Основные понятия и упрощенная классификация ИБП (UPS)

ИБП РЕЗЕРВНОГО ТИПА (OFF-LINE ИЛИ STANDBY)

Источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством (реле), которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей электросети, а в аварийном переводит ее на питание от инвертора и аккумуляторных батарей.

Достоинством ИБП Off-Line или Standby типа является его простота и, как следствие, невысокая стоимость.

Недостатки:

• отсутствие стабилизации напряжения и частоты, коррекции формы напряжения при работе от входящей сети (встроенный простейший бустер или AVR осуществляет грубую дискретную коррекцию входного напряжения, чтобы снизить количество переходов на работу нагрузки от батарей);
• более худшая защита нагрузки, в т.ч. случайных входных воздействий, по сравнению с on-line ИБП, т.к. нагрузка подключается непосредственно к внешней питающей сети, а в качестве фильтра может стоять только 1 варистор и 1 конденсатор;
• наличие переходных процессов при работе бустера (AVR) и переключения на работу от сети/батарей;
• ненулевое время переключения (4-6 мс) на питание от батарей;
• несинусоидальная форма напряжения (слабо напоминающая синус) при работе от батарей;
• интенсивная эксплуатация батарей в условиях частых любых неполадках в электросети;
• невозможность подключать нагрузку, для которой требуется синусоидальная форма напряжения питающей сети (при этом для отдельных потребителей это допустимо, т.к. время работы от батарей для таких ИБП штатно составляет 5-10 мин в зависимости от нагрузки, и соответственно за такое время каких-либо значительных последствий может не наступить (перегрев 50 Гц трансформатора и т.п.)).

С точки зрения классификация ИБП Off-Line или Standby по стандарту IEC 62040-3 относятся к типу VFD (Voltage and Frequency Dependent) - выходное напряжение и частота на выходе ИБП ЗАВИСЯТ от входной сети.

ИБП резервного типа, как правило, имеют небольшую мощность (до 1 кВА) и применяются для обеспечения гарантированного электропитания персональных компьютеров (данная нагрузка не требовательна к форме входного напряжения и допускает значительные колебания напряжения) или другого оборудования, не требующего синусоидальной формы напряжения питания в регионах с хорошим качеством электрической сети. Также, Off-line ИБП имеют функцию отключения нагрузки, которая составляет менее 10-15% от мощности ИБП через некоторый интервал времени. Поэтому питание модемов, сигнализации и другой нагрузки с малым потреблением без дополнительной мощной нагрузки от таких ИБП невозможно. Многие ИБП Off-Line или Standby не имеют принудительного охлаждения (вентиляторов). Это является положительным моментом, т.к. ИБП обладает низким уровнем шума (менее 35 дБА). С другой стороны, вследствие повышенной температуры внутри изделия (до 30-35 С и выше) при работе зарядного устройства или инвертора в сочетании с невысокими параметрами зарядного устройства и предельными режимами работы батареи (большие токи разряда) срок службы батарей может сократиться до 2-2,5 лет. На фоне того, что замена батарей для некоторых ИБП требует визита в сервис, а стоимость батарей значительно выросла (из-за роста цен на свинец) малый срок службы батарей можно отнести к недостатку.

ЛИНЕЙНО-ИНТЕРАКТИВНЫЙ (LINE-INTERACTIVE) ИБП

Источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством (реле), дополненной стабилизатором с более широким диапазоном входного напряжения (бустером или AVR) на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками.

Основное преимущество линейно-интерактивного ИБП по сравнению с источником Off-Line или Standby заключается в следующем:

• ИБП данного типа способны обеспечить нормальное питание нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети (наиболее распространенный вид неполадок в отечественных линиях электроснабжения) без перехода в режим питания нагрузки от батарей;
• при работе от батарей в нагрузку выдается приближенное к синусоидальной или синусоидальное напряжение, что позволяет подключать практически любую нагрузку;
• в некоторых моделях используются более качественные фильтры помех, присутствует цепь байпас (прямое соединение нагрузки и входной сети при перегрузке или неполадках ИБП);
• улучшенные параметры зарядных устройств, определение времени работы от батарей, возможность подключения внешних батарей;
• более продвинутые возможности по локальному и удаленному мониторингу состояния ИБП и его отдельных компонентов, настройке режимов работы;
• многие производители выпускают ИБП данного типа как в обычном башенном или настольном исполнении, так и для установки в 19” стойки и шкафы.

