ИБП — основные понятия и расшифровки

ИБП — основные понятия и расшифровки

Источник бесперебойного питания (ИБП) Uninterruptible Power Supply (UPS)
Устройство, использующее для аварийного питания нагрузки энергию аккумуляторных батарей. Их основной задачей является поддержание работоспособности критичной нагрузки в течение незначительного времени от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от ее мощности и емкости батарейного комплекта. Этого времени достаточно либо для устранения неполадок в линии электропередачи, либо для штатного отключения критичной нагрузки.

Критичная нагрузка (Critical Load)
Нагрузка, чувствительная к неполадкам в электросети, грозящим выходом оборудования из строя, нарушением технологического процесса или утратой важной информации. Чтобы предотвратить подобные случаи, для питания такой нагрузки (файловых серверов, рабочих станций, персональных компьютеров, телекоммуникационного и офисного оборудования и др.) следует применять ИБП.

ИБП резервного типа (Off-Line или Standby)
Источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей электросети, а в аварийном переводит ее на питание от аккумуляторных батарей. Достоинством ИБП резервного типа является его простота и, как следствие, невысокая стоимость, а недостатком — ненулевое время переключения (~4 мс) на питание от батарей и более интенсивная их эксплуатация, так как источник переводится в аварийный режим при любых неполадках в электросети. ИБП резервного типа, как правило, имеют небольшую мощность и применяются для обеспечения гарантированного электропитания отдельных устройств (персональных компьютеров, рабочих станций, офисного оборудования) в регионах с хорошим качеством электрической сети.

Линеино-интерактивныи (Line-interactive) ИБП
Источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством (Off-line), дополненной стабилизатором входного напряжения (бустером) на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками. Основное преимущество линейно-интерактивного ИБП по сравнению с источником резервного типа заключается в том, что он способен обеспечить нормальное питание нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети (наиболее распространенный вид неполадок в отечественных линиях электроснабжения) без перехода в аварийный режим. В итоге продлевается срок службы аккумуляторных батарей. Недостатком линейно-интерактивной схемы является ненулевое время переключения (~4 мс) нагрузки на питание от батарей. По эффективности линейно-интерактивные ИБП занимают промежуточное положение между простыми и относительно дешевыми резервными источниками (Off-line) и высокоэффективными, но дорогостоящими ИБП с двойным преобразованием энергии (On-line). Как правило, линейно-интерактивные ИБП применяют для обеспечения гарантированного питания персональных компьютеров, рабочих станций, файловых серверов, узлов локальных вычислительных сетей и офисного оборудования.

Бустер (Booster)
Автоматический регулятор напряжения, построенный на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками. Применяется в ИБП, собранных по линейно-интерактивной схеме, для ступенчатой корректировки входного напряжения в сторону его повышения (пониженное входное напряжение) или понижения (повышенное входное напряжение). Число обмоток бустера определяет диапазон входных напряжений, при которых ИБП обеспечивает нормальное питание нагрузки без перехода в аварийный режим работы.

ИБП с двойным преобразованием энергии (On-line)
Источник бесперебойного питания, в котором поступающее на вход переменное сетевое 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 последний в аварийном режиме. Такая схема построения ИБП позволяет обеспечить практически идеальное питание нагрузки при любых неполадках в сети (включая фильтрацию высоковольтных импульсов) и характеризуется нулевым временем переключения в аварийный режим без возникновения переходных процессов на выходе устройства. К недостаткам схемы с двойным преобразованием энергии следует отнести ее сравнительную сложность, более высокую стоимость, а также снижение общего КПД системы из-за потерь при двукратном преобразовании напряжения. ИБП типа On-line применяют в тех случаях, когда по тем или иным причинам предъявляются повышенные требования к качеству электропитания нагрузки, каковой могут быть узлы локальных вычислительных сетей (сетевое оборудование, файловые серверы, рабочие станции, персональные компьютеры), оборудование вычислительных залов, системы управления технологическим процессом.

