Принцип работы и особенности источников бесперебойного питани

Виды источников бесперебойного питания

Устройства отличаются емкостью, принципами действия и некоторыми другими параметрами.

Выделяют 3 основные категории приборов:

• линейно-интерактивные;
• резервные;
• онлайн.

Резервные

Предназначены для компьютеров при перебоях напряжения или аварийных отключениях электричества. После возобновления подачи тока питание от бытовой сети восстанавливается. Резервные бесперебойники отличаются небольшой емкостью. Они кратковременно поддерживают функционирование компьютерной техники.

Конструкция достаточно проста. Резервные источники не оснащены стабилизаторами. При изменении параметров электрической сети аппаратура переключается в режим функционирования от аккумулятора. Это негативно отражается на сроке службы батареи. Бюджетные модели бесперебойников подсоединяются к электросетям с постоянным напряжением.

Линейно-интерактивные

Стоимость таких моделей выше, чем цена предыдущих. На их функционировании не отражаются регулярные скачки напряжения. Стабилизатор автоматически подстраивает параметры прибора под подаваемый ток. При повышении или снижении напряжения компьютер не начинает работать от запасного питающего блока. Это увеличивает срок службы АКБ. Чаще всего для поддержания функционирования оргтехники используются импульсные модели.

Блоки питания онлайн

Мощные дорогостоящие приборы обеспечивают двойное преобразование подаваемого напряжения. Переменный ток выпрямляется, превращаясь в постоянный. На выходе происходит обратный процесс. Стабильный ток преобразуется в переменный, что требуется для нормальной работы ПК.

Источники подачи энергии формата онлайн обладают подходящими техническими характеристиками, позволяющими максимально защитить ПК от влияния перепадов напряжения. Онлайн-бесперебойники часто применяют на серверных станциях.

Что такое источник бесперебойного питания

Так называется устройство, которое продолжает подавать напряжение к подключенной к нему технике. Это возможно благодаря встроенному аккумулятору, который включается в работу при перебоях в работе источника питания.

При изменениях параметров сети, возникновении помех нарушается работа техники, которая подключена к ИБП: в лучшем случае устройства отключаются, худшем — сгорают конструкционные элементы при сильных скачках напряжения, коротком замыкании.

Продолжительность работы устройства при отключении электроэнергии зависит от параметров аккумулятора: емкости и типа. Однако чем дольше работает бесперебойник для компьютера, тем больше его размеры, т. к. при этом увеличивается емкость, а значит, и габариты аккумулятора.

Устройство не только обеспечивает автономную работу, но и поддерживает напряжение на достаточном уровне, что позволяет компьютеру продолжать работу в безопасном режиме без риска потери информации.

Однако ИБП не может работать бесконечно. Если подача напряжения не будет возобновлена, со временем устройство отключится. В результате произойдет потеря информации на компьютере. По этой причине при отключении электропитания контролируется уровень заряда аккумулятора ИБП. Преимущество такого устройства заключается в наличии индикации: световой, звуковой.

Световая индикация прибора

При изменении параметров работы (при переходе в автономный режим или подключении компьютера к источнику сетевого напряжения, критическом снижении заряда батареи) бесперебойник выдает звуковые сигналы разных типов.

Одновременно загораются лампочки.

Цвет позволяет ориентироваться, какие изменения произошли в работе ИБП. Если к ПК подключен простой бесперебойник, то минимального отрезка времени, в течение которого обеспечивается автономная работа компьютера, будет достаточно, чтобы сбросить информацию на флешку.

Устройство ИБП

Главные элементы конструкции:

• аккумулятор;
• инвертор;
• фильтр;
• выпрямитель;
• байпас.

Емкость аккумулятора бесперебойника может изменяться в пределах 7-9 Ач. Часто конструкцией ИБП предусматривается свинцово-кислотные батареи. Они герметичные, поэтому не подвергаются обслуживанию.

В простых моделях предусмотрен 1 аккумулятор, однако существуют модели, конструкцией которых предусмотрено 2 и более батареи, за счет чего увеличивается продолжительность автономной работы подключенного ПК.

ИБП со свинцово-кислотной батареей

По устройству источники бесперебойного питания отличаются, что определяется принадлежностью прибора к той или иной группе техники. Объединяет подобные устройства способ подключения ПК — посредством установленной в корпусе ИБП розетки. Их количество отличается, что также определяется возможностями бесперебойника.

