Источники бесперебойного питания без секретов. Источники бесперебойного питания: попытка выработки комплексной методики тестирования

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 (рисунок 1), а значит, и самые дешевые. Источник бесперебойного питания состоит из двух параллельных ветвей:
. фильтр-нагрузка;
. выпрямитель-батарея-инвертор-нагрузка.

Рис.1. Схем источника бесперебойного питания Stand-By типа

При нормальных характеристиках сети, напряжение в нагрузку поступает через фильтр, фильтрующий всевозможные помехи. Это, обычно, фильтр-ограничитель (surge suppressor), хотя может быть и фильтр-стабилизатор (line conditioner) 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 переключается 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 10-20мс. 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 (sags ), 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.

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 (booster ), 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.2. 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.

Конструктивно трансформатор на имеет несколько дополнительных отводов во вторичной обмотке (это может быть автотрансформатор с единственной обмоткой), переключением отводов трансформатора при изменениях входного напряжения управляет контроллер (микропроцессор), поддерживая напряжение на выходе в требуемом диапазоне. Итак, Line-Interactive источник бесперебойного питания работает по принципу управляемого ЛАТРа и действительно реже переключается на батарейное питание при скачках входного напряжения. В этой схеме зарядное устройство конструктивно совмещено с преобразователем.

Одним из преимуществ ИБП такого типа является широкий диапазон допустимых входных напряжений.

В некоторых линейно-интерактивных моделях есть шунтовая цепь между входом первичной электросети и нагрузкой, такие ИБП называются шунтовыми линейно-интерактивными ИБП (UPS -LIB, Reversible + Bypass). В шунтовом режиме питаемая нагрузка не защищается. При работе с источниками на основе ferro-технологий нужно иметь в виду:

Источники бесперебойного питания On-Line типа

Технология On-Line позволяет реализовать самый надежный тип источника бесперебойного питания. С выпрямителя (рисунок 3) 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 нормальном входном переменном напряжении инвертор ПН2 питается от выпрямителя;
. при отклонениях в питающей электросети от нормы, входное напряжение для ПН2 снимается с аккумуляторной батареи.

Рис.3. 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.

Новые модификации источников бесперебойного питания

Сейчас имеется несколько новых модификаций источников бесперебойного питания:
. by-pass;
. triple-conversion;
. ferrups.

Первая модификация (by -pass) как и на рисунке 3 представляет собой дополнительный канал передачи электроэнергии в нагрузку, его наличие позволяет обеспечить высокую надежность устройства. Переключение в режим On-line производится автоматически при отклонении параметров выходной сети от нормы либо же в аварийных условиях работы. Таким образом, этот режим способствует увеличению надежности устройства. Вторая модификация (triple -conversion) содержит корректор коэффициента мощности. В третьей модификации (ferrups ) применен феррорезонансный трансформатор, обеспечивающий высокие показатели надежности и широкий диапазон входных напряжений.

Новые подходы в построении источников бесперебойного питания основываются на использовании систем с резервируемым питанием, которые обладают более высокой надежностью выходной сети, так что неисправность одного из элементов не ведет к выходу из строя всей системы. Обычно, это модульные системы, сконструированные или по принципу повышения мощности нагрузки, или для повышения надежности системы, или используя оба принципа совместно. Простейшая система имеет в структуре источника бесперебойного питания вспомогательный модуль, « изолированный в горячем дежурном режиме». Имеется несколько вариантов технических решений таких бесперебойников.

Первый вариант заключается в применении автоматического переключателя (рисунок 4). Входы одного либо более источников питания подключены к единой сети, а с нагрузкой соединяются через автоматический переключатель. Информация о состоянии работы установок, управляющие команды поступают по каналу связи объединяющему ИБП.

Рис.4. Параллельная схема с использованием автоматического переключателя

Второй вариант содержит « распределитель нагрузки» (рисунок 5), равномерно распределяющий нагрузку между отдельными источниками системы.

Рис.5. Параллельная схема с использованием автоматического переключателя

Третий вариант осуществления параллельной структуры (рисунок 6) использует принцип двухуровневой системы. В этом способе один из модулей « ведущий» управляет распределением нагрузки между другими « ведомыми» модулями.

Рис.6. Параллельная схема на основе двухуровневой системы Master-Slave

Четвертый вариант, с резервируемой параллельной архитектурой, выглядит наиболее перспективным. В такой схеме (рисунок 7) резервируются не только модули, но и связи между ними, причем при необходимости любой модуль может выполнять функции ведущего. Лишь для такой схемы характерно наращивание мощности, отсутствие шунтовых цепей, при этом гарантируется непрерывная защита нагрузки при помощи ИБП.

Рис.7. Схема резервируемой параллельной системы

Основные технические характеристики источников бесперебойного питания

Форма питающего напряжения

Важное значение для нагрузки имеет именно эта характеристика источника бесперебойного питания. В режиме работы ИБП от аккумуляторных батарей на нагрузку может поступать выходное переменное напряжение близкое к прямоугольной форме (меандр), из-за сглаживающих свойств фильтров, аппроксимированная синусоида и чистая синусоида. Самая близкая к синусоиде форма выходного напряжения получается применением широтно-импульсной модуляции. Получение синусоиды в качестве питающего напряжения характерно лишь для ИБП On-line и некоторых источников питания Line-Interactive.

Мощность

Полная либо выходная мощность (output power). Обозначается буквой S, единица измерения — VA или Вольт-Амперы. Является геометрической суммой активной и реактивной мощностей. Параметр рассчитывается как произведение действующих (среднеквадратических) значений тока и напряжения. Её значение указывается изготовителем источника питания.

Активная потребляемая нагрузкой мощность. Обозначается буквой P, единица измерения — ватт (Вт). В случаи отсутствия реактивной составляющей в сети, совпадает с полной мощностью. Определяется как произведение полной мощности на косинус угла φ, где φ — угол сдвига фаз векторов линейных напряжения и тока, т.е. P = S . cos (φ). Типичное значение cos (φ) для персональных компьютеров около 0,6-0,7. Эта величина именуется коэффициентом мощности. Очевидно, что для выбора требуемой мощности для источника бесперебойного питания, надо мощность нагрузки в ваттах разделить на величину cos (φ).

Реактивная — обозначается буквой Q и рассчитывается как произведение полной мощности S на синус угла φ (Q = S . sin (φ)). Единица измерения — вольт-ампер реактивный (вар). Характеризует потери в питающих проводах за счет нагружающего их реактивного тока. При cos (φ) = 1 потери отсутствуют, вся мощность вырабатываемая источником питания поступает в нагрузку. Достигают этого за счет использования пассивных компенсирующих устройств или же активной коррекцией коэффициента мощности.

Диапазон входного питающего напряжения

Диапазон входного питающего напряжения (input voltage) — определяет пределы допустимых значений напряжения в сети, при которых источник бесперебойного питания еще способен поддерживать напряжение на выходе, не переключаясь на питание от аккумуляторов. Для некоторых моделей этот диапазон зависит от нагрузки. К примеру, при 100% нагрузке диапазон входных напряжений может составлять 15-20% от номинального, при 50% нагрузке — этот диапазон составляет 20-27% от номинального, а при 30% нагрузке — 40% номинального. От этого параметра зависит срок службы аккумуляторов, чем шире диапазон, тем дольше прослужат аккумуляторы при прочих равных условиях.

Частота входного напряжения

Частота входного напряжения (input frequency) — характеризует диапазон отклонения частоты электросети. При нормальных условиях эксплуатации отклонение частоты от номинального значения как правило не превосходит 1 Гц.

Коэффициент искажения формы выходного напряжения

Коэффициент искажения формы выходного напряжения (total harmonic distortion — THD) характеризует отклонение формы выходного напряжения от синусоиды, измеряется в процентах. Маленькие значения коэффициента соответствуют форме выходного напряжения, приближающейся к синусоидальной.

Время переключения режимов

Время переключения режимов (transfer time) характеризует инерционность источника бесперебойного питания, для разных источников составляет приблизительно до 2-15 мс.

load) характеризует устойчивость источника бесперебойного питания при перегрузках по мощности, измеряется в процентах по отношению к номинальной мощности. Определяет устойчивость ИБП к нестационарным перегрузкам.

Время автономной работы

Время автономной работы определяется емкостью аккумуляторной батареи и размером нагрузки. Для типовых источников бесперебойного питания небольшой мощности, питающих персональные компьютеры, оно составляет 5-10 мин. Это время рассчитано на то, чтобы пользователь мог закрыть все работающие приложения с сохранением информации и выключить ПК в нормальном режиме.

Крест-фактор

Крест-фактор (crest factor) — отношение пикового значения потребляемого тока к среднедействующему. Величина зависит от формы питающего напряжения.

Срок службы аккумуляторной батареи

Срок службы аккумуляторных батарей составляет 4-5 лет, но реальный сильно зависит от условий эксплуатации: частоты переключений в автономный режим, условий зарядки, окружающей среды.

Наличие холодного старта

Наличие холодного старта — это возможность включения источника бесперебойного питания при отсутствии напряжения в питающей сети. Такая функция полезна, когда необходимо срочно выполнить какие либо действия независимо от наличия напряжения в электросети.

Аккумуляторы ИБП

Общие сведения

Источником, энергия которого используется для питания нагрузки в критических режимах работы, служит аккумуляторная батарея. В источниках бесперебойного питания мощностью до 20 кВт как правило применяются герметичные свинцово-кальциевые аккумуляторы с электролитом суспензионного типа. В аккумуляторах такого типа электролит обездвижен, либо силикагелем либо скекловолокном, что делает их непротекаемыми. Это свойство электролита позволяет эксплуатировать аккумуляторы в любом положении, кроме того, они не нуждается в периодическом пополнении электролита и другом обслуживании.

Электроды произведены из свинцово-кальциевого сплава, обеспечивающего продолжительный срок службы и широкую область применения аккумуляторов, рабочий диапазон температур составляет от минус 20 до плюс 50°С (для некоторых типов аккумуляторов). Аккумуляторы не страдают так называемым « эффектом памяти», могут длительно храниться в заряженном состоянии (до года), при этом ток саморазрядки незначителен.

Конструкция аккумуляторов

Конструкция аккумуляторов традиционна — ударопрочный пластмассовый корпус поделен на секции — « банки». Наборы катодных и анодных пластин разделены прокладками — сепараторами из стекловолокна. Активная часть электролита — серная кислота. Крышка герметично соединена с корпусом, без возможности разобрать аккумулятор. В верхней части крышки размещены клапаны (по одному на каждую секцию), обеспечивающие выпуск газа в случае его избыточного образования в ходе работы, и пластинчатые выводы. Клапаны закрыты дополнительной съемной крышкой.

Хранение аккумуляторов

Продолжительность эксплуатации аккумуляторов составляет приблизительно 5 лет. При ежедневном использовании источника бесперебойного питания, собственные возможности заряда гарантируют эксплуатацию в ходе этого срока. При продолжительном неиспользовании аккумуляторы подвергаются саморазряду. Для аккумуляторов YUASA скорость саморазряда составляет приблизительно 3% в месяц при температуре окружающей среды около 20°С. Если в ходе длительного интервала времени аккумуляторы не заряжаются, то на отрицательных пластинах аккумулятора формируются сульфаты свинца. Это явление известно как « сульфатация». Сульфат свинца действует как изолятор, препятствуя приему заряда аккумулятором. Чем глубже произошла сулъфатация пластины, тем меньший заряд может принять аккумулятор.

