Ж у р н а л   о   к о м п ь ю т е р н ы х   с е т я х   и   т е л е к о м м у н и к а ц и о н н ы х   т е х н о л о г и я х
СЕТИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ on-line
  ПОИСК: ПОДПИСКА НА НОВОСТИ: НОМЕР:
    ДОМОЙ • Архив: Новостей | Конференций | НомеровПодписка
 
   
 
   
    
РЕДАКЦИЯ
 
Все о журнале
Подписка
Как проехать
Где купить
Отдел рекламы
График выхода журнала
Адреса в Интернет

РУБРИКАТОР
   
• Инфраструктура
• Информационные
   системы

• Сети связи
• Защита данных
• Кабельные системы
• Бизнес
• Колонка редактора
• Электронная
   коммерция

• Только на сервере
• Системы
   учрежденческой
   связи

• Новые продукты


Rambler's Top100

  

ИБП: с трансформатором или без

ИБП: с трансформатором или без?

А. Г. Барсков

Говоря об источниках бесперебойного питания (ИБП), чаще всего сравнивают такие их характеристики, как мощность, время автономного питания, коэффициент нелинейных искажений (КНИ), массогабаритные параметры и т. д. При этом крайне редко заглядывают внутрь источников, чтобы описать схемы их построения. Попробуем восполнить этот недостаток, обсудив основные схемы онлайновых ИБП средней и большой мощности.

Обратиться к этому вопросу меня заставило отнюдь не желание "покопаться в схемотехнике" — более того, я постараюсь вообще не напрягать читателя электрическими схемами. Дело в том, что особенности конкретной реализации во многом определяют как ключевые характеристики ИБП, так и область применения этого оборудования. Поэтому покупателям важно знать ограничения и преимущества каждой схемы. Да и вообще пора пролить свет на все эти бестрансформаторные и зеркальные "ноу-хау", о которых все чаще говорят специалисты отделов маркетинга компаний — производителей и поставщиков ИБП.

В ходе подготовки материала журнал "Сети и системы связи" предложил ведущим экспертам индустрии обсудить три, на наш взгляд, базовые схемы построения онлайновых ИБП. В результате мы получили массу интересных ответов, которые и легли в основу данной статьи.

Полную версию данной статьи смотрите в 4-ом номере журнала за 2005 год.

Классическая схема — трансформаторная

Итак, классическая схема реализации онлайновых ИБП с двойным преобразованием энергии выглядит следующим образом:

Диодный/тиристорный выпрямитель — IGBT-инвертор — трансформатор

Это наиболее надежная, отработанная годами схема, которая применяется в "тяжелых" промышленных агрегатах, таких, как Hipulse компании Liebert-Hiross, SitePro компании General Electric Digital Energy (GE DE), ONL компании Powercom, Safe-Power Evolution компании N-Power и многих других. Вообще говоря, подавляющее большинство ИБП большой и сверхбольшой мощности выполнены именно по схеме с изолирующим трансформатором.

По утверждению Петра Вашкевича, главного инженера департамента автоматизации инженерных систем интеграторской компании "Крок", в выпрямителях ИБП, построенных по приведенной выше схеме, сейчас обычно применяются тиристоры, а не диоды, что позволяет улучшить входные характеристики без значительного удорожания конструкции и снижения ее надежности. В таких ИБП отсутствует звено, обеспечивающее управление потреблением тока инвертором (такое, как бустер или IGBT-выпрямитель в других схемах, см. ниже), поэтому их входной КНИ очень высок — может доходить до 20—30%. "Проблему высокого входного КНИ по току для этих ИБП можно решить, применив 12-пульсный выпрямитель или специальные фильтры (КНИ входного тока < 3%), но это неизбежно отразится на цене решения", — говорит Петр Вашкевич.

