Как работает ИБП? Все типы бесперебойников

Ippon Back Office 600, нет зарядки аккумулятора

Функция, которую выполняет источник бесперебойного питания (сокращенно — ИБП, или UPS — от английского Uninterruptible Power Supply), максимально полно отражена в самом его названии. Являясь промежуточным звеном между электросетью и потребителем, ИБП должен в течение определенного времени поддерживать электропитание потребителя.

Источники бесперебойного питания
незаменимы в тех случаях, когда последствия перебоев в электроснабжении могут иметь крайне неприятные последствия: для резервного питания компьютеров, систем видеонаблюдения, циркуляционных насосов систем отопления.
Подробнее про ИБП

ИБП резервного класса

ИБП этого класса, относят к самым простым. Это устройство работает по очень простому принципу – питание потребителей осуществляется через электрическую сеть, если питание пропадает, то оно начинает поступать от АКБ, являющихся неотъемлемой частью устройства. Зарядку аккумуляторов происходит при работе устройства от сети. Статистика говорит о том, что эффективность таких приборов лежит в диапазоне от 55 до 60%.

Большая часть приборов этого класса работают по описанной технологии. Как правило, их используют для защиты компьютера в домашних условиях. Особенно актуально использование такого изделия для тех, кто живет за пределами городской черты. Но, так сложилось, что обеспечивают предельно низкий уровень защиты. Очистка сигнала от помех осуществляется только частично. Довольно часто такого уровня защиты хватает для потребителей, установленных дома, но в производственных условиях качество электрического питания должно быть выше.

Резервные источники хорошо работают в связке с домашним компьютером, но они физически не могут работать с насосными станциями или отопительными котлами. Дело в том, что источники резервного типа не в состоянии обеспечить синусоидальный тип напряжения. Если для такого прибора как домашний компьютер – это некритично, то для более сложных устройств, это может привести к выходу их из строя.

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.

Зарядка

Поскольку встроенные в UPS аккумуляторы автоматически поддерживаются в заряженном состоянии, нет необходимости в их дополнительной зарядке. Если аккумулятор был полностью разряжен, ряд моделей бесперебойников в момент включения могут индицировать неисправность аккумулятора, однако по мере набора им заряда индикация прекратится.

Как правило, при первом включении ИБП ему нужно 5-6 часов для полной зарядки аккумулятора. Ряд нюансов эксплуатации зависят от типа применяемого аккумулятора:

• Наиболее дешевые аккумуляторы, выполненные по технологии AGM (ошибочно либо намеренно могут называться продавцами гелевыми) не рекомендуется длительно оставлять разряженными, так как это ведет к их деградации и потере емкости. Если ИБП не используется длительное время, стоит регулярно включать его вхолостую, чтобы поддержать заряд аккумулятора.
• Настоящие гелевые аккумуляторы дороже, но без последствий переносят длительный глубокий разряд. Одновременно они более чувствительны к перезаряду, что может произойти при установке в ИБП батареи емкостью меньше, чем рассчитано.

Лучшие производители ИБП

Производителем ИБП №1 в мире является компания APC (American Power Conversion), которую некоторое время назад поглотила французская энергетическая компания Schneider Electric. Именно ИБП от APC используют крупные компании и предприятия по всему миру, так как они являются самыми надежными.

Да, стоят они в 1.5-2 раза дороже чем ИБП дешевых китайских брендов типа Mustek, Ippon, CyberPower. Но APC сделаны значительно качественнее, внутри установлены мощные электрические компоненты, способные обеспечить надежную защиту вашему ПК.

В дешевых китайских ИБП используется соответствующая элементная база и внутри они больше похожи на радиоприемник, чем на серьезное силовое устройство.

Такой ИБП не только не сможет защитить ваш компьютер в критичный момент, но может ни с того ни с сего сгореть сам, утянув на тот свет ваш системный блок или монитор. Не стоит приобретать такие ИБП, так как силовое оборудование должно быть мощным, надежным и не может стоить так дешево.

Конечно, есть еще и другие более-менее надежные ИБП такие как INELT, Stark, отечественные Бастион и Энергия. Но стоят они практически также как APC, при этом имея ограниченный модельный ряд и не всегда удачную конфигурацию разъемов.

