Источник бесперебойного питания устройство. Источники бесперебойного питания (ИБП), какие бывают и их принцип работы

Источники бесперебойного питания – прибор, который спас немало бытовых приборов от поломки, компьютерных файлов от гибели (когда «сохраниться» не успели), а хозяев от пикантных ситуаций (от замены подгузников и варки супа наощупь до душа в темноте) в периоды внезапного отключения света.

И если временный дискомфорт пережить можно, то сгоревший холодильник, к примеру, пережить больно с финансовой стороны.

Источник бесперебойного питания, или , предназначен для того, чтобы в случае проблем с энергоснабжением не произошло мгновенного выключения аппаратуры. Бесперебойник, как называют его в народе, эффективен в таких случаях:

обесточенная сеть;
скачки напряжения, частоты или высокочастотного шума.

Если в доме погас свет, то подобное устройство разрешит доделать важные дела без разрушения ваших планов.

Устройство состоит из несколько сложных элементов. Это не просто аккумуляторы в цепи, а именно:

свинцово-кислотные с постоянным напряжением в 24/36 вольт;
схема ИБП для компьютера позволяет постоянный ток из сети преобразовать в переменный;
микроустройство — контролирует заряд батареи не на 100%, чтобы продлить срок эксплуатации бесперебойника;
система для заряда такой агрегат, мы уже научились);
некоторые модели обустроены стабилизаторами частоты тока и напряжения.

Потому тем, как подобрать ИБП для компьютера или отдельного электроприбора, обращайте внимание, входит ли в сборку стабилизатор.

Это отразится на стоимости, но предотвратит более масштабные траты. К примеру, скачки напряжения могут вывести бытовые приборы из строя без шанса ремонта. И тогда на ПК погибнут не только последние несохраненные документы, но и, возможно, вся накопленная за годы библиотека файлов.

Предназначение и принцип действия

Принцип работы элементарно прост: через блок бесперебойного питания проходит напряжение, благодаря специальному устройству аккумуляторы заряжаются на тот максимум, который доступен после ограничения самим же прибором.

Когда в сети наблюдаются какие-либо неполадки, источник выравнивает поток напряжения за счет встроенных стабилизаторов, увеличивая или снижая его. Также при полном отсутствии напряжения в цепи устройство мгновенно включается и заменяет прямой источник питания. Для пользователя данный промежуток не заметен.

Также предоставлены для выбора различные модели: от небольших и маломощных агрегатов до машин, которые смогут обеспечить энергией все электроприборы на время ЧП.

Перед тем, необходимо изучить особенности разных типов данного оборудования и произвести корректный расчет его предполагаемой мощности.

Такой агрегат обезопасит любое электрооборудование от перепадов напряжения в сети. О советах по подбору стабилизатора для холодильника можно прочитать .

Распространенные случаи применения ИБП:

котлы для отопления жилых помещений;
бытовые приборы, теле- и аудиосистемы;
компьютерные системы, а также связи и коммуникации;
оборудование промышленного типа, банковские электронно-цифровые устройства и системы;
другое.

Как выбрать источник бесперебойного питания для компьютера?

Есть некоторые параметры, которые обязательно учитывать при выборе источника бесперебойного питания. Иначе прибор либо будет работать некорректно, либо совсем сломается.

Итак, определим основные пункты, которые нужно знать для правильного выбора ИБП для компьютера:

В заключение стоит сказать, что ИБП — необходимый электроприбор, который найдет свое применение при каждом компьютере.

Также его доступность гарантирована не только разнообразным ассортиментом моделей, но и довольно низкой стоимостью с размахом на любой хозяйский кошелек.

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.

В настоящее время немногих из нас полностью устраивает качество электроэнергии в своём доме – наверное, каждому знакома ситуация, когда неожиданно полностью пропадает или «мигает» свет в квартире (доме). В результате таких «миганий» или вследствие просадки сети по напряжению очень часто пропадают несохранённые данные в системном блоке компьютера, а то и сама оргтехника выходит из строя, останавливаются циркуляционные насосы, что приводит к остановке работы отопительных котлов и т. д.

Не вызовет сомнения ни у кого, что источник бесперебойного питания (ИБП) в таких ситуациях бывает просто необходим, однако, очень важен правильный выбор ИБП, т. к. неправильно подобранный по своим рабочим характеристикам «бесперебойник», может лишь ухудшить ситуацию и попросту вывести вашу бытовую технику из строя.

