Исто́чник бесперебо́йного пита́ния, (ИБП) — автоматическое электронное устройство с аккумуляторной батареей, предназначенное для бесперебойного кратковременного снабжения электрической энергией компьютера и его компонентов с целью корректного завершения работы и сохранения данных в случае резкого падения или отсутствия входного питающего напряжения системы.
ИБП (UPS) — это прежде всего вспомогательное устройство, поэтому для постоянного и долговременного питания компьютера не годится. Лучше всего для этих целей служит другие устройства, например, ИРП — источники резервного питания, генераторы.
Существуют 3 типа ИБП: UPS Off-Line, UPS On-Line, UPS Line-Interactive. Другие варианты устройств фактически являются их производными.
ГОСТ 13109-97 (взамен ГОСТ 13109-87) определяет следующие нормы в электропитающей сети: напряжение 220 В ± 5 % (предельные значения ± 10 %); частота 50 Гц ± 0,2 Гц (предельные значения ± 0,4 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 пропало);
высоковольтные импульсные помехи (резкое увеличение напряжения до 6 кВ продолжительностью от 10 до 100 мс);
долговременные и кратковременные подсадки и всплески напряжения;
высокочастотный шум (высокочастотные помехи, передаваемые по электросети);
побег 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 10—15 минут) время продолжить работу. Кроме компьютеров, ИБП обеспечивают питанием и другую электрическую нагрузку, критичную к наличию питания с нормальными параметрами электропитающей сети, например, схемы управления отопительными котлами. ИБП способен корректировать параметры (напряжение, частоту) выходной сети. Крайне редкие экземпляры могут 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.
Ноутбукам и прочим устройствам, имеющим встроенную аккумуляторную батарею, ИБП не нужен — аккумулятор со встроенными схемами переключения сам является таковым.
Схемы построения ИБП
Существует три схемы построения ИБП:
Резервная
Резервная схема — в нормальном режиме питание подключенной нагрузки осуществляется напрямую от первичной электрической сети, которое ИБП фильтрует (высоковольтные импульсы и электромагнитные помехи) пассивными фильтрами. При выходе электропитания за нормированные значения напряжения (или его пропадании) нагрузка автоматически переподключается 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.
Достоинства
За счёт КПД около 99 % (при наличии напряжения сети) практически бесшумны и имеют минимальное тепловыделение;
невысокая стоимость ИБП в целом.
Недостатки
относительно долгое время (порядка 4..12 мс) переключения на питание от батарей;
невозможность корректировать ни напряжение, ни частоту (VFD по классификации МЭК).
несинусоидальная форма выходного напряжения при работе от батареи (аппроксимированная синусоида, квази-синусоида);
Итог: Чаще всего ИБП, построенные по такой схеме, используется для питания персональных компьютеров или рабочих станций локальных сетей начального уровня, для которых не критично своевременное отключение в случае неполадки в сети. Практически все недорогие маломощные ИБП, предлагаемые на отечественном рынке, построены по данной схеме.
Интерактивная
Интерактивная схема — устройство аналогично предыдущей схеме; дополнительно на входе присутствует ступенчатый стабилизатор напряжения на основе автотрансформатора, позволяя получить регулируемое выходное напряжение. (VI по классификации МЭК). При работе в нормальном режиме такие ИБП не корректируют частоту, пассивные фильтры фильтруют входящее переменное напряжение. При пропадании напряжения ИБП переходит на питание от инвертора, аналогично предыдущему.
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.
Недостатки: в режиме «от сети» не выполняет функцию фильтрации пиков, и обеспечивает только крайне примитивную стабилизацию напряжения (обычно 2—3 ступени автотрансформатора, переключаемые релейно, функция называется «AVR»).
В режиме «от батарей» некоторые, особенно дешёвые, схемы выдают на нагрузку частоту куда выше 50 Гц, и осциллограмму переменного тока, имеющую мало общего с синусоидой. Это связано с применением классического трансформатора крупного размера в схеме (вместо инвертора на полупроводниковых ключах). В связи с тем, что трансформатор данного габарита имеет (в связи с возникновением гистерезиса в сердечнике) ограничение на передаваемую мощность, которое линейно растет с частотой, данного трансформатора (занимает 1/3 объёма всего ИБП) хватает для питания цепи зарядки батарей на 50 Гц в режиме «от сети». Но, в режиме «от батарей», через этот трансформатор нужно пропустить уже сотни ватт мощности, что возможно только путём повышения частоты.
