|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Тестирование линейно-интерактивных ИБП мощностью от 2,0 до 2,2 кВА функций линейно-интерактивных ИБП Часть II. Реакция ИБП на скачки уровня входного напряжения
Вторая часть испытаний линейно-интерактивных ИБП, проведенных в тестовой лаборатории журнала «Сети и бизнес», описывает реакцию источников на кратковременные скачки уровня входного напряжения различной глубины и длительности.
Владимир СКЛЯР
Известно, что напряжение в сети, непосредственно поступающее на вход ИБП, может меняться в достаточно широком диапазоне. Одна из важных функций линейно-интерактивных ИБП состоит в сжатии динамического диапазона выходного напряжения ИБП по сравнению со входным за счет подключения нагрузки к различным выходам внутреннего трансформатора. При низком входном напряжении выход источника подключается к его повышающей обмотке, при высоком — к понижающей. За счет изменения коэффициента трансформации диапазон выходного напряжения оказывается более узким, чем диапазон напряжения на входе ИБП. Эта схема хорошо работает, когда изменения напряжения в сети носят медленный характер. В этом случае легко определить пороги, при которых ИБП переходит в различные режимы работы: • от батарей (верхний и нижний пороги); • напрямую от сети; • коррекции на понижение и повышение напряжения. Измерить характеристики линейно-интерактивных ИБП, а также изучить их недокументированные свойства тестовая лаборатория журнала «Сети и Бизнес» получила возможность этим летом при испытании источников мощностью от 2,0 до 2,2 кВА. В «забегах» приняли участие: • APC Smart-UPS XL Modular 1500VA 230V Rackmount/Tower; • APC Smart-UPS 2200; • MGE Evolution 2000 RT 2U; • GE Digital Energy Match 2200 ВА; • Liebert PS2200RT2-230; • AROS SPRING 2000T; • Powercom SmartKing SMK-2000 ВА. Первая публикация1) результатов испытаний была посвящена основным свойствам ИБП, алгоритмам переключения в различные режимы работы и измерению величин порогов. Указанные источники питания рассчитаны на работу в диапазоне входных напряжений от 160 до 275 В и выходных — от 183 до 254 В без перехода на батареи. Это данные, усредненные по выборке из семи протестированных ИБП.
______________________________________________________ 1) «Тестирование линейно-интерактивных ИБП мощностью от 2,0 до 2,2 кВА. Часть 1. Основные характеристики. Выходное напряжение – теория и практика», СиБ, 2009, №4, с.76–97.
Для справки в таблице приведены значения величин входных напряжений, при которых ИБП переходят в различные режимы работы. Напомним, что модели GE Digital Energy Match 2200 ВА, Liebert PS2200RT2-230 и оба устройства от APC (Smart-UPS XL Modular 1500VA 230V Rackmount/Tower и Smart-UPS 2200) используют две повышающие обмотки трансформатора, в результате чего они имеют две ступени коррекции напряжения на повышение.
Отметим также, что для моделей APC Smart-UPS 2200, Liebert PS2200RT2-230 и MGE Evolution 2000 RT 2U измерения проводились при различных значениях порогов и диапазонов входного и выходного напряжений, что отражено в таблице и на соответствующих диаграммах в первой части уже упомянутой статьи по испытаниям ИБП. Поскольку в ИБП переходы между режимами защищены с помощью петель гистерезиса, одни и те же пороги для различных фаз работы источника принимают два отличных друг от друга значения: одно — при снижении напряжения на входе ИБП (зеленые стрелки на диаграмме), другое — при повышении (красные стрелки) (рис. 1). В таблице соответствующие значения порогов также выделены цветом.