Bypass(обход)
Режим питания нагрузки отфильтрованным напряжением электросети в обход основной схемы ИБП. Переключение в режим Bypass, поддерживаемый внутренней схемой ИБП или специальным внешним модулем, может выполняться автоматически или вручную. ИБП, имеющий соответствующую встроенную схему, автоматически переходит в режим Bypass по команде устройства управления при перегрузке выходных цепей или при обнаружении неисправности в жизненно важных узлах. Таким образом нагрузка защищается не только от сбоев в питающей электросети, но и от неполадок в самом ИБП. Возможность ручного включения режима Bypass предусматривается на случай проведения профилактического обслуживания ИБП или замены его узлов без обесточивания нагрузки.

Коэффициент мощности — величина очень универсальная и характеризует не только выходные данные ИБП, как источника электрической энергии для потребителя, но и сам ИБП как нагрузку для трансформаторной подстанции, дизель-электростанции или другого источника электроэнергии.

Коэффициент мощности (Power Factor)
Комплексный показатель, характеризующий линейные и нелинейные искажения формы тока и напряжения в электросети, обусловленные влиянием нагрузки (например, ИБП). Вычисляется как отношение поглощаемой нагрузкой активной мощности к полной. Типичные значения коэффициента мощности: 1 _ идеальное значение; 0.95 — хороший показатель; 0.9 — удовлетворительный показатель; 0.8 — плохой показатель; 0.7 — влияние компьютерной нагрузки; 0.65 — влияние двух-полупериодного выпрямителя. В случае линейных искажений коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига между током и напряжением и в зависимости от значения этого угла может характеризоваться как опережающий или отстающий. Если имеют место только нелинейные искажения формы тока, коэффициент мощности определяется отношением мощности первой гармоники тока к общей активной мощности, потребляемой нагрузкой.

Электрическая мощность (э. м.) — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. При переменном токе произведение мгновенных значений напряжения и и тока i представляет собой мгновенную мощность: р = ui, т. е. мощность в данный момент времени, которая является переменной величиной. Среднее за период Т значение мгновенной Э. м. Называется активной мощностью.

Активная мощность (P) — среднее за период значение мгновенной мощности переменного тока. А. м. Р зависит от действующих значений напряжения U и силы тока I и от косинуса j, где j — угол сдвига фаз между U и I. Единица измерения А. м. — ватт (Вт). В цепях однофазного синусоидального тока Р = UI cosj. Активная Э. м. характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую, световую и т. п.). Э. м., характеризующая скорость передачи энергии от источника тока к приёмнику и обратно, называется реактивной мощностью.

Реактивная мощность (Q) — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи переменного тока. Р. м. Q равна произведению действующих значений напряжения U и тока /, умноженному на синус угла сдвига фаз j между ними: Q = UI sinj. Измеряется в варах.

Полная мощность
Кажущаяся потребляемая нагрузкой (например, ИБП) суммарная мощность с учетом активной и реактивной ее составляющих, а также отклонения формы тока и напряжения от гармонической. Вычисляется как произведение среднеквадратичных значений входного тока и напряжения. Единица измерения: ВА (вольт х ампер).

Выпрямитель
Устройство, преобразующее переменное напряжение электросети в постоянное. Однофазные ИБП оснащаются двух- или четырехполупери-одными выпрямителями, а трехфазные ИБП — шести- или двенадцатиполупериодными.

Инвертор
Устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменное. В зависимости от используемого принципа преобразования различают три основных типа инверторов (см. рисунки): инверторы, генерирующие напряжение прямоугольной формы, инверторы с пошаговой аппрокси-мацией и инверторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Последние обеспечивают наиболее близкую к гармонической форму выходного напряжения. Кроме того, манипулируя шириной отдельных импульсных составляющих ШИМ-сигнала, инверторы автоматически корректируют форму выходного напряжения при работе с нелинейной нагрузкой.

