Качественное бесперебойное питание для котла

1.1. Краткий обзор проблем электропитания

Качественный скачок в индустрии отопления загородных домов сыграло газовое отопление. Основные производители газового оборудования для отопления стали широко применять электронные узлы в своих приборах. В связи с этим некачественное электропитание данных устройств ведет к их преждевременной порче. А полное отсутствие электросети делает невозможной их функционирование.

Согласно результатам исследований, проведенных в США фирмами Ве11 Labs и 1ВМ, в течение месяца в электросети фиксируется около 120 нештатных ситуаций. Наиболее часто встречающиеся сбои питания - это провалы напряжения (85% случаев); возможны также высоковольтные импульсы (7.4%), полное отключение напряжения (4.7%) и слишком большое напряжение (0.7%). В России ситуация выглядит не лучшим образом, отличаясь большим разнообразием. К «стандартному» набору добавились аномалии другого рода, специфичные для отечественных сетей электроснабжения и редкие для стран Запада, - нестабильность частоты, искажения синусоидальной формы напряжения вследствие перегрузок и повышенное напряжение.

В соответствии с ГОСТ 13109-87 изменение напряжения допускаются в пределах ±10%, частоты - ±1 Гц, коэффициента нелинейных искажений - <8%. Необходимо всегда внимательно изучать инструкцию по эксплуатации любого элемента сетевого оборудования и требования производителя к параметрам электрической сети. Если требования производителя оборудования жестче, чем требования ГОСТа, лучше сразу обеспечить требуемый режим работы. Среди основных последствий некачественного электропитания сетевого оборудования можно выделить следующие: временные перебои в работе сети (перерыв в работе оборудовании).

1.2. Способы защиты

В общем случае можно выделить, два основных подхода: организация защиты жизненно важных узлов котла и организация комплексной защиты котла (включая циркуляционные насосы).

В первом случае от аномалий электросети защищается только жизненно важное для функционирования котла оборудование. Часть оборудования остается незащищенной, поэтому при неполадках в сети электропитания, особенно на длительный срок, возможна поломка, связанная с выходом из строя одного или более контура. Тем не менее, перебои в работе незащищенных устройств не вызывают остановки всей системы. (Считается, что такой подход обеспечивает минимально необходимую защиту и в некоторых случаях этого вполне достаточно). На самом деле организация централизованной системы защиты оборудования требует более серьезного подхода. Может сложиться так, что при реализации данной стратегии заказчику придется переделать инфраструктуру сети электроснабжения. Кроме того, затраты на приобретение и подключение одного мощного или нескольких параллельно работающих ИБП могут быть выше, чем в предыдущем случае. Вместе с тем все перечисленные минусы окупаются значительно более высоким уровнем защиты и более низкой совокупной стоимостью владения подобной системой, а также возможностью наращивания мощности и времени резервирования, причем не только за счет установки дополнительных аккумуляторных батарей, но и путем подключения к автономным системам электроснабжения.

1.3. Направления

По мере развития рынка разного вида электроники, требующей бесперебойной работы для функционирования жизненно важных систем комфортного проживания, растет и вероятность финансовых убытков. По данным Information Week в финансовой отрасли один час простоя может обойтись компании в 8,4 млн. долл. Требование круглосуточной работы заставляет использовать все более совершенные методы резервирования. В этом случае ИБП может стать самым слабым звеном во всей системе, поэтому логичное направление дальнейшего развития индустрии ИБП создание резервируемых систем бесперебойного питания, функционирование которых базируется на принципах избыточности и масштабируемости. Перспективное направление в индустрии ИБП, заключается в интеграции ИБП в единую сетевую структуру с возможностью управления или мониторинга параметров системы электропитания из единого технического центра. В настоящее время наиболее востребован удаленный мониторинг через LAN/WEB по протоколам HTTP и SNMP. Все компании связанные с продвижением ИБП отмечают важность этого рынка и считают его одним из приоритетных направлении деятельности.

2.ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИСТОЧНИКА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

На заре появления ИБП, при отсутствии мощных высоковольтных полупроводниковых приборов, ИБП разрабатывались и производились по простой и очевидной схеме, которая получила название «off-line». Структурная схема «off-line» ИБП показана на рисунке 1.

Функционирование такого ИБП достаточно простое. При наличии входного напряжения переключатель в верхнем положении и входное напряжение транслируется на выход. При этом на входе и выходе могут быть установлены различного рода фильтры.

Одновременно с помощью зарядного устройства производится заряд аккумуляторных батарей. Инвертор выключен или работает на холостом ходу.

При пропадании или существенном понижении входного напряжения переключатель автоматически переводится в нижнее положение, и на выход поступает напряжение от инвертора, который потребляет энергию, запасенную в аккумуляторных батареях.

Одним из основных качественных недостатков, отсутствии стабилизации при работе от входного напряжения. Это явление часто вызывает сбои и помехи в работе чувствительной аппаратуры, и крайне нежелательно для потребителя.

В результате попыток устранения отдельных недостатков ИБП «off-line» в дальнейшем начинают появляться различные модификации на основе той же структурной схемы (standby-ferro, standby on-line, line-interactive и др.).

