Источники бесперебойного питания 220 В

06-01-2013

Очень часто в составе систем безопасности используется аппаратура с питанием 220 В. Как правил, это компьютеры, мониторы, видеомагнитофоны, некоторые видеокамеры, а иногда и ППК (особенно старые разработки). В этом случае остро стоит вопрос обеспечения бесперебойного питания 220 В.

В большинстве случаев эту задачу пытаются решить путем применения простых компьютерных UPS-ов. К сожалению, анализ показывает, что на сегодняшний день это единственно доступный, но в то же время чрезвычайно неудобный и дорогой способ.

Необходимо понимать, что стандартный компьютерный UPS — это специализированное устройство, которое предназначено, прежде всего, для решения проблем работы компьютерной техники — при своей номинальной мощности запас аккумуляторов в нем на 5-10 минут — время, достаточное чтобы в случае отключения электроэнергии закрыть все программы и уйти на перекур. Плюс UPS защищают от кратковременных пропаданий сети. В результате, чтобы получить время бесперебойной работы не 5 минут, а хотя бы час, надо ставить UPS в десять раз мощнее, т.е. для обеспечения часа работы 100 Вт монитора надо ставить UPS-1000, а это уже не дешевое удовольствие, ибо Вы платите при этом за батареи, но переплачиваете за избыточную мощность выходного инвертора и за специальные схемы сопряжения с компьютером.

Кстати, как только речь заходит о мощности 220 В устройств надо четко понимать, что существуют две единицы измерения мощности — ватты, которые обозначаются Вт (рус.) или W (англ.) и вольт-амперы, которые обозначаются ВА (рус.) или VA (англ.). Не вдаваясь в глубокие подробности, можно сказать, что для большинства применений они отличаются почти в полтора раза:

1 W = 0.71 VA или 1 VA = 1.41 W

Как правило, на UPS-ах указывают значения в Вольт-Амперах. Т.е. чтобы получить значение максимальной мощности в Ваттах, это величину надо поделить на 1,41. При этом мощность потребителя электроэнергии может быть указана в зависимости от типа прибора в любой из двух единиц. Скажем, обычная лампа накаливания имеет номинал в Ваттах. Т.е. лампочку 100 Вт нельзя подключать к UPS-100, а только не менее чем к UPS-150!

Все источники бесперебойного питания 220 В можно классифицировать по двум основным признакам:

по форме выходного напряжения — синус или модифицированный синус (меандр с паузами);
по схемотехнике — офф-лайн или он-лайн.

Синус или меандр?

Большинство потребителей, использующих UPS, даже и не задумываются какова форма выходного напряжения данного прибора. А ведь большинство компьютерных UPS выдают не чистый синус, а так называемый «модифицированный синус». Модифицированный синус, это приближения к синусоидальному сигналу с помощью сигналов «прямоугольной'» формы. Самое грубое, но простое приближение — это меандр — сигнал прямоугольной формы переменной полярности. Причем речь идет о передачи энергетики сигнала, т.е. о равенстве эффективного значения напряжения (площади под кривой напряжения). Как следствие, амплитуды двух сигналов — синуса и меандра отличаются. Чтобы получить Uэфф=220 В меандр должен иметь амплитуду 220 В, а синус имеет амплитуду 311 В.

На практике меандр не применяется, т.к. в момент резкой смены полярности возникают очень неприятные эффекты в аппаратуре. Применяют обычно меандр с паузой, или так называемый «модифицированный синус».

Более дорогие устройства используют более качественные приближения к синусу путем увеличения количества ступенек. На показан следующий уровень приближения. Увеличивая количество ступенек, мы постепенно получим сигнал, практически по своей форме мало отличающийся от синуса.

Чем синус лучше модифицированного синуса?
Существует аппаратура, для которой форма сигнала важна. Прежде всего, это аппаратура, чувствительная к помехам, аппаратура с трансформаторными источниками питания, электродвигатели, компрессоры и т.д. Есть потребители, которые нечувствительны к форме сигнала — это лампы накаливания, простые нагревательные приборы, приборы с бестрансформаторными импульсными источниками питания (компьютеры, современные телевизоры).

Что происходит, когда на трансформаторный источник питания подается модифицированный синус?
Резко снижается КПД трансформатора, в результате чего он начинает перегреваться и может выйти из строя. Кроме того, плохой («китайский») трансформатор начнет давать при работе посторонние звуки. Эта проблема не актуальна, когда мощность трансформатора заведомо существенно выше требуемой, но такие ситуации встречаются только в устройствах с очень малым потреблением (несколько ватт). Начиная с устройств, потребляющих 10 Вт трансформатор, как правило, оптимизирован, и использовать с такими потребителями UPS с модифицированным синусом не рекомендуется. Электродвигатели дают тот же эффект — снижение КПД, перегрев и посторонние звуки.

Не рекомендуют применять модифицированный синус для питания чувствительной аппаратуры (например, медицинской), т.к. модифицированный синус — верный источник помех.