Простота конструкции ИБП рассматриваемого типа позволяет обеспечить очень высокую надежность системы, а применение выходного трансформатора придает повышенную "живучесть" их выходным транзисторам и делает более простой и надежной схему инвертора. Трансформатор на выходе ИБП не только обеспечивает гальваническую развязку, но и гарантирует отсутствие постоянной составляющей в выходном сигнале (наличие такой составляющей вполне может вывести нагрузку из строя). Однако масса и стоимость этих ИБП (выходной трансформатор весит много и стоит недешево) обычно существенно превышают массу и стоимость бестрансформаторных ИБП. Кроме того, для обслуживания трансформаторных ИБП часто требуется доступ к ним более чем с одной стороны, тем самым увеличивается занимаемая оборудованием сервисная зона. Однако ряд последних моделей снимают это ограничение, позволяя проводить все работы с фронтальной стороны.

Александр Лоза, генеральный директор компании N-Power, отмечает универсальность применения классических ИБП с выходным изолирующим трансформатором. Они могут быть задействованы для защиты нагрузки любого типа, будь то вычислительная или телекоммуникационная техника, промышленное, технологическое, медицинское либо иное оборудование. При этом он говорит о значительном снижении массогабаритных характеристик новых моделей трансформаторных ИБП. В качестве примера г-н Лоза приводит агрегаты бесперебойного питания N-Power серии Safe-Power Evolution (20—1000 кВА), выпущенные в 2004 г. За счет применения удвоенной частоты преобразования их разработчикам удалось повысить качество формы выходного напряжения и уменьшить габаритные размеры. Так, 40-кВА источник имеет размеры 550 * 850 * 1055 мм и весит всего 300 кг. Это действительно немного для трансформаторных устройств.

Бестрансформаторные схемы

Появление бестрансформаторных схем связано со стремлением разработчиков уменьшить габаритные размеры и массу ИБП, а также снизить их стоимость. В схемах с выходным трансформатором последний одновременно обеспечивает и повышение напряжения, поэтому инвертор может работать при пониженном напряжении постоянного тока. Инвертор бестрансформаторных ИБП должен обеспечивать более высокое выходное напряжение, поэтому в цепи постоянного тока устанавливаются специальные устройства, повышающие напряжение (бустеры). Из-за этого такие агрегаты иногда называют "ИБП с тройным преобразованием". Вот их предельно упрощенная схема:

Диодный/тиристорный выпрямитель — IGBT-бустер — IGBT-инвертор

В таких ИБП управляемый бустер не только повышает постоянное напряжение на входе инвертора, но и в определенной степени корректирует характеристику потребления тока из питающей сети. По мнению Петра Вашкевича, данная схема позволяет достигать неплохих показателей КНИ тока по входу ИБП — 5...7% (это гораздо лучше соответствующего показателя классических трансформаторных ИБП, но хуже показателя "зеркальной" схемы, см. ниже). Стоимость входной части ИБП в данном случае получается относительно низкой (практически на уровне стоимости трансформаторных ИБП и существенно ниже стоимости зеркальных ИБП), выходная же часть намного дешевле, чем у трансформаторных устройств.

Бестрансформаторный выход подобных ИБП позволяет достигать очень хороших выходных характеристик и достаточно высокого общего КПД (отсутствуют потери в выходном трансформаторе). Масса же таких ИБП практически в два раза меньше массы ИБП, построенных по классической трансформаторной схеме. "Таким образом, — делает вывод специалист компании "Крок", — основными преимуществами данной схемы следует признать очень хороший КПД, минимальную массу и невысокую стоимость. Недостатки заключаются в худшей защите выходного каскада (в сравнении с трансформаторным выходом) от аномальных нагрузок и более высоком уровне КНИ тока по входу по сравнению с соответствующими показателями зеркальных ИБП.

Что же представляют собой уже не раз упоминавшиеся зеркальные ИБП. Они появились в ходе дальнейшего развития бестрансформаторных ИБП, когда инженеры стремились еще больше уменьшить габаритные размеры и улучшить входные характеристики без применения громоздких и дорогостоящих фильтров. Упрощенно их схему можно представить так:

IGBT-выпрямитель — IGBT-инвертор

Примерами ИБП, построенных по такой схеме, являются NXa компании Liebert-Hiross, Platinum компании N-Power и Power Dialog Plus компании Riello. Выпрямители на базе IGBT-транзисторов позволяют эффективно управлять характеристиками потребления тока из питающей сети, что обеспечивает наилучшие входные параметры (КНИ < 5%). Правда, при этом зеркальные ИБП характеризуются большей ценой (IGBT-выпрямители дороже тиристорных) и более низким значением КПД. В остальном же такие ИБП имеют надежность и качественные характеристики, сходные с характеристиками ИБП, реализованных по бестрансформаторной схеме с бустером.

