Сравнение трансформаторных и бестрансформаторных ИБП

Трансформаторные источники бесперебойного питания (ИБП), как правило, обеспечивают более высокие показатели безотказной работы. Однако новейшие бестрансформаторные ИБП имеют более высокие показатели эффективности, занимают меньшую площадь, обеспечивая при этом достаточно высокий уровень надёжности. Повышение спроса на бестрансформаторные ИБП связано с активным развитием ЦОД. Большинство производителей ИБП в одинаковой мере уделяют внимание обеим технологиям.

Обе архитектуры используют схему двойного преобразования рода тока (рис. 1) для обеспечения защиты питания критически важных приложений. 

Входной выпрямитель используется для преобразования переменного тока в постоянный. Постоянный ток поступает на вход инвертора и используется для заряда аккумуляторных батарей. Выходной инвертор осуществляет преобразование постоянного тока в переменный. В случае пропадания входного электропитания инвертор переходит на питание от аккумуляторных батарей. Основное отличие между двумя технологиями в наличии или отсутствии выходного трансформатора.

Трансформаторные ИБП имеют изолирующий трансформатор после инвертора, обеспечивающий гальваническую развязку нагрузки. Бестрансформаторные ИБП используют электронные схемы управления инвертором, что устраняет необходимость в применении изолирующего трансформатора как неотъемлемой части выходного каскада ИБП. Это показано на рис. 2 и 3. 

Кроме того, обе технологии позволяют опционально установить входной трансформатор перед выпрямителем.

Инженер, проектирующий систему бесперебойного питания, должен тщательно проанализировать затраты и выгоды от использования трансформаторной и бестрансформаторной технологии [1, 2].

Трансформаторная технология

На рис. 2 показана упрощённая блок-схема трансформаторного ИБП.

Рассмотрим основные элементы блок-схемы.

Бестрансформаторная технология

В бестрансформаторных ИБП функции выходного трансформатора выполняют электронные схемы. На рис. 3 показана упрощённая блок-схема бестрансформаторной технологии. Здесь есть ряд ключевых отличий от схемы на рис. 2.

Из схемы во входной цепи убираются пассивные компоненты (трансформаторы, индуктивности, конденсаторы). На входе используется ШИМ-выпрямитель. Преимущества такого выпрямителя заключаются в меньших габаритных размерах, низком коэффициенте гармоник тока и единичном входном коэффициенте мощности.

Как правило, аккумуляторные батареи подключаются в цепь постоянного тока через повышающие преобразователи – бустеры. Это необходимо ввиду того, что инвертор бестрансформаторных ИБП должен обеспечивать более высокое выходное напряжение. Поскольку нейтральный проводник является сквозным, то есть проходит с входа на выход, фактически цепь постоянного тока имеет два плеча – положительное и отрицательное. В каждом плече установлен комплект аккумуляторных батарей.              

Технические особенности и отличия трансформаторных и бестрансформаторных ИБП

К конструкции ИБП обычно предъявляются следующие требования:

При выборе трансформаторной или бестрансформаторной технологии необходимо чётко понимать, какие преимущества и недостатки даёт их применение. Рассмотрим технические особенности трансформаторных и бестрансформаторных ИБП более подробно.

Расположение и доступность

Бестрансформаторные ИБП имеют более гибкие возможнжости при размещении. Это особенно важно, когда ещё не определены будущие потребности заказчика. Бестрансформаторный ИБП обычно меньше по размерам и легче, чем трансформаторный ИБП той же мощности. Во многих случаях это позволяет расположить ИБП ближе к нагрузке. Меньшее давление бестрансформаторного ИБП на пол даёт возможность применения фальшпола.

Однако площадь, занимаемую ИБП, необходимо оценивать с учётом зоны обслуживания. Трансформаторный ИБП с фронтальным доступом (например, ИБП GE DE серии SG, рис. 4) может требовать меньше места, чем ИБП без трансформатора, к которому необходим доступ со всех сторон.

Применение бестрансформаторного ИБП совсем не означает, что невозможна установка трансформаторов в системе бесперебойного питания. Разработчик имеет возможность разместить трансформатор именно там, где это необходимо.

