Андрей Ездаков

Защита электропитания - важнейшая задача для многих государственных и деловых структур. И дело здесь не только в том, что дорогостоящие энергопотребляющие устройства, будь то компьютерная, коммуникационная или иная офисная техника, а также различного рода промышленное оборудование, быстро выходит из строя при постоянных перебоях во внешней электросети. Сам процесс реализации бизнеса или организации производства в такой ситуации находится под угрозой. Убытки от простоя предприятия или прекращения деятельности офиса могут многократно превзойти средства, необходимые на закупку нового оборудования.

Чтобы избежать подобных издержек, необходимо своевременно позаботиться о безопасном энергоснабжении всех структур и подразделений компании. Существуют трехфазные источники бесперебойного питания (ИБП) средней или большой мощности, способные защитить целиком всю сеть входного электропитания. Они стабилизируют работу всех электроприборов, не важно, промышленные ли это установки, расположенные в производственном корпусе, или сложная инфраструктура интеллектуального здания в офисе.

На рынке устройств этого класса работают несколько производителей. Все они предлагают потребителям интересные решения, как правило, с разумным соотношением цены и производительности. Однако при всем разнообразии выбора реальных альтернатив всего две. На сегодняшний день в основе всех трехфазных ИБП средней и большой мощности лежит одно из двух технических решений: двойное преобразование или дельта-преобразование.

Большинство фирм предлагают устройства, основанные на первой технологии. Технологию же дельта-преобразования использует только компания APC - в своих трехфазных ИБП средней и большой мощности серии Silcon.

Семейство трехфазных ИБП Silcon

Занимая ведущие позиции на рынке ИБП малой мощности, компания APC постоянно расширяет охват своего бизнеса. Действуя в этом направлении, в 1998 году она приобрела фирму Silcon Power Electronics. Последняя выпускала серию одноименных трехфазных устройств средней и большой мощности. Эти ИБП пользовались спросом на рынке и были реализованы на основе уникальной технологии защиты входного электропитания сети - дельта-преобразования.

Сама фирма Silcon P/E, несмотря на интерес к своей продукции со стороны потребителей, не имела возможности развернуть дело в полной мере, поскольку не обладала достаточными финансовыми ресурсами и развитой мировой сервисной структурой. Именно эти компоненты и привнесла в продвижение этих ИБП компания APC.

Начиная с 1998 года трехфазные ИБП Silcon поставляются через широкую партнерскую сеть APC. Компания также вложила дополнительные средства в разработку новых моделей семейства и совершенствование уже существующих. В результате объемы продаж трехфазных ИБП Silcon во всем мире стали заметно расти. В частности, за первое полугодие 2002 года в России таких устройств было продано на 50% больше по сравнению с аналогичным периодом прошлого года.

Различные модели семейства Silcon (рис. 1) обладают широким диапазоном выходной мощности - от 10 до 480 кВт (характеристики устройств приведены в табл. 1 и 2). Поэтому клиенту можно подобрать соответствующее решение, в зависимости от его потребностей. Если же в защите электропитания нуждается очень крупная компания или необходимо обеспечить бесперебойным энергоснабжением промышленное оборудование, потребляющее много электроэнергии, то можно параллельно установить до четырех ИБП Silcon без дополнительного оборудования или до девяти с таковым.

Fig.1 Рис. 1. Семейство трехфазных ИБП Silcon.

Таблица 1. Трехфазные ИБП семейства Silcon средней мощности

Модель SL10KH SL20KH SL40KH SL40KHBO SL60KH SL80KH
Выходная мощность, кВт/кВА 10 20 40 40 60 80
Выходной ток при полной нагрузке, А 14,5 29,0 57,7 57,7 87,0 115,0
Максимальный входной ток, А 18,9 37,6 74,7 74,7 112,0 147,0
кпд преобразования входного тока в выходной при 100%-ной нагрузке, % 94,8 95,5 96,5 96,5 96,1 96,5
кпд преобразования входного тока в выходной при 50%-ной нагрузке, % 92,6 93,3 95,1 95,1 93,3 94,8
Тепловыделение при номинальной нагрузке, кВт 0,5 0,9 1,5 1,5 2,4 2,4
Уровень шума, дБ 52,0 52,0 55,0 55,0 60,0 60,0
Габариты, ВхШхГ, мм 1400х600х800 1400х600х800 1400х600х800 1400х1000х800 1400х800х800 1400х800х800
Масса, кг 192 212 272 365 440 447

