующее значение потребляемого тока из сети.

Инвертор силового модуля

Инвертор силового модуля выполнен по полумостовой бестрансформаторной схеме с возможностью установки номинального выходного напряжения 220, 230, 240 В и работы в параллель с инверторами других силовых модулей на общую нагрузку. После установки силового модуля в корпус ИБП инвертор самотестируется прежде чем он будет подключен к общей шине выходного напряжения.

Силовые IGBT транзисторы инвертора подключены последовательно между положительной и отрицательной шинами постоянного тока (+400В, -400В), причем транзисторы G5, G6 всегда находятся во включенном состоянии при нормальной работе инвертора и закрываются только при его неисправности. Это обеспечивает отключение неисправного инвертора от других исправных инверторов силовых модулей, работающих в составе ИБП. Дополнительный выходной предохранитель инвертора срабатывает тогда, когда цепь управления инвертором не будет способна предотвратить его перегрузку. Силовые транзисторы G3, G4 управляются широтно-импульсными сигналами с частотой 20 кГц, не синхронизированной с частотой коммутации транзисторов ККМ. На выходе инвертора подключен фильтр L3-C3, обеспечивающий выделение выходного синусоидального напряжения частотой 50 Гц.

Зарядное устройство силового модуля

Узел зарядного устройства силового модуля, осуществляющий заряд аккумуляторных батарей при работе ИБП в сетевом режиме, подключен к шинам постоянного тока (+ 400 В, – 400 В). Зарядное устройство (ЗУ) выполнено по схеме мостового двухтактного преобразователя с температурной компенсацией выходного напряжения в пределах 120 – 150 В. Зарядное устройство может работать в двух режимах: в режиме стабилизации тока заряда до 3,2 А или в режиме стабилизации напряжения при достижении определенного уровня заряда аккумуляторов. Выходное напряжение ЗУ контролируется микроконтроллером системы управления силового модуля (СУ) и автоматически корректируется при росте нагрузки, позволяя обеспечить равномерное распределение тока заряда между зарядными устройствами других силовых модулей, подключенных к общей шине постоянного тока ±120 В. Цепи управления ЗУ, контролируемые микроконтроллером, обеспечивают его защиту при различных неисправностях узлов модуля и повышенных напряжениях.

Вторичный источник питания силового модуля

Вторичный источник питания (ВИП) в составе силового модуля формирует напряжение ±12 В для питания встроенной систему управления модуля и вентилятором охлаждения модуля. ВИП начинает работать по сигналу + 12 В, поступающего от модуля системного управления ИБП, с задержкой на время заряда емкостей шин постоянного тока. При этом питание ВИП происходит только с положительной шины постоянного тока модуля + 400 В. Если ВИП выходит из строя, то управление всеми цепями силового модуля прекращается и коммуникация с этим модулем становится невозможна.

Система управления силового модуля

Узел системы управления (СУ) силового модуля содержит микроконтроллер для управления аналоговыми и цифровыми цепями других узлов этого модуля. Аналоговые цепи используются для определения уровня и качества напряжения сети, батарей, напряжения на шинах постоянного тока (±400 В), проверки состояния реле и измерения тока.

Микроконтроллер оценивает различные параметры силового модуля и передает сообщения в модуль системного управления ИБП, а также управляет состоянием светодиодного индикатора модуля. Зеленый светодиод мигает с частотой 1 Гц, указывая на нормальную работу силового модуля. Желтый светодиод питается сигналом + 12 В от модуля системного управления ИБП и загорается, если в силовом модуле возникла неисправность.

4. Батарейный модуль ИБП.

Батарейный модуль содержит 10 штук последовательно соединенных герметичных аккумуляторов 12 В, 7,2 Ач каждый, расположенные в прямоугольном пластиковом корпусе, на передней панели которого расположены два светодиода, оповещающие о нормальном состоянии модуля или его неисправности. Встроенная система контроля батарейного модуля осуществляет измерение температуры модуля, измерение зарядного и разрядного тока, анализирует состояние предохранителя (5 А), контактов выходного реле и управляет светодиодными индикаторами модуля. Питание системы осуществляется как от собственных батарей, так и от общей шины постоянного тока ИБП. Блок-схема батарейного модуля приведена на рис.6 . Для диагностики состояния батарей шина батарейного модуля разделена на две секции по 60 В, что позволяет с большей точностью определять неисправные аккумуляторы при их тестировании. Измеренные параметры передаются по шине интерфейса ИБП в модуль системного управления.

Рис. 6. Блок-схема Батарейного модуля

СКМ – система контроля и мониторинга, ВИП – вторичный источник питания,
ТД – термодатчик, СДИ – светодиодный индикатор

Батарейный модуль содержит интеллектуальную схему анализа состояния аккумуляторов, которая отключает модуль в случае обнаружения неисправности, исключая влияние дефектного модуля на параметры других батарейных модулей.

При тестировании напряжения аккумуляторных батарей измеряется уровень всех аккумуляторов и каждой секции в отдельности. Если отклонение в напряжении секций превышает 2 В, поступает сигнал тревоги.

При тестировании тока измеряются токи разряда и заряда каждой секции. При неисправном аккумуляторе в одной из секций измерение показывает вместо тока разряда зарядный ток.

Тест по измерению температуры используется для обеспечения компенсации зарядного тока, а также для дополнительного выявления дефектных аккумуляторов, если один из батарейных модулей показывает более высокую температуру.