Наиболее интересной и современной сегодня является модификация, получившая название «line-interactive». Структурная схема представлена на рисунке 2.

Пример функционирования устройства аналогичен ранее рассмотренному ИБП «off-line». Однако при работе от входной сети 220 В 50Гц и колебаниях напряжения происходит автоматическое переключение отводов трансформатора бустера и на выходе ИБП поддерживается напряжение с точностью ±10%.

При пропадании напряжения на входе и перехода ИБП на работу от аккумуляторных батарей переключатель переходит в нижнее положение и питание нагрузки происходит выходным напряжением инвертора. При этом напряжение на выходе инвертора имеет синусоидальную форму (на выходе инвертора ИБП off-line — прямоугольная), и оно стабилизировано по величине (точность стабилизации 1 - 3%).

3.ОСНОВНЫЕ ТОПОЛОГИИ ИБП

3.1.Топология Standby (Off-Line)

Несмотря на изобилие различных схемных решений, в индустрии ИБП сложились некоторые типовые схемы построения (топологии) источников бесперебойного питания. На рисунке 3 изображена структурная схема ИБП-off-Line.

ИБП, построенные по данной схеме, нередко называют термином «Off- Line ИБП». В каждый конкретный момент времени он может находиться в одном из 2 режимов работы - Stand-by или On-line. В случае, когда напряжение в сети находится в допустимых пределах (Standby mode), transfer switch переключен на протекание тока нагрузки по цепи «Surge suppressor - Filter». В этом режиме ИБП ничем не отличается от обыкновенного сетевого фильтра. Никакой стабилизации напряжения не происходит. Во время работы в этом режиме также происходит зарядка аккумуляторных батарей ИБП.

В случае выхода напряжения сети за допустимые пределы, transfer switch переключается на питание нагрузки по цепи «Battery - DC/AC inverter» (On-line mode), т.е. от энергии аккумуляторной батареи, преобразуемой инвертором в AC 220V. Так как переключение контактов и запуск инвертора не могут происходить мгновенно, питание нагрузки будет прервано на некоторое время (Transfer Time). Большинство Standby ИБП обеспечивают Transfer Time порядка 4-8 мс.

Особенность данной системы в том, что переключение в On-Line при выходе напряжения сети за допустимые пределы происходит немедленно, а возврат в Standby mode - с обязательной задержкой в несколько секунд. Иначе, при многократных бросках напряжения в сети, происходило бы непрерывное переключение Standby/On-Line и обратно, что привело бы к значительным искажениям тока нагрузки и возможному выходу ее из строя или к сбою в ее работе.

При этом следует учесть, что данная схема обычно не обладает возможностью стабилизации напряжения при работе в Standby mode и, следовательно, переходит в On-Line при каждом отклонении напряжения сети. Разряд аккумуляторной батареи происходит намного быстрее, чем обратный заряд. Мощность battery charger для данной схемы обычно выбирается сравнительно малой, и расхода энергии от батарей во время brownout не компенсирует. Следовательно, для применения в случае низкого качества питающей сети данная топология ИБП малопригодна по двум причинам:

а) При частых переходах в On-Line батарея достаточно быстро разряжается, не успевая восстановить заряд за время Standby mode, в результате чего ИБП теряет способность обеспечить аварийное питание нагрузки в течение требуемого времени;

б) Частое повторение циклов разряд/заряд сокращает срок службы аккумуляторных батарей.

Тем не менее, по данной схеме построены многие широко распространенные дешевые ИБП 2..5-летней давности разработки Para Systems Minute Man A-series, Power Com UPS-600, Sendon UPS-500, Leadman LU-550 и т.п.) с мощностями от 0.2 до 1.5-2 kW.

Примечание: в списке продуктов American Power Conversion недавно появилась новая линия ИБП - Back-UPS AVR, обладающих возможностью ступенчатой стабилизации выходного напряжения (AVR - Automatic Voltage Regulator). Несмотря на название «Back-UPS», она относится к топологии Line- Interactive, а не Standby.

3.2.Топология Line-Interactive (Single Conversion)

В схеме, изображенной на рисунке 4 инвертор всегда подсоединен к выходу ИБП и представляет собой сложный узел, на который возлагается задача стабилизации и фильтрации сетевого напряжения, слежения за его уровнем, контроля заряда батареи при нормальном напряжении сети (в моделях Smart- UPS) и перехода на батарейное питание при аварийных уровнях сетевого напряжения. Благодаря значительному диапазону стабилизации напряжения, эта схема способна работать в нормальном режиме при условиях, когда standby ИБП уже перешел бы на батарейное питание. Это делает данную схему наиболее пригодной для работы в электросети невысокого качества.

American Power Conversion, так расхваливает свои Smart-UPS. На самом деле «задача стабилизации» в них выполняется трансформатором, имеющим обмотку с коммутируемыми отводами, благодаря чему можно ступенчато менять коэффициент трансформации. В остальном принцип действия может не очень значительно отличаться от generic topology - разве что инвертор посложнее, чтобы приблизить выходное напряжение по форме к синусоиде.

