Ремонт Back UPS

Источники бесперебойного питания – разновидности и принципы

В статье рассмотрены виды ИБП, принципы работы ИБП, а также приведены реальные осциллограммы напряжений на выходе.

Для начала – немного общей терминологии. Источники бесперебойного питания (сокращенно – ИБП) у нас так же называют UPS, от английского сокращения Uninterruptable Power Supply (беспрерывный источник питания). Поэтому говорят и УПС (UPS) и ИБП, кому как удобнее. Я в статье буду называть и так, и эдак.

Cхемы Back UPS

Блок схема Back UPS

В нормальном рабочем режиме входное напряжение через фильтр проходит напрямую на выход. Одновременно часть энергии через обмотку трансформатора и схемы заряда заряжает аккумулятор.

При повышении или понижении напряжения питания на величину, превышающую пороговую, схема коммутации переключает входное питание на резервное и запускает инвертор. Инвертор из постоянного напряжения батареи формирует переменное прямоугольной формы. Его частота 50Гц, амплитуда около 300В.

Задержка переключения от 2 до 7 мс.

Схема заряда батареи Back UPS

Схема заряда батареи UPS (чаджер) строится по классической системе.

Переменное напряжение с дополнительной обмотки трансформатора выпрямляется диодным мостом и сглаживается конденсатором. Затем стоит регулятор напряжения обычно на микросхеме LM317 (линейный регулятор напряжения), управляемый контроллером или процессором сигналом ON-OFF.

Стабилизатор LM317 чаще всего используют по нескольким причинам:

• для задания уровня выходного напряжения требует всего два резистора;
• хорошая стабилизация напряжения при нестабильности по току нагрузки, а также входному напряжению.
• в LM317 есть встроенная схемы защиты от перегрузки, ограничения тока и защиты от перегрева.

Понятно, что любая поломка любой из схем может привести к тому, что батарея не будет правильно заряжаться или вообще заряжаться. Если в Back-UPS нет зарядки батареи, то проблему можно искать:

• в выпрямителе (диодном мосте, конденсаторе);
• регуляторе напряжения, ключе;
• схеме терморегулировки и ограничении тока и даже в контроллере.

Эта схема для ориентира. Например, в APC Back-UPS CS 500VA для зарядки используют отдельный трансформатор и микросхему преобразователя AC-DC и стабилизатора TNY255G с мощностью 4-10Вт. Вот ее типичное подключение.

Принципиальная схема чарджера

Принципиальная схема заряда батареи в APC Back-UPS.

Схема фильтрации

Схема фильтрации в некоторых APC Back-UPS выполнена на основе варисторов MOV2, MOV5 конденсаторов C38, C40 и дросселей L1 и L2.

В некоторых Back-UPS входной фильтр состоит из конденсаторов и дросселей.

Эта схема оказалась весьма эффективна. Именно эти элементы и могут понадобиться для замены при ремонте фильтров Back-UPS.

Схема инвертора

Инвертор Back-UPS выполнен на базе мощных ключевых полевых транзисторов. В каждом из двух плечей по несколько параллельно подключенных транзисторов. Управляется инвертор микроконтроллером, синхронизируя входное напряжение с выходным по частоте и фазе. Как правило выходные каскады инвертора подключаются к выходному трансформатору и работают в ШИМ режиме. Т.е. регулировка выходного напряжения осуществляется шириной импульсов. Выходной каскад инвертора Back-UPS выполнен по пуш-пульной схеме во избежание намагничивания сердечника трансформатора и выхода в насыщение.

При включении ИБП производится тестирование батареи. Для этого выполняется подключение инвертора и измеряется напряжение и ток батареи. Эти значения сравниваются со значениями в регистрах UPS. Контроллер анализируется состояние батареи, ее недозаряд или перезаряд. Затем выдает сигнал либо на включение при нормальном состоянии, либо на выключение, если батарея плохая.

Типы стабилизаторов

Современные системы ИБП делятся на три основные категории:

1. Онлайн (Online, интерактивный);
2. Линейно-интерактивный (в режиме ожидания);
3. Синхронный.

В он-лайн ИБП используется метод «двойного преобразования» из принятия переменного тока, выпрямления его в постоянный для прохождения через перезаряжаемые батареи (или отделы батарей), после ток становится 120 В/230 В переменного тока для питания защищаемого оборудования. Типичное время защиты: 5-30 минут.