Если вы хотите иметь действительно надежный и практичный ИБП, который защитит ваш ПК, а не просто для самоуспокоения, то приобретайте APC.

Однако, стоит отметить, что после перехода компании APC под крыло французов, качество бюджетных моделей снизилось, что отмечают многие пользователи. Корпус стали делать из дешевого пластика с едким запахом, а сами ИБП стали чаще выходить из строя. Поэтому лучше брать либо старые проверенные модели из серии Back-UPS BK (в корпусе из белого пластика), либо уже что-то подороже из серии Back-UPS Pro (всесторонняя защита) или Smart-UPS (самые качественные и надежные). В принципе еще неплохие и удобные Back-UPS BE (паук с евро розетками), они подходят для не очень мощных ПК. Больше всего нареканий на современные серии BX и BC, но и они лучше дешевого китайского хлама.

Еще из довольно качественных БП рекомендую EATON и Legrand, они лучше самых дешевых APC и стоят лишь немного дороже. Есть еще отличные General Electric на уровне наиболее качественных APC, но стоят не дешево. В качестве наиболее бюджетного вариант могу посоветовать только Powercom, но не самые дешевые RPT, а как минимум из серии BNT, PTM или SPD (пауки), еще лучше IMP/IMD или KIN. В общем по возможности, в любом случае вы не прогадаете и искать что-то дешевле от других брендов смысла нет.

Информация о компании-изготовителе

Данный бренд является собственностью организации из Гонконга (Nippon Klick Co). Они пользуется широким спросом, несмотря на непродолжительное функционирование (с 2002 г.). Продукция данной марки находится в тройке лидеров. Этому способствовало расширение ассортимента. Если на первых порах ИБП компании Ippon существовал в бытовом и офисном исполнении, то с 2012 г. был запущен в производство аппарат более мощный – для питания промышленной техники и серверных шкафов.

ИБП марки Ippon ориентирован на российского потребителя, стало быть, значительный вклад в популярность обусловлен именно этим. Помимо средств защиты энергоснабжения в качестве ИБП компания Ippon предлагает также стабилизаторы напряжения, сетевые фильтры, автомобильные инверторы, зарядные устройства.

Как выбрать бесперебойник для компьютера

При выборе устройства стоит ориентироваться по мощности прибора, длительности его автономной работы. Исходя из данных параметров, следует тщательно подбирать подходящий ИБП.

Стоит обращать внимание на вид компьютерного UPS. Их всего три:

1. Линейно-интерактивный (или просто интерактивный);
2. С двойным преобразованием;
3. Резервный.

О них подробнее будет идти речь позже.

Если Вы выбираете бесперебойник онлайн, не стоит делать выбор по выложенным фото, они могут обмануть. Стоит посмотреть обзоры от экспертов, желательно — видеообзоры.

Очень важно: не стоит переплачивать за излишние функции, которые Вам не понадобятся.

Есть другие параметры, очень важные при подборе. О них будет сказано отдельно. Расскажем о самых главных.

По мощности оборудования

Первоначально стоит выяснить на какую мощность рассчитан бесперебойник. Зачем покупать слишком мощное устройство, если расчетный суммарный показатель подключаемой к UPS (источнику бесперебойного питания) оргтехники будет намного ниже? Вдобавок за лишние киловатты придется доплачивать.

Очень важно: помните, что игровой компьютер потребляет больше КВт.

Так что перед покупкой UPS следует тщательно проанализировать и рассчитать общую мощность подключаемой техники. С другой стороны, если мощь используемой оргтехники будет недооценена и будет куплен ИБП с недостаточными параметрами, последний не сможет полностью исполнять свои обязанности.

На всех приборах и технике указывается потребляемые киловатты (номинальная мощность). Следует проверить этот параметр на всех планируемых к подключению устройствах, сложить их. У источников бесперебойного питания обычно указывается выходная мощность, выраженная в вольт-амперах (ВА), следует предварительно знать ее. Первый показатель нужно перевести во второй. Сделать это можно по формуле:

Pвых = Pном/k, где Pном — номинальная мощность, k — коэффициент мощности.

