Джерело безперебійного живлення

Невеликий вільно стоїть ДБЖ
Схема типового ДБЖ (~ I)

Джерело безперебійного живлення, (ДБЖ) ( англ. Uninterruptible Power Supply, UPS ) - джерело вторинного електроживлення, автоматичний пристрій, призначення якого - забезпечити підключене до нього електрообладнання безперебійним постачанням електричною енергією в межах норми.

ГОСТ 13109-97 (на заміну ГОСТ 13109-87) визначає наступні норми в електроживлячих мережі: напруга 220 В 5% (граничні значення 10%); частота 50 Гц 0,2 Гц (граничні значення 0,4 Гц); коефіцієнт нелінійних спотворень форми напруги менше 8% (довгостроково) і менше 12% (короткочасно).

Неполадками в живильної мережі вважаються:

  • аварія мережевої напруги (напруга в мережі живлення повністю пропало);
  • високовольтні імпульсні перешкоди (різке збільшення напруги до 6 кВ тривалістю від 10 до 100 мс);
  • довготривалі і короткочасні підсадки і сплески напруги;
  • високочастотний шум (високочастотні перешкоди, що передаються по електромережі);
  • втечу частоти (відхилення частоти більш ніж на 3 Гц).

Масове використання ДБЖ пов'язано із забезпеченням безперебійної роботи комп'ютерів, що дозволяє підключеному до ДБЖ устаткуванню при пропажі електричного струму або при виході його параметрів за допустимі норми, деякий нетривалий (як правило - до 10-15 хвилин) час продовжити роботу. Крім комп'ютерів, ДБЖ забезпечують харчуванням та іншу електричне навантаження, критичну до наявності харчування з нормальними параметрами електроживлячих мережі, наприклад схеми управління опалювальними котлами. ИБП здатний коректувати параметри ( напруга, частоту) вихідний сеті.Крайне рідкісні екземпляри можуть поєднуватися з різними видами генераторів електроенергії (наприклад, дизель-генератором).

Важливими показниками, що зумовлюють вибір схеми побудови ДБЖ, є час перемикання навантаження на живлення від акумуляторних батарей і час роботи від акумуляторної батареї.

Ноутбукам і іншим пристроїв, що мають вбудовану акумуляторну батарею, ДБЖ не потрібен - акумулятор з вбудованими схемами перемикання сам є таким.


1. Схеми побудови ДБЖ

Існує три схеми побудови ДБЖ:

1.1. Резервна

Резервна схема ( англ. Off-Line, Standby , Також Back UPS) - в нормальному режимі харчування підключеного навантаження здійснюється безпосередньо від первинної електричної мережі, яке ДБЖ фільтрують (високовольтні імпульси і електромагнітні перешкоди) пасивними фільтрами. При виході електроживлення за нормовані значення напруги (або його пропажі) навантаження автоматично перепідключається до живлення від схеми, яка отримує електричну енергію від власних акумуляторів за допомогою простого інвертора. При появі напруги в межах норми, знову перемикає навантаження на живлення від первинної мережі.

Переваги
  • За рахунок ККД близько 99% (за наявності напруги мережі) практично безшумні і мають мінімальне тепловиділення;
  • невисока вартість ДБЖ в цілому.
Недоліки
  • відносно довгий час (близько 4 .. 12 мс) перемикання на живлення від батарей;
  • неможливість коректувати ні напругу, ні частоту (VFD по класифікації МЕК).
  • несинусоїдальності форма вихідної напруги при роботі від батареї (апроксимувати синусоїда, квазі-синусоїда);

Підсумок: Найчастіше ДБЖ, побудовані за такою схемою, використовується для харчування персональних комп'ютерів або робочих станцій локальних мереж початкового рівня, для яких не критично своєчасне відключення в разі неполадки в мережі. Практично всі недорогі малопотужні ДБЖ, пропоновані на вітчизняному ринку, побудовані за даною схемою.


