10.11.2006. Системы бесперебойного и резервного электроснабжения

Источники бесперебойного питания
Отличительные особенности существующих классов ИБП могут быть нагляднее всего оценены при рассмотрении поведения источника в различных режимах работы. Ниже перечисляются эти режимы и основные факторы, требующие внимания:
Питание нагрузки при наличии напряжения во входной сети.
Это основной режим работы любого ИБП. Для случаев, когда напряжение отсутствует большую часть времени, использование отдельно стоящего ИБП является плохим решением и здесь требуются дополнительные источники электроэнергии, например дизель-генератор. При работе от сети источник выступает для нагрузки ограничителем и фильтром сетевых помех, а в некоторых классах, еще и стабилизатором напряжения. От защитных свойств, демонстрируемых ИБП, напрямую зависит качество работы и срок службы запитанного от него оборудования.
Питание нагрузки при работе от встроенных аккумуляторов.
При полном отключении питания или выходе напряжения в сети за определенный диапазон (чрезмерном повышении или понижении) любой ИБП переходит на работу от встроенных батарей. В этом случае выходное переменное напряжение генерируется инвертором получающим энергию от аккумуляторных батарей. Форма и стабильность генерируемого напряжения является основополагающей характеристикой ИБП при работе от батарей. Идеальной формой выходного сигнала является гладкая синусоида.

Переход на аккумуляторы и обратно.
Любой ИБП имеет диапазон входного напряжения, при котором он способен работать без перехода на аккумуляторы. Другой основополагающей характеристикой является время перехода на аккумуляторы и обратно. В этот момент большинство классов ИБП не в состоянии обеспечить непрерывность выходного сигнала. Чем шире диапазон допустимого входного напряжения, тем реже ИБП переходит на аккумуляторы, желательно также, чтобы время этого перехода было как можно меньше.

Все имеющиеся в настоящий момент на рынке ИБП условно можно разделить на три класса.

Off-line или Standby
Принцип работы таких источников понятен из названия - нагрузка (т. е. Ваш потребитель) через некий сетевой фильтр напрямую связан с городской электросетью. При отключении входного напряжения, ИБП Off-line переходит на питание нагрузки инвертором от встроенных аккумуляторов. К недостаткам этих устройств следует отнести:

• отсутствие хорошей фильтрации и стабилизации выходного напряжения, выходное напряжение при работе от сети всегда равно входному;
  даже при незначительных падениях и бросках напряжения ИБП переходит в режим работы от встроенных аккумуляторов;
• время перехода на аккумуляторы и обратно (период непредсказуемых последствий) 5-20мсек;
  в некоторых ситуациях время переключения может утраиваться;
• большинство моделей при работе от аккумуляторов не воспроизводят на выходе напряжение синусоидальной формы;
  Гибридные (Line-interactive, Ferroresonant, и др.).Принцип действия в основном аналогичен Off-line, но с целью подавления некоторых видов помех и улучшения работы потребителей при длительном падении или повышении напряжения в этих источниках используются различные дополнительные устройства ("бустеры", "кондиционеры линий" и др.). Недостатки Гибридных  ИБП те же, что и у Off-line, кроме этого, их регулирующие напряжение узлы могут порождать устойчивые искажения выходного сигнала и непредсказуемые переходные процессы

On-line c двойным преобразованием
ИБП преобразует 100% поступающего к нему на вход переменного тока в постоянный (т. н. выпрямление), а затем выполняет обратное преобразование. Это своего рода электростанция, преобразующая всю поступающую на вход "грязную" энергию в "чистую", т. е. свободную от помех и каких-либо искажений, и поэтому идеально подходящей для питания сложных потребителей. ИБП класса On-line обеспечивают прецизионную стабилизацию величины и формы выходного напряжения и полную фильтрацию любых помех, возникающих в электросети. Кроме этого, как правило, они корректируют Км (коэффициент мощности) нагрузки, снижая, таким образом, ток потребления от сети, благодаря чему не нужно устанавливать более мощные защитные автоматы и применять провода увеличенного сечения, чем в случае применения ИБП других классов. При их переходе на аккумуляторные батареи полностью отсутствуют переходные процессы у выходного напряжения.