Таблица 2. Трехфазные ИБП семейства Silcon большой мощности

Модель SL120KH SL160KH SL240KH SL320KHB2 SL480KH
Выходная мощность, кВт/кВА 120 160 240 320 480
Выходной ток при полной нагрузке, А 173 231 346 462 693
Максимальный входной ток, А 219 293 450 582 874
кпд преобразования входного тока в выходной при 100%-ной нагрузке, % 95,8 96,3 96,3 96,8 96,8
кпд преобразования входного тока в выходной при 50%-ной нагрузке, % 92,3 93,6 92,9 94,3 95,0
Тепловыделение при нормальной нагрузке, кВт 5,3 6,2 9,2 10,6 15,9
Уровень шума, дБ 71,5 71,5 71,5 71,5 73,0
Габариты, ВхШхГ, мм 1800х1125х800 1800х1125х800 1800х1600х800 1800х1600х800 1800х1900х800
Масса, кг 800 800 1400 1400 1800

Таким же способом можно повысить надежность работы системы в тех областях, где критичными могут оказаться даже минуты простоя, например, в круглосуточном промышленном производстве с длительным циклом обработки изделий; в телевизионных и радиовещательных центрах; у телекоммуникационных операторов; в банковских и биржевых структурах; на особо важных военных объектах.

 

Мнение заказчика

В России установлено уже немало трехфазных ИБП Silcon. По оценке специалистов APC, компании принадлежит около 20% отечественного рынка подобных устройств. Например, в конце 2000 г. в Московской городской Думе была введена в эксплуатацию система защиты электропитания на базе параллельного подключения трех ИБП Silcon DP380E, мощностью по 80 кВт каждый. Этот проект комментирует начальник финансово-хозяйственного управления мэрии Москвы А. И. Чернышев:

"…В результате всестороннего анализа предложений было решено установить в Московской городской Думе параллельную систему из трех агрегатов ИБП APC Silcon 80 кВ.А - DP380E. Система была введена в эксплуатацию в декабре 2000 г. За время работы ИБП APC серии Silcon подтвердили высокую помехозащищенность и отказоустойчивость, обеспечили надежное функционирование оборудования. Развитые программные и аппаратные средства ИБП APC дают возможность централизованного контроля, управления и обслуживания всей системы электропитания, в том числе посредством удаленного сетевого терминала, Web-интерфейса, протокола SNMP и т. п.

Мы планируем дальнейшее освоение и внедрение разработок компании APC для защиты систем электроснабжения электронного оборудования".

Технология дельта-преобразования

Еще в начале 70-х годов компания Silcon Power Electronics производила традиционные трехфазные ИБП с двойным преобразованием, затем перешла на архитектуру второго поколения с однократным преобразованием. Наконец, в конце 90-х была разработана еще более эффективная технология дельта-преобразования. Собственно, физические принципы, на основе которых она реализована, были открыты еще в 80-е годы XX века. Однако для воплощения их в реальных устройствах понадобилось еще около двадцати лет развития компьютерных технологий.

По сравнению с трехфазными системами, базирующимися на двойном преобразовании входного тока, новые ИБП на основе дельта-преобразования обеспечивают снижение издержек по многим важнейшим показателям (причем такой результат достигается за счет самой технологии). Более высокий кпд позволяет сократить расходы на охлаждение системы и оплату электроэнергии. Этому же способствует то, что коэффициент мощности в таких системах равен 1.

В основе дельта-преобразования лежит метод постоянного контроля выходного тока с соответствующей коррекцией входного за счет плавной настройки дельта-трансформатора (рис. 2). Частота контрольных замеров параметров выходного тока и напряжения составляет 16 кГц, поэтому на выходе ИБП получается значение напряжения, близкое к идеальной синусоиде, а на входе ток потребляется с нулевым фазовым сдвигом (что соответствует коэффициенту мощности, равному 1).

Fig.2 Рис. N. Подпись.

Рис. 2. Схема дельта-преобразования входного тока.

