Главная > Бытовая техника > Источник бесперебойного питания для он нужен. Источники бесперебойного питания: попытка выработки комплексной методики тестирования


Источник бесперебойного питания для он нужен. 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.

  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.


Физика

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


Обычно именно активную мощность понимают под потребляемой мощностью устройства.

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

При тестировании мы будем пользоваться не реальными рабочими станциями и серверами, а эквивалентными нагрузками, которые имеют стабильный характер потребления и коэффициент использования мощности, близкий к 1. В качестве основного оборудования, которое будет использоваться при проведении тестирований, в настоящее время рассматривается следующий комплект:

Библиография
  1. ГОСТ 721-77 Системы энергоснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения свыше 1000 В
  2. ГОСТ 19431-84 Энергетика и электрификация. Термины и определения
  3. ГОСТ 21128-83 Системы энергоснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения до 1000 В
  4. ГОСТ 30372-95 Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения
  5. Теоретическая электротехника, изд. 9-е, исправленное, М.-Л., издательство "Энергия", 1965
  6. Рекламные материалы компании
  7. Интернет-ресурс

Источник бесперебойного питания, ИБП, UPS – как только не называют этот нехитрый аппарат, способный обеспечивать бесперебойное энергоснабжение на объектах особой важности. К таким объектам, в первую очередь, относятся предприятия атомной энергетики, нефтедобывающие, нефтеперерабатывающие комплексы и объекты социальной инфраструктуры.

Не менее важное значение приобретает бесперебойное электроснабжение и в домашних условиях: эффективная работа локальных компьютерных сетей и персональных компьютеров напрямую зависит от электроэнергии. В случае перебоев с электроснабжением или при его полном отключении позволит работать компьютеру еще несколько десятков минут, чего достаточно для сохранения необходимых данных и безопасного отключения компьютера.

Понятно, что цены на ИБП для одного компьютера и цены на ИБП для большого производства будут отличаться друг от друга. Поэтому, выбирая ИБП/ UPS , необходимо знать о тех или иных видах таких аппаратов.

Классификация и виды ИБП

Исходя из различных параметров, ИБП принято разделять на несколько видов. Если в качестве определяющего фактора использовать мощность ИБП , то среди них выделяются аппараты высокой, средней и малой мощности. Тот или иной класс мощности используется для различных целей, и ясно, что использовать мощностью в несколько сотен ватт будет не совсем целесообразно в домашних условиях для одного компьютера.

Другим классифицирующим параметром, определяющим типы ИБП , принято считать принцип действия самих систем бесперебойного питания. В связи с этим выделяют такие категории ИБП как онлайновые (on-line), оффлайновые (off-line) и линейно-интерактивные (line-interactive).

Оффлайновый источник бесперебойного питания при нормальной работе обеспечивает подключение к основной питающей сети. В аварийном режиме питание переключается на резервные источники, в данном случае на аккумуляторные батареи. Основным преимуществом ИБП оффлайнового типа остается его простота исполнения и неприхотливость в работе.

Линейно-интерактивные ИБП помимо коммутирующего устройства имеют в своем составе стабилизатор входящего напряжения. То есть источник бесперебойного питания такого типа не только обеспечивает автономное энергоснабжение приборов при отключении электроэнергии, но и защищает от пониженного или повышенного напряжения без общего переключения на аварийный режим.

Онлайновый источник бесперебойного питания построен по принципу двойного преобразования напряжения. Поступающее на входе переменное напряжение с помощью выпрямителя трансформируется в постоянное, а затем при помощи инвертора снова становится переменным. Все это способствует установлению стабильного уровня выходного напряжения, а также гасит помехи основной питающей сети.

Основное назначение источника бесперебойного питания (ИБП) - временно обеспечить питание аппаратуры при перебоях в подаче электроэнергии. Подключать через ИБП компьютеры принято повсеместно. Правда, для многих пользователей это является своего рода «правилом хорошего тона», а практический смысл данного ритуала от них ускользает. «Ну, ИБП защищает компьютер от скачков напряжения…». Попробуем разобраться: что, от чего и как защищает источник бесперебойного питания?

