Как сделать бесперебойное питание действительно бесперебойным?

16 июня 2014

Интеллектуальные источники бесперебойного питания QUINT UPS-IQ, а также широкий спектр аккумуляторных батарей различных технологий производства Phoenix Contact позволяют создать гибкую систему питания, отвечающую индивидуальным требованиям как по сроку службы батарей, так и по экстремальным условиям эксплуатации. Новая функция передачи информации по протоколу Modbus открывает современные возможности для пользователей.

Обеспечение электропитанием систем автоматизации, работающих на ответственных производствах, особенно в нефтегазовой отрасли – одна из важнейших задач. Перерывы в энергоснабжении, к сожалению, все еще имеют место в распределительных сетях, а их длительность может составлять от миллисекунд до нескольких часов. Оборудование может находиться на удаленном объекте, и, в случае отключения питания, потеря контроля над процессом (например, транспортировкой газа) может быть крайне нежелательной. Для повышения надежности энергоснабжения систем автоматизации и телемеханики зачастую используются источники бесперебойного питания (ИБП) с комплектом батарей. Они защищают ответственные нагрузки, такие как промышленные ПК или ПЛК, от длительных провалов питания.

На базе оборудования Phoenix Contact из линейки QUINT можно спроектировать гибкое решение задачи бесперебойного питания напряжением 24 В постоянного тока. Система бесперебойного питания в общем случае состоит из трех компонентов: источника питания, блока ИБП и энергоаккумулятора. Такая модульность позволяет разделить все нагрузки на две части. Первостепенные нагрузки, которые должны всегда обеспечиваться питанием, подключаются к выходу ИБП. В случае перебоев внешнего напряжения, ИБП переключает их на питание от энергоаккумулятора. Второстепенные нагрузки подключаются непосредственно к выходу источника питания. Такой нехитрый подход позволяет сэкономить не только на емкости аккумулятора, но и на мощности ИБП, и даже на мощности источника питания. На данный момент для заказа доступны ИБП QUINT UPS-IQ с выходным током 5, 10, 20 и 40 А.

«Неизвестный» аккумулятор

Узким местом любой системы бесперебойного питания является именно энергоаккумулятор. Даже находящийся в резерве аккумулятор подвержен процессам старения, приводящим в итоге к увеличению его внутреннего сопротивления и уменьшению емкости. В большинстве решений по обеспечению бесперебойного питания 24 В, присутствующих на рынке в настоящее время, энергоаккумулятор является не только узким местом, но и «неизвестной величиной». Пользователь не имеет информации о том, в течение какого времени аккумулятор сможет обеспечить питание нагрузки, каков текущий уровень его заряда, каков оставшийся ресурс аккумулятора, когда его следует заменить. Отсутствие этой информации может привести к тому, что в случае перебоев энергоснабжения аккумулятор не сможет обеспечить нагрузку в течение требуемого периода, разрядившись раньше времени.

Расширенный мониторинг аккумулятора

Интеллектуальные ИБП серии QUINT UPS-IQ от Phoenix Contact решают эту проблему, предоставляя пользователю исчерпывающую информацию о состоянии энергоаккумулятора. Благодаря IQ-технологии, обеспечивается надежное питание нагрузок 24 В и оптимальное использование аккумулятора. Его параметры измеряются, а на основе статистики таких важных данных, как температура эксплуатации, число и глубина циклов заряда/разряда и внутреннее сопротивление аккумулятора, вычисляются его оставшиеся срок службы и ресурс. Также ИБП QUINT UPS-IQ определяет текущий уровень заряда батареи, текущий ток нагрузки, и на основании этого в динамическом режиме вычисляет оставшееся время работы от аккумулятора.

Таким образом, пользователь в любой момент времени осведомлен о состоянии аккумулятора и может спланировать его своевременную замену при приближении к концу его реального оставшегося срока службы. Повторим, что срок службы является величиной переменной и зависящей, в основном, от температуры эксплуатации и интенсивности заряда/разряда аккумулятора. Стоит отметить, что замену аккумуляторов можно производить в горячем режиме без отключения ИБП и потребителей.

