Типы ИБП: Off-line, Line-Interactive, On-line. Давайте разбираться

Резервные ИБП (off-line, standby, back ups)

Принцип действия

Если внешняя сеть работает в штатном режиме, то ИБП питает нагрузку напрямую от входа и работает аналогично сетевому фильтру. В случае отклонения напряжения от допустимых пределов или при его полном отключении, резервный ИБП автоматически переключает нагрузку на аккумуляторные батареи (питание в таком режиме осуществляется через инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный). Обратное переключение выполняется также автоматически и производится после возвращения сетевого напряжения к норме.

Преимущества и недостатки

В настоящее время к весомым преимуществам off-line ИБП можно отнести только невысокую стоимость.

Недостатками резервных ИБП являются:

• перерыв в электропитании, возникающий при переключении нагрузки на АБ и обратно (составляет минимум 5 мс);
• отсутствие стабилизации напряжения и коррекции частоты при работе от электросети;
• переход на АБ даже при небольших сетевых скачках, приводящий, в условиях отечественной энергосистемы, к быстрому износу аккумуляторов;
• несинусоидальность выходного напряжения при работе в автономном режиме (аппроксимированная синусоида, иногда называемая или «квази-синусоидой»);
• низкий уровень защиты от высоковольтных вбросов и электромагнитных помех.

Применение

Вышеназванные недостатки сужают область применения резервных ИБП. Данные приборы подходят для эксплуатации только в условиях стабильной электросети и только с оборудованием, способным функционировать при низком качестве питающего напряжения. Оff-line ИБП не стоит применять для защиты современной микропроцессорной техники или устройств, содержащих асинхронные и инверторные двигатели – насосы, холодильники, стиральные машины, кондиционеры, котлы систем отопления и т.д.

Принцип работы

Схема преобразования

Стандартный рабочий режим line-interactive ИБП аналогичен схеме функционирования резервных устройств и предусматривает параллельное подключение напрямую от сети. Входящее напряжение переменного тока проходит простейшую фильтрацию. Встроенный микропроцессор фиксирует отклонения, передавая информацию дополнительным компонентам ИБП. Таким образом, электромагнитные помехи и высоковольтные импульсы устраняются пассивными фильтрами. Дополнительно вход оснащен ступенчатым стабилизатором напряжения либо универсальным регулятором, основанными на работе автотрансформатора. Именно они сглаживают перепады и обеспечивают регулируемое напряжение на выходе.

Особенности работы устройства

Особенность работы интерактивных ИБП заключается в возможности функционирования в двух режимах:

• Как стабилизатор напряжения. Данный режим активен, пока в сети имеется напряжение, не выходящее за пределы значений, подлежащих стабилизации (как правило, до 20% номинальных значений).
• Как источник резервного питания. В случае резких колебаний напряжения, выходящих за границы допустимых значений, или появления перебоев электроснабжения происходит автоматическое подключение через инвертор к собственным источникам питания (аккумуляторным батареям). После устранения неполадок нагрузка вновь переключается на питание от сети.

Важно!

В зависимости от схемы построения, напряжение инверторами может выдаваться в форме либо «ступенчатой», либо правильной синусоиды. Первый тип устройств стоит дешевле, он превосходно стабилизирует сигнал при питании от сети. В автономном режиме получить чистую синусоиду не удается. Вторая категория более дорогостоящая, однако выдают правильную синусоиду независимо от источника питания.

Линейно-интерактивные ИБП (line-interactive)

Принцип действия

Аналогичен предыдущему варианту, за исключением того, что схема устройства дополнена входным регулятором напряжения. ИБП данного типа подразделяются на устройства с аппроксимированной синусоидой и полностью синусоидальным выходным напряжением.

Преимущества и недостатки

Преимущества линейно-интерактивных ИБП перед резервными:

• возможность нейтрализации сетевых колебаний (но не максимальной амплитуды!) без задействия АБ;
• сокращенное время переключения в автономный режим (за счёт синхронизации инвертора и входной сети).

