Как правильно подобрать мощность вашего ИБП. Разбираем на примере Eaton / Хабр

Надёжная защита компьютеров, работоспособность и долгий срок службы источников бесперебойного питания (ИБП) зависят от правильно подобранной мощности ИБП по отношению к нагрузке. В этом посте мы рассмотрим простые правила подбора ИБП по мощности — они помогут и сэкономить бюджет, и остаться уверенным, что эти устройства обеспечат защиту в случае внезапного сбоя или отключения электроснабжения.

Расчёт нагрузки при выборе мощности ИБП

При подборе ИБП оперируют тремя величинами:

1. мощность нагрузки,
2. номинальная мощность ИБП,
3. требуемое время автономной работы ИБП от батареи.

Это основные параметры, но есть ещё нюансы, и об этом мы тоже расскажем ниже.

С определением мощности нагрузки всё относительно просто — суммируется мощность всех устройств, которые планируется подсоединить к одному ИБП (обычно это группа устройств, расположенных рядом друг с другом). Затем полученные цифры суммируются по всем ИБП, обслуживающих такие группы устройств. Мощность, потребляемую мониторами, принтером, колонками, роутером, внешним дисководом и т.д., можно найти на этикетках устройств. Для ПК или сервера берётся мощность указанная на блоке питания.

Знатоки скажут, что это весьма приблизительный подсчёт нагрузки, поскольку в разных режимах потребляемая мощность каждого устройства может существенно отличаться от той, что указана на этикетках или в спецификациях на блоки питания. Это будет абсолютной правдой, но они же согласятся, что таким образом определяется мощность «по верхнему пределу потребления». Если реальная мощность нагрузки в результате окажется ниже рассчитанной, то ничего плохого не случится.

Дальше идёт первый нюанс — он связан с номинальной мощностью ИБП: обычно она указывается в вольт-амперах (В·А) и выносится в виде цифр в название модели ИБП. Например, модель ИБП Eaton 5P 850 имеет номинальную мощность 850 В·А. При этом мощность нагрузки подсчитывается в ваттах (Вт), так как именно в ваттах маркируются блоки питания компьютеров, мониторов и других ИТ-устройств.

Удобные онлайн-калькуляторы пересчёта «В·А в Вт» есть в интернете. Если же вы хотите пересчитать самостоятельно, можно воспользоваться следующей формулой:

Активная мощность (ватты) = Полная мощность (вольт-амперы) × Коэффициент мощности (Cos φ)

Второй нюанс состоит в том, что неизвестной величиной в этой формуле будет коэффициент мощности (Cos φ). И, кстати, в онлайн-калькуляторе тоже потребуется указать значение этого параметра. Для измерения «косинуса фи» для конкретного устройства существуют специальные приборы, называемые фазометрами. Но в малом бизнесе столь точные расчеты Cos φ обычно никто не проводит. Как правило, пользуются оценочными значениями Cos φ, характерными для данного типа устройств.

Так, для типового ПК эта величина составляет 0,7, и именно с этим коэффициентом указана мощность ИБП в ваттах в каталогах Eaton.

А какой Cos φ у современных серверов, систем хранения данных и сетевого оборудования (коммутаторов, маршрутизаторов и прочего)? В них используются блоки питания с коррекцией коэффициента мощности, поэтому его значение приближается к единице (1,0). Принято считать, что такое оборудование является нагрузкой с небольшой ёмкостной составляющей, и коэффициент мощности принимают равным 0,95.

Отдельным вопросом является использование таких блоков питания с ИБП – при их использовании требуется выбрать ИБП бОльшей мощности, особенно, если ИБП выдает не чистую синусоиду напряжения на выходе, а меандр.Также могут возникнуть дополнительные требования к ИБП, связанные с принципом работы таких источников. Тема требует отдельной статьи, и таких статей уже написано множество.

Следующий параметр, значение которого следует знать перед выбором мощности ИБП — это желаемое время работы ИБП в режиме «от батарей». В каталоге для каждой модели ИБП приводится оценочное время автономной работы при нагрузке 50% и 70% от номинальной мощности.