Кроме расширенного мониторинга энергоаккумулятора, QUINT UPS-IQ обеспечивает его оптимальную зарядку. Процесс заряда происходит в три стадии: зарядка постоянным током, зарядка постоянным напряжением и капельный заряд для компенсации саморазряда. Выбор максимального зарядного тока происходит автоматически в соответствии с конкретным типом аккумулятора и его емкостью. Эту информацию ИБП получает от него по коммуникационному интерфейсу. Предлагаемые для QUINT UPS-IQ накопители имеют в своем составе не только сами аккумуляторы, но и небольшой электронный модуль. Этот модуль и производит измерение параметров аккумулятора и передает их в ИБП. Термокомпенсация напряжения заряда осуществляется на основании температуры, измеряемой непосредственно около аккумулятора. Во время разряда ИБП отключает аккумуляторы при снижении суммарного напряжения ниже определенного уровня (по умолчанию 19.2 В), чтобы не допустить вредного для них глубокого разряда.

Выбор энергоаккумулятора для системы бесперебойного питания

Несмотря на интеллектуальный функционал QUINT UPS-IQ, неправильный выбор аккумулятора может привести к преждевременному окончанию его срока службы со всеми вытекающими последствиями. Для удовлетворения требований различных потребителей компания Phoenix Contact предлагает широкий спектр энергоаккумуляторов с IQ-технологией, позволяющих в полной мере использовать все возможности ИБП (таблица 1). Каждый тип имеет свои особенности, на которых стоит остановиться подробнее. На рисунке 2 представлены различные типы энергоаккумуляторов UPS-BAT и UPS-CAP.

Рис. 1. Модульная система ИБП (слева направо): источник питания, ИБП, аккумулятор

Рис. 1. Модульная система ИБП (слева направо): источник питания, ИБП, аккумулятор

Рис. 2. Различные типы энергоаккумуляторов UPS-BAT и UPS-CAP

Рис. 2. Различные типы энергоаккумуляторов UPS-BAT и UPS-CAP

 

Таблица 1. Сравнение основных характеристик аккумуляторов

Наименование Температурный диапазон, °C Срок службы, лет Циклы (20°C) Масса, кг
20°C 50°C
UPS-CAP -40…60 >20 8 >500 тыс. 2.5
UPS-BAT/LI-ION -20…58 15 2 7 тыс. 2.9
UPS-BAT/VRLA-WTR -40…60 15 1.5 300 7.7
UPS-BAT/VRLA 0…40 6…9 1 250 5.9

Свинцово-кислотные аккумуляторы (UPS-BAT/VRLA)

Свинцово-кислотные герметичные аккумуляторы типа VRLA (Valve Regulated Lead Acid) получили широкое распространение. Однако они имеют и свои недостатки: узкий эксплуатационный температурный диапазон (0…40°С) и невысокий ресурс циклов заряда/разряда (около 250 ед.). Емкость энергоаккумуляторов типа UPS-BAT/VRLA, поставляемых Phoenix Contact, составляет 1.3…38 А•ч. Типовой срок службы – 6…9 лет (при температуре 20°С). Такие аккумуляторы хорошо подходят для обеспечения бесперебойного питания в течение нескольких часов там, где не предполагается частый переход в буферный режим. Крепление UPS-BAT/VRLA осуществляется либо на DIN-рейку, либо на стенку шкафа.

Свинцово-кислотные аккумуляторы с расширенным температурным диапазоном (UPS-BAT/VRLA-WTR)

Усовершенствованная AGM-технология (Absorbent Glass Mat) с пластинами из чистого свинца в аккумуляторах UPS-BAT/VRLA-WTR увеличивает их срок службы до 10…15 лет и существенно расширяет их температурный диапазон. Это позволяет без проблем размещать их, например, в неотапливаемых уличных шкафах. На данный момент аккумуляторы данного типа представлены двумя моделями емкостью 13 и 26 А•ч. Ресурс их циклов заряда/разряда близок к UPS-BAT/VRLA, изделия предполагают размещение на полу шкафа или на полке.

Литий-ионные аккумуляторы UPS-BAT/LI-ION

Литий-ионный аккумулятор емкостью 120 Вт•ч имеет на порядок больший ресурс по циклам заряда/разряда по сравнению с VRLA-аккумуляторами. У UPS-BAT/LI–ION он достигает 7000 единиц. Кроме того, плотность энергии в аккумуляторах такого типа больше, чем в свинцово кислотных, а внутреннее сопротивление меньше, благодаря чему они обеспечивают более длительное время работы. Температурный диапазон литий-ионных аккумуляторов составляет -20…58°C. Перечисленные преимущества, вкупе с длительным сроком службы (15 лет), делают их отличным выбором для систем, где предполагается частый переход в буферный режим.