По внутреннему устройству и логике работы все ИБП делятся на три класса: пассивные, линейно-интерактивные и ИБП с двойным преобразованием. Соответственно, они в разной мере справляются с происшествиями в электросети и относятся к разным ценовым категориям.

Пассивные (stand-by, VFD, back-UPS, резервные) источники - самые простые и дешевые. В них схема питания от аккумулятора обычно выключена, и запускается только при пропадании напряжения в электросети. Время переключения с работы от сети на работу от батареи составляет десятые доли секунды, а выходной сигнал при работе от аккумулятора заметно отличается от «правильной» синусоиды. Как правило, на входе таких ИБП установлены простейший фильтр помех и быстродействующий предохранитель. Первый частично сглаживает импульсные помехи, а второй должен сработать при значительном повышении напряжения в электросети. Пассивные ИБП предназначены для питания домашних и офисных ПК. Небольшой «провал» выходного напряжения в момент переключения на аккумулятор компьютерным блокам питания не страшен.

Линейно-интерактивные (line-interactive, VI, Smart-UPS) ИБП отличаются тем, что в них схема питания от аккумулятора включена постоянно. При исчезновении напряжения на входе «бесперебойника» его выходные розетки почти моментально переключаются на внутренний преобразователь - для питаемых устройств этот переход практически незаметен. Кроме того, многие линейно-интерактивные ИБП способны автоматически поддерживать выходное напряжение 220 В. Делается это двумя способами.

Пока напряжение сети находится в пределах от 175 до 275 В, срабатывает механизм AVR (Automatic Voltage Regulation, авторегулятор напряжения). При отклонении входного напряжения на величину от 10 до 25% ниже номинала ИБП повышает напряжение на выходе на 15%. При отклонении входного напряжения на величину от 10 до 25% выше номинала ИБП понижает напряжение на 15%. Если напряжение сети выходит за предельные значения, линейно-интерактивный ИБП переключается на питание от аккумулятора. В этом режиме он продолжает работать, пока или напряжение в сети не вернется к норме, или аккумулятор не разрядится. Однако такие ИБП не стоит рассматривать как стабилизаторы напряжения. Режим «стабилизации» у них вынужденный и кратковременный!

В ИБП с двойным преобразованием (double conversion, VFI, Online-UPS) напряжение на выход все время выдается от преобразователя, преобразователь постоянно работает от аккумулятора, а аккумулятор непрерывно заряжается от сети. Фактически вход и выход ИБП гальванически изолированы друг от друга, а на выход поступает стабилизированное напряжение. Это самая надежная, но вместе с тем и неэкономичная схема. Сам ИБП получается дорогим, большим и тяжелым, преобразователь сильно нагревается и требует охлаждения вентилятором, а потери энергии в ходе преобразования составляют десятки процентов.

ИБП с двойным преобразованием используют только для питания серверов и компьютеров в критически важных случаях. В широкую продажу такие модели поступают редко - обычно их поставляют под заказ. Скорее всего, для питания рабочих компьютеров вы приобретете пассивные, максимум, линейно-интерактивные ИБП.

Мощность источников бесперебойного питания принято указывать в вольт-амперах (VA, ВА). Чтобы перевести эти значения в более привычные ватты (Вт), нужно умножить мощность в вольт-амперах на коэффициент 0,6. Например, ИБП с характеристикой мощности 600 ВА обеспечит питанием технику с максимальным потреблением 360 Вт. Если дать большую нагрузку, сработает защита по току, и «бесперебойник» отключится. На практике желательно предусмотреть около 30% запаса по мощности. Таким образом, наиболее распространенные ИБП на 600 или 650 ВА подходят для питания компьютера с реальным потреблением 200-250 Вт и монитора, который забирает еще около 30-60 Вт.

Если расстановка компьютеров в помещении позволяет, выгоднее использовать один мощный ИБП вместо нескольких маленьких. На два офисных компьютера потребуется «бесперебойник» мощностью около 1000 ВА. Для питания трех компьютеров, стоящих рядом, достаточно одного источника мощностью около 1400 ВА.

