Характеристика и виды источников бесперебойного питания

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Пассивные источники бесперебойного питания

Источник бесперебойного питания, (ИБП) (англ. Uninterruptible Power Supply, UPS) -- автоматическое электронное устройство с аккумуляторной батареей, предназначенное для бесперебойного кратковременного снабжения электрической энергией компьютера и его компонентов с целью корректного завершения работы и сохранения данных в случае резкого падения или отсутствия входного питающего напряжения системы.

ИБП (UPS) -- это прежде всего вспомогательное устройство, поэтому для постоянного и долговременного питания компьютера не годится.

Классификация ИБП.

Классификация ИБП производится обычно по двум базовым показателям:

Ш мощности,

Ш тип.

ИБП малой мощности подключаются непосредственно к защищаемому оборудованию и питаются от электрической сети через штепсельные розетки (поэтому их иногда называют «розеточные ИБП»). Данные устройства изготавливаются в настольном, реже напольном исполнении, а также для монтажа в стойку и выпускаются в диапазоне мощностей от 250 до 3000 ВА.

ИБП средней мощности имеют встроенный блок розеток для подключения защищаемого оборудования либо подключаются к групповой розеточной сети, выделенной для питания защищаемых электроприемников.

К питающей сети эти ИБП подсоединяются кабелем от распределительного щита через защитно-коммутационный аппарат. Они рассчитаны на установку как в специально приспособленных электромашинных помещениях, так и в технологических комнатах, где размещается инфокоммуникационное оборудование и допускается постоянное присутствие персонала. Поэтому такие устройства выпускаются в напольном исполнении или для монтажа в стойку. Типичный диапазон их мощностей -- от 3 до 40 кВА.

ИБП большой мощности подключаются к питающей сети с помощью кабеля от распределительного щита через защитно-коммутационный аппарат, а к защищаемому оборудованию -- через выделенную групповую розеточную сеть. Они имеют напольное исполнение для размещения в специально приспособленных электромашинных помещениях. Типичный диапазон мощностей охватывает значения от 10 кВА до нескольких сотен (на рынке имеются модели мощностью до 800 кВА).

По принципу устройства ИБП можно отнести к двум основным типам:

Ш Источники бесперебойного питания пассивного типа с режимом работы «вне линии» (off-line). Принцип действия заключается в питании нагрузки от энергосети и быстром переключении на внутреннюю резервную схему при отключении питания или выходе напряжения за пределы допустимого диапазона. Время переключения обычно составляет около 4--12 мс, что вполне достаточно для большинства технических средств инфокоммуникаций с импульсными блоками питания;

Ш Источники бесперебойного питания активного типа с режимом работы «на линии» (on-line). Питание нагрузки осуществляется источником, поэтому время переключения равно нулю. Наряду с резервированием электроснабжения, устройства способны обеспечить необходимое качество электроэнергии при его нарушениях в питающей сети и фильтрацию привносимых помех.

В отдельную группу выделяют источники бесперебойного питания с линейно-интерактивным режимом работы (line-interactive). Особенности их функционирования в значительной степени схожи с принципом работы резервных источников, за исключением наличия устройства ступенчатой стабилизации напряжения (так называемого «бустера») и меньшего времени переключения на работу от батарей (2--4 мс).

Различие между резервными и линейно-интерактивными источниками фактически стерлось, поскольку появились модели резервных ИБП с возможностью регулирования напряжения в нормальном режиме при помощи введенного в схему бустера. Эти типы ИБП различаются пока лишь формой выходного напряжения в автономном режиме. У резервных источников оно имеет прямоугольную форму, или же синусоида апроксимируется ступеньками и трапецией. Линейно-интерактивные источники имеют синусоидальное выходное напряжение. Для питания технических средств с импульсными блоками питания форма выходного напряжения ИБП значения не имеет.

В зависимости от типа ИБП в автономном режиме (при работе от батарей) на выходе формируется напряжение различной формы. Упрощенные схемы формируют напряжение прямоугольной формы с паузами без тока (см. Рисунок 1а), более совершенные -- близкое к синусоидальной, путем ступенчатой апроксимации (см. Рисунок 1б). Оба типа таких схем характерны для ИБП малой мощности и вполне пригодны для работы с импульсными блоками питания.

Линейно-интерактивные, а тем более активные ИБП формируют напряжение синусоидальной формы (см. Рисунок 1в) с низким содержанием гармоник (чаще всего коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения KU менее 3%). Такие инверторы пригодны для питания всех типов нагрузок -- от импульсных блоков питания до двигателей. Как правило, форма напряжения инвертора и KU указывается в каталожных данных ИБП.

Рисунок 1. Форма выходного напряжения ИБП при работе от аккумуляторов: а) ступенчатая; б) апроксимированная синусоида; в) синусоидальная

Следует иметь в виду, что, несмотря на ступенчатое регулирование напряжения, линейно-интерактивные ИБП, как и резервные, при нормальной работе фактически питают нагрузку непосредственно от сети, дополнительно осуществляя фильтрацию высокочастотных помех.

Типичный диапазон мощностей резервных и линейно-интерактивных ИБП составляет от 250 ВА до 3--5 кВА.

