Источники бесперебойного питания – разновидности и принципы. Как устроены и работают источники бесперебойного питания (ИБП) Источники бесперебойного электропитания

В статье рассмотрены виды ИБП, принципы работы ИБП, а также приведены реальные осциллограммы напряжений на выходе.

Для начала – немного общей терминологии. Источники бесперебойного питания (сокращенно – ИБП) у нас так же называют UPS, от английского сокращения Uninterruptable Power Supply (беспрерывный источник питания). Поэтому говорят и УПС (UPS) и ИБП, кому как удобнее. Я в статье буду называть и так, и эдак.

Зачем нужен UPS (ИБП)

Принцип работы ИБП раскрывается в названии – это такой источник, на выходе которого напряжение есть всегда . Но мы здесь собрались технари-реалисты, и понимаем, что ничего вечного нет, поэтому ниже разберемся в принципе действия.

ИБП в основном используются там, где пропадание электропитания может вызвать негативные последствия. Например, питание компьютеров и серверов, питание устройств связи и распределения сигналов (роутеры), питание устройств, автоматическая перезагрузка (перезапуск) которых без участия человека невозможна.

Как мой читатель доработал ИБП для стратегически важной системы (2 сервера, и т.д.). Кроме того, усовершенствовал схему, и добавил возможность использования обычного автомобильного аккумулятора.

Для бытовых вещей это прежде всего компьютеры и системы отопления.

Следует понимать, что ИБП выбираются на время работы нагрузки 10-15 мин, редко до получаса. Предполагается, что за это время питание появится, либо человек (оператор) предпримет необходимые действия (сохранит данные, позвонит в энергослужбу предприятия, завершит технологический процесс).

ИБП нельзя рассматривать в качестве резервного источника питания. Он является лишь аварийным источником, и в лучшем случае используется очень редко, в общей сложности не более 10 минут в год (несколько раз, на время не более минуты). Если это время больше, то следует задуматься о повышении качества электропитания.

Резервным источником питания можно считать такие источники, которые полностью могут заменить основное питание на длительное время, от нескольких часов до нескольких суток. Это может быть другая линия (см.статью про ), ветряной генератор. Теоретически, для этих целей может служить и ИБП, но для этого нужны аккумуляторы огромной ёмкости, что значительно повлияет на цену такой системы.

Виды источников бесперебойного питания

Виды (типы) ИБП имеют множество названий, но их всё равно ровно три. Разберёмся.

Итак, три основных вида ИБП:

Back UPS

Другие равнозначные названия – Off-line UPS, Standby UPS, ИБП резервного типа. Самые распространенные УПС, используются для большинства видов бытовой и компьютерной техники.

Back просто переключает нагрузку на питание от батарей при выходе входного напряжения за пределы. Нижний предел у разных моделей – около 180В, верхний – около 250В. Переходы на батарею и обратно – с гистерезисом. То есть, например, при понижении переход на батарею состоится при 180 В и менее, а обратно – при 185 и более. Тот же принцип действует у всех типов ИБП.

Чем-то напоминает , которое отключает нагрузку, а Back UPS не отключает, а переключает на аккумулятор, что позволяет ей некоторое время поработать.

Smart UPS

Другие названия – Line-Interactive, ИБП интерактивного типа. Недалеко ушли по принципу действия от Back.

Smart UPS действуют умнее, как следует из названия. Они ещё дополнительно переключают внутренний автотрансформатор, в некотором смысле стабилизируя входное напряжение. И только в крайнем случае переходят на батарею.

Таким образом, норма напряжения на выходе поддерживается при бОльших отклонениях на входе (150…300В). Автотрансформатор имеет несколько ступеней переключения, поэтому Умный УПС до последнего переключает выводы автотрансформатора, включая аккумулятор лишь в последний момент. Это позволяет экономить батарею, включая её в работу лишь при полном пропадании питания.

Данное устройство напоминает со ступенчатым переключением обмоток автотрансформатора. С той лишь разницей, что при выходе за рабочие пределы стабилизатор будет бессилен, а наша “умница” введёт в работу аккумулятор, и питание не пропадёт.

Online UPS

Другие названия – онлайн, источник бесперебойного питания с двойным преобразованием, инверторный. Совершенно другой принцип действия, для любителей чистого синуса. Энергия со входа преобразуется в постоянное напряжение, и поступает на инвертор, генерирующий чистый синус. И одновременно – поддерживает аккумулятор в 100% готовности. При необходимости инвертор продолжает работать так же, только питание на него поступает с аккумулятора.

Используется для аварийного питания техники, чувствительной к форме выходного напряжения – например, газовые котлы, сервера, профессиональная аудио-видео аппаратура и другое стратегически важное оборудование.

Минусов онлайн ИБП два – цена и КПД. КПД низкий, т.к. такой ИБП включен в работу постоянно, что следует из названия. В отличии от двух других типов.