Недостатками линейно-интерактивных ИБП являются:

• ступенчатое регулирование напряжения, приводящее к сильным искажениям выходного сигнала;
• перерыв в электропитании нагрузки при переходе на аккумуляторы (длительность переключения короче, чем у резервного ИБП, но ненулевая!);
• отсутствие коррекции формы входного напряжения и входной частоты в режиме работы от электросети, неполная фильтрация сетевых помех;
• большинство моделей не формируют идеальную синусоиду выходного напряжения в автономном режиме работы.

Применение

Далеко не всё электрооборудование будет успешно работать с линейно-интерактивными ИБП. Качество их выходного напряжения может просто не удовлетворить строгим требованиям современных потребителей электроэнергии как в бытовом, так и в промышленном секторе. В частности, линейно-интерактивный ИБП является не лучшим вариантом для котла отопительной системы, IT-аппаратуры и тем более для помеховосприимчивой научной, лабораторной и медицинской техники.

Кроме того, линейно-интерактивные ИБП не обеспечивают электропитание, полностью независимое от состояния внешней энергосистемы, что сохраняет риск повреждения нагрузки в результате, например, резкого сетевого перепада.

Батареи: альтернатива свинцово-кислотным аккумуляторам

Сегодня 95% всех источников бесперебойного питания производятся с использованием свинцово-кислотных батарей в качестве источника постоянного тока.
Тем временем некоторые вендоры уже объявили о начале перевода нескольких моделей устройств бесперебойного питания со свинцово-кислотных аккумуляторов на литий-ионные. Их начальная стоимость пока что выше свинцово-кислотных, однако за последние несколько лет разрыв в ценах существенно сократился.

По данным Schneider Electric, в зависимости от сферы применения литий-ионных аккумуляторов в общей стоимости владения в течение срока их службы можно добиться экономии в 10-40% по сравнению с традиционными аккумуляторами.

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) накапливают гораздо больше энергии в меньшем объеме. Так, в сравнении со свинцово-кислотными аккумуляторами с клапанным регулированием (VRLA) равной мощности они занимают втрое меньше места. А благодаря длительному сроку службы существенно сокращаются объемы работ и расходов по их замене.

Между тем подавляющее большинство ИБП по-прежнему комплектуется свинцово-кислотными батареями, известными своей надежностью, высоким качеством и оптимальными ценовыми характеристиками.

Онлайн ИБП (on-line, ИБП с двойным преобразованием энергии)

Принцип действия

Устройство выполняет двойное преобразование поступающего из сети напряжения. Сначала из переменного в постоянное, а затем обратно – из постоянного в переменное. В силовой цепи on-line ИБП аккумуляторы занимают промежуточное положение между непрерывно функционирующими выпрямителем и инвертором (батареи соединены с выходом первого и входом второго). Такая схема позволяет избежать задержек при переходе в автономный режим, так как инвертор подключен к АБ постоянно и каких-либо дополнительных коммутаций, в случае проблем с внешней электросетью, не требуется.

Преимущества и недостатки

Преимущества онлайн ИБП:

• мгновенный переключение на питание от батарей (без перерыва электроснабжении нагрузки);
• синусоидальная форма и максимально точное значение выходного напряжения (обеспечиваются как при работе от сети, так и от батарей);
• широкая амплитуда сетевых колебаний, нейтрализуемых без перехода в автономный режим;
• максимальная защита нагрузки (двойное преобразование энергии гасит все негативные входные воздействия и гарантирует полную независимость выходных характеристик ИБП от состояния внешней электросети);
• отсутствие влияние подключенного оборудования на основную электросеть.

Недостатки онлайн ИБП:

• более высокая, по сравнению с приборами других категорий, стоимость;
• низкий КПД (80-90%) у некоторых устаревших устройств (стоит отметить, что современные алгоритмы управления двойным преобразованием энергии, применяемые ведущими производителями on-line ИБП, позволяют значительно повысить КПД и довести его в ряде рабочих режимов до 99%).