Реакция ИБП на скачки и занижения уровня Измерение порогов перехода ИБП в различные режимы выполнялось в тестовой лаборатории путем плавного изменения напряжения, подаваемого на вход тестируемого источника с помощью ЛАТР. Однако в силовой сети могут присутствовать и быстрые вариации уровня напряжения — скачки и занижения, в том числе кратковременные, сравнимые со временем реакции ИБП на входные воздействия. Как же реагируют ИБП на такие изменения? Чтобы это проверить, в рамках лабораторного стенда была собрана простая схема, позволяющая переключать напряжение на входе ИБП. В ее состав вошел ИБП LanPro 6-11 на 6 кВА (источник «идеального» напряжения), лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), формировавший выходное напряжение нужной величины, и переключающее управляемое реле. Для фиксации результатов экспериментов напряжение со входа и выхода ИБП через разделительные трансформаторы подавалось на звуковую карту ПК. В результате для каждой модели ИБП накопился пул из нескольких десятков звуковых записей, характеризующих реакцию ИБП на скачки уровня. Чтобы не выйти за допустимый объем статьи было принято решение сосредоточиться на качественном анализе отработки скачков источниками питания, не акцентируя внимание на отличиях в алгоритмах работы различных моделей ИБП. Реакция конкретного ИБП на скачки уровня зависит от модели устройства, глубины занижения, а также установленной чувствительности ИБП (если возможность установки этого параметра предусмотрена изготовителем). Чувствительность может быть высокой (High), средней (Middle) и низкой (Low). В лаборатории нами была исследована реакция ИБП на скачки уровня при высокой и низкой чувствительности. Для эксперимента использовались ИБП компаний APC и MGE, которые имели возможность менять эти значения. Остальные ИБП проверялись в режиме «как есть», то есть с заводскими настройками.
Занижение уровня до глубины переключения на АКБ В первой серии проведенных экспериментов на вход ИБП подавался скачок уровня большой глубины, который приводит к переходу источника на работу от батарей. На рис. 2a представлена реакция ИБП MGE Evolution 2000 RT на занижение уровня с 220 до 150 В при высокой чувствительности. Переход ИБП на работу от батареи был выполнен примерно за 8 мс. Хотя «изрезанная» форма выходного напряжения особого оптимизма не внушает. В другой раз (рис. 2b) этому же ИБП понадобилось уже около 20 мс, чтобы «справиться» с занижением и перейти на работу от батарей.
Не менее интересен в данном случае и процесс восстановления после занижения уровня (переключение 150 → 220 В). Из рис. 3 видно, что в момент появления 220 В на входе ИБП MGE Evolution 2000 RT продолжает еще некоторое время (от 930 мс до 1с) работать от АКБ. Связано это с тем, что за время занижения накопился сдвиг фаз (в этом примере 72°) между напряжением на выходе инвертора и сетью. Очевидно, что ИБП должен решить две задачи — убедиться, что входное напряжение пришло в норму, а затем выполнить согласование (синхронизацию) фаз напряжения инвертора и сети, чтобы переключение происходило корректно.
Момент переключения на питание от входной сети для этого источника удалось зафиксировать (рис. 4). Ему соответствует необычный выброс выходного напряжения. Кстати, подобная флюктуация присутствует во всех экспериментах с данной моделью ИБП при исследовании скачка 150 → 220 В.
Но такая форма напряжения скорее исключение, чем правило. Вот как выглядит, к примеру, реакция ИБП Liebert PS2200RT2-230 на занижение уровня с 220 до 150 В (рис. 5a, b). Как видно из диаграмм в режим работы от батарей ИБП перешел за 16–18 мс.
В примере на рис. 5b занижение уровня очень короткое (34 мс), но этого достаточно для переключения источника на АКБ. После завершения скачка, как видно из рисунка, ИБП и далее продолжает работу от АКБ. Одна из особенностей Liebert PS2200RT2-230 состоит в том, что визуально выделить на диаграмме момент перехода ИБП от работы с АКБ к работе от сети очень трудно. Данный источник выполняет практически «бесшовную коммутацию» при переходе на сеть.
Выше была рассмотрена реакция ИБП на глубокие занижения уровня при установке высокой чувствительности. А как реагируют источники питания на такие же провалы напряжения, но при установленной низкой чувствительности (Low)? В качестве примера приведем реакцию ИБП MGE Evolution 2000 RT на скачек 220 → 150 В (рис. 6).
Из рисунка видно, что примерно на протяжении 55 мс напряжение на выходе ИБП повторяет входное. Далее источник выполняет переход на ступень коррекции вверх (у MGE всего одна ступень на повышение), где пребывает около 100 мс, после чего благополучно переходит на питание от батарей. Таким образом задержка реагирования ИБП на занижение в этом случае составила 155 мс. Еще один пример, как может выглядеть реакция ИБП на глубокое занижение уровня, — Powercom SmartKing SMK-2000 ВА (рис. 7).