2. Источники бесперебойного питания типа Off-Line

Источники бесперебойного питания типа Off-Line стандартом определяются как пассивные, резервного действия (UPS-PSO).

В нормальном режиме функционирования штатным питанием нагрузки является отфильтрованное напряжение первичной сети при допустимых отклонениях входного напряжения и частоты. В случаи, когда параметры входного напряжения выходят за значения настроенных диапазонов, включается инвертор источника бесперебойного питания, обеспечивающий непрерывность питания нагрузки. Инвертор питается от аккумуляторов.

Это наиболее простые ИБП (см.Рисунок 2), а значит, и самые дешевые. Источник бесперебойного питания состоит из двух параллельных ветвей:

Ш фильтр-нагрузка;

Ш выпрямитель-батарея-инвертор-нагрузка.

Рисунок 2. Схем источника бесперебойного питания Stand-By типа

Фильтр защищает выход устройства и его электронику от выбросов напряжения, которые нередко бывают в электрической сети.

Переменное напряжение сети выпрямляется выпрямителем и (через зарядное устройство, которое на схеме не изображено) подзаряжает аккумулятор.

В обычном режиме, когда уровень напряжения в сети не выходит за пределы нормы, отфильтрованное сетевое напряжение проходит через ключ на выходные разъемы ИБП и питает нагрузку. При пропадании, завышении либо понижении входного напряжения, питание нагрузки электронным переключателем переключается на батарейное через инвертор (инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное). Переключатель обеспечивает время переключения от 2 до 15 мс. Отметим, что пропадание электроэнергии в ходе этого времени не оказывает сколь-нибудь заметного влияния на компьютерные системы, которые спокойно переносят отключение питания на 10-20мс. Учитывая, что почти у всей современной аппаратуры блоки питания импульсные, переключение совершается незаметно для пользователя. Источники бесперебойного питания такого типа могут поддержать работу персонального компьютера в ходе 5-10 мин.

При этом аккумулятор может отдавать достаточно большой ток, так как нагрузка - например, компьютер с монитором - может потреблять мощность 200 Вт и более. Как только входное сетевое напряжение вошло в пределы нормы, контроллер отключает инвертор и подает на выходы ИБП отфильтрованное сетевое напряжение.

Если же оно длительно отсутствует, контроллер отключает устройство, предохраняя аккумулятор от глубокого разряда.

Чаще всего допустимые пределы не выбиваются из норм напряжения в сети переменного тока, то есть колеблются в диапазоне от 210 до 230 В, поэтому при серьезных скачках напряжения либо при его падении на выходе из устройства напряжение полностью соответствует таковому на входе. Из-за этого не рекомендуется использовать такие ИПБ с чувствительными приборами.

Основные недостатки ИБП Off-Line.

Главными недостатками ИБП off-line считают:

Ш плохая работа источников питания этого типа в сетях с низким качеством электрической сети: плохая защита от провалов напряжения (sags), превышений допустимого значения напряжения, изменений частоты и формы входного напряжения;

Ш невозможность своевременного восстановления емкости аккумуляторов при частых переключениях на батарейное питание;

Ш несинусоидальное выходное напряжение при питании от аккумуляторной батареи.

Итак, основное рекомендуемое использование источников бесперебойного питания off-line типа - устройство защиты нагрузки с импульсным блоком питания с редкими отклонениями в питающей сети.

3. Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Схема. Осциллограмма. Основные формулы

Выпрямитель электрического тока - электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.

В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах.

Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону (см. Рисунок 3).

аккумуляторный электронный выпрямитель синусоидальный

Рисунок 3

В переменном электрическом токе можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения относится к положительным полупериодам (положительная полуволна - красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения - к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна - синим цветом).

Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним.

Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные.

Для удобства мы будем считать, что выпрямляемый переменный электрический ток поступает с вторичной обмотки трансформатора. Это соответствует истине и потому, что даже электрический ток в домашние розетки квартир домов приходит с трансформатора понижающей подстанции. Кроме того, поскольку сила тока - величина, напрямую зависящая от нагрузки, то при рассмотрении схем выпрямления мы будем оперировать не понятием силы тока, а понятием - напряжение, амплитуда которого напрямую не зависит от нагрузки.

Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей - мостовая схема и балансная.

Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.

Однофазная мостовая схема (см.Рисунок 4) характеризуется высоким коэффициентом использования трансформатора по мощности и поэтому может быть рекомендована для использования в устройствах повышенной мощности при выходных напряжениях от десятков до сотен вольт.

Рисунок 4. Двухполупериодная мостовая схема

В таком выпрямителе, с использованием четырех диодов, во время каждой полуволны работают поочередно два диода противоположных плеч моста, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов.

Со вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение поступает на вход диодного моста. Когда на верхнем (по схеме) выводе вторичной обмотки возникает положительный полупериод напряжения, ток идет через диод VD3, нагрузку Rн, диодVD2 и к нижнему выводу вторичной обмотки (см. график а). Диоды VD1 и VD4 в этот момент закрыты и через них ток не идет.