При всех своих достоинствах бестрансформаторные ИБП довольно ограниченны в применении. Александр Лоза из компании N-Power советует устанавливать их только для защиты компьютерной техники или других устройств с импульсными источниками питания. "Защищать контрольно-измерительную аппаратуру, медицинское диагностическое, промышленное оборудование, а также смешанную нагрузку (например, в централизованных системах защиты здания) с помощью бестрансформаторных онлайновых ИБП не рекомендуется", — говорит он.

Кроме того, при использовании бестрансформаторных схем имеются трудности с реализацией систем большой мощности. Максимальный уровень мощности для одиночных ИБП этого типа составляет 120—160 кВА.

Что дает IGBT

Во всех представленных выше схемах в той или иной степени используются IGBT-транзисторы. Раскрывается эта аббревиатура как Insulated Gate Bipolar Transistors, или биполярные транзисторы с изолированным затвором. Их стали применять примерно 20 лет назад, однако сначала эти транзисторы в надежности уступали биполярным и полевым транзисторам. Но характеристики новых поколений IGBT-транзисторов постоянно улучшались, и сегодня их использование уже перестало считаться чем-то инновационным. Это необходимые и важнейшие элементы любого современного ИБП.

По мнению Ансси Лехмусваара (Anssi Lehmusvaara), менеджера по маркетингу продуктов компании Eaton (в прошлом году в ее состав вошла фирма Powerware), технология IGBT позволяет в первую очередь сократить потери энергии и получить высокие значения КПД. "Предыдущие поколения ИБП, ассоциирующиеся прежде всего с такими понятиями, как "феррорезонансные", "6-пульсные" и "12-пульсные", рассматриваются как устаревшие, когда возникает вопрос о выборе оптимальной и эффективной защиты электропитания центров обработки данных и других ИТ-систем, — считает он. — А компактность бестрансформаторных ИБП на базе IGBT-выпрямителей и инверторов позволяет сократить стоимость самого оборудования, владения системой, а также значительно уменьшить занимаемую площадь и массу — весьма существенные факторы для современных предприятий".

К преимуществам использования IGBT-транзисторов при создании выпрямителей ИБП специалист компании Eaton относит следующие: во-первых, они позволяют довольно просто обеспечить активную коррекцию коэффициента потребляемой мощности (типовое значение — 0,99), а во-вторых, добиться весьма малого значения КНИ входного тока (обычно не более 2—5%). Как следствие, ИБП вносит минимальные искажения в питающую силовую сеть и не требует применения дополнительных дорогостоящих фильтров. Немаловажным преимуществом ИБП с IGBT-выпрямителем является сокращение общих затрат на установку системы (кабели, силовые щиты, автоматы и пр.). Связано это с существенным уменьшением потребляемых токов — достаточно сравнить входной коэффициент мощно-сти 0,96 с коэффициентом 0,83, который характеризует ИБП с диодным и/или тиристорным выпрямителем.

Все последние ИБП компании Eaton (Powerware 9155, 9355 мощностью до 15 кВА и Powerware 9390 мощностью до 160 кВА) созданы на базе бестрансформаторной технологии, и в них используются только IGBT-выпрямители и IGBT-инверторы. "Мы рекомендуем ориентироваться на бестрансформаторные ИБП, поскольку только они обеспечивают высокую эффективность и являются сегодня самым компактным решением, — говорит Ансси Лехмусваара. — Такая топология идеально подходит для систем любой мощности, а современные электронные компоненты позволяют создавать на ее основе ИБП мощностью уже до 200 кВА".

Тем не менее, как отмечают специалисты Eaton, если к системе электропитания предъявляются специфические требования, при необходимости всегда можно установить дополнительный традиционный трансформатор на выходе ИБП — например, когда особо чувствительная нагрузка должна быть гальванически изолирована от первичной электросети или когда необходимо создать "чистую" выходную нейтраль для заводской измерительной лаборатории.