На корпусе имеется кнопка питания.

Конструкцией некоторых моделей предусмотрен дисплей, на который выводится информация о параметрах подключенного источника напряжения.

Как выбрать

Изучив конструкцию ИБП, перед покупкой обращают внимание на главные параметры:

1. Мощность бесперебойника (единицы измерения — ВА). Ее необходимо определить самостоятельно. Для этого суммируется мощность подключенной техники. Однако при включении мощность возрастает в несколько раз, поэтому полученное значение следует умножить на коэффициент пускового тока. Его показатель отличается в зависимости от вида подключенного к ИБП устройства. Чтобы узнать значение полной мощности (ВА), полезную мощность делят на 0,7.
2. Продолжительность автономной работы. Данный параметр определяется потребностями и финансовыми возможностями пользователя. Если после отключения достаточно обеспечить автономную работу техники в течение нескольких минут, следует приобретать наиболее простые устройства. Они подают напряжение компьютеру на протяжении 4-15 минут после того, как в сети пропадет напряжение. Этого достаточно, чтобы сохранить информацию и правильно отключить ПК. Если нужно обеспечивать автономную работу компьютера дольше, выбирают более производительные бесперебойники.
3. Количество розеток на устройстве. Для домашнего использования можно с минимальными возможностями. В офисах устанавливают подобные устройства с большим количеством розеток.

Различие ИБП по форме синусоиды

Кроме отличия ИБП по принципу работы, они отличаются по форме синусоиды. Ее можно увидеть только на экране осциллографа.

Форма выходного напряжения инверторов ИБП: синусоидальная – а, двухступенчатая аппроксимация синусоиды – б, трехступенчатая аппроксимация синусоиды – в

Аппроксимированная синусоида

Аппроксимированная синусоида на экране осциллографа выглядит ступенчатой линией. Это не имеет значение для большинства электроприборов, но в тех случаях если в приборе стоит трансформатор, как в старых телевизорах, или есть электродвигатель, то включать их через этот ИБП нельзя. Аппроксимированная синусоида является суммой разных частот и напряжений, в то время как трансформаторы и электродвигатели рассчитываются на частоту 50Гц. В результате они теряют в мощности, греются, гудят и могут выйти из строя. Если же к аппарату подключена только аппаратура с импульсными блоками питания (практически вся современная), то она прекрасно работает с аппроксимированной синусоидой. В импульсных блоках питания входное напряжение поступает на диодный мост, где выпрямляется  в постоянное напряжение 220V, которое не зависит от формы синусоиды.

Однако встречаются приборы с трансформаторными блоками питания. Первым признаком несоответствия формы синусоиды является сильный гул, намного громче, чем при питании от сети. Лучше всего, при пробном включении ИБП с аппроксимированной синусоидой, все приборы включать поочередно и при появлении сильного гула сразу выключить. Обычно это маломощные блоки питания или аппаратура с питанием от сети 220V.

Такие ИБП или инверторы стоят дешевле устройств с чистой синусоидой, но к ним нельзя подключать насос системы отопления или холодильник.

ИБП с чистой синусоидой

Приборы высшей ценовой категории на выходе имеют чистую синусоиду. Это дает возможность подключать к ним любую аппаратуру, в том числе электродвигатели, насосы и трансформаторы, но стоят эти ИБП намного дороже, что делает их использование для обеспечения работы электроотопления или стиральной машины невыгодным. Подробнее об этом рассказано в статье «ИБП для дома«.

Инверторный котел для отопления дома

Для тех районов, где отсутствует возможность подвода к газовой магистрали, одним из лучших способов отопления дома является приобретение электрического оборудования. Электроэнергия – это тот вид топлива, который присутствует в каждом доме.

Кроме того, вам не потребуется подготовка специальной документации и разрешений на установку прибора на электричества. Котлы данного типа имеют доступную стоимость и компактные размеры.

Если же смотреть с точки зрения расхода электроэнергии, то многих владельцев отпугивает высокая ее стоимость по тарифному плану. Но несмотря на это, производители отопительных систем стремятся к увеличению коэффициента полезного действия установок и уменьшению теплопотерь. Поэтому, одними из самых перспективных устройств для обогрева дома являются инверторные котлы.

