Автоматический выбор модели источника бесперебойного питания. Как рассчитать время автономной работы ИБП

Опубликовано автором - , - Январь 29, 2014

Для простоты мы сделали калькуляторы расчета:

А теперь представим алгоритм расчета:

1) Определяем совокупную мощность нагрузки и постоянный ток разряда.

2) Вычисляем необходимую емкость аккумулятора для заданной автономии.

3) Определяем тип аккумулятора

Пример

Дано: две светодиодные ленты мощностью по 10Вт и работающие от 12В. Необходимая автономия: 10ч. Срок службы: год при ежедневной эксплуатации. Условия эксплуатации: постоянная комнатная температура 20 градусов.

Найти: минимально допустимые и оптимальные аккумуляторы для решения задачи.

Решение

1) Совокупная мощность W=10Вт*2=20Вт. Постоянный ток разряда: I=20/12=1.67A. Для точных расчетов желательно померить ток потребления при помощи мультимера.

2) Для определения необходимой емкости следует пройти по пунктам:

а) Для того, чтобы продержать нагрузку на таком токе разряда необходимо определить минимальную расчетную емкость АКБ: 1,67*10=16,7Ач.

б) Нужно иметь ввиду, что емкость аккумуляторных батарей указывается производителями исходя из определенного времени разряда. Обычно это 10 часов. Но некоторые производители указывают 20 часов. Тут нам поможет по АКБ, которую можно взять на нашем сайте. Посмотрим спецификацию :

В нашем случае, время работы от АКБ 10 часов, значит мы можем считать емкость равной номинальной. Однако, если в задаче стоит 5 часов, то нужно делать поправку на то, что при таком времени разряда емкость АКБ будет ниже (умножаем ток разряда на часы – 4,8А*5ч=24Ач вместо 28).

В задаче мы можем видеть, что планируемое кол-во циклов у нас 365. Ориентировочная предельная глубина разряда в нашем случае – около 57%. Желательно взять с запасом, будем рассчитывать на 50% разряд (реальные условия эксплуатации отличны от идеальных лабораторных условий).

Таким образом, вводим поправку 0,5: 16,7/0,8=33,4Ач.

г) В случае, если мы имеем дело с отличной от оптимальной температурой эксплуатации (25градусов), необходимо водить поправочный коэффициент, который тоже можем взять из спецификации:

Так при температуре 10 градусов следует ввести коэффициент 0.9, т.е. ещё +10% к расчётной емкости.

3) В случае, если нам необходимы долгие режимы разряда – следует обратить внимание на серии AGM аккумуляторов популярных на российском рынке производителей:

У АКБ Delta – серия
У CSB –

Определите цель применения ИБП и его первоочередное назначение. Важный показатель – частота использования и тип подключаемой нагрузки. В том случае, когда происходит выбор ИБП для домашнего, бытового использования с редкими отключениями электроэнергии, можно рассматривать линейно-интерактивный тип или резервный. В случае с коммерческим применением или промышленным, потребуется устройство on-line типа. Обращаем Ваше внимание, что это общие рекомендации, чтобы определить правильность выбора класса ИБП, звоните в департамент продаж систем гарантированного электроснабжения (+380 44 383 3663).

3. Подбор ИБП по характеристикам

При помощи калькулятора сделайте подбор ИБП по заданным параметрам. В базе калькулятора более 16"000 моделей источников бесперебойного питания и инверторов напряжения. Выбор ИБП происходит по обновляющейся базе, где присутствуют большинство зарубежных торговых марок General Electric , INVT , Riello UPS , Socomec, Borri, Emerson, Eaton, APC, Legrand, Voltitronic, Ippon , а также украинские производители: Reserve , Volter , SinPro, Integral, Phantom и другие. Также база содержит автономные и гибридные инверторы напряжения линейно-интерактивного и резервного типа Victron Energy , Power Star , Stark Country , MeanWell, TBS Electronics и другие.

Внимание! В базе отсутствуют бюджетные модели украинского и китайского производства, которые не отвечают заявленным техническим характеристикам, не обеспечивают должного качества заряд аккумулятора и относятся к ненадежному классу устройств.