Существуют разновидности онлайн УПС, в которых используется так называемый “сквозной ноль”, для правильной работы газовых электрокотлов. Это связано с тем, что такие котлы чувствительны к наличию реального нуля, для правильного розжига.

Исследование ИБП с помощью осциллографа

А теперь – самое интересное.

Напряжение на выходе Back UPS

Провёл исследование с использованием осциллографа Fluke 124. Осциллограммы (форма импульсов и колебаний на выходе ups) привожу и комментирую ниже.

Что видно по этой временной диаграмме? Период 20мс, частота 50Гц, амплитуда 315В. Стоит отметить, что фаза синуса и генерируемых импульсов совпадает, что хорошо. При пропадании сетевого напряжения ИБП мешкается 5-7 мс, и затем идут импульсы, которые называются “квази-синус”. Вот они:

Back UPS. Напряжение на выходе при питании от батарей.

Осциллограф померял RMS напряжение (среднеквадратическое), оно соответствует норме. Однако, когда я измерил это же напряжение мультиметром, я получил значение 155 В. Почему на выходе UPS низкое напряжение?

Дело в том, что мультиметр меряет только первую гармонику с частотой 50Гц. Для синуса всё гладко. Но если измерять напряжение таких вот импульсов, надо мерять именно RMS, среднеквадратическое, иначе не будут учтены следующие гармоники – 100, 150, 200 Гц. А они составляют значительную часть энергии, до 30%. Эту особенность знают производители UPS, и чтобы не заморачиваться (и не повышать цену на свои изделия), выдают на наши приборы такие импульсы с амплитудой около 370В.

Подробнее об измерении среднеквадратического несинусоидального напряжения – на видео:

Вот укрупненный график, где видно, что напряжение после переключения сначала повышается на пол секунды до 400В, а потом стабилизируется:

Back UPS. Выход, длительность 2 секунды

А вот как меняется форма напряжения на выходе Back-UPS в момент перехода с батарейного на сетевое питание:

Back UPS, – Напряжение на выходе ИБП при переходе с батареи на сеть. Форма импульсов на выходе ups

Тоже фаза не меняется, всё замечательно. Подключал на выход ИБП , переключал туда-сюда режимы питания – пускатель втянут надежно, никаких проблем.

В качестве испытуемого был ИБП APC Back-500-RS, параметры на фото ниже:

Параметры Back UPS – задняя панель

Напряжение на выходе Smart UPS

Теперь приведу для полноты картины осциллограммы напряжений на выходе Smart UPS. Испытаниям подвергался UPS Ippon Smart Power Pro 1000.

Smart UPS_Сеть-батарея

Время переключения также для всей современной аппаратуры несущественно – менее 7 мс.

Плавного изменения напряжения на входе я не делал, поскольку не было такой цели. Полагаю, что в данном случае Умный ИБП ведёт себя точно так же, как и релейный стабилизатор напряжения.

Данные исследования проведены в рамках проекта по промышленного холодильника.

Приветствую вас, мои дорогие читатели! В нынешних российских реалиях владельцы стационарных компьютеров вынуждены решать проблемы бесперебойного энергоснабжения. Решить данную проблему можно с помощью источников бесперебойного питания. Их разнообразие на компьютерном рынке позволяет подобрать ИБП под свои конкретные нужды. О том, что такое ИБП и какие бывают источники бесперебойного питания мы и поговорим в данной статье.

ИБП, или источник бесперебойного питания, — это устройство, выполняющее функцию «аккумулятора» энергии. При перебоях в электросети ИБП автоматически переключает электропитание компьютера на питание от встроенных батарей, что позволяет корректно завершить работу и сохранить все нужные документы.

Многообразие источников бесперебойного питания

Бесперебойник – это ваша гарантия сохранности документов и компонентов компьютера в целом. Ведь при некорректном отключении компьютера может пострадать и жесткий диск, и материнская плата, и оперативная память.

С тем, что такое источник бесперебойного питания, мы разобрались. Перейдем к следующему вопросу.

Какие бывают ИБП?

Источники бесперебойного питания делятся на три вида:

Оффлайн ИБП;
Линейно-интерактивные ИБП;
Онлайн ИБП (ИБП с двойным преобразованием).

Рассмотрим в отдельности каждый из видов бесперебойников. Эта информация поможет вам при выборе ИБП для собственных нужд.

Оффлайн ИБП

Принцип работы данного типа источника питания заключается в автоматическом переключении компьютера или другого подключенного устройства на питание от встроенных батарей при отключении от внешней электросети.

Зачастую роль переключателя выполняет механическое реле, в связи с чем вы можете услышать щелкающий звук при переходе ИБП от внешнего источника питания на аккумуляторы и наоборот.

Данный вид получил широкое распространение у рядовых пользователей и в офисах.

