Типы источников бесперебойного питания (ИБП)
ИБП делятся на три основных класса: Off-line (или stand-by), Line-interactive и On-line. Эти устройства имеют различные конструкции и характеристики и соответственно различное применение.
ИБП делятся на три основных класса: Off-line (или stand-by), Line-interactive и On-line. Эти устройства имеют различные конструкции и характеристики и соответственно различное применение.
Термины
Входное напряжение, вход – напряжение в электрической сети, розетка. Напряжение в эклектической сети подвержено различным скачкам, перепадам и пропаданием напряжения. Нагрузка, потребитель – устройство, которое питается от источника бесперебойного питания. Фильтр – часть схемы, блок, который сглаживает скачки и перепады напряжения электрического тока. Инвертор – блок ИБП, который преобразует постоянное напряжение в переменное или наоборот. Необходимость данного блока состоит в том, что аккумуляторные батареи заряжаются и выдают только постоянный ток, а нагрузка питается от переменного тока в 50 Гц. АКБ, аккумулятор, батарея – как правило, свинцово-кислотная аккумуляторная батарея или блок из нескольких батарей.
ИБП класса Off-line (Standby, back ups)
При работе в нормальном режиме нагрузка питается входным напряжением, отфильтрованным от помех EMI/RFI Noise фильтром на входе. Батареи заряжаются от входного напряжения схемой зарядки. Если входное напряжение пропадает, то ИБП переходит в режим работы от АКБ, включается инвертор, который в нормальном режиме находится в отключенном состоянии. Инвертор преобразует постоянное напряжение батарей в переменное и подает питание на нагрузку. Достаточно часто, ради удешевления конструкции в ИБП этого класса ставят инверторы прямоугольных сигналов, что дает на выходе напряжение далеко не синусоидальной формы.
Применение
Для защиты домашних ПК и офисного компьютерного оборудования от кратковременного отключения электричества.
ИБП класса Line-interactive (Линейно-интерактивные, Smart-UPS)
Линейно-интерактивный ИБП – это источник бесперебойного питания, выполненный по схеме Off-Line и дополненной автоматическим регулятором напряжения (AVR) на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками (ступенчатым стабилизатором). Основное преимущество этого типа ИБП по сравнению с предыдущим заключается в том, что он способен обеспечить нормальное питание нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети без перехода в режим питания от АКБ. В итоге продлевается срок службы аккумуляторных батарей.
В ИБП данного типа применяется инверторы двух типов: с аппроксимированной синусоидой (НЧ ШИМ) и полностью синусоидальным (ВЧ ШИМ) выходным напряжением. Первые могут применяться для защиты устройств с импульсными источниками питания, включая компьютерное оборудование. Вторые подходят для защиты устройств, чувствительных к форме входного напряжения – электромоторов, насосов, газовых котлов.
Применение
Для защиты компьютеров, сетевого, телекоммуникационного и другого оборудования.
ИБП класса On-Line (С двойным преобразованием, Smart-UPS Online)
Поступающее на вход On-Line ИБП переменное напряжение преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем с помощью инвертора снова в переменное. Поскольку аккумуляторные батареи всегда подключены к инвертору, нет необходимости в переключении с внешней сети на АКБ, время переключения всегда равна нулю. Схема On-Line обеспечивает идеальное выходное напряжение при любых неполадках в электросети.
К недостаткам схемы On-Line относятся ее сравнительная сложность и более высокая стоимость. За счет двойного преобразования, On-Line ИБП страдают невысоким КПД и требуют дополнительного охлаждения.
Применение
Серверы, рабочие станции, центры обработки данных, прочее вычислительное и телекоммуникационное оборудование, требующее качественное электропитание.
Инверторные системы
Критически важные приборы требуют использования инверторов и источников бесперебойного питания (ИБП). Среди потребителей, которые особенно нуждаются в ИБП, выделяют системы автономного и аварийного элктроснабжения критически важных приборов. Инвертор называют по-разному, среди названий активно используется UPS или УПС, а также бесперебойник. Последнее название является причиной серьезной неразберихи. Сначала необходимо разобраться, какие задачи выполняет бесперебойник, а какие преобразователь.
Бесперебойники необходимы для поддержания работоспособности критически важных потребителей в независимости от наличия электроэнергии. Если нет, к работе подключаются батареи. В английском варианте подобный прибор называется Uninterruptable power supply (UPS). Вы можете часто слышать такое название, как УПС или бесперебойник. Если говорить о преобразователях, то они просто превращают постоянный ток от в переменный, однако питать аккумулятор не могут. Такие устройства проще в работе и дешевле.
- Off-Line. Такие бесперебойники в стандартном режиме работы просто соединяют потребителя с сетью. В случае выхода сети за обозначенные пределы напряжения или пропадания нагрузки, подключается к питанию от аккумулятора.