Узнать мощность нагрузки можно с помощью самого ИБП. Источник: Eaton

Обычно для корректного завершения работы операционной системы на компьютерах достаточно 5 минут, особенно если автоматизировать этот процесс посредством программного обеспечения мониторинга и управления ИБП — стороннего или от производителя ИБП (например, Eaton Intelligent Power Manager). Однако если требуется значительно большее время на поддержание работы компьютеров, то следует выбирать более мощные модели ИБП или даже докупать и устанавливать дополнительные внешние батареи. Такие внешние батареи доступны для моделей ИБП, работающих в корпоративном секторе.

Давайте выполним пример расчёта мощности ИБП для защиты электропитания двух современных серверов, позиционируемых как «серверы для малого бизнеса» с блоками питания по 200 Вт (то есть общая мощность двух серверов — 400 Вт). Низкая мощность блоков питания объясняется тем, что в таких серверах нет никаких движущихся частей, кроме вентиляторов охлаждения. Дисковая память реализована на SSD и нет CD-дисковода. Да, и ещё предполагается, что мощных видеокарт тоже нет.

При коэффициенте мощности 0,95 и ориентации на 70-процентную нагрузку от номинальной мощности получим, что требуется ИБП не менее, чем на 600 В·А: (400 ÷ 0,95) ÷ 0,7. Таким требованиям удовлетворит, скажем, ИБП Eaton 5P 650 в корпусе «башня» или «для стойки, 1U».

Согласно каталогу, время автономной работы такого источника будет порядка 6 минут. Однако если вы не уверены, что точно знаете коэффициент мощности БП вашего сервера, то лучше ориентироваться на стандартное значение 0,7, а не на близкое к идеальному 0,95. Тогда наш расчёт (400 ÷ 0,7) ÷ 0,7 даст требуемую мощность ИБП 816 В·А. Следовательно, следует выбрать следующую по мощности модель ИБП Eaton 5P 850. Всегда лучше выбирать ИБП с запасом, т.к. время автономной работы в каталогах указано приблизительно и может варьироваться в зависимости от реальной нагрузки, возраста батареи и уровня её заряда, температуры окружающей среды.

Заметим тут же, что ИБП, как и любой компонент системы электропитания (к примеру, трансформатор), должен быть рассчитан на полную мощность нагрузки. Поэтому в нормальном режиме линейно-интерактивный ИБП работает через автотрансформатор и приведенная выше методика справедлива. Но при работе от батареи преобразуется только активная составляющая, поэтому необходимо учитывать номинальную активную мощность ИБП. Для ИБП Eaton 5-й серии это значение обычно подсчитывается как S·0,6 (0,7). Для класса онлайн-ИБП в любом режиме (кроме байпаса) необходимо учитывать и активную мощность, и полную, и разрешенный диапазон коэффициента мощности нагрузки.

Мониторинг и управление шатдауном нагрузок

После того, как расчёты сделаны, ИБП куплен и нагрузка подключена, в процессе эксплуатации желательно контролировать реальный уровень нагрузки. Это можно делать, используя служебный дисплей ИБП или с помощью ПО удалённого мониторинга. На основании этих наблюдений, сделанных при разных режимах работы нагрузок, можно окончательно определить, правильно ли подобрана мощность ИБП для защищаемых устройств.

Скриншот ПО управления ИБП. Источник: Eaton

Для удалённого мониторинга нагрузок Eaton предлагает компаниям фирменное ПО управления системой бесперебойного электроснабжения Intelligent Power Manager (IPM).

Базовая версия на десять ИБП доступна бесплатно, для контроля большего числа источников потребуется платная лицензия. IPM обеспечивает удалённый контроль корпоративной инфраструктуры гарантированного энергоснабжения с любого компьютера с использованием веб-интерфейса. Кроме физических серверов, IPM поддерживает управление питанием виртуальных машин — можно автоматически завершать работу гипервизоров VMware, HyperV, RedHat KVM и Xen.

Активная реактивная и полная мощность

В электротехнике среди множества определений довольно часто используются такие понятия, как активная, реактивная и полная мощность. Эти параметры напрямую связаны с током и напряжением в замкнутой электрической цепи, когда включены какие-либо потребители. Для проведения вычислений применяются различные формулы, среди которых основной является произведение напряжения и силы тока. Прежде всего это касается постоянного напряжения. Однако в цепях переменного тока мощность разделяется на несколько составляющих, отмеченных выше. Вычисление каждой из них также осуществляется с помощью формул, благодаря которым можно получить точные результаты.