К плюсам таких ИБП можно отнести простоту, компактность и дешевизну. Основным же минусом является невозможность стабилизации входного напряжения, в связи с чем ваш компьютер не будет защищен от резких перепадов напряжения. Также у данного вида наблюдается повышенный износ аккумуляторных батарей.

Линейно-интерактивные ИБП

Данный вид бесперебойников в большинстве случаев применяется для защиты сетевого и прочего телекоммуникационного оборудования, а также групп компьютеров.

Основной особенностью данных источников является возможность регулировки выходного напряжения без подключения к аккумуляторам независимо от того, какое напряжение (повышенное или пониженное) на входе.

Плюсами данного типа ИБП являются небольшие размеры, низкая стоимость, автоматическая регулировка напряжения, экономичность.

Но есть у него и минусы – это относительно долгое переключение на аккумуляторные батареи, невозможность корректировки формы выходного напряжения при работе от внешней сети питания, изменение выходного напряжения происходит ступенчато.

ИБП с двойным преобразованием

Данный тип ИБП выполняет преобразование напряжения дважды: входное переменное напряжение преобразуется в постоянное, а затем постоянное преобразуется в эталонное переменное напряжение и подается на устройства.

Применяется данный вид там, где требуется эталонное напряжение, а питаемые устройства требовательны к качеству питания. Подключаемые устройства могут быть самые различные: обычные рабочие станции, файловые серверы, сетевые устройства и прочее требовательное к питанию оборудование.

Плюсы у онлайн ИБП существенные: полный контроль входного и выходного напряжения, нулевое время ожидания переключения на аккумуляторы, подключенное оборудование никаким образом не влияет на внешнюю электросеть.

Минусы тоже имеются: дороговизна, сложная конструкция, потребление электроэнергии «на себя» в режиме двойного преобразования.

Для дома и офиса вполне хватает первого типа ИБП. Но если есть финансовая возможность, то я бы порекомендовал вам последний вид. Это наиболее надежный тип защиты вашего компьютерного оборудования от некачественного напряжения.

Основные характеристики ИБП

У ИБП есть несколько основных характеристик, на которые стоит обращать внимание при покупке. Рассмотрим их ниже.

Мощность . Данная характеристика напрямую определяет какое оборудование может быть подключено к данному ИБП. Всегда выбирайте источник с запасом по мощности. Это позволит избежать возможных проблем с нехваткой мощности.

Обычно данная характеристика обозначается величиной VA или Вт. Если величина указана в VA (ВА), то умножьте ее на 0,6, чтобы получить значение в более понятных нам Ваттах.

Тип ИБП . О типах бесперебойников я рассказывал выше. Мы пришли к выводу, что наиболее оптимальным будет ИБП с двойным преобразованием, но для домашних нужд будет достаточно оффлайн или линейно-интерактивного источника.
Время работы от аккумуляторов . Данная величина очень важна, так как от нее зависит насколько долго проработает компьютер без внешнего питания. Обычно время автономной работы устанавливается в диапазоне 5-30 минут. Учтите, что при максимальной нагрузке на ИБП время работы без электричества значительно снижается.

Эти три характеристики являются наиболее важными. Помимо них у ИБП есть еще множество характеристик. Например, при выборе бесперебойника в магазине обращайте внимание на то, какие разъемы питания установлены в источнике, есть ли дисплей и дополнительные интерфейсы (RJ-11, USB), сколько батарей устанавливается и прочие.

Часто возникающие проблемы

Самая главная проблема, которая возникает у ИБП чаще всего – это выход из строя аккумуляторной батареи. Севший аккумулятор можно определить по тому, что бесперебойник перестает держать нагрузку – при отключении электричества компьютер сразу же выключается. Также испорченная батарея может проявлять себя по другому: бесперебойник совсем не включается, или включается и непрерывно пищит. О том, как поменять аккумулятор в бесперебойнике я писал в . Там написано про конкретный ИБП, но принцип замены во всех источниках практически не отличается.
ИБП может совсем не включаться из-за перегоревшего предохранителя.
Если источник бесперебойного питания нормально запускается, но компьютер не включается, то проверьте провода, они могут выйти из гнезд.

Надеюсь моя статья была для вас полезна и вы почерпнули для себя что-то новое. Если же у вас остались вопросы, то можете задавать их в комментариях.

Электрические сети российский городов сложно отнести к современным. Оборудование устаревшее, ремонт не проводится, перепады напряжения стали нормой. Все дефекты и неполадки крайне отрицательно сказываются на работе потребителей. Некачественное электропитание особенно сильно бьет по компьютерным и микропроцессорным устройствам, вызывая не только отдельные сбои, но и полную потерю работоспособности. К сожалению, электрооборудование от подобных перепадов часто не защищено и проблему поможет решить источник бесперебойного питания. По конфигурации фаз выходов и входов ИБП делятся на два вида: однофазный вход - выход и трехфазный вход - выход.

