Основное назначение источника бесперебойного питания (ИБП) для защиты компьютерной техники. Бесперебойники — UPS

В статье рассмотрены виды ИБП, принципы работы ИБП, а также приведены реальные осциллограммы напряжений на выходе.

Для начала – немного общей терминологии. Источники бесперебойного питания (сокращенно – ИБП) у нас так же называют UPS, от английского сокращения Uninterruptable Power Supply (беспрерывный источник питания). Поэтому говорят и УПС (UPS) и ИБП, кому как удобнее. Я в статье буду называть и так, и эдак.

Зачем нужен UPS (ИБП)

Принцип работы ИБП раскрывается в названии – это такой источник, на выходе которого напряжение есть всегда . Но мы здесь собрались технари-реалисты, и понимаем, что ничего вечного нет, поэтому ниже разберемся в принципе действия.

ИБП в основном используются там, где пропадание электропитания может вызвать негативные последствия. Например, питание компьютеров и серверов, питание устройств связи и распределения сигналов (роутеры), питание устройств, автоматическая перезагрузка (перезапуск) которых без участия человека невозможна.

Как мой читатель доработал ИБП для стратегически важной системы (2 сервера, и т.д.). Кроме того, усовершенствовал схему, и добавил возможность использования обычного автомобильного аккумулятора.

Для бытовых вещей это прежде всего компьютеры и системы отопления.

Следует понимать, что ИБП выбираются на время работы нагрузки 10-15 мин, редко до получаса. Предполагается, что за это время питание появится, либо человек (оператор) предпримет необходимые действия (сохранит данные, позвонит в энергослужбу предприятия, завершит технологический процесс).

ИБП нельзя рассматривать в качестве резервного источника питания. Он является лишь аварийным источником, и в лучшем случае используется очень редко, в общей сложности не более 10 минут в год (несколько раз, на время не более минуты). Если это время больше, то следует задуматься о повышении качества электропитания.

Подписывайтесь! Будет интересно.

Резервным источником питания можно считать такие источники, которые полностью могут заменить основное питание на длительное время, от нескольких часов до нескольких суток. Это может быть другая линия (см.статью про ), ветряной генератор. Теоретически, для этих целей может служить и ИБП, но для этого нужны аккумуляторы огромной ёмкости, что значительно повлияет на цену такой системы.

Виды источников бесперебойного питания

Виды (типы) ИБП имеют множество названий, но их всё равно ровно три. Разберёмся.

Итак, три основных вида ИБП:

Back UPS

Другие равнозначные названия – Off-line UPS, Standby UPS, ИБП резервного типа. Самые распространенные УПС, используются для большинства видов бытовой и компьютерной техники.

Back просто переключает нагрузку на питание от батарей при выходе входного напряжения за пределы. Нижний предел у разных моделей – около 180В, верхний – около 250В. Переходы на батарею и обратно – с гистерезисом. То есть, например, при понижении переход на батарею состоится при 180 В и менее, а обратно – при 185 и более. Тот же принцип действует у всех типов ИБП.

Чем-то напоминает , которое отключает нагрузку, а Back UPS не отключает, а переключает на аккумулятор, что позволяет ей некоторое время поработать.

Smart UPS

Другие названия – Line-Interactive, ИБП интерактивного типа. Недалеко ушли по принципу действия от Back.

Smart UPS действуют умнее, как следует из названия. Они ещё дополнительно переключают внутренний автотрансформатор, в некотором смысле стабилизируя входное напряжение. И только в крайнем случае переходят на батарею.

Таким образом, норма напряжения на выходе поддерживается при бОльших отклонениях на входе (150…300В). Автотрансформатор имеет несколько ступеней переключения, поэтому Умный УПС до последнего переключает выводы автотрансформатора, включая аккумулятор лишь в последний момент. Это позволяет экономить батарею, включая её в работу лишь при полном пропадании питания.

Данное устройство напоминает со ступенчатым переключением обмоток автотрансформатора. С той лишь разницей, что при выходе за рабочие пределы стабилизатор будет бессилен, а наша “умница” введёт в работу аккумулятор, и питание не пропадёт.

Online UPS

Другие названия – онлайн, источник бесперебойного питания с двойным преобразованием, инверторный. Совершенно другой принцип действия, для любителей чистого синуса. Энергия со входа преобразуется в постоянное напряжение, и поступает на инвертор, генерирующий чистый синус. И одновременно – поддерживает аккумулятор в 100% готовности. При необходимости инвертор продолжает работать так же, только питание на него поступает с аккумулятора.

Используется для аварийного питания техники, чувствительной к форме выходного напряжения – например, газовые котлы, сервера, профессиональная аудио-видео аппаратура и другое стратегически важное оборудование.