Надёжность

Трансформаторные ИБП по определению имеют более высокие показатели надёжности, благодаря тому что в их конструкции гораздо меньше точек отказа. Бестрансформаторный ИБП обычно име­ет большее количество элементов, следовательно, менее высокую надёжность. В таблице 1  приведено количество основных блоков ИБП при трансформаторной и бестрансформаторной технологии.

Входной коэффициент нелинейных искажений и коэффициент мощности

Тиристорный выпрямитель трансформаторного ИБП вырабатывает высшие гармоники тока. Уровень нелинейных искажений составляет около 28%. Эта величина может снижаться при установке пассивного фильтра (например, для ИБП GE DE серии SG): фильтр 5-й гармоники имеет коэффициент нелинейных искажений (КНИ) тока <8%.

Значение КНИ тока бестрансформаторного ИБП меньше 28%. Это достигается применением бустера, который обеспечивает совпадение формы кривой тока и напряжения. В зависимости от модели КНИ тока может быть менее 8–10% (ИБП GE DE серии LP33, рис. 5).

По сравнению с трансформаторным ИБП входной коэффициент мощности (КМ) бестрансформаторного ИБП выше. На входе трансформаторного ИБП стоит тиристорный выпрямитель. Его коэффициент мощности около 0,8. С помощью пассивных фильтров это значение может быть увеличено до 0,98. Бестрансформаторные ИБП имеют схемы коррекции входного коэффициента мощности. За счёт этого входной коэффициент мощности бестрансформаторного ИБП выше, чем у трансформаторного ИБП, при любой степени его загруженности (25, 50 или 100%).

Подсистема АКБ

В трансформаторных ИБП, как правило, чис­ло 12-вольтовых блоков батарей не превышает 30 (максимально 32). В бестрансформаторных ИБП число этих блоков равно 40, поскольку установлены последовательно две линейки батарей. Данное конструктивное ограничение вызвано тем фактом, что на вход инвертора бестрансформаторного ИБП должно подаваться напряжение номиналом 480 В. Таким образом, комплект аккумуляторных батарей для трансформаторного ИБП обойдётся дешевле. Также необходимо учитывать, что чем меньше последовательно соединённых элементов в подсистеме АКБ, тем выше её надёжность.

В трансформаторных ИБП зарядное устройство совмещено с выпрямителем и обеспечивает большой зарядный ток. В случае применения батарей повышенной ёмкости необходимо, чтобы величина зарядного тока составляла 10–20% от ёмкости АКБ, выра­жен­ной в А∙ч. На­при­мер, для АКБ ёмкостью 100 А∙ч следует обеспечить значение зарядного тока в диапазоне от 10 до 20 А. Соблюдение данного правила позволяет продлить срок службы аккумуляторных батарей, а также обеспечить быстрое восстановление времени автономной работы ИБП. В бестрансформаторных ИБП зарядные устройства (2 шт.) являются отдельными блоками и имеют ограничение по току. Для батарей повышенной ёмкости могут потребоваться дополнительные зарядные устройства (ЗУ) или ИБП большей мощности.

Трансформаторные ИБП, по сравнению с бестрансформаторными, имеют более высокое значение зарядного тока. Следовательно, к трансформаторному ИБП можно подключить большее количество батарей и тем самым обеспечить увеличение времени автономной работы системы бесперебойного питания.

КПД системы

Применение трансформатора в ИБП понижает общий КПД устройства, однако в современных ИБП он (с учётом применения современных алгоритмов управления инвертором, как, например, пространственно-векторной модуляции в ИБП GE DE серий SitePro и SG) может достигать 92–93%.

КПД бестрансформаторного ИБП, как правило, немного выше, чем у трансформаторного ИБП. Типичное значение составляет 93–93,5%. КПД можно повысить (также и для трансформаторных ИБП) за счёт использования так называемого эко-режима, при котором нагрузка подключается в обход схемы двойного преобразования.

Постоянная составляющая на выходе

Постоянная составляющая на выходе ИБП может повредить нагрузку. Одно из главных преимуществ применения транс­форматорных ИБП в том, что исключается возможность появления постоянной составляющей на выходе устройства. В бестрансформаторных ИБП при возникновении короткого замыкания в элементе IGBT-инвертора на выходе появляется постоянная составляющая. При этом ИБП должен переключиться на статический байпас.