Ниже рассмотрим, принцип действия инверторного котла, недостатки и преимущества его использования, а также организацию этой отопительной системы.

Инверторный котел отопления

Принцип действия инверторного котла

Традиционное электрическое оборудование работает по принципу передачи энергии непосредственно теплоносителю посредством ТЭНов. При этом, если прибор имеет в комплектации ТЭНы, то, следовательно, нужно подготовить место для нагрева воды.

ТЭНы также сильно подвержены влиянию коррозии, поэтому их необходимо защитить от необратимых процессов.

Инверторное оборудование работает на основе электромагнитной индукции. Генерация самого тока происходит благодаря переменному магнитному полю. С этой целью необходимо преобразовать постоянный сетевой ток в переменный. С этой задачей превосходно справляется инвертор, действие которого возможно, как от сети, так и от аккумуляторов.

Существует два вида контуров в инверторном котле:

1. Магнитный, позволяющий генерировать магнитное поле переменного типа.
2. Теплообменник, который способствует нагреву теплоносителя.

При соответствующей подачи переменного электричества, катушка начинает формировать магнитное поле. Это способствует нагреванию жидкости в системе и дальнейшей ее передачи по трубам.

Схема индукционной системы нагрева

Положительные и отрицательные стороны инверторного котла

Выделяют целый ряд преимуществ, которыми обладают инверторные установки, среди которых:

• увеличение эксплуатационных параметров в результате отсутствия нагревательных элементов,
• небольшая инерционность при нагревании, таким образом, при наличии центробежного насоса, теплоноситель будет нагреваться быстрее,
• на работу системы не влияет химический состав теплоносителя,
• возможность установки устройства в любом месте.

Как и другие отопительные системы, инверторный котел имеет несколько недостатков:

• достаточно высокая стоимость инверторного оборудования по сравнению с аналогичными приборами, работающими на ТЭНах,
• имеет внушительные размеры и вес, а поэтому требует укрепление основания, на котором будет расположен котел,
• прибор нуждается в электронной системе управления для последующей регулировки мощности.

Несмотря на мелкие недочеты, все же инверторные котлы пользуются огромной популярностью среди потребителей и спрос на них неустанно увеличивается.

Устройство инверторного оборудования

Организация инверторного отопления

Инверторные котлы имеют широкое применение не только для бытовых, но и для промышленных нужд. Первые, обладают компактными размерами и могут функционировать с помощью аккумуляторов. Что же касается промышленных установок, то они имеют объемные размеры и обладают огромной мощностью.

Совет: Если вы планируете установить инверторный котел, то вам необходимо тщательно спроектировать всю отопительную систему.

При эксплуатации отопительного оборудования, будет значительно возрастать нагрузка в электросети, поэтому все прокладки и подводки нужно осуществлять с большим сечением.

Инверторная система отопления

Особо внимание следует уделить безопасности котла, которую следует обеспечить надлежащим образом. Необходимо дополнительно установить защитный блок для автоматического обесточивания, в случае возникновения перепадов напряжения

Критерии выбора ИБП для циркуляционного насоса

Напряжение и мощность

В подавляющем большинстве насосы для бытовых систем автономного отопления — это однофазные устройства небольшой потребляемой мощности (от нескольких десятков до нескольких сотен ватт). Таким образом, для питания двигателя насоса подойдут однофазные ИБП соответствующей мощности.

Однако, при выборе «бесперебойника» обязательно следует принять во внимание кратковременные, но довольно высокие пусковые токи электродвигателя насоса, которые могут превышать его номинальную мощность потребления в 3-5 раз. Учитывая экономичность потребления современных циркуляционных насосов, в большинстве случаев вполне достаточно будет использовать ИБП мощностью 500-1000 ВА

Время работы в автономном режиме

В руководствах по эксплуатации на ИБП производители указывают значение этой характеристики при полной загрузке. Очевидно, что фактическая длительность автономной работы зависит от потребляемой мощности двигателя насоса и емкости используемых аккумуляторов.

В современных ИБП, имеющих встроенные аккумуляторы, как правило, реализована возможность увеличения емкости (и, соответственно, времени автономной работы) за счет подключения дополнительных внешних батарей.