Формулы активной, реактивной и полной мощности

Основной составляющей считается активная мощность. Она представляет собой величину, характеризующую процесс преобразования электрической энергии в другие виды энергии. То есть по-другому является скоростью, с какой потребляется электроэнергия. Именно это значение отображается на электросчетчике и оплачивается потребителями. Вычисление активной мощности выполняется по формуле: P = U x I x cosф.

В отличие от активной, которая относится к той энергии, которая непосредственно потребляется электроприборами и преобразуется в другие виды энергии тепловую, световую, механическую и т.д., реактивная мощность является своеобразным невидимым помощником. С ее участием создаются электромагнитные поля, потребляемые электродвигателями. Прежде всего она определяет характер нагрузки, и может не только генерироваться, но и потребляться. Расчеты реактивной мощности производятся по формуле: Q = U x I x sinф.

Полной мощностью является величина, состоящая из активной и реактивной составляющих. Именно она обеспечивает потребителям необходимое количество электроэнергии и поддерживает их в рабочем состоянии. Для ее расчетов применяется формула: S = .

Как найти активную, реактивную и полную мощность

Активная мощность относится к энергии, которая необратимо расходуется источником за единицу времени для выполнения потребителем какой-либо полезной работы. В процессе потребления, как уже было отмечено, она преобразуется в другие виды энергии.

В цепи переменного тока значение активной мощности определяется, как средний показатель мгновенной мощности за установленный период времени. Следовательно, среднее значение за этот период будет зависеть от угла сдвига фаз между током и напряжением и не будет равной нулю, при условии присутствия на данном участке цепи активного сопротивления. Последний фактор и определяет название активной мощности. Именно через активное сопротивление электроэнергия необратимо преобразуется в другие виды энергии.

При выполнении расчетов электрических цепей широко используется понятие реактивной мощности. С ее участием происходят такие процессы, как обмен энергией между источниками и реактивными элементами цепи. Данный параметр численно будет равен амплитуде, которой обладает переменная составляющая мгновенной мощности цепи.

Существует определенная зависимость реактивной мощности от знака угла ф, отображенного на рисунке. В связи с этим, она будет иметь положительное или отрицательное значение. В отличие от активной мощности, измеряемой в ваттах, реактивная мощность измеряется в вар вольт-амперах реактивных. Итоговое значение реактивной мощности в разветвленных электрических цепях представляет собой алгебраическую сумму таких же мощностей у каждого элемента цепи с учетом их индивидуальных характеристик.

Основной составляющей полной мощности является максимально возможная активная мощность при заранее известных токе и напряжении. При этом, cosф равен 1, когда отсутствует сдвиг фаз между током и напряжением. В состав полной мощности входит и реактивная составляющая, что хорошо видно из формулы, представленной выше. Единицей измерения данного параметра служит вольт-ампер (ВА).

Знать об активной, реактивной и полной мощности и важности коэффициента мощности на судне

Система переменного тока используется на судах из-за ее гибкости в применении, т. е. легкого преобразования в постоянный ток, изменения напряжения по мере необходимости, меньшего и компактного оборудования для определенной номинальной мощности и т. д.

Основные электротехнические услуги на судне: двигатель, освещение и отопление. Эти услуги также называются нагрузкой для генератора электроэнергии (Generator). Эти нагрузки потребляют электроэнергию через резистор, катушку индуктивности и конденсатор. Это пассивные электрические компоненты из-за их характера акцептора энергии. На самом деле эти компоненты хранят или поддерживают энергию в виде напряжения или тока.

Электрическая мощность (электрическая мощность — это не что иное, как поток электрической энергии) системы переменного тока имеет 2 компонента: активная мощность и реактивная мощность

пассивные компоненты электрической мощности

• резистор: потребляет реальную мощность .
• Индуктор: Потребляет реактивную мощность.
• Конденсатор: Потребляет реактивную мощность.

Примечание. Катушка индуктивности и конденсатор являются компонентами накопителя энергии.

