Выходное напряжение источников бесперебойного питания ибп

ИБП — что это такое, принцип работы, характеристики

Блоки питания

Виды ИБП их преимущества и недостки

Аварийные ситуации в сети электропитания, работа самодельного сварочного оборудования, непогода с сильным ветром. Все это может привести к выходу из строя высокотехнологичного оборудования, применяемого в быту, офисах и производстве. Для защиты от таких неприятностей существует ИБП. Что такое ИПБ разберем ниже

1. ИБП — расшифровка, краткое описание устройства

ИБП – это Источник Бесперебойного Питания. Это прибор, который обеспечивает бесперебойную подачу напряжения в случае аварий с электропитанием. Он накапливает энергию и при аварии с питанием подменяет основной источник подачи электроэнергии и дает возможность корректно выключить компьютер или дождаться восстановления подачи электроэнергии. Бесперебойник срабатывает как при падении напряжения ниже определенного значения, так и при повышении выше определенной заранее заданной величины.

2. Основная функция

Основная функция – защитить потребитель электроэнергии (компьютер или другое высокотехнологичное оборудование) от отключения напряжения посредством использования аккумуляторной батареи (АКБ). Но если это узел связи, хирургическая операционная, промышленное предприятие непрерывного цикла или еще какой-нибудь объект, требующий беспрерывной работы, то используется целый комплекс мер. В первый момент включается аккумуляторная батарея. Она дает время включиться альтернативному источнику – дизель-генератору.

2.1. Зачем он нужен

ИПБ защищает потребителя от электрических помех в сети обеспечивая на выходе чистый синусоидальный сигнал соответствующего напряжения и силы тока. Вот для чего нужен ИПБ.

2.2. Срок службы ИБП

Срок службы источника бесперебойного питания ограничен сроком службы АКБ. Длительность работы зависит от частоты включения и от качества и схемотехники зарядной части. Если они не очень качественные, то приблизительно на 2 – 2,5 года. Если качественные, то можно надеяться и на 5-6 лет.

3. Типы источников бесперебойного питания, принцип действия

Стандарт IEC 62040-3 имеет классифицирует все ИБП для питания бытовой высокотехнологичной техники по схеме построения:

• Резервные;
• Линейно-интерактивные;
• Двойного преобразования.

В зависимости от напряжения нагрузки ИБП бывают:

• Однофазными;
• Трехфазными;
• Однофазные в трехфазных групповых сетях.

3.1. Резервный

Резервный ИБП (другие названия Off-line, Back UPS, Standby) – это электронный прибор, переключающий питание оборудования на резервный аккумулятор (находится в составе устройства) при сбоях питания.

Недорогие бесперебойники предназначенные для защиты не очень важных рабочих станций. Устройство передает входное напряжение непосредственно на нагрузку. Контролируется качество подачи напряжения и при сбоях питания переводится на питание от батареи через инвертор. Время переключения с внешнего питания на АКБ приблизительно 0.01 сек.

3.2. Линейно-интерактивный

ИБП данного вида обеспечивают питание через ступенчатый стабилизатор. Данный узел устройства корректирует напряжение на входе (повышенное и пониженное) и фильтрует помехи. При сбое питания включается батарея и через инвертор питает нагрузку. Время переключения с внешнего питания на АКБ приблизительно 0.01 сек.

3.3. ИБП двойного преобразования

ИБП такого вида являются самыми сложными и самыми надежными. Принцип работы заключается в преобразовании входного переменного тока в постоянный. Постоянный ток заряжает аккумулятор и инвертируется в переменный. Даже если напряжение на входе очень низкое или очень высокое все равно на выходе устройства “чистая” синусоида нормальной частоты и амплитуды. В случае полного пропадания напряжения инвертор начинает питаться от батареи. Никаких перепадов на выходе бесперебойника при переключении питания на аккумулятор не происходит.

4. Схема ИБП (электрическая)

Как работает ИПБ.

Блок схема данного резервного ИБП выглядит так:

В основном режиме происходит подача напряжения на нагрузку и через контроллер на АКБ. Если батарея требует подзарядки, то она подзаряжается. Входное напряжение не корректируется. Только фильтруется через простейшие фильтры.

При выходе напряжения за установленные пределы включается резервный режим. Питание от АКБ через инвертор поступает на нагрузку.

