Источники бесперебойного питания. Основные виды ИБП

Источники бесперебойного питания (UPS) — это устройства, которые помогают технике работать стабильно даже при проблемах с электричеством.

Главная задача UPS — подавать на оборудование переменное напряжение нужного качества. Даже если в основной сети происходят скачки, просадки или отключение, UPS должен либо стабилизировать напряжение, либо временно заменить сеть за счет батареи.

По стандарту IEC 60146-4 все UPS делятся на три типа:

• Off-line (резервные) — питание идет напрямую из сети, при сбое происходит переключение на батарею.
• Line-interactive (линейно-интерактивные) — могут стабилизировать напряжение без перехода на батарею.
• On-line (с двойным преобразованием) — всегда выдают стабилизированное питание, полностью защищая оборудование.

Рассмотрим принцип работы ИБП типа off-line (резервного). Данный тип источников бесперебойного питания является наиболее простым по конструкции и широко применяется для защиты персональных компьютеров и другой некритичной нагрузки. Его основная идея заключается в том, что в нормальном режиме устройство практически не вмешивается в работу сети и подключает нагрузку напрямую.

Когда входное напряжение находится в допустимых пределах по уровню и частоте, питание подается к потребителю напрямую через встроенный фильтр. Этот фильтр выполняет функцию подавления высокочастотных и импульсных помех, возникающих в электросети, тем самым частично улучшая качество питания без перехода на автономный режим.

Параллельно с питанием нагрузки осуществляется заряд аккумуляторной батареи через выпрямитель, который преобразует переменное напряжение сети в постоянное. К аккумулятору подключен инвертор, преобразующий постоянное напряжение обратно в переменное напряжение 220 В. Однако в штатном режиме инвертор не участвует в питании нагрузки и находится в режиме ожидания, готовый к включению при необходимости.

Если контроллер фиксирует отклонение параметров входного напряжения за допустимые пределы (например, при пропадании сети, значительном снижении или повышении напряжения), срабатывает реле переключения. В этот момент ИБП переходит в автономный режим работы: нагрузка отключается от внешней сети и начинает получать питание от аккумулятора через инвертор, который формирует переменное напряжение требуемых параметров.

Время переключения на АКБ обычно составляет 5–15 мс. Для большинства компьютеров это незаметно, так как их блоки питания способны кратковременно компенсировать провалы напряжения.

Недостатки off-line ИБП:

• Плохо работают при нестабильной сети — частые переключения на аккумуляторную батарею.
• Долгое время зарядки аккумулятора (несколько часов, в зависимости от емкости и типа АКБ).
• Нагрузка подключена почти напрямую к электросети, поэтому фильтр должен эффективно подавлять помехи.

ИБП линейно-интерактивного типа можно назвать усовершенствованными источниками бесперебойного питания типа "off line", которые характеризуются тем, что при появлении недопустимых отклонений входного напряжения производят отключение нагрузки от сети и переходят на питание от инвертора.
ИБП линейно-интерактивного типа лишены данного недостатка! Структурная схема данных бесперебойников имеет такое существенное отличие, как наличие специального регулятора напряжения (стабилизатора напряжения), выполненного в виде ступенчатого переключателя напряжения, построенного на основе трансформатора с обмотками. Такой регулятор напряжения находится перед фильтром сетевых помех и выполняет важную функцию по стабилизации входного напряжения до заданных параметров. Благодаря наличию такого регулятора защитное переключение с одного режима на другой случается гораздо реже, только в самых экстренных случаях. Также уменьшается и жесткость требований к фильтру, что снижает его стоимость.
ИБП линейно-интерактивного работают более надежно, чем бесперебойники типа "off-line" и снижают энергопотребление от аккумуляторов.

Читайте далее об ИБП линейно-интерактивного типа

Еще большую надежность (в сравнении с бесперебойниками "off line" и линейно-интерактивного типа) и лучшее качество напряжения обеспечивают ИБП типа on-line. Принцип действия ИБП типа on-line таков, что сетевое напряжение через выпрямитель поступает на преобразователь постоянного напряжения, а инвертор в непрерывном режиме осуществляет подачу питания на потребителя, чем полностью устраняются лишние переходные процессы переключения механических контактов. Параллельное соединение выходов преобразователя постоянного напряжения и аккумуляторов обеспечивает непрерывность работы инвертора при коммутации его входного напряжения, что исключает даже кратковременные перерывы напряжения нагрузки.
Пределы допустимых отклонений входного напряжения преобразователя могут довольно широкими, с возможностью длительных статических и импульсных помех в сети. Главным преимуществом бесперебойников "on-line" является высокая стабильность напряжения нагрузки в широком диапазоне воздействия дестабилизирующих факторов со стороны питающей входной сети. Как правило такая стабильность широко распространенных моделей ИБП типа on-line задается в пределах ± 1-3 % при изменении напряжения сети до 280 вольт. Наличие импульсных преобразователей в основном и резервном каналах передачи энергии позволяет получить более широкие возможности по реализации функций защиты нагрузки и собственно ИБП от перегрузок. Типовые бесперебойники обеспечивают работу устройств без переключения на аккумуляторы в диапазоне величин напряжений сети от 60 до 280 В.
Недостатком ИБП типа on-line является недостаточно высокий КПД, что связано с двойным силовым преобразованием энергии постоянного напряжения (в импульсном преобразователе и инверторе) по отношению к ранее рассмотренным структурам источников бесперебойного питания. В частности, для источников последних модификаций (off-line) коэффициент полезного действия находится в пределах 85–95%, в то время как для источников бесперебойного питания типа "on-line" реальные значения КПД обычно ниже на 6–15%.
Помимо этого, наличие 2-х преобразователей увеличивает себестоимость бесперебойника. Но даже не глядя на эти недостатки, бесперебойников типа on-line имеют весьма широкое применение, создавая разумный компромисс между стоимостью, безопасностью и надежностью работы компьютерной техники.
Так, определение "on-line" (т.е. включенная сеть) означает, что сеть входного напряжения ИБП остается подключенной к основному каналу регулирования в гораздо большем диапазоне изменений напряжения сети.
ИБП для котла