Для чего нужен ИБП

В первую очередь эти устройства предотвращают повреждения оборудования и не допускают сбоев в работе электронных систем. Они дают возможность корректно завершить работу в случае неожиданного отключения электричества.

С помощью ИБП успешно преодолеваются перебои и электрические помехи, периодически возникающие в домашних и рабочих сетях. Среди них чаще всего встречаются следующие:

Провалы напряжения. В этом состоянии напряжение внезапно понижается на значительную величину. Для его восстановления требуются различные временные промежутки, в некоторых случаях - десятки секунд. Причина провалов чаще всего связана с ограниченной мощностью подстанции, особенно зимой, а также с запуском и дальнейшей работой мощного оборудования. Физически низкое напряжение проявляется в виде мерцающих лампочек.
Импульс напряжения. В данном случае напряжение резко изменяется, с амплитудой до 2000 вольт, а затем выходит на обычный уровень за очень короткое время. Для этого требуется не более 10 миллисекунд. Основной причиной считается работа промышленного оборудования, кондиционеров, лифтов, действие грозовых разрядов и т.д.
Отсутствие напряжения в течение короткого времени. Данный промежуток составляет не более 20 миллисекунд и практически незаметен. Тем не менее, на электронное оборудование оказывается негативное влияние
Отсутствие напряжения в течение продолжительного времени. Данный период может составлять от 20 миллисекунд до нескольких часов. Причиной являются перегрузки, неблагоприятные погодные условия и физические повреждения на подстанциях, из-за которых линии электропередачи отключаются.
Изменения частоты в течение короткого периода времени, когда к сети подключается мощное оборудование. Негативное влияние оказывают и радиочастотные шумы при подключении радиопередатчиков, нагрузок, генераторов и промышленного оборудования.

Компании, выпускающие электронику, провели исследования, в результате которых выяснилось, что каждый персональный компьютер в течение месяца не менее 120 раз подвергается различным негативным воздействиям, так или иначе связанным с проблемами напряжения в электрических сетях.

Основные функции ИБП

В соответствии с известными проблемами, регулярно возникающими в электрических сетях, источники бесперебойного питания выполняют ряд важных функций, направленных на их ликвидацию и предотвращение негативных последствий.

Назначение источника бесперебойного питания заключается в следующих действиях:

Фильтруют питающее напряжение, снижают уровень шумов.
Поглощают кратковременные выбросы напряжения, в том числе и незначительные.
Защищают от коротких замыканий и перегрузок.
При отсутствии напряжения в сети обеспечивают нагрузку резервным электропитанием в течение установленного периода времени.

Наиболее продвинутые модели бесперебойников могут производить дополнительные полезные действия, благодаря специализированному программному обеспечению, предназначенному для управления этими устройствами:

Нагрузка включается и выключается по командам внутреннего таймера точно в заданное время.
В случае длительного отсутствия напряжения выполняется автоматическое обслуживание оборудования, а также его перезапуск после восстановления нормального режима питания.
Отслеживаются аварийные ситуации, выдаются различные предупреждающие сигналы.
На дисплее устройства отображается напряжение и частота переменного тока в данной сети, а также выходное питающее напряжение и мощность, потребляемая нагрузкой.
Проведение мониторинга и фиксация данных относительно состояния ИБП. Сюда входит температура батареи, уровень ее заряда и другие рабочие характеристики.

Общая схема работы устройств бесперебойного питания

Большинство ИБП укомплектовано следующими компонентами в соответствии с их рабочими схемами:

Инвертор, с помощью которого формируется синусоида.
Аккумуляторные батареи, накапливающие электроэнергию.
Электронная схема для управления всеми процессами.
Программное обеспечение.
Устройство для зарядки аккумулятора.

В случае необходимости к устройству может быть организован удаленный доступ с использованием локальной сети. Надежность и работоспособность схемы повышается путем ее резервирования.

Источники бесперебойного питания могут находиться в следующих рабочих режимах:

Период зарядки. Цепь синусоиды на входе и выходе прерывается за счет внутреннего переключателя устройства. Аккумуляторная батарея, подключенная к выпрямителю, заряжается до восстановления своей оптимальной емкости.
Период готовности. По окончании зарядки аккумулятора происходит автоматическое замыкание внутреннего переключателя устройства. Батарея переходит в буферный режим и поддерживает состояние готовности к дальнейшей работе.
Период разрядки. Осуществляется автоматический перевод батареи на питание нагрузки, что приводит к ее постепенной разрядке.

Технические характеристики

Все устройства бесперебойного питания имеют определенный набор технических характеристик. Они отличаются индивидуальными параметрами, в зависимости от конструкции и модификации того или иного прибора.

У каждого из них существуют собственные диапазоны входного напряжения, когда ИБП функционируют от сети и не задействуют встроенные батареи. Следует помнить, что большие диапазоны снижают время работы от батарей, тем самым увеличивая их срок службы. Кроме того, они продолжают подавать питание к нагрузке от сети, тогда как при меньшем диапазоне ИБП переходят на батарею, быстро разряжают ее и обесточивают нагрузку.