Фото — Схема блока бесперебойного питания

Линейно-интерактивный (инверторный) ИБП поддерживает инвертор в линии и перенаправляет DC батареи из нормального режима зарядки для подачи тока при потере питания. В режиме ожидания («офф-лайн») нагрузка системы питается непосредственно от входной мощности и резервного копирования, такая схема питания вызывается только в случае, если не получается отключить переменное электроснабжение. Большинство ИБП ниже 1 кВА (источники бесперебойного питания для ПК IPPON, EATON) являются разновидностью линейно-интерактивного прибора или бесперебойника ожидания. Оффлайн/резервный прибор имеет типичное время защита: 0-20 минут.

Фото — ИБП Форт

Для больших энергоблоков, иногда используются динамические источники бесперебойного питания. Синхронный двигатель/генератор подключен к сети через дроссель. Энергия хранится в маховике. Когда питание от сети прекращает поступление, вихретоковый механизм обеспечивает регулирование и поддерживает мощность на нагрузке, пока энергия маховика не исчерпывается. Синхронные автоматы (Delta, Powerware, SURT10000RMXLI, TRUST power 600VA UPS155 АВР) иногда объединяются или интегрированы с дизель-генератором, который включается после небольшой задержки, образуя дизельное поворотное бесперебойное питание.

Фото — Источник бесперебойного питания

ИБП ожидания предлагает только основные функции, обеспечивая защиту от перенапряжения, они могут заменить резервный аккумулятор. Защищаемое оборудование, как правило, подключается непосредственно к входящей электросети. Когда входное напряжение падает ниже или поднимается выше заданного уровня, источник вращается вокруг своей внутренней схемы инвертора постоянного тока, преобразовывая его в переменный. ИБП затем механически переключает подключенное оборудование его выход преобразователя тока. Время переключения может занимать до 25.

Многие виды оборудования используют аккумулятор для бесперебойного источника питания (ИБМ для холодильника), работают с процессорами, некоторые аккумуляторные модели для дома или для дачи заключают в специальный герметичный блок (Smart, Mustek, SUA2200RMI2U, SUA3000RMI2U).

Инвертор

Его задача в составе UPS – преобразование постоянного напряжения в переменное 220 В и подача к потребителю. Иногда задействуется режим «байпас». Это когда выходное напряжение инвертора формируется из сетевого, т. е. аккумулятор не используется. Благодаря этому переключение на резервный режим происходит мгновенно. Схема инвертора бесперебойника (верхняя часть – сетевой фильтр, GV1 — АКБ):

Принцип работы

Принципиальная схема данного устройства очень простая

Итак – у нас есть один входной разъем питания (Vin), и три выходных (Vout). XP1 – это стандартная гребенка PLS с шагом 2.54, к которой подключается кнопка включения питания, а также можно поставить джампер (как в моем случае), если планируется все время держать устройство во включенном состоянии.

Также на плате есть два светодиода, показывающие наличие напряжения во входной сети (Vin) и напряжения на выходе устройства (Vout), подключенные через стабилитрон (D1, D2) на 3В и резисторы (на нижней стороне платы) R2 220 Ом и R1 1кОм соответственно.
U6 – это контакты для подключения модуля вольтметра, который отображает напряжение на выходе устройства.

Верхняя сторона платы

На нижней стороне платы у нас размещен контроллер заряда (U2) и три диода Шоттки (U3, U4, U5).

Нижняя сторона платы

Основной принцип работы схемы и переключения с основного на резервное питание зависит от трех диодов Шоттки – U3, U4, U5.

Ниже представлена наглядная схема направления и какие узлы в каких ситуациях находятся под напряжением.

U4 – пропускает напряжение только в направлении контроллера заряда, напряжение с контроллера не попадает обратно во входную сеть. Это достаточно важный диод, т.к при его отсутствии напряжение будет утекать из модуля заряда (АКБ) в направлении источника питания.

Розовым цветом показана ситуация, когда у нас присутствует напряжение во входной сети (Vin). В этом случае диоды U3 и U4 пропускают напряжение в направлении контроллера заряда (U2) и DC/DC-преобразователя (U1). При этом напряжение из АКБ и контроллера заряда (голубой маршрут) не поступает в «розовую сеть» через диоды U4 и U5.

U5 – работает таким образом, что пока входное напряжение присутствует, на его катоде будет «+», он будет в закрытом состоянии и не «выпустит» напряжение из АКБ в направлении Vout, а также не пропустит напряжение из входной сети. Если же, напряжение на входе пропало U5 тут же перейдет в свое рабочее состояние и пропустит напряжение с АКБ в сторону DC/DC-преобразователя (U1) – зеленый маршрут. Однако чтобы исключить «петлю» – когда напряжение из АКБ попадает на вход модуля заряда, а также может утекать в источник питания на входе, мы используем диод U3 и пока на его катоде будет «+», он будет закрыт.