Существует три основных типа ИБП, поэтому, при выборе его прежде всего следует определиться для каких, собственно, устройств приобретается ИБП от чего вы его хотите защитить. Вот основные и наиболее частые проблемы электропитания:

Основные типы ИБП:

ИБП типа Off-Line (он-же backup, stand-by или in-line): этот ИБП резервного типа относится к пассивным источникам бесперебойного питания и работает по следующей схеме:

При нормальном режиме электропитание с такого ИБП на устройство поступает из внешней сети через его фильтр, в случае, когда это внешнее напряжение пропадает полностью или значения его параметров выходят границы допустимых происходит переключение электропитания на автономный режим. Питающее напряжение нагрузки в этом случае идёт с накопителя (аккумулятора постоянного тока) через инвертор, преобразующий его в переменный.

Ввиду простоты схемы и исполнения, главным достоинством ИБП такого типа, прежде всего является, конечно, относительно невысокая стоимость. Из недостатков стоит отметить длительность времени переключения на питание от накопителя (~4 мс) и отсутствие стабилизации напряжения и частоты в нормальном режиме.

Применять ИБП такого типа стоит для резервного питания оргтехники с относительно хорошей внешней сетью ~ 220 в. Помогают такие «бесперебойники» преимущественно от кратковременного пропадания напряжения в сети.

ИБП типа Line-Interactive (линейно-интерактивный) – имеет схожий принцип работы с ИБП резервного типа, но в отличие от последнего, его схема дополнена стабилизатором внешнего напряжения (автотрансформатором с переключаемыми обмотками) – бустером, обеспечивающим нормальное электропитание нагрузки при небольших скачках напряжения в сети без переключения ИБП в автономный режим и микропроцессором, управляющим переключением отводов этого автотрансформатора.

Это можно отнести к преимуществам ИБП, существенно продлевающим срок службы его аккумуляторов. К преимуществам данных устройств так-же стоит добавить и большую, по сравнению с ИБП типа Off-Line мощность – многие модели этого типа способны «держать» держать нагрузку в 10 кВт.

Однако, как и ИБП типа Off-Line, эти «бесперебойники» по многим своим показателям имеют аналогичные недостатки (время срабатывания при переключении на автономный режим, отсутствие стабилизации частоты в нормальном режиме, проникновению из внешней сети радиочастотных и электромагнитных помех).

Применение таких ИБП целесообразно для защиты компьютерных сетей с нестабильным напряжением от последствий частых отключений электроэнергии.

ИБП типа On-Line (on-line, double-conversion, «бесперебойник» с двойным преобразованием электроэнергии) – наиболее «продвинутый» и надёжный среди перечисленных тип ИБП, обеспечивающий высокий уровень качества электропитания нагрузки.

Особенность его работы заключается в двойном преобразовании входного напряжения. Входное напряжение сети преобразуется в нём выпрямителем в постоянное и далее, с помощью инвертора вновь в переменное.

Накопитель эл. энергии (аккумуляторная батарея), постоянно включен между выпрямителем и инвертором, питая его в автономном режиме. Т. е, получается, что даже при значительных отклонениях параметров сетевого напряжения, такой ИБП будет питать устройство нагрузки чистейшим синусоидальным стабилизированным напряжением.

Преимущества ИБП этого типа – это, прежде всего высокая надёжность их работы и хорошее качество напряжения электропитания нагрузки и время переключения на резервное питание от аккумуляторов, точнее его полное отсутствие.

Недостатки – сложность схемы (связано с применением в нём двойного преобразования напряжения) и исполнения и, как следствие – незначительное снижение общего КПД. Понятно, что эти ИБП имеют намного более высокую стоимость по сравнению с типами ИБП, перечисленными выше.

Использование этих ИБП должно быть оправдано: чаще всего они находят применение для резервного питания и защиты файловых серверов, телекоммуникационного оборудования, компьютерных сетей, имеющих большую мощность потребления (диапазон мощностей некоторых моделей таких ИБП превышает 100 кВт).

