Расчет мощности блока бесперебойного питания. Автоматический выбор модели источника бесперебойного питания

Оборудования в ваттах. Нам нужно узнать именно среднее (за время работы от ) потребление. Оно может отличаться от максимальной или номинальной мощности, указанной в описаниях оборудования.

Н апример, номинальная мощность блока питания компьютера может быть 500 Вт, а реальное потребление 120 Вт (процессор небольшой мощности - 60 Вт, не слишком навороченная матплата с интегрированным видеоадаптером - 50 Вт и небольшой винчестер - 10 Вт).

В торой пример. Подключенный к холодильник имеет компрессор с электрической мощностью 200 Вт, но включается этот компрессор один раз в 10 минут и работает 2 минуты. В этом случае, среднее потребление будет равно:

200 Вт / 10 мин. * 2 мин. = 40 Вт

Е сли для холодильника указано годовое потребление энергии в киловатт-часах, (например, 270 кВт*час в год), то для расчета средней мощности эту величину нужно разделить на 9:

P = 270 / 9 = 30 Вт

Н ас интересует средняя активная мощность оборудования, питающегося от , т.е. мощность, выраженная в ваттах (Вт), а не в вольт-амперах (ВА). Если известна только полная мощность (в ВА), то ее нужно умножить на коэффициент от 0.6 до 1.0 в зависимости от характеристик оборудования.

2. Расчет суммарной

Н апример, имеет встроенную , состоящую из 2-х

Номинальная мощность источника бесперебойного питания – это один из самых важных технических параметров, который необходимо учитывать при выборе ИБП. Неправильный расчет мощности ИБП, как минимум, приведет к тому, что источник бесперебойного питания будет постоянно перегружаться, а значит, не сможет выполнять свое основное назначение – защищать оборудование. В худшем случае при значительной перегрузке ИБП может сам стать причиной сбоя в энергоснабжении ответственной нагрузки.

Расчет мощности ИБП. Теория.

Номинальная мощность источника бесперебойного питания определяется исходя из мощности подключенной к нему нагрузки. Здесь под нагрузкой мы понимаем суммарную мощность всех электроприборов, которые планируется подключить к ИБП . Следовательно, нужно правильно рассчитать мощность нагрузки и на основании расчета выбрать источник бесперебойного питания. Важное уточнение – при расчете следует исходить как из полной, так и из активной мощности нагрузки. Вспомним некоторые данные из курса школьной физики.

Полная мощность (единица измерения ВА, VA – вольт-ампер) это вся мощность, потребляемая нагрузкой. Полная мощность состоит из двух составляющих – активной мощности (единица измерения Вт, W – Ватт) и реактивной мощности (единица измерения var, вар – вольт-ампер реактивный). Как правило, подавляющее большинство нагрузок имеют как активную, так и реактивную составляющие.

– нагрузка, в которой вся потребляемая энергия преобразуется в тепло. Реактивная составляющая у такой нагрузки настолько мала, что ей можно пренебречь. К активным нагрузкам относятся различные нагревательные приборы (обогреватели, ТЭНы и т.д.), лампы накаливания, утюги и электроплиты. Как правило, производитель электроприборов указывает мощность такой нагрузки в Ваттах.

– все прочие нагрузки. Реактивная нагрузка может носить индуктивный или емкостной характер. Типичным представителем нагрузки с реактивной составляющей, имеющей индуктивный характер, является электродвигатель. Полная мощность электродвигателя P и активная мощность P a связаны между собой коэффициентом cos φ.

Значение cos φ обычно указывается в техническом паспорте изделия.

Расчет мощности ИБП. Методика.

Чаще всего производители источников бесперебойного питания в технической спецификации на оборудование указывают полную и активную мощность ИБП. Реже можно встретить указание на полную мощность и значение выходного коэффициента мощности. В последнем случае активную мощность ИБП можно рассчитать по формуле

Здесь
P – полная мощность ИБП
P а – активная мощность ИБП
P F – коэффициент мощности по выходу (указывается в технической спецификации на источник бесперебойного питания)

Для того чтобы подобрать по мощности необходимую модель источника бесперебойного питания нужно рассчитать суммарную мощность электроприборов, которые планируется подключить к ИБП. Расчет следует проводить как для активной, так и для полной мощности нагрузки, то есть в итоге у вас должно получиться две цифры – полная мощность нагрузки (в вольт-амперах) и активная мощность нагрузки (в ваттах). Алгоритм расчета приблизительно следующий

1. Составьте список электрооборудования, которое планируете подключить к ИБП.

