1. Основные понятия и упрощенная классификация ИБП (UPS)

Источник бесперебойного питания (ИБП)/Uninterruptible power system (UPS) - это устройство, применяющееся для защиты и бесперебойного питания компьютера, монитора и т.д. (далее нагрузки*) при аварийных ситуациях: полном обесточивании внешней электросети или недопустимом отклонении показателей качества электроэнергии (значительном отклонении сетевого напряжения, частоты, появления помех и т.п. согласно ГОСТ 13109-97**).
Для электропитания нагрузки ИБП используют энергию аккумуляторных батарей.
ИБП, как правило, является последним «рубежом обороны» в борьбе за качество и надежность электроснабжения, а также сохранность нагрузки и данных.

Классификация ИБП производится, в общем случае, по двум базовым показателям - его мощности и типу. Мы воспользуемся типовой классификацией.


1.1. ИБП резервного типа (Off-Line или Standby).
ИБП резервного типа - источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством (реле), которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей электросети, а в аварийном переводит ее на питание от инвертора и аккумуляторных батарей.
Достоинством ИБП Off-Line или Standby типа является его простота и, как следствие, невысокая стоимость.
Недостатки:
- отсутствие стабилизации напряжения и частоты, коррекции формы напряжения при работе от входящей сети (встроенный простейший бустер или AVR осуществляет грубую дискретную коррекцию входного напряжения, чтобы снизить количество переходов на работу нагрузки от батарей);
- посредственная защита нагрузки в т.ч. случайных входных воздействий, т.к. нагрузка подключается непосредственно к внешней питающей сети, а в качестве фильтра может стоять только 1 варистор и 1 конденсатор;
- ненулевое время переключения (4-6 мс) на питание от батарей;
- несинусоидальная форма напряжения (слабо напоминающая синус) при работе от батарей;
- наличие переходных процессов при работе бустера (AVR) и переключения на работу от сети/батарей***
- интенсивная эксплуатация батарей в условиях частых любых неполадках в электросети;
- невозможность подключать нагрузку, для которой требуется синусоидальная форма напряжения питающей сети (при этом для отдельных потребителей это допустимо, т.к. время работы от батарей для таких ИБП штатно составляет 5-10 мин в зависимости от нагрузки, и соответственно за такое время каких-либо значительных последствий может не наступить (перегрев 50 Гц трансформатора и т.п.).

Как правило, ИБП данного типа имеют функцию отключения малой нагрузки (10-15%) по некоторому интервалу времени, которую нельзя отключить. Поэтому питание модемов, сигнализации и др. потребителей с малым потреблением без дополнительной мощной нагрузки от таких ИБП невозможно.

Многие ИБП Off-Line или Standby не имеют принудительного охлаждения (вентиляторов). Это является положительным моментом, т.к. ИБП обладает низким уровнем шума (менее 35 дБА). С другой стороны, вследствие повышенной температуры внутри изделия (до 30-35 С и выше) при работе зарядного устройства или инвертора в сочетании с невысокими параметрами зарядного устройства и предельными режимами работы батареи (большие токи разряда) срок службы батарей может сократиться до 2-2,5 лет. На фоне того, что замена батарей для некоторых ИБП требует визита в сервис, а стоимость батарей значительно выросла (из-за роста цен на свинец) малый срок службы батарей можно отнести к недостатку (Прим. автора).

ИБП резервного типа, как правило, имеют небольшую мощность (до 1 кВА) и применяются для обеспечения гарантированного электропитания персональных компьютеров (данная нагрузка не требовательна к форме входного напряжения и допускает значительные колебания напряжения) или другого оборудования, не требующего синусоидальной формы напряжения питания в регионах с хорошим качеством электрической сети.

С точки зрения классификация ИБП Off-Line или Standby по международному стандарту IEC 62040-3**** данные изделия относятся к типу VFD (Voltage and Frequency Dependent) - выходное напряжение и частота на выходе ИБП ЗАВИСЯТ от входящей сети.


