Как устроены и работают источники бесперебойного питания (ИБП)
Требования к качеству электроэнергии законодательно прописаны государственными стандартами и довольно жесткими нормативами. Электроснабжающие организации прилагают много усилий для их соблюдения, но, они не всегда реализуются.
В наших квартирах, да и на производстве, периодически возникают:
полные отключения электричества на неопределенное время;
апериодические кратковременные (10÷100 мс) высоковольтные (до 6 кВ) импульсы напряжения;
всплески и снижения напряжения с различной продолжительностью;
накладки высокочастотных шумов;
уходы частоты.
Все эти неполадки отрицательно влияют на работу бытовых и офисных потребителей электроэнергии. Особенно страдают от качества электропитания микропроцессорные и компьютерные устройства, которые не только совершают сбои, но и могут полностью потерять свою работоспособность.
Назначение и виды источников бесперебойного питания
Чтобы сократить риски от возникновения неисправностей питающей электрической сети используются резервные устройства, которые принято называть источниками бесперебойного питания (ИБП) или UPS (образовано от сокращения английской фразы «Uninterruptible Power Supply»).
Они изготавливаются с разной конструкцией для решения специфических задач потребителя. Например, мощные ИБП с гелиевыми аккумуляторами способны поддерживать энергоснабжение целого коттеджа в течение нескольких часов.
Их АКБ получают заряд от линии электропередач, ветрогенератора, солнечных батарей или других носителей электроэнергии через выпрямительное устройство инвертора. Они же подпитывают электрические потребители коттеджа.
Когда внешний источник отключается, то аккумуляторы разряжаются на подключенную в их сеть нагрузку. Чем больше емкость АКБ и меньше ток их разряда, тем дольше они работают.
Источники бесперебойного питания средней мощности могут резервировать питание электрических котлов, систем поддержания микроклимата в помещениях и подобного оборудования.
В то же время самые простые модели UPS способны только завершить программу аварийного отключения компьютера. При этом длительность всего процесса их работы не превысит 9÷15 минут.
Компьютерные источники бесперебойного питания бывают:
встроенными в корпус устройства;
внешними.
Первые конструкции распространены в ноутбуках, нетбуках, планшетах и подобных мобильных устройствах, работающих от встроенного аккумулятора, который снабжен схемой переключения питания и нагрузки.
АКБ ноутбука со встроенным контроллером является источником бесперебойного питания. Его схема в автоматическом режиме защищает работающее оборудование от неисправностей электросети.
Внешние конструкции ИБП, предназначенные для нормального завершения программ стационарного компьютера, изготавливаются отдельным блоком.
Их подключают через сетевой адаптер питания к электрической розетке. От них запитывают только те устройства, которые отвечают за работу программ:
системный блок с подключенной клавиатурой;
монитор, отображающий происходящие процессы.
Остальные периферийные устройства: сканеры, принтеры, акустические колонки и другое оборудование от UPS не запитывают. Иначе они при аварийном завершении программ будут забирать на себя часть энергии, накопленной в аккумуляторах.
Варианты построения рабочих схем ИБП
Компьютерные и промышленные UPS изготавливают по трем основным вариантам:
резервирования электропитания;
интерактивной схемы;
двойного преобразования электроэнергии.
При первом методе резервной схемы, обозначаемым английскими терминами «Standby» или «Off-Line» напряжение поступает из сети к компьютеру через ИБП, в котором электромагнитные помехи устраняются встроенными фильтрами. Здесь же установлен аккумулятор, емкость которого поддерживается током заряда, регулируемым контроллером.
Когда пропадает или выходит за установленные нормативы внешнее питание, то контроллер направляет энергию АКБ на питание потребителей. Для преобразования постоянного тока в переменный подключается простой инвертор.
Преимущества UPS Standby
Источники бесперебойного питания схемы Off-Line обладают высоким КПД, при поданном на них напряжении, тихо работают, мало выделяют тепла и относительно дешевы.
Недостатки
UPS Standby выделяются:
долгим переходом на питание от аккумулятора 4÷13 мс;
искаженной формой выходного сигнала, выдаваемого инвертором в виде меандра, а не гармоничной синусоиды;
отсутствием корректировки напряжения и частоты.