Так от чего же защищает ИБП?

С ограничением импульсных помех от сети неплохо справляются и фильтры в блоке питания компьютера и монитора. Тем не менее два фильтра лучше, чем один! Защита от перенапряжения тоже важна. Если, например, отгорит нулевой провод в щитке, в розетке может оказаться напряжение почти 380 В. В блоках питания компьютеров и мониторов в таком случае обычно сгорают варисторы и предохранители. Ремонт копеечный, но требует времени. По идее, ИБП должен отреагировать на бросок напряжения раньше, чем сгорят предохранители в подключенной к нему технике.

Однако на первое место выходит защита данных. Если питание компьютера аварийно отключается, вся несохраненная информация пропадает. ИБП позволяет либо сохранить открытые документы и корректно завершить работу, либо перевести компьютер в спящий режим. Вручную сохранить документы проще всего. Переходя на питание от батарей, ИБП начинает громко пищать. Раз услышали такое предупреждение - проверьте, все ли сохранено. Далее смотрите по обстановке: или просто выключите компьютер, или переведите его в спящий режим.

Чтобы задействовать автоматику, необходимо соединить контрольный порт (USB или RS-232, в зависимости от модели) источника бесперебойного питания с компьютером сигнальным кабелем и установить на компьютере необходимое ПО. К сожалению, о такой возможности многие пользователи даже не подозревают! Работой ИБП управляет встроенный микроконтроллер. Его микропрограмма (прошивка) постоянно отслеживает напряжения и токи во внешних цепях, при включении и периодически во время работы выполняет тестирование электроники и батареи. Она же выдает в контрольный порт сведения о текущем режиме работы, состоянии компонентов ИБП. По кабелю эти данные поступают в компьютер, где их обрабатывает программа мониторинга.

Для работы с ИБП целесообразно использовать ту программу, которую предлагает его производитель. Например, для APC (www.apc.com) это программа Power-Chute, для Ippon (www.ippon.ru) - WinPower2009 и Ippon Monitor и т. д. Программу можно установить с диска, идущего в комплекте, но лучше скачать наиболее свежую ее версию с сайта производителя.

В настройках приложения нужно задать параметры автоматического выключения. Как правило, на выбор предлагается два варианта: или выключить компьютер через определенное время после перехода на резервное питание, или сделать это за какое-то время до предполагаемого полного разряда батарей.

Сколько времени «бесперебойник» способен проработать от аккумулятора?

Это зависит от емкости батареи и потребляемой мощности. В большинстве массовых моделей установлен один аккумулятор напряжением 12 В и емкостью 7 Ач. Теоретически ИБП с таким аккумулятором обладает запасом энергии около 80 Ватт-часов. Попросту говоря, он должен питать нагрузку мощностью 80 Вт примерно 1 час, 160 Вт - полчаса, 300 Вт - примерно 15 мин и т. д. Реально, с учетом потерь на преобразование, это время примерно вдвое меньше.

В источниках мощностью более 800 ВА обычно установлены два таких же аккумулятора или один, но большей емкости. Таблицы или калькуляторы для определения времени автономной работы при различной нагрузке для различных моделей приводятся на сайтах производителей. Однако «навскидку» можно принять, что любая модель сможет питать нагрузку номинальной для себя мощности в течение примерно 5-15 мин. Если нужно обеспечить достаточно долгое питание компьютера от аккумуляторов, лучше взять ИБП большой мощности с емкими батареями. Работать он будет всего на треть или четверть номинальной мощности. Зато такую нагрузку, низкую для себя, он сможет снабжать энергией полчаса и дольше.

Сетевому оборудованию (коммутаторам, маршрутизаторам, NAS) бесперебойное питание тоже полезно. В противном случае при отключении энергии сеть сразу же «упадет», а документы, открытые из сетевых папок, сохранить не удастся. Запитать коммутатор вы можете от ИБП ближайшего к нему рабочего места, хотя правильнее поставить для этого отдельный «бесперебойник» небольшой мощности.

