Принцип работы бесперебойного источника питания

Источники бесперебойного питания (ИБП), или UPS, предназначены для обеспечения работы оборудования в аварийных ситуациях. В представлении большинства пользователей это устройства, предназначенные для питания компьютеров на время, достаточное для корректного завершения их работы при отключении электричества. На самом деле область применения ИБП намного шире. Он включает в том числе аппараты, способные поддерживать работу оборудования малой мощности в течение достаточно длительного времени.

Источники бесперебойного питания (ИБП), или UPS, предназначены для обеспечения работы оборудования в аварийных ситуациях. В представлении большинства пользователей это устройства, предназначенные для питания компьютеров на время, достаточное для корректного завершения их работы при отключении электричества. На самом деле область применения ИБП намного шире. Он включает в том числе аппараты, способные поддерживать работу оборудования малой мощности в течение достаточно длительного времени.

Первые, как правило, устанавливают в переносных устройствах – ноутбуках. Батарея такого устройства имеет встроенный контроллер, который переключает ноутбук или планшет на питание от АКБ.

ИБП линейно-интерактивного типа

Работа этих приборов сходна с изделиями резервного типа. Различие заключено в следующем – блоки питания линейного типа обладают возможностью стабилизирования напряжения, проводимого при содействии коммутирующего устройства. Достоинство этого метода заключается в том, что отсутствует нужда в переключения питания при возникновении изменений параметров напряжения. Оно может достигать до 20 % от номинала.

При этом напряжение на выходе не изменяется. Результативность защиты блоков питания этого класса достигает 85%. Работа бесперебойных условий можно разделить на две группы. Устройства, которые относят к первому классу, выдают на выходе ступенчатую синусоиду. Приборы, которые относят ко второму классу, генерируют качественную синусоиду, без изменений. Ее наличие позволяет обеспечить защиту таких устройств как электрических двигателей и отопительного оборудования.

Применяются такие ИБП для защиты критической и очень чувствительной нагрузки. Все мощные ИБП выполняются по данной технологии. Несмотря на высокую мощность применяются дополнительные решения, которые позволяют увеличить автономность. Чаще всего конструкция позволяет ИБП — как пользоваться в связке с генератором, так и с внешними АКБ.

Линейно-интерактивные ИБП

В сравнении с резервными ИБП они обеспечивают более высокий уровень защиты, но уступают онлайн ИБП. Работа бесперебойника линейно-интерактивно типа может быть разделена на две группы. Устройства, относящие к первой группе, дают на выходе аппроксимированную синусоиду, то есть ступенчатую. Вторая группа выдаёт «чистую» синусоиду без каких-либо искажений. Последние в некоторых случаях могут стать заменой онлайн ИБП. Наличие чистой синусоиды на выходе позволяет применять их для защиты электродвигателей и котлов отопления.

Вывод: офф-лайн ИБП являются одними из самых простых, дешевых и портативных источников. Но справиться они смогут только с кратковременными перебоями в работе электросети.

ИБП Offline

Работа источника бесперебойного питания офф-лайн типа имеет довольно несложный алгоритм и структуру. Основными элементами данного вида источника являются: автоматический переключатель, автономный источник энергоснабжения (батарея) и выходы для внешнего питания. В обычном режиме положительный заряд батареи поддерживается зарядкой через внешние источники.

Батарея, входящая в структуру данного типа ИБП способна обеспечить потребности в электроэнергии на протяжении довольно небольшого отрезка времени. Поэтому данный тип подходит скорее для кратковременной страховки в случае возникновения проблем с электроснабжением из центральной сети.

Вывод: офф-лайн ИБП являются одними из самых простых, дешевых и портативных источников. Но справиться они смогут только с кратковременными перебоями в работе электросети.

Для наглядности, вы можете посмотреть нашу продукцию из раздела резервных offline ИБП >>>

• Компактность
• Экономичность
• Лёгкость
• относительная дешевизна

Оглавление

1. Принцип работы

Источник бесперебойного электропитания (ИБП) — это автоматическое устройство, основная функция которого — питание нагрузки за счёт энергии аккумуляторных батарей при пропадании сетевого напряжения или выхода его параметров (напряжение, частота) за допустимые пределы. Кроме этого, в зависимости от схемы построения, ИБП корректирует параметры электропитания.