По состоянию на 2017 год можно выделить некоторые проверенные бренды, которые завоевали значительную долю рынка Украины. Условно, ИБП и инверторы можно разбить на несколько сегментов по стоимости, но не стоит предполагать, что чем дешевле продукт, тем чаще он будет выходить из строя. Как показывает опыт использования на примере наших клиентов, даже недорогие ИБП могут работать не менее качественно, ведь главное сделать правильное техническое задание и в полном соответствии с ним подобрать подходящую модель.

Немного теории

Для расчета времени работы источника бесперебойного питания (ИБП) с какой-либо нагрузкой, нужно знать емкость аккумулятора, которая выражается в ампер-часах (А*ч). Однако, в характеристиках ИБП обычно пишут не ампер-часы, а воль-амперы (В*А), то есть пишут мощность. Но это не просто мощность, а идеальная выходная мощность, придуманная маркеторогами. Ключевое слово здесь - "идеальная". То есть такая, которой в реальном мире не может быть. Обозначим ее как Pideal .

Более честные производители указывают эффективную мощность, которая традиционно выражается в ваттах. Обозначим ее как Peffective . Эффективная мощность получается из идеальной путем умножения на коэффициент мощности:

Peffective = k * Pideal

Чему же равен коэффициент мощности k ? В ИБП на выходе устанавливается инвертор, который преобразует 12В, выдаваемых аккумулятором, в 220В, требуемых для питания подключенных устройств. Так как выдаваемый ток переменный, то потеря мощности составляет 1/sqrt(2)=0.70. Плюс исключаем из этой мощности питание самой схемы бесперебойника, и получим коэффициент примерно равный 0.6.

Например, обычный офисный бесперебойник APC Smart UPS 500 имеет мощность 500 В*А. Эта та идеальная мощность, которую может обеспечить аккумуляторная батарея, установленная внутри ИБП. Эффективная мощность, согласно нашей формуле и коэффициенту, будет всего лишь 0.6 от идеальной, т. е. 300 Вт.

Теперь вопрос. Почему мы вначале писали вольт-амперы, а потом стали писать ватты? И то и то является единицей измерения мощности. Традиционно, в вольт-амперах пишут идеальную мощность, а в ваттах - эффективную мощность. Но это величины одной и той же размерности.

Вычислении времени работы устройства

Теперь поймем, как вычислять время работы устройства, запитанного от ИБП. Например, у нас есть управляемый роутер Cisco, который потребляет 50 Вт. Что значит потребляет 50 Вт? Это значит, что в час он для своей работы потратит 50 Вт мощности. То есть, на самом деле, надо бы писать 50 Вт/ч. Обозначим эту величину как Dpower (power demand - расход мощности).

У нас ИБП имеет запас эффективной мощности всего 300 Вт. Это значит, что если оборудование потребляет 50 Вт/ч, то хватит нашего ИБП на:

300 Вт / 50 Вт/ч = 6 ч

То есть, формула для расчета времени будет такой:

T = Peffective / Dpower

То есть, если Dpower будет в размерности Вт/ч, то время получится в часах.

И в заключение, немного бреда

Глядя на размерности мощности (вольт*ампер), вспоминаем из школьного курса физики формулу электрической мощности:

P = U*I

Где:

P - это мощность батареи, выражается в вольт-амперах (В*А),
V - это напряжение батареи, выражается в вольтах (В),
I - это сила тока, генерируемая батареей, выражается в амперах (А).

Теперь, зная что в бесперебойниках обычно стоят аккумуляторы с напряжением 12В, Мы можем узнать силу тока, которую способен дать аккумулятор:

I = P/U = 500/12 = 41,6 А

Ох, нифига себе, 41,6 А! Это что же за ток такой? Это нормальный ток. Просто это ток короткого замыкания, когда нет никакого сопротивления, причем ток, расчитанный исходя из идеальной мощности. Но вы же не будете коротить аккумулятор, вы же будете подключать к ИБП нагрузку.

Март 29, 2016

Точный расчет времени автономной работы от аккумулятора при помощи математических выкладок занятие нетривиальное. В связи с этим, мы упростили задачу, реализовав алгоритм расчета в калькуляторах:

Однако давайте рассмотрим подходы к определению времени автономной работы.

1) Простая формула

Т = E U / P

Е - емкость аккумулятора в Ач
U - напряжение
P - мощность нагрузки в Вт.