Активная мощность

• Предположим, что имеется простая цепь с резистором, питанием V (напряжение) и потоком I (ток). Осциллограммы напряжения и тока совпадают по фазе, то есть ток и напряжение находятся в одной фазе. И его форма волны мощности (V × I) всегда положительна, т. е. поток мощности всегда положителен. Это означает, что мощность берется из источника питания (источника) и преобразуется в выходную мощность резистором. Эта сила есть не что иное, как Активная Сила.
• Потеря мощности на сопротивлении. Это фактическая мощность, подаваемая на нагрузку.
• Активная мощность течет только в одном направлении и представляет выходную мощность.
• Эта мощность также называется реальной мощностью, фактической мощностью, истинной мощностью, полезной мощностью и полной мощностью в ваттах.
• Его символ (P) и единица измерения (кВт). (1000 Вт = 1 кВт)

Реактивная мощность

• Предположим, что индуктор находится в цепи с питанием V (напряжение) и I (ток). Здесь формы сигналов напряжения и тока расположены под углом 90° друг к другу, т. е. ток и напряжение не находятся в одной фазе, как поток активной мощности. Его форма волны мощности является как положительной, так и отрицательной. Эта мощность есть не что иное, как реактивная мощность.
• Это потеря мощности на реактивном сопротивлении (реактивное сопротивление = индуктивность + емкость). Эта мощность непрерывно перемещается туда-сюда (т. е. течет между нагрузкой и источником).
• Реактивная мощность меняет свое направление на противоположное каждые 1/4 ^-го -го цикла и не представляет выходную мощность.
• Во время пуска каждые 1/4 ^-го -го цикла электрический ток передается от источника к нагрузке (элемент накопления энергии) по мере увеличения тока и накопления энергии в магнитном поле/электрическом поле нагрузки. А в следующей 1/4 ^-й -й цикл ток падает до нуля и исчезает магнитное/электрическое поле нагрузки с запасенной в ней энергией. Эта накопленная энергия возвращается к источнику. Снова в следующей 1/4 ^-го -го цикла ток увеличивается и подается на нагрузку, и процесс повторяется.
• Здесь мощность попеременно положительная и отрицательная, поскольку энергия накапливается и разряжается. Таким образом, форма волны мощности сначала положительная, а затем отрицательная.
• Эта мощность также называется бесполезной мощностью и мощностью без ватт.
• Его символ (Q) и единица измерения (кВАр). (1000 ВАр = 1 кВАр)

Суммарная мощность

• Это результирующая мощность активной и реактивной мощностей.
• Полная мощность = Активная мощность + Реактивная мощность
• Эта мощность также называется полной мощностью.
• Его символ (S) и единица измерения (кВА). (1000 ВА = 1 кВА)

Электрическая мощность в однофазной и трехфазной системе: (для трехфазной системы уравнения мощности умножаются на √3 с уравнениями мощности однофазной системы)

Теперь мы можем понять взаимосвязь между активной мощностью, реактивной мощностью и полной мощностью с помощью треугольника мощности.
Треугольник мощности

Соотношение активной мощности, реактивной мощности и полной мощности можно представить тригонометрически (т.е. с помощью прямоугольного треугольника), и это представление называется треугольником мощности.
Для графического представления предположим, что активная мощность = основание (по горизонтали), реактивная мощность = высота (по вертикали) и полная мощность = гипотенуза, тогда согласно теореме Пифагора: (полная мощность)² = (активная мощность)² + (реактивная мощность)² .
Коэффициент мощности = (активная мощность)/(полная мощность), т. е. Cos ϕ = кВт/кВА

Для более практического понимания рассмотрим две известные аналогии: аналогия с пивом и аналогия с пакетом чипсов
аналогия с пивом

Предположим, что вы в ресторане за пивом, а теперь наблюдайте за стаканом пива и сравните с этой электрической мощностью:
Фактическое количество пива = Активная мощность, Количество пены = Реактивная мощность и Общее количество пива есть не что иное, как (фактическое количество пива + количество пены) и это то же самое, что и полная мощность.
Здесь только фактическое количество пива удовлетворяет нашу потребность или жажду, а не пену. Точно так же только активная мощность удовлетворяет потребность в мощности, а не в реактивной мощности, и поэтому она называется полезной мощностью.