ИБП интерактивного типа имеют блок-схему следующего вида:

Здесь уже существует встроенный стабилизатор напряжения. Он существенно расширяет диапазон входного напряжения и только при пропадании напряжения начинает питать нагрузку от АКБ.

ИБП двойного преобразования выглядят так:

Он полностью отделяет нагрузку от входа осуществляя гальваническую развязку. Такая конструкция не позволит помехам, а главное коротким, высоковольтным импульсам, наведенным от реактивной нагрузки в электрической сети разрушать электронику нагрузки.

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);

7. Что лучше ИБП или стабилизатор

ИБП и стабилизатор, не смотря на свою похожесть выполняют разные функции.

7.1. Сравнительная характеристика

Стабилизатор работает постоянно и выравнивает напряжение на входе. На выходе выдается постоянный уровень напряжения, требуемый для устройства нагрузки. В случае аварии по питанию (на входе 0 напряжения) стабилизатор просто отключится.

ИБП также стабилизирует напряжение на выходе, но при отключении внешнего напряжения еще продолжает некоторое время поддерживать уровень напряжения питания нагрузки.

7.2. Преимущества

• Стабильное напряжение на выходе;
• Высокий КПД;
• Низкая цена.

Не работает без внешнего питания.

• Надежная защита от внешних факторов;
• Широкий диапазон входных напряжений;
• Работа от аккумулятора при отключении внешнего питания.

• КПД ниже из-за постоянного преобразования напряжения;
• Повышенный шум в момент скачков электроэнергии;
• Высокая цена.

Источник



Источники бесперебойного питания: попытка выработки комплексной методики тестирования

По мере своего развития цивилизация начинает потреблять все больше энергии, в частности, электрической — станки, заводы, электронасосы, фонари на улицах, лампы в квартирах… Появление радио, телевизоров, телефонов, компьютеров дало человечеству возможность ускорить обмен информацией, однако, еще сильнее привязало его к источникам электроэнергии, поскольку теперь, во многих случаях, пропадание электричества равносильно потере канала доставки информационного потока. Наиболее критична такая ситуация для ряда наиболее современных отраслей, в частности, там, где основным инструментом производства являются компьютерные сети.

Давно подсчитано, что через пару-тройку месяцев работы стоимость информации, хранящейся на компьютере, превышает стоимость самого ПК. Уже давно информация стала разновидностью товара — ее создают, оценивают, продают, покупают, накапливают, преобразуют… и порой теряют по самым разнообразным причинам. Разумеется, до половины проблем, связанных с потерей информации, возникает из-за программных или аппаратных сбоев компьютерами. Во всех остальных случаях, как правило, проблемы связаны с некачественным электроснабжением компьютера.

Обеспечение качественного питания компонентов ПК — залог стабильной работы любой компьютерной системы. От формы и качественных характеристик сетевого питания, от удачного выбора компонентов питания порой зависит судьба целых месяцев работы. Исходя из этих соображений, была разработана изложенная ниже методика исследования, призванная в дальнейшем стать основой тестирования качественных характеристик бесперебойных блоков питания.

Оглавление

1. Положения ГОСТ
2. Классификация ИБП (описание, схема)
   • Оффлайновые
   • Линейно-интерактивные
   • Онлайновые
   • Основные типы по мощностям
3. Физика
   • a. Виды мощности, формулы расчета:
     • Мгновенная
     • Активная
     • Реактивная
     • Полная
4. Тестирование:
   • Цель тестирования
   • Общий план проведения
   • Параметры для проверки
5. Оборудование, использованное при тестировании
6. Библиография

Положения ГОСТ

Все, что связано с электрическими сетями, в России регламентируется положениями ГОСТ 13109-97 (принят Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации взамен ГОСТ 13109-87). Нормативы этого документа полностью соответствуют международным стандартам МЭК 861, МЭК 1000-3-2, МЭК 1000-3-3, МЭК 1000-4-1 и публикациям МЭК 1000-2-1, МЭК 1000-2-2 в части уровней электромагнитной совместимости в системах электроснабжения и методов измерения электромагнитных помех.