Входной изолирующий трансформатор
Трансформатор, включаемый во входную цепь ИБП для обеспечения гальванической развязки его внутренних узлов и входной электросети. Применяется во избежание короткого замыкания цепей ИБП, комплектуемого негерметичной аккумуляторной батареей с жидким электролитом, если существует вероятность его утечки .Также применяется при необходимости гальванической развязки цепи Bypass.

Выходной изолирующий трансформатор
Трансформатор, включаемый во выходную цепь ИБП для обеспечения гальванической развязки между самим ИБП и его нагрузкой. В трехфазных системах применяется трансформатор «треугольник-звезда». Он образует выходную нейтраль нагрузки, полностью изолированную от входной нейтрали ИБП. Таким образом, удается полностью защититься от помех по входной нейтрали, широко распространенных в промышленных районах.

• Возможность работы с нагрузками любых типов, имеющих различные коффициенты мощности
• Стабильность выходных параметров как при статической, так и динамической нагрузке
• Позволяет реализовать любую из известных питающих силовых схем (систем заземления): TN-C, TN-S, TN-C-S, TT и IT
• Гальваническая изоляция увеличивает помехозащищенность нагрузки как по фазам, так и по нейтрали. Исключается постоянная составляющая выходного напряжения
• Возможность работы с нелинейной и импульсной нагрузкой за счет широкого диапазона допустимого крест-фактора и КНИ тока нагрузки
• Возможность питания как любых однофазных, так и трехфазных нагрузок
• В связи с использованием выходного трансформатора типа «треугольник-звезда» выходная нейтраль формируется заново и все фазные напряжения жестко балансируются
• Возможность работы с несбалансированными до 100% трехфазными нагрузками типа «звезда» и «треугольник»

КПД
Коэффициент полезного действия, определяемый как отношение выходной мощности устройства к потребляемой им от сети.

Нормальный режим работы
Режим работы ИБП, при котором нагрузка питается за счет энергии, отбираемой из электросети, а аккумуляторные батареи отключены или подзаряжаются.

Аварийный (автономный) режим работы
Режим работы ИБП, при котором нагрузка питается энергией аккумуляторных батарей, преобразованной в переменное напряжение.

Виртуальная батарея
Конденсатор большой емкости, подключаемый параллельно аккумуляторной батарее ИБП и выполняющий ее функции при непродолжительных (длительностью не более 1 . 2 с) неполадках в электросети. В результате уменьшается число случаев кратковременного использования основной батареи и увеличивается срок ее службы. Применение виртуальной батареи в сочетании с технологией температурной компенсации зарядного тока — одно из наиболее эффективных решений, позволяющих продлить жизненный цикл аккумуляторных батарей.

Коэффициент нелинейных искажений (КНИ)

Показатель, характеризующий степень отличия формы напряжения или тока от синусоидальной. Типовые значения КНИ:
• 0% — синусоидальная форма сигнала;
• 3% — форма сигнала отлична от синусоидальной, но искажения не заметны на глаз;
• 5% — отклонение формы сигнала от синусоидальной заметно на глаз;
• до 21% — сигнал имеет трапецеидальную или ступенчатую форму;
• 43% — сигнал имеет прямоугольную форму;

ТНD-фильтр
Устройство, устанавливаемое во входной цепи ИБП для уменьшения ее влияния на форму напряжения в питающей электросети. Поскольку входным узлом любого мощного ИБП, построенного по схеме с двойным преобразованием (Оп-Ыпе), является выпрямитель, элемент нелинейный и потребляющий большой импульсный ток, такой ИБП становится причиной «загрязнения» электросети. Применение ТНО-фильтра позволяет в существенной мере ослабить подобное «загрязнение».

Температурная компенсация зарядного тока батарей
Технология, применяемая ведущими производителями ИБП, для продления срока службы аккумуляторных батарей. Как известно, герметичные батареи крайне чувствительны к величине зарядного тока, оптимальное значение которого зависит от температуры окружающей среды. Технология температурной компенсации зарядного тока позволяет автоматически корректировать режим заряда батарей в соответствии с изменениями внешних условий и тем самым продлить жизненный цикл аккумуляторов в несколько раз.