Рекомендации от компании Eaton довольно однозначно сводятся к применению зеркальной схемы (дополненной при необходимости трансформатором). А что же советуют эксперты других компаний?

Весь спектр мнений

Наиболее технологически перспективной считает зеркальную схему (IGBT-выпрямитель, IGBT-инвертор) и Андрей Воробьев, директор технической службы корпорации АРС в странах СНГ. По его мнению, к ее основным преимуществам относятся "бережное отношение к входным сетям и гибкость". Вместе с тем он отмечает, что реализации этой схемы являются самыми дорогостоящими.

Менеджер компании MGE UPS Systems Жан-Франсуа Кристин тоже отмечает тенденцию все более активного использования IGBT-выпрямителей. По мере того как производители компонентов встраивают все больше функций в одну интегральную микросхему, IGBT-решения дешевеют и становятся надежнее (меньше компонентов, меньше соединений и пр.). Однако он называет и серьезную проблему ИБП, использующих IGBT-выпрямители, — это низкий КПД, на уровне 90%. Даже у источников, построенных по классической схеме, он выше.

Вместе с тем г-н Кристин видит большие перспективы в использовании бестрансформаторных решений. Вот каковы его аргументы. Раньше силовые транзисторы инвертора управлялись относительно низкочастотными сигналами (частота не более 7—8 кГц), поэтому выдаваемую ими синусоиду требовалось "сглаживать", эту задачу выполняли установленные на выходе трансформаторы и конденсаторы. Теперь же, когда используется высокочастотное управление, потребность в установке трансформатора для этой цели отпадает. Единственное, для чего действительно требуется трансформатор, так это гальваническая развязка нагрузки с первичной сетью. Но эта задача по большому счету не должна затрагивать внутреннюю схемотехнику ИБП, поскольку может решаться внешними средствами. На настоящий момент компания MGE UPS Systems поставляет бестрансформаторные ИБП мощностью до 30 кВА, источники большей мощности идут уже с трансформаторами. Но Жан-Франсуа Кристин уверен, что со временем бестрансформаторные ИБП будут "подниматься вверх" по шкале мощностей.

"Каждая из схем имеет право на существование, у каждой есть свои плюсы и минусы, и в каждом конкретном случае имеет смысл выбирать тип ИБП исходя из технических требований и имеющихся финансовых ресурсов", — комментирует ситуацию Константин Соколов, начальник отдела экспертизы компании "Абитех", российского партнера фирмы GE DE. Его коллега, коммерческий директор "Абитех" Станислав Коларж более конкретен: "Если на первом месте — низкий входной КНИ и нет средств (и места) для установки 12-пульсного выпрямителя или активного/пассивного фильтра, то выбирают бестрансформаторные схемы. Классическая схема — если наиболее важна защита от пробоя постоянным током на выходе или установлена АКБ большой емкости и необходимо ее быстро заряжать".

Борис Осипов, директор компании "Ри-Электро" — дистрибутора ИБП фирмы Riello, наиболее перспективной для ИБП мощностью до 100 кВА считает зеркальную схему, по которой построены источники Power Dialog Plus (6—10 кВА). Для систем мощностью свыше 160 кВА, по мнению г-на Осипова, лучше подходит трансформаторная схема, обеспечивающая повышенную надежность. Она положена в основу ИБП Riello Master Dialog (10—800 кВА), использующих тиристорный 6- или 12-пульсный выпрямитель. Наконец, есть в линии продуктов Riello и источники, построенные по схеме с бустером, — это изделия Multi Dialog мощностью от 10 до 80 кВА.

Когда требуется модульность

Руководитель отдела специализированного электропитания компании "ЭкоПрог" Николай Трипольский относится с большим предпочтением к схеме, предусматривающей использование диодного/тиристорного выпрямителя, IGBT-бустера и IGBT-инвертора. "Большой опыт работы с разными производителями ИБП позволил сравнить различные варианты и сделать выбор, обусловленный объективными причинами, — говорит он. — Используемые нами ИБП швейцарской компании Newave выполнены именно по такой схеме, которая имеет значимые преимущества". ИБП Newave Conceptpower очень компактны — например, модульный источник с тремя модулями по 40 кВА весит всего 306 кг и умещается в 19-дюймовой стойке высотой 1,8 м — и имеют высокий КПД (до 96%), причем при нагрузке 25% значение КПД не падает ниже 90%. Также Николай Трипольский отмечает удобство доставки систем Newave Conceptpower в любые проблемные помещения по частям (корпус ИБП, модули, АКБ) и высокий уровень их масштабирования (в параллель включается любое число модулей).