2. Определите полную мощность каждого устройства одним из следующих способов

• Полная мощность указывается производителем в паспорте на прибор.
• Если в паспорте указана активная мощность оборудования, то рассчитайте полную мощность по формуле, приведенной ниже.

Здесь
P – полная мощность устройства
P а – активная мощность устройства
cos φ – коэффициент мощности (указывается в паспорте устройства). Если cos φ в паспорте не указан, то для расчета исходим из того, что cos φ = 0,7. Для активной нагрузки (обогреватели, лампы накаливания и т.д.) cos φ = 1.

3. Важное замечание. Если вы планируете подключить к ИБП электродвигатель либо электроприбор, в состав которого входит электродвигатель, то при расчете мощности нужно обязательно учитывать пусковые токи. Любой электродвигатель в момент включения потребляет значительно больше мощности, чем в номинальном режиме работы. Поэтому чтобы избежать перегрузки источника бесперебойного питания, паспортное значение мощности устройства нужно умножить как минимум на 5, а лучше на 7.

4. Для получения значения полной мощности вашей нагрузки просуммируйте полученные данные по всем устройствам.

5. Аналогично рассчитайте активную мощность вашей нагрузки. Для расчета активной мощности используйте следующую формулу.

Расчет мощности. Правило выбора ИБП по мощности

Итак, мы получали два значения мощности нашей нагрузки – полную мощность и активную мощность. Основное правило выбора ИБП по мощности заключается в следующем: номинальная мощность источника бесперебойного питания должна быть на 25% больше чем мощность вашей нагрузки. Причем правило это должно работать как для полной мощности ИБП, так и для активной мощности. Разумеется, можно подобрать ИБП, номинальная мощность которого равна или немного больше мощности нагрузки. Такой вариант допустим, и будет работать, однако срок службы нагруженного на 100% ИБП будет существенно (в разы) меньше, чем срок службы ИБП, нагрузка которого не превышает 80% от номинальной.

Расчет мощности ИБП. Приблизительная мощность некоторых электроприборов

Ниже приведены ориентировочные значения потребления электроэнергии различными бытовыми электроприборами.

Бытовая техника.

Телевизор – 80 Вт.
Стиральная машина – 500…2000 Вт.
Холодильник – 1000 Вт.
Микроволновая печь – 1000 Вт.
Электрочайник – 2000 Вт.
Электрическая плита – 1000…2000 Вт.
Пылесос – 200…3000 Вт.
Утюг – 400…2000 Вт.
Лампа накаливания бытовая – 25…75 Вт.
Лампа люминесцентная бытовая – 5…30 Вт.

Компьютерная техника.

Сетевой роутер, хаб – 10…20 Вт.
Системный блок персонального компьютера – 200…1000 Вт.
Системный блок сервера – 300…1500 Вт.
Монитор ЭЛТ – 15…200 Вт.
Монитор ЖК – 20…60 Вт.

Для стабильной работы нашей локальной сети требуется источник бесперебойного питания, который сможет обеспечить работоспособность системы в течении 15 минут после отключения электроэнергии.

Как перевести ток (А) или активную мощность (Вт) в полную мощность (ВА). Мощность нагрузки измеряется в ВА (полная мощность)

Если однофазная нагрузка потребляет ток 10А, то ее полная мощность P= 10А * 220В = 2200 ВА

Для компьютерной нагрузки Вт переводятся в ВА с коэффициентом 0,7: 100 ВА = 70 Вт

89 компьютер = 89 х 300 ВА = 26,7 кВА

1 сервер = 1 х 700 ВА = 0,7 кВА

3 коммутатора = 3 x 200 ВА = 0.6 кВА

Для нашей сети, ИБП которой должен поддерживать работоспособность сети в течении 15 минут после прекращения подачи электроэнергии, подходит ИБП Powerware 9355 30(PW9155)30 кВА/28 кВт с 3 внутренними батареями 9Ah.

Схема сети

Структурная схема локальной вычислительной сети, рассматриваемой в данной курсовой работе, представлена на рисунке 2.

Рис 2. Структурная схема сети

Условные обозначения:

Отдел 1

Отдел 2

Отдел 3

Динамическая адресация

В данной работе необходимо создать DHCP-сервер. DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) – это сервис или протокол, работающий на клиентских машинах и на сервере, с целью автоматизации централизованного управления распределением IP-адресов рабочим станциям. Служба DHCP гарантирует защиту от дублирования IP-адресов. На сервере DHCP имеется база IP-адресов, которые сервер может назначить рабочим станциям. На рабочих же станциях запущена служба DHCP-клиент, которая ищет в сети DHCP-сервер и получает от него IP-адрес для рабочей станции. После получения этот IP-адрес на сервере помечается как занятый и ни одна рабочая станция его не сможет получить повторно. Логическая схема сети на базе DHCP-сервера показана на рис.6.1.