Из диаграммы видно, что на протяжении 60 мс после занижения уровня напряжение на выходе ИБП повторяет входное напряжение. Это значит, что источник не среагировал оперативно на скачок уровня. Далее примерно в течение 70 мс ИБП скачкообразно повышает напряжение на выходе (вероятно, сработала схема коррекции), и лишь после этого переходит в режим работы от АКБ. Таким образом, данный источник перешел в режим работы от батарей после скачка уровня лишь через 130 мс. Кстати, после завершения занижения уровня этому ИБП потребовалось более 3с для перехода в режим питания от сети. Последний пример иллюстрирует реакцию источника питания, для которого производитель не предусматривает возможности регулировки чувствительности. Тем не менее, сравнивая результаты с предыдущими испытаниями, можно предположить, что по умолчанию чувствительность этого устройства установлена на уроне Low.
Неглубокие провалы уровня Интересно рассмотреть провалы уровня незначительной глубины, когда ИБП должен переходить в режим коррекции напряжения на повышение. Скорость реакции источника зависит в этом случае от установленной чувствительности. В качестве примеров будем использовать диаграммы, полученные при испытании ИБП APC Smart-UPS 1500 XLM. Большое количество иллюстративного материала, полученное в тестовой лаборатории для этой модели, позволяет хорошо видеть отличия в реакции источника на занижения различной глубины при установке различного уровня чувствительности. Аналогичные примеры можно было бы привести и для всех остальных ИБП, участвовавших в испытании, однако по занимаемому объему это напоминало бы скорее дипломную работу, чем статью.
Высокая чувствительность. Занижение до 170 В. В результате использования описанной схемы коммутации входного напряжения на вход ИБП поступает сигнал, уровень которого скачкообразно изменился с 220 В до 170 В (рис. 8).
На «красной» диаграмме показано, как ИБП отрабатывает это изменение. В момент резкого снижения входного напряжения ИБП принимает решение о переключении в режим коррекции. Во временном промежутке (Δt), находящимся в диапазоне 300–600 мс, происходит переходный процесс, в течение которого ИБП переключает нагрузку на одну из обмоток повышающего трансформатора. За это время напряжение на выходе достигает величины напряжения Uвх*к2 = 170*1,225=208,25 В. На «красной» диаграмме видно, что выходное напряжение в установившемся режиме ниже уровня входного напряжения до момента скачка.
Высокая чувствительность. Занижение до 190 В. При менее глубоких занижениях, например, при переходе от 220 В к 190 В, должно происходить переключение ИБП в режим коррекции на повышение (см. табл.). Однако в данном случае на протяжении еще примерно 90 мс после скачка напряжение на выходе ИБП продолжает оставаться равным величине входного напряжения (здесь 190 В) (рис. 9). И лишь только после этого напряжение на выходе достигает величины Uвх*к1 = 190*116,1 = 212 В. Это значит, что мы имеем дело с задержкой реакции данного ИБП на входное воздействие.
Однако детальные испытания показали, что этот ИБП при скачках ведет себя достаточно непредсказуемо, и результаты повторяются разве что только статистически. Так, например, в этой же серии экспериментов приходилось наблюдать иную картину, когда при скачке с 220 В до 190 В на выходе ИБП напряжение падает до уровня входного, а затем начинается асимптотический процесс перехода в режим коррекции (рис. 10). Длительность такого переходного процесса лежит в пределах 1,5 с. Подобная реакция ИБП уже наблюдалась нами ранее при занижении 220 170 В.
Высокая чувствительность. Занижение до 200 В. Если глубина занижения еще меньше, например, 200 В, то переключение ИБП в режим коррекции вообще не происходит, т.к. ближайший порог срабатывания составляет 197 В. Поэтому входное напряжение транслируется непосредственно на выход (ИБП работает напрямую от сети) (рис. 11).
Низкая чувствительность. Занижение до 170 В. При низкой чувствительности ИБП не «руководствуется эмоциями» при выборе вариантов действий, а принимает достаточно взвешенные решения. Реакция ИБП APC Smart-UPS 1500 XLM на занижение уровня с 220 В до 170 В проиллюстрирована на рис. 12.
