Как выбрать ИБП:
пять важных моментов

На рынке представлено довольно много ИБП с самыми разными форм-факторами и конструктивными решениями. В этой статье мы ограничимся ИБП, монтируемыми на DIN-рейку, которые подходят для использования в различных отраслях промышленности. Рассказывая о том, как выбрать правильный ИБП такого типа, остановимся на пяти важных моментах.

Требования к сфере применения

Для начала следует определить, какие типы нагрузок будет питать ИБП — переменного или постоянного тока? Устаревшие системы, как правило, работают от переменного тока, поэтому для их модернизации, вероятно, также потребуется питание от переменного тока. Однако за последние 20 лет рост рынка промышленных ПК привел к массовому переходу на источники питания постоянного тока, поэтому возможен и такой вариант.

Затем необходимо рассмотреть требования к питанию и времени работы. Чтобы рассчитать необходимое время поддержки оборудования, от которого зависят габариты ИБП, важно спуститься с небес на землю и обосновать реалистичные ожидания. Хотеть, чтобы система с током потребления 10 А при отключении питания удерживала питание нагрузки в течение 48 ч, легко, но на практике реализация такой системы может оказаться практически невозможной.

Как известно, в случае продолжительного сбоя питания задача ИБП заключается не только в поддержке оборудования, но и в обеспечении безопасного и упорядоченного отключения платформы управления для того, чтобы избежать потери данных и сбоев в системе. При проектировании системы важно выбрать такую емкость (и, соответственно, размер) батареи, чтобы последняя была в состоянии обеспечить некоторое время работы до того, как ПК будет отключен или вернется основное питание. Кроме того, необходимо учитывать, что системам с аккумуляторами большой емкости может потребоваться очень много времени, чтобы восстановить заряд батареи.

Выбор аккумуляторной батареи — это следующий шаг в принятии решения. Хотя существует множество вариантов батарей, большинство производителей ИБП используют несколько стандартных типов. Некоторые производители предлагают только один тип технологии, например наиболее популярные герметичные свинцово-кислотные батареи (англ. valve regulated lead acid, VRLA). Другие — обычные герметичные батареи, батареи для широкого диапазона температур (Wide-temperature range, WTR VRLA), а также литий-ионные (литий-железо-фосфатный аккумулятор, LiFePO₄). Как будет отмечено ниже, батареи различаются рабочими характеристиками и сроком службы.

Большинство ИБП не позволяет операторам узнать состояние батареи. А у некоторых устройств есть индикатор отказа, который может включиться, но слишком поздно, если система обслуживается удаленно. В идеале ИБП должен отображать несколько точек ухудшения исправности аккумуляторной системы, чтобы операторы могли принять меры еще до того, как аккумулятор достигнет точки отказа.

Наконец, следует обратить внимание на то, как ИБП передает обозначенные точки данных. В большинстве решений ИБП для этого используются светодиоды, а некоторые варианты обеспечивают выходы с сухими контактами с фиксированной пороговой точкой. Новые ИБП могут поддерживать эти стандарты и интегрировать полный поток данных в платформу управления. Некоторые системы могут обмениваться данными по промышленным протоколам, таким как EtherNet/IP, Profinet, Modbus TCP/IP и EtherCAT. Пример конструктивного исполнения современного промышленного ИБП представлен на рис. 1.

Рис. 1. С повсеместным внедрением IIoT и больших данных в промышленности надежное энергоснабжение становится как никогда важным. Выбор правильного ИБП для конкретного применения может предотвратить проблемы и сократить расходы, связанные с перебоями в подаче электроэнергии.
Все изображение предоставлено компанией Phoenix Contact

Децентрализованные технологии ИБП переменного тока

В системах управления, работающих от сети напряжения переменного тока, естественно, целесообразно будет использовать ИБП переменного тока. Для ИБП этого типа доступно несколько вариантов технологий.