Модульные системы Power+ израильской компании Gamatronic основаны на такой же схеме, что и швейцарские системы Newave Conceptpower (бестрансформаторная схема фактически единственно возможный вариант для модульных ИБП). По словам Уди Леви, R&D директора компании Gamatronic, им удалось создать очень компактное решение: 10-кВА трехфазный модуль имеет высоту всего 2U и весит 9 кг. Еще одно достоинство используемой схемы — высокий КПД, равный 96%.

Хотя система Power+ выполнена по бестрансформаторной технологии, существует опция подключения дополнительного входного и выходного трансформатора. "Основной недостаток трансформаторов — их большие габаритные размеры, масса и снижение КПД (обычно на 2%), — отмечает г-н Леви. — На практике это означает, что КПД системы, имеющей хотя бы один трансформатор, будет никак не выше 94%". Несмотря на это, бывают ситуации, когда трансформатор необходим. Например, при высоком уровне "загрязнения" сети бестрансформаторная система, в которой нейтральный проводник является сквозным, может пропустить помехи в нагрузку. Другая причина использования трансформатора — желание любой ценой заблокировать постоянную составляющую. "Но такое случается нечасто, и я думаю, что нет смысла ставить трансформаторы на все наши системы Power+", — делает вывод Уди Леви.

Вместо заключения

На фоне ответов других фирм явным диссонансом прозвучали ответы компании NeuHaus Group. Отбросив всякие "маркетинговые выкрутасы" и желание выделить свое оборудование, ее представители достаточно откровенно высказались, что для заказчика суть используемой в оборудовании технологии имеет мало практического значения. "Заказчика интересует следующее: в состоянии ли предлагаемое оборудование решить поставленные задачи, насколько оно надежно, не переплатит ли он (заказчик), решившись на выбор именно этого оборудования. Вот это и есть те три кита, на которых в 99% случаев базируется выбор оборудования и соответственно технологии", — говорит Валерий Суханов из NeuHaus Group.

Что же, такая точка зрения тоже имеет право на существование. Тем более что исходит она от достаточно авторитетной компании, которая, помимо оборудования Liebert-Hiross, уже долгие годы продвигает ИБП под собственной торговой маркой. И все же, думаю, я не зря потратил время, и изложенные в статье сведения об основных схемах построения онлайновых ИБП помогут вам, уважаемые читатели, если уж и не самостоятельно выбрать ИБП, то по крайней мере "со знанием предмета" общаться с профи компании — поставщика ИБП..


видеонаблюдение в подольске доступно всем




  
4 '2005
СОДЕРЖАНИЕ

бизнес

• SIP-конференция в Париже

• Решения ProCurve со встроенными функциями безопасности

• Информатизация в «Ингосстрахе»

инфраструктура

• Сменные трансиверы для гигабитовых сетей

• Последние новинки для цифроманов

• Для тех, кто в пути

• Семейке цифроманов на заметку

• Потрясающие дисковые массивы iSCSI

• ИБП: с трансформатором или без?

информационные системы

• Тестируем инструментальные средства коллективной работы

• Управляйте изменениями

сети связи

• Новинки Всемирного TETRA-конгресса

кабельные системы

• Неразрывный союз Ethernet и UTP

• Одномодовые оптоволоконные кабели внешней прокладки

новые продукты

• Новые серверы HP на базе процессоров AMD Opteron 10-Гбит/с медиаконвертер для платформы Fiber Driver; «Зеркальные» ИБП Powerware компании Eaton


• Калейдоскоп



 Copyright © 1997-2007 ООО "Сети и Системы Связи". Тел. (495) 234-53-21. Факс (495) 974-7110. вверх