Rambler's Top100
Статьи ИКС № 6 2009
Александр Барсков  16 июня 2009

Бережливые ИБП

Еще вчера многие считали, что поскольку в России электричество дешевое, то и забивать голову всякими изысками, связанными с его экономией, не стоит. Сегодня же вопросы экономии выходят на первый план. Все чаще специалисты интересуются способами энергосбережения при использовании ИБП большой мощности, возможностями оптимизации их КПД и целесообразностью применения экономичных режимов.

Наиболее остро вопросы энергосбережения стоят именно при использовании ИБП большой мощности. Почему? Во-первых, чем больше мощность системы бесперебойного электропитания, тем больше киловаттов (а значит, и рублей) сэкономит компания при повышении КПД на каждый процент. Во-вторых, мощные ИБП, как правило, основаны на онлайновой схеме с двойным преобразованием, которая характеризуется значительно большими потерями, чем офлайновая и линейно-интерактивная схемы, применяемые в ИБП малой мощности.

Напомню, что офлайновые ИБП в штатном режиме работы (когда характеристики входного напряжения укладываются в заданные пределы) подключают нагрузку через фильтр непосредственно к внешней электросети. Как только характеристики выходят за допустимые пределы, нагрузка переключается на питание от аккумуляторной батареи. Линейно-интерактивные ИБП отличаются от офлайновых наличием стабилизатора входного напряжения. Он обеспечивает корректировку напряжения в сторону его повышения или понижения и потому гарантирует нормальное питание нагрузки без привлечения батареи при более значительных просадках и всплесках напряжения внешней электросети.

Онлайновые ИБП работают принципиально по-иному: они преобразуют поступающее на вход переменное напряжение в постоянное (это делает выпрямитель), а затем постоянное напряжение – снова в переменное (инвертор). Такое двойное преобразование, с одной стороны, практически полностью ограждает нагрузку от любых искажений, имеющих место во внешней сети, но с другой – снижает КПД.

Несколько процентов до идеала

Последним значимым шагом в области совершенствования элементной базы ИБП, приведшим к существенному увеличению КПД онлайновых систем, стал состоявшийся несколько лет назад переход на IGBT-транзисторы. До этого основные силовые узлы ИБП (выпрямитель и инвертор) строились на базе кремниевых тиристоров. Эти надежные и относительно дешевые полупроводниковые элементы способны работать с большими токами и напряжениями, выдерживая продолжительную нагрузку и импульсные воздействия. Однако они обладают меньшим быстродействием по сравнению с IGBT-транзисторами, а значит, хуже приспособлены к работе с нелинейной нагрузкой. Особенности коммутации тиристоров таковы, что они очень хорошо подходят для построения выпрямителей, но инверторы на тиристорах требуют сложных схем управления для включения и выключения этих элементов. Кроме того, силовые узлы на тиристорах, как правило, более громоздкие и шумные, чем узлы, построенные на IGBT-транзисторах.

На рынке еще представлены старые модели ИБП с тиристорными выпрямителями. КПД таких устройств в среднем находится в диапазоне от 90 до 92%. Что же касается КПД современных систем, построенных на базе IGBT-транзисторов, то он составляет 93–96%. Однако какого-либо дальнейшего его увеличения за счет улучшения схемотехники ИБП в ближайшее время не предвидится.

«До абсолютного (недостижимого!) значения – 100% – осталось не так много: около 4%. Думаю, серьезного прорыва здесь не будет, хотя, несомненно, все производители продолжат борьбу за повышение КПД, ведь высокий КПД – это не только снижение прямых потерь, но и экономия средств, которые тратятся на дополнительное охлаждение источников», – говорит Сергей Щербаков, руководитель системных инженеров московского офиса компании APC by Schneider Electric.

«Сегодня практически все производители ИБП строят свои решения на сходной элементной базе, и каждый элемент имеет собственный КПД. Поэтому “изобрести вечный двигатель” при текущей элементной базе и наработанных схемотехнических решениях или “выдавить” еще пару процентов весьма затруднительно», – считает Олег Соколов, специалист компании Powercom.

При первом взгляде на любой ИБП большой мощности кажется, что софта тут немного, главное – железо. Однако сегодня, когда многие «железные» способы повышения КПД исчерпаны, важнее становится оптимизация программного обеспечения. Константин Соколов из компании «Абитех», представляющей в России ИБП фирмы GE Digital Energy, среди возможностей повышения КПД называет доработку управляющего ПО и повышение эффективности алгоритмов управления. Касаясь же аппаратной части, он отмечает изменение компоновки силового блока современных ИБП, который оптимизируется для улучшения теплового режима. В мощных устройствах начинают применять системы водяного охлаждения транзисторов инвертора, что позволяет сохранить компактность блоков, снизить потери на переключение и уменьшить акустический шум.

