Несмотря на надежность современных технологий, электрооборудование остается в зоне риска выхода из строя по причине перегрузки в сети, перебоев с питанием или короткого замыкания. Источники бесперебойного питания помогают сохранить работоспособность какого-либо устройства при кратковременном отключении электричества. Моделей на рынке огромное количество, но как выбрать подходящий. Как они вообще работают?
Принцип работы
«Бесперебойник» — устройство не самое сложное, если подумать. Суть его работы — преобразование напряжения. Сначала 220 В преобразуются в 12 В, что позволяет заряжать установленный внутрь корпуса аккумулятор. А затем 12 В с того самого аккумулятора преобразуются уже в 220 В с помощью специального инвертора. В самых простых ИБП нет никаких дополнительных функций. Однако функционал ИБП сегодня не ограничивается переключением питания подключенных электроприборов на работу от АБ при кратковременных отключениях электричества в сети. Дополнительными возможностями современных устройств являются:
- стабилизация напряжения (в моделях двойного преобразования и линейно-интерактивного типа);
- фильтрация частотных и импульсных помех;
- «холодный старт» (запуск без подключения к электросети, за счёт энергии аккумуляторных батарей);
- световая и звуковая индикация состояний системы питания (отображение значений напряжения и частоты, потребляемой мощности нагрузки и т. д.);
- таймер отключения/включения нагрузки в заданное время;
- синхронизация с ПК для удаленного мониторинга и управления.
Характеристики бесперебойников
К основным техническим характеристикам бесперебойника относятся:
- выходная мощность, передаваемая на нагрузку. Есть полная (в вольт-амперах) и активная (в ваттах) мощность. Величины должны превышать потребляемую мощность подключаемого оборудования;
- время переключения на аккумуляторы и обратно, за которое прибор меняет рабочий режим. Если это происходит медленно, то на выходе могут происходить обрывы электропитания;
- форма выходного сигнала, может быть с идеальным или модифицированным синусом. Для большинства электроприборов требуется сигнал с «чистым» синусом;
- время автономии – длительность электропитания нагрузки от аккумуляторов;
- функция коррекции напряжения – корректировка значения и формы сигнала без перехода в автономный режим (есть в источниках питания двойного преобразования и линейно-интерактивного типа);
- ток зарядного устройства – чем больше величина, тем быстрее заряжаются аккумуляторы.
Виды ИБП
Существует три разновидности источников бесперебойного питания. (off-line) Резервные. Это упрощенные модели бесперебойников, которые умеют переключаться между «розеткой» и внутренним аккумулятором в течение десятков миллисекунд. Время переключения офлайн с сети на АКБ колеблется от 4 до 20 миллисекунд. Резервные ИБП не защищают подключенную к ним электронику от сетевых помех. Резервные ИБП прекрасно работают в паре с компьютером, но при этом они абсолютно не совместимы для работы в паре с насосами, котлами отопления и другой подобной техникой, так как работа ИБП резервного типа не обеспечивает синусоидальную форму напряжения. Применение ИБП оффлайн топологии гарантированно и довольно быстро выведет их из строя. Для компьютеров это не критично, так как в них используются коммутируемые источники питания. Этот факт позволяет таким устройствам выдержать небольшой провал питания за счёт наличия некоторого количества энергии в собственных конденсаторах. Из-за простоты электрической схемы рекомендуется подключать только устройства с импульсными блоками питания. Это компьютеры и мониторы — техника, которая умеет работать с сигналом, далеким по форме от идеальной синусоиды. Согласно статистике, эффективность таких ИБП при сбоях питания составляет 55-60%.
(line-interactive) Линейно-интерактивные — самые распространённые. ИБП резервного типа, имеющие усовершенствованную схему работы. Теперь устройство не только переключается на батареи во время сильной просадки или полного отключения электричества, но и умеет фильтровать ток. Во-первых, встроенный стабилизатор удерживает напряжение в рекомендуемых стандартами рамках. Во-вторых, система фильтрации, несмотря на свою примитивность, частично снижает уровень шума сигнала и делает выходящее напряжение более пригодным для употребления капризной электроникой. Преимущество стабилизации заключается в отсутствии необходимости на переключение питания при существенных отклонениях напряжения. Отклонения входного напряжения может достигать порядка 20% от нормального значения. Выходное напряжение бесперебойника при этом практически не колеблется. Эффективность защиты линейно-интерактивных ИБП составляет 85%.
В сравнении с резервными ИБП они обеспечивают более высокий уровень защиты, но уступают онлайн ИБП. Работа бесперебойника линейно-интерактивно типа может быть разделена на две группы. Устройства, относящие к первой группе, дают на выходе ступенчатую синусоиду, то есть аппроксимированную. Вторая группа выдаёт «чистую» синусоиду без каких-либо искажений. Последние в некоторых случаях могут стать заменой онлайн ИБП. Наличие чистой синусоиды на выходе позволяет применять их для защиты электродвигателей и котлов отопления. Однако линейно-интерактивный источник питания может иметь на выходе и модифицированную синусоиду (ступенчатую форму). В этом случае его нельзя применять с электромоторами.