On-line c дельта-преобразованием
Преимущества этого принципа заключаются в том, что двойному преобразованию подвергается не вся энергия, потребляемая от сети, а только ее часть (примерно 20%, отсюда и название принципа дельта-преобразование). Такой части энергии, как правило, достаточно для компенсации отклонений входного напряжения от номинального значения, и соответственно поддержания стабильного выходного напряжения, а это ведет к уменьшению потерь и естественно повышению КПД.
У таких источников выпрямитель на входе отсутствует, а это резко снижает коэффициент не синусоидальности входного тока, без применения специального входного фильтра.

Кроме этого значительно повышается входной коэффициент мощности [Км] до 1.
Все эти особенности позволили не ставить на входе дополнительных фильтров и минимизировать реактивную мощность ИБП, а при стыковке такого ИБП с дизель-генераторной установкой (ДГУ) принимать коэффициент запаса по мощности ДГУ не более 1,3.

Если попытаться проанализировать эти классы то можно увидеть, что такая характеристика как время перехода на аккумулятор присутствует только у ИБП классов Off-line и Гибридных. Типовое значение времени перехода на аккумулятор у этих классов, составляет 4-5 мсек. Однако следует иметь в виду, что это верно лишь при обрыве входной линии. В случае, когда входное напряжение исчезает за счет короткого замыкания на входе или отключения питания на трансформаторной подстанции, оно может увеличиться в 4-6 раз. Теоретически современные компьютеры способны выдержать без мгновенных последствий единичный перерыв в питании продолжительностью до 15 мсек., но с более длительными перерывами уже приходится считаться, особенно неприятные последствия могут произойти, если компьютеры связаны в ЛВС.

Off-line и Гибридные ИБП
Выходное напряжение при работе в автономном режиме имеет, как правило, прямоугольную или ступенчатую формы. Многие ошибочно полагают, что форма выходного напряжения не важна для компьютерной нагрузки, но коэффициент нелинейных искажений (КНИ) у такого напряжения может достигать 50% или 30% соответственно. В рекомендациях специалистов МЭКа (Международной Электротехнической Комиссии) однако говорится, что выходное напряжение должно иметь гладкую синусоидальную форму, а в отдельных статьях даже указывается, что КНИ не должен превышать 5%.

Такое понятие, как стабильность выходного напряжения у ИБП Off-line вообще отсутствует, так как выходное напряжение всегда равно входному, если источник не работает от аккумуляторов. Как правило, диапазон входного напряжения у Off-line без перехода на аккумуляторы равен 187-264 В. Поэтому точно так же будет изменяться и выходное напряжение. У Гибридных диапазон входного напряжения несколько шире, как правило, 176-264 В, а выходное напряжение при этом изменяется в пределах 187-264 В. Расширение нижней границы входного диапазона обусловлено так называемым "бустером". Фактически бустер представляет собой автотрансформатор с отводами, который ступенчато или поднимает выходное напряжение, или снижает его. Таким образом, говорить о стабилизации напряжения Гибридными ИБП также не приходится.

ИБП класса On-line ИБП класса On-line с двойным или дельта-преобразованием энергии, во-первых, не имеют времени перехода на аккумуляторы (оно равно нулю). Таким образом, при переходе на аккумулятор или обратно выходная синусоида не имеет разрывов или каких-либо других искажений. Во-вторых, форма выходного напряжения всегда синусоидальная и не зависит от формы, частоты и величины входного напряжения, и следовательно, электромагнитная совместимость этих ИБП неизмеримо выше, чем Off-line и Гибридных.

Описанные выше принципы построения ИБП On-line имеют, помимо перечисленных, еще множество чрезвычайно полезных для пользователя следствий, например:

Гальваническая развязка
Высококачественные On-line, за исключением особо малых, ИБП обычно имеют. так называемую. гальваническую развязку, т.е. в них отсутствует замкнутая электрическая цепь между входом и выходом (т.о. электроцепи "до" и "после" прибора не связаны проводниками между собой), что существенно улучшает помехоустойчивость защищаемого оборудования.