Последний показатель указывается в технических характеристиках, он колеблется от 0,1 до 1.

Выходная мощность всех подключаемых приборов должна быть на 25 — 30 процентов меньше таковой у ИБП.

Коэффициент мощности UPS не должен быть меньше подобного у используемой техники.

По длительности автономной работы

Длительность автономной работы бесперебойника зависит от емкости используемого в нем аккумулятора. Чем больше емкость устройства, тем дольше оно сможет работать, будучи отключенным от электросети. Не последнюю роль играет правильно проведенный расчет по мощности. Чем больше последний показатель у UPS, менее мощная используемая техника, тем дольше сохранится автономный режим.

Большинство UPS рассчитываются на автономную работу от 5 минут до 10 минут, времени хватает на корректное отключение компьютера. Есть приборы, возможность автономной работы которых доходит до 12 часов. С подобными бесперебойниками можно вообще не беспокоиться об отключении электроэнергии — обычное отключение ограничивается несколькими часами. Но стоят такие UPS намного больше своих «обычных» собратьев.

Стоит определиться, нужно ли покупать подобную модель. Возможно, подойдет обычное устройство.

По другим характеристикам

Мощность, возможное время автономной работы — наиболее важные характеристики при выборе UPS, но есть другие, на которые стоит обратить внимание.

Во-первых, нужно посмотреть число разъемов у UPS. Каждый потребитель должен знать наперед, сколько и каких приборов (если есть система непрерывного видеонаблюдения, надо учесть ее) будет подключено к устройству. Некоторые UPS снабжены специальными разъемами для защиты от перепадов электричества телефонных и информационных линий, что бывает важно при использовании телефонного подключения к Интернету. Вообще в ИБП могут быть использованы следующие разъемы:

• Розетки, подключающие технику к аккумулятору;
• Розетки, которые подключают UPS к стабилизатору без подключения к батарее;
• Разъем подключения бесперебойника к электросети;
• Разъем подключения сетевых и телефонных линий;
• Разъем для управления ИБП с компьютера;
• Разъем для диагностики и мониторинга (USB, COM).

Не только компьютеры нуждаются в защите от перепадов напряжения, лишние входы для розеток могут быть весьма кстати.

Во-вторых, важной функцией является способ индикации прибора. Недорогие модели оборудуют обычными светодиодами. Зеленый цвет говорит о нормальном состоянии устройства, тогда как красный — о поломке. Дорогие UPS снабжены ЖК-дисплеями, тут выводится самая важная информация о работе ИБП.

В-третьих, не последний фактор — фирма-производитель. Каждая отрасль имеет своих лидеров, производящих оборудование лучше своих конкурентов. Лучшие бесперебойники выпускают фирмы: Ippon, Luxeon, Powerman, P-Com, APC, Mustek, CyberPower, Eaton, SVEN, 3Cott, Inelt, наши Энергия и Бастион.

Все перечисленные характеристики необходимо учитывать при покупке, чтобы не быть разочарованным впоследствии.

Выше говорилось, что существуют три вида источника бесперебойного питания: резервный, интерактивный и с двойным преобразованием. Для каждого случая подойдет тот или иной вид бесперебойника. Более подробно расскажем об их применении, выполняемых ими функциях далее.

Резервный

Такой вид бесперебойника устроит потребителя, редко сталкивающегося с отключением электроэнергии, скачками напряжения. Резервный UPS является для подобного случая наиболее оптимальным вариантом. Автономная работа ограничивается 5 — 10 минутами, вполне достаточно, чтобы отключить компьютер от сети.

Интерактивный

При частых перебоях и скачках электроэнергии следует приобрести интерактивный UPS. Стоят они дороже резервных аналогов, но их выбор обходится дешевле, чем ремонт оргтехники после воздействия подобных казусов.

Цена выше, чем у предыдущего вида прибора во многом из-за использования более сложной схемы. Она позволяет при скачках не переходить в автономный режим, а выравнивает напряжение благодаря встроенному трансформатору. Аккумулятор включается только во время экстренных ситуаций, когда не удается добиться нормальной, стабильной подачи электричества.