Модели, в которых вообще не предусмотрены штатные аккумуляторы, будут более предпочтительны в отношении подбора требуемой емкости АКБ. Оснащенные более мощными зарядными устройствами, такие ИБП могут работать с внешними батареями повышенной емкости, обеспечивая необходимую длительность автономной работы «бесперебойника».

Форма выходного сигнала

Идеальным для питания любой нагрузки является напряжение синусоидальной формы или с максимально приближенной к синусоиде кривой. Однако, нередко на выходе инвертор ИБП в автономном режиме формирует вместо правильной аппроксимированную (ступенчатую) синусоиду или даже меандр (периодический сигнал прямоугольной формы в каждом полупериоде графика синуса). Такая форма сигнала с сильным искажением синусоидальности кривой особенно неблагоприятна для переменного напряжения питания электродвигателей и силовых трансформаторов.

Работа циркуляционного насоса в сети с сигналом типа модифицированная синусоида приводит к недопустимому нагреву магнитопровода статора и ротора из-за возникновения в них добавочных потерь, вихревых токов. Это приводит к сокращению срока службы или повреждению изоляции двигателя насоса и высокому риску преждевременного его выхода из строя.

Поэтому, при выборе ИБП для циркуляционного насоса очень важно обращать внимание на заявленную в характеристиках производителем форму выходного сигнала. Для питания чувствительных к форме сигнала электроприводов это обязательно должна быть идеальная синусоида

Тип ИБП

Важные технические характеристики, которые прежде всего необходимо учитывать при выборе типа «бесперебойника» для питания циркуляционного насоса – это скорость перехода на автономный режим работы и форма выходного сигнала.

Устройства с лучшим сочетанием таких характеристик – это ИБП двойного преобразования (топология онлайн) и некоторые модели линейно-интерактивного типа – их использование для питания насосов по ряду причин менее предпочтительно.

Оффлайн (или резервные) ИБП, как правило с формой выходного сигнала меандр (а в лучшем случае – сильно модифицированной синусоидой), принципиально не могут быть рассмотрены в качестве подходящих источников питания электродвигателей (в нашем случае – циркуляционных насосов).

Наиболее удачным выбором из представленных типов ИБП, безусловно, будут приборы топологии онлайн. Помимо идеальной синусоиды на выходе и нулевого времени перехода на автономный режим, применение устройств с двойным преобразованием имеет следующие преимущества перед ИБП линейно-интерактивного типа:

• обеспечивается форма сигнала «чистый синус» на выходе как при питании нагрузки от сети, так и в автономном режиме (от АКБ);
• постоянная стабилизация напряжения сети и частоты тока в сочетании с непрерывной фильтрацией высокочастотных помех в питающей сети;
• очень эффективная работа в сетях с большими провалами и частыми перепадами напряжения без перехода на автономный режим работы;
• возможность подключения внешних аккумуляторных батарей;
• наличие сквозного нуля для корректной работы фазозависимых котлов;
• возможность выполнения «холодного пуска» – запуска насоса при отсутствии напряжения в питающей сети (в автономном режиме).

Рейтинг лучших моделей ИБП для компьютера

Источники бесперебойного питания являются необходимым устройством для ПК и бытовой техники, особенно если место вашего проживания отличается частым отключением электричества или скачками напряжения. Выбирая ИБП стоит ориентироваться на:

• стабильность работы;
• длительность и удобство эксплуатации;
• мощность;
• бесшумность;
• размеры и вес оборудования;
• соотношение цены и качества;
• производитель.

На основании этих параметров был составлен рейтинг бесперебойников для персональных компьютеров, который поможет при выборе данного оборудования.

Powercom IMD-1025AP

Интерактивный источник бесперебойного питания с выходной мощностью 615 Вт, что достаточно для завершения работы компьютера и периферии в течение 4 минут в случае отключения электропитания от сети. Модель оснащена встроенным ЖК-дисплеем оптимизирующим работу прибора и облегчающим его настройку. ИБП обладает оптимальным соотношением цена/качество.

Плюсы:

• выходная мощность;
• ЖК-дисплей;
• USB-порт;
• достаточное количество разъемов;
• легкая настройка.

Недостатки:

• габариты;
• громкие сигналы;
• выходные розетки только компьютерные.