Вообще-то Smart подразумевает под собой не только известную по Back Pro топологию line-interactive, но прежде всего более развитую систему команд, позволяющую более качественно и количественно оценивать параметры сети и состояние внутренних узлов ИБП, а также более гибко корректировать отклонения некоторых параметров в процессе работы.

По этой топологии построены многие ИБП среднего ценового класса (BEST Fortress, APC Smart-UPS и Back-UPS Pro, Neuhaus SmartLine и его прототип Fenton Power Pal, Power Com KING и т.п.). Типичный диапазон мощности - от 0.4 до 3kW.

3.3.Топология Standby/On-Line Hybrid

Отбор мощности от Standby DC/DC converter в этой топологии происходит только в случае обнаружения сбоя в питающем сетевом напряжении - в остальное время он может быть либо выключен, либо работать «на холостом ходу».

Battery charger имеет относительно малую мощность, подобно Standby ИБП. В случае нормального сетевого напряжения, оно выпрямляется и фильтруется rectifier, после чего поступает на инвертор, преобразующий его обратно в AC 220V. Преимуществом этой схемы, как и «Double Conversion On- Line», является высокая стабильность выходного напряжения и минимальная длительность переходных процессов при сбоях напряжения в питающей сети. Фирмы-производители нередко декларируют такие ИБП как «On-Line», хотя это не полностью соответствует истине.

На рисунке 5. изображена структурная схема ИБП.

По этой схеме построены, в частности, такие ИБП, как «Unipower» фирмы Unison, «Personal Powerware» фирмы Exide и Powercom ONH-600. Типичный диапазон мощности для ИБП данной топологии - от 0.5 до 5 kW.

3.4.Топология Standby-Ferro

Структурная схема рисунке 6. базируется на специальном трехобмоточном трансформаторе. При нормальном напряжении сети питание через transfer switch попадает на трансформатор, и через него к нагрузке. В случае отказа сети питание нагрузки осуществляется инвертором через другую обмотку, а transfer switch в это время разомкнут.

Инвертор запускается только тогда, когда обнаружен отказ сети и разомкнут transfer switch. Трансформатор в данной схеме работает также, как феррорезонансный стабилизатор напряжения, обеспечивая в ограниченных пределах стабилизацию сетевого напряжения и сглаживание «ступенек», возникающих при работе инвертора.

Полная гальваническая развязка цепей нагрузки от питающей электросети обеспечивает лучшую защиту, чем любой возможный фильтр. Однако, феррорезонансный стабилизатор сам по себе вносит заметные искажения и переходные процессы, которые в некоторых случаях могут оказаться опаснее, чем исходные сбои питающей сети.

Едва ли не единственная серия широко известных ИБП, построенных по такой схеме - «FERRUPS» фирмы Best Power. Типичные мощности - от 0.5 до 18 kW.

3.5.Топология Double-Conversion On-Line ("True On-Line")

На первый взгляд топология ИБП, изображенная на рисунке 7 похожа на Standby, но инвертор в ней работает непрерывно и переключений режима его работы при аварии питающего напряжения сети не происходит. При наличии питающего напряжения в сети мощность, потребляемая инвертором от батареи, полностью компенсируется мощным battery charger. Bypass switch обеспечивает подачу напряжения сети напрямую с входа на выход (в случае аварии инвертора или необходимости замены батарей «на ходу»).

Данная топология применяется в тех случаях, когда защищаемое оборудование очень критично к качеству питающего напряжения. Она обеспечивает наивысшую степень защиты оборудования.

Типичные мощности ИБП, строящихся по данной топологии - от 3-5 до 5000 kW. В то же время существуют и относительно маломощные системы бесперебойного питания (0.7-3 kW). На этом же принципе построены ИБП - например Prestige и Prestige-II фирмы Exide, Constant Power 3 фирмы Online Power, Liebert UPS Itation и др.

3.6.Топология Delta Conversion On-Line

На рисунке 8 показана новая технология построения Line-Interactive ИБП, разработанная и запатентованная компанией Silcon Gro^ (в настоящее время ставшей подразделением American Power Conversion), с использованием двух независимо работающих инверторов. Первый инвертор (delta converter) обычно рассчитан примерно на 20% от выходной мощности ИБП и через трансформатор соединен последовательно с цепью питания нагрузки от электросети. Будучи синхронизированным с электросетью по частоте и фазе, он добавляет или вычитает вырабатываемое им напряжение (delta voltage) к сетевому, тем самым компенсируя отклонения выходного напряжения от номинала.

Кроме того, на delta converter возложены также функции PFC (Power Factor Correction) и управления зарядом батарей. Второй инвертор рассчитан на 100% выходной мощности ИБП и предназначен для питания нагрузки при pаботе от батаpей. Bypass switch, как и в ^едыдущей топологии, обеспечивает непосредственное питание нагрузки от электросети в случае неисправности ИБП или его вpеменного отключения ^и плановом обслуживании.

Продолжение следует....