Как определить форму выходного сигнала UPS?
Конечно, прочитав паспорт. Если перед вами Back-UPS — это 100% гарантия что там не чистый синус — можно даже не смотреть паспорт. Если Smart-UPS, то есть некоторая надежда, что на выходе получите синус. Хочу заметить, что при одинаковой выходной мощности, цена преобразователя с синусом на выходе будет как минимум в 2 раза выше! Если выходная форма синусоидальная, то производитель обязательно так и напишет. А фразы типа «квазисинус» или «модифицированный синус»указывают на несинусоидальную форму выходного сигнала. Иногда в паспорте указывается коэффициент гармоник. Если он меньше 8 %, то это почти идеальный синус.

Схемотехника UPS

В основе любого UPS лежит ИНВЕРТОР — это устройство преобразования постоянного низковольтного напряжения в переменное напряжение 220 В.

По схемотехнике «Офф-лайн» выполнены самые простые устройства. Когда сеть есть, они непосредственно передают на выход напряжения сети, а при проблемах с сетью — это не только падение сетевого напряжения ниже нормы, но и превышение нормы (правда, такая функция реализована не во всех устройствах) — переключаются на работу от АКБ. Наиболее типичная блок-схема :

Недостаток подобных устройств — наличие времени переключения и отсутствие стабилизации выходного напряжения при работе от сети.

Время переключения — это время реакции UPS на пропадание (или проблемы) сети. Что бы ни писали производители UPS, это время реально не может быть меньше чем 10 мс — один полупериод 50 Гц сети. В большинстве случаев это время составляет полный период — 20 мс. Я не знаю случаев, когда подобная скорость приводила бы к каким-либо проблемам в работе оборудования. Когда производитель пишет, что время переключения 1 или 2 мс — то это скорость срабатывания коммутатора, но ведь прибору надо«определить» и «принять решение» о том, что напряжение пропало и пора переключаться — а это невозможно сделать за 1 мс ибо подобный анализ привязан к самой длительности периода переменного напряжения. В результате реальная скорость переключения зачастую определяется именно временем анализа состояния сети.

В «он-лайн» устройствах отсутствует проблема переключения, т.к. в них преобразование идет всегда. Устройства, выполненные по подобной схемотехнике, называют еще иногда «кондиционером сети»:

Подобные схемы с двойным преобразованием отличаются высоким качеством выходного напряжения — стабильностью и отсутствием помех, но они существенно дороже в реализации из-за необходимости использовать мощный низковольтный выпрямитель.

Где купить?

С покупкой обычного компьютерного UPS проблем нет — это проще сделать в любой компьютерной фирме. С хорошим мощным инвертором ситуация гораздо сложнее. Если Вам нужно качественный бесперебойник с синусом на выходе и рассчитанный на длительную работу — готовьтесь выложить примерно 1000$ за 1 киловатт мощности (и это без стоимости АКБ!).

Более того, даже по такой цене купить качественный прибор будет довольно непросто — очень мало фирм в России занимаются подобной техникой. Импортные изделия такого уровня имеют очень плохую техническую поддержку в России. Есть неплохие инверторы отечественного производства, но маркетинг оборонных предприятий, выпускающих подобную аппаратуру, делает практически невозможным ее приобретение (это не голословное утверждение — есть печальный опыт).

Хорошо налажено производство и поставки 220 В мощных инверторов, предназначенных для обеспечения питания систем связи, но удовлетворение очень высоких технических требований Минсвязи приводит к тому, что стоит подобная техника достаточно недешево.

А ещё аккумуляторы?

Да, причём стоит прикинуть какие нужны емкости. Скажем, для обеспечения 1 КВт мощности в течение 2-х часов при КПД инвертора 70% и батареи 12 В:

Ток на выходе I = 1000 / 220 = 4,55 А
Ток от АКБ Ia = 4,55 х 220 / 12 / 0,7 = 119 А (!!!) — расчет с учетом КПД инвертора 70 %
Ёмкость батареи для 2-х часов работы C = 119 х 2 / 0,7 = 340 Ач.

Остается добавить, что стоимость такой батареи будет сравнима со стоимостью самого преобразователя, если использовать батареи хорошего качества.

Скажем, обычный (отечественный) автомобильный аккумулятор 65 Ач стоит примерно 30$. Аккумулятор классом выше — скажем Bosh или Varta обойдется более чем в 2 раза дороже — 70$. А хороший герметичный кислотный аккумулятор такой емкости — 150$.

Вот и получается, что для реализации указанной задачи на герметичных АКБ стоимость батареи составит примерно 340 / 65 х 150 = 785$.

Мы с приятелем вдвоём работали на дизеле…

Как видно из приведённых выше расчётов при увеличении времени бесперебойной работы стоимость АКБ становится весьма ощутимой. Кроме того, время работы всегда конечно. Если Вы заложили 2 часа работы, то если вдруг электроэнергию отключат на 2 часа и 15 минут, ваша работа остановится. Поэтому, для обеспечения длительной автономной работы единственное возможное решение — это генераторы.