1.2. Гибридные ИБП (Line-Interactive и др.).
Линейно-интерактивный ИБП - источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством (реле), дополненный стабилизатором с более широким диапазоном входного напряжения (бустером или AVR) на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками.
Основное преимущество линейно-интерактивного ИБП по сравнению с источником Off-Line или Standby заключается в следующем:
- ИБП данного типа способны обеспечить нормальное питание нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети (наиболее распространенный вид неполадок в отечественных линиях электроснабжения) без перехода в режим питания нагрузки от батарей;
- при работе от батарей в нагрузку выдается приближенное к синусоидальной (аппроксимация синусоиды) или синусоидальное напряжение, что позволяет подключать практически любую нагрузку;
- в некоторых моделях используются более качественные фильтры помех, присутствует цепь байпас (прямое соединение нагрузки и входной сети при перегрузке или неполадках ИБП);
- улучшенные параметры зарядных устройств, определение времени работы от батарей, возможность подключения внешних батарей;
- более продвинутые возможности по локальному и удаленному мониторингу состояния ИБП и его отдельных компонентов, настройке режимов работы;
- многие производители выпускают ИБП данного типа как в обычном башенном или настольном исполнении, так и для установки в 19” стойки и шкафы.
Недостатки:
- отсутствие стабилизации частоты, коррекции формы напряжения и некоторая зависимость выходного напряжения от входного, при работе от входящей сети;
- ухудшенная защита нагрузки в т.ч. случайных входных воздействий по сравнению с on-line ИБП, т.к. нагрузка подключается непосредственно к внешней питающей сети;
- наличие переходных процессов при работе бустера (AVR) и переключения на работу от сети/батарей***;
- ненулевое время переключения (2-4 мс) на питание от батарей;
- в отдельных моделях приближенное к синусоидальной форма напряжения при работе от батарей.
Как правило, для охлаждения инвертора и зарядного устройства используется активная система охлаждения (вентилятор). В зависимости от модели линейно-интерактивного ИБП скорость вращения вентилятора(ов) может меняться или быть постоянной.

По эффективности линейно-интерактивные ИБП занимают промежуточное положение между простыми и относительно дешевыми резервными источниками (Off-line) и высокоэффективными, но дорогостоящими ИБП с двойным преобразованием энергии (On-line).

Как правило, линейно-интерактивные ИБП применяют для обеспечения гарантированного питания персональных компьютеров, рабочих станций, файловых серверов, узлов локальных вычислительных сетей, офисного оборудования и иногда телекоммуникационного оборудования.

С точки зрения классификации линейно-интерактивные ИБП по стандарту IEC 62040-3**** относятся к типу VI (Voltage Independent) – выход ИБП зависит от частоты входа, но напряжение поддерживается в заданных пределах пассивным или активным регулированием.


1.3. ИБП с двойным преобразованием (On-line).
ИБП с двойным преобразованием энергии - источник бесперебойного питания, в котором поступающее на вход переменное сетевое 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 последний, когда напряжение во входной сети отсутствует или параметры сети отличаются от нормальных.
Такая схема построения ИБП позволяет обеспечить близкое к идеальному питание нагрузки при, большинстве из распространенных, негативных явлениях в электросети (включая фильтрацию высоковольтных импульсов) и характеризуется нулевым временем переключения на питание от батарей без возникновения переходных процессов*** на выходе устройства.
ИБП on-line, как правило, корректно работают с батареями (имеют возможность подключения внешних батарей), обладают широкими возможностями по мониторингу и управлению, имеют статический байпас, выпускают как в обычном башенном или настольном исполнении, так и для установки в 19” стойки и шкафы.
В изделиях данного типа, как правило, используется активная система охлаждения в виде постоянно работающего вентилятора(ов) в зависимости от величины нагрузки и температуры. Это связано с тем, что при работе ИБП всегда происходит одно или два преобразования.
Некоторые ИБП on-line могут работать параллельно. При этом можно получить большую мощность или получить резервирование N+1 и т.п.

В ИБП on-line используется несколько типов реализации двойного преобразования.

Классическое двойное преобразование, когда выпрямитель после первого преобразования формирует шину постоянного тока с низким уровнем пульсаций и помех, к которой подключены батареи и инвертор. Достоинства – высокая степень защиты нагрузки от большинства внешних воздействий (помех), долгий срок службы батарей. Недостатки – невысокий КПД порядка 85-90% (у лучших ИБП большой мощности до 93-94%), сложность реализации и как следствие, высокая стоимость. Некоторые ИБП вызывают гармонические искажения тока во входной электрической сети.
В настоящее время данная технология двойного преобразования усовершенствована с точки зрения качественных характеристик и снижения потерь. В частности существуют ИБП с IGBT-выпрямителями, позволяющие снизить коэффициент нелинейных искажений на входе ниже 4% и обеспечить синусоидальную форму тока потребления.