1.2. Інтерактивна

Інтерактивна схема ( англ. Line-Interactive ) - Пристрій аналогічно попередній схемі; додатково на вході присутній ступінчастий стабілізатор напруги на основі автотрансформатора, дозволяючи отримати регульовану вихідну напругу. (VI по класифікації МЕК). При роботі в нормальному режимі такі ДБЖ не коригують частоту, пасивні фільтри фільтрують входить змінна напруга. При пропажі напруги ДБЖ переходить на живлення від інвертора, аналогічно попередньому.

Інвертори деяких моделей лінійно-інтерактивних ДБЖ видають напругу як прямокутної або трапецеїдальної форми, як у попереднього варіанту, так і синусоїдальної форми. Час перемикання менший, ніж у попередньому варіанті так як здійснюється синхронізація інвертора з вхідною напругою. ККД нижче, ніж у резервних.


1.3. Подвійне перетворення

Режим подвійного перетворення [1] ( англ. online , он-лайн) - використовується для живлення навантажених серверів (наприклад, файлових), високопродуктивних робочих станцій локальних обчислювальних мереж, а також будь-якого іншого обладнання, пред'являє підвищені вимоги до якості мережевого електроживлення. Принцип роботи полягає в подвійному перетворенні (double conversion) роду струму. Спочатку вхідна змінна напруга перетвориться в постійне, потім назад в змінне напруга за допомогою зворотного перетворювача ( інвертора). При пропажі вхідної напруги перемикання навантаження на живлення від акумуляторів не потрібно, оскільки акумулятори включені в ланцюг постійно, тому для цих ИБП параметр "час перемикання" не має сенсу. В маркетингових цілях може використовуватися фраза "час перемикання дорівнює 0", правильно відображає основна перевага даного виду ДБЖ: відсутність проміжку часу між зникненням зовнішньої напруги і початком живлення від батарей. ДБЖ подвійного перетворення мають невисокий ККД (від 80 до 96,5%) в режимі on-line, через що відрізняються підвищеним тепловиділенням і рівнем шуму. Однак, у сучасних ДБЖ середніх і високих потужностей провідних виробників передбачені різноманітні інтелектуальні режими, що дозволяють автоматично підлаштовувати режим роботи для підвищення ККД аж до 99% (наприклад, ДБЖ Trinergy фірми Emersson Chloride). На відміну від двох попередніх схем, здатні коректувати не тільки напругу, але і частоту (VFI по класифікації МЕК).

Переваги
  • відсутність часу перемикання на живлення від батарей;
  • синусоїдальна форма вихідної напруги;
  • можливість коректувати і напруга, і частоту.
Недоліки
  • Низький ККД (80-94%), підвищена шумність і тепловиділення.
  • Висока вартість.
  • "Резервна" схема побудови ДБЖ
  • "Інтерактивна" схема побудови ДБЖ
  • Схема побудови ДБЖ з подвійним перетворенням

2. Характеристики ДБЖ

  • вихідна потужність, яка вимірюється в вольт-амперах (VA) або ватах (W);
  • вихідна напруга, (вимірюється в вольтах, V);
  • час перемикання, тобто час переходу ДБЖ на живлення від акумуляторів (вимірюється в мілісекундах, ms);
  • час автономної роботи, визначається ємністю батарей і потужністю підключеного до ДБЖ обладнання (вимірюється в хвилинах, хв.), у більшості офісних ДБЖ воно дорівнює 4-15 хвилинам;
  • ширина діапазону вхідної (мережевого) напруги, при якому ДБЖ в змозі стабілізувати харчування без переходу на акумуляторні батареї (вимірюється у вольтах, V);
  • термін служби акумуляторних батарей (вимірюється роками, зазвичай свинцеві акумуляторні батареї значно втрачають свою ємність вже через 3 роки).

3. Складові частини ДБЖ

Реалізація основної функції досягається роботою пристрою від акумуляторів, встановлених у корпусі ДБЖ, під управлінням електричної схеми, тому до складу будь-якого ДБЖ, крім схеми управління, входить зарядний пристрій, який забезпечує зарядку акумуляторних батарей при наявності напруги в мережі, забезпечуючи тим самим постійну готовність до роботи ДБЖ в автономному режимі. Для збільшення автономного режиму роботи, можна оснастити ДБЖ додаткової (зовнішньої) батареєю.

