Безопасность электропитания и управление электроэнергией в корпоративной сети предприятия

Технология двойного преобразования электрической энергии — наиболее действенный на сегодня способ обезопасить чувствительное электронное оборудование от влияния индустриальных помех и сбоев электропитания. Технология изначально подразумевает стабильность выходного напряжения, полную фильтрацию помех, независимость частоты и формы напряжения на входе ИБП и в нагрузке, а также отсутствие каких-либо переходных процессов в цепи питания нагрузки при переключении режимов работы «сеть»/«батарея».

Благодаря этим свойствам ИБП с двойным преобразованием энергии эффективно работают в электросетях с большим количеством помех, нестабильной частотой и способны обеспечить безопасность электропитания сети и ее компонентов во всех режимах работы.

Исследуем ИБП Vanguard-1000

Серия источников бесперебойного питания Vanguard насчитывает более 10 моделей мощностью от 0,7 до 20 кВА. Предметом нашего исследования стал источник бесперебойного питания Vanguard-1000 (VGD-1000) — однофазный ИБП «местного» применения, предназначенный для обеспечения безопасности электропитания оборудования, установленного в 19" промышленные шкафы и стойки.

В ходе исследования изучалась конструкция ИБП, его функциональные возможности и электрические характеристики. Использовалось следующее оборудование (рис. 1): лабораторный автотрансформатор, позволяющий регулировать напряжение в диапазоне 0–330 В, цифровой двухканальный осциллограф Tektronix, двухлучевой осциллограф C1-99, цифровые мультиметры Mastech, токоизмерительные клещи Tektronix, приборы для оценки емкости батарей ACT Battery Tester.

Изучаем конструкцию

VGD-1000 RM (рис. 2) имеет удобную конструкцию, позволяющую без особых затруднений крепить его встандартную 19-дюймовую стойку: размер корпуса 428 x 425 x 84 мм; в комплект поставки входят крепежные уголки с ручками; на корпусе также предусмотрены места для дополнительного крепления корпуса к стойкам под резьбу М4. Хорошо продумано охлаждение: забор воздуха осуществляется через приемную решетку на передней панели устройства, воздушный поток охлаждает силовую плату и радиаторы, а затем выбрасывается наружу вентилятором охлаждения. Скорость вращения вентилятора регулируется микропроцессором ИБП в зависимости от уровня нагрузки и температуры. На передней панели предусмотрено установочное место для противопылевого фильтра.

Управление и обслуживание ИБП очень удобно: органы управления размещены на передней панели, там же находятся индикаторы режимов работы и информационный ЖК-дисплей с подсветкой. Замена батарей производится без изъятия ИБП из стойки с аппаратурой — доступ к батарейному пакету также осуществляется с передней панели.

Замена батарей может производиться без прерывания питания нагрузки. Подачей специальной команды с передней панели схема преобразования отключается, и на время обслуживания ИБП переводится в режим питания нагрузки напрямую от электросети (байпас).

В данной модели используются 3 стандартных необслуживаемых свинцово-кислотных батареи емкостью 7 Ач, напряжением 12 В, соединенных последовательно (шина постоянного тока 36 В) и заключенных в специальный батарейный пакет, который при необходимости легко заменяется.

На задней панели ИБП (рис. 3) расположены две стандартные евророзетки для подключения нагрузки, входная розетка IEC-320, разъем для подключения дополнительных батарей и интерфейсные разъемы RS-232 и USB. В комплект ИБП входят интерфейсные кабели и программное обеспечение UPSmon. Для непосредственного подключения ИБП к информационной сети предприятия отдельно поставляется SNMP-адаптер, для которого предусмотрено посадочное место, закрытое заглушкой. Установлен батарейный разъем для подключения дополнительных батарейных блоков.

Отдельно отметим наличие разъема аварийного отключения — EPO (Emergency Power Off). При помощи этого разъема ИБП подключается к системе тревожной сигнализации и может быть экстренно дистанционно отключен в случае пожара или стихийного бедствия.

Исследуем функциональные свойства

Подключаем к ИБП измерительные приборы: вольтметры — ко входным и выходным разъемам ИБП и батареям, токоизмерительные клещи — к подводящим, отводящим и батарейным кабелям, датчик температуры — к радиатору; ко входным и выходным разъемам подключаем осциллографы (в целях безопасности подключение производилось через измерительные трансформаторы).

Итак, все готово к нашему тесту.