Ресурс аккумуляторов
Стоимость аккумуляторов составляет 40-50% от стоимости ИБП класса On-line. Ресурс аккумуляторов, как известно, определяется количеством циклов заряд-разряд, температурой окружающей среды, оптимальностью зарядного и разрядного тока и их периодическими "тренировками".
Количество циклов заряд-разряд определяется диапазоном входного напряжения - чем он шире, тем реже ИБП переходит в автономный режим. Наиболее комфортная температура для аккумуляторов 20-25С, при понижении снижается их емкость, при повышении увеличивается их саморазряд. Оптимизация зарядного и разрядного тока выполнена в них аппаратными средствами, а чтобы осуществлять тренировку аккумуляторов в ИБП встроен таймер, который каждые 28 дней включает аккумуляторы на внутреннюю нагрузку, определяя их емкость, после этого производится автоматический подзаряд батарей. Если емкость батарей ниже 75% первоначальной, пользователь получает соответствующее предупреждение. Благодаря этому ресурс аккумуляторов в On-line ИБП составляет не менее 6-10 лет.

Режим Ву-Раss
By-Pass представляет собой режим, при котором нагрузка питается непосредственно от внешней сети через фильтр, в некоторых моделях еще и через трансформатор гальванической развязки, находящиеся в ИБП. Различают By-Pass автоматический и ручной.
Автоматический By-Pass включается при перегрузках ИБП, например, при включении нагрузки, пусковая мощность которой в 3 - 7 раз выше номинальной, при отказах, возникающих внутри источника, при перегреве и т.п. Без автоматического By-Pass невозможно построение некоторых резервированных систем бесперебойного питания. При резервировании входы ИБП и By-pass должны быть раздельными. Вход основного ИБП питается от сети, а вход By-Pass от стоящего в горячем режиме резервного. В случае отказа основного ИБП он автоматически переключается в By-pass и нагрузка получает питание от резервного. Существуют и другие архитектуры систем бесперебойного питания, в которых необходимо наличие автоматического By-Pass.
Ручной By-pass необходим при ремонтах, регламентных работах, производимых с ИБП, для обеспечения непрерывности в питании нагрузки.
Таким образом, наличие режима By-Pass позволяет экономить на мощности ИБП (выбирать ИБП без учета пусковой мощности защищаемого оборудования), повышает надежность, обеспечивает гибкость при создании сложных систем бесперебойного питания, создает удобства при обслуживании и ремонте ИБП.
 

Холодный старт
Холодный старт - это режим автономного запуска ИБП при отсутствии напряжения во входной сети. Далеко не все ИБП имеют такую возможность. "Холодный старт" обеспечивает дополнительные удобства, например возможность срочно передать факс или вывести какой-либо файл на принтер при отсутствии напряжения в сети.

Следовательно:
ИБП On-line - идеальная защита для нагрузки даже в таких критических ситуациях, как удары молний или статические разряды в элементы электросети. В этом случае все воздействие возникающего электрического пика принимает на себя выпрямитель ИБП, а нагрузка продолжает получать чистое питание без помех и сбоев.
Нагрузка, запитанная через ИБП класса On-line, не может быть выведена из строя или повреждена путем "электро" диверсии (целенаправленного воздействия на электроприбор или группу приборов через внесение специально подобранной последовательности возмущений в питающую их электросеть).
ИБП On-line является единственной абсолютно надежной защитой от попыток считывания информации с компьютера путем анализа его обратного воздействия на электросеть. 

Из-за высоких технических показателей источников класса On-line в последнее время некоторые производители, не владеющие соответствующими технологиями, а также их торговые партнеры, выдают свои ГИБРИДНЫЕ источники за On-line. Основополагающим признаком, отличающим все ИБП этого класса, является следующий - если поступающий на вход источника ток, претерпевает как минимум двойное преобразование (переменный ток-постоянный-переменный), тогда ИБП относится к классу On-line, иначе - нет.