Автономная (off-line), или резервная (standby) топология очень проста. ИБП с такой архитектурой недорогие и поэтому являются наиболее распространенными типами ИБП переменного тока. В нормальных условиях автономный ИБП передает сетевое питание от входа к выходу без какого-либо взаимодействия с ним, кроме схемы зарядки аккумулятора и параллельной цепи питания для схем анализа сети и управления. Если сетевое напряжение пропадает, ИБП переключается с цепи питания от электросети на генерацию питания напряжения переменного тока от батареи, то есть DC/AC-преобразователя. Время переключения ИБП с момента его отключения от электросети до момента, когда он начинает вырабатывать энергию от батареи, не может превышать 10 мс. Перерыв в подаче напряжения, отвечающий этому требованию, обычно не влияет на устройства, расположенные ниже по сети, но это важно учитывать в системах, чувствительных к колебаниям напряжения.

В автономном сегменте решений ИБП переменного тока есть два подмножества — синусоиды, моделирующие выходное напряжение в виде аппроксимации (ступенчатой формы с регулируемой длительностью импульса), и устройства, генерирующие чистую синусоиду. Эти технологии по-разному генерируют выход переменного тока.

Первые устройства берут напряжение от аккумуляторной батареи в простейшей форме и путем аппроксимации пытаются создать нечто приблизительно схожее с синусоидальной волной. Некоторые наиболее дешевые ИБП просто генерируют меандр. Хотя ИБП такого типа отличаются относительно низкой стоимостью, у них есть и недостатки. Сильные скачки напряжения могут повредить входные цепи питаемых ими устройств. Кроме того, ступенчатое напряжение приводит к генерации переходных процессов на выходе ИБП и входе питаемых от него устройств. ИБП на основе этой технологии не предназначены для питания индуктивных нагрузок, но у них нет проблем с емкостными, к которым относится большинство импульсных источников питания. Тем не менее со временем несинусоидальность при ступенчатой аппроксимации напряжения может привести к преждевременному выходу из строя небольших блоков питания в промышленных ПК и программируемых логических контроллеров (ПЛК). Блок-схема автономной (off-line) топологии ИБП показана на рис. 2.

Рис. 2. В автономном (off-line) ИБП при нормальных условиях сетевое питание от входа к выходу передается без какого-либо взаимодействия с устройством. Питание используется только для собственных потребностей ИБП — заряда аккумулятора и питания внутренних схем анализа сети и управления

ИБП с синусоидальной волной выдают на выходе такую ​​же синусоидальную форму напряжения, которая имитирует форму волны от сети питания 120/230 В. ИБП с чистой синусоидой — лучший выбор для чувствительного оборудования, такого как ПЛК, распределенные системы управления и промышленные ПК. Чтобы получить этот тип выходного сигнала, требуется сложное решение, поэтому такие системы значительно дороже первых. Однако вложения в такие ИБП обычно окупаются, поскольку любые устройства управления, питаемые от ИБП, служат дольше, что в итоге приводит к снижению общей стоимости владения системой. К тому же такие ИБП могут питать любые нагрузки без ограничения по импедансу.

Для критически важных приложений потребуется еще более усовершенствованный ИБП — с двойным преобразованием, или онлайн-решение (online). ИБП такой топологии никогда не находится в режиме ожидания. Цепь аккумулятора активно подключена к системе. Если подача сетевого питания прервется, на выходе не будет сбоев или провалов напряжения, система просто перейдет к работе от батареи. Онлайн-ИБП также отличается встроенной схемой фильтрации и стабилизации напряжения. Во время нормальной работы он преобразует входящее напряжение из переменного в постоянное, а затем обратно в переменное через инвертор. Таким образом ИБП защищает подключенное к нему оборудование от колебаний напряжения и даже незначительных нарушений питания. Однако более высокий уровень функциональности, конечно, предполагает более высокую цену и более крупный корпус. По факту это не только ИБП, но и «кондиционер» питающей сети.