Как видно из диаграммы, в течение первых двух периодов ИБП подает входное напряжение напрямую на выход ИБП (на нагрузку). Далее, примерно в течение трех периодов выполняется переключение ИБП к одной из ступеней коррекции напряжения вверх (отвод трансформатора). Затем, примерно через 110 мс от начала скачка, выполняется переключение на АКБ. По приведенной схеме ИБП работал во всех проведенных экспериментах со скачками 220 170 В. Точно таким же образом ведет себя ИБП APC Smart-UPS 2200.
Низкая чувствительность. Занижение до 190 В. В этом режиме ИБП APC Smart-UPS 1500 XLM при скачке уровня подает это напряжение на выход в течение достаточно длительного интервала времени, примерно 95 мс (рис. 13). И лишь только после этого включает первую ступень режима коррекции напряжения на повышение. В результате мы имеем достаточно продолжительный неконтролируемый период, когда входное напряжение напрямую подается на нагрузку.
Низкая чувствительность. Занижение до 200 В. Занижение уровня в 220 В до 200 В для режима низкой чувствительности протекало в классически четком стиле — ИБП, как ему и прописано, оставался в режиме прямой работы от сети. Все проведенные эксперименты показали идентичные результаты. В итоге можно сделать вывод, что низкая чувствительность (Low) ИБП загрубляет реакцию источника питания, что может привести к непредсказуемым результатам. В то же время установка высокой чувствительности (High) делает устройство слишком чувствительным к малейшим изменениям входного напряжения, что нередко приводит, как показывают эксперименты, либо к перестраховочной, либо к непредсказуемой реакции. Поэтому в качестве компромиссного решения видится установка средней чувствительности (Middle), которая позволит сбалансировать особенности крайних установок.
Восстановление входного напряжения Очевидно, что после завершения фазы занижения уровня входное напряжение должно вернуться к исходной величине, по крайней мере, это справедливо для тестовых испытаний. Процесс восстановления входного напряжения на лабораторном стенде происходит с использованием той же схемы, что и для формирования занижений. Рассмотрим реакцию ИБП на восстановление напряжения после скачка для двух вариантов чувствительности — высокой и низкой. _______________________________________________________ Экспериментировать с таким параметром ИБП, как чувствительность (sensitivity), следует очень осторожно. ______________________________________________________
Высокая чувствительность. Восстановление со 170 В. При подаче на вход ИБП APC Smart-UPS 1500 XLM напряжения на уровне 170 В источник находится в режим коррекции напряжения на повышение. После нормализации входного напряжения ИБП еще некоторое время (примерно 920–930 мс) остается в режиме коррекции. Эта задержка необходима, чтобы убедиться в том, что входное напряжение окончательно нормализовалось. Далее источник переключается в режим работы от сети (рис. 14).
Высокая чувствительность. Восстановление со 190 В. В отличие от предыдущего случая, реакция ИБП на восстановление входного напряжения 190 220 В существенно иная. Сразу же после скачка 190 220 В ИБП отреагировал необычным образом, резко снизив напряжение на выходе и начав затем его плавный подъем (рис. 15) по асимптоте.
Длительность переходного процесса составляет 640–660 мс. Примерно еще столько же источник находится в режиме коррекции, но уже при стабильной величине выходного напряжения. После того как источник «приходит к выводу» о стабильности входного напряжения, он переключается в режим работы от входной сети. Таким образом, от момента восстановления входного напряжения до перехода ИБП в режим работы от него, проходит примерно 1,3 с. Предугадать, как будет вести себя ИБП при восстановлении напряжения в сети, невозможно. Мы показали две различные реакции одного и того же источника на процедуру восстановления входного напряжения, причем в идеальных лабораторных условиях. Как будет вести себя ИБП на реальной сети, никто сказать не берется.
Высокая чувствительность. Восстановление с 200 В. Мы уже знаем, что при входном напряжении, равном 200 В, ИБП находится в режиме работы от входной сети (без коррекции). Входное напряжение при этом подается напрямую на выход источника. Но в момент восстановления, то есть переключения на 220 В, реакция ИБП точно так же непредсказуема, как и при восстановлении со 190 В. На рис. 16а представлена одна из реакции ИБП, когда при скачке напряжения снизу вверх он переходит в режим коррекции.