Три основные типа ИБП

Off-line (Back-UPS, резервный, Standby) источник бесперебойного питания

Пример резервного ИБП: модель APC Back UPS RS 650VA.

Принцип действия бесперебойника такого типа очень простой:

Пока в сети есть электроэнергия в пределах установленных значений, ИБП подает на подключенные устройства напряжение напрямую от сети, одновременно подзаряжая батарею. Питание, проходящее через UPS, при этом не регулируется, фильтрация импульсов и помех происходит на самом простом уровне, с помощью пассивных фильтров. Форма сигнала соответствует сигналу сети, т. е. синусоиде.

Как только напряжение в сети пропадает, ИБП переходит на питание от батарей. Инвертор, преобразующий постоянный ток от аккумулятора в переменный ток на выходе, в UPS этого типа установлен один из самых простых, поэтому форма сигнала не соответствует правильной синусоиде. Максимум, что предпринимают производители — несколько приближают ее к синусоиде, делая ступенчатой.

На автономное питание off-line УПС переходит также в том случае, если уровень напряжения в сети падает ниже или поднимается выше пороговых значений, они могут быть разными в зависимости от марки бесперебойника.

Время переключения на аккумуляторы в различных моделях составляет от 5 до 20 мс. Это сравнительно много, и для некоторых моделей оборудования такая долгая задержка может неблагоприятно сказаться на работе. Длительное срабатывание реле связано с тем, что устройству необходимо, чтобы в момент включения автономного питания фазы напряжений сети и батарей совпадали, а поскольку они не синхронизированы, на это уходит некоторое время.

Схема работы источника бесперебойного питания резервного типа.

Плюсы Standby UPS:

• недорогая цена,
• высокий КПД,
• бесшумная работа.

Недостатки:

• долгое переключение на работу от батареи (от 5 до 20 мс);
• форма выходного сигнала — не синусоида;
• фильтрация помех, шумов и импульсов на линии довольно грубая;
• нет регулировки напряжения и частоты при работе от сети.

Линейно-интерактивные ИБП

Пример линейно-интерактивного ИБП: модель AEG Protect ALPHA 1200

Этот тип источников бесперебойного питания покупатели выбирают чаще всего, так как он оптимально сочетает функциональность и цену.

В принципиальную схему работы линейно-интерактивных UPS включен AVR — модуль автоматической регулировки входящего напряжения сети. То есть, в отличие от UPS резервного типа, он не просто пропускает сквозь себя питание, но и стабилизирует его, правда не плавно, а ступенчато.

При работе от сети при нормальном уровне напряжения линейно-интерактивный источник бесперебойного питания пропускает входящий сигнал через пассивные фильтры помех и шумов, одновременно заряжается батарея.

При повышении или понижении напряжения в сети, линейно-интерактивный ИБП производит его ступенчатую корректировку. При достижении напряжением определенного порога, AVR понижает или понижает его на фиксированную величину (или процент). Таких порогов-ступеней в схеме работы AVR может быть прописано несколько, также для работы с пониженным и повышенным уровнем может быть предназначено разное количество ступеней корректировки (например, 2 — для повышения, и 1 — для понижения).

Если напряжение в сети падает или поднимается до значений, которые лежат вне доступного входного диапазона бесперебойника, устройство переходит на работу от батарей, так же как и в случае полного отключения электроэнергии. Эти минимумы и максимумы могут различаться в зависимости от загруженности ИБП. К примеру, если UPS загружен на 70%, а вольтметр показывает 160В в сети, бесперебойник переключается на аккумуляторы. А при загрузке на 30% и напряжении в 150В он все еще производит регулировку при помощи AVR-трансформатора.

Часть линейно-интерактивных моделей ничем не отличаются по форме выходного сигнала от бесперебойников резервного типа: у них ступенчатая синусоида. Некоторые производители, особенно с ростом спроса ИБП для котлов, оснащают свои бесперебойники инверторами, выдающими правильную синусоиду.