 

Несмотря на кажущуюся сложность задачи, с ней справляется один дельта-контроллер, в котором используется эксклюзивное ПО - интеллектуальная собственность компании APC, на котором основана вся работа системы. В зависимости от показаний датчиков, размещенных во множестве различных точек системы дельта-преобразования, и динамики изменения параметров контроллер меняет характеристики четырех управляемых транзисторов, попарно размещенных в каждом инверторе.

При возникновении как внешних, так и внутренних высокочастотных помех контроллер выравнивает ток и напряжение в соответствии с эталонными синусоидами, регулируя параметры входного дельта-трансформатора. Кстати, здесь заложено одно из радикальных отличий подобных систем от традиционных, которые без дополнительных устройств не могут отстраивать параметры питания в случае возникновения помехи не из внешней сети, а со стороны нагрузки.

Если же амплитуда входного тока падает, то за счет изменения характеристики управляющего напряжения на дельта-трансформаторе увеличивается входной ток системы, что приводит к возрастанию напряжения на выходе.

За счет того, что ИБП с дельта-преобразованием преобразовывает только энергию, необходимую для компенсации отклонений входного напряжения от эталонной синусоиды, в системе используется весьма компактный дельта-инвертор, что позволяет снизить габариты и массу устройства. Кроме того, поскольку главный инвертор работает с полной расчетной нагрузкой только при переходе на питание от батарей или при значительных перегрузках, существенно повышается его надежность. Это становится немаловажно в моменты пикового возрастания мощности, потребляемой нагрузкой, например, в пусковом режиме. Обычные ИБП с двойным преобразованием имеют запас, допускающий примерно 1-2 с работы при 50%-ной перегрузке и около 0,5 с - при 100%-ной. В устройствах же с дельта-преобразованием за счет технологической схемы время работы при 100%-ной перегрузке физически ограничено только зарядом батарей. В реальности подобный режим работы считается неестественным или аварийным и отключается через 60 с по таймеру.

Положительно сказывается дельта-преобразование и при необходимости переключить электропитание системы с внешней сети на дизель-генератор. За счет плавного регулирования входного тока в трехфазном ИБП Silcon (эта функция называется "плавный старт") мощность генератора подключается постепенно, без бросков и возникающих вследствие этого частых переключений с батареи на внешний источник, которые часто имеют место при использовании двойного преобразования и генератора с недостаточным запасом мощности.

Иными словами, для ИБП с дельта-преобразованием нужен внешний генератор со значительно меньшим запасом мощности. Требуется примерно 30%-ная избыточность, и то только на случай возникающей порой необходимости зарядить сильно разряженные батареи высоким током. В то же время традиционные ИБП с двойным преобразованием нуждаются в генераторе с более чем двукратным запасом мощности.

Аксессуары

Кроме основных элементов, присутствующих в трехфазном ИБП Silcon любой мощности, в зависимости от поставки устройство может содержать разнообразные аксессуары и ПО.

Любая подобная система может дооснащаться комплектом внешних батарей. Такое решение предназначено клиентам, у которых периодически возникают перебои во внешнем энергоснабжении продолжительностью более 15 мин. Чтобы было проще определить, сколько нужно дополнительного оборудования, APC разработала специальные артикулы, позволяющие рассчитать время работы ИБП без внешнего электропитания в зависимости от его конфигурации и количества приобретаемых внешних батарей.

Чтобы проводить плановое предупреждающее обслуживание трехфазного ИБП Silcon без отключения полезной нагрузки, используется внешняя сервисная байпасная панель. Благодаря ей можно предотвратить перерывы в работе предприятия или офиса в период профилактических работ на ИБП или в случае его выхода из строя.

Сейчас все поставляемые на рынок модели Silcon комплектуются специальной платой администрирования системы Web/SNMP Management Card, производимой компанией APC. Она предоставляет пользователям встроенные средства администрирования системы поддержки электропитания через Интернет, а также по протоколам SNMP или Telnet.

Web/SNMP Management Card реализует широкий спектр функций дистанционного мониторинга, управления и конфигурирования на основе протоколов, опирающихся на известные стандарты отрасли. В случае продолжительного отсутствия напряжения в сети питания она через локальную сеть обеспечивает автоматическое корректное завершение работы вычислительных комплексов, при условии, что на них установлено ПО PowerChute Network Shutdown.