У всех UPS выходное напряжение изменяется в случае изменения входного напряжения. То есть, оно должно поддерживаться на таком уровне, чтобы подключенное оборудование могло нормально работать. Пониженное напряжение на выходе нередко приводит к сбоям в работе и потере данных. Превышение дает такие же результаты, и дополняется выходом из строя используемой нагрузки.

Большое значение имеет качество переключений и переходных процессов на АКБ и обратно, которые не должны привлекать внимание, выполняться корректно, за малый промежуток времени. Частота UPS правильно синхронизируется по отношению к внешней частоте основной сети. В случае возникновения перегрузки подается специальный сигнал с помощью световой и звуковой индикации. Само устройство при работе от АКБ отключается, а пользователь должен своевременно уменьшить нагрузку.

Многие прибору могут быть включены в режиме так называемого холодного старта, когда отсутствует напряжение в основной питающей сети. Данная функция полезна при длительном отсутствии напряжения, когда необходимо срочно выполнить какое-либо действие с электронной аппаратурой.

Однофазный вход - выход (1ф / 1ф или 1:1)

Однофазные источники бесперебойного питания были разработаны для однофазной сети. Они надежно защищают электрооборудование, которое нуждается в повышенных требованиях к качеству электропитания, от всяких неполадок в сети (например - отсутствие или искажение напряжения, подавление высокочастотных помех).

Такое оборудование поддерживает качество выходного напряжения, если присутствуют неполадки при входном напряжении с помощью использования энергии аккумуляторных батарей (отклонения номинала, пропадание, искажения формы). Однофазные ИБП применяются во многих отраслях информационной техники, связи.

Трехфазный вход - выход (3ф / 3ф или 3:3)

Трехфазные типы источников бесперебойного питания обычно используются для постоянной круглосуточной работы. Устройство подходит для питания трехфазного оборудования, которое рассчитано на 3х380 В и для однофазных потребителей энергии, действующих при 220 В. Трехфазные UPS поддерживают необходимое качество выходного напряжения. Они используются в банках, вычислительных центрах, медицинских центрах, транспорте, и пр.

Виды источников бесперебойного питания

По своему типу источник бесперебойного питания делится на три категории.

Интерактивные ИБП (line-interactive)

Это самый идеальный вариант для дома, а именно там, где напряжение нестабильное и часто пропадает. По сравнению с остальными видами есть два важных аспекта. Первый, срабатывание у них намного быстрее, за 2-5 миллисекунд. Второе, прежде чем переключиться, пробуют выровнять напряжение, что довольно эффективно работает при небольших скачках. В результате, улучшается ресурс батареи, удается сэкономить массу денег. Это идеальный вариант для домашнего использования.

Данные устройства отличаются более сложной схемой, включающей в себя стабилизатор напряжения с автотрансформатором, обладающим функцией ступенчатого регулирования. Эти приборы лишь корректируют величину напряжения на выходе, но не могут управлять частотой сигналов. Полная стабилизация невозможна из-за малого числа ступеней регулировок.

Более дорогие разновидности моделей укомплектованы инверторами с полупроводниковыми ключами. При переходе на питание от батареи, они обладают более высоким быстродействием по сравнению с другими устройствами.

Оффлайный источник бесперебойного питания ИБП (off-line)

Самый недорогой вид. Принцип работы заключается в том, что в случае исчезновения или скачка напряжения перевести оборудование на питание от батареи. Этот тип имеет существенные недостатки. Первый, это время срабатывания, оно составляет около 10 миллисекунд. Второй, если у вас дома постоянно скачет напряжение такой UPS будет часто переключаться на питание от батареи, это существенно понизит ее ресурс и придется менять ее через несколько месяцев.

Онлайн ИБП (on-line)

Самый дорогой и эффективный источник бесперебойного питания. В реальном времени он регулирует напряжение, переходя на аккумулятор только в самых сложных ситуациях. Часто применяют для серверов, требующих высококачественного питания. Аккумулятор находится постоянно включенным в схему и не требует каких-либо дополнительных коммутаций.

Как выбрать подходящий ИБП

Перед выбором устройства необходимо определиться, какие именно проблемы с электропитанием будут наиболее актуальными.

Для жителей новых районов, расположенных в крупных городах будет вполне достаточно простейших оффлайн-устройств. В этих местах обычно проложены новые сети, выдающие стабильное напряжение. Поэтому в дополнение к ИБП рекомендуется на всякий случай приобрести сетевой фильтр. Его нельзя подключать к выходу бесперебойника, во избежание искажения токовых характеристик. При выборе источников бесперебойного питания для офисов и крупных локальных сетей можно выбрать любой из вариантов, рассмотренных выше, в соответствии с условиями эксплуатации.