Время переключения на работу от аккумуляторов в линейно-интерактивных ИБП с чистой синусоидой меньше, чем у его резервных собратьев. Причина в том, в УПС-ах этого типа совпадают формы кривой напряжения (и от сети, и от батареи это синусоида), что ускоряет синхронизацию фаз и, соответственно, запуска автономного питания.

Плюсы line-interactive ИБП:

• разумная цена,
• бесшумная работа,
• автоматическая регулировка входящего напряжения,
• в некоторых моделях — чистая синусоида на выходе,
• время переключения меньше, чем в резервных (в среднем 4-8 мс, в некоторых моделях 2-4 мс).

Недостатки:

• отсутствует регулировка частоты,
• недостаточно полная фильтрация помех, шумов и импульсов сети,
• регулировка напряжения не плавная, а ступенчатая,
• КПД ниже, чем в off-line источнике бесперебойного питания.

ИБП двойного преобразования (on-line)

Пример ИБП с двойным преобразованием: модель EATON PW9130 1500VA.

Это самый дорогой, но и самый лучший вид ИБП. Он оптимально подходит для дорогого капризного оборудования, для которого важно не только постоянное напряжение, но и частота, а также эффективная фильтрация шумов, сигнал в форме чистой синусоиды и отсутствие задержек при переключении на работу от батарей.

Фактически, такой источник бесперебойного питания работает постоянно, стабилизируя, фильтруя входящий сигнал, выравнивая частоту и форму выходного сигнала.

В режиме работы от сети, поступающее переменное напряжение стабилизируется и превращается в постоянное выпрямителем и распределяется между батареей (для подзарядки, если необходимо) и инвертором. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный, выдавая на выходе сигнал в форме чистой синусоиды, правильной частоты, правильного напряжения. Помехи и шумы полностью отсутствуют — их просто не остается после двойного преобразования.

Такое постоянное «включение» бесперебойника в сеть дает одно из его весомых преимуществ: мгновенное переключение на работу от батарей. Собственно, это даже сложно назвать «переключением», так как питание проходит через выпрямитель, батарею (во время зарядки) и инвертор постоянно. В момент падения напряжения в сети ниже пороговых значений или полного отключения электроэнергии инвертор просто начинает забирать часть энергии от батареи, а не от выпрямителя. Это происходит мгновенно.

ИБП с двойным преобразованием обычно имеют еще один режим работы: байпас. Это резервная линия, которая идет напрямую от входа к выходу UPS, в обход выпрямителя, батареи и инвертора. Она позволяет в критические для ИБП моменты: перегрузка (например, стартовыми токами), выход из строя инвертора и другие — пустить электроэнергию к подключенным устройствам напрямую, избежав выхода из строя элементов устройства.

Постоянная работа ИБП имеет определенный недостаток: повышенное теплоотделение, которое требует эффективного охлаждения. Поэтому UPS online чаще всего оснащены вентиляторами, что делает их эксплуатацию в жилых помещениях не такой комфортной, как бесшумных бесперебойников других типов.

Плюсы онлайн ИБП:

• постоянная стабилизация напряжения,
• постоянная стабилизация частоты,
• чистая синусоида на выходе,
• эффективная фильтрация шумов, импульсов и помех,
• мгновенное переключение на батареи.

Недостатки:

• высокая цена,
• повышенный уровень шума,
• наиболее низкий КПД среди всех типов ИБП.

Выбирая бесперебойник, нужно учитывать, что существуют и исключения. Некоторые линейно-интерактивные ИБП могут стоить дороже, чем онлайн-модели другого производителя, время переключения на работу от батарей в резервном UPS может быть не больше, а даже меньше, чем в каком-нибудь линейно-интерактивном UPS и т. д. Поэтому в любом случае необходимо читать характеристики конкретной модели.