ДБЖ – загальні відомості

Джерело безперебійного живлення (ДБЖ) (англ. Uninterruptible Power Supply, UPS) – джерело вторинного електроживлення, автоматичний пристрій, призначення якого забезпечити під’єднане до нього електрообладнання безперебійним постачанням електричної енергії в межах норми.

ГОСТ 13109-87 визначає такі норми в електромережі живлення: напруга 220 В + 10 %; частота 50 Гц + 1 Гц; коефіцієнт нелінійних викривлень форми напруги менше ніж 8 % (довготривало) і менше ніж 12 % (короткочасно).

Неполадками в мережі живлення вважаються:

• аварія мережевої напруги (напруга в живильній мережі повністю зникла);
• високовольтні імпульсні перешкоди (різке збільшення напруги до 6 кВА тривалістю від 10 до 100 мс);
• довготривалі та короткочасні підсадки і сплески напруги;
• високочастотний шум (високочастотні перешкоди, що передаються електромережею);
• вибіг частоти (відхилення частоти більш ніж на 3 Гц).

ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДБЖ

• вихідна потужність, вимірювана у вольт-амперах (VA) або ватах (W);
• вихідна напруга, (вимірюється у вольтах, V);
• час перемикання, тобто час переходу ДБЖ на живлення від акумуляторів (вимірюється в мілісекундах, ms);
• час автономної роботи, визначається ємністю батарей і потужністю під’єднаного до ДБЖ обладнання (вимірюється в хвилинах, хв.), у більшості офісних ДБЖ він дорівнює 4-15 хвилинам;
• ширина діапазону вхідної (мережевої) напруги, за якої ДБЖ у змозі стабілізувати живлення без переходу на акумуляторні батареї (вимірюється у вольтах, V);
• термін служби акумуляторних батарей (вимірюється роками, зазвичай свинцеві акумуляторні батареї значно втрачають свою ємність вже через 3 роки).

Масове використання ДБЖ пов’язане із забезпеченням безперебійної роботи комп’ютерів, що дає змогу під’єднаному до ДБЖ обладнанню в разі пропажі електричного струму або при виході його параметрів за допустимі норми, певний нетривалий (як правило – до однієї години) час продовжити роботу. Крім комп’ютерів, ДБЖ забезпечують живленням й інше електричне навантаження, критичне до наявності живлення з нормальними параметрами електроживильної мережі, наприклад, схеми керування опалювальними котлами. ДБЖ здатний коригувати параметри (напругу, частоту) вихідної мережі. Може поєднуватися з різними видами генераторів електроенергії (наприклад, дизель-генератором).

СХЕМИ ПОБУДОВИ ДЖЕРЕЛ БЕЗПЕРЕБІЙНОГО ЖИВЛЕННЯ

Існує три схеми побудови ДБЖ:
1) резервний (англ. Off-Line, Standby) – живлення під’єднаного навантаження здійснюється з первинної електричної мережі, ДБЖ забезпечує мінімальні зміни – здійснюється фільтрація високовольтних імпульсів та електромагнітних перешкод. У разі виходу електроживлення за нормовані значення напруги (або її повної відсутності), автоматично перепідключає навантаження до живлення від схеми, що отримує електричну енергію від власних акумуляторів за допомогою простого інвертора. При появі напруги в межах норми, знову перемикає навантаження на живлення від первинної мережі. Такі ДБЖ ще називають перетворювачі напруги або інвертори напруги.
Переваги
• За рахунок ККД близько 99 % практично безшумні і мають мінімальне тепловиділення;
• невисока вартість ДБЖ загалом.
Недоліки
• несинусоїдальна форма вихідної напруги (апроксимована синусоїда, квазі синусоїда);
• відносно довгий час (понад 4..5 мс) перемикання на живлення від батарей;
• неможливість коригувати ні напругу, ні частоту (VFD за класифікацією МЕК).

Висновок
Найчастіше ДБЖ, побудовані за такою схемою, використовують для живлення персональних комп’ютерів або робочих станцій локальних обчислювальних мереж початкового рівня, для яких не критичним є своєчасне вимкнення в разі неполадок у мережі. Практично всі недорогі малопотужні ДБЖ, пропоновані на вітчизняному ринку, побудовані за такою схемою.