Срок службы аккумулятора ограничен. По мере работы его емкость неуклонно снижается и через 3-5 лет эксплуатации падает почти до нуля. Еще до того, как индикатор на ИБП сигнализирует о необходимости замены батареи, становится заметно, что аккумулятор перестает «держать заряд». С каждым разом время автономной работы сокращается. В принципе, для сохранения документов и корректного выключения компьютера достаточно пары минут. Когда ИБП начинает отключаться еще раньше, батарею однозначно пора менять.

Заменить батарею несложно. В популярных ИБП марки APC и некоторых других аккумулятор находится под съемным лючком или крышкой. Чтобы добраться до аккумулятора в ИБП марки Ippon, SVEN и подобных им по конструкции, необходимо вывернуть четыре винта на днище и разъединить половинки корпуса. В инструкции и на официальном сайте вы вряд ли встретите описание самостоятельной разборки и замены: как и производители принтеров, изготовители ИБП значительную долю доходов получают от продажи «оригинальных» батарей с установкой их в авторизованных СЦ.

Тем не менее почти во всех компьютерных магазинах продаются герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы наиболее ходовых типоразмеров. Марка и производитель роли не играют: это вполне стандартные изделия. Предварительно откройте свой «бесперебойник» и выясните, какая батарея в нем установлена. Для большинства ИБП «офисного класса» (500-700 ВА) подходят батареи с маркировкой 12V 7Ah размерами 151×94×65 мм. Устанавливая новый аккумулятор, постарайтесь плотно одеть клеммы на контактные лепестки батареи. Если клеммы ослабли, их можно аккуратно поджать плоскогубцами.

После установки батареи ИБП желательно откалибровать, чтобы его микропрограмма оценила и запомнила параметры нового аккумулятора. Полностью зарядите батарею в течение суток. После этого извлеките вилку из розетки, чтобы ИБП перешел на автономное питание. Дайте батарее полностью разрядиться, пока «бесперебойник» не отключится сам. В качестве нагрузки лучше использовать не компьютер (хотя в крайнем случае и это допустимо), а несколько лампочек общей мощностью порядка 300 Вт. Затем вновь подключите к сети и включите ИБП - пусть батарея зарядится, а устройство продолжит работу в штатном режиме. Кроме калибровки устройства в целом такая процедура является и «тренировкой» аккумулятора. После полного цикла «разряда - заряда» батарея начинает максимально использовать свою емкость.

Зачем на многих ИБП сделаны телефонные (RJ-11) и сетевые (RJ-45) розетки?

Ни телефон, ни локальная сеть «бесперебойникам» не нужны по определению. Просто в качестве «бонуса» в одном корпусе с устройством установлены проходные фильтры импульсных помех для телефонной линии и сети. Соедините одно гнездо с телефонной розеткой на стене, а в другое включите телефонный аппарат. Если в телефонной линии возникнет высоковольтная наводка, например, во время грозы, фильтр сгладит бросок напряжения и защитит телефон.

Повышение требований к качеству электроэнергии в нынешнее время является вполне закономерным процессом. Требования упомянутых стандартов обусловлены двумя составляющими. К первой можно отнести желание потребителей максимально оградить себя от последствий аварийных ситуаций в энергосистеме. Вторая составляющая связана с условиями работы нагрузки. Сюда следует отнести требования стабильной и непрерывной работы интеллектуального и силового электрооборудования, снижение потерь в питающей сети и прочее. Один из эффективных вариантов технических решений проблемы качества электроэнергии – источники бесперебойного питания (ИБП, англ. UPS).

Основная задача ИБП – обеспечить потребителя электроэнергией в момент выхода параметров качества из регламентируемых норм (просадка, повышение напряжения, значительное искажение формы…). Выполняя эту задачу ИБП может:

  • отключаться от сети питания и передавать мощность нагрузке, используя собственный источник;
  • питать нагрузку скорректированным напряжением питающей сети.

В более дорогих ИБП может быть реализована функция улучшения качества потребляемой электроэнергии (интегрирован корректор коэффициента мощности).

Типы «бесперебойников»

Существуют три базовых типа ИБП.