Чтобы исключить необратимые последствия при хранении, надо заряд проводить через срок, соответствующий условиям температуры окружающей среды. С целью обеспечения оптимального срока использования, длительно хранящиеся аккумуляторы, должны периодически подзаряжаться.

Способы заряда аккумуляторов ИБП

Зарядка аккумуляторов является главной составляющей ее обслуживания. Срок использования аккумуляторов зависит от эффективности выбранного способа заряда. Имеются следующие способы заряда:
— зарядка при постоянном напряжении;
— зарядка при постоянной силе тока;
— двухступенчатая зарядка при постоянном напряжении.

Предпочтительным способом является зарядка при постоянном напряжении. В этом случае аккумуляторная батарея подключается к источнику энергии, зарядное напряжение которого поддерживается постоянным в ходе всего процесса заряда. В ходе заряда сила тока понижается и становится значительно меньше, чем при заряде способом постоянного тока, и в конце заряда опускается почти до нуля. При этом батарею заряжают до 90-95% ее номинальной емкости.

Выбор источника бесперебойного питания

Спектр типов источников бесперебойного питания, как средств защиты оборудования и компьютерных систем, достаточно широк. Вопрос выбора требуемого источника питания очень непрост. Чтобы решить вопрос выбора того или иного ИБП, надо попробовать проанализировать факторы, влияющие на условия работы источника питания.

Во-первых, надо попытаться оценить значимость питаемой системы. Вполне возможно, что для домашнего или офисного варианта будет достаточно источника бесперебойного питания Off-line либо Line-interactive типа. ИБП On-line типа больше подходит для серверного компьютера и прочих видов нагрузки, имеющих повышенные требования к качеству и надежности электропитания.

Во-вторых, необходимо оценить качество электросети: вероятность и частота отключения напряжения, наличие колебаний напряжения и различных помех.

В-третьих, нужно оценить мощность источника бесперебойного питания. Чтобы ориентировочно представить, какой мощности ИБП требуется, надо определить защищаемую аппаратуру и рассчитать для нее суммарное значение потребляемой мощности. Затем, полученные ватты нужно перевести в ВА, разделив на коэффициент мощности. Для компьютерного оборудования коэффициент мощности равен 0,5-0,6.

Производители не рекомендуют загружать источник бесперебойного питания на величину больше чем 80% от максимальной нагрузки. Надо отметить, что лазерные принтеры не рекомендуется подключать к источнику бесперебойного питания ввиду высокого энергопотребления нагревательного элемента.

Электрические колебания и их характеристики

Классические электрические колебания, возникающие например в колебательном контуре или на выходе генератора переменного тока, являются гармоническими. Это значит, что зависимость интенсивности колебания (мгновенного значения напряжения или тока) от времени может быть представлена графически в виде синусоиды.

В реальной жизни вид осциллограммы напряжения или тока может несколько отклоняться от чистой синусоиды. Посмотрим, какими параметрами характеризуется электрический колебательный процесс.

Рис. 21. Параметры электрического колебания

Амплитудным значением или амплитудой называется максимальное отклонение колеблющейся величины от нулевого уровня.

Действующее значение тока или напряжения численно равно такому постоянному току или напряжению постоянного тока, которое производит в проводнике такой же тепловой эффект. Действующее значение напряжения или тока равно среднему квадратическому значению соотвествующей величины за период колебаний.

Коэффициентом амплитуды или пик-фактором называется отношение амплитуды колебания к его действующему значению. Он всегда больше или равен 1. Для гармонического колебания (синусоидального напряжения или тока) коэффициент амплитуды равен =1.41 (точнее корень из двух). Пик-фактор несинусодальных колебаний может сильно отличаться от этой величины.

Коэффициент амплитуды характеризует несинусоидальное колебание не однозначно. Разные по форме колебательные процессы могут иметь одинаковые коэффициенты амплитуды.

Для того, чтобы полностью охарактеризовать сложное периодическое колебание, его искусственно представляют в виде суммы нескольких гармонических колебаний кратных частот (гармоник). Так, например, для того, чтобы описать несинсоидальный процесс с основной частотой (первой гармоникой), равной 50 Гц, его представляют в виде суммы колебательных процессов с частотами 50 Гц, 100 Гц (вторая гармоника), 150 Гц (третья гармоника) и т.д.

Проводимый таким образом анализ сложного колебания называется гармоническим анализом или анализом Фурье (по имени французского математика и физика). Результатом гармонического анализа является так называемый спектр колебательного процесса - зависимость интенсивности каждой гармоники от ее номера.

На рис. 22 представлен произвольный колебательный процесс и начало его спектра.

Рис. 22. Электрическое колебание и его спектр.

Для точного представления сложного колебания нужно учитывать по меньшей мере несколько десятков гармоник.

В качестве интегральной характеристики степени отличия формы колебательного процесса от синусоиды в России часто используют коэффициент гармонических искажений (коэффициент гармоник) - Кг. Он показывает какая доля энергии содержится в старших гармониках, по сравнению с энергией, содержащейся в первой гармонике.

В других странах для этого обычно используют полный коэффициент гармонических искажений (англ.: total harmonic distortion factor - THDF ). Он показывает, какая доля энергии содержится в сташей гармонике, по сравнению с полной энергией колебания.

Понятно, что при почти синусоидальных процессах Кг и THDF практически равны. Но при значительных искажениях они различаются. В таблице приведены несколько точек, характеризующих это различие.

Кг, %	THDF, %
0	0
10	10
20	20
30	29
40	37
50	45
60	51
70	57

Коэффициент гармонических искажений чисто синусоидального колебательного процесса равен нулю (вся энергия содержится в основной гармонике). Обычно считается, что колебание слабо отличается от синусоидального, если коэффициент гармонических искажений не превышает 5 %.

Линейные и нелинейные нагрузки

Если мы подключим к источнику напряжения постоянного тока резистор и будем менять величину напряжения, ток, протекающий в цепи, будет меняться пропорционально напряжению.

Если мы подключим к источнику синусоидального переменного напряжения (например к сети или к ИБП с синусоидальным выходным напряжением) резистор, мгновенное значение тока в цепи будет пропорционально мгновенному значению напряжения. Следовательно ток в цепи будет синусоидальным, причем синфазным напряжению (т.е. максимальные значения тока будут наблюдаться точно в те же моменты вермени, что и максимальные значения напряжения.

Рис. 23а. Ток потреблени резистора в цепи переменного тока.

Если мы подключим к источнику синусоидального напряжения емкость, индуктивность или любое сочетание их с резисторами, ток в цепи по-прежнему будет синусоидальным (см. рис 23б).

Рис. 23б. Ток потребления емкостной нагрузки в цепи переменного тока.

Но в этом случае, максимумы тока будут опережать максимумы напряжения (как на рисунке) или отставать от них. В зависимости от преобладания в цепи емкостей или индуктивностей, такую нагрузку называют екостной или индуктивной. А в совокупности все нагрузки (потребители электроэнергии) с синусоидальным током потребления (при синусоидальном напряжении) называются линейными.

Импульсный блок питания (например компьютера) является нелинейной нагрузкой. Если компьютер подключить к источнику синусоидального напряжения, то зависимость тока, потребляемого компьютером, от времени будет иметь вид, показанный на рис. 23в.

Рис. 23в. Ток потребления нелинейной нагрузки в цепи переменного тока.

На рисунке хорошо видно, что компьютер потребляет ток только в моменты, когда напряжение близко к своему максимуму, и не потребляет ток при низком напряжении.

Форму тока, потребляемого нелинейной нагрузкой можно охарактеризовать теми же параметрами, что и любой колебательный процесс.

Коэффициент амплитуды

Коэффициент амплитуды (пик-фактор) тока потребления импульсных блоков питания всегда намного больше единицы. Обычно он находится в диапазоне от 2 до 3, но может и быть более 5.

Источник бесперебойного питания должен быть рассчитан на работу с такими пик-факторами. Т.е. ИБП должен не только обеспечивать действующее значение тока, соответствующее максимальной нагрузке, но и максимальное (амплитудное) значение тока, существенно превышающее амплитудуу синусоидального тока с таким же действующим значением.

Величина пик-фактора не является постоянной характеристикой блока питания. Она - продукт взаимодействия блока питания, его нагрузки (например компьютера) и источника тока, к которому он подключен. Так, при питании от сети он может быть равен 2 или 3. Если компьютер питается от ИБП с переключением, имеющего выходное напряжение в виде меандра с паузой, то пик-фактор уменьшается до 1.8-2. Подключение компьютера к феррорезонансному трансформатору позволяет уменьшить пик-фактор еще более значительно. Это уменьшает нагрузку на блок питания компьютера и увеличивает его долговечность.

С другой стороны, если блок питания компьютера оставить работать на холостом ходу или с очень маленькой нагрузкой (например взять блок питания мощностью 400 Вт и поставить его в простую персоналку минимальной мощности), то коэффициент амплитуды тока может быть очень велик (например 5). Если тот же блок питания нагрузить полностью (скажем установить его в файловый сервер с большими дисками, модемами и др.), то коэффициент амплитуды уменьшится (и составит например 2.5).

Гармоники

На рис. 24 представлен примерный вид спектра тока импульсного блока питания. Вернее сказать, что это начало спектра. Полный спектр тока импульсного блока питания включает многие десятки гармоник.

Рис. 24. Начало спектра тока импульсного блока питания.

В токе потребления импульсного блока питания присутствует набор нечетных гармоник, амплитуда которых более или менее монотонно уменьшается с номером гармоники.

Если компьютеры подключены к электрической сети, в которую включены и другие (и, в основном, линейные) потребители электроэнергии, то отличие формы тока, потребляемого блоком питания компьютера, от синусоиды не оказывает влияния ни на сами компьютеры, ни на другое оборудование, подключенное к той же электрической сети.

Если в сеть включены в основном компьютеры и их суммарная мощность сопоставима с характерной мощностью электрической сети, то напряжение в сети может перестать быть синусоидальным. Это является признаком перегрузки электрической сети нелинейными нагрузками, и может служить причиной сбоев в работе чуствительного оборудования.

Первым признаком перегрузки сети компьютерными нагрузками является проявление самой интенсивной - третьей гармоники. Ее появление можно определить, даже не имея анализатора спектра, способного построить красивую картинку, вроде той, что приведена на рис. 24. Для элементарного анализа достаточно простейшего осциллографа.

Если у синусоиды появляется плоская вершина (как бы "выеденная" большим импульсным током), - это первый признак: в сети появилась третья гармоника, сеть слегка перегружена нелинейными нагрузками.

Если вершина синусоиды начинает заостряться, значит кроме третьей в сети появилась и пятая гармоника: сеть сильно перегружена нелинейными нагрузками.

Если на синусоиде появились волны - значит уже и седьмая гармоника видна невооруженным взглядом: нужно принимать какие-то меры.

Форма выходного напряжения ИБП

Источник бесперебойного питания является временным заменителем электрической сети для подключенного к нему оборудования. Качество этой замены сильно зависит от типа и марки ИБП.

В электрической сети напряжение имеет синусоидальную форму или форму, близкую к синусоиде.

Все высококлассные ИБП тоже имеют синусоидальную форму выходного сигнала, т.е. обеспечивают электропитание практически не отличающееся от обычной сети или даже имеют синусоиду более высокого качества.

На выходе ИБП (как и в сети) синусоида может быть не совсем идеальной.