- Линейно-интерактивный — принцип работы схож с бесперебойником типа Off-Line, но на входе имеется дополнительный ступенчатый стабилизатор напряжения.
- Оnline (УПС двойного преобразования) — принцип работы, как и у двойного преобразования. Входной переменный ток сначала преобразуется в постоянный, потом обратно в переменный при помощи инвертора. Если входное напряжение пропадает, аккумулятору не приходится переключать нагрузку на питание, поскольку те постоянно включены в цепь.
Как устроен и работает ИБП
Если говорить о принципе работы инверторного источника бесперебойного питания, то его можно описать следующим образом: когда от сети подается энергия, аккумулятор внутри устройства поддерживается в заряженном состоянии и находится в буферном режиме, поскольку подключен к цепи питания выходного инвертора. Входное напряжение от сети, к примеру 220 В, превращается в низкое постоянное напряжение, допустим, 24 В, затем идет подключенный аккумулятор, поддерживаемый в заряженном режиме.
Далее следует инвертор, повышающий низкое напряжение аккумулятора снова до 220 вольт, затем он преобразует его в переменное напряжение с помощью транзисторного каскада. В некоторых случаях предусмотрен режим «байпас», с помощью которого питание выходного каскада инвертора производится выпрямленным и отфильтрованным напряжением сети, аккумулятор при этом не используется совсем, однако на него можно переключиться практически мгновенно, поскольку предусмотрена система интерактивного переключения.
Плюсы и минусы ИБП с двойным преобразованием и резервным режимом работы
Основными достоинствами ИБП с двойным преобразованием можно назвать высокую скорость перехода к питанию от аккумулятора, синусоидальную форму выходного сигнала, а также допустимость регулирования параметров выхода в силу качественно выполненного встроенного стабилизатора. Среди недостатков отмечается низкий КПД – 80-95%, а также непрерывный шум вентилятора во время работы. Тем не менее, только ИБП с двойным преобразованием может наиболее надежно и качественно снабжать любую нагрузку, в том числе синхронные двигатели и другие системы, где важна исключительная форма тока, так как такая система выдает чистый синус.
К положительным чертам ИБП с резервным режимом работы относят низкую стоимость, широкую доступность, а также высокий КПД за счет бесперебойного питания от сети, когда там находится стандартное напряжение. К недостаткам можно отнести низкую скорость переключения на питание от аккумулятора, а также несинусоидальную форму выходного сигнала. Такой режим ИБП везде применяется для резервного питания домашних компьютеров и бытовой техники, где на входе установлен встроенный импульсный преобразователь.
Инверторные ИБП: конструкция и принцип работы
Неожиданная приостановка централизованного электроснабжения или резкие скачки напряжения в сети всегда приносят массу проблем как владельцам частных домов, так и администрации общественных учреждений и производственных комплексов. Речь не о тех неудобствах, когда нельзя посмотреть фильм по кабельному ТВ, погладить белье или пропылесосить ковер сию же секунду. Дело даже не в том, что мясо в холодильнике подтает. Хотя это все и неприятно, но оно не имеет серьезных последствий.
Почему так важно иметь инверторный ИБП?
Суть проблемы отключения электроэнергии в том, что большинство современных жилых и нежилых помещений очень сильно энергозависимы. Если напряжение в сети нестабильно — срок эксплуатации любых электроприборов снижается в разы. Если нет электричества:
- насосы не качают по системе отопления теплоноситель;
- не работает электронный блок управления отопительных приборов;
- не греет кабельный или инфракрасный теплый пол;
- не работает система антиобледенения, например, труб водоснабжения;
- вода из крана тоже не течет, если туда она подается насосной станцией из скважины;
- жизнь в любом офисе замирает;
- производственные линии останавливаются.
Понятно, что и без отопления, и без подачи воды несколько часов можно обойтись, так что кратковременные аварийные или плановые отключения централизованного электроснабжения не катастрофичны, но что касается систем отопления,лучше все-таки, чтобы у вас был ИБП для котельной. А для компьютеров, особенно серверных, да и другого цифрового оборудования прекращение подачи питания даже на несколько минут или скачки напряжения могут означать сбой всех настроек системы, выход техники со строя и даже возникновение пожароопасных ситуаций.
Именно по этим причинам источники бесперебойного питания жизненно необходимы в любом современном доме, организации, на производстве. Даже если у вас есть генераторы питания, при неожиданном отключении электричества вам нужно некоторое время, чтобы их запустить. То есть, перебой в питании оборудования и блоков управления все равно неизбежен без качественного ИБП.
Как устроен инверторный источник бесперебойного питания?
