Типы ИБП и их пригодность для подключения различных типов аппаратуры
Резервные (Back или Standby) — самый примитивный тип ИБП, назван так, потому что батарея и инвертор в нормальном состоянии при работе от сети полностью отключены от нагрузки на выходе, а переключение на них происходит только в случае пропадания питания на входе (либо выхода его напряжения за допустимые пределы), время переключения с работы от сети на работу от батареи составляет обычно десятые доли секунды, а выходной сигнал имеет форму меандра или простейшего приближения синусоиды.
ИБП данного типа, как правило, не защищают подключённую аппаратуру от помех при работе от сети, также к ним категорически запрещено подключать устройства, имеющие значительный компонент индуктивной нагрузки, а именно: трансформаторные БП (кроме БП небольшой мощности для модемов и т.п.) и электродвигатели переменного тока, поскольку подача несинусоидального сигнала на такие устройства чревата их выходом из строя, т.е. корректно они работают только с импульсными БП, которыми оснащены все современные ПК, мониторы и существенная часть периферии и бытовой аппаратуры. Тем не менее, даже в случае с импульсными БП подача меандра или трапеции вместо синуса приводит к повышенному количеству помех на внутренних выходах блоков питания устройств, работающих от таких ИБП. Поэтому к данным ИБП не рекомендуется подключать аудио-видео аппаратуру и дорогостоящие либо выполняющие ответственную работу ПК, их основное применение — домашние и офисные ПК.
Такие ИБП наиболее популярны в настоящее время как для настольных компьютеров, так и для серверов. Тем не менее, линейно-интерактивные ИБП могут как иметь систему автоматического регулирования выходного напряжения при работе от сети, так и не иметь её. Также стоит обратить внимание на форму выходного сигнала, от этого достаточно сильно зависит область применения таких ИБП.
Данные ИБП не имеют каких-либо ограничений по типам подключаемой аппаратуры, если её максимальная потребляемая мощность не превышает возможности ИБП. Их основное применение — контрольно-измерительная аппаратура, ответственное коммуникационное оборудование, серверы повышенной надёжности и прочие применения, где требуется максимально качественное и надёжное электропитание.
Типы источников бесперебойного питания
Все источники бесперебойного питания (ИБП) отличаются друг от друга степенью надежности и качеством электроэнергии подаваемой к электроприемникам. В связи с этим у любого покупателя встает вопрос: — «Какой ИБП подойдет для решения именно моих задач?».
Несколько десятилетий назад, когда подобные устройства только начинали создаваться, этим же вопросом задались и инженеры международной электротехнической комиссии. И вот в 1986 году был разработан стандарт МЭК IEC 60146-4, в котором было решено, все существующие ИБП разделить три группы (типа):
- Off-Line;
- Line-Interactive;
- On-Line.
ИБП каждой группы имеют свои конструктивные отличия, которые как раз и определяют качество основных выходных параметров, а следовательно и надежность электроснабжения.
К основным выходным параметрам относятся:
- диапазон входного напряжения и частоты;
- форма и величина выходного напряжения;
- время переключения с основного питания (от сети электроснабжения) на аккумулятор и обратно;
- время автономной работы, мощность.
Рассмотрим каждый тип ИБП поподробнее.
ИБП типа Off-Line
Источники бесперебойного питания типа Off-Line, в стандарте определены как пассивные и, по сути, являются источниками резервного действия. Такое определение они получили потому, что при работе в штатном режиме питание на потребители подается непосредственно из сети электроснабжения, а при возникновении определенных неудовлетворительных условий, переключаются на аккумулятор.
Рис. 1. Архитектура ИБП типа Off-Line
ИБП состоит из двух параллельных ветвей:
- основной (фильтр-нагрузка);
- резервной (выпрямитель-аккумулятор-инвертор-нагрузка).
Как видно из рисунка основная цепь содержит фильтр. Он исключает попадание больших «скачков» напряжения и высокочастотных помех к потребителям. При изменении напряжения сети больше установленного минимального или максимального значения, выходное питание переключается на резервную цепь. Однако нужно сказать, что не все резервные источники переходят в батарейный режим при превышении максимального значения напряжения, а попросту отключаются.
Минимальное и максимальное значение есть не что иное, как диапазон входного напряжения. В идеале, дабы не подвергать риску выхода из строя запитываемые потребители, диапазон входных напряжений должен находится в пределах ±10 % от номинального напряжения сети, то есть 198-242 В. Но обычно производители завышают его до ±20-25% (165-176 В и 264-275 В), что не очень хорошо. При таких напряжениях многая техника либо не будет работать, либо выйдет из строя.