Для определения коэффициента гармонических искажений обычно нужно специальное оборудование. Но можно приблизительно оценить величину полного коэффициента гармонических искажений просто по осциллограмме напряжения. Если вы видите слабые искажения, то коэффициент гармонических искажений около 5 %. Если искажения очень хорошо заметны, коэффициент гармонических искажений примерно равен 10 %.

При коэффициенте гармонических искажений более 20 % у вас "не поднимется рука" назвать форму кривой напряжения синусоидой.

Этот способ, как и любое упрощение, имеет свои ограничения. В частности, чем больше номер гармоники, тем при меньшем коэффициенте гармонических искажений ее хорошо видно.

Синусоидальное выходное напряжение имеют все ИБП с двойным преобразованием, феррорезонансные ИБП и большинство ИБП , взаимодействующих с сетью. Для всех этих ИБП полный коэффициент гармонических искажений выходного напряжения, равный 5%, является граничным. Если коэффициент гармонических искажений на выходе ИБП меньше 5%, то ИБП по этому параметру можно считать "хорошим". Если эта величина больше 5%, то форма выходного сигнала ИБП оставляет желать лучшего.

Обычно производители указывают степень гармонических искажений в общем перечне технических характеристик ИБП . Почти всегда указывается только одна величина коэффициента гармонических искажений, относящаяся к некоторым средним (если не сказать идеальным) условиям - например при линейной нагрузке. Следует иметь в виду, что наиболее значительный искажения формы выходного напряжения могут происходить в различных граничных условиях, а также при параметрах не характерных для обычной работы ИБП .

Такими предельными условиями (их набор или сочетание может быть разным для разных моделей ИБП ) могут быть максимальная нагрузка или холостой ход (отсутствие нагрузки); предельный или запредельный коэффициент мощности (например меньший, чем 0.5), слишком большой пик-фактор. Серьезные искажения выходное напряжение может претерпевать также при различных переходных процессах (например при ступенчатом изменении нагрузки).

На режиме работы от сети ИБП с переключением и взаимодействующий с сетью питают свою нагрузку отфильтрованным сетевым напряжением. То есть они в этом случае не являются независимыми источниками питания. Таким источником является электрическая сеть. Это значит, что коэффициент гармонических искажений на входе блока питания компьютера будет примерно таким же, как и без ИБП. Это так, поскольку фильтры этих ИБП не предназначены для фильтрации низкочастотных гармоник, и свободно их пропускают. Соответственно, если в сети были сильные гармонические искажения до установки ИБП (из-за общей перегрузки сети или большой доли мощности нелинейных нагрузок), они такими и останутся. Если этих искажений не было, они и не появятся.

Иначе обстоит дело с феррорезонансным ИБП и ИБП с двойным преобразованием энергии. Они являются в рассматриваемом смысле независимыми источниками питания. Поэтому все сказанное выше относительно искажений формы сетевого напряжения нужно в этом случае отнести к выходному напряжению ИБП . Если эти ИБП сильно (почти до номинальной мощности) нагружены нелинейными нагрузками, то на входе этих нагрузок могут появиться искажения основной гармоники, которых не было без ИБП . С другой стороны, если при работе от сети наблюдались гармонические искажения, то они могут пропасть после установки ИБП , если ИБП недогружен.

составляет более двух третей его полной мощности, то напряжение на выходе ИБП может быть заметно искажено. Не опасное само по себе для компьютеров искажение формы напряжения является нехорошим признаком того, что нагрузка ИБП слишком велика. Лучше установить ИБП большей мощности или отключить от него какое-либо оборудование.

Некоторые высококлассные ИБП с двойным преобразованием оснащены специальной управляющей цепью, назначением которой является корректировка формы выходного напряжения даже при работе с нелинейными нагрузками большой мощности. На выходе этих ИБП напряжение не имеет заметных гармонических искажений, даже в случае, если ИБП питает нелинейные нагрузки значительной мощности.

Разумеется все компьютеры и другое оборудование, предназначенное для питания от сети переменного тока, рассчитано на синусоидальное напряжение. Вряд ли какой-нибудь производитель этой техники готов гарантировать нормальную работу его оборудования с сильно несинусоидальным напряжением.

Тем не менее, большинство потребителей электрической энергии могут питаться напряжением переменного тока несинусоидальной формы. Причем для разного оборудования более важны разные характеристики синусоидального напряжения питания. Например оборудование, оснащенное импульсными блоками питания (скажем, персональные компьютеры) потребляет ток только в моменты времени, когда напряжение очень близко к максимуму. Потому для питания такого оборудования важно правильное амплитудное значение напряжения. Оборудование, имеющее непосредственно питаемые электрические двигатели и нагреватели, требует номинального действующего значения напряжения. Синусоидальное напряжение отвечает требованиям любой из этих нагрузок.

Но почти все виды нагрузок (оборудования), в том числе компьютеры, может более или менее нормально работать с напряжением, которое очень сильно отличается от синусоидального. Этим обстоятельством широко пользуются производители ИБП с переключением.

Раньше (очень давно) некоторые ИБП с переключением имели выходное напряжение в форме меандра (прямоугольных импульсов разной полярности).

Рис. 26. Меандр

Когда мы заменяем синусоидальное напряжение тем или иным его приближением, мы должны выбрать параметры этого приближения такими, чтобы они были наиболее близки параметрам заменяемой синусоиды. Но у меандра амплитудное и действующее значения напряжения равны друг другу (коэффициент амплитуды равен единице). Поэтому мы не можем сделать напряжение прямоугольной формы таким, чтобы оно одновременно удовлетворяло требованиям различных нагрузок.

В попытках найти компромисс производители таких ИБП устанавливали прямоугольное напряжение равным некоторому значению, лежащему между амплитудным и действующим. В результате получалось, что некоторые нагрузки (требующие правильного действующего значения напряжения) могли выйти из строя из-за избыточного напряжения, в то время, как другому оборудованию (потребляющему ток при напряжениях, близких к максимуму) это напряжение было слишком мало.

Для того, чтобы среднеквадратическое и амплитудное значение прямоугольного напряжения были равны соответствующим значениям синусоидального напряжения, производители современных ИБП с переключением слегка изменили форму меандра, введя паузу между прямоугольными импульсами разной полярности.

Рис. 27. Меандр с паузой.

Напряжение такой формы производители ИБП называют "ступенчатым приближением к синусоиде" (англ. - stepped approximation to a sine wave). Эта форма кривой позволяет, при правильно подобранных амплитуде напряжения и длительности пауз, выполнить требования разных нагрузок. Например при длительности паузы около 3 мс (для частоты 50 Гц) действующее значение напряжения совпадает с действующим значением синусоидального напряжения той же амплитуды.

Выходное напряжение всех попадавшихся мне ИБП с переключением, присутствующим на рынке России, имеет вид ступенчатого приближения к синусоиде.

Показанная на рис. 27 форма выходного напряжения - это идеал, к которому должны по идее стремиться производители ИБП. Реальная форма выходного напряжения ИБП с переключением конечно же отличается от идеала.

Иногда производители ИБП соблюдают декларируемое равенство действующего значения напряжения на выходе ИБП действующему значению напряжения сети весьма приблизительно. Длительность пауз, и амплитуда прямоугольного напряжения заметно отклоняются от расчетных значений.

Эти отклонения видимо не могут служить основанием для того, чтобы объявить тот или иной ИБП плохим. Ведь все они нормально работают с персональными компьютерами, для работы с которыми они собственно и предназначены.

Реальная форма выходного напряжения ИБП с переключением приведена на рис. 28.

Рис. 28. Осциллограммы напряжения и тока персонального компьютера, подключенного к ИБП с переключением.

На той же осциллограмме приведена и кривая потребляемого компьютером тока. Это позволяет оценить, насколько "несладко" приходится компьютеру, защищаемому ИБП с переключением. Но, как ни странно, сильные импульсные токи, потребляемые компьютером в моменты начала и конца прямоугольного импульса, не влияют на работу компьютера. Они полностью подавляются блоком питания компьютера, на выходе которого наблюдается постоянное напряжение с обычным уровнем пульсаций.

Не следует также забывать, что компьютер, защищаемый ИБП с переключением, питается несинусоидальным напряжением только в моменты работы ИБП от батареи (т.е. очень кратковременно). При работе ИБП от сети, компьютер питается сетевым напряжением, сглаженным с помощью встроенных в ИБП фильтров шумов и импульсов.

Возможность применения ИБП с переключением для питания другого оборудования (не компьютеров) требует, вообще говоря, проверки в каждом подобном случае. Известны случаи, когда с такими ИБП отказывались работать некоторые принтеры. С другой стороны, известны случай применения ИБП с переключением для защиты таких нетрадиционных нагрузок, как телефонные станции или кассовые аппараты с трансформаторными блоками питания.

К применению ИБП с переключением для питания приборов с трансформаторными блоками питания следует подходить с осторожностью. Дело в том, что обычные для трансформатора 5-10 % потерь в присутствии гармоник увеличиваются пропорционально квадрату номер агармоники. Поэтому ресурс сильно нагруженных трансформаторов при питании напряжением в виде меандра может уменбшаться в десятки раз.

Как и у любого источника питания, форма выходного напряжения ИБП с переключением зависит от величины и характера нагрузки. Для ИБП , выпускаемых известными в мире фирмами эта зависимость обычно невелика.

Однако некоторые ИБП имеют сильную зависимость формы (а иногда и амплитуды) выходного напряжения от нагрузки. Некоторые из них не могут использоваться при малых нагрузках, поскольку имеют на выходе импульсное напряжение амплитудой до 800 В. Другие проверяются изготовителем только при работе с линейными нагрузками. Такие ИБП при работе с компьютером могут быть неустойчивы в моменты переключения.

Сказанное показывает: не следует пользоваться ИБП малознакомых производителей или покупать такие ИБП у неспециализированных фирм.

Стабилизация и регулирование напряжения

Согласно действующему в России стандарту, напряжение в электрической сети должно находиться в пределах +10 % и -10% от номинального напряжения. Для напряжения 220 В эти пределы имеют абсолютные значения 198 В и 242 В. В этом диапазоне напряжений должно нормально работать все питающееся от сети оборудование, от электрической лампочки до компьютера.

К сожалению иногда напряжение выходит за пределы, установленные для него начальниками. В некоторых районах такие периоды повторяются с регулярностью восходов солнца. Владельцы компьютеров, работающих в этих условиях, конечно же склонны требовать, чтобы ИБП , защищающие их компьютеры, стабилизировали напряжение.

Два из рассмотренных нами типов источников бесперебойного питания стабилизируют напряжения, так сказать, по определению. Это on-line ИБП : с двойным преобразованием и феррорезонансный.

Точность стабилизации переменного напряжения на выходе ИБП с двойным преобразованием обычно около 1-3 % при статической (т.е. не изменяющейся во времени) и сбалансированной (равномерно рапределенной по фазам для 3-х фазных ИБП ) нагрузке. В случае резкого изменения нагрузки (например ее полного или неполного включения или выключения) погрешность стабилизации возрастает до примерно 10% для хороших ИБП . Не все производители ИБП указывают эту характеристику. В случае, когда она не указана, нужно быть очень осторожным, если для вас принципиальна работа ИБП при динамической нагрузке.

При разбалансированной нагрузке (т.е. если нагрузка неравномерно распределена по фазам 3-х фазного ИБП ) погрешность стабилизации также возрастает. Существуют правда трехфазные ИБП с независимым регулированием напряжения в каждой из трех фаз. Разбалансированность нагрузки для таких ИБП не имеет значения.