С двойным преобразованием

Самыми дорогими являются источники с двойным преобразованием. Их покупка оправдана, когда речь заходить о бесперебойной эксплуатации серверов.

Их принцип работы намного сложнее, чем у упомянутых ранее бесперебойников. Питание на подключаемые устройства подается как от сети, так и от аккумулятора UPS. Сетевое напряжение подается на фильтр оборудования, происходит сглаживание перебоев, подавление высокочастотных помех. Затем происходит выпрямление тока при помощи диодов. Далее выпрямленное электричество подается на инвертор, там оно снова становится переменным, подается на потребляющие его устройства.

Применять подобный ИБП с домашним компьютером нецелесообразно.

Три основные типа ИБП

Off-line (Back-UPS, резервный, Standby) источник бесперебойного питания

Принцип действия бесперебойника такого типа очень простой:

Пока в сети есть электроэнергия в пределах установленных значений, ИБП подает на подключенные устройства напряжение напрямую от сети, одновременно подзаряжая батарею. Питание, проходящее через UPS, при этом не регулируется, фильтрация импульсов и помех происходит на самом простом уровне, с помощью пассивных фильтров. Форма сигнала соответствует сигналу сети, т. е. синусоиде.

Как только напряжение в сети пропадает, ИБП переходит на питание от батарей. Инвертор, преобразующий постоянный ток от аккумулятора в переменный ток на выходе, в UPS этого типа установлен один из самых простых, поэтому форма сигнала не соответствует правильной синусоиде. Максимум, что предпринимают производители — несколько приближают ее к синусоиде, делая ступенчатой.

На автономное питание off-line УПС переходит также в том случае, если уровень напряжения в сети падает ниже или поднимается выше пороговых значений, они могут быть разными в зависимости от марки бесперебойника.

Время переключения на аккумуляторы в различных моделях составляет от 5 до 20 мс. Это сравнительно много, и для некоторых моделей оборудования такая долгая задержка может неблагоприятно сказаться на работе . Длительное срабатывание реле связано с тем, что устройству необходимо, чтобы в момент включения автономного питания фазы напряжений сети и батарей совпадали, а поскольку они не синхронизированы, на это уходит некоторое время.

Схема работы источника бесперебойного питания резервного типа.

Плюсы Standby UPS:

• недорогая цена,
• высокий КПД,
• бесшумная работа.

Недостатки:

• долгое переключение на работу от батареи (от 5 до 20 мс);
• форма выходного сигнала — не синусоида;
• фильтрация помех, шумов и импульсов на линии довольно грубая;
• нет регулировки напряжения и частоты при работе от сети.

Линейно-интерактивные ИБП



Пример линейно-интерактивного ИБП: модель AEG Protect ALPHA 1200

Этот тип источников бесперебойного питания покупатели выбирают чаще всего, так как он оптимально сочетает функциональность и цену.

В принципиальную схему работы линейно-интерактивных UPS включен AVR — модуль автоматической регулировки входящего напряжения сети. То есть, в отличие от UPS резервного типа, он не просто пропускает сквозь себя питание, но и стабилизирует его, правда не плавно, а ступенчато.



При работе от сети при нормальном уровне напряжения линейно-интерактивный источник бесперебойного питания пропускает входящий сигнал через пассивные фильтры помех и шумов, одновременно заряжается батарея.





При повышении или понижении напряжения в сети, линейно-интерактивный ИБП производит его ступенчатую корректировку. При достижении напряжением определенного порога, AVR понижает или понижает его на фиксированную величину (или процент). Таких порогов-ступеней в схеме работы AVR может быть прописано несколько, также для работы с пониженным и повышенным уровнем может быть предназначено разное количество ступеней корректировки (например, 2 — для повышения, и 1 — для понижения).







Если напряжение в сети падает или поднимается до значений, которые лежат вне доступного входного диапазона бесперебойника, устройство переходит на работу от батарей, так же как и в случае полного отключения электроэнергии. Эти минимумы и максимумы могут различаться в зависимости от загруженности ИБП. К примеру, если UPS загружен на 70%, а вольтметр показывает 160В в сети, бесперебойник переключается на аккумуляторы. А при загрузке на 30% и напряжении в 150В он все еще производит регулировку при помощи AVR-трансформатора.