Минусов онлайн ИБП два – цена и КПД. КПД низкий, т.к. такой ИБП включен в работу постоянно, что следует из названия. В отличии от двух других типов.

А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру ?

Подписывайся, и читай статью дальше:

Существуют разновидности онлайн УПС, в которых используется так называемый “сквозной ноль”, для правильной работы газовых электрокотлов. Это связано с тем, что такие котлы чувствительны к наличию реального нуля, для правильного розжига.

Исследование ИБП с помощью осциллографа

А теперь – самое интересное.

Напряжение на выходе Back UPS

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

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 , 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

Напряжение на выходе Smart UPS

Теперь приведу для полноты картины осциллограммы напряжений на выходе Smart UPS. Испытаниям подвергался UPS Ippon Smart Power Pro 1000.

Smart UPS_Сеть-батарея

Время переключения также для всей современной аппаратуры несущественно – менее 7 мс.

Плавного изменения напряжения на входе я не делал, поскольку не было такой цели. Полагаю, что в данном случае Умный ИБП ведёт себя точно так же, как и релейный стабилизатор напряжения.

Данные исследования проведены в рамках проекта по промышленного холодильника.

Преобразовать напряжение сети 220 В до нужных значений, продлить работоспособность компьютера и обеспечить сохранность данных – основные задачи . Защита от скачков напряжения сети, от внезапных отключений и возможность использования резервного источника очень важны для нормального функционирования всех составляющих устройства.

Купить бесперебойник для компьютера – это значит сэкономить на и не переживать о преждевременном выходе из строя вашего прибора.

Не всегда наши сети выдают заявленное напряжение 220 В, даже если аварийные ситуации – редкость, то стабилизация сетевого тока до нормальных значений возможна лишь с помощью бесперебойника. Среди многообразия предлагаемых ИБП, несложно растеряться. Как выбрать ИБП правильно?

Какие бывают

Все выпускаемые блоки условно можно разделить на три вида:

Резервные . USPмалой мощности. Основная функция – переключение на питание от аккумулятора при боях в сети и обратное при нормализации напряжения;
Интерактивные . Их наиболее часто используют для домашних и офисных компьютеров. В устройстве имеется стабилизатор, который на выходе дает синусоидальное напряжение;
Блоки онлайн-питания . В ходе их работы происходит двойное преобразование напряжения. Входной переменный ток преобразуется в постоянный, а обратный преобразователь переводит его опять в переменный. Используется при работе крупных DNS-серверов и станций.

В блоках средней и высокой мощности присутствует специальное устройство связи входа и выхода напрямую, не используя резервное питание, которое называется байпас. При перегрузках питание от инвертора направляется на байпас, что позволяет экономить потребление тока.

Правильный подбор блока включает в себя подбор по мощности, виду и назначению использования .

Перед покупкой следует произвести некоторые расчеты. Для согласованной работы всей системы необходим правильный подбор блока по мощности, соответствующей параметрам ваших устройств. Общий принцип расчета – суммарная мощность всех устройств компьютера не должна быть больше мощности ИБП. Возможности блока питания зависят от его выходной мощности, которая измеряется в вольт-амперах и вычисляется путем перемножения напряжения на силу тока.

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.

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.

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.

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

Отечественное электроснабжение характеризуется невысокой надежностью и неудовлетворительным Это связано с устаревшими электрическими сетями, износом оборудования, низкими характеристиками преобразователей энергии, переходными процессами у источников и пользователей электричества, природными и климатическими факторами. В подобных условиях крайне необходимы системы бесперебойного питания для обеспечения работы потребителей как первой, так и остальных категорий.

Для владельцев квартир и домов стабильная работа электросети также важна. Прекращение работы бытовых приборов - это не самая большая из бед. Гораздо важней безотказное функционирование систем жизнеобеспечения, в частности системы отопления, если она напрямую зависит от электроснабжения. На помощь приходит бесперебойное питание UPS (ИБП) - устройство, защищающее электроприемники от отключения за счет накопления электроэнергии в аккумуляторных батареях (АКБ) и гарантирующее необходимое качество энергии (КЭ) в автономном и сетевом режимах работы.

Прежде чем наметить подход к созданию питания нагрузок без сбоев, следует узнать, какие сбои можно ожидать от отечественных электросетей.

Сбои питания в электросетях

Пониженное напряжение - частое явление в электроснабжении. Но оно не особенно преобладает над повышенным, которое также часто встречается. В ночное время напряжение стабильное, днем оно снижается, а вечером, когда большая часть нагрузок отключается, возрастает.

Нестабильная частота также является сбоем, хотя довольно редким. При высокой загруженности сети она может снизиться до 45 Гц, что приводит к существенным искажениям сигнала, негативно влияющим на работу ИБП. Некоторые устройства воспринимают снижение частоты как аварию, и батарея может быстро разрядиться.