Наиболее распространенным является применение в ИБП on-line дельта-преобразования, которое позволяет значительно упростить конструкцию, снизить себестоимость, получить КПД до 93-96%.
Столь высокий КПД обеспечиваются при отсутствии отклонений и искажений напряжения в питающей сети, а также, если нагрузка ИБП близка к номинальной и является линейной. К недостаткам можно отнести потенциально меньшую степень защиты нагрузки по сравнению с использованием классического двойного преобразования. Также на практике для нелинейной нагрузки значения КПД могут приближаться к показателям ИБП с классическим двойным преобразование (82-90%). Однако при широком внедрении импульсных блоков питания с коррекцией коэффициента мощности нагрузка приобретает преимущественно активный характер, и тем самым создаются условия для проявления высоких энергетических характеристик. Другим достоинством ИБП с дельта-преобразованием является высокий коэффициент мощности самого устройства, близкий к 1, а также возможность выдерживать значительные перегрузки. Надо заметить, что в настоящее время данная технология двойного преобразования достаточно усовершенствована и почти все недостатки сведены к минимуму.

По реализации ИБП on-line делятся на трансформаторные и бестрансформаторные, использующие тиристорный или IGBT-выпрямитель. Рассмотрение или выбор ИБП по этим критериям не укладывается в рамки данного обзора.

ИБП on-line как изделия в целом, или как отдельные модули ИБП, могут работать параллельно, образуя конфигурации необходимой мощности, или получая резервирование N+1, N+2 и т.д.
Существует 2 подхода к модульности и резервированию:
- на уровне модулей ИБП, как например в ИБП серии Symmetra компании АРС;
- на уровне изделий в целом, например по технологии Резервируемой Параллельной Архитектуры (Redundant Parallel Architecture™ или RPA™) компании General Electric, позволяющей наращивать мощность и осуществлять резервирование системы за счет установки дополнительных блоков ИБП.

ИБП on-line выпускаются мощностью, как правило, от 500-700 ВА до сотен кВА и даже единиц мВА, с временем автономной работы от нескольких минут до нескольких часов и даже суток.

ИБП типа On-line применяют в тех случаях, когда по тем или иным причинам предъявляются повышенные требования к качеству электропитания нагрузки, надежности и резервирования. Например, узлы локальных вычислительных сетей (сетевое оборудование, файловые серверы, рабочие станции, персональные компьютеры), оборудование вычислительных залов, центры обработки данных (ЦОД), системы управления технологическим процессом и технологическим оборудованием, аудио-видео техника, системы отопления и кондиционирования и т.д.

С точки зрения классификации ИБП с двойным преобразованием энергии по международному стандарту IEC 62040-3**** относятся к типу VFI (Voltage and Frequency Independent) – выходное напряжение и частота на выходе ИБП НЕ ЗАВИСЯТ от входной сети.


2. ЧаВо. (В процессе разработки. Прим. администрации)

Совместная работа стабилизатора перед ИБП.
Отдельный стабилизатор на входе с лучшими характеристиками по сравнению с узлом АВРа или бустера в ИБП дополнит или улучшит схему питания. При этом со ступенчатым или дискретным стабилизатором (например Штиль R800) могут быть проблемы: при регулировании напряжения стабилизатором ИБП может иногда переходить на батареи. Вызвано это 2 моментами: величиной дискрета регулировки (чем больше, тем хуже) и кратковременным разрывом фазы при регулировке (зависит от модели стабилизатора).
Сейчас есть ИБП с хорошим АВРом (широкий диапазон входного напряжения 140-300 В и т.п.), например General Electric серии ML, ИБП APC Smart-UPS. В случае использования таких ИБП, как правило, нет смысла использовать стабилизатор напряжения.

Как определить является ли сетевой фильтр или другое устройство защитой от перенапряжения?
Для любого изделия все заявленные возможности, в т.ч. по защите от перенапряжения или значительных отклонений сетового напряжения, должны быть отражены в документации.
Для сетевых фильтров и защитных устройств в данном случае обязательно должно быть указано:
1. Верхний и нижний порог отключения нагрузки (полноценная защита подразумевает отключение как при заниженном напряжении, так и при перенапряжении в входной сети)
2. Время (скорость) срабатывания защиты. Это важный параметр позволяет оценить эффективность рассматриваемого изделия для защиты компьютера и другой нагрузки.
Примечание. При рассмотрении быстродействия защиты необходимо учитывать, что сделать "какой-либо достаточный" анализ сети можно за время от 3-4 мс до 10 мс, т.к. 50 Гц это 20 мс. При этом обязательным условием качественного решения является отсутствие ложных срабатываний.

Общие требования к ИБП питающего отопительное оборудование (газовый котел).
Основные требования:
- синусоидальное выходное напряжение
- стабилизированное напряжение по выходу 220-230 В +/-10% (не ниже 190-200 В желательно), т.к. не любит автоматика котла большого отклонения напряжений
- для некоторых котлов сквозная нейтраль или возможность заземлить выходную нейтраль с ИБП (чтобы инвертор "не висел в воздухе" при работе от батарей)
- мощность ИБП для котла с помпой (1-й или несколькими) выбирают с запасом в 3-5 раз, на величину запаса оказывает влияние потребление асинхронным двигателем помпы с учетом пусковых токов.