Когда загрузка невелика

КПД источников бесперебойного питания зависит от многих факторов, один из основных – уровень загрузки. Понятно, что на практике ИБП почти никогда не загружены на 100%. Источники предыдущих поколений характеризовались существенным снижением КПД при уменьшении уровня загруженности. Ряд последних моделей мощных ИБП ведущих производителей построен таким образом, что КПД достигает максимума при работе в диапазоне загрузки 0,5–0,75 (см. таблицу). Это обеспечивается оптимизацией режимов работы транзисторов инвертора (в основном благодаря применению более совершенных алгоритмов управления) и регулированием производительности различных систем ИБП (снижением скорости вращения вентиляторов охлаждения или их частичным отключением и т.п.).

КПД некоторых ИБП при разной загрузке*, %
Фирма/модель ИБП
Уровень загрузки
0,25
0,5
0,75
1
APC/Galaxy 7000  (250–300 кВА) 93,6 Н/д 94,5 Н/д
Chloride/80-Net  (120 кВА) 94 95 95 95
Eaton/9395 (275 кВА) 93,5 95,0 95,4 95,2
Emerson/Liebert/
Hipulse E (800
кВА)
92,4** 93,5** 93,0** 92,0**
Gamatronic 94 95 95 94,7
GE Digital Energy/SG (300 кВА) Н/д 94,2 93,9 93,3
Socomec/Green Power  (120 кВА) 94,5*** 95,8*** 95,8*** 95,5***
*Данные производителей.

**Минимальное гарантированное значение, соответствующее самой неблагоприятной комбинации случайных факторов.

***Показатели подтверждены TÜV SÜD.


Чем меньше КПД источника зависит от уровня загрузки, тем гибче возможности его применения при сохранении высокой эффективности. Особенно это важно при построении параллельной системы. Как отмечает Андрей Вотановский, технический специалист компании Emerson Network Power/Liebert, для создания максимально эффективной параллельной системы необходимо очень точно выбирать мощности составляющих ее подсистем: чем лучше будет подобрана мощность, тем выше эффективность системы в целом. Он считает, что КПД при изменении загрузки снижается меньше у источников бесперебойного питания, построенных по бестрансформаторной технологии с выпрямителем на IGBT-транзисторах.

Ряд производителей предлагают специальные средства для повышения эффективности работы параллельных систем. Так, например, программный комплекс Argus компании GE Digital Energy позволяет реализовать параллельную систему на базе ИБП серии SitePro или SG с автоматическим отключением ИБП при снижении нагрузки с сохранением заданного уровня резервирования. За данную технологию энергосбережения – IEM (Intelligent Energy Management) – разработчики были удостоены премии ETA от Швейцарского союза по потреблению электроэнергии (Verband Schweizerische Elektrizitatswerke).

Специалисты компании Socomec предлагают для комплексов из нескольких включенных в параллель ИБП режим Energy Saver. При его использовании в каждый конкретный момент времени работают только те ИБП, которые нужны для питания нагрузки, а остальные находятся в режиме ожидания. Когда потребляемая нагрузкой мощность возрастает, необходимый для выдачи дополнительных киловаттов ИБП мгновенно включается в работу. В Socomec считают, что этот режим идеально подходит для нагрузок, подверженных частым изменениям потребляемой мощности.

Еще один вариант, который позволяет добиться высокого КПД системы, – применение модульных ИБП. В этом случае максимальная загрузка ИБП обеспечивается путем поэтапного увеличения числа модулей. Например, как поясняет С. Щербаков из АРС, в модульной системе на 144 кВА в качестве избыточного может служить силовой модуль мощностью 16 кВА – это немногим более 10% мощности системы и не оказывает существенного влияния на КПД. Если же устанавливать в параллель две системы по 144 кВА, то для обеспечения резервирования необходимо, чтобы нагрузка каждой из них составляла порядка 70 кВА – 50% максимальной нагрузки. Если используемые ИБП не гарантируют высокий КПД при такой, половинной, загрузке, то эффективность комплекса существенно снизится.

Экорежим

Большинство современных онлайновых ИБП поддерживают экономичный режим, когда электроэнергия с входа ИБП через электронный байпас поступает непосредственно на выход (в этом случае источник работает фактически по офлайновой схеме). Но на практике его используют довольно редко, опасаясь возможной потери нагрузки при переключении с экорежима в режим двойного преобразования.

По мнению А. Вотановского из Emerson/Liebert, эти опасения во многом преувеличены, но небеспочвенны. Главная их причина – низкое качество питающих сетей, в результате чего ИБП может очень часто переключаться из экорежима в режим двойного преобразования и обратно. Каждое такое переключение связано хотя и с минимальным, но переходным процессом, поэтому многие заказчики отказываются от экономии, чтобы не подвергать ценную нагрузку даже гипотетической опасности. С технической точки зрения блоки питания ИТ-нагрузки, соответствующие европейским стандартам, должны компенсировать столь малые переходные процессы без каких-либо последствий для нагрузки.