Полная мощность представляет собой сумму активной и реактивной мощностей. Если вы хотите увеличить активную мощность (кВт), вам необходимо уменьшить реактивную мощность (кВАр) для конкретного оборудования. кВА = кВт ↑ + кВАр ↓, Это означает, что для постоянной номинальной мощности (кВА) при увеличении активной мощности реактивная мощность уменьшается.

Аналогия пакета чипов

Рассмотрим пакет чипов и соотнесем его как: фактическое наличие чипов = активная мощность, воздух (пустой) присутствует = реактивная мощность и общая емкость (размер) пакета есть не что иное, как кажущаяся (общая) мощность.
Здесь полезно только фактическое количество микросхем, а не воздух (пустое пространство) и точно так же в системе переменного тока полезна только активная мощность, а не реактивная.

Понятие коэффициента мощности

• Это не что иное, как доля активной мощности в общей мощности. Например: если коэффициент мощности равен 0,8, это означает, что активная мощность составляет 80 % от общей мощности (100 %).
• Измеряет эффективность преобразования общей мощности в выходную мощность (активную мощность).
• Это косинус угла между током и напряжением, т.е. угол отставания тока. Это означает, что диапазон cos – это диапазон коэффициента мощности, т. е. -1 ≤ коэффициент мощности (cos ϕ) ≤ 1 
• Cos ϕ = кВт/кВА, Cos ϕ = P/VI, Cos ϕ = сопротивление/импеданс, Cos ϕ = True мощность/Полная мощность
• На корабле предпочтителен коэффициент мощности 0,8, но это необязательно. В электрической системе всегда присутствуют индуктивные нагрузки, поэтому мы не можем полностью игнорировать реактивную мощность.

Мы хотим, чтобы коэффициент мощности был как можно ближе к 1. Это означает, что активная мощность должна иметь тенденцию к полной мощности, поскольку более высокий коэффициент мощности (т. е. более высокая активная мощность) указывает на меньшие потери, хорошее регулирование напряжения, высокий КПД, уменьшенный размер оборудования. и т. д.

Низкий коэффициент мощности

P = VI Cos ϕ, I = P/(V Cos ϕ), поэтому коэффициент мощности обратно пропорционален току.
Если коэффициент мощности уменьшается, ток увеличивается. А из-за сильного тока возможны следующие возможности:

• Потери будут высокими, а эффективность низкой.
• Для больших токов требуется провод большего размера, поэтому это дорого.
• Меньший коэффициент мощности означает более высокую номинальную мощность в кВА, больший размер оборудования и, следовательно, более высокую стоимость.
• Более низкий коэффициент мощности означает более высокий ток, что приводит к более высокому падению напряжения. Возникнет дисбаланс в регулировании напряжения.

Повышение коэффициента мощности

Как правило, все нагрузки потребляют как активную, так и реактивную мощность. Но в идеале они должны потреблять активную мощность. Поэтому должна быть система увеличения активной мощности и уменьшения реактивной мощности. И делается это за счет улучшения коэффициента мощности. Улучшение коэффициента мощности означает улучшение распределения активной мощности в полной (полной) мощности. Для улучшения коэффициента мощности нам необходимо увеличить активную мощность или уменьшить реактивную мощность, и это делается следующими способами:

• Использование конденсатора: Уменьшает индуктивную нагрузку, т.е. реактивную мощность, и минимизирует разность фаз между током и напряжением.
• При использовании синхронного конденсатора: Он действует как конденсатор и увеличивает коэффициент мощности. Это дорого в использовании.
• С помощью фазовращателя: Используется в двигателях для возбуждения ампер-витков для улучшения коэффициента мощности. Ускоритель фазы — это просто возбудитель.

Примечание. В системе постоянного тока коэффициент мощности отсутствует, т. е. Cos ϕ = 0, поскольку имеется только активная мощность, единицей измерения которой является кВт.

Проверьте другие важные темы

Параллельная работа генераторов

Компоненты двигателя IC с функциями и изображениями

Классификация IC Engine

Top 50+ Часто задаваемые вопросы IC Двигатель

Параллельная операция генераторов

. Принцип работы дизельного генератора | Части и функции

Активная, реактивная и полная мощность

Различные виды электроэнергии-

Активная мощность, реактивная мощность и полная мощность — это разные формы электрической мощности, и они проявляются, когда электрическая мощность подается на индуктивную нагрузку. Происходит это из-за коэффициента мощности .