Последовательное резервирование
Техническое решение, направленное на повышение надежности системы питания нагрузки путем последовательного (каскадного) соединения нескольких ИБП, один из которых является основным, а другие — резервными (см. рисунок). Для соединения по такой схеме каждый ИБП должен иметь отдельный вход цепи Bypass. В то время как основной ИБП питает нагрузку, резервные источники работают в холостом режиме, потребляя минимальную мощность. При обнаружении признаков неисправности внутренних узлов основной ИБП переключается в режим Bypass, и всю нагрузку берет на себя следующий по схеме резервный источник. ИБП, соединенные по схеме с последовательным резервированием, могут иметь собственные аккумуляторы или подключаться к единому для всех комплекту батарей для увеличения времени работы системы в автономном режиме.

Параллельное резервирование, наращивание мощности системы
Техническое решение, направленное либо на повышение надежности (аппаратное резервирование), либо на увеличение общей выходной мощности системы (масштабирование). Оно предусматривает параллельное соединение нескольких одноранговых ИБП с объединением их входов и выходов. Работоспособность такой системы обеспечивается специальной схемой синхронизации фаз выходного напряжения. В случае аппаратного резервирования при исправности всех соединенных параллельно ИБП нагрузка равномерно распределяется между ними, а в случае выхода из строя одного из источников — перераспределяется между исправными. В схеме с параллельным резервированием допускается применение как отдельных аккумуляторов для каждого ИБП, так и общего комплекта батарей.

Крест-фактор нагрузки (Crest Factor)
Показатель, характеризующий способность ИБП питать нелинейную нагрузку, потребляющую импульсный (нелинейный) ток.

Как устроен и принцип работы

Все источники бесперебойного питания состоят из одной или нескольких аккумуляторных батарей, а также специальных элементов, позволяющих сгладить все возмущения и скачки питающей сети. В конструкции присутствуют фильтры для нормализации формы кривой напряжения. В ИБП присутствуют инверторы и выпрямители преобразования тока электросети.

В качестве внутренних источников электропитания применяются аккумуляторные батареи кислотного типа со свинцовыми пластинами. При падении напряжения они подпитывают потребители некоторое время, что позволяет отключить прибор без опасности выхода из строя основных элементов. Источники питания внутри UPS изготавливаются необслуживаемого типа, благодаря чему исчезает необходимость постоянного наблюдения и профилактики.

Пассивный ИБП

Фильтр защищает выход устройства и его электронику от выбросов напряжения, которые нередко бывают в электрической сети.

Переменное напряжение сети выпрямляется выпрямителем и (через зарядное устройство, которое на схеме не изображено) подзаряжает аккумулятор.

В обычном режиме, когда уровень напряжения в сети не выходит за пределы нормы, отфильтрованное сетевое напряжение проходит через ключ на выходные разъемы ИБП и питает нагрузку. Как только оно выходит за пределы или исчезает, начинает работать инвертор. Он превращает постоянное напряжение от аккумулятора в переменное с необходимой амплитудой, которое через ключ поступает на нагрузку.

При этом аккумулятор может отдавать достаточно большой ток, так как нагрузка – например, компьютер с монитором – может потреблять мощность 200 Вт и более. Как только входное сетевое напряжение вошло в пределы нормы, контроллер отключает инвертор и подает на выходы ИБП отфильтрованное сетевое напряжение.

Если же оно длительно отсутствует, контроллер отключает устройство, предохраняя аккумулятор от глубокого разряда.

5. Правила подбора ИБП

ИБП подбираются по нескольким параметрам. Это:

• Время работы;
• Характеристики нагрузки;
• По рекомендациям производителей;
• По специальным формулам.