Режим байпас ( англ. Bypass , "Обхід") - живлення навантаження відфільтрованою напругою електромережі в обхід основної схеми ДБЖ. Перемикання в режим Bypass виконується автоматично або вручну (ручне включення передбачається на випадок проведення профілактичного обслуговування ДБЖ або заміни його вузлів без відключення навантаження). Байпас називається один із складових ДБЖ блоків. Може робити т.зв. фазануль.

"Бустер" ( англ. booster ) - Ступінчастий автоматичний регулятор напруги ( англ. Automatic Voltage Regulation, AVR ), Що має автотрансформатор в своїй основі. Використовується в ДБЖ, які працюють за інтерактивною схемою. Часто ДБЖ оснащується тільки підвищує "бустером", який має всього лише одну або декілька сходинок підвищення, але є моделі, які оснащені універсальним регулятором, працюючим і на підвищення (boost), і на пониження (buck) напруги. Використання бустеров дозволяє створити схему ДБЖ, здатну витримати довгі глибокі "підсадки" і "просідання" вхідного мережевого напруги (однієї з найбільш поширених проблем вітчизняних електромереж) без переходу на акумуляторні батареї, що дозволяє значно збільшити термін "життя" акумуляторної батареї.

Схема інвертора 12 Вольт постійного в 230 Вольт змінного напруги

Інвертор - пристрій, який перетворює рід напруги з постійного в змінну (аналогічно змінне в постійне). Основні типи інверторів:

  • інвертори, що генерують напругу прямокутної форми;
  • інвертори з покрокової апроксимацією;
  • інвертор з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ).
  • перетворювач з імпульсно-плотностной модуляцією (ІПМ, англ. Pulse-density modulation )

Показник, який характеризує ступінь відмінності форми напруги або струму від ідеальної синусоїдальної форми - коефіцієнт нелінійних спотворень ( англ. Total Harmonic Distortion, THD ). Типові значення:

  • 0% - форма сигналу повністю відповідає синусоїді;
  • близько 3% - форма близька до синусоїдальної;
  • близько 5% - форма сигналу наближена до синусоїдальної;
  • до 21% - сигнал має трапецеїдальної чи ступінчасту форму (модифікований синус або меандр);
  • 43% і понад - сигнал явно вираженою прямокутної форми (меандр).

Для зменшення впливу на форму напруги в електромережі, (якщо вхідним вузлом ДБЖ, побудованого за схемою з подвійним перетворенням, є тиристорний випрямляч, елемент нелінійний і споживає великий імпульсний струм, такий ДБЖ стає причиною появи гармонік вищого порядку) у вхідному ланцюзі ДБЖ встановлюється спеціальний THD-фільтр. При використанні транзисторних випрямлячів коефіцієнт нелінійних спотворень ( англ. Total Harmonic Distortion, THD ) Складає близько 3% і фільтри не використовують.

Гальванічну розв'язку між входом і виходом, здійснює встановлений у вхідному ланцюзі ДБЖ (між електромережею і випрямлячем) вхідний ізолюючий трансформатор. Відповідно, у вихідний ланцюга ДБЖ між перетворювачем і навантаженням розміщений вихідний ізолюючий трансформатор, який забезпечує гальванічну розв'язку між входом зі схеми ДБЖ і виходом на підключене навантаження.

Для розширеного моніторингу стану самого ІБЖ (наприклад, рівень заряду батарей, параметри електричного струму на виході) застосовуються різні інтерфейси: для підключення до комп'ютера - USB і послідовний ( COM) порт, при цьому виробником ДБЖ поставляється фірмова програмне забезпечення, яке дозволяє проаналізувавши ситуацію, визначити час роботи і дати оператору можливість безпечно вимкнути комп'ютер, завершивши роботу всіх програм. Для спостереження за станом джерел безперебійного живлення) та іншого обладнання через локальну обчислювальну мережу використовується протокол SNMP і спеціалізоване програмне забезпечення.