2) інтерактивний (англ. Line-Interactive) – пристрій аналогічний до попередньої схеми; додатково на вході присутній ступінчастий стабілізатор напруги, що дає змогу отримати регульовану вихідну напругу. (VI за класифікацією МЕК). Інвертори деяких моделей лінійно-інтерактивних ДБЖ видають напругу як прямокутної або трапецеїдальної форми, як у попереднього варіанта, так і синусоїдальної форми. Час перемикання менший, ніж у попередньому варіанті, оскільки здійснюється синхронізація інвертора із вхідною напругою. ККД нижчий, ніж у резервних.

3) неавтономний режим (англ. online, он-лайн) – використовується для живлення навантажених серверів (наприклад, файлових), високопродуктивних робочих станцій локальних обчислювальних мереж, а також будь-якого іншого обладнання, що висуває підвищені вимоги до якості мережевого електроживлення. Принцип роботи полягає в подвійному перетворенні (double conversion) роду струму. Спочатку вхідна змінна напруга перетворюється на постійну, потім назад у змінну напругу за допомогою зворотного перетворювача (інвертора). Час перемикання тотожно дорівнює нулю. ДБЖ подвійного перетворення мають невисокий ККД (від 80 % до 94 %), через що відрізняються підвищеним тепловиділенням і рівнем шуму. На відміну від двох попередніх схем, здатні коригувати не тільки напругу, а й частоту. (VFI за класифікацією МЕК)

ОСНОВНІ ЕЛЕМЕНТИ ТА ПАРАМЕТРИ ДЖЕРЕЛ БЕЗПЕРЕБІЙНОГО ЖИВЛЕННЯ ТА ЇХ ПРИЗНАЧЕННЯ

Важливими показниками, що зумовлюють вибір схеми побудови ДБЖ є час перемикання навантаження на живлення від акумуляторних батарей і час роботи від акумуляторної батареї. Акумуляторні батареї накопичують енергію і віддають, коли немає зовнішньої мережі електроживлення.

Реалізація основної функції досягається роботою пристрою від акумуляторів, встановлених у корпусі ДБЖ, під керуванням електричної схеми, тому до складу будь-якого ДБЖ, окрім схеми керування, входить зарядний пристрій, який забезпечує заряджання акумуляторних батарей за наявності напруги в мережі, забезпечуючи тим самим постійну готовність до роботи ДБЖ в автономному режимі. Для збільшення автономного режиму роботи, можна оснастити ДБЖ додатковою (зовнішньою) батареєю. Купити акумулятори для ДБЖ можна в тих випадках, коли не вистачає часу автономної роботи від уже встановлених АКБ.

Режим байпас (англ. Bypass, “обхід”) – живлення навантаження відфільтрованою напругою електромережі в обхід основної схеми ДБЖ. Перемикання в режим Bypass виконують автоматично або вручну (ручне ввімкнення передбачають на випадок проведення профілактичного обслуговування ДБЖ або заміни його вузлів без вимкнення навантаження). Байпасом називається один зі складових ДБЖ блоків.

“Бустер” (англ. booster) – ступінчастий автоматичний регулятор напруги (англ. Automatic Voltage Regulation, AVR), що має автотрансформатор у своїй основі. Використовується в ДБЖ, які працюють за інтерактивною схемою. Часто ДБЖ оснащується тільки підвищувальним “бустером”, який має всього лише одну або кілька сходинок підвищення, але є моделі, які оснащено універсальним регулятором, що працює і на підвищення (boost), і на зниження (buck) напруги. Використання бустерів дає змогу створити схему ДБЖ, здатну витримати тривалі глибокі “підсадки” і “просідання” вхідної мережевої напруги (однієї з найпоширеніших проблем вітчизняних електромереж) без переходу на акумуляторні батареї, що дає змогу значно збільшити термін “життя” акумуляторної батареї.

Інвертор – пристрій, який перетворює рід напруги з постійної в змінну (аналогічно змінну в постійну). Основні типи інверторів:
• інвертори, які генерують напругу прямокутної форми;
• інвертори з покроковою апроксимацією;
• інвертор із широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ).