Различают три схемы построения ИБП:

2. Резервный ИБП (off-line)

Принцип работы резервного источника бесперебойного питания заключается в питании нагрузки напряжением сети при его наличии и быстром переключении на резервную схему питания (батарея и инвертор) при его пропадании или выхода его параметров (напряжение и частота) за допустимые пределы. Батарея автоматически подзаряжается при работе ИБП от сети.

Отличительной особенностью такой схемы является наличие автоматического переключателя питания нагрузки (сеть/батарея).

Резервный ИБП используется для питания персональных компьютеров или рабочих станций локальных вычислительных сетей. Практически все недорогие маломощные ИБП, предлагаемые на отечественном рынке, построены по резервной схеме.

• Компактность
• Экономичность
• Лёгкость
• относительная дешевизна

3. Интерактивный ИБП (line-interactive)

Принцип работы интерактивного источника бесперебойного питания полностью идентичен резервному, за исключением ступенчатой стабилизации выходного напряжения посредством коммутации обмоток автотрансформатора.

Интерактивный ИБП используется для питания персональных компьютеров, рабочих станций и файловых серверов локальных вычислительных сетей, офисного и другого оборудования, критичного к неполадкам в электросети.

Преимущества:

• компактность
• экономичность
• шаговая стабилизация выходного напряжения

синусоидальная форма выходного напряжения

4. Он-лайн ИБП (on-line)

Принцип работы он-лайн источника бесперебойного питания построен на двойном преобразовании напряжения: входное напряжение трансформируется в постоянное при помощи выпрямителя, а затем обратно в переменное при помощи обратного преобразователя (инвертора).

Он-лайн ИБП используется для питания файловых серверов и рабочих станций локальных вычислительных сетей, а также любого другого оборудования, предъявляющего повышенные требования к качеству сетевого электропитания.

Считается, что схема он-лайн является самым совершенным на сегодняшний день решением, позволяющим полностью защитить нагрузку от всех существующих неполадок электропитания.

Преимущества:

• полная фильтрация сетевого напряжения от помех и выбросов, помехи, генерируемые нагрузкой не пропускаются обратно в сеть
• питание нагрузки «чистым» синусоидальным напряжением стабильным по величине и форме, как при работе от сети, так при работе от батарей
• переключение на батареи происходит мгновенно, при этом любые переходные процессы отсутствуют

По сравнению с другими типами ИБП online источники обладают рядом существенных преимуществ, основное из которых это отсутствие временного промежутка между пропаданием внешнего питания и началом питания нагрузки от батарей. Характеризуя данный тип ИБП, очень часто используют выражение «Время переключения 0» или «Нулевое время переключения», что в действительности не совсем корректно, однако полностью описывает суть данного преимущества.

Еще одним достоинством ИБП с двойным преобразованием является возможность корректировать не только напряжение, но и частоту на выходе источника. По сути online источники бесперебойного питания являются самыми лучшими стабилизаторами напряжения. Выходное напряжение у ИБП данного типа всегда имеет форму чистой синусоиды.

Наряду с достоинствами online ИБП присущи и некоторые недостатки, к которым можно отнести высокую стоимость (в два, три раза дороже, чем линейно-интерактивные ИБП), низкий КПД (85% — 94%), повышенное тепловыделение и высокий уровень шума.

Не смотря на некоторые недостатки, именно онлайн ИБП обеспечивают наивысший уровень защиты по энергоснабжению критичной нагрузки. Поэтому для обеспечения бесперебойного энергоснабжения таких важных и дорогостоящих устройств, как файловые серверы, промышленное оборудование, телекоммуникационные системы и т.д., используют только источники бесперебойного питания со схемой online.

Программное обеспечение ИБП позволяет дистанционно контролировать уровень заряда батареи и параметры сети на входе. Если от ИБП питается сервер или рабочая станция, то за несколько минут до полной разрядки аккумуляторной батареи ИБП безопасно завершает выполнение работающих программ и выключает компьютеры.

