Типы источников бесперебойного питания (ИБП)

В классификации источников бесперебойного питания иногда существует путаница. Прояснить вопрос можно, ознакомившись со структурными схемами их построения, которые приведены ниже. Эти схемы содержат основные узлы, из которых состоит устройство, и отображают их взаимодействие. Также дается краткое объяснение принципа работы каждого типа ИБП.

Типы ИБП

По способу реализации ИБП своих функций их можно разделить на следующие классы:

• Standby (ИБП с переключением, по-английски иногда называется Off - Line UPS )
• Line Interactive (ИБП, взаимодействующий с сетью)
• Standby - Ferro (Феррорезонансный ИБП, по-английски иногда пишется Ferroresonant UPS )
• Double Conversion (ИБП с двойным преобразованием) энергии, еще такая схема традиционно называется схемой On-line
• Delta Conversion (ИБП с дельта-преобразованием, эти ИБП также как ИБП с двойным преобразованием причисляется к классу он лайн.

Наиболее популярный тип ИБП для питания персональных компьютеров. На рис. 1 переключатель нагрузки на выходе в нормальном режиме (питание от сети) передает отфильтрованное сетевое напряжение на выход ИБП. При отсутствии сетевого напряжения, а также когда блок анализа напряжения сочтет сетевое напряжение "неправильным" (этот критерий, разный для разных моделей ИБП), ИБП переключается на режим работы от батареи. При этом переключатель нагрузки подключает к выходу цепь батарея-инвертор. В этой схеме инвертор включается в работу только в том случае, когда напряжение в сети пропадает или становится недостаточным. Остальное время инвертор находится в режиме «ожидания», поэтому эта схема и называется в англоязычной терминологии « standby ». Схема анализа сети находится в работе постоянно и, если напряжение сети становится нормальным, переключает ИБП обратно в основной режим работы от сети. Преимущества такой схемы построения ИБП: компактность, малая стоимость. При хорошей схемной реализации ограничителя перенапряжения и фильтра такие ИБП адекватно действуют как ограничители шумов и выбросов напряжения.

Рис 1 StandbyUPS (ИБП с переключением)

На рис.1: • ограничитель перенапряжения (устройство для подавления импульсных сетевых наводок) • сетевой фильтр (устройство подавления шумов) • переключатель нагрузки • выпрямитель • батарея • инвертор

ИБП, взаимодействующий с сетью чаще всего позиционируется как наиболее подходящий для защиты по питанию серверов. В этой схеме инвертор всегда соединен с выходом. В нормальном режиме (питание от сети) переключатель «закрыт», и инвертор, питаясь от сети, обеспечивает зарядку батареи. При отсутствии сетевого напряжения или его ненадлежащем качестве переключатель «открывается» и инвертор переключается в режим преобразования постоянного напряжения батареи в переменное напряжение для питания нагрузки. Особенность данной схемы – постоянно подключенный к выходу инвертор, что дает дополнительную фильтрацию сетевых помех и более плавное переключение на батареи по сравнению с ИБП с переключением. Кроме того, ИБП, взаимодействующий с сетью, обычно содержит в своей схеме регулирующий трансформатор с несколькими отводами. Это добавляет свойства поддержки выходного напряжения, наиболее близкого к желаемому, путем переключения отводов трансформатора. Это важное свойство при хроническом повышенном и особенно пониженном или напряжении сети. В противном случае ИБП слишком часто переключался бы на батареи. Инвертор в таких ИБП часто выполняется таким образом, что при его отказе выход остается подключенным через трансформатор с отводами ко входу. Это повышает общую надежность. Достоинства этой схемы: компактность, малая стоимость при высокой эффективности работы и способности корректировать выходное напряжение в требуемых пределах без переключения на батареи. Этот тип доминирует среди ИБП мощностью 0,5-5 кВА.

Рис 2 – Line Interactive (ИБП, взаимодействующий с сетью)

На рис.2: • переключатель нагрузки • инвертор • батарея Ограничитель перенапряжения и фильтр не показаны для простоты, но всегда присутствуют на входе этого типа ИБП.

Феррорезонансные ИБП были одно время доминирующими в диапазоне мощностей 3-15 кВА. Схема ИБП такого типа базируется на специальном трансформаторе, имеющим три обмотки и работающем в режиме насыщения. Основной поток мощности в режиме работы от сети идет через переключатель нагрузки на ферротрансформатор и далее на выход ИБП. При отсутствии сетевого напряжения или его ненадлежащем качестве переключатель «открывается» и начинает работать инвертор, преобразующий постоянное напряжение батареи в переменное напряжение для питания нагрузки. Особенность данной конструкции – трансформатор специального типа, имеющий в определенных пределах свойства стабилизации напряжения и «сглаживания» синусоиды. Достоинства: В силу своих принципиальных свойств трансформатор дает развязку от питающей сети и подавляет импульсы и шумы также, как хорошо сконструированный фильтр, а иногда и лучше. Из-за накопления энергии в магнитном поле трансформатора выходное напряжение феррорезонансного ИБП не имеет разрыва в момент исчезновения напряжения в электрической сети. (Однако это все-таки не on-line ИБП, так как инвертор работает здесь в ждущем режиме). Данная схема достаточно надежна. Недостатки: Ферротрансформатор сам создает специфические искажения синусоидальности выходного напряжения, которые для некоторых условий могут оказаться даже менее приемлемыми, чем просто помехи из сети. Другие недостатки – заметный нагрев, опять же в силу свойств ферротрансформатора, который к тому же больше по размерам сравнимого по мощности обычного. Основной же недостаток – нестабильность в работе с нагрузками, имеющими современные блоки питания с корректировкой коэффициента мощности. И это основная причина, по которой такие ИБП сходят со сцены.

