ИБП – общие сведения

Источник бесперебойного питания, (ИБП) (англ. Uninterruptible Power Supply, UPS) — источник вторичного электропитания, автоматическое устройство, назначение которого обеспечить подключенное к нему электрооборудование бесперебойным снабжением электрической энергией в пределах нормы.

 ГОСТ 13109-87 определяет следующие нормы в электропитающей сети: напряжение 220 В + 10 %; частота 50 Гц + 1 Гц; коэффициент нелинейных искажений формы напряжения менее 8 % (длительно) и менее 12 % (кратковременно).

 Неполадками в питающей сети считаются:
• авария сетевого напряжения (напряжение в питающей сети полностью пропало);
• высоковольтные импульсные помехи (резкое увеличение напряжения до 6 кВА продолжительностью от 10 до 100 мс);
• долговременные и кратковременные подсадки и всплески напряжения;
• высокочастотный шум (высокочастотные помехи, передаваемые по электросети);
• выбег частоты (отклонение частоты более чем на 3 Гц).

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИБП
• выходная мощность, измеряемая в вольт-амперах (VA) или ваттах (W);
• выходное напряжение, (измеряется в вольтах, V);
• время переключения, то есть время перехода ИБП на питание от аккумуляторов (измеряется в миллисекундах, ms);
• время автономной работы, определяется ёмкостью батарей и мощностью подключённого к ИБП оборудования (измеряется в минутах, мин.), у большинства офисных ИБП оно равняется 4-15 минутам;
• ширина диапазона входного (сетевого) напряжения, при котором ИБП в состоянии стабилизировать питание без перехода на аккумуляторные батареи (измеряется в вольтах, V);
• срок службы аккумуляторных батарей (измеряется годами, обычно свинцовые аккумуляторные батареи значительно теряют свою ёмкость уже через 3 года).

Массовое использование ИБП связано с обеспечением бесперебойной работы компьютеров, позволяющее подключенному к ИБП оборудованию при пропадании электрического тока или при выходе его параметров за допустимые нормы, некоторое непродолжительное (как правило — до одного часа) время продолжить работу. Кроме компьютеров, ИБП обеспечивают питанием и другую электрическую нагрузку, критичную к наличию питания с нормальными параметрам электропитающей сети, например схемы управления отопительными котлами. ИБП способен корректировать параметры (напряжение, частоту) выходной сети. Может совмещаться с различными видами генераторов электроэнергии (например, дизель-генератором).

СХЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

Существует три схемы построения ИБП:
1) резервный (англ. Off-Line, Standby) — питание подключенной нагрузки осуществляется из первичной электрической сети, ИБП обеспечивает минимальные изменения — производится фильтрация высоковольтных импульсов и электромагнитных помех. При выходе электропитания за нормированные значения напряжения (или его полном отсутствии), автоматически переподключает нагрузку к питанию от схемы, получающей электрическую энергию от собственных аккумуляторов с помощью простого инвертора. При появлении напряжения в пределах нормы, снова переключает нагрузку на питание от первичной сети. Такие ИБП еще называют преобразователи напряжения или инверторы напряжения.
Достоинства
• За счёт КПД около 99 % практически бесшумны и имеют минимальное тепловыделение;
• невысокая стоимость ИБП в целом.
Недостатки
• несинусоидальная форма выходного напряжения (аппроксимированная синусоида, квази синусоида);
• относительно долгое время (свыше 4..5 мс) переключения на питание от батарей;
• невозможность корректировать ни напряжение, ни частоту (VFD по классификации МЭК).

Вывод
Чаще всего ИБП, построенные по такой схеме, используется для питания персональных компьютеров или рабочих станций локальных вычислительных сетей начального уровня, для которых не критично своевременное отключения в случае неполадки в сети. Практически все недорогие маломощные ИБП, предлагаемые на отечественном рынке, построены по данной схеме.

 2) интерактивный (англ. Line-Interactive) — устройство аналогично предыдущей схеме; дополнительно на входе присутствует ступенчатый стабилизатор напряжения, позволяя получить регулируемое выходное напряжение. (VI по классификации МЭК). Инверторы некоторых моделей линейно-интерактивных ИБП выдают напряжение как прямоугольной или трапецеидальной формы, как у предыдущего варианта, так и синусоидальной формы. Время переключения меньше, чем в предыдущем варианте так как осуществляется синхронизация инвертора с входным напряжением. КПД ниже, чем у резервных.