В случае аварии сети или выхода параметров сети (напряжения, частоты, перекоса фаз) за допустимые пределы источник бесперебойного питания (Uninterruptible Power Supply) автоматически переключает электрооборудование на питание от своей аккумуляторной батареи через инвертор, который преобразует постоянное напряжение батареи в переменное (синусоидальное или в форме прямоугольных импульсов).

Программное обеспечение ИБП позволяет дистанционно контролировать уровень заряда батареи и параметры сети на входе. Если от ИБП питается сервер или рабочая станция, то за несколько минут до полной разрядки аккумуляторной батареи ИБП безопасно завершает выполнение работающих программ и выключает компьютеры.

Источники бесперебойного питания с двойным преобразованием энергии

Источник бесперебойного питания с двойным преобразованием энергии (Double Conversion UPS или On-line UPS) состоит из выпрямителя и инвертора, между которыми включена аккумуляторная батарея.

Во время нормальной работы от сети происходит двойное преобразование энергии: переменный ток преобразуется выпрямителем в постоянный, который в свою очередь преобразуется инвертором в переменный, т.е. ИБП постоянно находится в работе (On-line). Во время аварии сети аккумулятор питает инвертор, а во время нормальной работы от сети – заряжается.

Преимущества ИБП с двойным преобразованием энергии

• Регулирует (стабилизирует) напряжение и частоту
• Время переключения равно нулю — потребитель вообще не чувствует переход на работу от аккумуляторной батареи.

Недостатки

• Потери энергии при двойном преобразовании
• Сложная и дорогая схема
• Постоянно находится в работе (шумит)
• Является источником электромагнитных помех.

Источники бесперебойного питания с переключением

ИБП с переключением (Standby UPS или Off-line UPS) работает в режиме ожидания — он включается в работу только во время неисправности сети, в остальное время потребитель электроэнергии работает напрямую от сети, а выпрямитель ИБП (менее мощный, чем у On-line UPS) подзаряжает аккумуляторную батарею.

Преимущества ИБП с переключением

• Выше КПД
• Работает только во время аварии сети и подзарядки аккумуляторной батареи (меньше шумит).

Недостатки

• Переключение происходит с небольшой паузой (около 20 мс), поэтому во время коммутации возможен скачок напряжения
• Не регулирует напряжение и частоту.

Источники бесперебойного питания, синхронизированные с сетью

Интерактивный ИБП (Line-Interactive UPS) так же работает в режиме ожидания, что и Off-line UPS, но ещё выполняет функцию регулирования напряжения с помощью автотрансформатора: в случае понижения или повышения напряжения сети ИБП переключает соответствующие отводы автотрансформатора. Если напряжение искажается или падает настолько, что это падение не может быть скорректировано автотрансформатором, ИБП переключается на автономную работу от аккумуляторной батареи.

Преимущества ИБП, синхронизированного с сетью

• ИБП с синусоидальным напряжением на выходе выполняет синхронизацию фазы и амплитуды напряжения сети и напряжения на выходе инвертора в моменты отключения и подключения к сети. Поэтому переход осуществляется более плавно, с меньшими скачками напряжения, чем у Off-line UPS. Время паузы в момент переключения меньше, но ИБП требуется большее время на подготовку к переключению для синхронизации с сетью.
• Стабилизирует напряжение
• Контролирует и регистрирует параметры качества сети.

Недостатки

• ИБП с прямоугольными импульсами на выходе переключается аналогично Off-line UPS
• Не регулирует частоту.

Оффлайн ИБП (off-line, Standby, back ups или резервные) – это тип источника бесперебойного питания, принцип действия которого заключается в переключении оборудования на резервный аккумулятор (является составной частью ИБП) при возникновении сбоев в питании.

Существует три основных типа современных источников бесперебойного питания (ИБП / UPS). Рассмотрим плюсы и минусы для каждого, а также принципиальные схемы их построения.

1. Оффлайн ИБП

Оффлайн ИБП (off-line, Standby, back ups или резервные) – это тип источника бесперебойного питания, принцип действия которого заключается в переключении оборудования на резервный аккумулятор (является составной частью ИБП) при возникновении сбоев в питании.