Распределенные ИБП постоянного тока

Недостаток ИБП переменного тока состоит в том, что все расположенные за ним устройства питаются переменным током и полагаются на этот единственный ИБП. Соответственно, для питания всех устройств сразу в шкафу управления может потребоваться очень большой ИБП переменного тока. Если такой ИБП выйдет из строя, то все питаемые от него устройства лишатся защиты при аварии на сети электропитания, а если это онлайн-ИБП, то, скорее всего, лишатся питания. В некоторых ИБП переменного тока предусмотрена обходная цепь, которая пропускает напряжение сети при отказе ИБП — но не в случае его штатного выключения. Распределенный ИБП постоянного тока позволяет сэкономить и средства, и занимаемое пространство.

Рис. 3. ИБП онлайн-топологии или топологии с двойным преобразованием никогда не находятся в режиме ожидания

Большинство современных шкафов управления основаны на постоянном напряжении. ИБП переменного тока обеспечивает резервное питание и поддержку всего оборудования в точке входа. В ИБП постоянного тока резервное питание формируется уже после источника питания AC/DC. Блок-схема ИБП постоянного тока показана на рис. 3, а схема подключения — на рис. 4.

Рис. 4. ИБП постоянного тока устанавливается после источника питания AC/DC. При таком подходе к организации бесперебойного питания нагрузки могут быть разделены на нагрузки с буферизацией и без нее

При такой организации ИБП можно разделить нагрузки на нагрузки с буферизацией и без нее. Небуферизованные нагрузки — это устройства, которые могут терять питание при пропадании сетевого напряжения, но при этом не вызывать сбоя системы. Источник питания AC/DC может напрямую питать такие нагрузки, а ИБП постоянного тока — питать только те устройства, которые выполняют критически важные для системы функции, или буферизованные нагрузки. Это позволяет значительно снизить нагрузку на ИБП постоянного тока, поскольку уменьшение мощности нагрузки равносильно уменьшению размера ИБП и уменьшению необходимой емкости его батареи.

Технология ИБП постоянного тока проще решений ИБП переменного тока. Для ИБП постоянного тока не требуются преобразователи переменного тока в постоянный или инверторы постоянного тока. Все напряжения в ИБП остаются на уровне номинального безопасного сверхнизкого напряжения (БСНН) — 24 В постоянного тока. Это повышает эффективность как самого ИБП, так и используемой в нем резервной аккумуляторной батареи. Применение дополнительных DC/DC-преобразователей для других напряжений постоянного тока требует большего тока при преобразовании и приводит к потерям в системе. В высокофункциональных системах ИБП доступно единственное преобразование постоянного тока, которое происходит в цепи зарядки аккумулятора.

ИБП постоянного тока также обеспечивает приоритизацию нагрузки. При этом приоритет отдается питанию нагрузки, подключенной к ИБП. Когда ИБП находится в режиме питания нагрузки от сети и зарядки аккумуляторной батареи, он контролирует ток нагрузки. Если объединение тока нагрузки и тока заряда вызовет перегрузку основного источника питания AC/DC, ИБП автоматически снизит ток заряда, предотвращая его перегрузку.

ИБП постоянного тока также обычно физически меньше, чем их аналоги переменного тока, потому что в их основе лежит более простое схемотехническое решение. Меньший размер может быть полезен в шкафу управления с ограниченным пространством для DIN-рейки.

Некоторые из модульных систем ИБП постоянного тока имеют встроенную диагностику. У многих ИБП есть индикаторы «battery OK» (батарея в норме) и «system fault» (сбой системы), а современные системы могут предоставлять информацию о своем состоянии и функциональности в режиме реального времени. Команда технического обслуживания может просматривать поступающие данные о состоянии батареи, уровне напряжения, токе нагрузки, температуре и многом другом. Вместо того чтобы гадать о состоянии батареи или составлять график ее замены, они могут менять батарею еще до того, как она выйдет из строя, не вызывая при этом простоя оборудования производственной или технологической линии.

Надежность промышленных ИБП

Аккумуляторные батареи — основа любой системы ИБП. Когда электричество в сети отключается, нагрузку берут на себя батареи. Как убедиться в том, что аккумулятор не станет слабым звеном в выбранном ИБП?

Сегодня доступны следующие типы батарей для промышленных ИБП:

• герметичные свинцово-кислотные батареи (VRLA);
• герметичные свинцово-кислотные батареи с широким температурным диапазоном (WTR VRLA);
• варианты на основе лития.