Платы, полученные от jlcpcb – как всегда отличные, здесь на самом деле придраться не к чему – настоящее промышленное производство за очень гуманную плату. Срок изготовления – 3-4 дня, срок доставки до Ленинградской области в районе 20 дней.

Печатаем корпус, собираем устройство и вот что у нас получилось

Устройство и принцип действия

Принцип действия любого источника бесперебойного питания прост: пока напряжение питающей сети находится в заданных пределах, оно подается на выход ИБП, одновременно с этим заряд встроенного аккумулятора поддерживается от внешнего питания схемой заряда. При пропадании электропитания или его сильном отклонении от номинала выход UPS подключается к встроенному в него инвертору, преобразующему постоянный ток от аккумулятора в переменный ток питания нагрузки. Естественно, время работы ИБП ограничено емкостью аккумулятора, КПД инвертора и мощностью нагрузки.

Существует три конструктивных типа источников бесперебойного питания:

• Off-line. Конструкцию ИБП такого рода наиболее полно описывает предыдущий абзац. Большинство маломощных ИБП (однофазные модели мощностью до 1,5 кВА) для персональных компьютеров используют этот принцип работы. Их достоинство — высокий КПД при работе от внешнего питания, так как поддержание заряда встроенного аккумулятора требует минимальных затрат энергии. Вместе с тем, при частых колебаниях напряжения в сети они слишком часто переходят в режим резервного питания, а релейная коммутация имеет некоторую задержку.
• Схема ИБП типа Line-Interactive позволяет им переключать выход между питанием от сети и встроенного инвертора без задержек, а встроенный автотрансформатор позволяет расширить диапазон входных напряжений, при которых не происходит переход на резервное питание. Такие источники бесперебойного питания более эффективны при недостаточно стабильном питании, но более сложны и дороги, чем off-line ИБП.
• Схема On-line используются в наиболее мощных ИБП (до нескольких кВА). В этом случае входное напряжение подается непосредственно на понижающий выпрямитель, который питает инвертор. Аккумулятор, осуществляющий резервное питание, включается между ними и используется только при полном отключении внешнего питания, в то время как при его наличии независимо от напряжения используется электросеть. UPS типа on-line не имеют задержек при переходе на резервное питание, так как инвертор используется постоянно, и максимально экономично расходуют заряд аккумулятора.

Предлагаем ознакомиться с устройством ИБП на примере модели APC Back-UPS RS800

Новое на сайте

Если аккумулятор был полностью разряжен, ряд моделей бесперебойников в момент включения могут индицировать неисправность аккумулятора, однако по мере набора им заряда индикация прекратится. Кольцо следует предварительно обмотать лакотканью, а затем намотать две обмотки по 10 витков провода диаметром 0,55…0,70 мм. Этот выход микропроцессора является выходом с открытым коллектором рис. Когда напряжение в сети становится таким маленьким, что выпрямитель уже не может обеспечить полноценную работу инвертора, аккумуляторная батарея заменяет выпрямитель и питает инвертор требующимся ему постоянным током.

Кроме того, прерванная печать — это всего лишь один испорченный лист бумаги.

Далее переходим к разработке функциональной схемы ИБП и алгоритма ее работы. Компьютер питается от сети переменного тока.

Неисправности и ремонт Основная неисправность источника бесперебойного питания, с которой приходится сталкиваться, связана с тем, что бесперебойник не переходит в автономный режим.

На сайте APC указано, что сигнал должен действовать в течении 1 секунды, однако экспериментальная проверка показала, что UPS реагирует на сигнал немедленно.

Этот разрыв является следствием использования механических переключателей.

Трансформатор СТ1 анализирует высокочастотные составляющие напряжения сети.
UPS DLD 600 RIELLO схема силовой части

Где купить

Приобрести ИБП можно как в специализированном магазине, так и онлайн в Интернет-магазине. Во втором случае, особого внимания заслуживает бюджетный вариант приобретения изделий на сайте Алиэкспресс. Для некоторых товаров есть вариант отгрузки со склада в РФ, их можно получить максимально быстро, для этого при заказе выберите «Доставка из Российской Федерации»:

Самодельный бесперебойник имеет неоспоримое преимущество перед заводскими моделями. Они проще в ремонте и их легко модернизировать под свои нужды.

Есть схемы самодельных ИБП с применением солнечных панелей и даже с ветрогенератором, что даёт возможность повысить автономность домашней электросети.