Расчет мощности систем бесперебойного электроснабжения

Выбор конкретных моделей ИБП для проектируемой СБЭ производится на основе расчета потребляемой мощности нагрузки и прогноза её роста в будущем.

Расчет мощности ИБП осуществляется по таким расчетным и задаваемым параметрам, как:

- мощность нагрузки;

- коэффициент мощности нагрузки;

- пусковые токи потребителей с мощностью, соизмеримой с номинальной мощностью ИБП;

- время автономной работы ИБП;

- время зарядки батарей;

- требования к надежности.

Как правило, в задании на проектирование задаются следующие данные:

- мощность нагрузки;

- характер нагрузки;

- время автономной работы ИБП.

При расчете необходимой мощности ИБП, включаемых в параллельный комплекс, учитывается, что при отказе одного ИБП мощность оставшихся должна соответствовать мощности нагрузки. Данное требование выражается значением N+1, где N — количество ИБП, обеспечивающих продолжение работы СБЭ при отказе одного. В простейшем случае N=1, однако при этом в нормальном режиме каждый из ИБП будет загружен только на 50%. Так как загрузка ИБП на 100% лишает сис¬тему возможности увеличения мощностей нагрузки и ограничивает перегрузочную способность, а с уменьшением нагрузки уменьшается коэффициент полезного действия ИБП и возможно появление нелинейных искажений на входе ИБП, рацио¬нальной представляется система, состоящая из четырех ИБП, каждый из которых в любом режиме загружен не более чем на 75%. Практический опыт подтверждает целесообразность такого решения. При этом коэффициент использования источни¬ков бесперебойного питания рассчитывается по следующему выражению:

где N — минимальное количество работающих аппаратов в группе; для единичного аппарата N = 1.

Ясно, что Ки< 0,75. В зависимости от расчетной схемы, нагрузки и степени требований к точности расчетов Ки может принимать другие значения (более 0,75 не рекомендуется), поскольку приведенная формула оперирует только количеством установленных устройств.

Установленная мощность ИБП соотносится с расчетной мощностью нагрузки Sp:

SИБП=Sp/(Kи × N).

Шкала номинальных мощностей ИБП дискретная, следовательно, выбирается ближайшее большее значение SИБП. Расчет Sp сопряжен с некоторыми трудностями, поскольку нормы проектирования не определяют удельные мощности нагрузок средств информатизации и телекоммуникаций. Ведомственные нормы проектиро¬вания ВСН 59-88 приводят значения для терминальных устройств и больших ЭВМ (мэйнфреймов), что не подходит для компьютерных сетей и обрабатывающих центров. Для расчета мощности нагрузки компьютерной сети можно пользоваться удельным потреблением, выражаемым в ВА/м2, или мощностью одного рабочего места (рабочей станции) [ВА]. В приводится значение удельного потребления 40 Вт/м2 для одного этажа и 30 Вт/м2 для нескольких этажей или всего здания. При санитарной норме 6 м2 на одно автоматизированное рабочее место получаем 240 и 180 Вт/м или при коэффициенте мощности pf = 0,7 — 340 и 250 ВА/м. В послед¬нее время с широким использованием рабочих станций и персональных компьютеров на базе Pentium 4, а также мониторов с диагональю 19" наметился некоторый рост потребляемой мощности. Однако есть основания полагать, что это временное явление, поскольку мониторы на базе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) постепенно вытесняются плоскими жидкокристаллическими (ЖК) дисплеями. На рис. 3.28 показано изменение во времени удельных мощностей нагрузки.

Рис. 3.28. Прогноз электропотребления информационного офисного оборудования

(источник: CSS Index)

Расчет мощности нагрузки компьютерной сети требует также учета коэффициента использования для персональных компьютеров. Коэффициент использования Ки характеризует отношение числа электроприемников, находящихся одновременно в работе, к общему количеству однотипных электроприемников, уста¬новленных на объекте. В нормативной документации таких сведений не приводится. Из опыта эксплуатации можно определить этот коэффициент как 0,7.. .0,9 — для этажа и 0,4...0,6 — для здания в целом. Необходимо заметить, что Ки зависит от режима работы и назначения здания (министерство, офис крупной компании, бизнес-центр и т.д.). Коэффициент использования серверов, коммутационных центров близок к единице. Определение коэффициента использования на этапе со¬ставления технического задания — важный момент в совместной деятельности подрядчика и заказчика. При его завышении мощность ИБП также окажется завышенной, и инвестиции в оборудование станут излишними. Занижение Ки приведет к дефициту мощности СБЭ.

Выбор защитно-коммутационного оборудования (автоматических выключате¬лей, выключателей нагрузки, рубильников и предохранителей) для подключения ИБП должен производиться с учетом КПД, токов заряда батарей и установленной мощности ИБП. Выбор номинальных значений защитно-коммутационного оборудования по установленной мощности позволяет в случае необходимости полностью нагрузить систему. Как было отмечено выше, КПД для технологии двойного преобразования не превышает 0,93. Ток заряда батареи ИБП с временем автономной работы 10... 15 мин не превышает 10% номинального тока ИБП в режиме on-line. Отсюда номинальный ток защитно-коммутационного оборудования для подключения ИБП вычисляется по формуле

где Uф — фазное напряжение; η — коэффициент полезного действия.

Расчет системы постоянного тока разбивается на расчет батареи и расчет выпрямителя (источник: АРС).

Расчет батареи

1. Рассчитывается мощность нагрузки как сумма мощностей отдельных электроприемников :

Рнагр =  Рнагр1 + Рнагр2 + … .

2. Определяется количество ячеек (аккумуляторов) батареи исходя из того, что напряжение на батарее должно быть равно напряжению питания нагрузки:

N = Uбат/Uяч.

3. Вычисляется мощность ячейки при заданном времени работы:

Ряч = Рнагр/N.

4. Если используется М линеек, то значение мощности определяется из выражения

Ряч = Ряч/М.

Расчет выпрямителя

1. Определяется ток зарядки батареи Iбат исходя из 10% каталожной емкости.

2. Рассчитывается максимальный и минимальный токи нагрузки:

Iu max = Iрез + Umin / Umax  ×  Iпм + Iпт ,

Iu min = Umin / Umax  ×  Iрез + Iпт ,

где Iu min и Iu max — минимальный и максимальный токи ячейки при минимальном и максимальном напряжениях на ячейке; Iрез — ток нагрузки резистивного характера, зависящий от напряжения; Iпм — ток нагрузки с постоянной мощностью, зависящий от напряжения; Iпт — ток нагрузки с I=const, не зависящий от напряжения; Umin — минимальное напряжение ячейки; Umax — максимальное напряжение ячейки.

3. Вычисляется суммарный ток выпрямителей:

Iсум = Iбат  +  Imax .

4. Определяется  номинальный  ток  выпрямителя  (количество  выпрямителей Nвыпр задается):

Iвыпр =  Iсум / Nвыпр .

5. Итоговое количество выпрямителей выбирается с учетом резервирования:

N = Nвыпр + 1(2,3...).

При расчете как ИБП, так и систем постоянного тока учитывается резервирование по принципу N+1. Такой принцип построения СБЭ и систем постоянного тока предназначен для обеспечения отказоустойчивой работы. Обеспечение отказоустойчивой работы достигается не только увеличением установленной мощности, но и различными схемными решениями.