Плюсы:	минусы:
простота экономичность компактность	отсутствие стабилизации входного напряжения при работе от электросети более высокий износ аккумулятора (в сравнении с другими типами)

Применение:
для защиты на короткий период домашних ПК, офисного компьютерного оборудования.

Схема ИБП с технологией оффлайн

2. Линейно-интерактивные ИБП

Линейно-интерактивные (line interactive) – это тип ИБП, который способен регулировать выходное напряжение при понижении или повышении напряжения на входе в широком диапазоне – без переключения работу от аккумуляторов. ИБП данного типа подразделяются на устройства с аппроксимированной синусоидой и полностью синусоидальным выходным напряжением.

Плюсы:	минусы:
компактность экономичность стабилизация входного напряжения невысокая стоимость	отсутствие корректировки формы выходного напряжения в режиме работы от электросети ступенчатое изменение выходного напряжения наличие времени переключения на питание от аккумуляторов

Применение:
для защиты групп компьютеров, сетевого и другого ответственного вычислительного и телекоммуникационного оборудования.

Схема линейно-интерактивного ИБП

3. С двойным преобразованием или онлайн ИБП

Двойного преобразования (онлайн, online) – это тип ИБП, в котором электроэнергия преобразуется дважды – входное напряжение низкого качество в постоянное напряжение внутренней шины, и из него формируется выходное напряжение с эталонными характеристиками. Время переключения на работу от аккумуляторов в онлайн ИБП равно нулю.

Плюсы:	минусы:
постоянная стабилизация напряжения и частоты полная фильтрация импульсов и высокочастотных помех основной электросети отсутствие влияние подключенного оборудования на основную электросеть мгновенное переключение на аккумуляторы в случае сбоев	сложность конструкции и более высокая стоимость в режиме двойного преобразования дополнительные затраты электроэнергии

Применение: Файловые серверы, рабочие станции, центры обработки данных и прочее ответственное вычислительное и телекоммуникационное оборудование, которое предъявляет повышенные требования по качеству электропитания.

Наиболее часто встречающаяся проблема электросетей в России – скачки напряжения. Устройство Line-interactiveUPS обеспечивает нормальное питание в данной ситуации, не переходя в режим автономной работы. Существенным недостатком линейно-интерактивного UPS считается малое время перехода с обычного на аккумуляторное питание (около четырех мс)

Как обеспечить бесперебойное питание для персональных компьютеров

Если вы приобретаете бесперебойник, то предусмотрите несколько входов для электрических штепселей. К ИБП имеет смысл подключить не только процессор, но все остальные комплектующие персонального компьютера (монитор, принтер). Данная система подключения обеспечит надежную и бесперебойную работу всех комплектующих.

Для автономной работы персонального компьютера выделены такие виды UPS:

• наружные
• вмонтированные в устройство

Вмонтированные UPS можно встретить в любом мобильном девайсе – от смартфона до ноутбука. Встроенные в устройство UPS предполагают автономную бесперебойную защиту оборудования при скачках напряжения за счет переключения нагрузок. Если для работы вы постоянно используете различные гаджеты, то вам не нужно искать дополнительные устройства обеспечения бесперебойного питания. Встроенные системы позволят вам обеспечить надежную защиту ваших устройств.

Типы источников бесперебойного питания

По принятому стандарту IES (Международной электротехнической комиссии) все UPSподразделяются на 3 класса:

• line-interactive
• passive standby
• double conversion

Устройства для обеспечения бесперебойного питания с двойным преобразованием или UPSdoubleconversion

Линейно-интерактивные источники питания или line-interactive

ИБП данного типа выполняют стабилизацию напряжения аналогично passivestandby. В основу работы линейно-интерактивного UPS в данном случае положен трансформатор со ступенчатым стабилизатором.

Наиболее часто встречающаяся проблема электросетей в России – скачки напряжения. Устройство Line-interactiveUPS обеспечивает нормальное питание в данной ситуации, не переходя в режим автономной работы. Существенным недостатком линейно-интерактивного UPS считается малое время перехода с обычного на аккумуляторное питание (около четырех мс)

Преимущество Line-interactiveUPS состоит в довольно низкой стоимости и удобстве использования для защиты компьютеров.