Рис. 6.1. Логическая схема сети, использующей DHCP-сервер

IP-адреса назначаются сервером по порядку из пула адресов (списка доступных адресов). Тот компьютер, который первым подключился к серверу, получит IP-адрес 10.1.3.151, второй компьютер получит IP-адрес 10.1.3.152 и т.д. IP-адрес закрепляется за клиентской машиной на определённый срок, установленный сервером. Таким образом, если компьютер comp1 не появится в сети в течение n суток, то IP-адрес 10.1.3.151 будет помечен как свободный. Так же на DHCP-сервере указывается диапазон назначаемых IP-адресов и диапазон исключаемых. В приведенном на рис.6.1 примере IP-адреса начинаются с 10.1.3.151 и заканчиваются 10.1.3.165, исключений нет.

По мере своего развития цивилизация начинает потреблять все больше энергии, в частности, электрической — станки, заводы, электронасосы, фонари на улицах, лампы в квартирах… Появление радио, телевизоров, телефонов, компьютеров дало человечеству возможность ускорить обмен информацией, однако, еще сильнее привязало его к источникам электроэнергии, поскольку теперь, во многих случаях, пропадание электричества равносильно потере канала доставки информационного потока. Наиболее критична такая ситуация для ряда наиболее современных отраслей, в частности, там, где основным инструментом производства являются компьютерные сети.

Давно подсчитано, что через пару-тройку месяцев работы стоимость информации, хранящейся на компьютере, превышает стоимость самого ПК. Уже давно информация стала разновидностью товара — ее создают, оценивают, продают, покупают, накапливают, преобразуют… и порой теряют по самым разнообразным причинам. Разумеется, до половины проблем, связанных с потерей информации, возникает из-за программных или аппаратных сбоев компьютерами. Во всех остальных случаях, как правило, проблемы связаны с некачественным электроснабжением компьютера.

Обеспечение качественного питания компонентов ПК — залог стабильной работы любой компьютерной системы. От формы и качественных характеристик сетевого питания, от удачного выбора компонентов питания порой зависит судьба целых месяцев работы. Исходя из этих соображений, была разработана изложенная ниже методика исследования, призванная в дальнейшем стать основой тестирования качественных характеристик бесперебойных блоков питания.

1. Положения ГОСТ
2. Классификация ИБП (описание, схема)
   • Оффлайновые
   • Линейно-интерактивные
   • Онлайновые
   • Основные типы по мощностям
3. Физика
   • a. Виды мощности, формулы расчета:
     • Мгновенная
     • Активная
     • Реактивная
     • Полная
4. Тестирование:
   • Цель тестирования
   • Общий план проведения
   • Параметры для проверки
5. Оборудование, использованное при тестировании
6. Библиография

Положения ГОСТ

Все, что связано с электрическими сетями, в России регламентируется положениями ГОСТ 13109-97 (принят Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации взамен ГОСТ 13109-87). Нормативы этого документа полностью соответствуют международным стандартам МЭК 861, МЭК 1000-3-2, МЭК 1000-3-3, МЭК 1000-4-1 и публикациям МЭК 1000-2-1, МЭК 1000-2-2 в части уровней электромагнитной совместимости в системах электроснабжения и методов измерения электромагнитных помех.

Стандартными показателями для электросетей в России, установленными ГОСТ, являются следующие характеристики:

• напряжение питания — 220 В±10%
• частота — 50±1 Гц
• коэффициент нелинейных искажений формы напряжения — менее 8% в течение длительного времени и 12% — кратковременно

Оговорены в документе и типичные проблемы электроснабжения. Чаще всего нам приходится сталкиваться со следующими из них:

• Полное пропадание напряжения в сети (отсутствие напряжения в сети на время более 40 секунд из-за нарушений в линиях подачи электроэнергии)
• Проседания (кратковременное снижение напряжения в сети до величины менее 80% от номинального значения на время более 1 периода (1/50 секунды) являются следствием включения мощных нагрузок, внешне проявляется как мерцание ламп освещения) и всплески (кратковременные повышения напряжения в сети на величину более 110 % от номинального на время более 1 периода (1/50 секунды); появляются при отключении большой нагрузки, внешне проявляются как мерцание ламп освещения) напряжения разной продолжительности (характерно для больших городов)
• Высокочастотный шум — радиочастотные помехи электромагнитного или другого происхождения, результат работы мощных высокочастотных устройств, коммуникационных устройств
• Отклонение частоты за пределы допустимых значений
• Высоковольтные выбросы — кратковременные импульсы напряжения величиной до 6000В и длительностью до 10 мс; появляются при грозах, как результат статического электричества, из-за искрения переключателей, внешних проявлений не имеют
• Выбег частоты — изменение частоты на 3 и более Гц от номинального (50 Гц), появляются при нестабильной работе источника электроэнергии, внешне могут и не проявляться.