Время переключения с основной цепи на резервную для таких устройств колеблется в пределах 4-15 мс. Учитывая, что все современное электронное оборудование (такое как компьютеры, телевизоры, радиоприемники) имеет импульсные блоки питания способные продолжать работу при отключении питания до 10-20 мс, то переключение происходит незаметно.
После переключения на резервную цепь, нагрузка начинает получать питание от аккумулятора через инвертор (устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменное).
Основными недостатками резервных ИБП являются:
- отсутствие защиты потребителей от глубоких провалов и повышений напряжения сети электроснабжения, а также изменения значения его частоты и формы кривой;
- большая несинусоидальность формы выходного напряжения при работе от аккумулятора;
- узкий диапазон входных напряжений обуславливает частые переключения питания нагрузки с основной ветви на резервную. По этой причине аккумуляторная батарея ИБП находится в недозаряженном состоянии.
Таким образом, ИБП Off-Line рекомендуется использовать в качестве резервного источника питания, в сети с редкими и незначительными отклонениями напряжения, для оборудования имеющего импульсные блоки питания (например, домашних персональных компьютеров, телевизоров и другой электронной бытовой техники).
ИБП типа Line-Interactive
Архитектура источников бесперебойного питания линейно-интерактивного типа (Line-Interactive) очень похожа на архитектуру ИБП типа Off-Line. Отличие состоит в том, что в основную ветвь питания установлен трансформатор с переключающимися обмотками (автотрансформатор).
Рис. 2. Архитектура ИБП типа Line-Interactive
Как и в случае с ИБП типа Off-Line, при нормальной работе (когда напряжение сети не превышает максимального или минимального значения), напряжение на нагрузку подается по основной цепи (трансформатор-фильтр-нагрузка). Переключение на резервное питание происходит лишь в случае нарушения данного условия, например, при 150 или 270 В. При значениях напряжения, находящихся внутри этого диапазона, работает автотрансформатор.
Значения напряжений, при которых обмотки автотрансформатора будут переключаться, зависит от числа отпаек во вторичной обмотке. Иначе отпайки еще называю ступенями. Чем больше число ступеней, тем чаще будут происходить переключения, и тем точнее будет поддерживаться напряжение на выходе ИБП. К примеру, если диапазон входного напряжения равен 270 – 150 = 120 В, а число ступеней – 3, то переключение будет происходить каждые 30 В, то есть при входных напряжениях равных 180, 210 и 240 В. При 150 и 270 В ИБП переключится на аккумуляторное питание. В результате таких переключений на выходе всегда будет поддерживаться напряжение210-240 В (что укладывается в диапазон ±10% указанный в ГОСТ 32144-2013), а при аккумуляторном питании (через инвертор) – 220 В. Но все же это не самый хороший показатель качества регулирования. Желательно чтобы напряжение на выходе ИБП изменялось хотя бы в пределах ±5%, от 209 до 231 В.
Существует еще одна особенность, отличающая интерактивные ИБП от резервных. Автотрансформатор имеет ферритовый сердечник, обладающий нелинейной характеристикой намагничивания. Благодаря этому происходит сглаживание «скачков» сетевого напряжения, что является положительным моментом. Однако высокое выходное сопротивление может послужить причиной несрабатывания защитных предохранителей на подключенных к источнику электроприборах и их последующему выходу из строя.
К положительным сторонам ИБП, кроме регулирования сетевого напряжения, можно также отнести:
- широкий диапазон входных напряжений – от 80 до 290 В;
- малое время переключения с режима на режим – 2 мс;
- повышенный срок службы аккумуляторной батареи, вследствие редких переходов с одного режима на другой.
Линейно-интерактивные ИБП найдут применение для защиты отдельных электронно-вычислительных машин или их групп, питаемых от сети электроснабжения с частыми, значительными перепадами и «скачками» напряжения. К ним можно подключать и бытовую электронную технику (телевизоры, радиоприемники, холодильники, микроволновые печи и т.п.).
ИБП типа On-Line
На основе технологии On-Line строятся самые надежные типы ИБП. Основной цепью, через которую осуществляется питание электроприемников, является именно та, которая содержит выпрямитель и инвертор. Поэтому ИБП онлайн типа преобразует 100% поступающей к нему электроэнергии. Переменное напряжение сети сначала преобразуется в постоянное, а затем обратно в переменное. При этом формируется синусоида практически идеально формы.