Стандартными показателями для электросетей в России, установленными ГОСТ, являются следующие характеристики:

• напряжение питания — 220 В±10%
• частота — 50±1 Гц
• коэффициент нелинейных искажений формы напряжения — менее 8% в течение длительного времени и 12% — кратковременно

Оговорены в документе и типичные проблемы электроснабжения. Чаще всего нам приходится сталкиваться со следующими из них:

• Полное пропадание напряжения в сети (отсутствие напряжения в сети на время более 40 секунд из-за нарушений в линиях подачи электроэнергии)
• Проседания (кратковременное снижение напряжения в сети до величины менее 80% от номинального значения на время более 1 периода (1/50 секунды) являются следствием включения мощных нагрузок, внешне проявляется как мерцание ламп освещения) и всплески (кратковременные повышения напряжения в сети на величину более 110 % от номинального на время более 1 периода (1/50 секунды); появляются при отключении большой нагрузки, внешне проявляются как мерцание ламп освещения) напряжения разной продолжительности (характерно для больших городов)
• Высокочастотный шум — радиочастотные помехи электромагнитного или другого происхождения, результат работы мощных высокочастотных устройств, коммуникационных устройств
• Отклонение частоты за пределы допустимых значений
• Высоковольтные выбросы — кратковременные импульсы напряжения величиной до 6000В и длительностью до 10 мс; появляются при грозах, как результат статического электричества, из-за искрения переключателей, внешних проявлений не имеют
• Выбег частоты — изменение частоты на 3 и более Гц от номинального (50 Гц), появляются при нестабильной работе источника электроэнергии, внешне могут и не проявляться.

Все эти факторы могут привести к выходу из строя достаточно «тонкой» электроники, и, как это часто бывает, к потере данных. Впрочем, люди давно научились защищаться: фильтры сетевого напряжения, «гасящие» скачки, дизель-генераторы, обеспечивающие подачу электроэнергии системам при пропадании напряжения в «глобальном масштабе», наконец, источники бесперебойного питания — основной инструмент защиты персональных ПК, серверов, мини-АТС и др. Как раз о последней категории устройств и пойдет речь.
Классификация ИБП

«Разделять» ИБП можно по разным признакам, в частности, по мощности (или сфере применения) и по типу действия (архитектуре/устройству). Оба этих метода тесно связаны друг с другом. По мощности ИБП делятся на

1. Источники бесперебойного питания малой мощности (с полной мощностью 300, 450, 700, 1000, 1500 ВА, до 3000 ВА — включая и on-line)
2. Малой и средней мощности (c полной мощностью 3–5 кВА)
3. Средней мощности (с полной мощностью 5–10 кВА)
4. Большой мощности (с полной мощностью 10–1000 кВА)

Исходя из принципа действия устройств, в литературе в настоящее время используется два типа классификации источников бесперебойного питания. Согласно первому типу, ИБП делятся на две категории: on-line и off-line, которые, в свою очередь, делятся на резервные и линейно-интерактивные.

Согласно второму типу, ИБП делятся на три категории: резервные (off-line или standby), линейно-интерактивные (line-interactive) и ИБП с двойным преобразованием напряжения (on-line).

Мы будем пользоваться вторым типом классификации.

Рассмотрим для начала разницу типов ИБП. Источники резервного типа выполнены по схеме с коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей сети, а в аварийном — переводит ее на питание от аккумуляторных батарей. Достоинством ИБП такого типа можно считать его простоту, недостатком — ненулевое время переключения на питание от аккумуляторов (около 4 мс).

Линейно-интерактивные ИБП выполнены по схеме с коммутирующим устройством, дополненной стабилизатором входного напряжения на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками. Основное преимущество таких устройств — защита нагрузки от повышенного или пониженного напряжения без перехода в аварийный режим. Недостатком таких устройств также является ненулевое (около 4 мс) время переключения на аккумуляторы.

ИБП с двойным преобразованием напряжения отличается тем, что в нем поступающее на вход переменное 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 его в аварийном режиме. Таким образом, достигается достаточно высокая стабильность выходного напряжения независимо от колебаний напряжения на входе. Кроме того, эффективно подавляются помехи и возмущения, которыми изобилует питающая сеть.

Практически, ИБП данного класса при подключении к сети переменного тока ведут себя как линейная нагрузка. Плюсом данной конструкции можно считать нулевое время переключения на питание от аккумуляторов, минусом — снижение КПД за счет потерь при двукратном преобразовании напряжения.