Выбирая источник бесперебойного питания (ИБП), следует обращать внимание на следующие параметры и технические характеристики:

Величина выходной мощности
Время, необходимое для переключений на питание от АКБ и обратно.
Время работы в автономном режиме, в зависимости от емкости аккумуляторов и мощности оборудования, подключенного к UPS.
Ширина диапазона входного напряжения сети, при которой возможна стабилизация питания без переключения на батареи.
Срок эксплуатации аккумуляторов, составляющий в среднем от 5 до 10 лет.

Частые перебои в энергосети не оставляют другого выбора, как купить ИБП для компьютера, котла отопления, офисного сервера или другой ответственной техники. Потребность защитить оборудование от поломки из-за нестабильного питания в сети целиком оправдывает такие расходы, как покупка бесперебойника. Практика показывает, что куда выгоднее приобрести источник бесперебойного питания, чем надеяться на удачу и попасть в ситуацию, когда нужно в короткий срок отремонтировать или купить новую технику.

Существующие виды ИБП включают модели различной мощности, габаритов, дополнительных опций и стоимости, потому для каждого покупателя найдется подходящий качественный бесперебойник.

Но чтобы сделать правильный выбор, который станет разумным вложением и обезопасит систему технических устройств дома, офиса, предприятия, медицинского учреждения или центра хранения данных, следует рассмотреть типы источников бесперебойного питания.

ИБП по мощности

Вы наверняка и сами интуитивно догадались о том, что бесперебойник обязательно должен соответствовать потребностям защищаемой системы по мощности. Слишком мощный агрегат покупать нет смысла: для защиты простейшего компьютера – избыточный вариант. Такой источник никогда не будет работать с максимальным КПД при таких условиях, и вместо этого станет лишним прибором, потребляющим электроэнергию. В то же время, для офисного сервера с подключенной системой периферийных устройств вряд ли подойдет , который будет представлять собой оптимальное решение для защиты домашнего ПК. Если прибор будет иметь меньшую мощность, чем общая подключенная нагрузка, то бесперебойник выключится в связи с перегрузкой. Вслед за ним выключится и всё подключенное к нему оборудование.

В зависимости от мощности аппарата различается и вес бесперебойника, и уровень шума, производимого им, и габариты. Убедитесь, что подобранная вами модель не будет излишне мешать вашему досугу и работе, и что вам есть, где разместить такой агрегат.

Есть много категорий источников бесперебойного питания, и подбирать устройство необходимо, исходя из потребностей вашей техники. В первую очередь, рассчитайте общую максимальную нагрузку. Желательно выбирать ИБП с небольшим запасом мощности – около 20-30%. Это гарантирует безопасность оборудования, создает благоприятные условия для работы самого бесперебойника и позволяет несколько видоизменять конфигурацию защищаемой системы, добавляя или заменяя определенные ее элементы.

ИБП по топологии

Основная классификация источников бесперебойного питания затрагивает топологию их работы, или схемы построения устройства:

(off-line, back-UPS, standby) - простейшие бесперебойники, которые при помощи пассивных фильтров ликвидируют электромагнитные помехи и высоковольтные импульсы. Если напряжение пропадает или выходит за рамки нормированных значений, то нагрузка, питаемая от сети, переходит автоматически на питание от батареи ИБП.

(line-interactive) - модели бесперебойников со стабилизатором напряжения, позволяющим регулировать уровень входного напряжения. Современные производители настолько усовершенствовали линейно-интерактивный ИБП, что это устройство по сочетанию цены и надежности стало оптимальным решением для домашнего использования. При существенной нестабильности сети (частых колебаниях напряжения в диапазоне от 15-20 В) резервный бесперебойник будет постоянно переключать нагрузку на автономное питание, что негативно скажется на сроках службы батарей. Линейные ИБП больше подходят для сетей с нестабильным напряжением. Время переключения на работу от аккумулятора меньше, чем у первого типа бесперебойникв. Могут различаться по форме выходного напряжения: ИБП синусоидальный или с прямоугольным (трапецеидальным) напряжением.

(on-line, double conversation) - профессиональные бесперебойники большой мощности с самым высоким уровнем надежности. ИБП с двойным преобразованием применяются для защиты серверов, ЦОД, рабочих станций, узлов связи, медицинского оборудования, критически важных приложений.

Принцип работы ИБП on-line типа заключается в следующем:

переменный ток на входе преобразуется в постоянный;
инвертор преобразует постоянный ток в переменный и подает его к нагрузке.

Таким образом, бесперебойнику удается постоянно обеспечивать нагрузку чистым и стабильным (колебания не более 1%) напряжением. Время автономной работы некоторых моделей при подключении дополнительных аккумуляторных модулей может быть продлено до нескольких десятков часов.

ИБП on-line типа в системе ЦОД

Как выбирать бесперебойник?

