Типы источников бесперебойного
питания
Введение
В классификации
источников бесперебойного питания (ИБП) иногда существует путаница. Прояснить
вопрос можно, ознакомившись со структурными схемами их построения, которые
приведены ниже. Эти схемы содержат основные узлы, из которых состоит
устройство, и отображают их взаимодействие. Также дается краткое объяснение
принципа работы каждого типа ИБП.
Типы ИБП
По способу реализации ИБП своих функций их можно разделить на следующие
классы:
- Standby (ИБП с
переключением, по-английски иногда называется Off - Line UPS )
- Line Interactive (ИБП,
взаимодействующий с сетью)
- Standby -
Ferro (Феррорезонансный ИБП, по-английски иногда пишется
Ferroresonant UPS )
- Double Conversion (ИБП с двойным
преобразованием) энергии, еще такая схема традиционно называется схемой
On-line
- Delta
Conversion (ИБП с дельта-преобразованием, эти ИБП также как ИБП с
двойным преобразованием причисляется к классу он лайн.
Standby UPS (ИБП с переключением)
Наиболее
популярный тип ИБП для питания персональных компьютеров. На рис. 1
переключатель нагрузки на выходе в нормальном режиме (питание от сети) передает
отфильтрованное сетевое напряжение на выход ИБП. При отсутствии сетевого
напряжения, а также когда блок анализа напряжения сочтет сетевое напряжение
"неправильным" (этот критерий, разный для разных моделей ИБП), ИБП
переключается на режим работы от батареи. При этом переключатель нагрузки
подключает к выходу цепь батарея-инвертор.
В этой схеме инвертор
включается в работу только в том случае, когда напряжение в сети пропадает или
становится недостаточным. Остальное время инвертор находится в режиме
'ожидания', поэтому эта схема и называется в англоязычной терминологии
' standby '.
Схема анализа сети находится в работе постоянно и,
если напряжение сети становится нормальным, переключает ИБП обратно в основной
режим работы от сети.
Преимущества такой схемы построения ИБП:
компактность, малая стоимость. При хорошей схемной реализации ограничителя
перенапряжения и фильтра такие ИБП адекватно действуют как ограничители шумов и
выбросов напряжения.
Рис 1 StandbyUPS (ИБП с
переключением) | На рис.1:
ограничитель
перенапряжения (устройство для подавления импульсных сетевых наводок)
сетевой фильтр (устройство подавления шумов)
переключатель нагрузки
выпрямитель
батарея
инвертор |
Line Interactive (ИБП, взаимодействующий с
сетью)
ИБП, взаимодействующий с сетью чаще всего позиционируется как
наиболее подходящий для защиты по питанию серверов. В этой схеме инвертор
всегда соединен с выходом. В нормальном режиме (питание от сети) переключатель
'закрыт', и инвертор, питаясь от сети, обеспечивает зарядку батареи.
При отсутствии сетевого напряжения или его ненадлежащем качестве переключатель
'открывается' и инвертор переключается в режим преобразования
постоянного напряжения батареи в переменное напряжение для питания нагрузки.
Особенность данной схемы - постоянно подключенный к выходу инвертор, что
дает дополнительную фильтрацию сетевых помех и более плавное переключение на
батареи по сравнению с ИБП с переключением.
Кроме того, ИБП,
взаимодействующий с сетью, обычно содержит в своей схеме регулирующий
трансформатор с несколькими отводами. Это добавляет свойства поддержки
выходного напряжения, наиболее близкого к желаемому, путем переключения отводов
трансформатора. Это важное свойство при хроническом повышенном и особенно
пониженном или напряжении сети. В противном случае ИБП слишком часто
переключался бы на батареи.
Инвертор в таких ИБП часто выполняется таким
образом, что при его отказе выход остается подключенным через трансформатор с
отводами ко входу. Это повышает общую надежность.
