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 пропадет);
- 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).
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).
Важными показателями, обуславливающими выбор схемы построения ИБП являются время переключения нагрузки на питание от аккумуляторных батарей и время работы от аккумуляторной батареи.
Составные части ИБП
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.
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 постоянное 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).
Показатель, который характеризует степень отличия формы напряжения или тока от идеальной синусоидальной формы коэффициент нелинейных искажений (англ. Total Harmonic Distortion, THD). 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.
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.
Схемы построения ИБП
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.
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).
Достоинства
- За счёт КПД около 99 % практически бесшумны и имеют минимальное тепловыделение;
- невысокая стоимость ИБП в целом.
Итог
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[1] (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)
Международная классификация ИБП по стандарту IEC 62040-3
Промышленный ИБП для монтажа в 19-дюймовую стойку (изображение сверху вид спереди, изображение снизу вид сбоку)
Стандартом 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).
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).