Як зробити безперебійне живлення дійсно безперебійним

Олексій Єршов (ТОВ «Фенікс Контакт РУС»)

Інтелектуальні джерела безперебійного живлення QUINT UPS-IQ, а також широкий спектр акумуляторних батарей різних технологій виробництва Phoenix Contact дозволяють створити гнучку систему харчування, що відповідає індивідуальним вимогам як за терміном служби батарей, так і по екстремальних умов експлуатації. Нова функція передачі інформації по протоколу Modbus відкриває сучасні можливості для користувачів.

Забезпечення електроживленням систем автоматизації, які працюють на відповідальних виробництвах, особливо в нафтогазовій галузі - одна з найважливіших задач. Перерви в енергопостачанні, на жаль, все ще мають місце в розподільних мережах, а їх тривалість може становити від мілісекунд до декількох годин. Устаткування може перебувати на віддаленому об'єкті, і, в разі відключення живлення, втрата контролю над процесом (наприклад, транспортуванням газу) може бути вкрай небажаною. Для підвищення надійності енергопостачання систем автоматизації і телемеханіки часто використовуються джерела безперебійного живлення (ІБП) з комплектом батарей. Вони захищають відповідальні навантаження, такі як промислові ПК або ПЛК, від тривалих провалів харчування.

На базі обладнання Phoenix Contact з лінійки QUINT можна спроектувати гнучке рішення задачі безперебійного живлення напругою 24 В постійного струму. Система безперебійного живлення в загальному випадку складається з трьох компонентів: джерела живлення, блоку ДБЖ і енергоакумулятора. Така модульність дозволяє розділити всі навантаження на дві частини. Першорядні навантаження, які повинні завжди бути забезпечені харчуванням, підключаються до виходу ДБЖ. У разі перебоїв зовнішньої напруги, ДБЖ перемикає їх на харчування від енергоакумулятора. Другорядні навантаження підключаються безпосередньо до виходу джерела живлення. Такий нехитрий підхід дозволяє заощадити не тільки на ємності акумулятора, але і на потужності ДБЖ, і навіть на потужності джерела живлення. На даний момент для замовлення доступні ДБЖ QUINT UPS-IQ з вихідним струмом 5, 10, 20 і 40 А.

«Невідомий» акумулятор

Вузьким місцем будь-якої системи безперебійного живлення є саме енергоакумулятор. Навіть знаходиться в резерві акумулятор піддається процесам старіння, що призводить в результаті до збільшення його внутрішнього опору і зменшення ємності. У більшості рішень по забезпеченню безперебійного живлення 24 В, присутніх на ринку в даний час, енергоакумулятор є не тільки вузьким місцем, а й «невідомою величиною». Користувач не має інформації про те, протягом якого часу акумулятор зможе забезпечити живлення навантаження, який поточний рівень його заряду, який залишився ресурс акумулятора, коли його слід замінити. Відсутність цієї інформації може призвести до того, що в разі перебоїв енергопостачання акумулятор не зможе забезпечити навантаження протягом необхідного періоду, розрядившись завчасно.

Розширений моніторинг акумулятора

Інтелектуальні ДБЖ серії QUINT UPS-IQ від Phoenix Contact вирішують цю проблему, надаючи користувачу вичерпну інформацію про стан енергоакумулятора. Завдяки IQ-технології, забезпечується надійне живлення навантажень 24 В і оптимальне використання акумулятора. Його параметри вимірюються, а на основі статистики таких важливих даних, як температура експлуатації, число і глибина циклів заряду / розряду і внутрішній опір акумулятора, обчислюються його залишилися термін служби і ресурс. Також ДБЖ QUINT UPS-IQ визначає поточний рівень заряду батареї, поточний струм навантаження, і на підставі цього в динамічному режимі обчислює час, що залишився роботи від акумулятора.

Таким чином, користувач в будь-який момент часу обізнаний про стан акумулятора і може спланувати його своєчасну заміну при наближенні до кінця його реального строку служби. Повторимо, що термін служби є величиною змінною і залежить, в основному, від температури експлуатації та інтенсивності заряду / розряду акумулятора. Варто відзначити, що заміну акумуляторів можна виробляти в гарячому режимі без відключення ДБЖ і споживачів.