Недостатки:

• отсутствие стабилизации частоты, коррекции формы напряжения и некоторая зависимость выходного напряжения от входного, при работе от входящей сети;
• более худшая защита нагрузки в т.ч. случайных входных воздействий по сравнению с on-line ИБП, т.к. нагрузка подключается непосредственно к внешней питающей сети;
• наличие переходных процессов при работе бустера (AVR) и переключения на работу от сети/батарей;
• ненулевое время переключения (2-4 мс) на питание от батарей;
• в отдельных моделях приближенная к синусоидальной форма напряжения при работе от батарей

С точки зрения классификации линейно-интерактивные ИБП по стандарту IEC 62040-3 относятся к типу VI (Voltage Independent) – выход ИБП зависит от частоты входа, но напряжение поддерживается в заданных пределах пассивным или активным регулированием.

Обычно, для охлаждения инвертора и зарядного устройства используется активная система охлаждения (вентилятор). В зависимости от модели линейно-интерактивного ИБП скорость вращения вентилятора(ов) может меняться или быть постоянной. По эффективности линейно-интерактивные ИБП занимают промежуточное положение между простыми и относительно дешевыми резервными источниками (Off-line) и высокоэффективными, но дорогостоящими ИБП с двойным преобразованием энергии (On-line). Как правило, линейно-интерактивные ИБП применяют для обеспечения гарантированного питания персональных компьютеров, рабочих станций, файловых серверов, узлов локальных вычислительных сетей, офисного оборудования и иногда телекоммуникационного оборудования.

ИБП С ДВОЙНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ (ON-LINE)

Источник бесперебойного питания, в котором поступающее на вход переменное сетевое напряжение сначала преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем с помощью инвертора снова в переменное. Аккумуляторная батарея постоянно подключена к выходу выпрямителя и входу инвертора и питает последний, когда напряжение во входной сети отсутствует или параметры сети отличаются от нормальных. Такая схема построения ИБП позволяет обеспечить практически идеальное питание нагрузки при любых неполадках в сети (включая фильтрацию высоковольтных импульсов) и характеризуется нулевым временем переключения на питание от батарей без возникновения переходных процессов на выходе устройства.

ИБП on-line, как правило, корректно работают с батареями (имеют возможность подключения внешних батарей), обладают широкими возможностями по мониторингу и управлению, имеют статический байпас, выпускают как в обычном башенном или настольном исполнении, так и для установки в 19” стойки и шкафы.

В изделиях данного типа, как правило, используется активная система охлаждения в виде постоянно работающего вентилятора(ов) в зависимости от величины нагрузки и температуры. Это связано с тем, что при работе ИБП всегда происходит одно или два преобразования. Некоторые ИБП on-line могут работать параллельно. При этом можно получить большую мощность или получить резервирование N+1 и т.п.

В ИБП on-line используется несколько типов реализации двойного преобразования:

Классическое двойное преобразование, когда выпрямитель после первого преобразования формирует шину постоянного тока с низким уровнем пульсаций и помех, к которой подключены батареи и инвертор. Достоинства – высокая степень защиты нагрузки практически от любых помех, долгий срок службы батарей. Недостатки – невысокий КПД порядка 85-90% (у лучших ИБП большой мощности до 93-94%), сложность реализации и как следствие, высокая стоимость. Некоторые ИБП вызывают гармоничесие искажения тока во входной электричесокй сети. В настоящее время данная технология двойного преобразования усовершенствована с точки зрения качественных характеристик и снижения потерь. В частности существуют ИБП с IGBT-выпрямителями, позволяющие снизить коэффициент нелинейных искажений на входе ниже 4% и обеспечить синусоидальную форму тока потребления.