Рис. 3. Архитектура ИБП типа On-Line
Глядя на архитектуру ИБП (рис. 3) становится понятным, почему многие его называют двухконтурным. Первым контуром является выпрямитель, вторым – инвертор. Выпрямитель во многих ИБП выполнен из двух блоков. В первом происходит преобразование переменного напряжения в постоянное (выпрямление). Во втором, уменьшается величина выпрямленного напряжения и его последующая стабилизация.
При удовлетворительном качестве входного напряжения инвертор питается от выпрямителя. Как только значение входного напряжения или частоты выходит за рамки минимального или максимального значения, к цепи питания инвертора вместо выпрямителя подключается аккумуляторная батарея.
Источники типа On-Line обеспечивают очень большую точность поддержания выходного напряжения (в пределах ±1-3%), даже при значительных изменениях входного (от 80 до 280 В). Кроме того, для таких источников не важна даже правильность формы синусоиды входного (сетевого) напряжения. Можно сказать, что на входе просто должно присутствовать хоть какое-то напряжение, чтобы было что регулировать.
Наличие в источниках цепи «Bypass» (обходного режима) позволяет подключать нагрузку непосредственно к сети электроснабжения. Ручной режим включения «Bypass» может использоваться при горячей замене аккумуляторных батарей и при проведении регламентных работ. Автоматический режим «Bypass» необходим для разгрузки основной питающей цепи при резком увеличении тока выше номинального, например, при запуске электродвигателей.
К недостаткам ИБП типа On-Line можно отнести низкий КПД (85-90%) и высокую стоимость по сравнению с другими рассмотренными архитектурами. Однако эти недостатки уравниваются выполняемыми задачами.
Двухконтурные ИБП следует использовать в сетях с нестабильной синусоидой, частыми перепадами и «скачками» напряжения, с изменяющейся частотой. Это самые надежные ИБП способные обеспечить стабильную работу ответственного оборудования, выход из строя которого, может повлечь за собой большие финансовые потери и угрозу жизни людей (например, котельного и медицинского оборудования, информационных вычислительных комплексов).
Разновидности ИБП: мощность и топология
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 ИБП 2кВт – 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 ИБП мощностью менее 1 кВА, 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:
Резервные ИБП (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.
Линейно-интерактивные 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.
ИБП с двойным преобразованием напряжения (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.
Типы источников бесперебойного питания
В настоящее время на рынке систем электропитания представлены ИБП трех типов: резервные, линейно-интерактивные и онлайн (с двойным преобразованием). Они различаются по внутреннему строению, принципу действия и техническим характеристикам.
В данной статье мы разберём все виды источников бесперебойного питания, определим в чём их особенности, достоинства и недостатки, а также рассмотрим, для какой нагрузки каждый тип устройств подходит больше всего.
- Резервные ИБП (off-line, standby, back ups)
- Линейно-интерактивные ИБП (line-interactive)
- Онлайн ИБП (on-line, ИБП с двойным преобразованием энергии)
- Модельный ряд онлайн ИБП «Штиль»
- Классификация ИБП по мощности
- Классификация ИБП по типу корпуса
Резервные ИБП (off-line, standby, back ups)
Принцип действия
Если внешняя сеть работает в штатном режиме, то ИБП питает нагрузку напрямую от входа и работает аналогично сетевому фильтру. В случае отклонения напряжения от допустимых пределов или при его полном отключении, резервный ИБП автоматически переключает нагрузку на аккумуляторные батареи (питание в таком режиме осуществляется через инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный). Обратное переключение выполняется также автоматически и производится после возвращения сетевого напряжения к норме.
Преимущества и недостатки
В настоящее время к весомым преимуществам off-line ИБП можно отнести только невысокую стоимость.
Недостатками резервных ИБП являются:
- перерыв в электропитании, возникающий при переключении нагрузки на АБ и обратно (составляет минимум 5 мс);
- отсутствие стабилизации напряжения и коррекции частоты при работе от электросети;
- переход на АБ даже при небольших сетевых скачках, приводящий, в условиях отечественной энергосистемы, к быстрому износу аккумуляторов;
- несинусоидальность выходного напряжения при работе в автономном режиме (аппроксимированная синусоида, иногда называемая производителями «модифицированной синусоидой» или «квази-синусоидой»);
- низкий уровень защиты от высоковольтных вбросов и электромагнитных помех.