Крім розширеного моніторингу енергоакумулятора, QUINT UPS-IQ забезпечує його оптимальну зарядку. Процес заряду відбувається в три стадії: зарядка постійним струмом, зарядка постійною напругою і крапельний заряд для компенсації саморозряду. Вибір максимального зарядного струму відбувається автоматично відповідно до конкретним типом акумулятора і його ємністю. Цю інформацію ДБЖ отримує від нього по комунікаційному інтерфейсу. Пропоновані для QUINT UPS-IQ накопичувачі мають в своєму складі не тільки самі акумулятори, але і невеликий електронний модуль. Цей модуль і проводить вимірювання параметрів акумулятора і передає їх в ДБЖ. Термокомпенсація напруги заряду здійснюється на підставі температури, вимірюваної безпосередньо біля акумулятора. Під час розряду ДБЖ відключає акумулятори при зниженні сумарного напруги нижче певного рівня (за замовчуванням 19.2 В), щоб не допустити шкідливого для них глибокого розряду.

Вибір енергоакумулятора для системи безперебійного живлення

Незважаючи на інтелектуальний функціонал QUINT UPS-IQ, неправильний вибір акумулятора може призвести до передчасного закінчення його терміну служби з усіма витікаючими наслідками. Для задоволення вимог різних споживачів компанія Phoenix Contact пропонує широкий спектр енергоакумуляторів з IQ-технологією, що дозволяють в повній мірі використовувати всі можливості ДБЖ (таблиця 1). Кожен тип має свої особливості, на яких варто зупинитися докладніше. На малюнку 2 представлені різні типи енергоакумуляторів UPS-BAT і UPS-CAP.

Мал. 1. Модульна система ДБЖ (зліва направо): джерело живлення, ДБЖ, акумулятор

Свинцево-кислотні акумулятори (UPS-BAT / VRLA)

Свинцево-кислотні герметичні акумулятори типу VRLA (Valve Regulated Lead Acid) набули широкого поширення. Однак вони мають і свої недоліки: вузький експлуатаційний температурний діапазон (0 ... 40 ° С) і невисокий ресурс циклів заряду / розряду (близько 250 од.). Ємність енергоакумуляторів типу UPS-BAT / VRLA, що поставляються Phoenix Contact, становить 1.3 ... 38 А • год. Типовий термін служби - 6 ... 9 років (при температурі 20 ° С). Такі акумулятори добре підходять для забезпечення безперебійного живлення протягом кількох годин там, де не передбачається частий перехід в буферний режим. Кріплення UPS-BAT / VRLA здійснюється або на DIN-рейку, або на стінку шафи.

Свинцево-кислотні акумулятори з розширеним температурним діапазоном (UPS-BAT / VRLA-WTR)

Удосконалена AGM-технологія (Absorbent Glass Mat) з пластинами з чистого свинцю в акумуляторах UPS-BAT / VRLA-WTR збільшує їх термін служби до 10 ... 15 років і істотно розширює їх температурний діапазон. Це дозволяє без проблем розміщувати їх, наприклад, в неопалюваних вуличних шафах. На даний момент акумулятори даного типу представлені двома моделями ємністю 13 і 26 А • год. Ресурс їх циклів заряду / розряду близький до UPS-BAT / VRLA, вироби припускають розміщення на підлозі шафи або на полиці.

Літій-іонні акумулятори UPS-BAT / LI-ION

Літій-іонний акумулятор ємністю 120 Вт • год має на порядок більший ресурс по циклам заряду / розряду в порівнянні з VRLA-акумуляторами. У UPS-BAT / LI-ION він досягає 7000 одиниць. Крім того, щільність енергії в акумуляторах такого типу більше, ніж в свинцево кислотних, а внутрішній опір менше, завдяки чому вони забезпечують більш тривалий час роботи. Температурний діапазон літій-іонних акумуляторів становить -20 ... 58 ° C. Перераховані переваги, вкупі з тривалим терміном служби (15 років), роблять їх відмінним вибором для систем, де передбачається частий перехід в буферний режим.