  1. Резервный ИБП (standby, offline, back-ups). Наиболее простое и дешёвое техническое решение (например, популярный APC Back-UPS CS 500). При значительно повышенном или пониженном напряжении ИБП отключается от сети 220В и переходит на режим работы от аккумулятора. Основные элементы offline ИБП: аккумуляторы (батарея), зарядное устройство, инвертор, повышающий трансформатор, система управления, фильтр (рис. 1).


    а)


    б)
    Рис. 1 Нормальный режим работы (а) и режим работы от аккумуляторов (б)Преимуществом offline ИБП является низкая стоимость и высокий КПД при работе от сети. Недостатки: высокий уровень искажений выходного напряжения (высокий коэффициент гармоник, ≈30% в случае прямоугольного сигнала), отсутствие возможности регулировки параметров входного напряжения. Более подробно характеристики выходного напряжения будут рассмотрены ниже.).
  2. Интерактивный ИБП (англ. line — interactive). Является промежуточным типом между дешёвым и простым offline ИБП и дорогим многофункциональным online ИБП (например, ippon back office 600). В отличие от offline ИБП интерактивный источник имеет автотрансформатор, позволяющий поддерживать уровень выходного напряжения в пределах 220В (+-10%) при просадках / повышениях сетевого напряжения (рис. 2). Как правило, число уровней напряжения автотрансформатора колеблется в пределах двух – трёх.


    (а)


    (б)


    (в)


    (г)
    Рис. 2 Работа интерактивного ИБП при нормальном напряжении сети (а), при просадке напряжения сети (б), при повышенном напряжении сети (в), при исчезновении сетевого напряжения или значительном повышении (г)Регулировка выходного напряжения реализована путём переключения на соответствующую отпайку обмотки трансформатора. При глубокой просадке или значительном повышении, или полном исчезновении сетевого напряжения данный класс ИБП функционирует аналогично offline классу: отключается от сети и генерирует выходное напряжение, используя энергию аккумуляторов. Касательно формы выходного сигнала, она может быть как синусной, так и прямоугольной (или же трапецеидальной).
    Преимущества line — interactive в сравнении с резервным ИБП: меньшее время переключения на автономную работу от аккумуляторов, стабилизация уровня напряжения на выходе. Недостатки: более низкий КПД при работе от сети, более высокая цена (сравнительно с offline типом), плохая фильтрация всплесков (импульсное перенапряжение).
  3. ИБП с двойным преобразованием (англ. double-conversion UPS, online). Наиболее функциональный и дорогостоящий тип ИБП. Бесперебойник всегда включен в сеть. Входной синусный ток проходит через выпрямитель, фильтруется, затем снова инвертируется в переменный. В звене постоянного тока может быть установлен отдельный DC/DC конвертер. Поскольку инвертор всегда находится в работе, задержка на переключение в режим питания от батарей практически равна нулю. Стабилизация напряжения на выходе при просадках или провалах сетевого напряжения более качественная, в отличие от стабилизации line — interactive ИБП. КПД может находиться в пределах 85%÷95%. Напряжение на выходе зачастую имеет синусную форму (коэффициент гармоник <5%).


    Рис. 3 Функциональная схема одного из вариантов online ИБПНа рис. 3 представлена структурная схема варианта online ИБП. Сетевое напряжение здесь выпрямляется полууправляемым выпрямителем. Импульсное напряжение фильтруется и затем инвертируется. В схемах online ИБП может присутствовать один или несколько так называемых байпасов (обходных коммутаторов). Функция такого коммутатора аналогична функции реле: переключение нагрузки для питания от батареи или напрямую от сети.
    На основе структуры online создают не только маломощные однофазные, но и промышленные трёхфазные ИБП. Непрерывность электропитания крупных файловых серверов, медицинской техники, телекоммуникаций осуществляется исключительно на основе online структуры ИБП.
  4. Особые типы ИБП . Используются и другие специфические типы ИБП. К примеру, феррорезонансный источник бесперебойного питания. В данном ИБП специальный трансформатор накапливает заряд энергии, которого должно хватить на время переключения питания от сети на аккумуляторы. Также в качестве источника энергии некоторые ИБП используют механическую энергию супермаховика.