Подключаем к выходу ИБП тестовую нагрузку, а сам ИБП — к сети 220 В при помощи кабеля, входящего в комплект поставки. Сразу же после подачи на вход ИБП сетевого напряжения 220 В заработал охлаждающий вентилятор и включилась подсветка ЖК-дисплея. Приборы показали, что началась подзарядка батареи, причем ИБП продолжал подзаряжать батарею даже тогда, когда мы понизиливходное напряжение до 100 В! При этом ток через батарею составил 410 мА, а при увеличении напряжения до 220 В плавно вырос до штатных 1,0–1,1 А, соответствующих первой фазе зарядки батарей — зарядке постоянным током (алгоритм управления батареей описан далее).

Мы сразу же отметили немаловажное свойство ИБП: даже находясь в выключенном состоянии, Vanguard-1000 воспринимает управляющие команды с передней панели (рис. 4) и выводит информацию о состоянии питающей сети. Таким образом, контроль состояния электросети и настройка ИБП может производиться до его включения и подачи питания в подключенную нагрузку.

Приятная новость: все сообщения выдаются на русском языке, также полностью русифицированы меню управления и настройки. Кстати, в комплект устройства входит объемное русскоязычное описание и инструкция по эксплуатации.

В ходе изучения настроек выяснилось, что ИБП может работать в трех режимах. Основной, штатный режим по умолчанию предусматривает питание нагрузки в соответствии с настройкой ИБП, двойное преобразование электрической энергии и синхронизацию частоты выходного инвертора и входной частоты в пределах заданного допуска.

Для нетребовательных нагрузок и специальных условий предусмотрен режим энергосбережения, при котором питание нагрузки осуществляется напрямую от сети, без преобразования энергии, если параметры электросети находятся в пределах заданных допусков. Установки режима энергосбережения позволяют питать нагрузку напрямую, если входное напряжение находится в пределах ±10% или ±15% номинального. При выходе напряжения за установленные пределы ИБП переключается в режим двойного преобразования или «Свободной генерации».

Режим «Свободной генерации» предусмотрен для питания чувствительных нагрузок в условиях низкого качества электроэнергии. При активизации этого режима питание нагрузки осуществляется стабильным напряжением частотой 50 Гц без синхронизации выходного инвертора с входной частотой. В этом случае переключение в обходной режим (байпас), как в предыдущем режиме, не производится. Режим «Свободной генерации» необходим, когда от ИБП питается оборудование, требовательное к частоте, а также для работы в условиях нестабильной частоты, например, при использовании электрогенератора. В остальных случаях может быть использован стандартный режим работы.

Испытание в работе

Не включая ИБП, при помощи управляющих меню устанавливаемвыходное напряжение 220 В (могут быть установлены значения 208/220/230/240 В), пределы допуска по частоте, при которой сохраняется синхронизация выходной частоты с частотой входной сети — ±2%, что соответствует диапазону 49–51 Гц (также может быть установлено значение ±5% и ±7%), допуски по напряжению для режима «Байпас» ±10%, что соответствует напряжению 198–242 В (также может быть установлено значение +10/-15% и +15/-20%).

При нажатии кнопки включения ИБП подал звуковой сигнал, провел тест внутренних схем и батареи, а затем запустился и подал напряжение в нагрузку. В момент запуска приборы зафиксировали независимый старт выходного инвертора и входного выпрямителя, а также плавное увеличение входного тока ИБП до номинального в течение нескольких периодов.

Таким образом, пусковой ток нагрузки компенсируется инвертором ИБП, в то время как пусковой ток самого ИБП не превышает номинального.

О выходе на нормальный режим работы нас оповестило сообщение «Режим On-line» на ЖК-дисплее и засветившиеся индикаторы «Сеть» и «On-line» на передней панели.

Управление подачей электроэнергии на выходные розетки ИБП Vanguard осуществляется с передней панели: каждая из розеток независимо включается и отключается при помощи меню управления сегментами нагрузки. Таким образом, нет необходимости выключать ИБП, если требуется подключить или отключить какое-либо оборудование — достаточно подать управляющую команду с передней панели. Кроме того, выходные разъемы могут быть отключены управляющей командой еще до запуска ИБП, когда он находится в выключенном состоянии. В этом случае, при запуске ИБП кнопкой «Power», напряжение в нагрузку не подается, а на дисплей выводится сообщение «Выходы отключены".