Бесперебойник должен дать пользователю время для корректного закрытия приложений открытых на его компьютере. Это время зависит от мощности потребляемой нагрузки, от вида нагрузки. Ведь в качестве нагрузки может быть не только бытовой компьютер, но и сервер, на котором хранятся очень важные данные, или газовый котел, электроника которого должна быть защищена, но не так критична по требованиям.

5.1. Как рассчитать время работы ИБП

На каждом ИБП имеется маркировка, сообщающая о параметрах устройства. Простой расчет возможен по мощности, которую обеспечивает бесперебойник и мощности потребителя. Мощность нагрузки (самое простое: можно увидеть мощность блока питания компьютера на маркировке) не должна быть выше мощности объявленной производителем источника бесперебойного питания. Тогда у Вас гарантировано будет время (приблизительно 15-20 минут) для корректного выключения компьютера.

5.2. Факторы, влияющие на время работы

Как уже было сказано это:

• Потребляемая мощность и характер потребления;
• Емкость батарей и их техническое состояние;
• Сила тока зарядного устройства ИБП.

Нагрузка может иметь различный характер. Соответственно учитываются потери при передаче энергии от АКБ до нагрузки. Для этого используют различные коэффициенты. Для компьютера обычно выбирают коэффициент 0,85.

Аккумуляторы имеют емкость (измеряются в ампер-часах), и напряжение заряда. Со временем их емкость снижается. На скорость выхода из строя влияют:

• Потребляемая мощность – должен быть запас по мощности;
• Условия и частота включения – количество циклов заряда/разряда ограничены;
• Глубина разряда – нельзя чтобы АКБ разряжалась до 0%;
• Рабочая температура АКБ – при температуре выше 40 градусов батарея разряжается быстрее.

5.3. По рекомендации производителя

Как выбрать ИПБ

Производитель ИБП с большой точностью может прогнозировать время автономной работы так как перед началом выпуска в продажу тщательно тестирует свою продукцию. Поэтому на его рекомендации всегда можно опереться при подборе бесперебойника.

5.4. По формулам

Для расчета времени работы есть усредненный расчет времени автономной работы:

Емкость аккумулятора (Ампер-час) * напряжение аккумуляторов (вольт)/ постоянную нагрузку (Ватт)

То есть если емкость АКБ – 50 Ампер-часов, напряжение – 12 В, мощность нагрузки -600 Вт, то 50*12/600 = 1 час. Это и будет время автономной нагрузки.

Есть уточненная формула:

tибп = Uакб * Сакб * N * K * Кгр * Кде/ Рнагр

tибп — время автономной работы ИБП при отключении сети, ч;
Uакб — напряжение одной аккумуляторной батареи, В;
Сакб емкость аккумуляторной батареи, А* ч;
N — количество аккумуляторов в батарее;
K — КПД преобразователя (h=0,75-0,8);
Кгр — коэффициент глубины разряда 0,8 –0,9 (80%-90%);
Кде — коэффициент доступной емкости 0,7 – 1,0 (зависит от режима разряда и температуры);
Рнагр — мощность нагрузки.

6. Дополнительные функции

Кроме основной функции ИБП – обеспечение питания аппаратуры электроэнергией при сбоях в подаче электроэнергии все источники бесперебойного питания имеют в своем составе фильтры ограничивающие импульсные помехи. Более серьезные еще регулируют напряжение на входе. Бесперебойник с двойным преобразованием обеспечивают гальваническую развязку входа и выхода надежно защищая от всяких «энергетических катаклизмов».

6.1. Синхронизация с ПК

В комплект поставки входит специальная программа, позволяющая подключить ИБП к компьютеру и контролировать ситуацию с электропитанием. Подключение производится через USB-, RS-232- или RJ-45 разъем.

6.2. Холодный старт

Это возможность включить компьютер с ИБП при отсутствии внешнего электропитания и последующей работы. Например, срочная отправка или прием почты.

6.3. Розетка

Выход ИБП может оборудован несколькими розетками различного типа.

• Обычная евророзетка (CEE 7/4);
• Компьютерная (IEC 320 C13 или IEC 320 C19);