Промышленное решение: ИБП, вместе с защищаемым оборудованием, смонтирован в 19-дюймовую стойку

Источники бесперебойного электропитания развивались параллельно с компьютерами и другими высокотехнологическими устройствами для надежного питания этого оборудования, чего стандартные сети электроснабжения обеспечить не могут. :128 Наиболее широко распространены конструкции в качестве отдельного устройства, включающего в себя аккумулятор и преобразователь постоянного тока в переменный. Также в качестве резервного источника могут применяться маховики и топливные элементы. В настоящее время мощность ИБП находится в диапазоне 100 Вт … 1000 кВт (и более), возможны различные величины выходных напряжений. :142

Причины использования

Кратковременные нарушения нормальной работы электрической сети являются неизбежными. Причиной большинства кратковременных нарушений электроснабжения являются короткие замыкания. Полностью защитить электрическую сеть от них практически невозможно или, во всяком случае, это стоило бы очень дорого. :с. 6 Кратковременные перерывы питания случаются значительно чаще, чем длительные. Длительного перерыва питания возможно избежать используя автоматический ввод резерва (АВР) . При этом кратковременные перерывы питания будут не только при коротком замыкании на любой из питающих АВР линий, но и на линиях, питающих соседних потребителей. :с. 8

Бесперебойное от гарантированного электропитания отличается тем, что в случае гарантированного электропитания допускается перерыв на время ввода в действие резервного источника. В случае бесперебойного электропитания требуется «мгновенный» ввод в действие резервного источника. Это важное требование ограничивает круг пригодных к применению в источниках бесперебойного питания резервных источников. На практике обычно может быть применен только один такой источник - аккумуляторная батарея.

Основной функцией ИБП является обеспечение непрерывности электропитания посредством использования альтернативного источника энергии. Кроме того, ИБП повышает качество электропитания, стабилизируя его параметры в установленных пределах. В ИБП в качестве накопителя энергии обычно используются химические источники тока. Кроме них могут применяться и иные накопители. :п. 1.1 В качестве первичного источника может использоваться электропитание, поступающее от электросети или генератора. :п. 3.1.3

Промышленность

Сложное технологическое оборудование современного промышленного производства не может нормально функционировать, если электроснабжение не бесперебойное. Для многих промышленных предприятий перерыв питания на несколько секунд или даже на десятые доли секунды ведет к нарушению непрерывного технологического процесса и к остановке производства. :с. 5

Если допустимое время перерыва питания меньше 0,2 с возможно только использование источников бесперебойного питания, защита автоматическими выключателями цепи с коротким замыканием для уменьшения времени перерыва питания в таком случае невозможна или неэффективна. Если допустимое время более 0,2 с возможно использование защит электросети или использование источников бесперебойного питания. При допустимом времени 5…20 с возможно отказаться от источников бесперебойного питания и использовать АВР. :с. 61

Для электродвигателей провалы напряжения в сети 0,4 кВ длительностью 0,3…0,5 с могут привести к тому, что векторы остаточной ЭДС электродвигателей могут оказаться в противофазе с векторами напряжения сети. В результате при восстановлении питания произойдет срабатывание электромагнитных расцепителей автоматических выключателей и окончательное отключение электродвигателей. При этом провалы напряжения длительностью менее 0,3 с не представляют опасности, поэтому для электродвигателей борьба с провалами напряжения обычно направлена на предотвращение отключения контакторов в цепи главного питания 0,4 кВ. Одной из таких мер является питание цепей управления контактора от источника бесперебойного питания. :с. 251

Восприимчивость промышленных контролёров на логических микросхемах к провалам напряжения аналогична восприимчивости компьютеров. :160

Нарушение работы контакторов и реле может произойти при прерывании напряжения 5…10 мс и 80…120 мс. Разница в работе одного и того же устройства возникает из-за разницы в мгновенной величины напряжения переменного тока, когда начался провал напряжения. При прохождении напряжения через ноль устойчивость более чем в 10 раз больше. :165

В быту и офисах

Наиболее распространенное в быту и офисах применение - выключение компьютера без потери данных при отключении электроэнергии. При провалах напряжения длительностью 0,2 с происходит остановка процедур чтения/записи компьютера; 0,25 c - блокировка операционной системы; 0,4 c - перезагрузка. :158

Аварийное

Источники питания, которые используются в случае перерыва нормального питания делятся на резервные и источники питания для систем безопасности.

Регулирование

Международной электротехнической комиссией принята группа стандартов:

Международная классификация ИБП

История электронных ИБП переменного тока начинается с изобретения в 1957 году тиристоров . В 1964…1967 гг. были созданы ИБП с резервированием мощностью до 500 кВА. К настоящему времени основное изменение в конструкции состоит в замене тиристоров на IGBT транзисторы. :130

Резервная схема

Недостатки: в режиме «от сети» не выполняет функцию фильтрации пиков, и обеспечивает только крайне примитивную стабилизацию напряжения (обычно 2-3 ступени автотрансформатора, переключаемые релейно, функция называется «AVR»).

В режиме «от батарей» некоторые, особенно дешёвые, схемы выдают на нагрузку частоту куда выше 50 Гц, и осциллограмму переменного тока, имеющую мало общего с синусоидой. Это связано с применением классического трансформатора крупного размера в схеме (вместо инвертора на полупроводниковых ключах). В связи с тем, что трансформатор данного габарита имеет (в связи с возникновением гистерезиса в сердечнике) ограничение на передаваемую мощность, которое линейно растет с частотой, данного трансформатора (занимает 1/3 объёма всего ИБП) хватает для питания цепи зарядки батарей на 50 Гц в режиме «от сети». Но, в режиме «от батарей», через этот трансформатор нужно пропустить уже сотни ватт мощности, что возможно только путём повышения частоты.

Это приводит к невозможности питания приборов, использующих, например, асинхронные двигатели (почти вся бытовая техника , включая отопительные системы).

По сути, от такого ИБП можно питать только приборы, нетребовательные к качеству питания, то есть, например, все приборы с импульсными БП, где питающее напряжение немедленно выпрямляется и фильтруется. То есть компьютеры и значительная часть современной бытовой электроники. Также можно питать осветительные и обогревательные приборы.

Схема двойного преобразования

Режим двойного преобразования (англ. online , double-conversion, онлайн) - используется для питания нагруженных серверов (например, файловых), высокопроизводительных рабочих станций локальных вычислительных сетей, а также любого другого оборудования, предъявляющего повышенные требования к качеству сетевого электропитания. Принцип работы состоит в двойном преобразовании (double conversion) рода тока. Сначала входной переменный ток преобразуется в постоянный , затем обратно в переменный ток с помощью обратного преобразователя (инвертора). При пропадании входного напряжения переключение нагрузки на питание от аккумуляторов не требуется, поскольку аккумуляторы включены в цепь постоянно (т. н. буферный режим работы аккумулятора) и для этих ИБП параметр «время переключения» не имеет смысла. В маркетинговых целях может использоваться фраза «время переключения равно 0», правильно отражающая основное преимущество данного вида ИБП: отсутствие промежутка времени между пропаданием внешнего напряжения и началом питания от батарей. ИБП двойного преобразования имеют невысокий КПД (от 80 до 96,5 %) в режиме on-line, из-за чего отличаются повышенным тепловыделением и уровнем шума. Однако у современных ИБП средних и высоких мощностей ведущих производителей предусмотрены разнообразные интеллектуальные режимы, позволяющие автоматически подстраивать режим работы для повышения КПД вплоть до 99 %. В отличие от двух предыдущих схем, способны корректировать не только напряжение, но и частоту (VFI по классификации МЭК).

Достоинства:

отсутствие времени переключения на питание от батарей;
синусоидальная форма выходного напряжения, то есть возможность питать любую нагрузку, в том числе отопительные системы (в которых есть асинхронные двигатели).
возможность корректировать и напряжение, и частоту (более того, такой прибор одновременно является и самым лучшим из возможных стабилизаторов напряжения).

Недостатки:

Низкий КПД (80-94 %), повышенная шумность и тепловыделение. Практически всегда прибор содержит вентилятор компьютерного типа, и потому не бесшумен (в отличие от line-interactive ИБП).
Высокая стоимость. Примерно вдвое-втрое выше, чем line-interactive.

ИБП постоянного тока

Характеристики ИБП

Конструкция

Устройства хранения электроэнергии

Химические

Реализация основной функции достигается работой устройства от аккумуляторов , установленных в корпусе ИБП, под управлением электрической схемы, поэтому в состав любого ИБП, кроме схемы управления , входит зарядное устройство , которое обеспечивает зарядку аккумуляторных батарей при наличии напряжения в сети, обеспечивая тем самым постоянную готовность к работе ИБП в автономном режиме. Для увеличения времени автономного режима работы можно оснастить ИБП дополнительной (внешней) батареей.

В источниках бесперебойного электропитания могут быть использованы химические источники тока (ХИТ):

Динамические

Конденсаторы

При использовании АВР постоянного тока с использованием релейной схемы можно использовать для исключения перерывов питания на время переключения конденсатор большой ёмкости. :с. 229

Байпас

Байпасом называется один из составляющих ИБП блоков. Режим байпас (англ. Bypass , «обход») - питание нагрузки отфильтрованным напряжением электросети в обход основной схемы ИБП. Переключение в режим Bypass выполняется автоматически или вручную (ручное включение предусматривается на случай проведения профилактического обслуживания ИБП или замены его узлов без отключения нагрузки). Может делать т. н. фазануль («сквозной нуль»). Применяется в online-схемах, более того, выключенный кнопкой OFF online UPS остаётся в режиме байпаса, то же самое происходит при разрушении силовых компонентов схемы, определённом управляющими цепями, а также при аварийном отключении схемы по перегрузке выхода. В line-interactive UPS режим работы «от сети» и есть байпас.

Стабилизатор переменного напряжения

Используется в ИБП, которые работают по интерактивной схеме. Часто ИБП оснащается только повышающим «бустером» (англ. booster ), который имеет всего лишь одну либо несколько ступенек повышения, но есть модели, которые оснащены универсальным регулятором, работающим и на повышение (boost), и на понижение (buck) напряжения. Использование стабилизаторов позволяет создать схему ИБП, способную выдержать долгие глубокие «подсадки» и «проседания» входного сетевого напряжения (одной из наиболее распространённых проблем отечественных электросетей) без перехода на аккумуляторные батареи, что позволяет значительно увеличить срок «жизни» аккумуляторной батареи.

Инвертор

Инвертор - устройство, которое преобразует род напряжения из постоянного в переменное (аналогично переменное в постоянное). Основные типы инверторов:

инверторы, которые генерируют напряжение прямоугольной формы;
инверторы с пошаговой аппроксимацией;
инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) .
преобразователь с импульсно-плотностной модуляцией (ИПМ, англ. Pulse-density modulation )

Показатель, который характеризует степень отличия формы напряжения или тока от идеальной синусоидальной формы - коэффициент нелинейных искажений (англ. ). Типовые значения:

0 % - форма сигнала полностью соответствует синусоиде;
порядка 3 % - форма, близкая к синусоидальной;
порядка 5 % - форма сигнала, приближенная к синусоидальной;
до 21 % - сигнал имеет трапецеидальную или ступенчатую форму (модифицированный синус или меандр);
43 % и свыше - сигнал прямоугольной формы (меандр).

Для уменьшения влияния на форму напряжения в питающей электросети (если входным узлом ИБП, построенного по схеме с двойным преобразованием, является тиристорный выпрямитель, элемент нелинейный и потребляющий большой импульсный ток, такой ИБП становится причиной появления гармоник высшего порядка) во входной цепи ИБП устанавливается специальный THD-фильтр . При использовании транзисторных выпрямителей коэффициент нелинейных искажений (англ. Total Harmonic Distortion, THD ) составляет порядка 3 %, и фильтры не используют.

Трансформатор

Гальваническую развязку между входом и выходом (как правило, в ИБП таковая не делается вообще из принципиальных соображений пропуска «сквозного нуля» на нагрузку, то есть отсутствия любой коммутации провода нейтрали от входа UPS до его выхода) осуществляет установленный во входной цепи ИБП (между электросетью и выпрямителем) входной изолирующий трансформатор . Соответственно, в выходной цепи ИБП между преобразователем и нагрузкой размещён выходной изолирующий трансформатор , который обеспечивает гальваническую развязку между входом со схемы ИБП и выходом на подключенную нагрузку.

Интерфейс

Для расширенного мониторинга состояния самого ИБП (например, уровень заряда батарей, параметры электрического тока на выходе) применяются различные интерфейсы : для подключения к компьютеру - последовательный (COM) порт или USB , при этом производителем ИБП поставляется фирменное программное обеспечение , которое позволяет, проанализировав ситуацию, определить время работы и дать оператору возможность безопасно выключить компьютер, завершив работу всех программ. Для наблюдения за состоянием источников бесперебойного питания и другого оборудования через локальную вычислительную сеть используется протокол SNMP и специализированное программное обеспечение.