Это сильно упрощенная формула, которая дает очень приблизительный результат при разрядах в диапазоне 5-15 часов. Подходит для того, чтобы быстро в уме прикинуть время автономии. Алгоритм не учитывает снижение энергоотдачи АКБ на коротких разрядах и увеличение на длинных, а также различные коэффициенты.

Существует усовершенствованная формула с коэффициентами:

Т = Uаб * Сак * К * h * Кр * Кg / Рнагр

Т – время автономной работы источника бесперебойного питания, ч;
Uаб – напряжение аккумуляторной батареи, В;
Сак емкость аккумуляторной батареи, Ач;
К – количество аккумуляторов в цепи;
h – КПД преобразователя (h=0,75-0,9), часто меняется от величины нагрузки;
Кр – коэффициент глубины разряда 0,8 –0,9 (80%-90%), следует считать 80%;
Кg – коэффициент доступной емкости (зависит от режима разряда и температуры, см. характеристики АКБ)
Рнагр – мощность нагрузки.

Этот алгоритм даёт относительно точные результаты, но для длительных разрядов от 1 часа и выше. На коротких разрядах результаты могут быть сильно искаженными из-за нелинейной функции разряда свинцово-кислотных АКБ. Похожий метод мы использовали в статье .

2) Формула Пекерта

T=Cp/I^ n

T – время в часах
Cp – емкость Пекерта (ёмкость АКБ при разряде током 1А)
I – ток разряда
n – экспонента Пекерта

Экспонента Пекерта иногда указывается в характеристиках АКБ, и рассчитывается она на основании данных C-рейтинга аккумулятора (емкость на разном времени разряда). Емкость Пекерта рассчитывается по формуле – Ср=R(C/R)^n (R – рейтинг в часах, соответствующий данной емкости, например, 10).

На базе этой формулы с учетом КПД инверторов и глубины разряда основаны наши калькуляторы. Они с высокой точностью рассчитывают время автономии как на коротких, так и на длинных разрядах.

3) Расчет по таблицам из спецификаций АКБ

Шаг 1. Расчет полной мощности в мощность нагрузки на аккумуляторы

Ракб= (Pнагр*cos(φ)*Кнагр)/КПДинв

Pнагр – мощность в кВа
cos(φ) – характеристика коэффициент мощности (характеристика нагрузки)
Кнагр – степень загрузки ИБП
КПДинв – коэффициент полезного действия инвертора

Для примера возьмем ИБП мощностью 120кВа работающий на нагрузке 70% с коэффициентом мощности 0.8:

Ракб= (120000*0,8*0,7)/0,94=71 489Вт - именно эта нагрузка ляжет на весь аккумуляторный банк при питании ИБП от АКБ.

Шаг 2. Расчет нагрузки на один аккумулятор

Пересчитаем нагрузку на один АКБ. Как правило, в крупных ИБП аккумуляторы соединяются последовательно кол-вом 32-40шт. Для расчета нагрузки на на одну батарею при 40АКБ:

71 489Вт/40=1 788Вт.

В дата-листе аккумуляторов как правило указывается мощность на элемент (Pэл), которых 6шт. в 12В АКБ. Следовательно:

Pэл = 1788/6 = 298Вт.

Шаг 3. Изучение разрядных таблиц батарей и подбор.

В статье мы рассматривали подвиды аккумуляторов в разрезе различного целевого использования. Одна из базовых характеристик – это энергоотдача, т.е. сколько способен отдать мощности АКБ за определенное время.

Давайте посмотрим разрядные таблицы 100Ач аккумуляторов Delta двух различных серий.

Delta DTM 12100 l:

Delta HRL 12100:

Напомним, что наша нагрузка на элемент 298Вт. Глубина разряда – 10,8В или 1,80В на элемент. Таким образом, из данных таблиц, можно сделать вывод, что DTM 12100 l продержит нагрузку около 13,8 минут (можно считать пропорционально, искажения минимальны), Delta HRL 12100 – 16,3 мин. разница порядка 15% . Кстати, разница в цене приблизительно аналогична.

4) Проведение реальных разрядов

Конечно, идеальным является проведение реальных разрядных тестов. Необходимо учитывать, что аккумуляторы набирают максимальную емкость к 10-му циклу заряда-разряда.