 3) неавтономный режим (англ. online, он-лайн) — 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 входное переменное напряжение преобразуется в постоянное, затем обратно в переменное напряжение с помощью обратного преобразователя (инвертора). Время переключения тождественно равно нулю. ИБП двойного преобразования имеют невысокий КПД (от 80 % до 94 %), из-за чего отличаются повышенным тепловыделением и уровнем шума. В отличие от двух предыдущих схем, способны корректировать не только напряжение, но и частоту. (VFI по классификации МЭК)

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ПАРАМЕТРЫ ИСТОЧНИКОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

Важными показателями, обуславливающими выбор схемы построения ИБП являются время переключения нагрузки на питание от аккумуляторных батарей и время работы от аккумуляторной батареи. Аккумуляторные батареи накапливают энергию и отдают, когда нет внешней сети электропитания.

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 автономного режима работы, можно оснастить ИБП дополнительной (внешней) батареей. Купить аккумуляторы для ИБП можно в тех случаях, когда не хватает времени автономной работы от уже установленных АКБ.

Режим байпас (англ. Bypass, „обход“) — питание нагрузки отфильтрованным напряжением электросети в обход основной схемы ИБП. Переключение в режим Bypass выполняется автоматически или вручную (ручное включения предусматривается на случай проведения профилактического обслуживания ИБП или замены его узлов без отключения нагрузки). Байпасом называется один из составляющих ИБП блоков.

„Бустер“ (англ. booster) — ступенчатый автоматический регулятор напряжения (англ. Automatic Voltage Regulation, AVR), имеющий автотрансформатор в своей основе. Используется в ИБП, которые работают по интерактивной схеме. Часто ИБП оснащается только повышающим „бустером“, 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 бустеров позволяет создать схему ИБП, способную выдержать долгие глубокие „подсадки“ и „проседания“ входного сетевого напряжения (одной из наиболее распространенных проблем отечественных электросетей) без перехода на аккумуляторные батареи, что позволяет значительно увеличить срок „жизни“ аккумуляторной батареи.

 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).

 Коэффициент нелинейных искажений (англ. Total Harmonic Distortion, THD) – показатель, который характеризует степень отличия формы напряжения или тока от идеальной синусоидальной формы. 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;
• 43 % и свыше – сигнал явно выраженной прямоугольной формы.

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.

Гальваническую развязку между входом и выходом, 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.

Мониторинг и управление – для расширенного мониторинга состояния самого ИБП (например, уровень заряда батарей, параметры электрического тока на выходе) применяются различные интерфейсы: для подключения к компьютеру — USB и последовательный (COM) порт, 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.

Надежность системы бесперебойного питания – достигается  применением принципа резервирования. Этот принцип основан на схеме, которая состоит из двух или более ИБП. В литературе название схемы встречается как “схема n+1”.

МЕЖДУНАРОДНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ИБП ПО СТАНДАРТУ IEC 62040-3

Cтандартом IEC 62040-3 введена следующая классификация ИБП:
Пример обозначения типа ИБП VFI SS 111
1-я группа символов — зависимость выходного сигнала ИБП от входного (сети).
• Класс VFI (Voltage and Frequency Independent) — напряжение и частота на выходе ИБП не зависят от входной сети.
• Класс VI (Voltage Independent) — выход ИБП зависит от частоты входа, но напряжение поддерживается в заданных пределах пассивным или активным регулированием.
• Класс VFD (Voltage and Frequency Dependent) — напряжение и частота на выходе ИБП зависят от входной сети.
2-я группа символов — форма выходного сигнала ИБП.
• SS — синусоидальная форма выходного сигнала (коэффициент гармонических искажений Kги<8%) при линейной и нелинейной нагрузке.
• XX – несинусоидальная форма выходного сигнала при нелинейной нагрузке (синусоидальная при линейной).
• YY – несинусоидальная форма сигнала при любой нагрузке.
3-я группа символов – динамические характеристики ИБП. Обеспечение стабильности выходного напряжения ИБП при трёх типах переходных процессов (1 – класс 1, отлично; 2 – класс 2, хорошо; и т. д.):
• 1-я цифра: нормальный режим -> автономный режим -> режим bypass,
• 2-я цифра: 100 % изменение линейной нагрузки в нормальном или автономном режиме (худший параметр),
• 3-я цифра: 100 % изменение нелинейной нагрузки в нормальном или автономном режиме (худший параметр).