Плавный старт и тест батарей

Трансформаторный ИБП оборудован управляемым тиристорным выпря­ми­те­лем. Включение ИБП не вызовет перегрузки генератора или сети. Выпрямитель бестрансформаторного ИБП не может регулироваться.

Применение тиристорного выпрямителя даёт возможность тестирования состояния аккумуляторных батарей без риска отключения нагрузки. Поскольку тиристорный выпрямитель управляемый, можно искусственно создать напряжение постоянного тока на его выходе ниже напряжения АКБ. Если при тесте батареи дают отказ, инвертор питается от выпрямителя, что безопасно для нагрузки. Именно так проводится тест состояния АКБ. В бестрансформаторном ИБП батареи тестируются отключением выпрямителя и переходом инвертора на питание от батарей. При отказе батарей существует риск, что выпрямитель не включится достаточно быстро. При этом ИБП должен перейти на байпас.

Нейтраль

В трансформаторном ИБП выходная нейтраль формируется трансформатором инвертора. Для работы выпрямителя нейтраль не требуется. При работе на байпасе и несбалансированных нагрузках весь ток течёт через нейтраль байпаса. Для бестрансформаторного ИБП нейтраль сквозная. Выпрямитель требует подключения нейтрали ко входу. При работе на байпасе ток нейтрали течёт как через цепь байпаса, так и через ИБП. Это может привести к срабатыванию устройств дифференциальной защиты на байпасном входе ИБП.

Резюмируя рассмотрение технических особенностей трансформаторной и бестрансформаторной технологий, можно составить сводную таблицу, характеризующую сильные и слабые стороны обоих типов конструкции ИБП. В таблице 2  сравниваются основные параметры, на которые стоит обратить внимание, рассматривая трансформаторные и бестрансформаторные ИБП. 

Значение «+++» показывает, что данная технология оптимальна для конкретного фактора. При выборе типа ИБП ни одна из представленных характеристик не должна рассматриваться в качестве единственного критерия. Требования заказчика определяют, какие факторы должны иметь больший вес при выборе модели ИБП. Поэтому значения, отмеченные «+», также являются приемлемыми, если они не играют первостепенную роль при выборе технологии ИБП.

Обзор рынка трансформаторных и бестрансформаторных ИБП

General Electric Digital Energy

Модельный ряд трансформаторных и бестрансформаторных ИБП производства General Electric Digital Energy (GE DE) включает устройства серии LP. Четыре устройства мощ­ностью от 5 до 10 кВ∙А выполнены по трансформаторной схеме. Диапазон мощностей бестрансформаторных ИБП серии LP начина­ется с 3 кВ∙А и доходит до 120 кВ∙А. Бестрансформаторные ИБП LP мощ­ностью 10, 20, 30 кВ∙А выпускаются компанией с 1998 г. За это время они были не раз модифицированы, но всё ещё пользуются стабильным спросом. Изучив потребности рынка, эксперты GE DE приняли решение расширить диапазон мощностей до 120 кВ∙А и выпустили ещё пять моделей LP: на 40, 60, 80, 100 и 120 кВ∙А. В диапазоне от 10 до 120 кВ∙А также представлены трансформаторные модели ИБП: серии SitePro и SG. Среди новинок – устройства серии SG в диапазоне мощностей от 10 до 60 кВ∙А.

APC и Schneider Electric

APC и MGE by Schneider Electric также предлагают системы двух типов.

В номенклатуре изделий APC модульные и моноблочные, трансформаторные и бестрансформаторные системы (рис. 6), в то время как MGE использует трансформаторы в больших системах и бестрансформаторные модули в более низких (не более 150 кВ∙А) диапазонах мощностей.

Заключение

Несмотря на наблюдаемую тенденцию к переходу на бестрансформаторные ИБП, при выборе источника необходимо взвесить все достоинства и недостатки трансформаторной и бестрансформаторной технологии. В общем случае бестрансформаторные ИБП чаще всего используются для питания серверной нагрузки, то есть нагрузки без пусковых токов. Для динамичной нагрузки лучшим выбором будет трансформаторный ИБП. Правильный выбор технологии возможен только после анализа всех электрических характеристик сети и питаемой нагрузки. ●

Литература

Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru