Время работы ибп от батарей. Расчёт времени резерва питания нагрузки от ИБП

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.

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 –

Для расчета времени автономной работы источника бесперебойного питания ИБП можно пользоваться усредненными данными для ИБП большинства производителей. Например при нагрузке ИБП 100% - время автономии составляет 4...8 минут, 75% - 7...12 минут, 50% - 12...20 минут. Или специальными таблицами в которых указывается время автономной работы источника бесперебойного питания ИБП для различных величин мощности в нагрузке и емкости встроенных аккумуляторных батарей АКБ. Важно учитывать, что значения времени автономной работы указываемые производителем, являются оценочными и не являются основанием для возникновения обязательств поставщика или рекламаций покупателя. Следует помнить, что производители источников бесперебойного питания ИБП указывают значения мощности ИБП, емкости аккумуляторных батарей и времени автономной работы для работы при температуре 20...25С. Именно такая температура является оптимальной для работы ИБП и АКБ. Но реальные условия эксплуатации источников бесперебойного питания ИБП отличаются от идеальных.

Определение точного времени автономии ИБП не простая задача, учитывающая множество параметров, которые различны для каждого случая расчета. Упрощенно-приблизительно время автономной работы источника бесперебойного питания ИБП при работе от аккумуляторной батареи АКБ можно рассчитать по формуле:

Т= E * U / P (час.)

Е - емкость аккумуляторной батареи АКБ (Ачас.)

U - напряжение аккумуляторной батареи (В)

P - мощность нагрузки ИБП (Вт)

Если техническое задание покупателя допускает погрешности во время работы источника бесперебойного питания ИБП, то можно производить расчет по такой формуле.

При перебоях в подаче напряжения электропитания на ответственную нагрузку требуется обеспечение ее автономной работы. Использование в схеме электропитания ИБП (источников бесперебойного питания) позволяет решить эту задачу. Время автономной работы ИБП является основным показателем при выборе таких устройств для конкретного оборудования. Время автономной работы ИБП зависит от мощности нагрузки и емкости аккумуляторных батарей АКБ. К ответственным потребителям можно отнести серверы, схемы управления отопительными котлами, сложное лабораторное оборудование для проведения циклических исследований, медицинское оборудование для систем обеспечения жизнедеятельности. Для более точного расчета времени автономной работы источника бесперебойного питания ИБП при работе от аккумуляторных батарей АКБ для ответственных потребителей, формула для расчета должна учитывать коэффициент полезного действия КПД инвертора (обычно это значение 0,75...0,8), количество АКБ в батарее, степень износа АКБ, глубину разряда АКБ (0,8...0,9. Аккумуляторные батареи снижают свою емкость до 5% на каждый градус превышения температуры после 40С.) , коэффициент доступной емкости аккумуляторной батареи (он определяется из соотношения значений емкости в режиме разряда АКБ и температуры окружающей среды), температуру окружающей среды (при повышении окружающей температуры выше 25С необходимо снизить мощность нагрузки ИБП на 20% для каждых 10С превышения температуры.).

При выборе источника бесперебойного питания лучше покупать ИБП с дополнительными возможностями , например с возможностью подключения стабилизатора, дополнительных зарядных плат. Такая конфигурация ИБП позволит сэкономить в будущем при увеличении мощности нагрузки.

Расчет индивидуальной конфигурации источника бесперебойного питания ИБП лучше отдать специалистам.

Чтобы выполнить расчет времени работы блока бесперебойного питания в автономном режиме, воспользуйтесь усредненными показателями для большинства ИБП. К примеру, время автономной работы при полной нагрузке составляет от 4 до 8 минут, в соответствии, с уменьшением нагрузки этот период увеличивается в той же прогрессии. А можно избежать расчетов и использовать специальные таблицы, в которых определена временная шкала для всех типов ИБП с разбивкой по величинам мощности в нагрузках и емкости встроенных АКБ. При этом следует понимать, что указаны только усредненные данные, которые рассчитаны производителями в качестве оценочных.

В частности, временные параметры приводятся для наиболее идеальных условий работы ИБП, в том числе и в температурном режиме 20-25°С. Но в реальности условия эксплуатации могут значительно отличаться, что также отражается на эффективности работы аккумуляторов источников бесперебойного питания.

Чтобы максимально точно определить временной период автономии АКБ и ИБП, необходимо учесть множество параметров, которые различаются в каждом конкретном случае. Следует использовать специальную формулу, чтобы получить данные по упрощенно-приблизительному времени автономной работы ИБП от аккумуляторных батарей:

Е - показатель емкости АКБ (Ач)

U - показатель напряжения аккумулятора (В)

P - показатель мощности установки нагрузки ИБП (Вт)

Время автономной работы ИБП зависит во многом от уровня его мощности и объема аккумуляторной батареи. К наиболее требовательным нагрузкам относятся управляющие схемы для котлов отопления, для сервера, сложнейшего оборудования лабораторий по проведению циклических экспериментов, а также различного медицинского оборудования. К слову, именно сочетание этих двух характеристик позволяет гибко приспосабливать данное оборудование к самым разнообразным условиям за счет существования моделей с различным их соотношением.