Основные характеристики ИБП.

  1. Мощность . Единицы измерения мощности: вольт-ампер (ВА), ватт (Вт), вольт-ампер реактивный (ВАр). Напомним, что существует полная S, активная Р и реактивная Q мощности. Уравнение, связывающее мощности
    S2=P2+Q2
    Активная мощность (Вт) расходуется на полезную работу, реактивная (ВАр) – не выполняет полезной работы. Соответственно, полная мощность по определению – максимальная мощность, которой должен обладать источник для обеспечения нагрузки необходимой энергией. Отношение активной мощности к полной показывает качество использования электроэнергии и называется коэффициентом мощности (англ. Power Factor, PF):
    (лампы накаливания, обогреватели) имеет PF=1, полная мощность равна активной. ПК, микроволновые печи, кондиционеры имеютПример расчёта.
    Рассчитать источник бесперебойного питания для компьютера (два ПК + два монитора). Мощность ПК легко оценить, зная на какую мощность рассчитан блок питания. Пускай в ПК установлены блоки питания 450 Вт (активная мощность). При неизвестном PF для ПК с блоком питания без PFC (англ. Power Factor Corrector, корректор коэффициента мощности) PF можно принимать равным 0,65. Аналогично PF монитора принимаем равным 0,65. Активная мощность монитора 50 Вт. В результате, общая активная мощность потребителя (два рабочих места)
    Р=450+50+450+50=1000 Вт
    Полная мощность (из формулы 2):
    S= Р/PF=1000/0.65=1538 (ВА).
    Если в блоках питания (БП) ПК и монитора установлен корректор коэффициента мощности (PF=1), то полная мощность S равна активной.
    S=P=1000 (ВА)
    Для нагрузки в виде ПК можно рассчитывать ИБП без запаса по мощности, исходя из следующих фактов:
  • Компьютерные блоки питания имеют защиту от перегрузки. Иными словами, ПК не сможет потреблять мощность, большую, чем заявленная мощность БП.
  • Мощность блока питания – максимальная мощность. По факту в ненагруженном режиме (сразу после запуска) ПК потребляют около 50% своей мощности.

Результат.
Итак, необходимые минимальные параметры ИБП:

  • для ПК с блоками питания без PFC – 1кВт / 1540 ВА.
  • для ПК с блоками питания с PFC – 1кВт/ 1кВА.

Для первого варианта подойдёт источник бесперебойного питания apc Smart-UPS C 2000VA (линейно – интерактивный ИБП 2кВА / 1.3 кВт). Для второго — ИБП Ippon Smart Winner 1500 (1.35 кВт) или Eaton 5SC 1500 ВА (1.05 кВт).
При расчёте важно учесть кратковременное повышение мощности для такой нагрузки, как электродвигатели. В моменты пуска ток Iпуск в пять, семь раз выше номинального Iн:
Iпуск=(5÷7)*Iн


Особенности применения.

Источники бесперебойного питания для котла отопления, а также источники бесперебойного питания для газовых котлов имеют особенность, связанную с режимами работы нулевого проводника. Зачастую автоматика котла требует подключение нейтрали сети. Дело в том, что цепь контроля пламени горелки подключена к заземлению и в четырёхпроводной сети 220В нулевой проводник и заземление котла в конечном счёте замыкаются через физическую землю. Однако, при обрыве нейтрали или при механическом отключении нуля потребителя от нуля сети питания (автономная работа offline ИБП) цепь контроля пламени оказывается разорванной. Для устранения этой проблемы возможны следующие решения:


Выводы

Начальный пункт выбора источника бесперебойного питания – определение характера нагрузки (ИБП для компьютера, для котлов отопления…). Для ответственных потребителей и устройств, содержащих электродвигатели переменного тока, следует выбирать дорогие и функциональные online ИБП. Для ПК и офисной аппаратура подойдут более дешёвые line-interactive или back ИПБ. Следующий пункт выбора – вычисление мощности и времени работы от батарей ИБП. Также следует предусмотреть возможность использования «сквозного» нуля. При формировании конечного решение следует учитывать популярность брендов на рынке: лидеру APC принадлежит около 50% всех продаж, далее со значительным отрывом следуют Ippon, Eaton Powerware, Powercom.