Наиболее распространенным является применение в ИБП on-line дельта-преобразования, которое позволяет значительно упростить конструкцию, снизить себестоимость, получить КПД до 93-96%. Столь высокий КПД обеспечиваются при отсутствии отклонений и искажений напряжения в питающей сети, а также, если нагрузка ИБП близка к номинальной и является линейной. К недостаткам можно отнести потенциально меньшую степень защиты нагрузки по сравнению с использованием классического двойного преобразования. Также на практике для нелинейной нагрузки значения КПД могут приближаться к показателям ИБП с классическим двойным преобразование (82-90%). Однако при широком внедрении импульсных блоков питания с коррекцией коэффициента мощности нагрузка приобретает преимущественно активный характер, и тем самым создаются условия для проявления высоких энергетических характеристик. Другим достоинством ИБП с дельта-преобразованием является высокий коэффициент мощности самого устройства, близкий к 1, а также возможность выдерживать значительные перегрузки. Надо заметить, что в настоящее время эти технологии двойного преобразования достаточно усовершенствованы и почти все недостатки сведены к минимуму.

По реализации ИБП on-line делятся на трансформаторные и бестрансформаторные, использующие тиристорный или IGBT-выпрямитель. Рассмотрение или выбор ИБП по этим критериям не укладывается в рамки данного обзора.

ИБП on-line как изделия в целом или как отдельные модули ИБП могут работать параллельно образуя конфигурации необходимой мощности или получая резервирование N+1, N+2 и т.д. Существует 2 подхода к модульности и резервированию:

• на уровне модулей ИБП, как например в ИБП серии Symmetra компании АРС;
• на уровне изделий в целом, например по технологии Резервируемой Параллельной Архитектуры (Redundant Parallel Architecture™ или RPA™) компании General Electric, позволяющей наращивать мощность и осуществлять резервирование системы за счет установки дополнительных блоков ИБП.

ИБП on-line выпускаются мощностью от 500-700 ВА до сотен кВА и даже единиц мВА, с временем автономной работы от нескольких минут до нескольких часов и даже суток.

С точки зрения классификации линейно-интерактивные ИБП по стандарту IEC 62040-3 относятся к типу VFI (Voltage and Frequency Independent) – выходное напряжение и частота на выходе ИБП НЕ ЗАВИСЯТ от входной сети

ИБП типа On-line применяют в тех случаях, когда по тем или иным причинам предъявляются повышенные требования к качеству электропитания нагрузки, надежности и резервирования каковой могут быть узлы локальных вычислительных сетей (сетевое оборудование, файловые серверы, рабочие станции, персональные компьютеры), оборудование вычислительных залов, центры обработки данных (ЦОД), системы управления технологическим процессом и технологическим оборудованием.

ВЫБОР ИБП: ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

При выборе типа и модели ИБП для той или иной нагрузки нужно руководствоваться следующими основными критериями:

• мощность нагрузки (обычно указывается в ВА или Вт);
• характер нагрузки (компьютер, принтер и т.п.);
• стоимость или бюджет покупки;
• время работы от батарей и те проблемы, которые надо решить (пропадание напряжения в сети, нестабильное напряжение, помехи и т.п.);
• требования к качеству и надежности ИБП;
• конструктивное исполнение (обычное и/или в 19” шкаф) и уровень шума (система вентиляции, наличие зависимости работы вентиляторов от температуры и нагрузки);
• возможность добавления внешних батарей;
• наличие (USB, RS232) или добавление сигнальных интерфейсов (SNMP-карта, релейный интерфейс или сухие контакты и т.п.), возможность использовать специализированное ПО;
• возможность резервирования N+1 и/или работа с генераторными установками;
• выбор изделия по отдельным параметрам (входной/выходной коэффициент мощности, КПД и т.д.) или эксплуатационным характеристикам.

ИБП мощностью 350-600 ВА подойдут для использования с офисным компьютером и LCD-монитором. Мощность ИБП в 700-1000 ВА как правило будет достаточна для домашнего игрового компьютера с монитором, включая отдельные периферийные устройства. Такая нагрузка как лазерный принтер как правило требует ИБП мощностью от 1200-1500 ВА. При этом обычно принтеры не являются теми критичными приложениями для которых требуется бесперебойное электроритание.