Информация о текущем режиме работы ИБП выводится на ЖК-дисплей и дублируется соответствующим индикатором (всего их пять: «Сеть», «On-line», «Работа от батареи», «Режим Bypass», «Ошибка»). При помощи клавиши прокрутки на ЖК-дисплей последовательно выводится полная информация о работе ИБП: выходное напряжение и частота, напряжение и частота на входе ИБП, нагрузка (в процентах, ваттах и вольт-амперах), ток в нагрузке, напряжение на батарее, уровень зарядки батареи и расчетное время автономной работы на данную нагрузку, а также информация о температуре внутри ИБП.

Испытали мы и разъем экстренного отключения. Было имитировано нажатие кнопки аварийного отключения путем разъединения цепи EPO. ИБП при этом немедленно обесточил нагрузку, отключил входные цепи, о чем явно свидетельствовал щелчок реле, и вывел на дисплей надпись «UPS отключен». Для повторного запуска потребовалось восстановить цепь EPO и включить ИБП кнопкой запуска.

Исследование электрических характеристик

Подключив нагрузку к ИБП, переходим к исследованию электрических характеристик (таблица 1). Исследование началось с определения порогов входного напряжения, при котором ИБП питает нагрузку, не переключаясь в режим работы от батарей. Постепенно понижая входное напряжение при помощи лабораторного автотрансформатора, получаем нижнее значение напряжения, при котором происходит переключение в режим работы от батареи, — 117 В. Нагрузка при этом составила 145 Вт (см. таблицу испытаний). О переключении в режим работы от батареи ИБП оповестил нас зажегшимся индикатором «Батарея», одновременно подав звуковой сигнал и выдав на дисплей сообщение «На батарее». Переходной процесс и колебания напряжения в цепи питания нагрузки отсутствовали.

При увеличении нагрузки до 50% нижний предел переключения в режим работы от батареи повысился до 140 В, а при нагрузке более 75% — до 160 В, оставаясь на этом значении вплоть до режима перегрузки. В рабочий режим двойного преобразования ИБП переключается при повышении входного напряжения до значения 178 В.

Постепенно повышая входное напряжение сверх номинального, получаем верхний порог переключения в режим работы от батареи — 280 В. Возможности нашего лабораторного автотрансформатора ограничены максимальным напряжением 330 В. При повышении входного напряжения до этого значения ИБП продолжал питать нагрузку от батарей, информируя об этом звуковым сигналом и оповещая нас надписью «На батарее». Обратное переключение в режим двойного преобразования произошло при снижении напряжения до 260 В — на панели засветился индикатор «Online», на дисплее появилась надпись «Режим On-line».

Выходное напряжение при всех испытаниях оставалось в пределах 219,0–220,5 В, независимо от нагрузки и значения входного напряжения, переходные процессы и искажения формы не наблюдались. Таким образом, нормальное функционирование подключенных устройств возможно при колебаниях входного напряжения в пределах 117–280 В; при выходе за эти допуски нагрузка питается от встроенных батарей.

При всех испытаниях максимальный ток по входу ИБП не превышал номинального, а нагрузка была надежно защищена от сетевых помех. Переходные процессы в цепи питания нагрузки при переключении режимов работы отсутствовали. Как уже было сказано, входной выпрямитель и выходной инвертор ИБП стартуют отдельно, поэтому, когда на вход отключенного ИБП было подано повышенное напряжение 275 В, при нажатии кнопки «On» ИБП запустился в обычном режиме и подал в нагрузку 220 В, защитив последнюю от повышенного напряжения. Аналогично ИБП запускается и при сниженном до 160 В напряжении.

<...> VGD-1000 практически нечувствителен к форме и частоте питающего напряжения, поэтому может работать с генераторами, имеющими нестабильную выходную частоту или несинусоидальное выходное напряжение. В зависимости от установленного режима работы производится синхронизация частоты выходного инвертора с частотой исходной сети, если последняя находится в пределах допуска, устанавливаемого в настройках частоты ИБП. Если частота выходит за установленные пределы, ИБП автоматически переключается в режим «Свободной генерации».

При переключении ИБП в режим «Свободной генерации» или в режим работы от батарей синхронизация с питающей сетью терялась, т.к. ИБП переходил на собственную внутреннюю частоту 50 Гц, отличную от частоты сети, которая в ходе наших испытаний колебалась в пределах 49,8–50,1 Гц. При восстановлении допустимых значений напряжения и частоты ИБП в течение нескольких секунд плавно синхронизировал частоту выходного инвертора с частотой основной электросети, постоянно находясь при этом в режиме «On-line».