Устройства line-interactiveUPS с аппроксимированной синусоидой приобретают для персональных компьютеров, где в качестве источников питания используются импульсы. Данный вид ИБП наиболее распространен.

Устройства с синусоидальным напряжением используется для более мощных электрических приборов.

Сколько работает ИБП в автономном режиме

При выборе бесперебойника важным аспектом является время автономной работы. Идеальным считается время около пяти минут. Обычному пользователю вполне хватит этого времени для того, чтобы сохранить документы и выключить компьютер.

Существуют UPS-устройства, которые способны поддерживать время работы до двадцати минут. Такие приборы уместно использовать для офисной работы или локальной сети компьютеров.

Сколько будет автономно работать тот или иной ИБП, будет зависеть от уровня емкости батареи. Эти данные легко можно найти в паспорте UPS. Там же указана мощность ИБП. Более или равно 1 КВ – время работы составит около пяти минут. Выбирая нужную мощность, вы сможете обеспечить себя необходимым количеством времени для завершения работы.

Одним из решений для увеличения времени работы аккумулятора UPS является установка новой автономной батареи ли аккумулятора. Этот вариант довольно не безопасен, так как вы можете попросту вывести из строя родную батарею ИБП. Но если ваш UPS имеет для дополнительных устройств специальные слоты, то этот метод сработает с гарантией на 100%. Но при подключении обязательно посмотрите, какова схема питания вашего системного блока.

Изучив конструкцию ИБП, перед покупкой обращают внимание на главные параметры:

Механизм действия таких приборов отличается, на что влияет тип конструкции. Если интересно, что такое ИБП, нужно изучить особенность разных видов:

• резервные (Offline);
• линейно-интерактивные;
• онлайн-приборы.

В нормальных условиях электропитание ПК осуществляется в обход источника бесперебойного питания. Это наиболее простые устройства.

Недостатком считается низкий уровень защиты — эффективность 55-60%. Это обусловлено тем, что сигнал фильтруется лишь частично. Возможностей такого прибора достаточно для эксплуатации в быту. На крупных предприятиях качество питания ниже. По этой причине в таких условиях требуется устанавливать надежные ИБП.

Для этого предусматривается коммутирующее устройство. В результате отклонение напряжения на выходе ИБП не наблюдается.

Отмечается увеличение надежности таких приборов — уровень эффективности до 85%. Бесперебойники этого вида делятся на группы: модели, выдающие на выходе ступенчатую или «чистую» синусоиду (без искажений).

Онлайн-бесперебойники характеризуются высокой надежностью.

Ток на входе бесперебойника преобразуется в постоянный, что реализуется посредством выпрямителя. Затем инвертор преобразует его в переменный. В результате получают ток, характеризующийся подходящими параметрами.

Онлайн-бесперебойники оснащаются байпасом. Этот элемент конструкции обеспечивает бесперебойную работу ПК, даже если один из узлов ИБП вышел из строя.

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

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

Back UPS. Осциллограмма при переходе с сети на батарею.

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 пускатель 2-й величины, 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

Помимо достоинств online ИБП имеют и ряд недостатков:

Источники бесперебойного питания offline используются для предотвращения внезапной остановки работы приборов, подключенных к сети. Они обеспечивают беспрерывное питание в течение 15-30 минут, что является достаточным временем для сохранения данных и остановки оборудования.

К основным достоинствам Offline ИПБ относятся:

• Простота конструкции.
• Низкая стоимость.
• Бесшумная работа в штатном режиме.
• Высокий КПД.
• Удобство эксплуатации дома или в офисных помещениях.
• Базовая защита подключенных электроприборов.

Основными недостатками резервных ИПБ являются:

ИБП данного типа, ввиду небольшой номинальной мощности применяются для базовой защиты персональных компьютеров, маломощного офисного оборудования, рабочих станций, IP- телефонии или бытовых приборов. Их рекомендуется использовать в сетях с незначительными отклонениями напряжения.