Это приводит к невозможности питания приборов, использующих, например, асинхронные двигатели (почти вся т. н. «белая техника», включая отопительные системы).
По сути, от такого ИБП можно питать только приборы, не требовательные к качеству питания, то есть, например, все приборы с импульсными БП, где питающее напряжение немедленно выпрямляется и фильтруется. То есть компьютеры и значительная часть современной бытовой электроники. Также можно питать осветительные и обогревательные приборы.
Двойное преобразование
Режим двойного преобразования — 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 (ПРОВЕРИТЬ: нагрузка на сервер не имеет никакого отношения к выбору схемы ИБП, кроме того, все импульсные БП, а особенно высококачественные, используемые в серверах серьёзных производителей, имеют, напротив, СНИЖЕННЫЕ требования к качеству питающего напряжения). Принцип работы состоит в двойном преобразовании (double conversion) рода тока. Сначала входной переменный ток преобразуется в постоянный, затем обратно в переменный ток с помощью обратного преобразователя (инвертора). При пропадании входного напряжения переключение нагрузки на питание от аккумуляторов не требуется, поскольку аккумуляторы включены в цепь постоянно (т. н. буферный режим работы аккумулятора) и для этих ИБП параметр «время переключения» не имеет смысла. В маркетинговых целях может использоваться фраза «время переключения равно 0», правильно отражающая основное преимущество данного вида ИБП: отсутствие промежутка времени между пропаданием внешнего напряжения и началом питания от батарей. ИБП двойного преобразования имеют невысокий КПД (от 80 до 96,5 %) в режиме on-line, из-за чего отличаются повышенным тепловыделением и уровнем шума. Однако у современных ИБП средних и высоких мощностей ведущих производителей предусмотрены разнообразные интеллектуальные режимы, позволяющие автоматически подстраивать режим работы для повышения КПД вплоть до 99 %. В отличие от двух предыдущих схем, способны корректировать не только напряжение, но и частоту (VFI по классификации МЭК).
Достоинства
отсутствие времени переключения на питание от батарей;
синусоидальная форма выходного напряжения, то есть возможность питать любую нагрузку, в том числе отопительные системы (в которых есть асинхронные двигатели).
возможность корректировать и напряжение, и частоту (более того, такой прибор одновременно является и самым лучшим из возможных стабилизаторов напряжения).
Недостатки
Низкий КПД (80—94 %), повышенная шумность и тепловыделение. Практически всегда прибор содержит вентилятор компьютерного типа, и потому не бесшумен (в отличие от line-interactive ИБП).
Высокая стоимость. Примерно вдвое-втрое выше, чем line-interactive.
„Резервная“ схема построения ИБП
„Интерактивная“ схема построения ИБП
Схема построения ИБП с двойным преобразованием
Характеристики ИБП
выходная мощность, измеряемая в вольт-амперах (VA) или ваттах (W). Стоит обратить внимание, что оборудование, содержащее мощные электродвигатели (холодильник, погружные насосы автономных водопроводов и систем полива), имеет «пусковые токи». Это означает, что в момент пуска двигателя устройство кратковременно потребляет мощность, в 5—7 раз превышающую паспортную. ИБП должен выбираться с учётом этого факта. То же касается и лазерных принтеров, которые обычно вообще запрещают подключать к ИБП;
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; (обычно 40—45 минут при свежих батареях и ненагруженном компьютере).
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 2—3 года. Сильно зависит от качества, а значит, и цены ИБП, конкретно от степени примитивности его цепи зарядки батареи).
сквозной ноль. См. ниже.
Сквозной «ноль»
Некоторые виды нагрузок используют провод защитного заземления (PE) для своих рабочих нужд.
Например, таково оборудование с газовыми горелками, где цепь ионизационного электрода контроля пламени замыкается через «массу» горелки и далее через провод PE. Существующие нормативные акты по устройству электроустановок позволяют такие крошечные (микроамперы) рабочие токи через PE.
Это не является проблемой при питании от сети, как сети TN-C-S, так и сети TT, поскольку в обеих из них PE рано или поздно сообщается с N — через точку деления в TN-C-S или же через физическую землю от потребителя до трансформаторной станции с заземленной нейтралью в случае ТТ, кроме того, в сети ТТ вполне возможны и повторные заземления N на пути от ТП до потребителя. В этом случае вышеописанные цепи в приборе, подключенные между L и PE, работоспособны.
