1.5 Источники бесперебойного питания
Источники бесперебойного питания, согласно действующим стандартам, классифицируют по принципу действия на три основные группы:
1) Off-Line/Stand-By/back-up UPS;
2) Line-Interactive;
3) On-Line.
Рассмотрим подробнее, что из себя представляет каждая из этих групп:
Источники бесперебойного питания типа Off-Line
Источники бесперебойного питания типа Off-Line стандартом определяются как пассивные, резервного действия (UPS-PSO). В нормальном режиме функционирования штатным питанием нагрузки является отфильтрованное напряжение первичной сети при допустимых отклонениях входного напряжения и частоты. В случаи, когда параметры входного напряжения выходят за значения настроенных диапазонов, включается инвертор источника бесперебойного питания, обеспечивающий непрерывность питания нагрузки. Инвертор питается от аккумуляторов.
Это наиболее простые ИБП (рис. 6), а значит и самые дешевые. Источник бесперебойного питания состоит из двух параллельных ветвей:
• фильтр-нагрузка;
• выпрямитель-батарея-инвертор-нагрузка.
Рис. 6. Схем источника бесперебойного питания Stand-By типа
При нормальных характеристиках сети, напряжение в нагрузку поступает через фильтр, фильтрующий всевозможные помехи. Это, обычно, фильтр-ограничитель, хотя может быть и фильтр-стабилизатор либо их сочетание, а также статический переключатель.
Одновременно через выпрямитель подзаряжаются и аккумуляторы аккумуляторной батареи. При пропадании, завышении либо понижении входного напряжения, питание нагрузки электронным переключателем меняется на батарейное через инвертор (инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное). Переключатель обеспечивает время переключения от 2 до 15 мс. Отметим, что пропадание электроэнергии в ходе этого времени не оказывает сколь-нибудь заметного влияния на компьютерные системы, которые спокойно переносят отключение питания на 10–20 мс. Учитывая, что почти у всей современной аппаратуры блоки питания импульсные, переключение совершается незаметно для пользователя. Источники бесперебойного питания такого типа могут поддержать работу персонального компьютера в ходе 5–10 мин.
Основные недостатки ИБП Off-Line
Главными недостатками ИБП off-line считают:
• плохая работа источников питания этого типа в сетях с низким качеством электрической сети: плохая защита от провалов напряжения, превышений допустимого значения напряжения, изменений частоты и формы входного напряжения;
• невозможность своевременного восстановления емкости аккумуляторов при частых переключениях на батарейное питание;
• несинусоидальное выходное напряжение при питании от аккумуляторной батареи.
Итак, основное рекомендуемое использование источников бесперебойного питания off-line типа – устройство защиты нагрузки с импульсным блоком питания с редкими отклонениями в питающей сети.
Источники бесперебойного питания типа Line-Interactive
В источниках бесперебойного питания линейно-интерактивного типа (Line-Interactive, иногда Ferroresonant) сочетаются преимущества типа On-line с надежностью и эффективностью резервных (standby). В источниках бесперебойного питания этого типа в отличие от технологии Off-line в прямую цепь включен ступенчатый автоматический регулятор напряжения, построенный на основе автотрансформатора (трансформатор с переключающимися обмотками). В некоторых моделях применяется сетевой стабилизатор напряжения.
Инвертор связан с нагрузкой. При работе он питает нагрузку параллельно стабилизированному (conditioned) переменному напряжению сети. Нагрузка подключается полностью лишь в том случае, когда входное напряжение электросети пропадает.
Рис. 7. Схем источника бесперебойного питания Line-Interactive типа
Из-за такого взаимодействия («interaction») со входным сетевым напряжением данная архитектура и получила свое название. В определенном диапазоне изменения сетевого напряжения, выходное напряжение поддерживается в заданных границах за счет переключения обмоток трансформатора либо стабилизатором. Инвертор как правило работает при низком напряжении, регулирует выходное напряжение и подзарядку аккумуляторов до тех пор, пока не потребуется его включение для полного питания нагрузки при перебоях в электросети. Линейно-интерактивные источники бесперебойного питания нашли наиболее широкое применение в системах защиты компьютерных сетей.
Трансформатор, сделанный по специальной так называемой ferro‑технологии, сглаживает скачки напряжения, при этом источник бесперебойного питания реже переключается на работу от аккумуляторной батареи, и следовательно повышается срок службы батареи. Обычно, эти источники бесперебойного питания оборудованы совершенными фильтрами, обеспечивающими защиту от помех различного происхождения. Типовое время переключения в режим питания от аккумуляторов или обратно составляет 2 мс. Одним из преимуществ ИБП такого типа является широкий диапазон допустимых входных напряжений.
Источники бесперебойного питания On-Line типа
Технология On-Line позволяет реализовать самый надежный тип источника бесперебойного питания. С выпрямителя (рис. 8) напряжение сети поступает на преобразователь постоянного напряжения высокого уровня в низкое ПН1, а далее – на преобразователь постоянного напряжения в переменное выходное напряжение (ПН2). Преобразователь ПН2 – инвертор, питание на который поступает как от аккумуляторов, так и от сети через выпрямитель-преобразователь напряжения ПН1, подключенных параллельно: при отклонениях в питающей электросети от нормы, входное напряжение для ПН2 снимается с аккумуляторной батареи.
Рис. 8. Схем источника бесперебойного питания On-Line типа
В большинстве систем источников бесперебойного питания мощностью до 5 кВА вместо непрерывно подключенного аккумулятора, подключен резервный преобразователь постоянного тока (DC-DC converter), включающийся при сбоях сети и дублирующий шину постоянного тока от низковольтного аккумулятора.
Вывод: даже в случаи незначительных отклонениях параметров входного напряжения от нормы On-Line устройства обеспечивают на выходе номинальное напряжение в области ±1–3%. Присутствие обходной цепи (bypass) позволяет подключать нагрузку прямо к силовой сети. Качество питания и надежность поставки электроэнергии, предоставляемое устройствами с архитектурой такого типа, существенно выше, чем у предыдущих.
Недостатки источников бесперебойного питания On-line типа: невысокий, по сравнению с ранее рассмотренными типами, КПД (85–90%) из-за двойного преобразования (по отношению к Standby и Line-Interactive) и высокая цена. Однако, уровень защиты нагрузки и стабильность выходных параметров ИБП – разумный компромисс между безопасностью, КПД и ценой устройства. Потери в ИБП мощностью в 4000ВА не превышают 380Вт и могут быть несоизмеримыми с той задачей, которую решает подобный источник питания. [10] [11]