Сетевой контроллер электропитания MasterSwitch, также выпускаемый компанией APC, предоставляет администратору системы дистанционный контроль над электропитанием всего компьютерного оборудования корпоративной сети. Управление устройством осуществляется через сеть с использованием тех же протоколов HTTP, SNMP и Telnet.

MasterSwitch предназначен для управления отдельными каналами нагрузки. Через него одновременно можно работать с восемью независимыми каналами питания. Он позволяет организовать плавное начало работы системы, чтобы избежать высоких "стартовых" токов сразу у большого количества одновременно включаемого оборудования. Это делается, в частности, путем задания приоритетов запуска для всех устройств сети. Примерно таким же образом с помощью MasterSwitch организуется определенная последовательность подключения устройств. Этот контроллер позволяет выполнять перезагрузку удаленных серверов, сетевого оборудования или модемных банков, благодаря чему не требуется обслуживать их "на месте".

Плата Out-of-band Management Card применяется вместе с внешним модемом для управления Silcon по отдельному коммуникационному каналу, позволяя получить удаленный доступ к подробной информации о состоянии ИБП. С ее помощью через модемную линию связи можно удаленно контролировать состояние Silcon, диагностировать его неисправности и менять параметры конфигурации в случае отсутствия электропитания или связи по компьютерной сети. Таким образом создается дополнительный (возможно, резервный) канал управления комплексом.

Специальная плата "сухих контактов", поставляемая в двух вариантах, дает пользователям дополнительную возможность диагностики состояния ИБП. Положение ее переключателей сигнализирует о режимах работы системы, поддерживаемых в данный момент.

Встроенная плата параллельной работы позволяет объединять в единую систему до девяти трехфазных ИБП Silcon с суммарной мощностью более 4 МВт. Она служит своеобразным "мостом", интегрирующим процессы управления и распределения нагрузки между отдельными ИБП.

Дополнительная плата интеграции ИБП Silcon в систему управления зданием предоставляет возможность без дополнительных настроек подключить его к уже функционирующему интегральному коммуникационно-компьютерному комплексу. Для согласования режимов работы используется протокол ModBUS.

Плата контроля состояния окружающей среды Environmental Monitoring Card позволяет осуществлять удаленный контроль основных характеристик атмосферы в помещении, где расположен ИБП, и внутри него. Значения температуры, влажности и ряда других параметров доступны оператору через плату администрирования системы Web/SNMP Management Card, платы внешнего управления Out-of-band Management Card или агентов SNMP с помощью специального ПО PowerChute plus.

Все эти и другие дополнительные устройства, устанавливаемые в разъемы Smart Slot, могут подключаться к комплексу поддержки электропитания и заменяться в горячем режиме.

Программный продукт PowerChute Network Shutdown обеспечивает взаимодействие компьютеров и коммуникационных устройств информационной сети с трехфазным ИБП. При снижении заряда батарей ниже определенного предела и в отсутствие внешнего электропитания это ПО автоматически организует нормальное завершение работы сетевых устройств. В комплект поставки приложения входят его модификации для основных ОС: Microsoft Windows NT/2000, Novell NetWare, AIX, Solaris, HP-UX и Linux. Версии для ряда других ОС можно найти на Web-сайте компании APC.

Выводы

Возможности трехфазного ИБП Silcon рассчитаны на различные области жизнедеятельности, бизнеса и производства, где отсутствие гарантированного электропитания может повлечь за собой серьезные потери как в финансовом, так и в моральном плане. Это могут быть банки, учреждения, промышленные предприятия, офисы крупных компаний, телекоммуникационные центры, радио- и телестудии. Для достижения еще более высокого уровня надежности энергоснабжения используются параллельные установки нескольких ИБП (до 9 штук).

Особенности технологии дельта-преобразования позволяют экономить на эксплуатации системы. Коэффициент мощности, равный 1, и высокий кпд снижают потребление электроэнергии и, следовательно, расходы. Более высокий, чем при двойном преобразовании, кпд и специфика устройства самого преобразователя уменьшают потребности в охлаждении системы, т. е. затраты на кондиционирование. Контроль выходного тока и функция "плавного старта" обеспечивают нормальную работу системы на основе Silcon с менее мощным и дорогим дизель-генератором.

Кроме того, все вышеперечисленные факторы приводят к уменьшению массы системы и ее габаритов.