Вспомним кое-что из физики

При оценке мощности, потребляемой нагрузкой, следует учитывать полную мощность. Полная мощность (единица измерения ВА – вольт-ампер) - это вся мощность, потребляемая электроприбором. Она складывается из активной (единица измерения "Вт" - Ватт) и реактивной (единица измерения ВАР – вольт-ампер реактивный) составляющих мощности. Потребители электроэнергии зачастую имеют как активную, так и реактивную составляющие.

. У этого вида нагрузки вся потребляемая энергия преобразуется в тепло. У целого ряда устройств данная составляющая является основной. К ним относятся, например, электроплиты, осветительные лампы, электрообогреватели, утюги, ТЭНы и т. д.

Реактивные нагрузки . Практически все остальное. Они могут носить индуктивный и емкостной характер. Типичный представитель электроустройства, имеющего индуктивную составляющую нагрузки - электродвигатель. Полная мощность (Р) и активная мощность (Ра) связаны между собой коэффициентом cosФ.

Ра = cosФ х P

В чем же заключается методика подсчета мощности электропотребителей?

Для того, чтобы сделать оптимальный выбор модели ИБП по критерию необходимой мощности, нужно рассчитать суммарную мощность, потребляемую Вашей нагрузкой. Под нагрузкой, в данном случае, подразумеваются все электроприборы, находящиеся в Вашем доме (офисе, квартире, производственном помещении), подлежащие защите.

Мощность, потребляемую конкретным устройством, лучше всего определить по паспорту или инструкции по эксплуатации на это изделие. Иногда потребляемая мощность и коэффициент cosФ указываются на задней стенке прибора или устройства. Следует учесть, что величина мощности в документах на разные приборы может быть указана либо в ваттах, либо в вольт-амперах. В целях избежания ошибок при расчетах мощности устройств суммируем отдельно по каждой единице измерения в две колонки.

перечислим все электропотребители, подлежащие защите;
просуммируем их мощности как указывалось выше;
приведем полученные результаты к одной единице измерения мощности (лучше в вольт-амперах). Для этого:
Если в паспорте указана активная мощность и коэффициент cosФ, то легко пересчитать ее в полную мощность. Для этого активную мощность в "Вт" нужно разделить на cosФ. Например, если на изделии написано, что активная мощность составляет 700 Вт и cosФ = 0,7, то это означает, что потребляемая полная мощность будет равна 700/0,7=1000 ВА. Если cosФ не указан, то для примерного расчета примем его равным 0,7.

Рассчитанную таким образом мощность следует сложить с суммой мощностей по другой колонке (просуммированной в ВА).

Примечание : для электроприборов, имеющих только активную нагрузку, коэффициент cosФ принимаем равным 1.

Следует учесть еще один крайне важный момент - пусковые токи. Любой электродвигатель (компрессор) в момент включения потребляет энергии в несколько раз больше, чем в номинальном режиме. В случае, когда в состав нагрузки входит электродвигатель, (например: погружной насос, холодильник, дрель), его паспортную потребляемую мощность необходимо умножить, как минимум, на 3 (лучше на 5) во избежание перегрузки стабилизатора или ИБП в момент включения устройства. Внесите эти коррективы в Ваши расчеты.

Итак, мощность подсчитана.

Однако учтем еще два момента.

В жизни практически не бывает случаев, когда одновременно работает абсолютно вся нагрузка. В самом деле, если Вы встречаете гостей, то вряд ли в это время стирается белье, днем освещение не включается и т. д. На практике существует такое понятие как "коэффициент одновременного включения". Таким образом, посчитанную величину можно уменьшить (т.е. умножить примерно на коэффициент 0,3-0,5).
С другой стороны недопустимо, чтобы работал в режиме полной загрузки. Для создания "щадящего" режима работы полученную в результате предыдущих расчетов мощность желательно увеличить примерно на 10-15%. Этим Вы увеличиваете срок службы техники, повышаете надежность и создаете себе резерв мощности для подключения нового оборудования.

Искомая цифра найдена. Теперь, основываясь на конкретных примерах, выберем ИБП.

Для облегчения задачи определения мощности можно привести таблицу с примерными данными потребления элетроэнергии бытовой техники.