Источник бесперебойного питания ИБП: определение, как работает, зачем нужен, основные типы

Содержание

• Что такое ИБП?
• Из каких элементов состоит ИБП?
• Назначение и дополнительные функции ИБП
• Классификация ИБП
  1. Резервные ИБП
  2. Линейно-интерактивные ИБП
  3. ИБП двойного преобразования
• Заключение

Что такое ИБП?

Источник бесперебойного питания (ИБП или UPS) представляет собой устройство резервирования электроэнергии, которое обеспечивает непрерывность электроснабжения при сбоях или отключении сетевого напряжения. Это технически сложное оборудование, оснащенное узлами и агрегатами.

Исходя из рабочего напряжения нагрузки, ИБП делятся на два типа: однофазные (с однофазным входом и однофазным выходом) и трехфазные (снабжают бесперебойным питанием трехфазные и однофазные нагрузки в трехфазных групповых сетях).

На данный момент на территории РФ действует государственный стандарт ГОСТ 13109-97, в котором указаны нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения. На его основе оценивают качество электрической энергии по 10 критериям.

Среди основных показателей выделяют:

• напряжение 380 Вольт для трехфазных сетей и 220 Вольт для однофазных;
• допускается отклонение 5% в большую или меньшую сторону, предельно допустимое отклонение – +/- 10%;
• показатель частоты должен быть равен 50 Гц, допустимо отклонение частоты 0.4 Гц в большую или меньшую сторону;
• нормально допустимый показатель коэффициента нелинейных искажений – 6%, предельно допустимый -20%.

Главная задача ИБП – генерировать на его выходе чистое синусоидальное напряжение стабильной амплитуды и частоты, если возникают любые отклонения напряжения в питающих электросетях.

По конструктивному исполнению выделяют два типа источников бесперебойного питания:

• Оборудование небольшой мощности представлено в настенном и моноблочном напольном формате. Оно имеет унифицированные размеры, благодаря которым его можно размещать в 19-дюймовых стойках или шкафах;
• ИБП средней и большой мощности выпускают в моноблочном напольном конструктиве или под установку в шкаф или стойку.

Из каких элементов состоит ИБП?

Несмотря на различные схемы построения, каждый источник питания состоит из инвертора, выпрямителя, накопителя энергии и байпаса. Разберем эти элементы подробнее.

Элемент ИБП	Описание
Инверторы	Устройства, которые преобразуют постоянное напряжение в переменное. Исходя из того, какой принцип преобразования используется, выделяют три вида инверторов: Генерирующие напряжение прямоугольной формы; С пошаговой аппроксимацией; С широтно-импульсной модуляцией. К основным параметрам инвертора относят: перегрузочную способность; КПД; допустимый коэффициент мощности нагрузки; качество выходных напряжений.
Выпрямители	Устройства, которые отвечают за преобразования переменного напряжения эклектической сети в постоянное. Выпрямители, использующиеся в ИБП, бывают трех типов: Тиристорный управляемый (стандартный 6-импульсный); Тиристорный управляемый составной индуктивный (12-импульсный); На базе полевых транзисторов высокой мощности с активной коррекцией входного коэффициента мощности. Однофазные источники питания оснащаются 2- или 4-импульсными выпрямителями. Трехфазные модели – 6-, 12- или 24-импульсными. Все стандартные ИБП последних поколений оснащаются выпрямителями на базе полевых транзисторов высокой мощности с активной коррекцией входного коэффициента мощности.
Накопители энергии (аккумуляторы)	В качестве накопителя энергии в источнике питания выступают аккумуляторные батареи (или АКБ). Выделяют 4 типа АКБ для ИБП: свинцово-кислотные (открытые обслуживаются, герметичные – нет); никель-кадмиевые; литий-ионные; литий-полимерные. Емкость аккумулятора выбирается с учетом мощности оборудования и его предназначения.
Байпас (или Bypass)	Обеспечивает переключение питания нагрузки на сеть в обход основной схемы ИБП. Переход выполняется либо вручную, либо автоматически. Например, UPS On-Line автоматически переходят в режим байпас, когда происходит перегрузка выходных цепей или возникают внутренние неисправности. Следовательно, нагрузка надежно защищена как от сбоев в питающей электрической сети, так и от неполадок в самом оборудовании. Ручной перевод устройства в режим сервисного байпас используется, когда необходимо провести техобслуживание, не отключая при этом нагрузку.