В режиме перегрузки

Оценим перегрузочную способность ИБП. При нагрузке 1085 ВА/765 Вт, которая, по «оценке» самого ИБП, составила 110% (ток в нагрузке 4,8 А), ИБП отработал в штатном режиме 35 минут, после чего зажег красный светодиод «Ошибка» и подал звуковой сигнал тревоги, одновременно оповестив нас сообщением «Перегрузка выхода» на ЖК-дисплее. В таком режиме ИБП продолжал питать нагрузку в течение 1 минуты, после чего переключился в режим «Байпас», о чем свидетельствовали явно различимый щелчок реле байпаса, включение соответствующего светодиода и сообщение «Режим Bypass» на ЖК-дисплее. При перегрузке 140% (1145 ВА/953 Вт, ток в нагрузке 5,1 А) ИБП подал сигнал тревоги и переключился в режим «Байпас» через 20 секунд.

Когда мы уменьшили нагрузку до 95% (945 ВА/620 Вт, ток в нагрузке 4,1 А), ИБП через несколько секунд переключился в нормальный режим работы, оповестив нас ставшей привычной надписью «Режим On-line». Следует заметить, что в режим «Байпас» ИБП переключался только в тех случаях, когда входное напряжение находилось в пределах, установленных при помощи меню «Установка Bypass». При напряжении 275 В и 166 В на входе ИБП, работающего в режиме перегрузки, переход в режим «Байпас» не производился, вместо этого ИБП обесточил нагрузку и подал сигнал тревоги, требуя вмешательства оператора. Таким образом, VGD-1000 обеспечил полноценную защиту нагрузки даже при аварийных режимах работы.

Порадовало наличие тепловой защиты, для чего на радиаторе транзисторов установлен датчик перегрева, а также система охлаждения, об удачной конструкции которой мы упомянули в начале статьи. Во всех режимах испытаний, в том числе и при длительной работе в режиме перегрузки, температура радиатора находилась в пределах 28–48°C. Мы имитировали отказ системы охлаждения, сняв верхнюю крышку и отклонив поток воздуха от радиатора. В таком режиме ИБП проработал 37 минут, затем подал аварийный сигнал и через минуту переключился в режим «Байпас». Максимальная температура радиатора составила 75°C, что не превышает критического порога нагрева корпуса силовых транзисторов инвертора (90°C).

Управление батареей и время автономной работы

При исчезновении входного напряжения ИБП подал звуковой сигнал тревоги и оповестил нас надписью «На батарее», продублированной светодиодом «Батарея», продолжая подавать сигнал все время, пока нагрузка питалась от батарей. Мы отключили звуковой сигнал кратковременным нажатием кнопки «Питание», и об автономном режиме работы свидетельствовала только надпись на дисплее и светодиод на панели управления. По достижении критического порога разряда ИБП вновь подал сигнал тревоги и через несколько минут отключился по команде процессора. При этом реальное время автономной работы в большинстве случаев оказалось несколько большим, чем расчетное.

Изымаем батарейную ячейку и исследуем батареи после разряда: напряжение 1,97 В на элемент, оцениваемая емкость 3,73 Ач. Устанавливаем ячейку обратно, подключаем измерительные приборы и подаем 220 В на вход ИБП. Получив данные о том, что сетевое напряжение вернулось к норме, процессор автоматически подал команду на запуск ИБП, а затем подключил нагрузку при помощи реле управления сегментами. На выходных разъемах появилось напряжение, одновременно начался цикл зарядки батарей.

В данной серии ИБП применяется интеллектуальный алгоритм управления батареей АВМ (Advanced Вattery Management) с температурной компенсацией напряжения зарядки, реализуемый микропроцессором ИБП. Зарядка производится всегда, когда на вход ИБП подается сетевое напряжение, независимо от того, включен он или выключен. Мощность входного выпрямителя достаточна для всех режимов: даже работая на полную нагрузку в режиме двойного преобразования, ИБП продолжал подзаряжать батарею при входном напряжении 165 В!

Конечно же, ИБП не рассчитываются на долговременную работу в условиях заниженного напряжения, поэтому полноценный зарядный цикл осуществляется при входном напряжении 178–280 В.