APC Back-UPS 1100VA

Также, как и предыдущая модель, это устройство довольно надежно и долговечно. Несмотря на более высокую стоимость, чем у предшественника этого рейтинга, APC Back-UPS 1100VA не оснащен ЖК-дисплеем, вследствие чего усложняется контроль работы оборудования.

Однако наличие 4 разъемов подающих питание от батареи на ПК и периферию выгодно отличает эту модель от своих конкурентов. Мощность устройства составляет 660 Вт, что относит его моделям интерактивного типа и делает защиту оборудования от скачков напряжения более надежной.

На полную зарядку аккумуляторов понадобится порядка 8 часов, а это, согласитесь не очень быстро и не удовлетворяет некоторых пользователей.

К преимуществам стоит отнести:

• стоимость;
• выходная мощность;
• порт USB;
• количество выходных евроразъемов.

Минусы:

• длительная зарядка батарей;
• отсутствие дисплея.

Ippon Back Basic 1050 IEC

Данная модель хоть и не обладает большим количеством разъемов, однако это компенсируется мощностью в 600 Вт, что позволяет корректно завершить работу и выключить компьютер в случае отключения электричества или скачков напряжения. В Ippon Back Basic 1050 IEC также нет дисплея, а информация о работе устройства отражается посредством светодиодов.

Время полной зарядки батарей составляет 6 часов, что совсем неплохо, особенно если учесть, что данная модель находится еще в доступном ценовом сегменте. Внешний вид устройства ничем не выделяется, а его вес составляет чуть больше 5 килограмм, что вызвано наличием емкостных батарей, которые можно заменять при необходимости.

Данная модель бесперебойника обладает звуковой сигнализацией, фильтром помех и стандартным набором защитных механизмов, от неприятных сюрпризов отечественной электросети. По отзывам пользователей Ippon Back Basic 1050 IEC характеризуется как достойный источник бесперебойного питания.

APC Back-UPS 650VA

Модель относиться к устройствам интерактивного типа, но его выходная мощность составляет всего 390 Вт, а выходные разъемы присутствуют в количестве 3 штук. Однако эти розетки относятся к типу EURO, что позволяет присоединить к ИБП не только компьютер, но и прочую бытовую технику, чувствительную к перепадам напряжения.

Полная восьмичасовая зарядка батарей и отсутствие ЖК-дисплея осложняет работу пользователя с устройством. Стоимость бесперебойника не соответствует таким низким характеристикам, что также является недостатком. Однако все минусы компенсируются высокой надежностью модели, которая обеспечила APC Back-UPS 650VA довольно длительный срок эксплуатации.

Плюсы оборудования:

• компактность;
• надежность;
• порт USB и выходные EURO-разъемы;
• бесшумность.

К недостаткам стоит отнести:

• малая выходная мощность;
• недостаточное количество выходных розеток;
• отсутствие ЖК-дисплея;
• стоимость;
• длительность зарядки.

Cyber Power UT650EI

Модель ИБП интерактивного типа с 4 выходными компьютерными разъемами, подающими питание от аккумулятора на подключенное оборудование. Выходная мощность составляет 360 Вт, что дает время работы от батареи порядка 3,5 минут. Данный бесперебойник не оснащен портом USB, что исключает подключение ПК для мониторинга состояния оборудования. Стоимость оборудования соответствует его функциональности.

Плюсы:

• доступная цена;
• надежность устройства;
• достаточная длительность работы от аккумулятора;
• количество выходных разъемов.

Минусы:

• низкая выходная мощность;
• выходные разъемы только компьютерные;
• отсутствие дисплея и разъема USB.

Классы ИБП

Резервные ИБП:

Достоинства	Недостатки
— Компактность, малый вес, экономичность, относительная дешевизна.	— Отсутствует стабилизация выходного напряжения; — Неполная фильтрация сетевого напряжения от помех и выбросов; помехи, генерируемые нагрузкой пропускаются обратно в сеть; — Скачкообразное изменение напряжения, частоты и формы выходного напряжения при переходе на питание от батареи (время переключения >5 мс); — Прямоугольная форма выходного напряжения вместо синусоидальной.