Здесь можно наглядно оценить многообразие моделей

Важно! Чтобы выполнить наиболее грамотные расчеты автономной работы ИБП от аккумуляторных батарей для таких потребителей в вышеназванной формуле следует сделать скидку для:

• КПД инвертора, значение которого варьируется в диапазоне 0,75 - 0,8,
• количества аккумуляторов в одном устройстве
• степени изношенности АКБ
• глубины разряда - 0,8 - 0,9

Кроме того, емкость также снижается в зависимости от увеличения температуры в помещении – 1 градус после 40°С – на 5%. Специалисты рекомендуют вообще после 25°С снижать мощность нагрузки источника бесперебойного питания на 20% для каждых десяти последующих пунктов температуры.

Чтобы иметь возможность пользоваться ИБП как можно дольше, рекомендуется в выборе устройства обращать внимание на его дополнительные функции. В частности, подключение дополнительных зарядных плат или стабилизатора. В результате использования таких возможностей вы сможете значительно увеличить работоспособность ИБП, что даст в будущем неплохую экономию. При этом лучше доверить специалистам выполнять индивидуальный расчет параметров конфигурации ИБП.

Как выбрать оптимальную конфигурацию ИБП для организации бесперебойного питания оборудования и бытовых приборов в доме

Ответить на вопрос о выборе конфигурации источника бесперебойного питания для обеспечения надёжного электропитания отопительных и инженерных систем, бытовых электроприборов достаточно сложно. По сути, это уравнение с многими неизвестными. Ведь, заранее неизвестно на сколько плохим будет сетевое электропитание, и какова будет продолжительность отключений электроэнергии.

На первом этапе необходимо определить общую мощность всех потребителей энергии, работу которых необходимо обеспечивать в случае отсутствия сетевого электропитания. Исходя из этого значения необходимо выбрать ИБП мощностью на 20% превышающей максимальное значение нагрузки. После этого нужно определится с ёмкостью внешних аккумуляторных батарей, исходя из необходимого времени резервирования.

Наиболее оптимальным решением бесперебойного питания будет разбить нагрузку на несколько более маленьких групп потребителей. И решать задачи обеспечения резерва раздельно для различных групп потребителей в зависимости от их важности. При выборе конфигурации источника бесперебойного питания и аккумуляторных батарей следует учитывать, что увеличение запаса мощности ИБП не приводит к линейному увеличению длительности резерва. Для обеспечения большой мощности нагрузки необходим более мощный ИБП, а для обеспечения большого времени резерва необходимо увеличивать ёмкость внешних аккумуляторных батарей.

Простой способ расчета времени резерва бесперебойника

Время резерва питания определяется прежде всего двумя параметрами: мощностью полезной нагрузки и общей ёмкостью всех аккумуляторных батарей.

Однако следует отметить, что зависимость времени резерва от этих параметров не линейная. Но для быстрой примерной оценки времени резерва можно использовать простую формулу.

T = E * U / P (часов),

где Е - ёмкость аккумуляторов, U - напряжение аккумуляторов, Р - мощность нагрузки всех подключаемых приборов .

Уточненный способ расчёта времени резерва бесперебойника

Для уточнения расчёта времени резерва дополнительно вводятся специальные коэффициенты: КПД инвертора, коэффициент разряда аккумулятора, коэффициент доступной ёмкости в зависимости от температуры окружающей среды.

С учётом этих коэффициентов формула расчета принимает следующий вид.

T = E * U / P * KPD * KRA * KDE (часов),

где KPD (коэффициент полезного действия инвертора) находится в диапазоне 0,7-0,8,

KRA (коэффициент разряда аккумуляторов) находится в диапазоне 0,7-0,9,

KDE (коэффициент доступной ёмкости) находится в диапазоне 0,7-1,0.

Коэффициент доступной ёмкости имеет сложную зависимость от значения температуры и скорости прикладывания нагрузки. Чем холоднее температура воздуха, тем ниже коэффициент доступной ёмкости. Чем медленнее расходуется энергия батарей, тем больше значения коэффициента доступной ёмкости.

Готовые таблицы значения времени резерва бесперебойников серии SKAT и TEPLOCOM

Необходим один внешний аккумулятор напряжением 12 Вольт

Таблица примерного времени резерва

Необходимо два внешних аккумулятора напряжением 12 Вольт

Таблица примерного времени резерва

Необходимо 8 внешних аккумуляторов напряжением 12 Вольт

Линейка ИБП марок SKAT и TEPLOCOM обеспечивает возможность организации надёжного бесперебойного питания потребителей различной ёмкости и назначения. Бесперебойники дают возможность организовать бесперебойное питание от маленького котла отопления или циркуляционного насоса до питания всего дома или офиса. Специализированные ИБП дают возможность организации бесперебойного питания особо важных объектов, таких как системы связи, коммуникационное оборудование, системы безопасности и контроля.

Как увеличить время резервного питания нагрузки?

Для увеличения времени резерва питания полезной нагрузки есть несколько путей. Все эти способы вытекают из формулы расчета времени резерва.

Для увеличения времени резерва можно увеличить ёмкость внешних АКБ, уменьшить полезную нагрузку, создать оптимальные условия эксплуатации ИБП и аккумуляторных батарей.

Первый вариант - самый простой, но затратный. Для увеличения ёмкости батарей придется покупать более дорогие аккумуляторы и ИБП, позволяющие производить их эффективный заряд. Кроме затрат на оборудование потребуется и выделение специального помещения, предназначенного для хранения и работы аккумуляторных батарей, снабженного хорошей системой вентиляции.