Назначение и дополнительные функции ИБП

Как мы уже говорили, основное назначение ИБП заключается в обеспечении бесперебойным электропитанием подключенных электрических приборов в случае, когда возникают перебои в подаче электроэнергии или недопустимые отклонения ее параметров от нормальных значений.

Тем не менее, это не все функции ИБП. Источник питания имеет и другие возможности:

• Стабилизация напряжения – за это отвечают устройства с двойным преобразованием или интерактивные модели;
• Фильтрация помех частотного и импульсного типа;
• «Холодный старт» – оборудование запускается без подключения к электросети благодаря энергии АКБ;
• Индикация состояния системы питания за счет звука и света – отображаются параметры напряжения и частоты, потребляемой мощности нагрузки и т.д.;
• Таймер, который включает или выключает нагрузку в обозначенное время или при наступлении определенных событий;
• Синхронизация с компьютером, чтобы можно было мониторить и управлять устройством удаленно.

Отдельно следует упомянуть о том, что ИБП предотвращает перенапряжения и помехи сети, а также защищает локальную сеть.

Классификация ИБП

Источники бесперебойного питания по схеме построения бывают трех видов:

• резервные ИБП (их еще называют off-line или standby);
• линейно-интерактивные ИБП (line-interactive);
• ИБП двойного преобразования (on-line).

Рассмотрим каждый по отдельности.

Резервные ИБП

Они наиболее простые и бюджетные источники питания из всех представленных. При нормальном напряжении в электрической сети off-line ИБП передает его сквозь несложный фильтр в нагрузку. Инвертор при этом не включен. Когда напряжение пропадает или возникают отклонения его параметров от допустимых значений, инвертор запускается и преобразует энергию батарей в переменный ток, который обеспечивает питание нагрузки.

В резервном ИБП инвертор вырабатывает прямоугольные импульсы, а не синусоидальное напряжение. Такое напряжение создает помехи в сети и не во всех случаях подойдет для питания оборудования.

Из-за того, что любое минимальное отклонение входного напряжения провоцирует переход источника питания на работу от батареи, при подобном режиме эксплуатации ИБП прослужит от силы 2-3 года.

Поэтому off-line ИБП не дают 100% защиты оборудования, не говоря уже о том, что в некоторых ситуациях они могут создать дополнительные проблемы.

Резервные ИБП зачастую используют для питания ПК, в которых отсутствует конфиденциальная и секретная информация. Однако если компьютеры влияют на работу и безопасность вашего предприятия, от таких источников лучше отказаться.

Линейно-интерактивные ИБП

Line-interractive ИБП – более совершенная версия off-line UPS. Они оснащены более мощными фильтрами, в составе присутствует регулятор (стабилизатор) выходного напряжения, который обычно представляет собой трансформатор с дополнительными отводами, коммутирующимися за счет реле.

Благодаря стабилизатору происходит регулировка выходного напряжения ИБП в заданном диапазоне при значительных изменениях входного напряжения (к примеру: от 176 до 282 Вольт). При этом источник питания не переходит на работу от батареи. Таким образом, срок службы батарей увеличивается вплоть до 4-6 лет.

Среди преимуществ линейно-интерактивных ИБП выделяют:

• Минимальные тепловые выделения, так как источник питания функционирует в режиме прямой передачи входного напряжения на выход, после чего переходит в батарейный режим (в нем как раз осуществляется запуск инвертора, который в основном и выделяет тепло), если происходят значительные перепады питающего напряжения;
• незначительный уровень шума, что является важным фактором в случаях, когда рядом с оборудованием работают люди. Единственная ситуация, когда может возникнуть шум – запуск инвертора;
• Низкая стоимость устройства.