Для того, щоб підвищити надійність всієї системи в цілому, застосовується резервування - схема, яка складається з двох або більше ДБЖ.


4. Міжнародна класифікація ДБЖ

Промисловий ДБЖ для монтажу в 19-дюймову стійку (зображення зверху - вигляд спереду, зображення знизу - вид збоку)

Стандартом IEC 62040-3 введена наступна класифікація ДБЖ:

Приклад позначення типу ДБЖ: VFI SS 111

1-я група символів - залежність вихідного сигналу ДБЖ від вхідного (мережі).

  • Клас VFI (Voltage and Frequency Independent) - напруга і частота на виході ДБЖ не залежать від вхідної мережі.
  • Клас VI (Voltage Independent) - вихід ДБЖ залежить від частоти входу, але напруга підтримується в заданих межах пасивним або активним регулюванням.
  • Клас VFD (Voltage and Frequency Dependent) - напруга і частота на виході ДБЖ залежать від вхідної мережі.

2-я група символів - форма вихідного сигналу ДБЖ.

  • SS - синусоїдальна форма вихідного сигналу ( коефіцієнт гармонійних спотворень K ги <8%) при лінійній і нелінійній навантаженні.
  • XX - несинусоїдальності форма вихідного сигналу при нелінійному навантаженні (синусоїдальна при лінійній).
  • YY - несинусоїдальності форма сигналу при будь-якому навантаженні.

3-я група символів - динамічні характеристики ДБЖ. Забезпечення стабільності вихідної напруги ДБЖ при трьох типах перехідних процесів (1 - клас 1, відмінно; 2 - клас 2, добре; і т. д.):

  • 1-а цифра: нормальний режим -> автономний режим -> режим bypass,
  • 2-я цифра: 100% зміна лінійної навантаження в нормальному або автономному режимі (найгірший параметр),
  • Третя цифра: 100% зміна нелінійного навантаження в нормальному або автономному режимі (найгірший параметр).

5. Вендори

У 2007 році компанія MGE була придбана двома іншими учасниками ринку: підрозділ MGE, що займається трифазними ДБЖ великої потужності було придбано компанією Schneider Electric (яка володіє APC), а однофазний бізнес був придбаний компанією Eaton (обладнання під маркою Powerware).

У 2010 році групою Legrand було прийнято рішення і втілено в життя придбання концерну Inform Electronic. Тепер ДБЖ Inform, незважаючи на відсутність у них технологій Legrand'а з гордістю носять плашку - "by Legrand".

ДБЖ виробництва General Electric також відомі за попереднім виробнику як Victron або IMV (Invertomatic Victron).

Розподіл продажів ИБП по виробниках ( 2006 р., "IT Research"):

Вендор Млн дол %
APC 233,7 54,6%
Ippon 42,0 7,3%
Powercom 24,1 3,9%
GE 22,3 4,5%
GM UPS 19,2 4,0%
Eaton Powerware 20,4 5,0%
Emerson NP 18,2 4,5%
Powerman 16,8 4,1%
MGE UPS Systems 12,2 3,01%
GE Digital Energy 9,1 2,2%
Chloride 6,7 1,66%
INELT 4,9 1,21%
AEG Power Solutions 3,7 0,91%
NeuHaus 3,7 0,90%
Newave 3,1 0,76%
Socomec Sicon UPS 2,3 0,58%
Sven 1,9 0,46%
Riello 1,8 0,45%
Tripp Lite 0,5 0,13%
Lighthouse 0,5 0,13%
BlueWalker 0,2 0,04%
Inform Elektronik 0,1 0,03%
Infosec 0,04 0,01%
Всього 428,24 100,00%

Примітки

  1. Граф Ш., Гессель М. 1. Вступ / / Схеми пошуку несправностей = Fehlererkennungsschaltungen. - М .: Вища школа, 1989. - С. 6. - 144 с. - 80000 екз. - ISBN 5-283-02462-8