По всем канонам источник этого делать не должен, но, вероятнее всего, быстрое изменение уровня воспринимается, как «форс-мажорная» ситуация, что в конечном итоге и приводит к неадекватной реакции. В другой ситуации (рис. 16б) реакция ИБП на скачек 200 220 В стандартна — ИБП продолжает работать от сети.
Низкая чувствительность. Восстановление со 170 В. При восстановлении входного напряжения 170 → 220 В динамика напряжения на выходе ИБП APC Smart-UPS 1500 XLM и Smart-UPS 2200 приведена на рис. 17, где проиллюстрировано начало скачка и его завершение. В связи с тем, что в ИБП установлен режим низкой чувствительности, он достаточно медленно реагирует как на занижение уровня, так и на восстановление. Это приводит к тому, что в течение первых 50 мс после занижения (2,5 периода) ИБП пропускает на выход входной сигнал. Далее в течение 120 мс он выполняет переключение на первую ступень коррекции на повышение, а затем на вторую. Таким образом, реакция на занижение отрабатывается на протяжении 170 мс.
Реакцию этого ИБП на занижение 220 → 170 В мы ранее уже рассматривали. Особенность же данного примера — в ином масштабе диаграммы, а также в том, что можно увидеть одновременно реакцию как на занижение, так и на восстановление. В момент восстановления (на входе ИБП появляется напряжение 220 В) на нагрузку в течение некоторого времени подается повышенное напряжение. Это не удивительно — нагрузка в это время подключена ко второму повышающему отводу трансформатора. Затем ИБП подключает нагрузку в первому повышающему отводу и, наконец, через 60 мс — ко входной сети. Все эти этапы хорошо видны на рис. 17.
О чем говорят эксперименты Проведенные испытания линейно-интерактивных ИБП мощностью от 2,0 до 2,2 кВА позволили тестовой лаборатории журнала «Сети и бизнес» сделать ряд выводов. Прежде всего, реакция ИБП на скачки уровня очень сильно зависит от установленной чувствительности источника. Чем она выше, тем более непредсказуемо ведет себя ИБП. Более того, поскольку момент занижения уровня случаен и никак не привязан к фазе напряжения, источник, в силу заложенного алгоритма, нередко отрабатывал его различным образом. Настораживает реакция ИБП при установке низкой чувствительности. В течение нескольких периодов входное напряжение может подаваться непосредственно на нагрузку. Это несет риск того, что глубокий кратковременный скачок входного напряжения, поступив на выход ИБП, приведет к сбою или перезагрузке компьютерного оборудования. Но в сети возможны не только кратковременные занижения, но и завышения уровня. Они также проходят на выход ИБП при низкой чувствительности. Именно поэтому варьирование подобных установок и эксперименты с ними должны проводиться очень осторожно. Гораздо более приемлемыми с практической точки зрения видятся ИБП, которые не обеспечивают регулировку параметра «Чувствительность» (Sensitivity). В данном случае это снимает с инженера ответственность за неправильно установленные параметры источника питания, хотя лишает гибкости настроек. В общем случае, перед началом промышленной эксплуатации хорошо бы порекомендовать провести испытания ИБП, подобные тем, которые были выполнены в нашей тестовой лаборатории. Ведь реакция ИБП на скачки уровня входного напряжения никак не прописывается в документации, никак в ней не регламентируется, но очень сильно влияет на конечный результат — обеспечение гарантированного электроснабжения ответственного оборудования.
Редакция журнала «Сети и бизнес», а также тестовая лаборатория СиБ благодарят компании «Бест Пауэр Украина», ERC, «М-ИНФО», «НТТ Энергия», «Эксим-Стандарт», а также украинское представительство APC by Schneider Electric за предоставленное на тестирование оборудование. Отдельная благодарность компаниям «А-КОМ», «НТТ Энергия», представительству APC by Schneider Electric за техническую помощь в организации испытаний.
Владимир Скляр, СиБ
Другие статьи о ИБП:
Тестирование линейно-интерактивных ИБП мощностью от 2,0 до 2,2 кВА. Часть I. Основные характеристики
Украинский рынок ИБП, или Территория повышенного риска
|
|