Системы бесперебойного питания в настоящее время становятся очень востребованными. Неважно, где живёт современный человек, - в городской квартире, в загородном доме, в его жизнь прочно вошли различные бытовые приборы, цифровая компьютерная техника, системы жизнеобеспечения.

Назначение и категории ИБП

Возрастают требования к качеству электропитания всех этих устройств. Качество питания внешних электрических сетей не всегда удовлетворяет население. Случаются резкие перепады напряжения как в сторону понижения, так и повышения его величины. Это очень неблагоприятно сказывается на работе бытового оборудования, а иногда приводит к выходу её из строя. Защитить себя от таких неприятностей помогает установка бесперебойных блоков питания , от которых питаются устройства, наиболее чувствительные к таким внезапным перепадам.

В зависимости от схемных решений, которые определяют основные характеристики источников бесперебойного питания, их можно разделить на несколько категорий. Каждая из них обеспечивает бесперебойную работу определённой группы потребителей.

Резервные бесперебойники

Они могут защитить только простую технику для дома и настольные компьютеры.

Если сетевое напряжение соответствует норме - потребители подключаются непосредственно к ней. При колебаниях напряжения в сети аппаратура переключается на питание от аккумулятора, который является составной частью ИБП. Частично подавляются шумы и высокочастотные импульсы, напряжение поддерживается на заданном уровне, производится подзарядка аккумуляторной батареи. Стабилизация сетевого напряжения, питающего подключённую к его выходу аппаратуру, у бесперебойных блоков питания этой категории не производится.

Необходимость перехода на работу от аккумулятора в каждой модели бесперебойного блока питания определяется по-своему. Пределы работы от сети определяются разработчиком данной модели. Они устанавливаются исходя из условий нормального функционирования аппаратуры потребителя.

Аккумуляторный режим работы продолжится до тех пор, пока показатели напряжения в сети не придут в норму. После этого происходит переключение в обратную сторону. Аккумулятор источника должен обеспечить не менее чем пятиминутный запас по времени при работе от него. Этого хватает для сохранения данных на компьютере и безаварийного выключения аппаратуры потребителя.

К недостаткам источников бесперебойного питания этой категории следует отнести следующие:

  1. Отсутствие стабилизатора сетевого напряжения.
  2. Большое время переключения (~20 мс).
  3. Ступенчатая форма выходного напряжения.
  4. Наличие высокочастотных помех.

Переключение на автономный режим питания происходит при любом незначительном отклонении параметров сетевого напряжения от нормы. Это приводит к быстрому износу аккумулятора.

Линейно-интерактивные источники

Модели этой категории оснащены стабилизаторами напряжения сети, которые выполнены по схеме автотрансформатора. Переключение его обмоток в зависимости от величины входного сетевого напряжения происходит ступенчато по командам встроенного в схему бесперебойника ИБП микропроцессора. Таким образом, удается поддерживать на выходе блока напряжение близкое к норме (220−230) В. Дополнительно в схеме имеется фильтр, защищающий потребителя от сетевых помех.

Подключение аккумулятора и отключение от сети происходит тогда, когда параметры напряжения на входе блока выходят за границы порогов стабилизации. Количества выводов автотрансформатора не хватает для поддержания на выходе номинального напряжения. Существуют допуски и на форму входного сигнала. При больших искажениях также осуществляется переход на аккумуляторный режим питания аппаратуры потребителя.

Процесс перехода на питание от аккумуляторной батареи проходит довольно гладко для большинства потребителей и занимает время не более 4 мс.

Таким образом, сравнивая источники этой категории с резервными ИБП можно заметить их преимущества:

  1. Стабилизация сетевого напряжения имеет ступенчатый характер.
  2. Форма выходного напряжения близка к синусоиде.
  3. Фильтрация сетевых помех.
  4. Экономия ресурса аккумуляторной батареи за счёт меньшего количества включений её в работу.