Диапазон входных напряжений, в котором происходит стабилизация напряжения, для ИБП с двойным преобразованием всегда совпадает с диапазоном допустимых входных напряжений (т.е. диапазоном напряжений, при котором ИБП работает от сети). Таким образом ИБП с двойным преобразованием не может не стабилизировать напряжение. Он выдает или стабильное выходное напряжение (при работе от сети или от батареи) или не выдает никакого. Диапазон входных напряжений для разных ИБП очень сильно разнится. Характерным является значение плюс минус 10-15 % от номинального напряжения. Некоторые маломощные ИБП могут иметь диапазон входных напряжений от 100 до 280 вольт и даже шире (правда часто работа ИБП при минимальных значениях напряжения обеспечивается только при неполной нагрузке).

Если пользователя не устраивает диапазон входных напряжений , то для некоторых моделей ИБП он может быть расширен за счет специальных ухищрений. Расширение диапазона входных напряжений (в тех редких случаях, когда оно возможно) должно производиться очень квалифицированным специалистом, который очень четко представляет, что он делает. Нужно иметь в виду, что ничто не дается бесплатно, и влюбом случае, за расширение диапазона входных напряжений придется чем-то заплатить - например надежностью ИБП или качеством напряжения, поступающего к нагрузке.

Для большинства ИБП с двойным преобразованием диапазон входных напряжений зависит от нагрузки. При меньшей нагрузке диапазон входных напряжений несколько расширяется.

Феррорезонансный ИБП стабилизирует напряжение за счет свойств феррорезонансного трансформатора. Погрешность стабилизации напряжения составляет 1-5% и зависит от нагрузки: при меньшей нагрузке погрешность уменьшается.

Феррорезонансный трансформатор очень устойчив к любым переходным процессам. Поэтому погрешность стабилизации слабо изменяется при динамической нагрузке.

Диапазон входных напряжений феррорезонансного ИБП сильно зависит от нагрузки. При малой нагрузке он может начинаться от 145 В.

ИБП с переключением не обладают функцией стабилизации напряжения.

ИБП, взаимодействующие с сетью, могут ступенчато регулировать выходное напряжение.

Ступенчатое регулирование напряжения реализовано за счет переключения нагрузки на работу от другой обмотки автотрансформатора.

В простейшем случае существует только одна ступень повышения напряжения, срабатывающая при уменьшении напряжения сети. Более современные взаимодействующие с сетью ИБП регулируют напряжение и при его повышении.

Например ИБП Smart-UPS фирмы American Power Conversion переключает нагрузку на работу от повышающей обмотки автотрансформатора, если напряжение становится меньше 196 В. Повышающая обмотка позволяет поднять напряжение на 12%. При дальнейшем падении входного напряжения выходное напряжение линейно падает. Когда входное напряжение достигает 176 В (заводская установка) Smart-UPS

При повышении входного напряжения выше 264 В нагрузка переключается на работу от обмотки автотрансформатора, понижающей напряжение на 12%. После достижения входным напряжением значения 296 В, ИБП переключается на работу от батареи.

В большинстве ИБП , взаимодействующих с сетью, имеется только одна ступень регулирования напряжения (в каждую сторону, если регулирование двухстороннее). Но некоторые ИБП имеют две и более ступеней стабилизации в каждую сторону.

Подавление шумов

Для защиты от импульсов в ИБП разных типов применяются разные технологии. ИБП с переключением и взаимодействующий с сетью подавляют приходящий по силовой сети шум с помощью R-C или L-C фильтров. В феррорезонансном ИБП фильтром является феррорезонансный трансформатор. Подавление шумов в ИБП с двойным преобразованием осуществляется в процессе двух преобразований энергии. Кроме того, в цепи постоянного тока этих ИБП обычно стоят специальные емкости и дроссели для сглаживания пульсаций зарядного тока. Эти L-C фильтры очень эффективно подавляют и проникающие через выпрямитель шумы.

Ориентировочные уровни подавления помех в диапазоне частот от 1 до 10 МГц для ИБП разных типов приведены в таблице.

Подавление импульсов

В мире существуют несколько стандартов, описывающих требования к ИБП , относительно защиты от импульсов. Обычно американские ИБП тестируются на соответствие стандарту ANSI/IEEE С62.41, описывающему параметры импульсов, которые может выдерживать компьютер или оборудование, предназначенное для защиты от импульсов. Стандартом описываются напряжение и форма импульса.

Стандарт предусматривает две категории: А и В. Категория А относится к типичным офисным условиям и подразумевает испытание ИБП путем подачи на его вход импульса напряжением 3000 В. Категория В относится к более тяжелым условиям (например для компьютеров, подключенных к сети вблизи к силовому вводу в здание) и предусматривает испытание импульсом напряжением 6000 В.

Обычно производители ИБП гарантируют соответствие их продукции категории А этого стандарта или аналогичному стандарту. Некоторые ИБП также соответствуют категории В стандарта.

В ИБП разных типов используются разные технологии подавления импульсов. Варисторная защита от импульсов используется в ИБП с переключением и взаимодействующих с сетью.

Препятствием на пути импульса через ИБП с двойным преобразованием энергии является само двойное преобразование, гальваническое разделение (в тем моделях, где оно есть) и сочетание емкостей и батареи в цепи постоянного тока. Однако в некоторых моделях ИБП с двойным преобразованием установлены дополнительно и варисторные шунты.

В феррорезонансном ИБП функцию фильтра импульсов выполняет сам феррорезонансный трансформатор, хотя варисторы также имеются на входе ИБП .

Очень простой и эффективный варисторный шунт может подавлять импульсы с токами огромной амплитуды (килоамперы для ИБП с переключением и до десятков килоампер для лучших моделей ИБП , взаимодействующих с сетью).

Для варисторной защиты, как уже отмечалось, имеется принципиальное ограничение энергии импульса, который может выдержать варисторный шунт. Обычно эта энергия равна 80-500 Дж. При поступлении на варистор импульса большей энергии, он может выйти из строя. При этом варистор может механически разрушиться. Это ограничивает в основном длительность импульса, так как амплитуда импульса может быть довольно большой.

Другим ограничением варисторной защиты является ее ресурс. При подавлении импульсов варистор постепенно изнашивается и, в конце концов, выходит из строя.

Две другие технологии защиты от импульсов не имеют принципиального ограничения ресурса и энергии импульса. Это конечно же не свидетельствует о том, что они могут работать вечно и эффективно подавлять импульсы любой амплитуды и длительности.

Задачей ИБП является не только выдержать импульс, но и уменьшить его амплитуду до приемлемой для компьютера величины. В таблице приведены ориентировочные значения коэффициента подавления импульса для разных ИБП . Этот коэффициент равен отношению амплитуд импульса без защиты и при использовании защиты. Мне не известна эта величина для ИБП с двойным преобразованием.

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия - не самая главная характеристика ИБП . Если компьютеры, защищаемые ИБП действительно работают, то потребляемая ими электроэнергия стоит существенно меньше, чем хранящиеся в них данные. Поэтому сам по себе коэффициент полезного действия не может рассматриваться как параметр, по которому следует выбирать ИБП.

Тем не менее есть несколько важных параметров, связанных с КПД, которые есть смысл обсудить.

Коэффициент полезного действия - это отношение мощности, потребляемой нагрузкой ИБП к полной потребляемой ИБП мощности. Чем больше КПД, тем меньшая часть проходящей через ИБП мощности выделяется внутри его корпуса.

Выделение тепла дополнительного внутри корпуса ИБП приводит к ряду неприятных последствий.

Если не принимать дополнительных мер для удаления тепла из корпуса (например вентиляторы), то температура внутри ИБП повысится. Это приведет к уменьшению ресурса аккумуляторной батареи ИБП (если она установлена внутри). По данным производителей аккумуляторов, повышение температуры эксплуатации батареи на 10 градусов приводит к уменьшению ее ресурса вдвое.

Поэтому все ИБП средней и большой мощности , которые не могут охлаждаться за счет естественной конвекции, оснащены принудительным охлаждением.

ИБП малой мощности , построенные по схеме с двойным преобразованием энергии, и феррорезонансные, также приходится принудительно охлаждать, поскольку они имеют наименьший КПД, по сравнению с другими рассмотренными нами типами ИБП .

Величина КПД для ИБП с двойным преобразованием и феррорезонансных ИБП (по данным производителей) составляет 85-94 % при полной мощности. Если мощность нагрузки уменьшается до 70-80 % от номинальной КПД современных источников бесперебойного питания почти не изменяется. Он начинает заметно падать только при еще меньшей мощности нагрузки.

В последнее время появились ИБП с КПД не менее 70-80 % даже примощностях около 30 % номинальной.

ИБП с переключением, взаимодействующие с сетью имеют приблизительно одинаковые КПД, поскольку при работе от сети основная мощность при работе этих ИБП поступает к нагрузке практически без преобразования. Их КПД при работе от сети равен не менее 96 % на режиме полной мощности и плавно уменьшается с уменьшением мощности нагрузки.

Время работы от батареи

Для большинства обычных офисных ИБП небольшой мощности время работы от батареи при максимальной нагрузке составляет 4-15 минут.

меньше максимальной, то время работы от батареи увеличивается. Из-за нелинейности разрядной кривой аккумуляторной батареи это увеличение не пропорционально уменьшению нагрузки. Если нагрузка уменьшилась вдвое, то время работы может увеличиться в 2.5-5 раз, если втрое, то время увеличивается в 4-9 раз и т.д.

Точно определить, сколько будет работать ИБП при неполной нагрузке, можно только экспериментально или пользуясь данными фирмы производителя. На следующем рисунке приведен график, по которому можно приблизительно оценить эту величину.

Рис. 29. Время работы ИБП от батареи при нагрузке меньше номинальной

в процентах от номинальной. По оси ординат - количество раз, в которое время работы от батареи больше времени работы от батареи при номинальной нагрузке. На рисунке приведены данные фирм производителей для ИБП более 50 разных моделей мощностью от 250 до 18000 ВА .

Пользоваться графиком очень просто. Если мощность вашего компьютера составляет 50 % номинальной мощности вашего ИБП , то, найдя соответствующее деление на оси абсцисс (горизонтальной оси), поднимайтесь вертикально вверх. На пересечении с серединой облака точек вы найдете нужное вам значение: время работы ИБП от батареи увеличится примерно в 3.5 раза.

Данные о времени работы от батареи обычно приводятся для новой и полностью заряженной батареи. Характеристики для изношенной батареи будут совершенно иными. Можно только сказать, что время работы от изношенной или не полностью заряженной батареи будет меньше.

ИБП большой мощности и некоторые ИБП малой мощности имеют возможность увеличения времени автономной работы за счет замены батареи на батарею большей емкости или установки дополнительной батареи.

Батарея большей емкости может устанавливаться в том же корпусе или может устанавливаться дополнительный корпус для батареи.

Если емкость батареи ИБП увеличивается, а мощность его зарядного устройства остается прежней, то возрастает время заряда батареи. При увеличении емкости батареи в несколько раз, примерно во столько же раз возрастает время заряда.

Некоторые производители ИБП предусматривают возможность замены зарядного устройства на более мощное. Это позволяет сохранить приемлемое время заряда при наращивании емкости батареи.

Трехфазные ИБП имеют обычно возможность регулирования зарядного тока в завистимости от емкости установленной аккумуляторной батареи.