Полное отключение электричества - это не такой уж редкий случай. Электрики не очень считаются с работой электроники и могут неожиданно обесточить здание. Мгновенного отключения электричества достаточно для потери информации на компьютере. При перегрузке сетей могут происходить отключения электричества. Поэтому важно, как надежно поставляет система UPS бесперебойное питание.

Классификация ИБП

Их объединяют в три группы:

Маломощные ИБП для подключения через электрические розетки. Исполнение бывает настольным или напольным, а мощность составляет от 0,25 до 3 кВт.
Устройства средней мощности - от 3 до 30 кВт - содержат блок розеток, встроенных внутрь, или включаются также через группы розеток в сети питания потребителей от щита управления. Устройства изготавливаются для размещения как в офисах, так и в отдельных оборудованных помещениях.
ИБП большой мощности - от 10 до 800 кВт. Располагаются в электромашинных помещениях. Их собирают в группы и создают энергетические системы высокой мощности - до нескольких тысяч кВт.

Типы ИБП

Сейчас распространены 4 типа UPS (ИБП). Общими для всех свойствами являются:

фильтрация от импульсов и шумов;
устранение искажений формы сигнала;
стабилизация напряжения (не у всех моделей);
поддержание АКБ заряженной;
когда батарея ИБП разрядится, она сначала подает сигнал, а затем отключает потребителя.

Off-line UPS

Принцип действия устройств данной модификации состоит в питании потребителя от действующей сети и мгновенном переключении на автономное резервное питание при аварийных ситуациях (4-12 мс). Они проще и дешевле других типов.

ИБП обычно переключается на работу от встроенного аккумулятора.

При работе от сети устройство подавляет шумы с импульсами и поддерживает напряжение на заданном уровне. Часть энергии затрачивается на подзарядку АКБ. В случае работы сети в нестандартном режиме происходит переключение потребителя на работу от батареи. Каждая модель ИБП по-своему определяет необходимость перехода на этот режим. Время работы через батарею зависит от ее характеристик и потребляемой нагрузкой мощности. В случае разрядки источника резервного питания подается команда на отключение потребителя. Если напряжение сети достигает нормального уровня, ИБП переходит в обычный сетевой режим работы, начинается зарядка АКБ.

Линейно-интерактивные

Модели Line interactive ups оснащены стабилизаторами, которые работают постоянно и обеспечивают редкое подключение аккумуляторов.

Устройство взаимодействует с сетью, контролируя амплитуду и форму сетевого напряжения.

При снижении или увеличении напряжения блок корректирует его величину, переключая отводы автотрансформатора. Таким путем поддерживается его номинальное значение. Если параметр выходит за допустимые пределы и диапазона переключений уже не хватает, ИБП переходит на резервное питание от батареи. Блок может отключаться от основного питания, когда поступает сигнал искаженной формы. Есть модели, которые корректируют форму напряжения без переключения на работу от АКБ.

Феррорезонансный ИБП

Устройство содержит феррорезонансный трансформатор, который работает как стабилизатор напряжения. Его преимуществом является накапливание энергии в магнитном поле, которая высвобождается при переключениях в течение 8-16 мс. Этого промежутка времени достаточно для выхода ИБП на новый режим работы.

Трансформатор выполняет дополнительную функцию фильтра шумов. Искажение входного напряжения не влияет на форму выходного, которая остается синусоидальной.

Double Conversion UPS

Устройство двойного преобразования энергии работает по принципу выпрямления напряжения сети, а затем опять превращает его в переменное стабилизированное. Здесь применяется более мощный выпрямитель, который не только подзаряжает батарею, но также снабжает инвертор стабилизированным постоянным напряжением.

С выхода устройства переменное стабилизированное напряжение поступает на нагрузку.

Когда двойного преобразования недостаточно для корректировки напряжения сети, от батареи поступает дополнительный заряд к инвертору. Переключений не происходит, но режим уже другой.

При выходе из строя инвертора происходит переключение на работу от сети через байпас. Выбор ИБП двойного преобразования для частного использования является нерациональным из-за больших потерь энергии. Данный вид защиты применяют организации, где требуется высокая надежность оборудования.

Виды систем

Системы бесперебойного электроснабжения могут быть централизованными или распределенными. В первом случае на все здание или отдельный этаж работает один ИБП, который справляется со всеми нагрузками.

Бесперебойного питания включают несколько устройств защиты, каждое из которых работает на один компьютер или другую единицу оборудования. Они достаточно эффективны.

Преимущества распределенной системы следующие:

ИБП подбирается специально для отдельного устройства, являющегося наиболее важным или работающего в тяжелых условиях.
Система может постепенно наращиваться, начиная с защиты сервера и переходя на рабочие станции.
Вышедшие из строя ИБП можно заменить на другие, с менее важных элементов системы.
Маломощный ИБП не нуждается в установке и обслуживании специальным персоналом.
Возможность подключения к обычной электросети через розетки.
ИБП применяются независимо друг от друга.