Достоинства этой
схемы: компактность, малая стоимость при высокой эффективности работы и
способности корректировать выходное напряжение в требуемых пределах без
переключения на батареи.
Этот тип доминирует среди ИБП мощностью 0,5-5
кВА.
Рис 2 - Line Interactive (ИБП, взаимодействующий с
сетью) | На рис.2:
переключатель нагрузки
инвертор
батарея
Ограничитель перенапряжения и фильтр не
показаны для простоты, но всегда присутствуют на входе этого типа
ИБП. |
Standby - Ferro UPS
(Феррорезонансный ИБП)
Феррорезонансные ИБП были одно время
доминирующими в диапазоне мощностей 3-15 кВА. Схема ИБП такого типа базируется
на специальном трансформаторе, имеющим три обмотки и работающем в режиме
насыщения.
Основной поток мощности в режиме работы от сети идет через
переключатель нагрузки на ферротрансформатор и далее на выход ИБП. При
отсутствии сетевого напряжения или его ненадлежащем качестве переключатель
'открывается' и начинает работать инвертор, преобразующий постоянное
напряжение батареи в переменное напряжение для питания нагрузки.
Особенность данной конструкции - трансформатор специального типа, имеющий в
определенных пределах свойства стабилизации напряжения и 'сглаживания'
синусоиды.
Достоинства:
В силу своих принципиальных свойств
трансформатор дает развязку от питающей сети и подавляет импульсы и шумы также,
как хорошо сконструированный фильтр, а иногда и лучше. Из-за накопления энергии
в магнитном поле трансформатора выходное напряжение феррорезонансного ИБП не
имеет разрыва в момент исчезновения напряжения в электрической сети. (Однако
это все-таки не on-line ИБП, так как инвертор работает здесь в ждущем режиме).
Данная схема достаточно надежна.
Недостатки:
Ферротрансформатор
сам создает специфические искажения синусоидальности выходного напряжения,
которые для некоторых условий могут оказаться даже менее приемлемыми, чем
просто помехи из сети. Другие недостатки - заметный нагрев, опять же в силу
свойств ферротрансформатора, который к тому же больше по размерам сравнимого по
мощности обычного. Основной же недостаток - нестабильность в работе с
нагрузками, имеющими современные блоки питания с корректировкой коэффициента
мощности. И это основная причина, по которой такие ИБП сходят со сцены.
Рис 3 - Standby-Ferro UPS (Феррорезонансный ИБП)
| На рис.3:
переключатель нагрузки
ферротрансформатор
выпрямитель
инвертор
батарея |
Double Conversion
(ИБП с двойным преобразованием)
Это самая распространенная схема для
ИБП мощностью 10 кВА и выше. Принцип построения такого источника (рис 4)
практически такой же, как у ИБП с переключением. Различие в том, что в основном
режиме при работе от сети вся мощность, потребляемая нагрузкой, проходит через
выпрямитель и питает постоянно включенный инвертор. Инвертор преобразует
постоянное напряжение в переменное, которым и питается потребитель.
Рис 4 - Double Conversion UPS (ИБП с двойным
преобразованием ) | На рис.4:
переключатель нагрузки
выпрямитель
инвертор
батарея |
В этой схеме пропадание сетевого напряжения не приводит к активации
никаких переключателей нагрузки, поскольку инвертор работает постоянно.
Следовательно, переход в режим работы от батареи происходит практически
мгновенно и без каких-либо переходных процессов.
Поскольку цепь
выпрямитель - инвертор работает постоянно и всегда под полной нагрузкой, такой
ИБП имеет сравнительно невысокий КПД и заметно выделяет тепло при работе, это
обстоятельство снижает и надежность. Другой недостаток в том, что мощный
инвертор сам является нелинейной нагрузкой для сети, отсюда потребляемый им ток
отличается от синусоиды, а это в свою очередь может приводить к помехам
различного рода в электросети здания.