Различные виды бесперебойников демонстрируют свои преимущества и недостатки, и выбор должен основываться исключительно на ваших возможностях и индивидуальных потребностях вашей системы. Вычислите показатели вашего оборудования, детально рассмотрите типы ИБП, ознакомьтесь с модельным рядом различных производителей – и вы найдете подходящее устройство, которое станет надежной защитой вашей технике.

Повышение требований к качеству электроэнергии в нынешнее время является вполне закономерным процессом. Требования упомянутых стандартов обусловлены двумя составляющими. К первой можно отнести желание потребителей максимально оградить себя от последствий аварийных ситуаций в энергосистеме. Вторая составляющая связана с условиями работы нагрузки. Сюда следует отнести требования стабильной и непрерывной работы интеллектуального и силового электрооборудования, снижение потерь в питающей сети и прочее. Один из эффективных вариантов технических решений проблемы качества электроэнергии – источники бесперебойного питания (ИБП, англ. UPS).

Основная задача ИБП – обеспечить потребителя электроэнергией в момент выхода параметров качества из регламентируемых норм (просадка, повышение напряжения, значительное искажение формы…). Выполняя эту задачу ИБП может:

отключаться от сети питания и передавать мощность нагрузке, используя собственный источник;
питать нагрузку скорректированным напряжением питающей сети.

В более дорогих ИБП может быть реализована функция улучшения качества потребляемой электроэнергии (интегрирован корректор коэффициента мощности).

Типы «бесперебойников»

Существуют три базовых типа ИБП.

Резервный ИБП (standby, offline, back-ups). Наиболее простое и дешёвое техническое решение (например, популярный APC Back-UPS CS 500). При значительно повышенном или пониженном напряжении ИБП отключается от сети 220В и переходит на режим работы от аккумулятора. Основные элементы offline ИБП: аккумуляторы (батарея), зарядное устройство, инвертор, повышающий трансформатор, система управления, фильтр (рис. 1).

а)

б)
Рис. 1 Нормальный режим работы (а) и режим работы от аккумуляторов (б)Преимуществом offline ИБП является низкая стоимость и высокий КПД при работе от сети. Недостатки: высокий уровень искажений выходного напряжения (высокий коэффициент гармоник, ≈30% в случае прямоугольного сигнала), отсутствие возможности регулировки параметров входного напряжения. Более подробно характеристики выходного напряжения будут рассмотрены ниже.).
Интерактивный ИБП (англ. line — interactive). Является промежуточным типом между дешёвым и простым offline ИБП и дорогим многофункциональным online ИБП (например, ippon back office 600). В отличие от offline ИБП интерактивный источник имеет автотрансформатор, позволяющий поддерживать уровень выходного напряжения в пределах 220В (+-10%) при просадках / повышениях сетевого напряжения (рис. 2). Как правило, число уровней напряжения автотрансформатора колеблется в пределах двух – трёх.

(а)

(б)

(в)

(г)
Рис. 2 Работа интерактивного ИБП при нормальном напряжении сети (а), при просадке напряжения сети (б), при повышенном напряжении сети (в), при исчезновении сетевого напряжения или значительном повышении (г)Регулировка выходного напряжения реализована путём переключения на соответствующую отпайку обмотки трансформатора. При глубокой просадке или значительном повышении, или полном исчезновении сетевого напряжения данный класс ИБП функционирует аналогично offline классу: отключается от сети и генерирует выходное напряжение, используя энергию аккумуляторов. Касательно формы выходного сигнала, она может быть как синусной, так и прямоугольной (или же трапецеидальной).
Преимущества line — interactive в сравнении с резервным ИБП: меньшее время переключения на автономную работу от аккумуляторов, стабилизация уровня напряжения на выходе. Недостатки: более низкий КПД при работе от сети, более высокая цена (сравнительно с offline типом), плохая фильтрация всплесков (импульсное перенапряжение).
ИБП с двойным преобразованием (англ. double-conversion UPS, online). Наиболее функциональный и дорогостоящий тип ИБП. Бесперебойник всегда включен в сеть. Входной синусный ток проходит через выпрямитель, фильтруется, затем снова инвертируется в переменный. В звене постоянного тока может быть установлен отдельный DC/DC конвертер. Поскольку инвертор всегда находится в работе, задержка на переключение в режим питания от батарей практически равна нулю. Стабилизация напряжения на выходе при просадках или провалах сетевого напряжения более качественная, в отличие от стабилизации line — interactive ИБП. КПД может находиться в пределах 85%÷95%. Напряжение на выходе зачастую имеет синусную форму (коэффициент гармоник <5%).

