Что такое источник бесперебойного питания (ИБП). Термины и определения

Качество сетевого электропитания и его неполадки

На территории Российской Федерации действует государственный стандарт ГОСТ 13109-97 («Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»), оценивающий качество электрической энергии (КЭ) по 10 показателям.
Основными, из которых являются:
— напряжение 380В (для трехфазных сетей) и 220В (для однофазных);
— допустимое отклонение +/-5%, предельно допустимое +/-10%;
— частота 50 Гц, предельно допустимое отклонение частоты +/-0,4 Гц;
— нормально допустимое значение коэффициента нелинейных искажений 6%, предельно допустимое -20%.
К основным неполадкам сетевого электропитания относятся:
— полное пропадание напряжения в сети (авария в сети);
— долговременные и кратковременные проседания и всплески напряжения;
— высоковольтные импульсные помехи;
— высокочастотный шум;
-отклонение частоты за пределы допустимых значений.
Наиболее распространенным видом неполадок в больших городах являются долговременные проседания напряжения, а в сельской местности к ним добавляются аварии в электросети и высоковольтные импульсные помехи, вызванные атмосферным электричеством. Следует иметь в виду, что далеко не каждое оборудование способно выдерживать даже допустимый по ГОСТу КНИ 20%.

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.

Источник бесперебойного питания (ИБП) UPS

Устройство, применяемое для защиты оборудования от проблем с питающим напряжением (пропаданием, отклонения от номинала, импульсных помех и др.), использующее для аварийного питания нагрузки энергию аккумуляторных батарей. Основной задачей является поддержание работоспособности критичного оборудования при авариях сетевого напряжения, продолжающихся от нескольких минут до нескольких суток в зависимости от мощности нагрузки и емкости батарейного комплекта. Этого времени достаточно либо для устранения неполадок в линии электропередачи, либо для штатного отключения критичной нагрузки.

Активная мощность

Полезная мощность, отбираемая нагрузкой, в том числе и ИБП, из электросети и преобразуемая в энергию любого иного вида (механическую, тепловую, электрическую, электромагнитную и др.). Вычисляется как усредненный по периоду сигнала определенный интеграл произведения мгновенных значений входного тока и напряжения. Единица измерения: Вт (Ватт).

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).

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 автономном — переводит ее на питание от аккумуляторных батарей. 

Достоинством ИБП резервного типа является его простота и невысокая стоимость, а недостатком — не нулевое время переключения (~4 мс) на батареи и более интенсивная эксплуатация аккумуляторов, так как устройство переходит в автономный режим при любых неполадках в электросети. ИБП резервного типа, как правило, имеют небольшую мощность и применяются для обеспечения бесперебойного электропитания отдельных устройств (персональных компьютеров, рабочих станций, офисного оборудования) в районах с хорошим качеством электрической сети.

Off-Line (Standby) Нормальный режим работы	Off-Line (Standby) Автономный режим работы

Линейно-интерактивный ИБП (Line-Interactive)

Источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством (Off-line) и дополненной автоматическим регулятором напряжения (AVR) на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками (ступенчатым стабилизатором). 

Основное преимущество линейно-интерактивного ИБП по сравнению с источником резервного типа заключается в том, что он способен обеспечить нормальное функционирование нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети (наиболее распространенный вид неполадок в отечественных электросетях) без перехода в автономный режим, что позволяет продолжать работу от сети, экономя энергию батарей и избегая простоев оборудования. Недостатком линейно-интерактивной схемы является не нулевое время переключения (~4 мс) нагрузки на питание от батарей. Линейно-интерактивные ИБП делятся на 2 основных класса по типу инвертора:
1) со ступенчатой аппроксимацией синусоиды (в батарейном режиме). Эти ИБП могут применяться только для защиты оборудования с импульсными блоками питания, некритичными к форме напряжения;
2) с синусоидальным выходным напряжением.
Также ИБП можно применять для защиты любого оборудования, допускающего время переключения порядка 4 мс, в том числе, оборудования с трансформаторными блоками питания. В модельном ряду ELTENA (INELT) к первому типу относятся все ИБП Smart Station, ко второму — все ИБП intelligent.