Генераторы бывают однофазные и трехфазные, бензиновые или дизельные, с автозапуском или без, со стартером или ручным пуском. Автозапуск обеспечивается наличием на генераторе пусковой батареи, стартера и пусковой автоматики, которая автоматически обеспечивает его запуск при пропадании основного питания. Время запуска — несколько секунд. Ручной запуск — это когда надо «ручку дергать», а генератор со стартером запускается нажатием кнопки.

Чем хороши генераторы:

невысокая стоимость;
огромный выбор по цене, качеству и мощности;
очень длительное время работы (до нескольких суток — только топливо подливай в бак);
хорошее качество выходного напряжения — идеальный синус.

Чем неудобны генераторы:

не обеспечивают бесперебойности питания — требуется время для запуска;
требуют обслуживания и периодического контроля во время работы;
пожароопасны — не могут устанавливаться в обычных помещениях — требуется специальное помещение;
шумят.

Дизельные генераторы примерно в 2 раза дороже бензиновых, но зато в эксплуатации обходятся дешевле. Интересно, что при больших мощностях порядка 300 кВт себестоимость электроэнергии, производимой дизельным генератором приближается к стоимости электроэнергии от РАО ЕЭС! Есть над чем подумать! А использование относительно недавно появившихся газогенераторов дает еще более интересный эффект.

К сожалению, два основных недостатка генераторов — это невозможность обеспечить бесперебойность работы и невозможность его установки в офисном помещении резко ограничивают их применение. Ниже приведена сравнительная таблица UPS и генераторов — плюсы и минусы:

	UPS		ГЕНЕРАТОРЫ
Стоимость прибора	выше	-	ниже	+
Стоимость зависит от времени работы	да	- -	нет	+
Расходы на эксплуатацию	нет	+	есть	-
Необходимость обслуживания	изредка	+	обязательно	-
Специальное помещение	желательно	-	обязательно	- -
Опасность эксплуатации	нет	+	есть	-
Длительность работы в режиме резерва	Ограничена емкостью АКБ	-	Почти не лимитирована	+
Скорость переключения на резерв	Практически отсутствует	+	Зависит от скорости включения генератора – в любом случае неск. секунд	- -

Если нужно длительное время работы и есть возможность организовать специальное помещение — то лучшее решение — генератор — но только в том случае, если нет необходимости в бесперебойности работы нагрузки.
Если время бесперебойной работы невелико, нет возможности оснастить специальное помещение и важна бесперебойность работы — то необходимо применять UPS.

Оптимальное решение, как обычно, посередине. Необходимо резервировать 220 В потребителей доступными компьютерными UPS на небольшое время (5 минут). Скорее всего, это будут компьютеры, видеомагнитофоны, мониторы — при небольшом времени работы даже трансформаторный источник питания выдержит модифицированный синус, и для длительного резервирования использовать генератор. Бензиновый — если обычная длительность работы в режиме резерва невелика или отключения редки, или дизельный — если отключения происходят часто и надолго.

Но при этом надо помнить, что вы должны заботиться, чтобы было топливо, чтобы был ответственный человек за запуск двигателя, что в любой момент инспектор пожарной охраны опечатает ваш генератор если не будет огнетушителя и ящика с песком и т.д. Если вы не хотите иметь всю эту головную боль — покупайте инверторы и хорошие аккумуляторы. Вы заплатите дороже, но один раз решите все проблемы с резервированием.

А еще лучше максимально использовать аппаратуру с низковольтными входами для резервирования.

Выводы:

Оптимальная схема организации гарантированного электроснабжения объекта:
При расчете потребляемой мощности по 220 В приводите все мощности в одни единицы — вольт-амперы. Если мощность какой-либо нагрузки известна вам в ваттах, то умножайте это значение на 1,4.
Помните, что обычный компьютерный UPS будет обеспечивать свою номинальную мощность не более 10 минут.
Всегда анализируйте, необходим ли синус для питания вашей аппаратуры. Нечувствительны к форме питающего напряжения только приборы с импульсным бестрансформаторным источником питания — компьютеры, телевизоры и т.п. Приборы с трансформаторными источниками и с двигателями или компрессорами чувствительны к форме сигнала.
Компьютерный UPS с синусом на выходе стоит вдвое дороже обычного. Фразы в рекламных материалах и паспорте «квазисинус» или «модифицированный синус» означают что это не синус.
Он-лайн источник, или «кондиционер сети» — это лучший вариант для чувствительной аппаратуры, обеспечивающий почти идеальное питание и защиту от сбоев и помех в сети.
Для обеспечения 1 кВт выходной мощности в течение 1 часа нужна АКБ 12 В / 170 Ач. В пересчете на вольт-амперы — для обеспечения 1kВA в течение 1 часа — 12 В / 120 Ач.
Наиболее оптимальная схема организации длительного бесперебойного питания 220 В — это сочетание электронного UPS на аккумуляторах и генератора. Но генератор требует специальных мер по установке и обслуживанию.
Дизельный генератор имеет смысл применять либо для получения больших мощностей, либо длительного или частого резервирования. Для получения мощности до 5 кВт и небольшой длительности и частоты резервирования дешевле бензиновый генератор.
Максимально используйте в системах безопасности аппаратуру с возможностью подключения низковольтного резервного питания.