Коефіцієнт нелінійних спотворень (англ. Total Harmonic Distortion, THD) – показник, який характеризує ступінь відмінності форми напруги або струму від ідеальної синусоїдальної форми. Типові значення:
• 0 % – форма сигналу повністю відповідає синусоїді;
• близько 3 % – форма близька до синусоїдальної;
• близько 5 % – форма сигналу наближена до синусоїдальної;
• до 21 % – сигнал має трапецеїдальну або ступінчасту форму;
• 43 % і більше – сигнал явно вираженої прямокутної форми.

Для зменшення впливу на форму напруги в живильній електромережі, (якщо вхідним вузлом ДБЖ, побудованого за схемою з подвійним перетворенням, є тиристорний випрямляч, елемент нелінійний, який споживає великий імпульсний струм, такий ДБЖ стає причиною появи гармонік вищого порядку), у вхідному ланцюзі ДБЖ встановлюють спеціальний THD-фільтр. У разі використання транзисторних випрямлячів коефіцієнт нелінійних спотворень (англ. Total Harmonic Distortion, THD) становить близько 3 % і фільтри не використовують.

Гальванічну розв’язку між входом і виходом здійснює встановлений у вхідному ланцюзі ДБЖ (між електромережею і випрямлячем) вхідний ізолювальний трансформатор. Відповідно, у вихідному ланцюзі ДБЖ між перетворювачем і навантаженням розміщений вихідний ізолювальний трансформатор, який забезпечує гальванічну розв’язку між входом зі схеми ДБЖ і виходом на підключене навантаження.

Моніторинг і управління – для розширеного моніторингу стану самого ДБЖ (наприклад, рівень заряду батарей, параметри електричного струму на виході) застосовують різні інтерфейси: для під’єднання до комп’ютера – USB і послідовний (COM) порт, водночас виробником ДБЖ постачають фірмове програмне забезпечення, що дає змогу, проаналізувавши ситуацію, визначити час роботи й дати операторові змогу безпечно вимкнути комп’ютер, завершивши роботу всіх програм. Для спостереження за станом джерел безперебійного живлення (ДБЖ) та іншого обладнання через локальну обчислювальну мережу використовується протокол SNMP і спеціалізоване програмне забезпечення.

Надійність системи безперебійного живлення – досягається застосуванням принципу резервування. Цей принцип заснований на схемі, яка складається з двох або більше ДБЖ. У літературі назва схеми зустрічається як “схема n+1”.

МІЖНАРОДНА КЛАСИФІКАЦІЯ ДБЖ ЗА СТАНДАРТОМ IEC 62040-3

Стандартом IEC 62040-3 введено таку класифікацію ДБЖ:
Приклад позначення типу ДБЖ VFI SS 111
1-ша група символів – залежність вихідного сигналу ДБЖ від вхідного (мережі).
• Клас VFI (Voltage and Frequency Independent) – напруга і частота на виході ДБЖ не залежать від вхідної мережі.
• Клас VI (Voltage Independent) – вихід ДБЖ залежить від частоти входу, але напруга підтримується в заданих межах пасивним або активним регулюванням.
• Клас VFD (Voltage and Frequency Dependent) – напруга і частота на виході ДБЖ залежать від вхідної мережі.
2-а група символів – форма вихідного сигналу ДБЖ.
• SS – синусоїдальна форма вихідного сигналу (коефіцієнт гармонійних спотворень Кгі<8%) за лінійного і нелінійного навантаження.
• XX – несинусоїдальна форма вихідного сигналу за нелінійного навантаження (синусоїдальна за лінійного).
• YY – несинусоїдальна форма сигналу за будь-якого навантаження.
3-тя група символів – динамічні характеристики ДБЖ. Забезпечення стабільності вихідної напруги ДБЖ за трьох типів перехідних процесів (1 – клас 1, відмінно; 2 – клас 2, добре; і т. д.):
• 1-ша цифра: нормальний режим -> автономний режим -> режим bypass,
• 2-а цифра: 100 % зміна лінійного навантаження в нормальному або автономному режимі (найгірший параметр),
• 3-тя цифра: 100 % зміна нелінійного навантаження в нормальному або автономному режимі (найгірший параметр).