5. Модуль системного управления ИБП

Модуль системного управления (МСУ) ИБП является основой алгоритма работы системы. Он предназначен для получения и обработки информации о состоянии (мониторинг) модулей ИБП и работает совместно с пользовательским интерфейсом, дисплеем. МСУ выполнен в виде прямоугольного блока, на передней панели которого находятся светодиодные индикаторы состояния модуля, и размещается в верхней части корпуса ИБП. ИБП содержит два МСУ: основной и резервный. Резервный МСУ, образуя спаренную систему управления, обеспечивает полную функциональность системы при выходе из строя основного модуля системного управления.

6. Плата дисплея и управления ИБП

Плата дисплея и управления предназначена для отображения информации о состоянии ИБП, питающей сети и устанавливать пользовательские параметры ИБП. Съемная панель выполнена на основе двухстрочного ЖК дисплея и светодиодных индикаторов. Дисплей позволяет пользователю получать информацию о параметрах электрических величин на входе и выходе системы, состоянии аккумуляторных батарей, просматривать журнал регистрации событий, получать инструкции по замене модулей и при необходимости переконфигурировать ИБП в соответствии со специфическими нуждами пользователя. Наряду с традиционной информацией на ЖК дисплее отражается уровень резервирования рабочих модулей.

Панель управления и индикации осуществляет следующую индикацию и мониторинг ИБП:

• питание нагрузки от сети или от батарей, значения полной и активной мощностей, коэффициент мощности;
• резервирование (уровень резервирования модулей);
• состояние батареи: напряжение, емкость, количество, дополнительные батареи, гарантированное время резерва;
• значения входа/выхода (В, А, кВА);
• частота входного/выходного напряжения;
• информация о событиях (наименование сообщения, время, дата, номер сообщения);
• инструкция по замене модулей;
• информационные данные об ИБП (серийный номер, версия ПО).

Кроме этого с панели управления можно устанавливать следующие параметры ИБП:

• значение выходного напряжения 220/230 В;
• пароль доступа;
• автоматическое тестирование батареи с выбором интервала 1 – 6 недель;
• сигнализация о разряде батареи (1 – 30 мин);
• режим автозапуска (вкл./выкл., % восстановлении емкости батареи 10,25,40,60,80 %, время задержки запуска с шагом 10 секунд);
• контрастность экрана дисплея;
• установка даты и времени;
• сигнализация максимальной нагрузки (вкл./выкл., уровень кВА);
• время задержки автоматического отключения ИБП по внешней команде;
• резервирование (вкл./выкл.);
• тестирование ИБП (тест батареи, ЖК дисплея, светодиодов, зуммера);
• внешние батареи (емкость в Ач);
• удаленное аварийное отключение / включение.

7. Плата входного фильтра ИБП

Плата входного фильтра обеспечивает защиту шины входного напряжения от высоковольтных и импульсных сетевых помех, что особенно важно для нагрузки а режиме ByPass. В режиме двойного преобразования энергии входной фильтр исключает импульсные сетевые перенапряжения на диодах выпрямителя и силовых транзисторах корректора коэффициента мощности силовых модулей ИБП.

8. Плата ByPass ИБП

Автоматический байпас ИБП обеспечивает непрерывное питание нагрузки от входной шины ИБП при возможных перегрузках или режиме перехода ИБП с автономного питания (от батареи) на сетевое. Используя, так называемый, ” интеллектуальный” ByPass, ИБП осуществляет переключение нагрузки с шины выходного напряжения на шину входного напряжения и наоборот в моменты перехода тока нагрузки через нуль. Таким образом, исключаются переходные процессы при коммутации, когда могут возникнуть выбросы напряжения на нагрузке, вызывающие ее повреждение.

9. Коммуникационные средства ИБП

Стандартными средствами являются:

• последовательный порт RS 232;
• сухие контакты (для обеспечения удаленного мониторинга аварийных сообщений);

Дополнительные средства:

• SNMP- адаптер (для непосредственного подключения ИБП к сети Ethernet), позволяет осуществлять мониторинг состояния ИБП через web-browser;
• плата MultiPort 4 (позволяет обеспечить связь ИБП с 4- мя компьютерами для контроля его состояния);
• плата управления внешними батареями с возможностью мониторинга их состояния.

10. Программное обеспечение ИБП

ИБП Nfinity совместим с ПО MultiLink, с помощью которого пользователь может управлять работой системы и отслеживать ее состояние непосредственно со своего рабочего места. В аварийных ситуациях ПО обеспечивает автоматическое завершение работы серверов и других ответственных узлов компьютерной сети, предотвращая потерю данных и нарушение работы сетевых приложений.

11. Особенности многомодульных ИБП других производителей

Известны модификации ИБП моделей Symmetra и Modulys реализующие трехфазный вход и однофазный выход. Резервный модуль системного управления в UPS Symmetra при выходе из строя основного модуля берет на себя только часть функций управления ИБП [ 1 ].

В моделях UPS EcoLine автоматический байпас может настраиваться на 3 уровня чувствительности . Модель EcoLine отличается высоким показателем статической точности поддержания выходного напряжения ±1%.

Перечислим некоторые особенности модели UPS Modulys [ 7 ] :

• каждый силовой модуль имеет собственный автоматический байпас,
• наличие дополнительного интерфейсного порта RS 232/485,
• возможность разделения питания разного типа нагрузок (некритичные нагрузки отключаются от гарантированного питания при наступлении заранее запрограммированных пользователем условий для того, чтобы продлить время резерва от аккумуляторных батарей для критичных нагрузок).

Климов В.П., Кулашова А.В., Синяков В.В.

Литература

1. Чепурин И. Электропитание non-stop // Сети и системы связи, №14, 2001, стр.94-98.
2. Левич А.П. Перспективные направления развития ИБП // Электросистемы, №1(5),2002,стр.8-9.
3. Климов В.П. Тенденции развития UPS // Банковские системы и оборудование, №3, 1994, стр.40-46.