Стандартная герметичная свинцово-кислотная батарея (VRLA) является наиболее распространенной в системах ИБП. Ее отличают гелиевая технология, не требующая замены электролита, низкая стоимость и хороший баланс между стоимостью и емкостью, но ей не хватает долговечности. Номинальная рабочая температура стандартных батарей составляет 0…+40 °C. Лучше всего они работают в помещении с постоянной температурой около +27 °C. Хотя такие батареи широко распространены в контролируемых средах, во многих промышленных приложениях диапазон температур составляет –40…+70 °C, что резко сокращает срок их службы.

Герметичные свинцово-кислотные батареи с широким температурным диапазоном (WTR VRLA) могут работать в диапазоне температур –25…+60 °C, поэтому их часто используют на открытом воздухе. Они также имеют немного больший срок службы, чем стандартные герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы, но, поскольку химический состав отличается от стандартного, батареи с широким температурным диапазоном обычно больше по размеру, да и стоят дороже.

Стандартные герметичные свинцово-кислотные батареи и батареи с расширенным диапазоном рабочих температур могут выдержать приблизительно 250–300 циклов зарядки, прежде чем выйдут из строя. Из-за различия в технологии обычный аккумулятор в худшем раскладе и при повышенной температуре может прослужить от шести месяцев до года, а аккумулятор с расширенным температурным диапазоном, прежде чем потребуется его замена, может прослужить от полутора до двух лет.

Срок службы и температурный диапазон литиевых батарей аналогичны характеристикам свинцово-кислотных батарей с расширенным диапазоном рабочих температур. Однако литиевая батарея может выдерживать до 7 тыс. циклов заряда/разряда, что значительно увеличивает срок службы ИБП. Хотя литиевая батарея может стоить в три раза дороже аналогичной по емкости свинцово-кислотной батареи с расширенным диапазоном рабочих температур, в течение всего срока службы такая батарея обычно не создает проблем и полностью окупается. Сравнение характеристик и относительная стоимость аккумуляторных батарей индустриального класса приведены в таблице.

Стоит отметить, что, после того как сборка шкафа управления завершена, о нем часто забывают. Однако даже если батарея не используется во время транспортировки или хранения для питания нагрузки, она все равно разряжается и может выйти из строя раньше положенного времени. Если предохранители не отключены, то такая паразитная нагрузка может разрядить аккумулятор. При транспортировке вообще рекомендуется отключать клемму аккумулятора. Идеальное решение — извлечь батарею из шкафа после заводских приемочных испытаний и сохранить ее в качестве испытательной батареи для проверки других шкафов. Когда оборудование понадобится ввести в эксплуатацию, лучше не экономить и установить новую батарею.

Данные о производительности

Благодаря IIoT в индустриальном мире образуется гораздо больше взаимосвязей и требуется больше «умных» устройств, и ИБП это тоже касается. При наличии сети и возможности подключения данные о производительности ИБП будут доступны в любое время и в любом месте. ИБП, который обменивается данными по наиболее распространенным протоколам (Ethernet, Profinet, Modbus), сможет давать конечному пользователю представление о работе батареи, где бы этот ИБП ни был установлен (рис. 5).

Рис. 5. Интеллектуальная система ИБП может подключаться к промышленной сети по таким протоколам, как, например, EtherNet/IP, что упрощает получение расширенных данных мониторинга и диагностики о состоянии батареи и других важных показателях

ИБП с расширенными функциями мониторинга и диагностики может помочь инженеру или технику принимать разумные решения по обслуживанию ИБП или его батареи. Предупреждающие сигналы и информация о состоянии аккумулятора в режиме реального времени позволяют применять предикативный подход к обслуживанию аккумулятора. Наличие этих данных устраняет беспокойство о батарее и затраты на ненужное обслуживание.

ИБП играют жизненно важную роль в гарантировании должного функционирования шкафа управления. Надеемся, что приведенные в этой статье советы и рекомендации помогут облегчить выбор ИБП в соответствии с потребностями конкретного применения.