ИМХО, AEM

* Под нагрузкой понимаются подключаемые к UPS устройства, как то: системный блок, монитор, активное сетевое оборудование, аудио-видео техника, сервера, групповая нагрузка (локальная сеть из компьютеров, принтеров и т.п.) и т.д.
** ГОСТ 13109-97 - стандарт устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии в электрических
сетях систем электроснабжения общего, т.е. электрических сетях потребителей, т.е. нас.
*** Под переходными процессами, прежде всего, подразумеваются все возмущения, которые могут быть на выходе ИБП off-line или Line-Interactive в результате работу узлов ИБП: AVR или стабилизатора, переходе на батарею и обратно. Данные возмущения с наибольшей вероятностью могут негативно сказаться на такой чувствительной нагрузке, как аудиотехника. Такая нагрузка как компьютер, монитор и другая с импульсным БП к таким воздействиям не чувствительна (Прим. автора).
**** IEC 62040-3 – европейский стандарт в соответствии с которым разрабатываются многие ИБП.

Написано AEM, 03.02.2008
Благодарность за помощь (дополнения и исправления) moderator-Xorius и miikr.


1. Выбор UPS: основные положения.

При выборе типа и модели ИБП для той или иной нагрузки нужно руководствоваться следующими основными критериями:
- мощность нагрузки (обычно указывается в ВА или Вт);
- характер нагрузки (компьютер, принтер и т.п.);
- стоимость или бюджет покупки;
- время работы от батарей и те проблемы, которые надо решить (пропадание напряжения в сети, нестабильное напряжение, помехи и т.п.);
- требования к качеству и надежности ИБП;
- конструктивное исполнение (обычное и/или в 19” шкаф) и уровень шума (система вентиляции, наличие зависимости работы вентиляторов от температуры и нагрузки)
- возможность добавления внешних батарей;
- наличие (USB, RS232) или добавление сигнальных интерфейсов (SNMP-карта, релейный интерфейс или сухие контакты и т.п.), возможность использовать специализированное ПО;
- возможность резервирования N+1 и/или работа с генераторными установками;
- ……………;
- выбор изделия по отдельным параметрам (входной/выходной коэффициент мощности, КПД и т.д.) или эксплуатационным характеристикам.

ИБП мощностью 350-600 ВА подойдут для использования с офисным компьютером и LCD-монитором. Мощность ИБП в 700-1000 ВА как правило будет достаточна для домашнего игрового компьютера с монитором, включая отдельные периферийные устройства. Такая нагрузка как лазерный принтер как правило требует ИБП мощностью от 1200-1500 ВА. При этом обычно принтеры не являются теми критичными приложениями для которых требуется бесперебойное электроритание (Прим. автора).


Написано AEM, 03.02.2008
Благодарность за помощь (дополнения и исправления) moderator-Xorius и miikr.


Путеводитель по разделу:
Немного теории:
http://www.ixbt.com/power/faq/ups.shtml
http://www.ixbt.com/power/powercom_ups.html
http://www.ixbt.com/power/ground.html
http://www.ixbt.com/power/ground2.shtml
http://www.ixbt.com/power/power-theory.shtml
http://www.ixbt.com/power/ups/electric_power.shtml
http://www.ixbt.com/power/ups/smart_battery.shtml

Выбор UPS:
Выбор UPS: обсудим!
FAQ: Выбор UPS в ценовом диапазоне от 35$ до 150$, мощностью до 600 ВА
FAQ: Выбор UPS в ценовом диапазоне от 60$ до 700$, мощностью 620-1000 ВА
FAQ: Выбор UPS в ценовом диапазоне от 140$ до 1500$ мощностью 1200-3000 ВА
FAQ: Выбор UPS (решения) мощностью более 3 кВА

Эксплуатация UPS:
FAQ: UPS и аккумуляторные батареи: замена, установка батарей большей емкости, решения с внешними батареями
ИБП APC: опыт использования, достоинства, недостатки, вопросы
UPS MGE: опыт использования, достоинства, недостатки, вопросы
Mustek/Ippon/Sven/Powercom UPS и ПО
ИБП Powerware: опыт использования, достоинства, недостатки, вопросы.
Ваше мнение о Powerware 5115?
Кто-нибудь знаком с ИБП Tripplite?

Выбор стабилизатора и средств защиты:
FAQ: Выбор стабилизатора напряжения для дома
FAQ: Выбор сетевого фильтра, защиты от перенапряжения для компьютера, бытовой и Audio/Video -техники