Зарядка батареи производится в три этапа (рис. 5).

Первый этап — зарядка постоянным током: опорным принимается напряжение 2,435 В на элемент при температуре 25°C. Зарядка в этом режиме продолжается до достижения напряжения 2,385 В на элемент (при температуре 25°C) . Если это напряжение не достигается после 150 часов заряда постоянным током, ИБП прекращает зарядку и выводит на ЖК-дисплей сообщение «Замените батарею».

В ходе наших экспериментов максимальное значение зарядного тока на данной модели при полностью разряженной батарее составило 1,1 А в течение трех часов, плавно уменьшившись до 0,4 А в начале четвертого часа, а затем ток упал практически до нуля, когда начался второй этап заряда.

Второй этап — поддержание батареи под постоянным напряжением «плавающего потенциала» из расчета 2,335 В на элемент, при котором ток через батарею равен нулю. Длительность этапа составляет 150% времени заряда постоянным током плюс еще 48 часов.

Третий этап — режим наблюдения за батареей: зарядное устройство отключается, а напряжение на батареях не измеряется первые три минуты, чтобы ошибочно не начать новый цикл заряда. Если в течение первых 10 суток в этом режиме напряжение уменьшится до 2,1 В на элемент, ИБП выдаст сообщение «Замените батарею». Режим наблюдения за батареей длится до 30 суток, после чего начинается новый цикл заряда.

Кроме того, цикл зарядки начинается при каждом включении ИБП пользователем, при падении напряжения ниже значения 2,1 В на элемент в режиме наблюдения за батареей, а также если время работы от батарей составило более 20 секунд.

В ходе зарядки микропроцессор ИБП отслеживает температуру батарей и регулирует напряжение заряда, исходя из максимального конечного значения напряжения 2,385 В на элемент при температуре 25°C. Коэффициент температурной компенсации составляет -5 мВ/°С в диапазоне от 10 до 50°C. Эксплуатация батарей за пределами этих температур приводит к резкому сокращению срока их службы и поэтому не рекомендуется.

Также ABM управляет батареями в режиме автономной работы: сигнал «Батарея разряжена» выдается за три минуты до расчетного отключения ИБП, следующий сигнал — «Полный разряд» — выдается, когда напряжение уменьшается до значения, при котором инвертор уже не может работать. Реализована защита от глубокого разряда батарей: при нагрузке 0–30% команда на отключение ИБП подается при напряжении 1,8 В на элемент, а при нагрузке 30–100% — при напряжении 1,67 В на элемент.

Качество ИБП — на уровне!

Мы остались довольны результатами теста: ИБП Powercom VGD-1000 обеспечивает нормальные условия работы для чувствительной аппаратуры, защищая ее от пониженного и повышенного напряжения во всех режимах работы. Искажения синусоидальности напряжения и сетевые помехи, которые могли вызвать сбой в работе или повреждение аппаратуры, в цепи питания нагрузки отсутствуют. Потребляя от сети практически синусоидальный ток, ИБП компенсирует реактивные токи нагрузки, помехи и нелинейные искажения, которые вносят в электросеть импульсные блоки питания. Также данная серия ИБП обеспечивает нормальные условия работы аппаратуры при использовании электрогенераторов.

В критических ситуациях, например, при отсутствии электроэнергии или при недопустимых значениях напряжения и частоты ИБП обеспечивает питание подключенной аппаратуры от батарей — до восстановления нормального сетевого напряжения. При этом время автономной работы может быть увеличено путем установки дополнительных батарейных комплектов. Интеллектуальный алгоритм управления батареей обеспечивает быстрый заряд, продлевает срок службы батареи и позволяет отслеживать ее состояние, не прибегая к частым проверкам.

Интеграция ИБП в информационную сеть предприятия посредством SNMP-протокола позволяет централизованно контролировать и управлять большим количеством ИБП в масштабах всего предприятия, эффективно используя их ресурс.

Таким образом, применение современных ИБП с двойным преобразованием электрической энергии полностью оправдывает вложенные средства, позволяя решить задачу безотказной работы аппаратуры и отсутствия искажений, в сочетании с централизованным контролем и управлением распределенной системой. Широкий диапазон мощностей ИБП, выпускаемых Powercom (таблица 2), в сочетании с функциональностью контроля и управления, позволяет рекомендовать их для широкого применения в телекоммуникациях и IT-инфраструктуре.

Сети и бизнес, 5(12)/2003