Централизованные системы бесперебойного питания включают ИБП высокого уровня, которые лучше защищают оборудование. Несмотря на их высокую стоимость, в целом достигается экономия средств, поскольку одно устройство обходится дешевле, чем несколько. Но для простых компьютеров система будет стоить дороже, так как для ее обслуживания требуется персонал высокой квалификации или услуги специализированных фирм, производящих монтаж систем бесперебойного питания и их обслуживание.

Она необходима в следующих случаях:

компьютеры являются основной нагрузкой сети;
некоторые организации нуждаются в очень надежных системах, например банки;
потребители существенно различаются по мощности: компьютерная система, связь, система безопасности.

На что обращать внимание при выборе ИБП?

При выборе системы бесперебойного электроснабжения необходимо учитывать несколько важных факторов. Перечислим основные из них.

От чего защищается оборудование?

Прежде всего необходимо провести измерения напряжения в электрической сети. Минимальным циклом по длительности будут сутки. Он в наибольшей степени отражает работу электрической сети. Если приходится работать в выходные дни, нужно получить информацию по недельному циклу, в течение дня и ночи.

Важно определить максимальное и минимальное напряжение, а также мощность и частоту импульсов в сети. Прибором может служить или регистратор.

Простейшим способом для пользователя являются замеры напряжения, во время которых, по его мнению, напряжение достигает максимума и минимума. Не стоит оставлять без внимания выходные дни.

Если у хозяина квартиры есть мощное оборудование, надо измерить напряжение в домашней сети при его включении и выключении. Следует выяснить, как часто отключается напряжение в электросети дома и по каким причинам. Важно наличие в квартире заземляющего провода. При этом следует выяснить, насколько надежно он подключен к шине этажного щита.

Вид защищаемого оборудования

Составляется список оборудования, для которого необходимо применение ИБП. При этом надо знать потребляемую каждым Достаточно определить ее номинальное значение, которое есть в технических характеристиках. Некоторое оборудование иногда потребляет максимальную энергию, в несколько раз превышающую номинал. Для него следует установить запас по мощности.

Период автономной работы

Здесь важно определить, за какой период можно безопасно сохранить данные или завершить необходимые технологические операции (передача информации, сохранение файлов, прием сообщения).

Необходимый персонал

В зависимости от сложности системы требуется определенный штат специалистов для ее эксплуатации. Это необходимо выяснить, чтобы правильно рассчитать все затраты. Цена системы защиты не должна превышать 10 % от стоимости основного оборудования.

ИБП для дома

Для среднего коттеджа удобна система бесперебойного питания UPS (ИБП) мощностью около 15 кВт. Чтобы обеспечить автономную работу на 2-3 часа, нужны 4 аккумулятора суммарной емкостью 2000 Ач. Они позволяют аккумулировать электроэнергию около 7 кВтч.

В доме наиболее важными являются система отопления и бытовая техника с компьютером. Стоимость ИБП зависит от мощности, количества аккумуляторов и производителя. Для котла можно приобрести источник мощностью 360 Вт по цене 7 тыс. Для всего дома понадобится мощность ИБП до 15 кВт, цена которого составляет более 70 тыс. руб.

Кроме преобразователей, необходимы батареи, которые нужно периодически менять. ИБП для дома обходится в круглую сумму. Особенно затратными являются аккумуляторные системы бесперебойного питания.

Несмотря на это, можно сэкономить на ремонте остальной техники. Кроме того, есть альтернативные варианты с применением генераторов. Иногда можно обойтись установкой стабилизаторов напряжения, которые справляются со многими задачами, включая корректное отключение оборудования.

Современные ИБП оснащены понятным интерфейсом. По дисплею можно следить за работой системы, где основными параметрами являются напряжение на входе и выходе, расход мощности, схема работы, заряд батарей.

Какой выбрать ИБП, зависит от потребностей пользователя. Для домашнего компьютера может быть достаточно энергии на время его отключения. Для бесперебойной работы котла в течение 8-9 час потребуется защитное устройство на 1 кВт с тремя АКБ по 65 А/ч.

Заключение

Системы предназначены для обеспечения автономной работы электроприборов и электронной техники непродолжительное время. Основным показателем является мощность ИБП и емкость АКБ. Целесообразно выбирать оборудование, содержащее стабилизатор напряжения.

Время работы через батарею зависит от ее характеристик и потребляемой нагрузкой мощности. В случае разрядки источника резервного питания подается команда на отключение потребителя. Если напряжение сети достигает нормального уровня, ИБП переходит в обычный сетевой режим работы и начинается зарядка АКБ.