Инверторный ИБП является самым надежным и качественным устройством, так как только этот тип бесперебойников обеспечивает непрерывную подачу гладкой синусоиды и стабильность напряжения в любой ситуации.
Конструктивно инверторный ИБП состоит из нескольких блоков:
- стабилизатора напряжения, нивелирующего скачки в сети;
- инвертора, преобразовывающего постоянный ток в переменный с гладкой синусоидой;
- зарядного устройства, обеспечивающего восстановление заряда батареи после периода функционирования устройства в автономном режиме.
Батарея может поставляться вместе с ИБП или приобретаться отдельно. Более современные модели имеют встроенный дисплей, на котором отображается вся необходимая для пользователя информация.
Принцип работы инверторного ИБП
Существует два вида таких источников питания, отличающихся между собой режимами работы:
- резервный;
- двойного преобразования.
Принцип работы первого вида устройства предусматривает при наличии напряжения в сети его непосредственную стабилизацию. И только когда сеть не обеспечивает подачи питания в заданном диапазоне, бесперебойник переходит в режим работы от батареи, в котором он может находиться в среднем несколько часов (этот показатель зависит от емкости элементов питания). Переключение с одного источника питания на другой (сеть-аккумулятор) в разных моделях занимает разное количество секунд.
Источники питания, работающие в режиме двойного преобразования, всегда сначала преобразовывают переменный ток сети в постоянный и подают его на аккумулятор, который таким образом поддерживается в заряженном состоянии. Далее инвертор повышает напряжение с 12 или 24 Вольт до 220, преобразовывая его в переменный с формой синусоиды, как в обычной сети электроснабжения.
Встречаются модели ИБП, работающие в режиме двойного преобразования, но в которых возможно выключение аккумулятора из цепи, если в сети есть напряжение. Таким образом экономится ресурс аккумулятора для бесперебойника.
ИБП On-line VS Инвертор – что лучше для бесперебойного питания дома
В процессе изучения темы у вас непременно возникнет вопрос: какое решение – на базе инвертора* или ИБП On-line выбрать? Мы постараемся внести ясность в этот вопрос и упростить ваш выбор. Итак, ниже сравнительный анализ.
Раунд I. Качество выходного сигнала
ИБП On-line типа благодаря двойному преобразованию при любом сигнале на входе выдает на выходе идеальную синусоиду, которая сохраняется не зависимо от степени загрузки ИБП. К форме сигнала чувствительна индуктивная нагрузка и сложная электроника (насосы и другие электродвигатели, hi-end аппаратура и т.п.).
Инвертор, если у вас есть напряжение, будет его транслировать на потребителей не исправляя входящий сигнал. В режиме работы от АКБ инвертор допускает существенно более широкий диапазон отклонений (КНИ) по форме синусоиды.
Счет 1:0 в пользу On-line.
Синусоида после On-line ИБП
Раунд II. Стабилизация напряжения
ИБП – это лучший стабилизатор, который только можно себе представить. Чтобы не происходило на входе – на выходе всегда 220В, в отличие электронных или релейных стабилизаторов, которые регулируют напряжение ступенчато. Диапазон стабилизации тоже впечатляющий – как правило в пределах от 110В до 290В.
Инвертор функции стабилизации как правило лишен вовсе. Однако, есть производители, которые встраивают в инвертор стабилизатор, например, Cyberpower, делая из инвертора источник типа line-interactive, но оставляя ему название “инвертор”. Встроенный стабилизатор как правило не отличается высокими характеристиками: точность и скорость стабилизации посредственны.
Счет 2:0 в пользу On-line.
Раунд III. Работа с аккумуляторами
1) Количество АКБ, подключаемое к ИБП определяется его мощностью:
- до 800 Вт: 2-3 шт.
- 1800 Вт: 4 шт
- 2700 Вт: 6-8 шт
- от 5400 Вт до : 12-16 шт.
К моделям с трехфазным входом и выходом может подключаться от 32 АКБ и более.
А что же с инверторами?
- При мощности 1-3 кВт: 2 или 4шт.
- От 3-х кВт мы рекомендуем минимум 4 аккумулятора.
Таким образом, в этом вопросе инверторы имеют преимущества, так как требуемой автономии можно добиться при помощи аккумуляторов большой ёмкости, т.е., например, совокупную емкость в 800Ач можно сформировать при помощи . Более того, обычной практикой является параллельно-последовательное подключение АКБ для увеличения времени автономии, т.е. при такой схеме можно подключить 4, 8, 12, 16 аккумуляторов.