Все эти факторы могут привести к выходу из строя достаточно «тонкой» электроники, и, как это часто бывает, к потере данных. Впрочем, люди давно научились защищаться: фильтры сетевого напряжения, «гасящие» скачки, дизель-генераторы, обеспечивающие подачу электроэнергии системам при пропадании напряжения в «глобальном масштабе», наконец, источники бесперебойного питания — основной инструмент защиты персональных ПК, серверов, мини-АТС и др. Как раз о последней категории устройств и пойдет речь.
Классификация ИБП

«Разделять» ИБП можно по разным признакам, в частности, по мощности (или сфере применения) и по типу действия (архитектуре/устройству). Оба этих метода тесно связаны друг с другом. По мощности ИБП делятся на

1. Источники бесперебойного питания малой мощности (с полной мощностью 300, 450, 700, 1000, 1500 ВА, до 3000 ВА — включая и on-line)
2. Малой и средней мощности (c полной мощностью 3–5 кВА)
3. Средней мощности (с полной мощностью 5–10 кВА)
4. Большой мощности (с полной мощностью 10–1000 кВА)

Исходя из принципа действия устройств, в литературе в настоящее время используется два типа классификации источников бесперебойного питания. Согласно первому типу, ИБП делятся на две категории: on-line и off-line , которые, в свою очередь, делятся на резервные и линейно-интерактивные .

Согласно второму типу, ИБП делятся на три категории: резервные (off-line или standby), линейно-интерактивные (line-interactive) и ИБП с двойным преобразованием напряжения (on-line).

Мы будем пользоваться вторым типом классификации.

Рассмотрим для начала разницу типов ИБП. Источники резервного типа выполнены по схеме с коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей сети, а в аварийном — переводит ее на питание от аккумуляторных батарей. Достоинством ИБП такого типа можно считать его простоту, недостатком — ненулевое время переключения на питание от аккумуляторов (около 4 мс).

Линейно-интерактивные ИБП выполнены по схеме с коммутирующим устройством, дополненной стабилизатором входного напряжения на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками. Основное преимущество таких устройств — защита нагрузки от повышенного или пониженного напряжения без перехода в аварийный режим. Недостатком таких устройств также является ненулевое (около 4 мс) время переключения на аккумуляторы.

ИБП с двойным преобразованием напряжения отличается тем, что в нем поступающее на вход переменное напряжение сначала преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем — с помощью инвертора — снова в переменное. Аккумуляторная батарея постоянно подключена к выходу выпрямителя и входу инвертора и питает его в аварийном режиме. Таким образом, достигается достаточно высокая стабильность выходного напряжения независимо от колебаний напряжения на входе. Кроме того, эффективно подавляются помехи и возмущения, которыми изобилует питающая сеть.

Практически, ИБП данного класса при подключении к сети переменного тока ведут себя как линейная нагрузка. Плюсом данной конструкции можно считать нулевое время переключения на питание от аккумуляторов, минусом — снижение КПД за счет потерь при двукратном преобразовании напряжения.

Физика

Во всех справочниках по электротехнике различаются четыре вида мощности: мгновенная , активная , реактивная и полная . Мгновенная мощность вычисляется как произведение мгновенного значения напряжения и мгновенного значения тока для произвольно выбранного момента времени, то есть

Так как в цепи с сопротивлением r u=ir, то

Средняя за период мощность P рассматриваемой цепи равна постоянной слагающей мгновенной мощности

Среднюю за период мощность переменного тока называют активной . Единица активной мощности вольт-ампер называется ватт (Вт).

Соответственно и сопротивление r называют активным. Так как U=Ir, то

Обычно именно активную мощность понимают под потребляемой мощностью устройства.

Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля. Для синусоидального тока равна произведению действующих тока и напряжения на синус угла сдвига фазы между ними.