Line-Interactive (нормальный режим работы)	Line-Interactive (автономный режим работы)

Автоматический регулятор напряжения Automic Voltage Regulator (AVR)

Автоматический регулятор напряжения, построенный на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками (см.рисунки). 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). AVR расширяет диапазон входных напряжений, при которых ИБП обеспечивает нормальное питание нагрузки без перехода в автономный режим работы. 

У ИБП ELTENA (INELT) Smart Station DOUBLE диапазон изменения входного напряжения, при котором ИБП не переходит на батареи, продолжая питать нагрузку от сети, составляет 140-280В, что позволяет избегать простоев в условиях длительных просадок напряжения.

Нормальный режим	Режим повышения (boost)	Режим понижения (buck)

ИБП с двойным преобразованием напряжения (On-line)

Схема On-Line подразумевает, что поступающее на вход ИБП переменное сетевое напряжение преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем с помощью инвертора снова в переменное. Аккумуляторная батарея, постоянно включенная между выпрямителем и инвертором, питает последний при отсутствии входного напряжения. Схема On-Line обеспечивает идеальное выходное напряжение при любых неполадках в электросети. Она характеризуется нулевым временем переключения из нормального режима в автономный и обратно без переходных процессов в выходном напряжении. 

Другим существенным преимуществом ИБП с двойным преобразованием напряжения является наличие обходной цепи (Байпаса), что позволяет при перегрузке по выходу ИБП, перегреве или выходе инвертора ИБП из строя переводить нагрузку на питание от входной сети, избегая ее отключения. Кроме того, многие ИБП с двойным преобразованием (в том числе, все выпускаемые в настоящее время ИБП ELTENA (INELT) Monolith мощностью 6 кВА и выше) допускают объединение в параллельные системы с резервированием и/или наращиванием мощности, что дает возможность строить системы бесперебойного питания высочайшей надежности.
К недостаткам схемы On-Line относятся ее сравнительная сложность, более высокая стоимость, а также энергетические потери на двойном преобразовании напряжения. Необходимо заметить, что защита наиболее критичных устройств, таких, как серверы, телекоммуникационное оборудование, АСУ ТП, рекомендуется осуществлять только с использованием ИБП со схемой On-Line. В модельном ряду ELTENA (INELT) по схеме On-Line с двойным преобразованием напряжения построены все ИБП Monolith.

On-Line (нормальный режим работы)	On-Line (автономный режим работы)

ИБП с выходным изолирующим трансформатором

Инверторы с выходным изолирующим трансформатором применяются в ИБП средней и большой мощности с двойным преобразованием напряжения (On-Line) и предназначенных для работы с широким перечнем нагрузок. 

Основные преимущества ИБП с выходным изолирующим трансформатором:
— Возможность работы с нагрузками любых типов, имеющих различные коэффициенты мощности, пусковые токи и т.п.
— Стабильность выходных параметров, как при статической, так и динамической нагрузке.
— Гальваническая изоляция увеличивает помехозащищенность нагрузки.
— Более высокая надежность.
Основные недостатки ИБП с выходным изолирующим трансформатором является следствием его достоинств:
— Большие габариты и вес по сравнению с бестрансформаторными ИБП.
— Более высокая стоимость.
ИБП с выходным изолирующим трансформатором (преимущественно трехфазные, мощностью 20 кВА и выше) большой мощности применяются для защиты наиболее ответственного оборудования, требующего надежной защиты.
В модельном ряду ELTENA (INELT) по схеме с выходным изолирующим трансформатором построены ИБП серии Monolith XL.

Бестрансформаторные ИБП On-Line с высокочастотным инвертором.

Бестрансформаторные инверторы применяются в ИБП малой, средней и ограниченно большой мощности (не более 100 кВА … 200 кВА), построенных по схеме On-Line с двойным преобразованием напряжения. В модельном ряду ELTENA (INELT) по бестрансформаторной схеме построены ИБП серий Monolith II, Monolith M, Monolith X.