Рис 3 – Standby-Ferro UPS (Феррорезонансный ИБП)

На рис.3: • переключатель нагрузки • ферротрансформатор • выпрямитель • инвертор • батарея

Это самая распространенная схема для ИБП мощностью 10 кВА и выше. Принцип построения такого источника (рис 4) практически такой же, как у ИБП с переключением. Различие в том, что в основном режиме при работе от сети вся мощность, потребляемая нагрузкой, проходит через выпрямитель и питает постоянно включенный инвертор. Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, которым и питается потребитель.

Рис 4 – Double Conversion UPS (ИБП с двойным преобразованием )

На рис.4: • переключатель нагрузки • выпрямитель • инвертор • батарея

В этой схеме пропадание сетевого напряжения не приводит к активации никаких переключателей нагрузки, поскольку инвертор работает постоянно. Следовательно, переход в режим работы от батареи происходит практически мгновенно и без каких-либо переходных процессов. Поскольку цепь выпрямитель – инвертор работает постоянно и всегда под полной нагрузкой, такой ИБП имеет сравнительно невысокий КПД и заметно выделяет тепло при работе, это обстоятельство снижает и надежность. Другой недостаток в том, что мощный инвертор сам является нелинейной нагрузкой для сети, отсюда потребляемый им ток отличается от синусоиды, а это в свою очередь может приводить к помехам различного рода в электросети здания. Но ИБП с двойным преобразованием обладает одним неоспоримым достоинством – практически идеальное синусоидальное напряжение на выходе, свободное от помех и гармонических искажений.

Эта схема достаточно новая . ИБП с дельта-преобразованием вышли на рынок в середине 90-х годов 20 века. Основной смысл технологии дельта-преобразования – сохранить принцип двойного преобразования энергии со всеми его достоинствами и одновременно избавиться от недостатков, причем реализовать это в диапазоне мощностей от 5 кВА до 1,6 МВА. Как и в ИБП с двойным преобразованием, инвертор здесь работает постоянно. Однако в схеме присутствует так называемый дельта-конвертор, питающий основной инвертор. При отсутствии питающей сети или иных сбоях питания ИБП с дельта-преобразованием ведет себя также как и ИБП с двойным преобразованием.

Рис 5 – Delta Conversion UPS (ИБП с дельта-преобразованием)

На рис.5: • переключатель нагрузки • дельта-трансформатор • дельта-конвертор • основной инвертор • батарея

Дельта-конвертор служит для двух целей. Во-первых, он отслеживает параметры входного напряжения и за счет специальной петли обратной связи восстанавливает его уровень и форму, а также фазовый сдвиг между током и напряжением. Этот процесс носит плавный, а не ступенчатый, как в линейно-интерактивных устройствах, характер и, следовательно, обеспечивает более стабильное питание нагрузки. Это в целом приводит к уменьшению тепловыделения и повышению КПД. Во-вторых, дельта-конвертор контролирует ток зарядки батареи. ИБП с дельта-преобразованием обладают такими же выходными характеристиками, как ИБП с двойным преобразованием. Но входные характеристики отличаются в лучшую сторону, поскольку это схемное решение обеспечивает динамическую корректировку коэффициента мощности. Это облегчает стыковку с генераторными установками, поскольку при прочих равных условиях ИБП с дельта-преобразованием требуют меньшей мощности генератора. В результате и вся подводящая проводка может быть рассчитана на меньшие значения силы тока. В настоящее время технология дельта-преобразования защищена патентами. Недостаток этой реализации ИБП следующий: высокий КПД и хорошие входные характеристики достигаются при вполне определенных условиях — когда параметры сети соответствуют номинальным значениям, входной импеданс нагрузки имеет только активную составляющую, а сам ИБП нагружен на полную мощность. В противном случае ИБП с дельта-преобразованием могут даже проигрывать системам. Следует также отметить, что ИБП с дельта-преобразованием отличаются более высокой сложностью по сравнению с системами типа с двойным преобразованием.

Заключение

Каждый тип ИБП имеет наиболее подходящую область применения, и не существует такого устройства, которое было бы наилучшим в любой ситуации. Кроме того, помимо схемотехнических различий потребителю следует обращать внимание и на общий уровень качества изделия и его способность к обслуживанию. Эти факторы также имеют свой вес для принятия решения о закупке того или иного ИБП. Следующая таблица сводит воедино основные характеристики ИБП разных типов.