Полная мощность — потребляемая нагрузкой суммарная мощность (учитываются как активная, так и реактивная ее составляющие). Вычисляется как произведение среднеквадратичных значений входного тока и напряжения. Единица измерения — ВА (вольт-ампер). Для синусоидального тока равна

Практически на любом электрическом приборе находится этикетка с указанием либо полной мощности устройства, либо активной мощности.
Тестирование

Основная цель тестирования — продемонстрировать поведение тестируемых ИБП в реальных условиях, дать представление о дополнительных характеристиках, которые не находят отражения в общей документации на устройства, на практике определить влияние различных факторов на работу ИБП и, возможно, помочь определиться с выбором того или иного источника бесперебойного питания.

Несмотря на то, что рекомендаций по выбору ИБП в настоящее время существует великое множество, в ходе тестирования мы рассчитываем, во-первых, рассмотреть ряд дополнительных параметров, которыми стоит поинтересоваться перед покупкой оборудования, во-вторых, по необходимости скорректировать набор выбранных методов и параметров тестирования и выработать базу для будущего анализа всего тракта питания систем.

Общий план проведения тестирования выглядит следующим образом:

• Указание класса устройства
• Указание заявленных производителем характеристик
• Описание комплектности поставки (наличие руководства, дополнительных шнуров, ПО)
• Краткое описание внешнего вида ИБП (функции, вынесенные на контрольную панель и перечень разъемов)
• Тип аккумуляторов (с указанием емкости аккумуляторов, обслуживаемые/необслуживаемые, наименование, возможно — взаимозаменяемость, возможность подключения дополнительных аккумуляторных блоков)
• «Энергетическая» составляющая тестов

В процессе тестирования планируется проверить следующие параметры:

• Диапазон входного напряжения, при котором ИБП работает от сети, не переключаясь на аккумуляторы. Больший диапазон входного напряжения уменьшает количество переходов ИБП на батарею и увеличивает срок ее службы
• Время переключения на питание от аккумулятора. Чем меньше время переключения, тем меньше риск выхода из строя нагрузки (устройства, подключенного через ИБП). Длительность и характер процесса переключения во многом определяют возможность нормального продолжения работы оборудования. Для компьютерной нагрузки допустимое время прерывания питания 20-40 мс.
• Осциллограмма переключения на аккумулятор
• Время переключения с аккумулятора на внешнее питание
• Осциллограмма переключения с аккумулятора на внешнее питание
• Время работы в автономном режиме. Этот параметр определяется исключительно емкостью батарей, установленных в ИБП, которая, в свою очередь, увеличивается при росте максимальной выходной мощности ИБП. Для обеспечения автономным питанием двух современных компьютеров SOHO типичной конфигурации в течение 15-20 мин, максимальная выходная мощность ИБП должна быть порядка 600-700 ВА.
• Параметры выходного напряжения при работе от батарей
• Форма импульса в начале разряда аккумулятора
• Форма импульса в конце разряда аккумулятора
• Диапазон выходного напряжения ИБП при изменении входного напряжения. Чем этот диапазон уже, тем меньше влияние изменения входного напряжения на питаемую нагрузку
• Стабилизация выходного напряжения
• Фильтрация выходного напряжения (если она есть)
• Поведение ИБП при перегрузке на выходе
• Поведение ИБП при пропадании нагрузки
• Вычисление КПД ИБП. Определяется как отношение выходной мощности устройства к потребляемой мощности от источника питания
• Коэффициент нелинейных искажений, характеризующий степень отличия формы напряжения или тока от синусоидальной
  • 0% — синусоида
  • 3% — искажения не заметны на глаз
  • 5% — искажения заметны глазом
  • до 21% — трапецеидальная или ступенчатая форма сигнала
  • 43% — сигнал имеет прямоугольную форму

Оборудование

При тестировании мы будем пользоваться не реальными рабочими станциями и серверами, а эквивалентными нагрузками, которые имеют стабильный характер потребления и коэффициент использования мощности, близкий к 1. В качестве основного оборудования, которое будет использоваться при проведении тестирований, в настоящее время рассматривается следующий комплект:

Библиография

1. ГОСТ 721-77 Системы энергоснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения свыше 1000 В
2. ГОСТ 19431-84 Энергетика и электрификация. Термины и определения
3. ГОСТ 21128-83 Системы энергоснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения до 1000 В
4. ГОСТ 30372-95 Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения
5. Теоретическая электротехника, изд. 9-е, исправленное, М.-Л., издательство "Энергия", 1965
6. Рекламные материалы компании
7. Интернет-ресурс