Основные преимущества бестрансформаторных схем:
1. Малые габариты и вес.
2. Обычно более низкая цена.
3. Относительно высокий КПД.
Основные недостатки бестрансформаторных схем:
1. Ниже перегрузочная способность и общая надежность ИБП.
Благодаря высоким потребительским свойствам и сравнительно доступным ценам бестрансформаторные ИБП практически полностью вытеснили ИБП с выходным трансформатором с рынка однофазных ИБП мощностью до 20 кВА.

Выпрямитель (Rectifier)

Устройство, преобразующее переменное напряжение электросети в постоянное. Однофазные ИБП оснащаются 2- или -4-импульсными выпрямителями, а трехфазные ИБП — 6-, 12- или 24-импульсными. Существуют следующие основные типы выпрямителей, используемых в ИБП: 

— Тиристорный управляемый (классический 6-импульсный);
— Тиристорный управляемый составной индуктивный (12-импульснй).
— На мощных полевых транзисторах (MOSFET) с активной коррекцией входного коэффициента мощности (APFC).
IGBT — выпрямитель с активной коррекцией входного коэффициента мощности (APFC) и низким КНИ входного тока. Примечание: все упомянутые типы выпрямителей обладают функцией активной или пассивной) коррекции входного коэффициента мощности (APFC/PFC).
Тиристорные 6-импульсные выпрямители обладают не самым высоким коэффициентом мощности, поэтому при выборе мощных ИБП часто стоит потратить дополнительные деньги на 12-импульсный выпрямитель, особенно, если Вы используете ДГУ по входу ИБП. IGBT- выпрямители обладают очень высокими характеристиками, но более критичны к качеству входного напряжения, поэтому рекомендуется к использованию в электросетях с высоким качеством напряжения. В российских электросетях, по нашему мнению, более оправданно применение ИБП с тиристорными выпрямителями.

Инвертор (Inverter)

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 апрокисмацией и инверторы с широтно — импульсной модуляцией (ШИМ). Последние обеспечивают наиболее близкую к гармонической форму выходного напряжения. Основными характеристиками инвертора являются: 

— Перегрузочная способность;
— Коэффициент полезного действия (КПД);
— Допустимый крест — фактор нагрузки;
— Допустимый коэффициент мощности нагрузки;
— Качество выходного напряжения.

Форма напряжения на выходе инвертора, генерирующего прямоугольные импульсы.

Форма напряжения на выходе инвертора с пошаговой аппроксимацией.

Формы напряжения на выходе инвертора с широтно — импульсной модуляцией (ШИМ).

Коэффициент полезного действия (КПД)

Коэффициент полезного действия, определяемый как отношение выходной мощности устройства к потребляемой им от сети (при полностью заряженных батареях).

THD-фильтр

Устройство, устанавливаемое во входной цепи ИБП для уменьшения его влияния на форму тока и напряжения в питающей электросети. Поскольку входным узлом любого мощного ИБП, построенных по схеме с двойным преобразованием (On-Line), является большинство выпрямитель нелинейный и потребляющий большой импульсный ток элемент), такие ИБП становятся причиной «загрязнения» электросети.

Применение THD-фильтра позволяет существенно ослабить подобное «загрязнение».
Мощные системы бесперебойного питания серии Monolith XL могут комплектоваться фильтрами, уменьшающими КНИ входного тока до 5 … 10%. Однако, при необходимости изменить THD ELTENA (INELT) рекомендует, в первую очередь, использование 12-импульсного выпрямителя.

Коэффициент нелинейных искажений, Total Harmonic Distorsion (THD)

Показатель, характеризующий степень отличия формы сигнала от синусоидальной. В основном используется для измерения искажений формы входного тока или выходного напряжения ИБП. КНИ равен отношению суммы мощностей высших гармоник сигнала к мощности его первой гармоники.