ИБП малой мощности , специально предназначенные для длительной автономной работы, как правило имеют модульную конструкцию. Это значит, что пользователь сам выбирает тип батареи или количество однотипных блоков батарей, соответствующее требующемуся времени работы.

Наращивание емкости батареи однотипными модулями до емкости, соответствующей времени автономной работы (при полной нагрузке) более нескольких часов, приводит к появлению аккумуляторной станции с огромным числом аккумуляторов. У такой системы есть по меньшей мере один недостаток: большое число контактов, склонных окисляться. Поэтому обслуживание такого ИБП может представлять собой проблему, а поиск неисправности в батарее занимать несколько дней.

Обычно для более длительного, чем несколько часов, поддержания работы оборудования рекомендуются дизельные или иные электрические генераторы.

Некоторые ИБП имеют индикатор, по которому можно определить, насколько заряжена батарея ИБП и сколько времени может еще проработать ИБП от батареи.

Измерение заряда батареи ИБП довольно сложная задача и очень немногие производители ИБП действительно умеют ее решать. Иногда ИБП предназначают для относительно длительной работы от батареи (например для завершения каких-либо вычислений или передачи данных). В этом случае обычно нужно более или менее точно знать сколько времени осталось до полного разряда батареи. В этом случае лучше не доверяться заявлениям продавцов или производителей ИБП о имеющейся в вашем распоряжении функции, а проверить ее возможности самому.

Всего могут быть три варианта оценки времени, оставшегося до разряда батареи.

Самый простой вариант. ИБП измеряет протекающий через него ток и после переключения на работу от батареи начинает отсчитывать время, оставшееся до разряда батареи, пользуясь записанной в постоянной памяти информацией о разрядном цикле. Расчет производится, исходя из полного заряда батареи. Следовательно, если ваша батарея несколько разряжена или изношена (вы можете об этом и не знать), вы можете быть неприятно удивлены, оставшись без напряжения в самый ответственный момент.

Второй вариант. ИБП измеряет напряжение на батарее и, исходя из записанной в постоянной памяти информацией о разрядном цикле индицирует (на цифровом или светодиодном индикаторе) заряд батареи. В этом случае вам предоставляется возможность самостоятельно приблизительно определять момент, когда ИБП отключится.

Третий вариант является фактически сочетанием первых двух. На основе данных о заряде батареи и потребляемом нагрузкой токе, на цифровое табло выдается число, соответствующее оставшемуся времени работы от батареи.

Как уже говорилось, эти данные могут оказаться не совсем точными. Лучше всего (из знакомых мне ИБП ) эта функция реализована у ИБП Ferrups.

Коэффициент мощности. Ватты и вольт-амперы

Одним из наиболее популярных вопросов, которые задают покупатели ИБП , является вопрос о том, чем отличаются ватты от вольт-амперов.

В цепи постоянного тока дело обстоит довольно просто. Электрический ток, поступая из источника постоянного тока в нагрузку, производит в ней полезную (или бесполезную) работу по перемещению зарядов в направлении электрического поля. Рассчитать мощность в такой цепи очень просто: нужно умножить ток на падение напряжения на нагрузке:

P [Ватт] = I [Ампер] * U [Вольт]

В цепи переменного тока, с которой нам приходится иметь дело, рассматривая работу ИБП , все немного по-другому.

Для переменного тока вводится понятие мгновенной мощности - это произведение мгновенных значений переменных напряжения и тока. Активная мощность (средняя по времени мощность, выделяемая в нагрузке) равна среднему за период значению мгновенной мощности.

Если напряжение имеет синусоидальную форму, и нагрузка в цепи активная (или, иначе говоря, омическая - например, лампы накаливания), то активная мощность равна произведению действующих значений напряжения и тока. Т.е. она рассчитывается примерно так же, как и мощность в цепи постоянного тока:

P [Ватт] = Uдейств * Iдейств .

Рис. 30 . Мгновенная мощность в цепи переменнго тока.

а) синусоидальный ток в активной нагрузке;
б) синусоидальный ток в нагрузке с реактивной составляющей;
в) несинусоидальный ток (нелинейная нагрузка).

На рис. 30а видно, что в этом случае напряжение и ток всегда имеют одинаковый знак (становятся положительными и отрицательными одновременно). Поэтому мгновенная мощность всегда положительна. Физически это означает, что в любой момент времени мощность выделяется в нагрузке. Иначе говоря, так же как в цепи постоянного тока, заряды всегда движутся в направлении действия электрического поля.

Если напряжение и ток имеют синусоидальную форму, но нагрузка имеет емкостную или индуктивную (реактивную) составляющую, то ток опережает по фазе напряжение или отстает от него. В этом случае мощность, выделяемая в нагрузке, уменьшается.

На рисунке 30б видно, что из-за фазового сдвига, в некоторые моменты времени, напряжение и ток имеют противоположные знаки. В это время мгновенная мощность оказывается отрицательной и уменьшает среднюю за период мгновенную мощность. Электротехник скажет, что в эти моменты времени ток течет из нагрузки в источник тока. С точки зрения физика, в эти моменты времени заряды по инерции движутся против сил электрического поля.

Формула для средней за период активной мощности для случая нагрузки с реактивной составляющей несколько изменяется. В ней появляется коэффициент мощности. Для синусоидальных напряжения и тока он численно равен знакомому со средней школы "косинусу фи":

P [Ватт] = Uдейств * Iдейств * Cos (Ф).

Здесь Ф - угол сдвига фазы между напряжением и током.

Произведение действующих значений напряжения и тока называется полной мощностью цепи переменного тока и измеряется в вольт-амперах (ВА). Полная мощность всегда больше или равна активной (выделяемой в нагрузке) мощности.

Если нагрузкой является компьютер, то дело обстоит еще немного сложнее. Ток, потребляемый компьютером, имеет несинусоидальную форму (см. рис. 30в). Мощность, выделяемая в нагрузке, при такой форме тока также меньше, чем произведение действующих значений напряжения и тока.

На рис. 30в видно, что при некоторых значениях напряжения (когда напряжение мало) компьютер не потребляет тока. Мгновенная мощность в эти моменты времени равна нулю - напряжение "пропадает зря", не производя работы.

Активная (выделяемая в нагрузке) мощность для случая нелинейной нагрузки выражается формулой.

P [Ватт] = Uдейств * Iдейств * К ,

где К - коэффициент мощности.

Ток "компьютерной" нагрузки как правило несколько опережает напряжение. Но сдвиг фаз очень невелик (10-20 градусов), поэтому коэффициент мощности для компьютера не равен косинусу угла фазового сдвига, а значительно меньше.

По данным фирмы American Power Conversion коэффициент мощности равен 0.6 для персональных компьютеров и 0.7 для мини компьютеров. На самом деле, коэффициент мощности компьютерной нагрузки связан с коэффициентом амплитуды тока и, даже для одного и того же импульсного блока питания, зависит от того, насколько блок питания использует свою номинальную мощность. Так, если импульсный блок питания нагружен слабо (к нему подключено мало потребителей - дисководов, процессоров и т.д.), то коэффициент амплитуды увеличивается, а коэффициент мощности уменьшается.

Знать мощность подключенного к ИБП оборудования необходимо для того, чтобы не превысить предельную допустимую нагрузку ИБП . Но нагруженность (или перегруженность) ИБП определяется не только тем, какая мощность выделилась в нагрузке, а еще и тем, какой ток течет через ИБП . Поэтому при указании предельной для ИБП нагрузки обычно указывают максимальную полную мощность в вольт-амперах и максимальную активную мощность в ваттах.

Выбирать ИБП нужно так, чтобы максимальная мощность нагрузки не превышала максимальной мощности ИБП .

Возникает вопрос: какая мощность - полная или активная? Ответ: обе!

Полная мощность нагрузки должна быть меньше номинальной полной мощности ИБП (нужно сравнивать вольт-амперы - ВА). А активная мощность нагрузки не должна превышать номинальной активной мощности ИБП (нужно сравнивать ватты - Вт).

Для разных нагрузок и разных ИБП ограничением может быть или полная или активная мощность. Чаще всего (для компьютерных нагрузок) ограничением является полная мощность.

Как правило мощность компьютера или периферийного устройства указывается в вольт-амперах. Если она указана в ваттах, вы должны быть готовы к тому, что мощность в вольт-амперах будет на 20-40 % больше, и выбирать ИБП соответствующей мощности.

Особенности трехфазных источников бесперебойного питания

Почему трехфазные ИБП выделены в отдельную группу? Ведь принцип действия большинства из них (и всех, описываемых в этой книге) - двойное преобразование энергии - такой же, как у множества однофазных приборов.

Кроме очевидных отличий от однофазных приборов, трехфазные ИБП имеют некоторые не слишком заметные на первый взгляд полезные особенности. Как правило, трехфазные ИБП обеспечивают новое качество защиты просто за счет того, что ИБП имеет трехфазный вход.

Распределение нагрузки по фазам

Одной из проблем при использовании однофазных ИБП (или даже просто любых потребителей, подключаемых к сети) является распределение нагрузки по фазам.

Если потребители электроэнергии неравномерно распределены по фазам электрической сети, то, при значительной нагрузке сети, возникают два эффекта:

одна из фаз сети оказывается перегруженной, в то время, как другие фазы не используют свои возможности полностью;

перекос фаз - неравенство фазных напряжений в разных фазах сети, (напряжение в перегруженной фазе меньше номинального, а напряжение в недогруженных фазах больше номинального).

Следствием неравномерного распределения нагрузки по фазам является также перегрузка нейтрального провода. Традиционно в отечественных электрических сетях нейтральный провод имеет в 1.5-2 раза меньшее сечение, чем фазные провода (ведь он предназначен для протекания компенсационных токов, которые должны быть меньше токов в линейных проводах).

Поэтому токи, возникающие в нейтрали при перекосе фаз, могут приводить к перегрузке нейтрального провода. Это как правило сказывается на эффективности работы заземления и может привести к сбоям в работе оборудования.

Трехфазные ИБП решают проблему перекоса фаз автоматически. На входе ИБП нагрузка всегда равномерно распределена по фазам за счет того, что выпрямитель и инвертор ИБП работают независимо.

Поэтому нейтральный провод нагружен меньше (компенсационные токи, связанные с дисбалансом фаз, отсутствуют). Заземление работает максимально эффективно, помехи для работы компьютеров малы.

На выходе ИБП проблема неравномерного распределения нагрузки по фазам конечно остается. С одной фазы трехфазного ИБП мощностью 30 кВА нельзя снять больше 10 кВА. Но даже если вы нагрузите одну из фаз полностью, а другие будут недогружены, то хороший трехфазный ИБП с независимым регулированием напряжения по фазам будет нормально работать, и влияние неравномерного распределения нагрузки скажется только во время переходного процесса, возникающего при резком изменении нагрузки.

Таким образом разгрузка нейтрального провода приводит к общему "оздоровлению" электрической сети.

Гармоники в трехфазной электрической сети

Трехфазная электрическая сеть была изобретена для использования синусоидальных токов, и идеально подходит для них. Применение нелинейных потребителей (например компьютеров) в трехфазной электрической сети (а все наши электрические сети такие) имеет очень серьезные (и очень неприятные) особенности.

Представим себе осциллограмму токов в трехфазной электрической сети (см. рис 31). Пусть в электрической сети присутствуют только линейные нагрузки. Следовательно во всех проводах протекают только синусоидальные токи. Допустим также, что эти токи примерно равны.

Рис. 31. Синусоидальные токи в трехфазной электрической сети.