Для того, чтобы повысить надёжность всей системы в целом, применяется резервирование - схема, которая состоит из двух или более ИБП.

Производители

Распределение продаж ИБП по производителям (2017 г., «IT Research»).

Требования к качеству электроэнергии законодательно прописаны государственными стандартами и довольно жесткими нормативами. Электроснабжающие организации прилагают много усилий для их соблюдения, но, они не всегда реализуются.

В наших квартирах, да и на производстве, периодически возникают:

полные отключения электричества на неопределенное время;

апериодические кратковременные (10÷100 мс) высоковольтные (до 6 кВ) импульсы напряжения;

всплески и снижения напряжения с различной продолжительностью;

накладки высокочастотных шумов;

уходы частоты.

Все эти неполадки отрицательно влияют на работу бытовых и офисных потребителей электроэнергии. Особенно страдают от качества электропитания микропроцессорные и компьютерные устройства, которые не только совершают сбои, но и могут полностью потерять свою работоспособность.

Назначение и виды источников бесперебойного питания

Чтобы сократить риски от возникновения неисправностей питающей электрической сети используются резервные устройства, которые принято называть источниками бесперебойного питания (ИБП) или UPS (образовано от сокращения английской фразы «Uninterruptible Power Supply») .

Они изготавливаются с разной конструкцией для решения специфических задач потребителя. Например, мощные ИБП с гелиевыми аккумуляторами способны поддерживать энергоснабжение целого коттеджа в течение нескольких часов.

Их АКБ получают заряд от линии электропередач, ветрогенератора, или других носителей электроэнергии через выпрямительное устройство инвертора. Они же подпитывают электрические потребители коттеджа.

Когда внешний источник отключается, то аккумуляторы разряжаются на подключенную в их сеть нагрузку. Чем больше емкость АКБ и меньше ток их разряда, тем дольше они работают.

Иисточники бесперебойного питания средней мощности могут резервировать , систем поддержания микроклимата в помещениях и подобного оборудования.

В то же время самые простые модели UPS способны только завершить программу аварийного отключения компьютера. При этом длительность всего процесса их работы не превысит 9÷15 минут.

Компьютерные источники бесперебойного питания бывают:

встроенными в корпус устройства;

внешними.

Первые конструкции распространены в ноутбуках, нетбуках, планшетах и подобных мобильных устройствах, работающих от встроенного аккумулятора, который снабжен схемой переключения питания и нагрузки.

АКБ ноутбука со встроенным контроллером является источником бесперебойного питания. Его схема в автоматическом режиме защищает работающее оборудование от неисправностей электросети.

Внешние конструкции ИБП , предназначенные для нормального завершения программ стационарного компьютера, изготавливаются отдельным блоком.

Их подключают через сетевой адаптер питания к электрической розетке. От них запитывают только те устройства, которые отвечают за работу программ:

системный блок с подключенной клавиатурой;

монитор, отображающий происходящие процессы.

Остальные периферийные устройства: сканеры, принтеры, акустические колонки и другое оборудование от UPS не запитывают. Иначе они при аварийном завершении программ будут забирать на себя часть энергии, накопленной в аккумуляторах.

Варианты построения рабочих схем ИБП

Компьютерные и промышленные UPS изготавливают по трем основным вариантам:

резервирования электропитания;

интерактивной схемы;

двойного преобразования электроэнергии.

При первом методе резервной схемы , обозначаемым английскими терминами «Standby» или «Off-Line» напряжение поступает из сети к компьютеру через ИБП, в котором электромагнитные помехи устраняются встроенными фильтрами. Здесь же установлен , емкость которого поддерживается током заряда, регулируемым контроллером.

Когда пропадает или выходит за установленные нормативы внешнее питание, то контроллер направляет энергию АКБ на питание потребителей. Для преобразования постоянного тока в переменный подключается простой инвертор.

Преимущества UPS Standby

Источники бесперебойного питания схемы Off-Line обладают высоким КПД, при поданном на них напряжении, тихо работают, мало выделяют тепла и относительно дешевы.