Однако же в случае, когда прибор питается от абсолютно изолированного и не заземленного источника (в данном случае от ИБП, работающего от батарей), где зачастую вообще нет понятий «фаза» и «ноль», а есть 2 синуса по 110В в противофазе (это так называемая «система IT»), у вышеописанных цепей возникает проблема из-за отсутствия какого-либо сообщения PE и питания на стороне источника (PE может по-прежнему использоваться на источнике для защитного заземления корпуса, экранов и т.д.).
На практике это означает отсутствие сигнала «есть пламя» на автоматике отопительного котла и его неработоспособность.
Именно для поддержки таких потребителей в ИБП используется схема «сквозной ноль», то есть прямое соединение клемм N входной и выходной силовой цепи. В этом случае даже при работе от батарей есть сообщение PE и N на нагрузке (через ИБП и далее через сеть, куда подключен сам ИБП), и вышеописанная проблема не возникает.
Однако такая ситуация возникает только в случае пропадания входного напряжения на ИБП, например, из-за срабатывания «автомата» или отключения со стороны поставщика энергии.
В некоторых иных ситуациях — срабатывание УЗО, полное отключение входа ИБП от сети вилкой, «отгорание ноля» на деревенской воздушной линии — даже «сквозного ноля» в ИБП недостаточно для питания вышеописанных цепей. В этом случае рекомендуется (например, компанией Buderus для отопительных котлов, рекомендация вообще распространяется на питающие сети IT) установить резистор около 1..10 МОм (Buderus рекомендует приобрести их оригинальный резистор, его сопротивление 10 МОм) между N и PE на входе питаемого прибора (или же на выходе ИБП).
Выбор ИБП для отопительных котлов
обязателен online UPS (см. выше).
обязателен сквозной ноль (см. выше).
для защиты от ситуаций вроде срабатывания УЗО обязателен доп. резистор (см. выше в тексте про сквозной ноль). Тестирование такого режима тривиально — выдернуть входную вилку ИБП из розетки и при этом следить за индикатором наличия пламени на котле (не должен потухать, котел не должен останавливаться).
некоторые котлы используют только один (например, левый) из проводов питающей вилки для питания цепи контроля пламени. Они работоспособны только в том случае, если вилка воткнута в розетку так, что именно на этом проводе оказывается L (а не N). Это, пожалуй, единственный бытовой прибор, требующий конкретной ориентации вилки в розетке (т. н. «фазозависимый котел»). Следует обратить внимание на то, что котел, не фазозависимый при питании от сети, может вдруг стать фазозависимым при питании от ИБП с доп. резистором, потому следует всегда обращать внимание на ориентацию вилки котла, втыкаемой в выход ИБП.
Составные части Источников Бесперебойного Питания
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 включение предусматривается на случай проведения профилактического обслуживания ИБП или замены его узлов без отключения нагрузки). Байпасом называется один из составляющих ИБП блоков. Может делать т. н. фазануль («сквозной нуль»). Применяется в online-схемах, более того, выключенный кнопкой OFF online UPS остаётся в режиме байпаса, то же самое происходит при разрушении силовых компонентов схемы, определённом управляющими цепями, а также при аварийном отключении схемы по перегрузке выхода. В line-interactive UPS режим работы «от сети» и есть байпас.
«Бустер» (англ. booster) — ступенчатый автоматический регулятор напряжения, 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 распространённых проблем отечественных электросетей) без перехода на аккумуляторные батареи, что позволяет значительно увеличить срок «жизни» аккумуляторной батареи.
Схема инвертора 12 Вольт постоянного в 230 Вольт переменного напряжения
Инвертор — устройство, которое преобразует род напряжения из постоянного 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).
преобразователь с импульсно-плотностной модуляцией
Показатель, который характеризует степень отличия формы напряжения или тока от идеальной синусоидальной формы — коэффициент нелинейных искажений. 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 (модифицированный синус или меандр);
43 % и свыше — сигнал прямоугольной формы (меандр).
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 составляет порядка 3 %, и фильтры не используют.
Гальваническую развязку между входом и выходом (как правило, в ИБП таковая не делается вообще из принципиальных соображений пропуска «сквозного нуля» на нагрузку, то есть отсутствия любой коммутации провода нейтрали от входа UPS до его выхода) 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.
Для того, чтобы повысить надёжность всей системы в целом, применяется резервирование — схема, которая состоит из двух или более ИБП.
Международная классификация ИБП
Промышленное решение: ИБП, вместе с защищаемым оборудованием, смонтирован в 19-дюймовую стойку
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).
