Динамические ИБП.
Рисунок 1 - Динамический ИБП.
Динамические ИБП – ИБП, использующие электромеханические накопители энергии.
Электромеханическим накопителем (ЭМН) называется устройство для запасания и хранения механической энергии, с последующим ее преобразованием в электрическую.
Электромеханический или маховичный накопитель энергииработает за счет разгона ротора (махового колеса) до высокой скорости и накапливания энергии вращения (кинетической энергии). При торможении махового колеса происходит возвращение энергии.
Для разгона или торможения маховика в большинстве систем с динамическими ИБП применяется электричество, но разрабатываются также устройства, напрямую использующие механическую энергию.
В передовых системах роторы изготовлены из высокопрочных углеродоволокнистых композиционных материалов. Они могут развивать скорость от 20000 до 50000 об/мин в вакуумной камере, в которой закреплены на магнитных подшипниках. Разогнать такие маховики можно за считанные минуты – намного быстрее любых других типов накопителей энергии.
Обычно динамический ИБП состоит из ротора, удерживаемого в вакуумной камере в подвешенном состоянии с помощью подшипников для уменьшения трения, который подсоединяется к электрическому двигателю/генератору.
В сравнении с другими способами накопления энергии данный способ характеризуются долговечностью (могут работать десятилетиями при незначительном сервисном обслуживании или совсем без него), высокими показателями плотности энергии (~ 130 Вт*ч/кг или ~ 500 КДж/кг) и большой максимальной генерируемой мощностью. КПД энергии (отношение количества переданной энергии к количеству полученной энергии) в маховичных накопителях может достигать 90%. Показатели емкости насчитывают от 3 кВт*ч до 133 кВт*ч. Быстрая зарядка системы осуществляется менее чем за 15 минут.
Производимые в настоящее время маховичные аккумуляторные системы обладают теми же показателями накопительных мощностей, что и простые аккумуляторы, а отдают энергию быстрее. Они в основном используются для обеспечения необходимого уровня нагрузки в больших энергонакопительных системах, в частности для осуществления бесперебойного питания и для поддержания необходимого качества электроэнергии в возобновляемых энергетических системах.
Общие эксплуатационные расходы для маховичных накопителей равняются примерно половине стоимости издержек для обычной аккумуляторной системы бесперебойного энергоснабжения. Все техническое обслуживание заключается в ежегодном проведении общих профилактических мероприятий и замене подшипников раз в три года – на эту процедуру уходит около четырех часов.
Статические ИБП.
Статические ИБП - ИБП, использующие электрохимические накопители энергии.
В последнее время в качестве дополнительного независимого источника питания все чаще используют источники бесперебойного питания (ИБП) статического типа.
Правда, следует отметить слабую развитость отечественной нормативной базы, описывающей вопросы электроснабжения от такого рода источников.
В наших нормативных документах отсутствует чёткая классификация ИБП статического типа. Поэтому обратимся к международным стандартам. В частности к стандарту IEC 62040-3, согласно которому выделяется 3 топологии ИБП статического типа:
· passive standby - ИБП резервного типа;
· line interactive - ИБП линейно-интерактивного типа;
· double conversion - ИБП с двойным преобразованием.
Рисунок 2 - ИБП статического типа
Рассмотрим основные конструктивные элементы источника бесперебойного питания:
1. Выпрямитель / зарядное устройство
Преобразует переменный ток в постоянный для:
· питания инвертора;
· зарядки и подзарядки батареи.
2. Инвертор получает питание от:
· выпрямителя в нормальном режиме;
· батареи в автономном режиме.
Инвертор предназначен для преобразования постоянного тока в переменный и выдает синусоидальный выходной сигнал с заданной амплитудой и частотой.
3. Батарея предназначена для обеспечения автономной работы в случае:
· отсутствия питания от основной сети;
· несоответствия параметров основной сети установленным параметрам ИБП.
4. Байпас статический предназначен для электроснабжения нагрузки при перегрузке или неисправностях в ИБП.
5. Байпас ручной предназначен для электроснабжения нагрузки во время проведения регламентных работ с ИБП.
Рассмотрим подробнее топологии, приведенные в стандарте.
Источники бесперебойного питания резервного типа (passive standby)
Рисунок 3 - ИБП резервного типа (passive standby)
Для топологиирезервного типастандарт определяет два режима работы:
· нормальный;
· автономный.
Эти режимы характеризуются следующими параметрами работы.
В нормальном режиме нагрузка подключена к питающей сети через узел, в состав которого могут входить коммутатор, фильтр и регулятор, которые уменьшают помехи и могут регулировать напряжение.
Стандарт не определяет конкретный состав этого узла, а указывает, что для обеспечения формирования питания нагрузки в узел могут быть интегрированы дополнительные устройства, например, "феррорезонансный трансформатор" или трансформатор с переключаемыми отводами. Инвертерработает параллельно сети в пассивном ожидании. Когда параметры питающей сети не соответствуют требованиям или когда произошло повреждение сети, инвертор и батарея обеспечивают непрерывность электроснабжения после небольшого времени переключения (обычно менее 10 мс). ИБП продолжает работать в течение автономного времени работы, определяемого емкостью и зарядом батареи, или до возвращения параметров сети в соответствие с требованиями ИБП, после чего происходит переключение в нормальный режим работы. К преимуществам данной топологии можно отнести простоту схемы, малые габариты и низкую стоимость. Недостатками данной топологии ИБП является отсутствие разделения нагрузки и питающей сети, наличие времени переключения, отсутствие регулировки выходного напряжения и регулировки выходной частоты.
Эта конфигурация представляет собой удачный компромисс между удовлетворительной защитой от помех и соответствующей стоимостью.
Недостатки данной топологии приводят к тому, что этот тип ИБП применяется преимущественно в сегменте низких мощностей (до 2 кВА) и исключают возможность применения в качестве преобразователя частоты.