Конденсаторные энергоаккумуляторы UPS-CAP

Накопители на основе двухслойных конденсаторов UPS-CAP емкостью 10 или 20 кДж являются лучшим решением для буферизации кратковременных провалов напряжения длительностью до нескольких минут. Невероятно высокий ресурс циклов заряда/разряда (>500 тыс. ед.), срок службы порядка 20 лет и диапазон температур эксплуатации -40…60°C сделают систему бесперебойного питания на основе UPS-CAP полностью необслуживаемой. Типовое время питания нагрузки 1 А составляет 12 мин, 20 А — около 33 с.

Таким образом, при выборе аккумулятора, кроме расчетного времени бесперебойной работы и мощности нагрузки необходимо учитывать:

  • температуру эксплуатации, так как со снижением температуры аккумулятор стремительно теряет емкость;
  • возможную частоту перебоев питания, так как при слишком частых буферных режимах аккумуляторы некоторых типов могут исчерпать свой ресурс циклов до окончания срока службы;
  • требования по сроку службы (если имеются).

Кроме того, различные модели ИБП имеют различный максимальный зарядный ток. При небольшой мощности нагрузки, но длительном времени бесперебойной работы (а следовательно, и большой емкости аккумулятора), рекомендуется выбирать модель ИБП большей мощности.

Удаленный контроль состояния системы бесперебойного питания

ИБП имеет три дискретных выхода, два из которых свободно программируются, а также коммуникационный IFS-порт. Через этот порт возможна как диагностика системы с помощью бесплатного ПО UPS-CONF через USB-адаптер, так и коммуникация с контроллерами по протоколу Modbus RTU, осуществляемая по интерфейсу RS-232 (потребуется дополнительный аксессуар — адаптер IFS-RS232, рисунок 3). По Modbus RTU доступна вся информация о системе бесперебойного питания: входное/выходное напряжение, ток нагрузки и зарядки, текущий режим, температура аккумулятора, его оставшийся срок службы, уровень заряда, расчетное время бесперебойной работы и многие другие параметры.

Рис. 3. Система бесперебойного питания, подключенная к контроллеру ILC 130 ETH по протоколу Modbus RTU

Рис. 3. Система бесперебойного питания, подключенная к контроллеру ILC 130 ETH по протоколу Modbus RTU

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Phonix_PS_05_14_opt

Продукты и решения Phoenix Contact для железнодорожной отрасли

Компания Phoenix Contact в последние годы уделяет большое внимание разработке электронных и электротехнических компонентов и решений для систем железнодорожной автоматики и телемеханики и электрооборудования подвижного состава. В число ее партнеров входят такие мировые лидеры в области производства и эксплуатации инфраструктуры и подвижного состава рельсового транспорта как Bombardier Transportation, Siemens, Alstom Transport, DB (Германия), SNCF (Франция). Развивается это отраслевое направление и в России.

Клеммы на DIN-рейку, кабельные разъемы HEAVYCON производства Phoenix Contact успешно прошли тестирование на вибрацию, удар, высокие и низкие температуры, повышенную влажность, поэтому они широко применяются и на подвижном составе. ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы» (Екатеринбург) занимается проектированием, изготовлением и внедрением собственных электротехнических разработок для городского электротранспорта уже более десяти лет. При проектировании и производстве трамвая «СПЕКТР» для обеспечения надежных контактов в разъемах для внешних подключений применяются изделия Phoenix Contact серии HEAVYCON. Использование разъемов этого типа позволило отказаться от дополнительных защитных кожухов, т.к. сами разъемы обеспечивают требуемую герметичность вводов. Также в изделиях для транспорта применяются разъемы для внутренней коммутации печатных плат из ряда COMBICON. Благодаря пружинным контактам монтажные работы осуществляются просто и быстро, а также обеспечивается требуемая надежность в тяжелых условиях работы подвижного состава городского электрического транспорта. Одним из наиболее знаковых проектов Phoenix Contact для подвижного состава стал проект по сборке первого российско-немецкого электровоза нового поколения «ГРАНИТ».

•••

Наши информационные каналы

О компании Phoenix Contact

Компания Phoenix Contact основана в 1923 году, имеет штаб-квартиру в Восточной Вестфалии-Липпе, Германия. Объединяет четыре производственных комплекса в Германии и пять производственных предприятий за рубежом. Предприятие Phoenix Contact представлено более чем в 60 странах мира и предлагает широкий ассортимент изделий для промышленной электротехники, который включает в себя шесть направлений продукции - от датчиков до систем управления, от классических клемм и брызгозащищенных разъемов до бес ...читать далее