Такие устройства наиболее распространены на персональных компьютерах.
ИБП интерактивной схемы
Их обозначают английским термином ««Line-Interactive». Они выполняются по предыдущей, но более усложненной схеме за счет включения стабилизатора напряжения, использующего автотрансформатор со ступенчатым регулированием.
Это обеспечивает корректировку величины выходного напряжения, но управлять частотой сигнала они не способны.
Фильтрация помех в нормальном режиме и переход на инверторное питание при авариях происходит по алгоритмам UPS Standby.
Добавлением стабилизатора напряжения различных моделей с методиками управления им позволило создавать инверторы с формой сигнала не только меандра, но и синусоиды. Однако, небольшое количество ступеней регулирования на основе релейных переключений не позволяет реализовать функции полной стабилизации. Особенно это характерно для дешевых моделей, которые при переходе на питание от аккумулятора не только завышают частоту выше номинальной, но и искажают форму синусоиды. Помехи вносит встроенный трансформатор, в сердечнике которого происходят процессы гистерезиса.
В дорогих моделях работают инверторы на полупроводниковых ключах. UPS Line-Interactive имеют большее быстродействие при переходе на питание от АКБ, чем у ИБП Off-Line. Оно обеспечивается работой алгоритмов синхронизации между входящим напряжением с выдаваемыми сигналами. Но при этом происходит некоторое занижение КПД.
ИБП Line-Interactive нельзя использовать для питания асинхронных двигателей, которые массово установлены на всей бытовой технике, включая системы отопления. Их используют для работы устройств с импульсными блоками, где питание фильтруется и выпрямляется одновременно: компьютеров и бытовой электроники.
ИБП двойного преобразования
Эта схема UPS получила название по английскому словосочетанию On-line» и работает на оборудовании, требующем высококачественного питания. В ней производится двойная конверсия электроэнергии, когда синусоидальные гармоники переменного тока постоянно преобразуются выпрямителем в постоянную величину, пропускаемую через инвертор для создания повторной синусоиды на выходе.
Здесь АКБ постоянно подключен в схему, что исключает необходимость его коммутаций. Этим способом практически исключается период подготовки источника бесперебойного питания на переключения.
Работу ИБП On-line по состоянию аккумулятора можно разделить на три этапа:
стадия заряда;
состояние ожидания;
разряд на работу компьютера.
Период заряда
Цепи входа и выхода синусоиды разорваны внутренним переключателем UPS.
Подключенный к выпрямителю аккумулятор получает энергию заряда до тех пор, пока его емкость не восстановится до оптимальных значений.
Период готовности
После окончания заряда АКБ автоматика источника бесперебойного питания замыкает внутренний переключатель.
Аккумулятор поддерживает состояние готовности к работе в буферном режиме.
Период разряда
АКБ автоматически переводится на питание компьютерной станции.
У источников бесперебойного питания, работающих по методике двойного преобразования электроэнергии, КПД в режиме питания от линии ниже, чем у других моделей из-за расхода энергии на выделение тепла и шума. Но в сложных конструкциях применяются методики, позволяющие увеличить КПД.
UPS On-line споосбны выправлять не только величину напряжения, но и его частоту колебаний. Это выгодно отличает их от предыдущих моделей и позволяет использовать для питания различных сложных устройств с асинхронными двигателями. Однако, стоимость таких устройств значительно выше предыдущих моделей.
Состав ИБП
В зависимости от вида рабочей схемы в комплект источника бесперебойного питания входят:
Для удаленного доступа к устройству может использоваться локальная сеть, а повысить надежность схемы можно за счет ее резервирования.
В отдельных источниках бесперебойного питания используется режим «Байпас», когда нагрузка запитывается отфильтрованным напряжением сети без работы основной схемы устройства.
Часть UPS имеет ступенчатый регулятор напряжения «Бустер», управляемый от автоматики.
В зависимости от необходимости выполнять сложные технические решения источники бесперебойного питания могут оснащаться еще дополнительными специальными функциями.