Одно из требований, стоящих перед современными ИБП, наряду с качеством электрических параметров оборудования – его надежность и экономические показатели.
Попытаемся разобраться с особенностью применения разных типов ИБП, отличающихся архитектурой построения.
Итак, по своей архитектуре ИБП принято делить на моноблочные и модульные устройства. К моноблочным системам относят ИБП, состоящие из минимального набора силовых узлов на уровне одной электротехнической установки (блока, стойки), без предусмотренного резервирования их с целью поддержания всех заявленных функций и без возможности их оперативной замены. К модульным системам можно отнести ИБП с возможностью резервирования всех силовых узлов (в некоторых случаях и логических цепей) на уровне отдельных, быстро и удобно заменяемых функциональных модулей с поддержанием всех заявленных функций. Цепи электронного и ручного байпаса не являются полноценным резервом, так как при их применении ИБП утрачивает ряд своего функционала.
Экономическая эффективность
Справедливо рассматривать моноблочные и модульные ИБП в экономическом аспекте, где оба типа устройств имеют свои преимущества и недостатки.
Моноблоки – дешевле по цене, но увеличение мощности системы или добавление необходимого резерва требуют покупки еще одного или нескольких однотипных ИБП, а это уже становится дорогим решением. Кроме того, как правило, моноблок состоит из дорогостоящих элементов (компонентов), рассчитанных на соответствующие мощности, а их диагностика и замена требуют дополнительных затрат (например, невозможность ремонта в сервисном центре и вынужденный выезд инженера на место установки оборудования). Все перечисленное в целом увеличивает стоимость ремонта.
Модульные ИБП – как правило, дороже моноблоков, но они позволяют более экономично постепенно наращивать мощность системы и обеспечивать требуемый резерв. Стоимость одного функционального модуля (например, силового модуля) – значительно меньше стоимости целого ИБП, а ремонт неисправного компактного узла, состоящего из недорогих компонентов, может выполняться без сопутствующих расходов на территории сервисного центра поставщика или производителя, что в целом не приводит к большим затратам.
Надежность
Но не следует забывать о надежности системы питания. Не погружаясь в глубину понятий и определений теории надежности, вспомним ее основные положения.
Надежность, как известно – свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002-2015). Надежность является комплексным понятием, включающим в себя: безотказность, ремонтоспособность, восстанавливаемость (самовосстанавливаемость), долговечность, сохраняемость, готовность.
Применение любого ИБП уже повышает надежность системы в целом по таким свойствам, как, например, безотказность, восстанавливаемость и готовность. ИБП продолжает питать нагрузку при возникновении отказа или сбоя во входной электрической сети и способен вновь подать питание в нагрузку после разряда собственной батареи при восстановлении электроэнергии на входе и т. д.
Можем отметить, что у модульных ИБП лучше такой показатель ремонтопригодности и восстанавливаемости, как среднее время восстановления (mean restoration time) – математическое ожидание времени восстановления (математическое ожидание – это среднее значение случайной величины), так как восстановление работоспособности системы требует только замены функционального модуля, а не ремонта ИБП. В свою очередь это повышает коэффициент готовности (availability factor) – комплексный показатель готовности системы, обозначающий вероятность того, что ИБП в конкретный момент времени окажется в работоспособном состоянии.
Имеются также известные нам количественные показатели безотказности:
· вероятность безотказной работы (reliability) – вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ ИБП не возникнет;
· средняя наработка на отказ (mean operating time to failure – MTTF) – математическое ожидание наработки ИБП до отказа;
· средняя наработка между отказами (mean operating time between failuresfailure – MTBF) – математическое ожидание наработки ИБП между отказами.
Очевидно, что указанные показатели безотказности взаимосвязаны между собой, а вероятность безотказной работы ИБП зависит от надежности составляющих его элементов (компонентов и отдельных узлов).
Такие из перечисленных выше свойств надежности, как долговечность и сохраняемость, существенно не зависят от выбора архитектуры ИБП, и в данной статье мы не будем о них говорить.
ИБП без резервирования
Если рассматривать модульные ИБП без резервирования по мощности, то отказ любого из функциональных модулей приводит к неисправному состоянию всей системы. В этом случае наша модульная система по параметрам надежности эквивалентна системе из последовательно соединенных элементов, отображающих структурную схему надежности ИБП (см. рис. 1).