Во всех справочниках по электротехнике различаются четыре вида мощности: мгновенная, активная, реактивная и полная. Мгновенная мощность вычисляется как произведение мгновенного значения напряжения и мгновенного значения тока для произвольно выбранного момента времени, то есть

Так как в цепи с сопротивлением r u=ir, то

Средняя за период мощность P рассматриваемой цепи равна постоянной слагающей мгновенной мощности

Среднюю за период мощность переменного тока называют активной. Единица активной мощности вольт-ампер называется ватт (Вт).

Соответственно и сопротивление r называют активным. Так как U=Ir, то

Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля. Для синусоидального тока равна произведению действующих тока и напряжения на синус угла сдвига фазы между ними.

Полная мощность — потребляемая нагрузкой суммарная мощность (учитываются как активная, так и реактивная ее составляющие). Вычисляется как произведение среднеквадратичных значений входного тока и напряжения. Единица измерения — ВА (вольт-ампер). Для синусоидального тока равна

Практически на любом электрическом приборе находится этикетка с указанием либо полной мощности устройства, либо активной мощности.
Тестирование

Основная цель тестирования — продемонстрировать поведение тестируемых ИБП в реальных условиях, дать представление о дополнительных характеристиках, которые не находят отражения в общей документации на устройства, на практике определить влияние различных факторов на работу ИБП и, возможно, помочь определиться с выбором того или иного источника бесперебойного питания.

Несмотря на то, что рекомендаций по выбору ИБП в настоящее время существует великое множество, в ходе тестирования мы рассчитываем, во-первых, рассмотреть ряд дополнительных параметров, которыми стоит поинтересоваться перед покупкой оборудования, во-вторых, по необходимости скорректировать набор выбранных методов и параметров тестирования и выработать базу для будущего анализа всего тракта питания систем.

Общий план проведения тестирования выглядит следующим образом:

• Указание класса устройства
• Указание заявленных производителем характеристик
• Описание комплектности поставки (наличие руководства, дополнительных шнуров, ПО)
• Краткое описание внешнего вида ИБП (функции, вынесенные на контрольную панель и перечень разъемов)
• Тип аккумуляторов (с указанием емкости аккумуляторов, обслуживаемые/необслуживаемые, наименование, возможно — взаимозаменяемость, возможность подключения дополнительных аккумуляторных блоков)
• «Энергетическая» составляющая тестов

В процессе тестирования планируется проверить следующие параметры:

• Диапазон входного напряжения, при котором ИБП работает от сети, не переключаясь на аккумуляторы. Больший диапазон входного напряжения уменьшает количество переходов ИБП на батарею и увеличивает срок ее службы
• Время переключения на питание от аккумулятора. Чем меньше время переключения, тем меньше риск выхода из строя нагрузки (устройства, подключенного через ИБП). Длительность и характер процесса переключения во многом определяют возможность нормального продолжения работы оборудования. Для компьютерной нагрузки допустимое время прерывания питания 20-40 мс.
• Осциллограмма переключения на аккумулятор
• Время переключения с аккумулятора на внешнее питание
• Осциллограмма переключения с аккумулятора на внешнее питание
• Время работы в автономном режиме. Этот параметр определяется исключительно емкостью батарей, установленных в ИБП, которая, в свою очередь, увеличивается при росте максимальной выходной мощности ИБП. Для обеспечения автономным питанием двух современных компьютеров SOHO типичной конфигурации в течение 15-20 мин, максимальная выходная мощность ИБП должна быть порядка 600-700 ВА.
• Параметры выходного напряжения при работе от батарей
• Форма импульса в начале разряда аккумулятора
• Форма импульса в конце разряда аккумулятора
• Диапазон выходного напряжения ИБП при изменении входного напряжения. Чем этот диапазон уже, тем меньше влияние изменения входного напряжения на питаемую нагрузку
• Стабилизация выходного напряжения
• Фильтрация выходного напряжения (если она есть)
• Поведение ИБП при перегрузке на выходе
• Поведение ИБП при пропадании нагрузки
• Вычисление КПД ИБП. Определяется как отношение выходной мощности устройства к потребляемой мощности от источника питания
• Коэффициент нелинейных искажений, характеризующий степень отличия формы напряжения или тока от синусоидальной
  • 0% — синусоида
  • 3% — искажения не заметны на глаз
  • 5% — искажения заметны глазом
  • до 21% — трапецеидальная или ступенчатая форма сигнала
  • 43% — сигнал имеет прямоугольную форму

Оборудование

Источник