Главный недостаток линейно-интерактивного ИБП – наличие интервала времени переключения источника питания из нормального режима в батарейный и наоборот. В течение данного временного отрезка напряжение на выходе ИБП снижается до нуля. Обычно время переключения варьируется от 1 до 10 мс, однако в некоторых старых моделях оно может быть больше.

Чем выше значение, тем больше вероятность, что в оборудовании случится сбой в ходе такого переключения.

Важно! Off-line и Line-interactive ИБП ничего не делают с частотой выходного напряжения. Следовательно, изменение частоты входного напряжения сопровождается аналогичным изменением частоты выходного напряжения.

Стоит отметить, что инверторы в таких моделях не предполагают длительную работу (при предельной нагрузке они могут работать от 15 до 30 минут), поэтому невозможно получить большое значение времени резервной работы (к примеру, от одного часа и более) при добавлении батарей.

Из этого следует вывод, что линейно-интерактивные источники бесперебойного питания не смогут организовать максимальную (100%) защиту вашему оборудованию, несмотря на их совершенную конструкцию.

ИБП двойного преобразования

Онлайн ИБП – это источники питания, которые используют принцип двойного преобразования энергии с целью защиты оборудования. В таких моделях при нормальном режиме работы отсутствует непосредственно передача входного напряжения на выход. В данном случае оно претерпевает двойное преобразование.

Первый этап подразумевает преобразование переменного напряжения в постоянное (для этого чаще всего используется выпрямитель AC/DC), где оно аккумулируется в промежуточных емкостных накопителях. Последние подключены напрямую (или через согласующее устройство, которое называют зарядным) к АКБ.

В ходе второго этапа происходит преобразование постоянного напряжения емкостных накопителей в переменное (осуществляется этот процесс через инвертор DC/AC). Далее оно фильтруется и подается на выход ИБП.

В случае с on-line UPS инвертор функционирует на постоянной основе и вырабатывает напряжение со стабильной амплитудой и частотой. В онлайн ИБП нет времени переключения из нормального режима в батарейный, так как инвертор подключен к промежуточным емкостным накопителям, питающимся как от выпрямителя, так и от батарей. Следовательно, выходное напряжение не прерывается. На его амплитуду и частоту никак не влияют изменения напряжения в питающей электросети.

Обратите внимание, что в онлайне, когда частота входного напряжения находится в заданных предельных значениях, выходное напряжение синхронизируется по фазе с входным. Но стоит частоте входного напряжения выйти за обозначенные рамки, ИБП начинает вырабатывать переменное напряжение, которое синхронизируется с внутренним генератором синусоиды.

В режиме байпас напряжение подается с входа на выход ИБП через электронный или механический переключатель. Данный режим необходим в случае, когда проводятся профилактические работы или ремонт без отключения нагрузки. Также источник бесперебойного питания переключается в режим байпас, если возникают значительные перегрузки или аварийные ситуации внутри самого ИБП.

On-line UPS максимально защищают оборудование, так как вырабатывают стабильное непрерывное синусоидальное выходное напряжение, которое не зависит от скачков напряжения в питающей электросети. Следовательно, они надежно обезопасят любой тип оборудования: от ПК до сложных вычислительных комплексов.

Заключение

Источники бесперебойного питания (или ИБП) играют ключевую роль в обеспечении стабильного и непрерывного электроснабжения, что особенно важно в условиях частых перебоев или нестабильности электрической сети. Они не только защищают оборудование от неожиданных отключений и колебаний напряжения, но и продлевают срок его службы, обеспечивая стабильную работу.

Современные ИБП оснащены дополнительными функциями, такими как стабилизация напряжения, фильтрация помех, «холодный старт», индикация состояния системы и возможность синхронизации с ПК для удаленного мониторинга и управления. Эти возможности делают их незаменимыми в различных сферах, от домашних компьютерных систем до сложных промышленных комплексов и дата-центров.

Выбор подходящего ИБП должен основываться на анализе требований к качеству электропитания, особенностей подключаемого оборудования и условий эксплуатации. Таким образом, ИБП обеспечивает надежную защиту и стабильную работу оборудования, что в конечном итоге способствует повышению эффективности и безопасности работы различных систем.