Недостатки

UPS Standby выделяются:

долгим переходом на питание от аккумулятора 4÷13 мс;

искаженной формой выходного сигнала, выдаваемого инвертором в виде меандра, а не гармоничной синусоиды;

отсутствием корректировки напряжения и частоты.

Такие устройства наиболее распространены на персональных компьютерах.

ИБП интерактивной схемы

Их обозначают английским термином ««Line-Interactive». Они выполняются по предыдущей, но более усложненной схеме за счет включения стабилизатора напряжения, использующего автотрансформатор со ступенчатым регулированием.

Это обеспечивает корректировку величины выходного напряжения, но управлять частотой сигнала они не способны.

Фильтрация помех в нормальном режиме и переход на инверторное питание при авариях происходит по алгоритмам UPS Standby.

Добавлением стабилизатора напряжения различных моделей с методиками управления им позволило создавать инверторы с формой сигнала не только меандра, но и синусоиды. Однако, небольшое количество ступеней регулирования на основе релейных переключений не позволяет реализовать функции полной стабилизации.

Особенно это характерно для дешевых моделей, которые при переходе на питание от аккумулятора не только завышают частоту выше номинальной, но и искажают форму синусоиды. Помехи вносит встроенный трансформатор, в сердечнике которого происходят процессы гистерезиса.

В дорогих моделях работают инверторы на полупроводниковых ключах. UPS Line-Interactive имеют большее быстродействие при переходе на питание от АКБ, чем у ИБП Off-Line. Оно обеспечивается работой алгоритмов синхронизации между входящим напряжением с выдаваемыми сигналами. Но при этом происходит некоторое занижение КПД.

ИБП Line-Interactive нельзя использовать для питания асинхронных двигателей, которые массово установлены на всей бытовой технике, включая системы отопления. Их используют для работы устройств с , где питание фильтруется и выпрямляется одновременно: компьютеров и бытовой электроники.

ИБП двойного преобразования

Эта схема UPS получила название по английскому словосочетанию On-line» и работает на оборудовании, требующем высококачественного питания. В ней производится двойная конверсия электроэнергии, когда синусоидальные гармоники переменного тока постоянно преобразуются выпрямителем в постоянную величину, пропускаемую через инвертор для создания повторной синусоиды на выходе.

Здесь АКБ постоянно подключен в схему, что исключает необходимость его коммутаций. Этим способом практически исключается период подготовки источника бесперебойного питания на переключения.

Работу ИБП On-line по состоянию аккумулятора можно разделить на три этапа:

стадия заряда;

состояние ожидания;

разряд на работу компьютера.

Период заряда

Цепи входа и выхода синусоиды разорваны внутренним переключателем UPS.

Подключенный к выпрямителю аккумулятор получает энергию заряда до тех пор, пока его емкость не восстановится до оптимальных значений.

Период готовности

После окончания заряда АКБ автоматика источника бесперебойного питания замыкает внутренний переключатель.

Аккумулятор поддерживает состояние готовности к работе в буферном режиме.

Период разряда

АКБ автоматически переводится на питание компьютерной станции.

У источников бесперебойного питания, работающих по методике двойного преобразования электроэнергии, КПД в режиме питания от линии ниже, чем у других моделей из-за расхода энергии на выделение тепла и шума. Но в сложных конструкциях применяются методики, позволяющие увеличить КПД.

UPS On-line споосбны выправлять не только величину напряжения, но и его частоту колебаний. Это выгодно отличает их от предыдущих моделей и позволяет использовать для питания различных сложных устройств с асинхронными двигателями. Однако, стоимость таких устройств значительно выше предыдущих моделей.

Состав ИБП

В зависимости от вида рабочей схемы в комплект источника бесперебойного питания входят:

аккумуляторы для накопления электроэнергии;

Обеспечивающее поддержание работоспособности АКБ;

инвертор для формирования синусоиды,

схема управления процессами;

программное обеспечение.

Для удаленного доступа к устройству может использоваться локальная сеть, а повысить надежность схемы можно за счет ее резервирования.

В отдельных источниках бесперебойного питания используется режим «Байпас», когда нагрузка запитывается отфильтрованным напряжением сети без работы основной схемы устройства.

Часть UPS имеет ступенчатый регулятор напряжения «Бустер», управляемый от автоматики.

В зависимости от необходимости выполнять сложные технические решения источники бесперебойного питания могут оснащаться еще дополнительными специальными функциями.