Но ИБП с двойным преобразованием
обладает одним неоспоримым достоинством - практически идеальное синусоидальное
напряжение на выходе, свободное от помех и гармонических искажений.
Delta Conversion (ИБП с дельта-преобразованием)
Эта схема достаточно новая . ИБП с дельта-преобразованием вышли на рынок в
середине 90-х годов 20 века. Основной смысл технологии дельта-преобразования -
сохранить принцип двойного преобразования энергии со всеми его достоинствами и
одновременно избавиться от недостатков, причем реализовать это в диапазоне
мощностей от 5 кВА до 1,6 МВА.
Как и в ИБП с двойным преобразованием,
инвертор здесь работает постоянно. Однако в схеме присутствует так называемый
дельта-конвертор, питающий основной инвертор. При отсутствии питающей сети или
иных сбоях питания ИБП с дельта-преобразованием ведет себя также как и ИБП с
двойным преобразованием.
Рис 5 - Delta Conversion UPS (ИБП с
дельта-преобразованием) | На рис.5:
переключатель нагрузки
дельта-трансформатор
дельта-конвертор
основной инвертор
батарея |
Дельта-конвертор служит для двух
целей. Во-первых, он отслеживает параметры входного напряжения и за счет
специальной петли обратной связи восстанавливает его уровень и форму, а также
фазовый сдвиг между током и напряжением. Этот процесс носит плавный, а не
ступенчатый, как в линейно-интерактивных устройствах, характер и,
следовательно, обеспечивает более стабильное питание нагрузки. Это в целом
приводит к уменьшению тепловыделения и повышению КПД. Во-вторых,
дельта-конвертор контролирует ток зарядки батареи.
ИБП с
дельта-преобразованием обладают такими же выходными характеристиками, как ИБП с
двойным преобразованием. Но входные характеристики отличаются в лучшую сторону,
поскольку это схемное решение обеспечивает динамическую корректировку
коэффициента мощности. Это облегчает стыковку с генераторными установками,
поскольку при прочих равных условиях ИБП с дельта-преобразованием требуют
меньшей мощности генератора. В результате и вся подводящая проводка может быть
рассчитана на меньшие значения силы тока.
В настоящее время технология
дельта-преобразования защищена патентами.
Недостаток этой реализации ИБП
следующий: высокий КПД и хорошие входные характеристики достигаются при вполне
определенных условиях - когда параметры сети соответствуют номинальным
значениям, входной импеданс нагрузки имеет только активную составляющую, а сам
ИБП нагружен на полную мощность. В противном случае ИБП с
дельта-преобразованием могут даже проигрывать системам.
Следует также
отметить, что ИБП с дельта-преобразованием отличаются более высокой сложностью
по сравнению с системами типа с двойным преобразованием.
Заключение
Каждый тип ИБП имеет наиболее
подходящую область применения, и не существует такого устройства, которое было
бы наилучшим в любой ситуации. Кроме того, помимо схемотехнических различий
потребителю следует обращать внимание и на общий уровень качества изделия и его
способность к обслуживанию. Эти факторы также имеют свой вес для принятия
решения о закупке того или иного ИБП.
Следующая таблица сводит воедино
основные характеристики ИБП разных типов.
| Практический диапазон
мощностей (кВА) | Способность
регулирования и фильтрации напряжения | Стоимость на единицу мощности | КПД | Постоянная работа инвертора | | ИБП с переключением
| 0 - 0,5 | низкая | низкая | Очень высокий | нет
| | ИБП,
взаимодействующий с сетью | 0,5 - 5 | Зависит от реализации | средняя | Очень высокий | Зависит от реализации | | Феррорезонансный ИБП
| 3 - 15 | высокая | высокая | Низкий/ средний | нет
| | ИБП с
двойным преобразованием | 5 - 5000 | высокая | средняя
| Низкий/ средний | да | | ИБП с дельта-преобразованием | 5 -
5000 | высокая | средняя | высокий | да |
|
|