Конденсаторні енергоакумулятори UPS-CAP

Накопичувачі на основі двошарових конденсаторів UPS-CAP ємністю 10 або 20 кДж є кращим рішенням для буферизації короткочасних провалів напруги тривалістю до декількох хвилин. Неймовірно високий ресурс циклів заряду / розряду (> 500 тис. Од.), Термін служби близько 20 років і діапазон температур експлуатації -40 ... 60 ° C зроблять систему безперебійного живлення на основі UPS-CAP повністю не потребує постійного обслуговування. Типове час живлення навантаження 1 А становить 12 хв, 20 А - близько 33 с.

Таким чином, при виборі акумулятора, крім розрахункового часу безперебійної роботи і потужності навантаження необхідно враховувати:

• температуру експлуатації, так як зі зниженням температури акумулятор стрімко втрачає ємність;
• можливу частоту перебоїв харчування, так як при занадто частих буферних режимах акумулятори деяких типів можуть вичерпати свій ресурс циклів до закінчення терміну служби;
• вимоги щодо терміну служби (якщо є).

Крім того, різні моделі ДБЖ мають різний максимальний зарядний струм. При невеликої потужності навантаження, але тривалому часу безперебійної роботи (а отже, і великий ємності акумулятора), рекомендується вибирати модель ДБЖ більшої потужності.

Віддалений контроль стану системи безперебійного живлення

ДБЖ має три дискретних виходу, два з яких вільно програмуються, а також комунікаційний IFS-порт. Через цей порт можлива як діагностика системи за допомогою безкоштовного програмного забезпечення UPS-CONF через USB-адаптер, так і комунікація з контролерами по протоколу Modbus RTU, здійснювана по інтерфейсу RS232 (буде потрібно додатковий аксесуар - адаптер IFS-RS232, малюнок 3). За Modbus RTU доступна вся інформація про систему безперебійного живлення: вхідна / вихідна напруга, струм навантаження і зарядки, поточний режим, температура акумулятора, його термін, що залишився служби, рівень заряду, розрахунковий час безперебійної роботи та багато інших параметрів.

Мал. 3. Система безперебійного живлення, підключена до контролера ILC 130 ETH по протоколу Modbus RTU

Продукти та рішення Phoenix Contact для залізничної галузі

Компанія Phoenix Contact в останні роки приділяє велику увагу розробці електронних і електротехнічних компонентів і рішень для систем залізничної автоматики і телемеханіки і електрообладнання рухомого складу. У число її партнерів входять такі світові лідери в галузі виробництва і експлуатації інфраструктури і рухомого складу рейкового транспорту як Bombardier Transportation, Siemens, Alstom Transport, DB (Німеччина), SNCF (Франція). Розвивається це галузевий напрям і вУкаіни.

Клеми на DIN-рейку, кабельні роз'єми HEAVYCON виробництва Phoenix Contact успішно пройшли тестування на вібрацію, удар, високі і низькі температури, підвищену вологість, тому вони широко застосовуються і на рухомому складі. ЗАТ «Автоматизовані системи і комплекси» (Єкатеринбург) займається проектуванням, виготовленням і впровадженням власних електротехнічних розробок для міського електротранспорту вже більше десяти років. При проектуванні і виробництві трамвая «СПЕКТР» для забезпечення надійних контактів в роз'ємах для зовнішніх підключень застосовуються вироби Phoenix Contact серії HEAVYCON. Використання роз'ємів цього типу дозволило відмовитися від додаткових захисних кожухів, тому що самі роз'єми забезпечують необхідну герметичність вводів. Також у виробах для транспорту застосовуються роз'єми для внутрішньої комутації друкованих плат з ряду COMBICON. Завдяки пружинним контактам монтажні роботи здійснюються просто і швидко, а також забезпечується необхідна надійність в тяжких умовах роботи рухомого складу міського електричного транспорту. Одним з найбільш знакових проектів Phoenix Contact для рухомого складу став проект по збірці першого російсько-німецького електровоза нового покоління «ГРАНІТ».