2) Зарядный ток
Сила тока зарядного устройства определяет на сколько быстро смогут зарядиться АКБ при восстановлении питания. Как правило, классическое время заряда AGM и GEL аккумуляторов составляет 10 часов. Инверторы имеют высокие токи, что позволяет корректно и быстро зарядить даже большие аккумуляторные банки. Мощность зарядного устройства ИБП как правило меньше и время на заряд аккумуляторов большой емкости может уйти более 10 часов.
16 АКБ на стеллажах для ИБП On-line
Раунд IV. Долговечность аккумуляторов
Как показывает практика, аккумуляторы дольше живут при использовании с ИБП On-line типа, которые имеют многоступенчатый интеллектуальный режим заряда.
Раунд V. Время переключения на АКБ
ИБП on-line типа переключаются на АКБ моментально, т.е.за 0 сек. Ни потребители, ни вы не заметите, что пропало центральное питание. Только писк ИБП вам сообщит о проблемах с электроснабжением. Это свойство делает ИБП незаменимым для оборудования, которое очень критично к качеству и стабильности питания.
Время переключения инвертора с работы от сети на АКБ – 10-20мс, лампочки освещения моргнут, но современные ПК в перезагрузку уйти не успеют. Некоторые модели газовых котлов такой перебой в питании могут воспринять как ошибку сети. Совместимость следует уточнить у наших специалистов.
Раунд VI. Работа с генератором и солнечными батареями
ИБП весьма требовательны к качеству питания, при отклонениях входящей частоты от 50Гц на 2-4% они могут воспринять как аварийную ситуацию и уйти в режим питания нагрузки от АКБ. Ввиду этого, ИБП корректно работают только с качественными генераторами, оснащенными электронным управлением частотой. Инверторы существенно менее требовательны и дружат даже с самыми бюджетными генераторами.
Автоматизация генераторов в связке с инверторами имеет широкую практику: при разряде АКБ близким к критичному инвертор может послать сигнал на запуск генератора и остановить его, когда аккумуляторы зарядились до установленного уровня. Такая схема удобная при автономной работе или при очень длительных отключения электроэнергии. Автоматизация ИБП и генераторов возможна, но существенно сложнее и дороже.
ИБП не умеют работать с солнечными панелями, а инверторы умеют и имеют массу возможностей для этого.
Счет 4:2, плюс очко инверторам.
Блок автоматизации генератора
Раунд VII. Эксплуатация и уровень шума
В силу постоянного двойного преобразования ИБП нуждается в охлаждении, следовательно, присутствует постоянный шум от вентиляторов, в следствии чего источник следует устанавливать в нежилом помещении. Инверторы включают вентиляторы к нагрузкам близким к максимальной, а также при заряде аккумуляторов на максимальном токе. Также инверторы менее требовательны к температуре и уровню загрязненности помещения. Существуют модели для эксплуатации в условиях тряски и высокой влажности.
Раунд VIII. Способность к перегрузкам
ИБП очень чувствительны к перегрузкам и при расчете нагрузки следует учитывать этот факт. Максимальная глубина перегрузки – около 125%, потом ИБП уйдет в режим байпаса, т.е. начнет питать нагрузку в обход своей схемы. При многократных перегрузках ИБП может прийти в негодность.
Инверторы, как правило, имеют двукратную способность к перегрузкам в течение 5-10сек от своей номинальной мощности и спокойно переносят пусковые токи индуктивной нагрузки.
Раунд IX. Надежность
Наш опыт показывает, что уровень надежности ИБП и инвертора приблизительно одинаковый, если сравнивать модели одного ценового сегмента. Тут ничья.
Инвертор МАП Энергия и Delta DTM 12 200l
Раунд X. Стоимость
Стоимость решения на базе инверторов и ИБП могут сильно разниться в зависимости от мощности и времени автономии: может быть выгоднее ИБП, а может инвертор.
Окончательный счёт: 4:4
Какой вывод можно сделать? Решение о выборе между ИБП и инвертором должно быть сделано исходя из важности определенных характеристик именно в вашей ситуации. Также, не лишним будет сопоставить стоимости и время автономии систем. Будем надеяться, что мы помогли вам с выбором.
* Здесь и далее по тексту имеются ввиду автоматические инверторы с зарядным устройством и чистым синусом на выходе, к популярным можно отнести МАП “Энергия”, Stark, Victron, Studer и прочие.
Читайте также:
Об авторе
Сергей Леднёв
Руководитель комплексных проектов по стабильному и бесперебойному электропитанию. 220@tok-shop.ru
Комментарии
Андрей 02.05.2020 | Ответить
У меня на даче на столбе стоит ограничитель мощности 5 кВт (ток однофазный) Когда приезжаем на дачу, то требуется включить холодильник, духовку, электрочайник, нагреватели воды. В результате постоянно приходится бегать к столбу.
Что можно сделать?
Сергей Леднёв 03.05.2020 | Ответить