При работе в экорежиме ИБП Emerson/Liebert подают питание на нагрузку через статический (электронный) байпас. Пока параметры сети находятся в заданных пределах, сетевое напряжение в этом режиме фильтруется пассивными фильтрами, а аккумуляторные батареи имеют возможность заряжаться. При возникновении каких-либо проблем с питанием источник немедленно возвращается в режим двойного преобразования. Быстрота переключения гарантируется высокоскоростным DSP-процессором, отвечающим за работу системы.

Частое переключение режимов ИБП при сильных колебаниях напряжения в сети называет в качестве причины отказа от использования экорежима и К. Соколов из компании «Абитех». Он считает, что этот режим не представляет опасности для работы нагрузки, допускающей колебания величины напряжения ± 10% и частоты ± (4–6)%. Специалист «Абитеха» приводит характеристики ИБП фирмы GE Digital Energy серий SitePro и SG: в них длительность переходного процесса в момент переключения с байпаса на инвертор составляет менее 2 мс, а прерывания питания нагрузки не происходит вообще, поэтому при их использовании опасения потери нагрузки неоправданны.

Об отсутствии какого-либо перерыва в питании нагрузки при переключении между режимами ИБП компании Chloride говорит ее менеджер Анатолий Маслов. Эта компания предлагает запатентованный адаптивный алгоритм, который учитывает множество параметров отказов входной сети за большой период времени (периодичность отказов, их длительность и др.). ИБП работает по байпасной или по инверторной линии в зависимости от результатов анализа качества сетевого питания, однако даже при работе по байпасной линии инвертор не выключается. Но, несмотря на эффективность данного алгоритма, в случае сильно искажающих нагрузок А. Маслов рекомендует использовать режим с двойным преобразованием.

В ИБП компании Socomec для экономичной работы реализовано несколько режимов. При работе в экорежиме время переключения в режим двойного преобразования – около 15 мс. Экорежим оправдан при подключении менее требовательных потребителей или в периоды, когда не требуется постоянное электропитание, например ночью. КПД источника в данном режиме – порядка 98%, а его недостатки – уже упомянутое время переключения и прохождение высших гармоник, генерируемых в питающей сети нелинейными нагрузками. Эти недостатки отсутствуют при работе в режиме Always on: в этом случае инвертор продолжает работать (значит, перерыва при переключении не возникает), выступая также в роли активного компенсатора гармоник. В результате на нагрузку поступает синусоидальный ток.

Покупать дорогостоящий ИБП для того, чтобы использовать его затем в режиме электронного байпаса, не совсем разумно, считает С. Щербаков из АРС. Связано это, в частности, с тем, что при работе через электронный байпас не будет осуществляться полная «очистка» входного напряжения, как это происходит при двойном преобразовании. Специалист АРС объясняет, что переключение ИБП этой компании из режима электронного байпаса в режим двойного преобразования означает включение инвертора, которое может сопровождаться пусть небольшим, измеряемым миллисекундами, но перерывом в электропитании. Более того, инвертор моментально загружается с 0 на 80–90% (если загрузка ИБП полная), что чревато провалом напряжения (до 5%) и может повлиять на работу нагрузки. В некоторых моделях ИБП компании АРС (MGE Galaxy) непрерывность переключения из обычного режима в режим электронного байпаса и обратно обеспечивается специальным алгоритмом синхронизации совместной работы байпасного и инверторного статических переключателей.

По словам Дениса Андреева, руководителя департамента ИБП компании Landata – дистрибьютора оборудования фирмы Eaton, выпускаемые ею в настоящее время ИБП имеют очень высокий КПД, поэтому не нуждаются в экорежиме. «Ранее ИБП Eaton серии 9150 (мощностью 8–15 кВА) и 9305 (8–80 кВА) поддерживали такой режим, но сегодня в российских условиях мы его практически не используем. Одна из главных причин – отсутствие полной защиты нагрузки в этом режиме. Да и качество напряжения в России довольно низкое, поэтому частые переключения между режимами способны привести к досрочному выходу из строя ИБП», – отмечает он.

К числу производителей, не поддерживающих экорежим, относится иизраильская компания Gamatronic. Учитывая тот факт, что большинство блоков питания современного оборудования имеют время удержания (hold up time) не менее 15 мс, Арье Зафранский, инженер-разработчик Gamatronic, допускает возможность применения этого режима. Но поскольку на практике встречается и более чувствительное оборудование, компания предлагает ориентироваться на схему с двойным преобразованием.

  


Производители ИБП уже предлагают немало энергосберегающих опций, и есть все основания полагать, что в ближайшее время развитие этих возможностей станет основным направлением их НИОКР. Выбор и грамотное использование экономичных функций во многом зависит от четкого ранжирования возможностей и потребностей разного оборудования. Скажем, низкоприоритетные системы вполне можно «посадить» на экорежим, тогда как критически важные оставить только на двойном преобразовании, запретив обслуживающим их ИБП переходить на экономичный вариант. Такой подход позволит сэкономить средства, гарантировав высокую степень готовности наиболее важной аппаратуры.
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!