Рис. 3 Функциональная схема одного из вариантов online ИБПНа рис. 3 представлена структурная схема варианта online ИБП. Сетевое напряжение здесь выпрямляется полууправляемым выпрямителем. Импульсное напряжение фильтруется и затем инвертируется. В схемах online ИБП может присутствовать один или несколько так называемых байпасов (обходных коммутаторов). Функция такого коммутатора аналогична функции реле: переключение нагрузки для питания от батареи или напрямую от сети.
На основе структуры online создают не только маломощные однофазные, но и промышленные трёхфазные ИБП. Непрерывность электропитания крупных файловых серверов, медицинской техники, телекоммуникаций осуществляется исключительно на основе online структуры ИБП.
Особые типы ИБП . Используются и другие специфические типы ИБП. К примеру, феррорезонансный источник бесперебойного питания. В данном ИБП специальный трансформатор накапливает заряд энергии, которого должно хватить на время переключения питания от сети на аккумуляторы. Также в качестве источника энергии некоторые ИБП используют механическую энергию супермаховика.

Основные характеристики ИБП.

Мощность . Единицы измерения мощности: вольт-ампер (ВА), ватт (Вт), вольт-ампер реактивный (ВАр). Напомним, что существует полная S, активная Р и реактивная Q мощности. Уравнение, связывающее мощности
S2=P2+Q2
Активная мощность (Вт) расходуется на полезную работу, реактивная (ВАр) – не выполняет полезной работы. Соответственно, полная мощность по определению – максимальная мощность, которой должен обладать источник для обеспечения нагрузки необходимой энергией. Отношение активной мощности к полной показывает качество использования электроэнергии и называется коэффициентом мощности (англ. Power Factor, PF):
(лампы накаливания, обогреватели) имеет PF=1, полная мощность равна активной. ПК, микроволновые печи, кондиционеры имеютПример расчёта.
Рассчитать источник бесперебойного питания для компьютера (два ПК + два монитора). Мощность ПК легко оценить, зная на какую мощность рассчитан блок питания. Пускай в ПК установлены блоки питания 450 Вт (активная мощность). При неизвестном PF для ПК с блоком питания без PFC (англ. Power Factor Corrector, корректор коэффициента мощности) PF можно принимать равным 0,65. Аналогично PF монитора принимаем равным 0,65. Активная мощность монитора 50 Вт. В результате, общая активная мощность потребителя (два рабочих места)
Р=450+50+450+50=1000 Вт
Полная мощность (из формулы 2):
S= Р/PF=1000/0.65=1538 (ВА).
Если в блоках питания (БП) ПК и монитора установлен корректор коэффициента мощности (PF=1), то полная мощность S равна активной.
S=P=1000 (ВА)
Для нагрузки в виде ПК можно рассчитывать ИБП без запаса по мощности, исходя из следующих фактов:

Компьютерные блоки питания имеют защиту от перегрузки. Иными словами, ПК не сможет потреблять мощность, большую, чем заявленная мощность БП.
Мощность блока питания – максимальная мощность. По факту в ненагруженном режиме (сразу после запуска) ПК потребляют около 50% своей мощности.

Результат.
Итак, необходимые минимальные параметры ИБП:

для ПК с блоками питания без PFC – 1кВт / 1540 ВА.
для ПК с блоками питания с PFC – 1кВт/ 1кВА.

Для первого варианта подойдёт источник бесперебойного питания apc Smart-UPS C 2000VA (линейно – интерактивный ИБП 2кВА / 1.3 кВт). Для второго — ИБП Ippon Smart Winner 1500 (1.35 кВт) или Eaton 5SC 1500 ВА (1.05 кВт).
При расчёте важно учесть кратковременное повышение мощности для такой нагрузки, как электродвигатели. В моменты пуска ток Iпуск в пять, семь раз выше номинального Iн:
Iпуск=(5÷7)*Iн

Особенности применения.

Источники бесперебойного питания для котла отопления, а также источники бесперебойного питания для газовых котлов имеют особенность, связанную с режимами работы нулевого проводника. Зачастую автоматика котла требует подключение нейтрали сети. Дело в том, что цепь контроля пламени горелки подключена к заземлению и в четырёхпроводной сети 220В нулевой проводник и заземление котла в конечном счёте замыкаются через физическую землю. Однако, при обрыве нейтрали или при механическом отключении нуля потребителя от нуля сети питания (автономная работа offline ИБП) цепь контроля пламени оказывается разорванной. Для устранения этой проблемы возможны следующие решения:

Выводы

Начальный пункт выбора источника бесперебойного питания – определение характера нагрузки (ИБП для компьютера, для котлов отопления…). Для ответственных потребителей и устройств, содержащих электродвигатели переменного тока, следует выбирать дорогие и функциональные online ИБП. Для ПК и офисной аппаратура подойдут более дешёвые line-interactive или back ИПБ. Следующий пункт выбора – вычисление мощности и времени работы от батарей ИБП. Также следует предусмотреть возможность использования «сквозного» нуля. При формировании конечного решение следует учитывать популярность брендов на рынке: лидеру APC принадлежит около 50% всех продаж, далее со значительным отрывом следуют Ippon, Eaton Powerware, Powercom.