В течение другого полупериода переменного напряжения, когда плюс на нижнем (по схеме) выводе вторичной обмотки, ток идет через диод VD4, нагрузку Rн, диод VD1 и кверхнему выводу вторичной обмотки (см. график б). В этот момент диоды VD2 и VD3 закрыты и ток через себя не пропускают.

В результате мы видим, что меняются знаки напряжения на вторичной обмотке трансформатора, а через нагрузку выпрямителя идет ток одного направления (см. график в). В таком выпрямителе полезно используются оба полупериода переменного тока, поэтому подобные выпрямители называют двухполупериодными.

И в заключении отметим, что работа двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однопериодным получается намного эффективней:

Ш Удвоилась частота пульсаций выпрямленного тока;

Ш Уменьшились провалы между импульсами, что облегчило задачу сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя;

Ш Среднее значение напряжения постоянного тока примерно равно переменному напряжению, действующему во вторичной обмотке трансформатора.

Из принципиальной схемы видно, что каждая пара диодов Dl, D2 и D3, D4 работает поочередно. Мостовая схема характеризуется следующими соотношениями величин для активной нагрузки:

1. Среднее значение выпрямленного напряжения:

действующее значение вторичного напряжения:

2. Среднее значение выпрямленного тока:

3. Среднее значение тока через вентиль и тока во вторичной обмотке:

4. Действующее значение тока через вентиль:

5. Амплитудное значение тока через вентиль и вторичного тока:

6. Действующее значение тока по вторичной обмотке:

7. Действующее значение тока в первичной обмотке:

8. Амплитуда обратного напряжения на вентиле:

9. Расчетные мощности обмоток трансформатора и типовая мощность трансформатора:

4. Источники бесперебойного питания с двойным преобразованием

ИБП активного (on-line)типа

Источники бесперебойного питания активного типа с режимом работы «на линии» выпускаются Нескольких видов (по принципам преобразования энергии):

Ш одиночное преобразование;

Ш феррорезонансные ИБП;

Ш дельта-преобразование;

Ш двойное преобразование.

Наибольшее распространение получили ИБП с двойным преобразованием (double conversion). Зачастую термин «двойное преобразование» употребляют в качестве синонима on-line. Это не вполне верно, поскольку, как было показано выше, к группе ИБП данного типа относятся и другие схемы ИБП.

Режим двойного преобразования (англ. online, double-conversion, он-лайн) -- используется для питания нагруженных серверов (например, файловых), высокопроизводительных рабочих станций локальных вычислительных сетей, а также любого другого оборудования, предъявляющего повышенные требования к качеству сетевого электропитания. Принцип работы состоит в двойном преобразовании (double conversion) рода тока (см.Рисунок 5).

Рисунок 5.Схема ИБП с двойным преобразованием частоты

В ИБП с двойным преобразованием инвертор работает всегда - независимо от того, есть в сети напряжение или нет. Если оно в сети есть, оно выпрямляется, подзаряжает через зарядное устройство аккумулятор и поступает на инвертор, управляемый контроллером устройства. Инвертор вырабатывает чистую, «синтетическую», синусоиду стабильного напряжения - без помех и выбросов.

Частота ее может отличаться от частоты входного напряжения и определяется исключительно контроллером (точнее, предварительными настройками). Когда напряжение в сети исчезает или выходит за пределы нормы, инвертор переключается на работу от аккумулятора, поддерживая тот же высококачественный сигнал на выходных разъемах.

При этом переключение происходит быстрее, чем в первых двух видах источников. ИБП с двойным преобразованием имеет байпас (bypass, обходную линию), который позволяет питать нагрузку напрямую от электрической сети. Это сделано для того, чтобы подача напряжения на нагрузку не прерывалась при перегрузке или выходе из строя инвертора (который всегда работает).

Если возникают проблемы с инвертором, контроллер переключает ключ, и отфильтрованное сетевое напряжение в нагрузку поступает через байпас.

Байпас позволяет реализовать следующие функции:

Ш включение/отключение ИБП при проведении ремонтов и регулировок без прерывания снабжения питанием электроприемников;

Ш перевод нагрузки с инвертора на байпас при возникновении перегрузок и коротких замыканий на выходе источника бесперебойного питания;

Ш перевод нагрузки с инвертора на байпас при удовлетворительном качестве электроэнергии в питающей сети с целью снижения потерь электроэнергии в ИБП (экономичный режим работы, см. далее).

Достоинства:

Ш отсутствие времени переключения на питание от батарей;

Ш синусоидальная форма выходного напряжения, то есть возможность питать любую нагрузку, в том числе отопительные системы (в которых есть асинхронные двигатели).

Ш возможность корректировать и напряжение, и частоту (более того, такой прибор одновременно является и самым лучшим из возможных стабилизаторов напряжения).

Недостатки:

Ш Низкий КПД (80--94 %), повышенная шумность и тепловыделение. Практически всегда прибор содержит вентилятор компьютерного типа, и потому не бесшумен (в отличие от line-interactive ИБП).

Ш Высокая стоимость. Примерно вдвое-втрое выше, чем line-interactive.

Ш ИБП вызывают гармонические искажения тока в электрической сети.

Размещено на Allbest.ru