ИБП резервного типа: нормальный режим работы (rectifier — выпрямитель, inverter — инвертор, SPD — фильтр питания, bypass — байпас).ИБП резервного типа: аварийный режим работыЛинейно-интерактивный ИБП: нормальная работа.Линейно-интерактивный ИБП: аварийный режим.Линейно-интерактивные ИБП:

Достоинства	Недостатки
— Компактность, экономичность; — Ступенчатая стабилизация входного напряжения; — Почти синусоидальная форма выходного напряжения; — Невысокая стоимость.	— Они дороже, чем резервные; — Отсутствие реальной изоляции нагрузки от сети распределения питания; — Отсутствие регулировки и стабилизации входной частоты; — Сравнительно слабая стабилизация выходного напряжения, особенно при переходных процессах или в случае пошагового изменения нагрузки; — Низкая эффективность при питании нелинейных нагрузок.

ИБП с дельта-преобразованием в штатном и автономном режимах.ИБП с дельта-преобразованием:

Достоинства

Недостатки

— Высокий КПД (при идеальных параметрах входного напряжения); — Высокий коэффициент мощности по входу (не требуется применение корректирующих фильтров).

— Повышенная сложность из-за применения двунаправленных инверторов и, соответственно, меньшая надежность; — Меньшая степень защиты нагрузки в нормальном режиме работы от резких изменений входного напряжения вследствие инерционности схемы обратной связи; — Отсутствие защиты нагрузки в нормальном режиме работы от отклонений частоты входного напряжения; — Отсутствие встроенной гальванической развязки между входом и выходом.

Линейно-интерактивный ИБП APC BR1000G дает на выходе не совсем чистую синусоиду, но такой аппроксимации достаточно для большинства устройств.системы с двойным преобразованиемИБП с двойным преобразованием отличает надежная защита нагрузки по электропитанию. ИБП с двойным преобразованием: аварийный режим, питание от батареи.ИБП с двойным преобразованием:

Достоинства	Недостатки
— Максимальная фильтрация сетевого напряжения от помех и выбросов; помехи, генерируемые нагрузкой, не пропускаются обратно в сеть; — Питание нагрузки «чистым» синусоидальным электропитанием, стабилизированным по величине, частоте и форме напряжения, при работе от сети и от батарей; — Переключение на батареи происходит мгновенно, при этом любые переходные процессы отсутствуют.	— Относительная сложность и более высокая стоимость; — Дополнительные энергозатраты на двойное преобразование напряжения, снижающие КПД; — Невысокий коэффициент мощности по входу (для его повышения требуется дополнительный элемент — THD-фильтр).

Краткое сравнение ИБП разных классов

	Резервные	Линейно-интерактивные	С двойным преобразованием
Мощность ИБП	менее 1,5 кВА	менее 4 кВА	не ограничена
Режим работы от сети
Стабилизация напряжения	нет	ступенчатая	полная
Стабилизация частоты	нет	Нет	есть
Фильтрация помех	слабая	средняя	максимальная
Батарейный режим
Частота переходов	частая	средняя	редкая
Время перехода на батареи	5-15 мс	2-6 мс	нет
Форма синусоиды	часто трапецеидальная	синусоидальная	синусоидальная
режим «байпас»	нет	нет	есть
гальваническая развязка	Нет	нет	возможна

• Класс VFI (Voltage & Frequency Independent) — выходные напряжение и частота ИБП не зависят от входных параметров.
• Класс VI (Voltage Independent) — выходная частота совпадает с входной, напряжение на выходе регулируется в заданных пределах.
• Класс VFD (Voltage & Frequency Dependent) — выходное напряжение и частота совпадают с входными.

Топология ИБП	Спецификация	Типовая мощность	Типовое применение
Резервный	Voltage & Frequency Dependent (VFD)	1500 ВА	Малый офис, домашние ПК и другие не критичные среды
Линейно-интерактивный	Voltage Independent (VI)	5000 ВА	Малый бизнес, веб-сайты, серверы подразделений
С двойным преобразованием	Voltage and Frequency Independent (VFI)	1000 кВА	Дата-центры

• S соответствует синусоидальному выходному напряжению с коэффициентом нелинейных искажений (КНИ) менее 8% как при линейной, так и при нелинейной нагрузке.
• X соответствует несинусоидальному сигналу с КНИ более 8% при нелинейной нагрузке.
• Y соответствует несинусоидальному сигналу при любой нагрузке, КНИ превышает установленные в IEC 61000-2-4 пределы.