Феррорезонансные блоки питания

По своей сути они являются линейно-активными источниками. Стабилизатором сетевого напряжения в них служит феррорезонансный трансформатор. Он может накапливать энергию магнитного поля, которая поддерживает напряжение во вторичной обмотке трансформатора в моменты переключения. Переходный процесс длится не более (8−16) мс. Это допустимо для большинства потребителей. Форма напряжения на его выходе синусоидальная, защищённая от сетевых помех. Свои функции источник выполняет по командам собственного блока анализа сети и управления.

Линейные бесперебойные устройства

К этой категории относятся ИБП с двойным преобразованием. В своём составе они имеют преобразователь переменного тока в постоянный (выпрямитель) и преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор). Выходное напряжение инвертора используется для питания аппаратуры, подключённой в качестве нагрузки. Напряжение выпрямителя используется для подзарядки внутреннего аккумулятора. Он включён в цепь выпрямителя и постоянно находится в активном режиме, который зависит от качества входного переменного напряжения.

К положительным качествам ИБП этой категории относятся:

  1. Стабильность выходного напряжения.
  2. Возможность замены аккумуляторной батареи без отключения ИБП.

К недостаткам можно отнести:

  1. Низкий коэффициент полезного действия (КПД).
  2. Ресурс аккумулятора снижается из-за его постоянной работы.

Аппараты этой категории применяются для работы оборудования больших организаций, на серверах которых хранятся важные данные. Они должны быть сохранены при любых перепадах в сети и любых нарушениях в её работе.

Основные характеристики

При приобретении ИБП необходимо тщательно понять, какие требования к нему предъявляются. Надо выбрать модель, наиболее удовлетворяющую критерию «цена - качество».

При выборе бесперебойного источника питания большое внимание надо уделить сравнению характеристик разных моделей. К ним относятся следующие:

  • мощность ИБП.
  • время автономной работы.
  • время переключения на работу от аккумулятора и обратно.
  • диапазон изменения входного напряжения.
  • границы изменения частоты напряжения сети.

Мощность рассчитывается из суммарной нагрузки источника. Её величина должна быть больше мощности потребителей минимум в полтора раза. Оптимальной мощностью блока, установленного в квартире, считается мощность 1000 VA (1000 вольт-ампер).

Время переключения напрямую зависит от величины нагрузки, подключённой в данный момент к выходу источника. Чем больше потребляемый ею ток, тем меньше время работы аккумуляторной батареи. Ёмкость установленной батареи также определяет длительность работы.

Любые модели ИБП имеют элементы визуальной сигнализации. Это могут быть лампочки различных цветов, светодиодные индикаторы, которые определяют состояние бесперебойника в текущий момент.

Горящие постоянно зелёные индикаторы являются признаком нормальной работы блока. Если светодиод работает в импульсном режиме (прерывистое его свечение), то возможны или уже возникли проблемы. Это предупредительная сигнализация, привлекающая внимание.

Постоянное свечение красного индикатора сигнализирует о возникновении аварийной ситуации. Её возникновение сопровождается предупреждающими звуковыми сигналами в виде прерывистых гудков.

Правила эксплуатации

Правильная эксплуатация оборудования - залог её долгой и надёжной работы. К основным правилам, которые надо выполнять при эксплуатации бесперебойного источника питания относятся:

  • Необходимость постоянного наблюдения за световой индикацией и звуковой сигнализацией блока.
  • Подключение потребителей, действительно требующих бесперебойного питания.
  • Заземление ИБП при помощи розетки с тремя гнёздами для подключения вилки прибора.

Если произошло отключение электричества, необходимо выключить всё включённое на этот момент оборудование. ИБП желательно оставить включённым в розетку для возможной подзарядки аккумулятора после устранения неисправности сети. Работа блока с разряженной батареей приводит к быстрому выходу её из строя. Ресурс аккумулятора ограничен и составляет не более 5 лет.

Соблюдение этих нехитрых, но необходимых правил продлит жизнь всему оборудованию, для работы которого требуется бесперебойное питание, а главное, позволит сохранить важную информацию на жёстких дисках компьютеров, которая могла бы быть безвозвратно потеряна в случае внезапных неисправностей в электрических сетях.