Сначала давайте разберемся в значении этих различных мощностей –

Активная мощность – Активная мощность – это мощность, которая фактически используется нагрузкой. Обозначается Вт или кВт.

Реактивная мощность –

Реактивная мощность – это мощность, которая не используется (или теряется) нагрузкой, но добавляется к мощности, потребляемой нагрузкой. Обозначается ВАр или КВАР.

Полная мощность – Полная мощность – это мощность, подаваемая на нагрузку, которая включает как активную, так и реактивную мощность. Обозначается ВА или кВА.

На картинке выше изображен стакан жидкости с пеной (это может быть любой холодный напиток), где жидкость является основным напитком, который следует употреблять, а пена не является фактическим напитком, но она занимает место и образует стакан полный. Теперь, если мы сравним его с мощностью, подаваемой на индуктивную нагрузку, где жидкость представляет собой активную мощность, пена представляет собой реактивную мощность, а полное стекло (жидкость + пена) представляет собой полную мощность.

Следовательно, с точки зрения электрической мощности, мы можем сказать, что реактивная мощность – это потеря мощности, которая не используется нагрузкой, но является частью полной мощности (полной мощности), подаваемой на нагрузку. Поэтому очень важно избегать реактивной мощности в системе. Но при индуктивных нагрузках это практически невозможно, поэтому можно было бы избежать реактивной мощности, улучшив коэффициент мощности.

Технически это можно объяснить с помощью векторной диаграммы, приведенной ниже. Существует соотношение между активной, реактивной и полной мощностью, которое приведено ниже –

Примечание – Для опережающего тока треугольник мощности становится обратным. Эта характеристика тока помогает улучшить коэффициент мощности. Когда устройство с опережающим коэффициентом мощности подключается параллельно с нагрузкой, отстающий коэффициент мощности частично нейтрализуется, таким образом, коэффициент мощности улучшается.

Активная, реактивная и полная мощность в цепях переменного и постоянного тока –

Мощность в цепи постоянного тока –

В цепи постоянного тока существует только один тип мощности, используемой нагрузкой, поскольку существует нет понятия коэффициента мощности (или разности фаз между напряжением и током). Мощность в цепи постоянного тока указана ниже-

P = V * I (где P = активная/реальная мощность, V = напряжение, I = ток). Мощность измеряется в ваттах (или Вт)

Мощность в цепи переменного тока –

В цепи переменного тока из-за коэффициента мощности – учитываются активная мощность, реактивная мощность, полная мощность.

Active Power —

P = V * I COS Ø …… однофазная мощность

P = g3 * V * I Cos Ø ……0003

(где P = активная/реальная мощность, V = линейное напряжение, I = линейный ток, CosØ = коэффициент мощности). Мощность измеряется в ваттах (или W)

Реактивная мощность —

Q = V * I SIN Ø …… мощность одиночной фазы

Q = g3 * V * I SIN Ø ……Трехфазная мощность

(где Q = реактивная мощность, V = линейное напряжение, I = линейный ток, SineØ = разность фаз между напряжением и током). Мощность измеряется в ВАр (или реактивных вольт-амперах)

Полная мощность –

Полная мощность (включая активную и реактивную мощность), формула которой приведена ниже –

S = V * I ………….. Однофазная мощность

S =   Г3 * В * I  ………. Трехфазная мощность

(где S = полная мощность, V = линейное напряжение, I = линейный ток. Мощность измеряется в ВА (или вольтамперах).

Часто задаваемые вопросы (FAQ) по активной мощности, реактивной мощности и полная мощность –

В1) В чем разница между активной и реактивной мощностью?

Ответ) Активная мощность — это мощность, которая фактически используется нагрузкой, а реактивная мощность — это мощность, которая не используется нагрузкой (не используется нагрузкой из-за индуктивной нагрузки).

Q2) Какие альтернативные слова используются для реактивной мощности?

Ответ) Альтернативные слова реактивной мощности: безваттная мощность, отработанная мощность, бесполезная мощность.