В этом случае нагрузка в электрической сети распределена примерно равномерно: токи в каждой из фаз примерно одинаковы (среднеквадратичное или действующее значение тока изменяется от 70 до 85 А). В нейтральном проводе протекает ток, являющейся геометрической (векторной) суммой всех токов в линейных проводах.Токи частично компенсируют друг друга, и результирующий ток в нейтральном проводе намного меньше тока в каждом из линейных проводов. В данном случае действующее значение тока в нейтральном проводе равно 12 А.

Нейтральный провод нужен для компенсации отличий токов линейных проводов. В случае, когда во всех линейных проводах протекают одинаковые токи, компенсация не требуется: ток в нейтральном проводе равен нулю.

Случай, когда вся нагрузка сети сосредоточена в одной из фаз, самый плохой: ток в нейтральном проводе равен току в фазном проводе. Но обычно электрики следят если не за равномерностью распределения нагрузки по фазам, то, по крайней мере, за тем, чтобы ни одна из фаз не была перегружена Поэтому, как правило, нагрузка в трехфазной сети распределена более или менее равномерно, и ток в нейтральном проводе мал.

При проектировании электрических сетей этот удобный факт широко используют для экономии материала. В отечественных трехфазных кабелях один из проводов (нейтральный) часто имеет намного меньшее сечение. Например в кабеле, рассчитанном на ток около 100 А (мощность трехфазной сети около 70 кВА) линейные провода имеют площадь поперечного сечения 35 или 25 кв. мм, а нейтральный провод - всего 16 кв. мм. При синусоидальных токах и примерно равномерном распределении нагрузки по фазам это не имеет значения: нейтральный провод очень далек от перегрузки.

Посмотрим теперь, как ведет себя трехфазная электрическая сеть при протекании в ней несинусоидальных токов, характерных для "компьютерных" нагрузок, оснащенных импульсными блоками питания.

На рисунке 32 приведен вид осциллограммы токов нелинейных нагрузок в трехфазной электрической сети. Все три фазы сети одинаково нагружены "компьютерной" нагрузкой со значительным коэффициентом гармонических искажений и коэффициентом амплитуды (пик-фактором) равным 3.

Рис. 32. Нелинейная нагрузка в трехфазной электрической сети.

Действующее значение тока в каждой из трех фаз равно 85 А. Оно примерно такое же, как и действующие значения токов на рис 31.

Несмотря на полностью симметричную нагрузку, в нейтральном проводе наблюдается очень большой ток. Его действующее значение равно 120 А. Амплитудное значение тока равно 226 А. Это значит, что нейтральный провод не выполняет (или плохо выполняет) свою функцию компенсации токов при нелинейной нагрузке.

На рисунке видно, что амплитуда тока в нейтрали даже немного меньше амплитуды тока в линейных проводах. Почему же действующее значение получается намного больше? Приглядевшись внимательнее к рис. 32 (и сравнивая его с рис. 31), вы увидите ответ - частота тока в нейтрали не совпадает с частотой тока в линейных проводах. В нейтрали течет ток с частотой 150 Гц.

Открыв справочник по электротехнике мы легко обнаружим, что велосипеда не изобрели. При протекании равных несинусоидальных токов в линейных проводах трехфазной сети действующее значение тока в нейтральном проводе складывается из токов гармоник, номер которых кратен 3. Интенсивность девятой и последующих гармоник в токе потребления импульсного источника питания не слишком велика. Но третья гармоника является главной (после первой) гармоникой в токе потребления компьютера - ее интенсивность может достигать 60%, и именно ей в основном обязан перегрузкой нейтральный провод. (Вот откуда в нейтрали 150 Гц).

Чем же это опасно? Рассмотрим простой пример.

Возьмем небольшое здание, к которому подведен трехфазный кабель. Пусть три из проводов имеют сечение 25 кв. мм, а четвертый (конечно же - нейтральный) провод - 16 кв. мм. На входе в здание установлен трехфазный автомат на 100 А, примерно соответствующий предельному току линейных проводов. Предельный ток нейтрального провода равен 80 А, но на нейтральном проводе не устанавливают предохранители из-за опасности сильного перекоса трехфазной системы переменного тока при обрыве нейтрального провода.

При линейной нагрузке, равной примерно 80 % от максимальной (см. рис. 31) линейные провода хорошо нагружены, но не перегружены. Нейтральный провод, рассчитанный на ток до 80 А находится практически в режиме холостого хода.

При нелинейной нагрузке, равной 85 % от номинальной (рис. 32), линейные провода нагружены так же, как при протекании в сети синусоидальных токов. Ток в нейтральном проводе превышает ток в линейных проводах почти в полтора раза. Вспомним: нейтральный провод рассчитан на ток не более 80 А. Опасная перегрузка налицо.

Самое плохое в этой ситуации то, что эту перегрузку никто не заметит. На нее не отреагирует ни один прибор защиты. Ведь на нейтральном проводе обычно не устанавливают измерительных приборов.

Что же делать? Как защитить сеть от нелинейной нагрузки?

Есть два варианта: создать новую электрическую сеть с двух или трехкратным запасом по мощности или установить трехфазный ИБП .

ИБП с трехфазным входом имеет в качестве входного устройства выпрямитель. Выпрямитель - безусловно нелинейная нагрузка. Но в спектре тока, потребляемого трехфазным выпрямителем, нет третьей гармоники и всех высших гармоник, номер которых кратен трем.

Что же будет, если из спектра токов, приведенных на рис. 32 исключить третью и девятую гармонику (и, пусть имеющие небольшую интенсивность, другие гармоники с номером, кратным 3)? Произойдет почти чудо: действующее значение тока в нейтральном проводе станет равным нулю. Электрическая сеть нашего примерного дома спасена от перегрузки, а дом - от пожара.

Шести-импульсные и двенадцати-импульсные выпрямители

Обычный двух-полупериодный выпрямитель в однофазной электрической сети имеет спектр входного тока, состоящий из гармоник с номерами 2±1 (т.е. из множества нечетных гармоник). Амплитуда гармоники более или менее монотонно уменьшается с увеличением ее номера (см. рис. 24).

Традиционно в трехфазных ИБП применяются 6-импульсные (или шести-полупериодные) выпрямители. Название подразумевает. что за период трехфазной сети на выходе такого выпрямителя возникает 6 импульсов тока. Простейшая схема такого выпрямителя - трехфазный мост (см. рис. 33)

Рис. 33. Трехфазный мост

Спектр гармоник тока 6-импульсного выпрямителя включает (кроме первой гармоники) гармоники с номерами 6±1 - см. рис. 34.

Рис.34. Спектр тока 6-импульсного выпрямителя

Теоретически амплитуда n-й гармоники равна амплитуде первой гармоники, деленной на n. Т.е. амплитуда 5-й гармоники составляет 20 %, а амплитуда 11-й гармоники - около 9 % амплитуды первой гармоники. Соответственно, теоретический коэффициент гармонических искажений входного тока шестиимпульсного выпрямителя равен примерно 30%.

Для уменьшения гармонических искажений применяют 12-импульсные выпрямители. Двенадцати-импульсный выпрямитель состоит из двух трехфазных мостов. На один из них подается напряжение непосредственно от трухфазной сети, а второй мост питается от специального трансформатора, сдвигающего фазу на 30 градусов.

Теоретически спектр тока 12-импульсного выпрямителя включает (кроме первой гармоники) только гармоники с номерами 12±1 - см. рис. 35.

Рис. 35. Теоретический спектр входного тока двенадцати-импульсного выпрямителя

Соответственно теоретический коэффициент гармонических искажений входного тока 12-импульсного выпрямителя примерно равен 14 %.

Практически, из-за неполного совпадения характеристик двух выпрямителей, гармоники с номерами 6±1 полностью подавить не удается. Поэтому коэффициент гармонических искажений двенадцати-импульсного выпрямителя может несколько отличаться от своего теоретического значения.

Для еще более значительного подавления гармоник тока применяют (очень редка) 24-импульсные выпрямители или (несколько чаще) фильтры гармоник.

24-импульсный выпрямитель имеет в спектре гармоники с номерами 24±1. Теоретический коэффициент гармонических искажений входного тока такого выпрямителя менее 7 %.

Фильтры гармоник чаще всего представляют собой резонансные L-C цепи, предназначенные для фильрации определенных гармоник. Так для работы с шести-импульсным выпрямителем применяют фильтры, практически полностью поглощающие 5-ю и 7-ю гармоники. В этом случае коэффициент гармонических искажений входного тока уменьшается примерно до 18 %.

В последние годы, по мере появления быстрых силовых полупроводников в благородном деле борьбы с гармониками тока произошел прорыв. Теперь в некоторых ИБП выпрямитель построен на биполярных транзисторах с изолированным затвором (или, по-английски, IGBT). Входной ток такого выпрямителя имеет синусоидальную форму. Т.е. коэффициент гармонических искажений равен 0.

Гармоники и электрические генераторы

При создании системы бесперебойного питания иногда для обеспечения длительной работы оборудования большой мощности приходится устанавливать дизельные генераторы. Генератор в этом случае имеет мощность сопоставимую с мощностью оборудования в целом (а не намного большую, как в случае питания от электрической сети или, к конечном счете, от электрического генератора электростанции).

При таком соотношении параметров генератор сильно взаимодействует с гармониками тока, возникающими в электрической сети с нелинейными нагрузками. В генераторе возникают опасные для его сохранности токи, которые отсутствуют при работе генератора на линейную нагрузку той же мощности. Эти токи вызывают перегрев генератора и уменьшают его ресурс.

Поэтому, при работе генератора на компьютерные нагрузки необходим большой запас по мощности (см. главу 11). Применение трехфазного ИБП позволяет ликвидировать третью гармонику в спектре тока, потребляемого генератором, и значительно уменьшить требуемый запас по мощности.

Для еще более значительного уменьшения запаса мощности применяют все описанные выше меры для борьбы с гармониками, но чаще всего - специальные фильтры гармоник и трехфазные ИБП с 12-импульсным выпрямителем.

Сводка характеристик ИБП

Некоторую часть уже сказанного о свойствах ИБП разных типов можно попытаться свести в таблицу.

В таблице на следующей странице наличие того или иного свойства у ИБП отмечено зведочками. Чем больше звездочек в ячейке таблицы, тем сильнее развито рассматриваемое качество. Наличие в графе звездочки не означает, что этот вид ИБП обладает указанным свойством по определению, а относится к лучшим моделям ИБП указанной группы.

Тип ИБП	ИБП с переклю- чением	ИБП, взаимо- дейст- вующий с сетью	Ферро- резо- нансный ИБП	ИБП с двойным преобразованием энергии
				Одно- фазный	Трех- фазный
Отсутствие разрыва напряжения при переходе на работу от батареи	*	*	*****	*****	*****
**	**	****	*****	*****
Устойчивость к скачкам напряжения		*	****	****	****
Могут использоваться для длительной автономной работы		**	***	***	*****
Подавление электромагнитных шумов	*	*	****	*****	*****
Подавление высоковольтных импульсов	*	**	*****	****	****
Исправление формы синусоиды			**	*****	*****
Разгрузка нейтрального провода			****		*****
Стабилизация напряжения		**	****	*****	****
Горячее резервирование и параллельная работа					****
Надежность в условиях идеальной электрической сети	****	***	*****	****	****
Надежность в условиях плохой электрической сети	**	*	*****	**	****
Уровень защиты оборудования в хорошей электрической сети	**	****	****	*****	*****
Уровень защиты оборудования в плохой электрической сети	*	*	****	**	***

КПД - коэффициент полезного действия - одна из важнейших характеристик любого оборудования, и источники бесперебойного питания здесь не исключение. И КПД ИБП оказывает влияние не только на систему энергоснабжения.