Часть линейно-интерактивных моделей ничем не отличаются по форме выходного сигнала от бесперебойников резервного типа: у них ступенчатая синусоида. Некоторые производители, особенно с ростом спроса ИБП для котлов, оснащают свои бесперебойники инверторами, выдающими правильную синусоиду.



Время переключения на работу от аккумуляторов в линейно-интерактивных ИБП с чистой синусоидой меньше, чем у его резервных собратьев. Причина в том, в УПС-ах этого типа совпадают формы кривой напряжения (и от сети, и от батареи это синусоида), что ускоряет синхронизацию фаз и, соответственно, запуска автономного питания.

Плюсы line-interactive ИБП:

• разумная цена,
• бесшумная работа,
• автоматическая регулировка входящего напряжения,
• в некоторых моделях — чистая синусоида на выходе,
• время переключения меньше, чем в резервных (в среднем 4-8 мс, в некоторых моделях 2-4 мс).

Недостатки:

• отсутствует регулировка частоты,
• недостаточно полная фильтрация помех, шумов и импульсов сети,
• регулировка напряжения не плавная, а ступенчатая,
• КПД ниже, чем в off-line источнике бесперебойного питания.

ИБП двойного преобразования (on-line)



Пример ИБП с двойным преобразованием: модель EATON PW9130 1500VA.

Это самый дорогой, но и самый лучший вид ИБП. Он оптимально подходит для дорогого капризного оборудования, для которого важно не только постоянное напряжение, но и частота, а также эффективная фильтрация шумов, сигнал в форме чистой синусоиды и отсутствие задержек при переключении на работу от батарей.

Фактически, такой источник бесперебойного питания работает постоянно, стабилизируя, фильтруя входящий сигнал, выравнивая частоту и форму выходного сигнала.



В режиме работы от сети, поступающее переменное напряжение стабилизируется и превращается в постоянное выпрямителем и распределяется между батареей (для подзарядки, если необходимо) и инвертором. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный, выдавая на выходе сигнал в форме чистой синусоиды, правильной частоты, правильного напряжения. Помехи и шумы полностью отсутствуют — их просто не остается после двойного преобразования.



Такое постоянное «включение» бесперебойника в сеть дает одно из его весомых преимуществ: мгновенное переключение на работу от батарей. Собственно, это даже сложно назвать «переключением», так как питание проходит через выпрямитель, батарею (во время зарядки) и инвертор постоянно. В момент падения напряжения в сети ниже пороговых значений или полного отключения электроэнергии инвертор просто начинает забирать часть энергии от батареи, а не от выпрямителя. Это происходит мгновенно.





ИБП с двойным преобразованием обычно имеют еще один режим работы: байпас. Это резервная линия, которая идет напрямую от входа к выходу UPS, в обход выпрямителя, батареи и инвертора. Она позволяет в критические для ИБП моменты: перегрузка (например, стартовыми токами), выход из строя инвертора и другие — пустить электроэнергию к подключенным устройствам напрямую, избежав выхода из строя элементов устройства.





Постоянная работа ИБП имеет определенный недостаток: повышенное теплоотделение, которое требует эффективного охлаждения. Поэтому UPS online чаще всего оснащены вентиляторами, что делает их эксплуатацию в жилых помещениях не такой комфортной, как бесшумных бесперебойников других типов.

Плюсы онлайн ИБП:

• постоянная стабилизация напряжения,
• постоянная стабилизация частоты,
• чистая синусоида на выходе,
• эффективная фильтрация шумов, импульсов и помех,
• мгновенное переключение на батареи.

Недостатки:

• высокая цена,
• повышенный уровень шума,
• наиболее низкий КПД среди всех типов ИБП.

Выбирая бесперебойник, нужно учитывать, что существуют и исключения. Некоторые линейно-интерактивные ИБП могут стоить дороже, чем онлайн-модели другого производителя, время переключения на работу от батарей в резервном UPS может быть не больше, а даже меньше, чем в каком-нибудь линейно-интерактивном UPS и т. д. Поэтому в любом случае необходимо читать характеристики конкретной модели.