Применение
Вышеназванные недостатки сужают область применения резервных ИБП. Данные приборы подходят для эксплуатации только в условиях стабильной электросети и только с оборудованием, способным функционировать при низком качестве питающего напряжения. Оff-line ИБП не стоит применять для защиты современной микропроцессорной техники или устройств, содержащих асинхронные и инверторные двигатели – насосы, холодильники, стиральные машины, кондиционеры, котлы систем отопления и т.д.
Линейно-интерактивные ИБП (line-interactive)
Принцип действия
Аналогичен предыдущему варианту, за исключением того, что схема устройства дополнена входным регулятором напряжения. ИБП данного типа подразделяются на устройства с аппроксимированной синусоидой и полностью синусоидальным выходным напряжением.
Преимущества и недостатки
Преимущества линейно-интерактивных ИБП перед резервными:
- возможность нейтрализации сетевых колебаний (но не максимальной амплитуды!) без задействия АБ;
- сокращенное время переключения в автономный режим (за счёт синхронизации инвертора и входной сети).
Недостатками линейно-интерактивных ИБП являются:
- ступенчатое регулирование напряжения, приводящее к сильным искажениям выходного сигнала;
- перерыв в электропитании нагрузки при переходе на аккумуляторы (длительность переключения короче, чем у резервного ИБП, но ненулевая!);
- отсутствие коррекции формы входного напряжения и входной частоты в режиме работы от электросети, неполная фильтрация сетевых помех;
- большинство моделей не формируют идеальную синусоиду выходного напряжения в автономном режиме работы.
Применение
Далеко не всё электрооборудование будет успешно работать с линейно-интерактивными ИБП. Качество их выходного напряжения может просто не удовлетворить строгим требованиям современных потребителей электроэнергии как в бытовом, так и в промышленном секторе. В частности, линейно-интерактивный ИБП является не лучшим вариантом для котла отопительной системы, IT-аппаратуры и тем более для помеховосприимчивой научной, лабораторной и медицинской техники.
Кроме того, линейно-интерактивные ИБП не обеспечивают электропитание, полностью независимое от состояния внешней энергосистемы, что сохраняет риск повреждения нагрузки в результате, например, резкого сетевого перепада.
Онлайн ИБП (on-line, ИБП с двойным преобразованием энергии)
Принцип действия
Устройство выполняет двойное преобразование поступающего из сети напряжения. Сначала из переменного в постоянное, а затем обратно – из постоянного в переменное. В силовой цепи on-line ИБП аккумуляторы занимают промежуточное положение между непрерывно функционирующими выпрямителем и инвертором (батареи соединены с выходом первого и входом второго). Такая схема позволяет избежать задержек при переходе в автономный режим, так как инвертор подключен к АБ постоянно и каких-либо дополнительных коммутаций, в случае проблем с внешней электросетью, не требуется.
Преимущества и недостатки
Преимущества онлайн ИБП:
- мгновенный переключение на питание от батарей (без перерыва электроснабжении нагрузки);
- синусоидальная форма и максимально точное значение выходного напряжения (обеспечиваются как при работе от сети, так и от батарей);
- широкая амплитуда сетевых колебаний, нейтрализуемых без перехода в автономный режим;
- максимальная защита нагрузки (двойное преобразование энергии гасит все негативные входные воздействия и гарантирует полную независимость выходных характеристик ИБП от состояния внешней электросети);
- отсутствие влияние подключенного оборудования на основную электросеть.
Недостатки онлайн ИБП:
- более высокая, по сравнению с приборами других категорий, стоимость;
- низкий КПД (80-90%) у некоторых устаревших устройств (стоит отметить, что современные алгоритмы управления двойным преобразованием энергии, применяемые ведущими производителями on-line ИБП, позволяют значительно повысить КПД и довести его в ряде рабочих режимов до 99%).
Применение
Онлайн ИБП используются во всех сферах жизнедеятельности современного человека и являются лучшим решением для обеспечения бесперебойного электропитания. Только on-line ИБП могут эффективно работать с техникой, предъявляющей повышенные требования к качеству питающей электроэнергии: от оборудования домашних систем отопления и водоочистки до контрольно-измерительной аппаратуры и инфраструктуры ЦОДов.