От 94 к 96

Недавно стандартным значением КПД для ИБП многих производителей было 94%. Сегодня благодаря новым технологиям (в частности, IGBT-транзисторам) на рынке появились ИБП с КПД 96%.

Эко-режимы

Ещё один шаг, сделанный большинством производителей - разработка алгоритма работы ИБП с использованием эко-режима. Поэ эко-режимом понимается экономически-выгодный режим, при котором основные функциональные части ИБП (выпрямитель, инвертор) по сути отключены, а питание нагрузки осуществляется по линии контролируемого, а иногда и корректируемого байпаса.

Как результат, КПД повышается вплоть до 99%. Однако следует понимать, что КПД в этом случае носит ступенчатый характер. Дело в том, что эко-режим активируется лишь в случае удовлетворяющей всем требованиям внешней электросети. Если же какие-либо параметры выходят за рамки рекомендуемых, то, в зависимости от производителя, либо сразу активируется режим двойного преобразования, либо включаются в работу механизмы коррекции параметров электросети. При недостаточности их влияния ИБП также переходит в режим двойного преобразования.

Таким образом, в общем случае имеется три ступени КПД ИБП: максимальное значение в 99%, 97-98% в режиме коррекции и всё те же 96% в режиме двойного преобразования.

Влияние на кондиционирование

К слову, современные системы кондиционирования с плавным регулированием холодопроизводительности имеют повышенный КПД при малых нагрузках, поэтому повышение КПД ИБП повышает и КПД кондиционеров.

Реальный расчет

На практике это означает следующее. Сравним модели ИБП с КПД 94% и 96%, эксплуатируемых в одинаковых условиях с одинаковой загрузкой.

В случае КПД 94% мощность на входе в ИБП составит 1000 / 0.85 / 0.94 = 1251.5кВт. В случае КПД 96%: 1000 / 0.85 / 0.96 = 1225.5кВт.

Прирост КПД на 2% в абсолютной величине снижает подводимую к ИБП мощность на 2.21% (= 1 / 0.94 - 1 / 0.96).

Нагрузка на систему кондиционирования снижается с 6% от мощности ИБП до 4% от мощности ИБП, т.е. на треть. Если принять, что для отвода 3кВт тепла система кондиционирования потребляет 1кВт электроэнергии, то потребляемая кондиционерами мощность снизится с 2% от мощности ИБП до 1.33% от мощности ИБП, т.е. на 0.67%.

Общее снижение подводимой к ИБП мощности составит 2.21 + 0.67 = 2.88%.

По мере своего развития цивилизация начинает потреблять все больше энергии, в частности, электрической — станки, заводы, электронасосы, фонари на улицах, лампы в квартирах… Появление радио, телевизоров, телефонов, компьютеров дало человечеству возможность ускорить обмен информацией, однако, еще сильнее привязало его к источникам электроэнергии, поскольку теперь, во многих случаях, пропадание электричества равносильно потере канала доставки информационного потока. Наиболее критична такая ситуация для ряда наиболее современных отраслей, в частности, там, где основным инструментом производства являются компьютерные сети.

Давно подсчитано, что через пару-тройку месяцев работы стоимость информации, хранящейся на компьютере, превышает стоимость самого ПК. Уже давно информация стала разновидностью товара — ее создают, оценивают, продают, покупают, накапливают, преобразуют… и порой теряют по самым разнообразным причинам. Разумеется, до половины проблем, связанных с потерей информации, возникает из-за программных или аппаратных сбоев компьютерами. Во всех остальных случаях, как правило, проблемы связаны с некачественным электроснабжением компьютера.

Обеспечение качественного питания компонентов ПК — залог стабильной работы любой компьютерной системы. От формы и качественных характеристик сетевого питания, от удачного выбора компонентов питания порой зависит судьба целых месяцев работы. Исходя из этих соображений, была разработана изложенная ниже методика исследования, призванная в дальнейшем стать основой тестирования качественных характеристик бесперебойных блоков питания.

1. Положения ГОСТ
2. Классификация ИБП (описание, схема)
   • Оффлайновые
   • Линейно-интерактивные
   • Онлайновые
   • Основные типы по мощностям
3. Физика
   • a. Виды мощности, формулы расчета:
     • Мгновенная
     • Активная
     • Реактивная
     • Полная
4. Тестирование:
   • Цель тестирования
   • Общий план проведения
   • Параметры для проверки
5. Оборудование, использованное при тестировании
6. Библиография

Положения ГОСТ

Все, что связано с электрическими сетями, в России регламентируется положениями ГОСТ 13109-97 (принят Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации взамен ГОСТ 13109-87). Нормативы этого документа полностью соответствуют международным стандартам МЭК 861, МЭК 1000-3-2, МЭК 1000-3-3, МЭК 1000-4-1 и публикациям МЭК 1000-2-1, МЭК 1000-2-2 в части уровней электромагнитной совместимости в системах электроснабжения и методов измерения электромагнитных помех.

Стандартными показателями для электросетей в России, установленными ГОСТ, являются следующие характеристики:

• напряжение питания — 220 В±10%
• частота — 50±1 Гц
• коэффициент нелинейных искажений формы напряжения — менее 8% в течение длительного времени и 12% — кратковременно

Оговорены в документе и типичные проблемы электроснабжения. Чаще всего нам приходится сталкиваться со следующими из них:

• Полное пропадание напряжения в сети (отсутствие напряжения в сети на время более 40 секунд из-за нарушений в линиях подачи электроэнергии)
• Проседания (кратковременное снижение напряжения в сети до величины менее 80% от номинального значения на время более 1 периода (1/50 секунды) являются следствием включения мощных нагрузок, внешне проявляется как мерцание ламп освещения) и всплески (кратковременные повышения напряжения в сети на величину более 110 % от номинального на время более 1 периода (1/50 секунды); появляются при отключении большой нагрузки, внешне проявляются как мерцание ламп освещения) напряжения разной продолжительности (характерно для больших городов)
• Высокочастотный шум — радиочастотные помехи электромагнитного или другого происхождения, результат работы мощных высокочастотных устройств, коммуникационных устройств
• Отклонение частоты за пределы допустимых значений
• Высоковольтные выбросы — кратковременные импульсы напряжения величиной до 6000В и длительностью до 10 мс; появляются при грозах, как результат статического электричества, из-за искрения переключателей, внешних проявлений не имеют
• Выбег частоты — изменение частоты на 3 и более Гц от номинального (50 Гц), появляются при нестабильной работе источника электроэнергии, внешне могут и не проявляться.

Все эти факторы могут привести к выходу из строя достаточно «тонкой» электроники, и, как это часто бывает, к потере данных. Впрочем, люди давно научились защищаться: фильтры сетевого напряжения, «гасящие» скачки, дизель-генераторы, обеспечивающие подачу электроэнергии системам при пропадании напряжения в «глобальном масштабе», наконец, источники бесперебойного питания — основной инструмент защиты персональных ПК, серверов, мини-АТС и др. Как раз о последней категории устройств и пойдет речь.
Классификация ИБП

«Разделять» ИБП можно по разным признакам, в частности, по мощности (или сфере применения) и по типу действия (архитектуре/устройству). Оба этих метода тесно связаны друг с другом. По мощности ИБП делятся на

1. Источники бесперебойного питания малой мощности (с полной мощностью 300, 450, 700, 1000, 1500 ВА, до 3000 ВА — включая и on-line)
2. Малой и средней мощности (c полной мощностью 3–5 кВА)
3. Средней мощности (с полной мощностью 5–10 кВА)
4. Большой мощности (с полной мощностью 10–1000 кВА)

Исходя из принципа действия устройств, в литературе в настоящее время используется два типа классификации источников бесперебойного питания. Согласно первому типу, ИБП делятся на две категории: on-line и off-line , которые, в свою очередь, делятся на резервные и линейно-интерактивные .

Согласно второму типу, ИБП делятся на три категории: резервные (off-line или standby), линейно-интерактивные (line-interactive) и ИБП с двойным преобразованием напряжения (on-line).

Мы будем пользоваться вторым типом классификации.

Рассмотрим для начала разницу типов ИБП. Источники резервного типа выполнены по схеме с коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей сети, а в аварийном — переводит ее на питание от аккумуляторных батарей. Достоинством ИБП такого типа можно считать его простоту, недостатком — ненулевое время переключения на питание от аккумуляторов (около 4 мс).

Линейно-интерактивные ИБП выполнены по схеме с коммутирующим устройством, дополненной стабилизатором входного напряжения на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками. Основное преимущество таких устройств — защита нагрузки от повышенного или пониженного напряжения без перехода в аварийный режим. Недостатком таких устройств также является ненулевое (около 4 мс) время переключения на аккумуляторы.

ИБП с двойным преобразованием напряжения отличается тем, что в нем поступающее на вход переменное 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 его в аварийном режиме. Таким образом, достигается достаточно высокая стабильность выходного напряжения независимо от колебаний напряжения на входе. Кроме того, эффективно подавляются помехи и возмущения, которыми изобилует питающая сеть.

Практически, ИБП данного класса при подключении к сети переменного тока ведут себя как линейная нагрузка. Плюсом данной конструкции можно считать нулевое время переключения на питание от аккумуляторов, минусом — снижение КПД за счет потерь при двукратном преобразовании напряжения.

Физика

Во всех справочниках по электротехнике различаются четыре вида мощности: мгновенная , активная , реактивная и полная . Мгновенная мощность вычисляется как произведение мгновенного значения напряжения и мгновенного значения тока для произвольно выбранного момента времени, то есть

Так как в цепи с сопротивлением r u=ir, то

Средняя за период мощность P рассматриваемой цепи равна постоянной слагающей мгновенной мощности

Среднюю за период мощность переменного тока называют активной . Единица активной мощности вольт-ампер называется ватт (Вт).

Соответственно и сопротивление r называют активным. Так как U=Ir, то

Обычно именно активную мощность понимают под потребляемой мощностью устройства.

Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля. Для синусоидального тока равна произведению действующих тока и напряжения на синус угла сдвига фазы между ними.

Полная мощность — потребляемая нагрузкой суммарная мощность (учитываются как активная, так и реактивная ее составляющие). Вычисляется как произведение среднеквадратичных значений входного тока и напряжения. Единица измерения — ВА (вольт-ампер). Для синусоидального тока равна

Практически на любом электрическом приборе находится этикетка с указанием либо полной мощности устройства, либо активной мощности.
Тестирование

Основная цель тестирования — продемонстрировать поведение тестируемых ИБП в реальных условиях, дать представление о дополнительных характеристиках, которые не находят отражения в общей документации на устройства, на практике определить влияние различных факторов на работу ИБП и, возможно, помочь определиться с выбором того или иного источника бесперебойного питания.

Несмотря на то, что рекомендаций по выбору ИБП в настоящее время существует великое множество, в ходе тестирования мы рассчитываем, во-первых, рассмотреть ряд дополнительных параметров, которыми стоит поинтересоваться перед покупкой оборудования, во-вторых, по необходимости скорректировать набор выбранных методов и параметров тестирования и выработать базу для будущего анализа всего тракта питания систем.