Примеры осциллограмм входного тока для некоторых других видов нагрузок:

6-п.п.выпрямитель без фильтра	6.п.п.выпрямитель с фильтром
6-п.п.выпрямитель с улучшенным фильтром фильтром	12-п.п.выпрямитель с улучшенным
Индуктивная нагрузка (электродвигатель)

Последовательное резервирование

Техническое решение, направленное на повышение надежности системы питания нагрузки путем последовательного (каскадного) соединения нескольких ИБП, один из которых является основным, а другое — резервным (см. рисунок). Для соединения по такой схеме каждый ИБП должен иметь отдельный вход цепи байпас. В то время как основной ИБП питает нагрузку, резервные источники работают в холостом режиме, потребляя минимальную мощность. При возникновении признаков неисправности внутренних узлов основной ИБП переключается в режим байпас и всю нагрузку берет на себя следующий по схеме резервный источник.

Данная схема в настоящее время применяется крайне редко, только для ИБП, не имеющих функции параллельной работы.

Параллельное резервирование (система 1+1)	Последовательное резервирование

Параллельное резервирование

Техническое решение для повышения надежности и/или для увеличения суммарной выходной мощности системы. Оно предусматривает параллельное соединение двух или нескольких одноранговых (одинаковых по мощности) ИБП по входу и выходу. Работоспособность такой системы обеспечивается специальной схемой фазовой синхронизации выходных напряжений.

Примеры обозначения параллельных систем:
«1+1» — система из двух ИБП со 100% резервированием.
«2+1»-система из тех модулей, один из которых (любой) является резервным (50% резервирование).
«N+2» — система, состоящая из (N+2) модулей, два из которых (любые) являются избыточными.
При аппаратном резервировании нагрузка равномерно распределяется между всеми ИБП, а в случае выхода из строя одного из них перераспределяется между исправными устройствами.
Не рекомендуется устанавливать параллельные системы ИБП без резервирования, поскольку надежность такой системы обратно пропорциональна числу модулей.
В схеме с параллельным резервированием допускается применение как отдельных аккумуляторов для каждого ИБП (рекомендуется для создания полного резервирования независимых устройств), так и общего комплекта батарей. ИБП ELTENA (INELT) серий Monolith RT, Monolith U, Monolith XS, Monolith XL, могут быть объединены в параллельную систему.

Обходная цепь байпас (Bypass)

Байпас — это режим питания нагрузки сетевым напряжением в обход основной схемы ИБП. Переход устройства в режим байпас может выполняться автоматически или вручную. ИБП со схемой On-Line автоматически переходят в режим байпас при перегрузке выходных цепей или при возникновении внутренних неисправностей. Таким образом, нагрузка защищается не только от сбоев в питающей электросети, но и от неполадок в самом ИБП. Возможность ручного перевода устройства в режим байпас предусмотрена на случай проведения его технического обслуживания без отключения нагрузки.

(режим работы байпас)

Коэффициент мощности, Power factor (PF)

Комплексный показатель, характеризующий линейные и нелинейные искажения формы тока и напряжения в электросети, обусловленные влияния нагрузки (например, ИБП), вычисляется как отношение поглощаемой нагрузкой активной мощности к полной.

В случае линейной нагрузки коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига между током и напряжением и в зависимости от характера нагрузки может носить емкостной или индуктивный характер.
В случае активной нелинейной нагрузки коэффициент мощности определяется отношением мощности первой гармоники тока к общей активности мощности, потребляемой нагрузкой.
Необходимо заметить, что реальная промышленная нагрузка является нелинейной и носит преимущественно емкостной характер (PF=0,8).

Крест — фактор нагрузки

Показатель, характеризующий способность ИБП питать нелинейную нагрузку, потребляющую импульсный (нелинейный) ток. Определяется как отношение амплитуды импульсного тока в нелинейной нагрузке Im (нелин.) к амплитуде тока гармонической формы Im (лин.) при эквивалентной потребляемой мощности (см. рисунки).

Крест — фактор нагрузки. Форма напряжения и тока на линейной нагрузке.

Крест — фактор нагрузки. Форма напряжения и тока при нелинейной нагрузке.