Рис. 1
В соответствии с теоремой умножения вероятностей независимых событий известно, что вероятность безотказной работы всей системы будет равна произведению вероятностей безотказной работы каждого функционального (силового) модуля. И как следует из формулы (1), вероятность безотказной работы всей системы будет меньше (хуже), чем вероятность безотказной работы одного функционального модуля или моноблочного ИБП с аналогичными показателями надежности:
P(t)Ʃ = P(t)1·P(t)2 …. ·P(t)n = ∏ (P(t),,(1)
где P(t)Ʃ – вероятность безотказной работы всей системы (относительная величина, находящаяся в пределах 0–1);
P(t)i – вероятность безотказной работы отдельного функционального модуля (i = 1,2 … n).
Модульные ИБП с резервированием
Если мы рассматриваем модульные ИБП с резервированием по мощности, то картина меняется принципиально. У нас имеется один или более (M-n) функциональных модулей, предназначенных для резервирования всей системы. Где n – минимально необходимое количество функциональных модулей для питания нагрузки (например, силовых модулей), а M-n – количество резервных модулей. Это означает, что в общей системе, при выходе из строя некоторого количества функциональных модулей, предусмотренного резервом, система продолжит исправно работать. В этом случае структурная схема надежности имеет параллельное ответвление, а суммарная вероятность безотказной работы определяется более сложным расчетом (см. рис. 3).
Рис. 2
Но обо всем по порядку. Для упрощения расчетов безотказности, рассмотрим модульную систему со схемой резервирования 1+M (система с нагруженным резервом – когда все модули учувствуют в работе), т. е. система остается в исправном состоянии, пока в работе находится хоть один функциональный модуль (см. рис. 2):
P(t)Ʃ = 1 − ∏ (1 − P(t)i), (2)
где P(t)Ʃ – вероятность безотказной работы всей системы (относительная величина, находящаяся в пределах 0–1);
(1 – P(t)i) = Q(t)i – вероятность отказа функционального модуля i;
P(t)i – вероятность безотказной работы отдельного функционального модуля i (i = 1,2 … 1+M).
Формула (2) получается из анализа того, что отказ системы наступает, когда выйдут из строя все входящие в нее элементы, и соответственно вероятность отказа системы (в соответствии с теоремой умножения вероятностей для независимых событий) определяется выражением:
Q(t)Ʃ = 1 - P(t)Ʃ = ∏ Q(t)I = ∏ (1 − P(t)i), (3),
где Q(t) Ʃ – вероятность отказа всей системы,
отсюда получаем указанную выше формулу (2):
P(t)Ʃ = 1 - Q(t)Ʃ = 1 − ∏ (1 − P(t)i).
Теперь для примера выполним расчет надежности системы из трех функциональных модулей, собранной по схеме резервирования N+1, где N = 2 (см. рис. 3).
Рис. 3
Считаем, что вероятность безотказной работы для каждого функционального модуля одинакова и составляет – P(t)i = 0,9:
Вероятность безотказной работы без резерва (двух модулей) P(t)Ʃa = ∏ (P(t)i) = 0,92 = 0,81 (3).
Вероятность безотказной работы цепи резерва (одного модуля) P(t)Ʃb = 0,9 (4).
Вероятность безотказной работы всей параллельной системы (системы из трех модулей)
P(t)Ʃ = 1 − ∏ (1-P(t)i) = 1 − (1 – 0,81) ·(1 − 0,9) = 0,98 (5).
Как следует из полученного результата (5), при наличии резервирования в модульной системе суммарная надежность выше (лучше) надежности каждого в отдельности функционального модуля и выше надежности аналогичной моноблочной системы.
Вывод
ИБП с модульной архитектурой наиболее эффективны и оптимальны в применении, при условии добавления в общую систему резервных модулей (модуля). Т. е. необходимо обязательно использовать резерв по мощности. В противном случае данные ИБП выигрывают у моноблочных устройств только по показателям ремонтопригодности и восстанавливаемости, а по показателям надежности и экономичности (высокой стоимости) – проигрывают.
Компания Delta Electronics производит широкий спектр моделей ИБП, предназначенных для различных сегментов рынка. К модульным системам относятся устройства серий NH Plus и DPH. Данные ИБП обладают лучшими в своем классе надежностью и продолжительностью безотказной работы. Гарантируя высокую эксплуатационную готовность, они способствуют сокращению эксплуатационных затрат.
Автор: Зуев А. Г.
Главный инженер по технической поддержке ИБП