Общий план проведения тестирования выглядит следующим образом:

• Указание класса устройства
• Указание заявленных производителем характеристик
• Описание комплектности поставки (наличие руководства, дополнительных шнуров, ПО)
• Краткое описание внешнего вида ИБП (функции, вынесенные на контрольную панель и перечень разъемов)
• Тип аккумуляторов (с указанием емкости аккумуляторов, обслуживаемые/необслуживаемые, наименование, возможно — взаимозаменяемость, возможность подключения дополнительных аккумуляторных блоков)
• «Энергетическая» составляющая тестов

В процессе тестирования планируется проверить следующие параметры:

• Диапазон входного напряжения, при котором ИБП работает от сети, не переключаясь на аккумуляторы. Больший диапазон входного напряжения уменьшает количество переходов ИБП на батарею и увеличивает срок ее службы
• Время переключения на питание от аккумулятора. Чем меньше время переключения, тем меньше риск выхода из строя нагрузки (устройства, подключенного через ИБП). Длительность и характер процесса переключения во многом определяют возможность нормального продолжения работы оборудования. Для компьютерной нагрузки допустимое время прерывания питания 20-40 мс.
• Осциллограмма переключения на аккумулятор
• Время переключения с аккумулятора на внешнее питание
• Осциллограмма переключения с аккумулятора на внешнее питание
• Время работы в автономном режиме. Этот параметр определяется исключительно емкостью батарей, установленных в ИБП, которая, в свою очередь, увеличивается при росте максимальной выходной мощности ИБП. Для обеспечения автономным питанием двух современных компьютеров SOHO типичной конфигурации в течение 15-20 мин, максимальная выходная мощность ИБП должна быть порядка 600-700 ВА.
• Параметры выходного напряжения при работе от батарей
• Форма импульса в начале разряда аккумулятора
• Форма импульса в конце разряда аккумулятора
• Диапазон выходного напряжения ИБП при изменении входного напряжения. Чем этот диапазон уже, тем меньше влияние изменения входного напряжения на питаемую нагрузку
• Стабилизация выходного напряжения
• Фильтрация выходного напряжения (если она есть)
• Поведение ИБП при перегрузке на выходе
• Поведение ИБП при пропадании нагрузки
• Вычисление КПД ИБП. Определяется как отношение выходной мощности устройства к потребляемой мощности от источника питания
• Коэффициент нелинейных искажений, характеризующий степень отличия формы напряжения или тока от синусоидальной
  • 0% — синусоида
  • 3% — искажения не заметны на глаз
  • 5% — искажения заметны глазом
  • до 21% — трапецеидальная или ступенчатая форма сигнала
  • 43% — сигнал имеет прямоугольную форму

Оборудование

При тестировании мы будем пользоваться не реальными рабочими станциями и серверами, а эквивалентными нагрузками, которые имеют стабильный характер потребления и коэффициент использования мощности, близкий к 1. В качестве основного оборудования, которое будет использоваться при проведении тестирований, в настоящее время рассматривается следующий комплект:

Библиография

1. ГОСТ 721-77 Системы энергоснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения свыше 1000 В
2. ГОСТ 19431-84 Энергетика и электрификация. Термины и определения
3. ГОСТ 21128-83 Системы энергоснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения до 1000 В
4. ГОСТ 30372-95 Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения
5. Теоретическая электротехника, изд. 9-е, исправленное, М.-Л., издательство "Энергия", 1965
6. Рекламные материалы компании
7. Интернет-ресурс

Требования к качеству электроэнергии законодательно прописаны государственными стандартами и довольно жесткими нормативами. Электроснабжающие организации прилагают много усилий для их соблюдения, но, они не всегда реализуются.

В наших квартирах, да и на производстве, периодически возникают:

полные отключения электричества на неопределенное время;

апериодические кратковременные (10÷100 мс) высоковольтные (до 6 кВ) импульсы напряжения;

всплески и снижения напряжения с различной продолжительностью;

накладки высокочастотных шумов;

уходы частоты.

Все эти неполадки отрицательно влияют на работу бытовых и офисных потребителей электроэнергии. Особенно страдают от качества электропитания микропроцессорные и компьютерные устройства, которые не только совершают сбои, но и могут полностью потерять свою работоспособность.

Назначение и виды источников бесперебойного питания

Чтобы сократить риски от возникновения неисправностей питающей электрической сети используются резервные устройства, которые принято называть источниками бесперебойного питания (ИБП) или UPS (образовано от сокращения английской фразы «Uninterruptible Power Supply») .

Они изготавливаются с разной конструкцией для решения специфических задач потребителя. Например, мощные ИБП с гелиевыми аккумуляторами способны поддерживать энергоснабжение целого коттеджа в течение нескольких часов.

Их АКБ получают заряд от линии электропередач, ветрогенератора, или других носителей электроэнергии через выпрямительное устройство инвертора. Они же подпитывают электрические потребители коттеджа.

Когда внешний источник отключается, то аккумуляторы разряжаются на подключенную в их сеть нагрузку. Чем больше емкость АКБ и меньше ток их разряда, тем дольше они работают.

Иисточники бесперебойного питания средней мощности могут резервировать , систем поддержания микроклимата в помещениях и подобного оборудования.

В то же время самые простые модели UPS способны только завершить программу аварийного отключения компьютера. При этом длительность всего процесса их работы не превысит 9÷15 минут.

Компьютерные источники бесперебойного питания бывают:

встроенными в корпус устройства;

внешними.

Первые конструкции распространены в ноутбуках, нетбуках, планшетах и подобных мобильных устройствах, работающих от встроенного аккумулятора, который снабжен схемой переключения питания и нагрузки.

АКБ ноутбука со встроенным контроллером является источником бесперебойного питания. Его схема в автоматическом режиме защищает работающее оборудование от неисправностей электросети.

Внешние конструкции ИБП , предназначенные для нормального завершения программ стационарного компьютера, изготавливаются отдельным блоком.

Их подключают через сетевой адаптер питания к электрической розетке. От них запитывают только те устройства, которые отвечают за работу программ:

системный блок с подключенной клавиатурой;

монитор, отображающий происходящие процессы.

Остальные периферийные устройства: сканеры, принтеры, акустические колонки и другое оборудование от UPS не запитывают. Иначе они при аварийном завершении программ будут забирать на себя часть энергии, накопленной в аккумуляторах.

Варианты построения рабочих схем ИБП

Компьютерные и промышленные UPS изготавливают по трем основным вариантам:

резервирования электропитания;

интерактивной схемы;

двойного преобразования электроэнергии.

При первом методе резервной схемы , обозначаемым английскими терминами «Standby» или «Off-Line» напряжение поступает из сети к компьютеру через ИБП, в котором электромагнитные помехи устраняются встроенными фильтрами. Здесь же установлен , емкость которого поддерживается током заряда, регулируемым контроллером.

Когда пропадает или выходит за установленные нормативы внешнее питание, то контроллер направляет энергию АКБ на питание потребителей. Для преобразования постоянного тока в переменный подключается простой инвертор.

Преимущества UPS Standby

Источники бесперебойного питания схемы Off-Line обладают высоким КПД, при поданном на них напряжении, тихо работают, мало выделяют тепла и относительно дешевы.

Недостатки

UPS Standby выделяются:

долгим переходом на питание от аккумулятора 4÷13 мс;

искаженной формой выходного сигнала, выдаваемого инвертором в виде меандра, а не гармоничной синусоиды;

отсутствием корректировки напряжения и частоты.

Такие устройства наиболее распространены на персональных компьютерах.

ИБП интерактивной схемы

Их обозначают английским термином ««Line-Interactive». Они выполняются по предыдущей, но более усложненной схеме за счет включения стабилизатора напряжения, использующего автотрансформатор со ступенчатым регулированием.

Это обеспечивает корректировку величины выходного напряжения, но управлять частотой сигнала они не способны.

Фильтрация помех в нормальном режиме и переход на инверторное питание при авариях происходит по алгоритмам UPS Standby.

Добавлением стабилизатора напряжения различных моделей с методиками управления им позволило создавать инверторы с формой сигнала не только меандра, но и синусоиды. Однако, небольшое количество ступеней регулирования на основе релейных переключений не позволяет реализовать функции полной стабилизации.

Особенно это характерно для дешевых моделей, которые при переходе на питание от аккумулятора не только завышают частоту выше номинальной, но и искажают форму синусоиды. Помехи вносит встроенный трансформатор, в сердечнике которого происходят процессы гистерезиса.

В дорогих моделях работают инверторы на полупроводниковых ключах. UPS Line-Interactive имеют большее быстродействие при переходе на питание от АКБ, чем у ИБП Off-Line. Оно обеспечивается работой алгоритмов синхронизации между входящим напряжением с выдаваемыми сигналами. Но при этом происходит некоторое занижение КПД.

ИБП Line-Interactive нельзя использовать для питания асинхронных двигателей, которые массово установлены на всей бытовой технике, включая системы отопления. Их используют для работы устройств с , где питание фильтруется и выпрямляется одновременно: компьютеров и бытовой электроники.

ИБП двойного преобразования

Эта схема UPS получила название по английскому словосочетанию On-line» и работает на оборудовании, требующем высококачественного питания. В ней производится двойная конверсия электроэнергии, когда синусоидальные гармоники переменного тока постоянно преобразуются выпрямителем в постоянную величину, пропускаемую через инвертор для создания повторной синусоиды на выходе.

Здесь АКБ постоянно подключен в схему, что исключает необходимость его коммутаций. Этим способом практически исключается период подготовки источника бесперебойного питания на переключения.

Работу ИБП On-line по состоянию аккумулятора можно разделить на три этапа:

стадия заряда;

состояние ожидания;

разряд на работу компьютера.

Период заряда

Цепи входа и выхода синусоиды разорваны внутренним переключателем UPS.

Подключенный к выпрямителю аккумулятор получает энергию заряда до тех пор, пока его емкость не восстановится до оптимальных значений.

Период готовности

После окончания заряда АКБ автоматика источника бесперебойного питания замыкает внутренний переключатель.

Аккумулятор поддерживает состояние готовности к работе в буферном режиме.

Период разряда

АКБ автоматически переводится на питание компьютерной станции.

У источников бесперебойного питания, работающих по методике двойного преобразования электроэнергии, КПД в режиме питания от линии ниже, чем у других моделей из-за расхода энергии на выделение тепла и шума. Но в сложных конструкциях применяются методики, позволяющие увеличить КПД.

UPS On-line споосбны выправлять не только величину напряжения, но и его частоту колебаний. Это выгодно отличает их от предыдущих моделей и позволяет использовать для питания различных сложных устройств с асинхронными двигателями. Однако, стоимость таких устройств значительно выше предыдущих моделей.

Состав ИБП

В зависимости от вида рабочей схемы в комплект источника бесперебойного питания входят:

аккумуляторы для накопления электроэнергии;

Обеспечивающее поддержание работоспособности АКБ;

инвертор для формирования синусоиды,

схема управления процессами;

программное обеспечение.

Для удаленного доступа к устройству может использоваться локальная сеть, а повысить надежность схемы можно за счет ее резервирования.

В отдельных источниках бесперебойного питания используется режим «Байпас», когда нагрузка запитывается отфильтрованным напряжением сети без работы основной схемы устройства.

Часть UPS имеет ступенчатый регулятор напряжения «Бустер», управляемый от автоматики.

В зависимости от необходимости выполнять сложные технические решения источники бесперебойного питания могут оснащаться еще дополнительными специальными функциями.