И, наконец, on-line ИБП. Самые надёжные и высокотехнологичные ИБП относятся к типу онлайн. В них реализована технология двойного преобразования – самая прогрессивная из всех существующих. Степень защиты обеспечиваемый такими устройствами стремится к 100% независимо от того какие режимы работы ИБП активны: от сети или АКБ. Системы, выполненные по типу Double Conversion, работают иначе. Если предыдущие ИБП просто пропускают входящий ток через ряд примитивных фильтров и «улучшайзеров», то выходящее напряжение из систем сложного типа оказывается гальванически развязанным со входным сигналом. То есть, переменный ток поступает на вход бесперебойника, преобразуется в постоянный ток и направляется к аккумулятору. После чего ток аккумулятора снова преобразуется в переменный и уже поступает на выход ИБП. Переменный ток на выходе обладает идеальными параметрами (чистым синусом) как по форме напряжения, так и по его значению. ИБП содержит в себе резервную линию - байпас, по которой осуществляется питание в случае неисправности какого-либо из узлов источника бесперебойного питания. В таком случае система не просто фильтрует напряжение, а создает его заново — уже с предсказуемыми и правильными характеристиками.
Принято говорить, что время переключения на АКБ равно нулю, но на самом деле аккумуляторные батареи всегда подключены к цепи. Поэтому данные ИБП и называются онлайн. Такое устройство бесперебойника позволяет защитить нагрузку от любых видов возмущений, которые могут встречаться в магистральной сети.
Применяются такие ИБП для защиты критической и очень чувствительной нагрузки. Все мощные ИБП выполняются по данной технологии. Несмотря на высокую мощность применяются дополнительные решения, которые позволяют увеличить автономность. Чаще всего конструкция позволяет ИБП - как пользоваться в связке с генератором, так и с внешними АКБ.
Что такое синусоида и частота
В домашних розетках течет переменный ток — это изначальная форма сигнала, который вырабатывается электростанциями. Если представить его в виде фигуры на системе координат, то получится идеальная синусоида.
Такая форма тока появляется благодаря электромагнитной индукции. Для домашнего пользователя важно понимать основное — переменный ток, которым питаются «розеточные» приборы, должен соответствовать неким стандартам. Частота смены направлений или перехода тока от положительного к отрицательному полупериоду и обратно называется частотой тока. Она измеряется в герцах и влияет на работу электроприборов. Чем чаще колеблется ток, тем выше частота. Европейская и российская техника рассчитана на работу от напряжения 220 В с частотой 50 Гц. Соответственно, правильный ИБП и любой другой питающий элемент должны поддерживать ток в рамках этих стандартов.
Чистый или модифицированный
Компьютерный бесперебойник выдает переменный ток, который проходит базовую систему фильтрации и стабилизации. Но это не значит, что любой ИБП одинаково хорошо подходит для всей техники, работающей от переменных 220 В.
Ток, поступающий из розеток обычного бесперебойника, тоже считается синусоидой. Но если рассмотреть форму подробно, окажется, что ИБП выдает не чистый синус, а меандр. Это приближенная к синусоиде фигура, которая отличается менее плавными переходами. Еще ее называют модифицированным синусом. К такому току спокойно относится компьютер, ноутбук и другая техника с импульсным питанием. В список всеядных девайсов входят лампы накаливания или даже диодные источники освещения.
Зато напольный вентилятор начнет возмущаться при подключении к ИБП. Так же поведут себя холодильники, морозилки, стиральные машины, пылесосы и другая техника, в которой используются электродвигатели переменного тока и подобные им устройства.
Электродвигатель приводится в движение благодаря электромагнитной индукции. Создать эту индукцию может ток с чистым синусом. Если же на двигатель попадает модифицированный синус, то он начинает работать с перебоями, будто кто-то очень часто подает и прекращает питание. Такая работа двигателя сопровождается гудением, излишним нагревом и приводит к быстрому износу частей.
Из чего состоит бесперебойник?
Каждая модель, вне зависимости от схемы построения, состоит из блока управления, аккумуляторных батарей, зарядного устройства и инвертора. Разберем эти элементы подробнее.
Аккумуляторные батареи (обычно свинцово-кислотная) - Накапливают электроэнергию для электропитания подключенных приборов при переходе устройства в автономный режим. В целях увеличения времени автономии UPS могут комплектоваться дополнительными внешними АБ. Эффективность бесперебойника на 30% зависит от характеристик АКБ.
Электронный блок управления - Обеспечивает автоматическую работу ИБП и АБ. Позволяет выполнять необходимые настройки устройства.
Зарядное устройство - Заряжает аккумулятор.
Инвертор - Формирует выходной сигнал питания нагрузки, инвертируя постоянное напряжение в переменное.
В зависимости от типа и функциональных возможностей модели, в состав бесперебойника могут входить и другие элементы. Разберем их подробнее.
Выпрямитель - Преобразует переменное напряжение сети в постоянное, есть только в моделях топологии онлайн.
Байпасный блок - Реализует ручное или автоматическое переключение питания нагрузки на сеть в обход схемы прибора при соответствии параметров сети норме и возникновении перегрузок.
Бустер - Автотрансформатор с отпайками переключаемых секций обмоток для коррекции (увеличения или уменьшения) входного напряжения. Есть только в моделях линейно-интерактивного типа.
Фильтры - Сглаживают ВЧ-помехи и всплески сети, искажения формы выходного сигнала при работе линейно-интерактивных и резервных устройств в автономном режиме.
Гальваническая развязка - Разделительный трансформатор, устанавливаемый во входной цепи. Обеспечивает отсутствие электрической связи между входом и выходом для улучшения помехоустойчивости.
Платы расширения интерфейсов - Обеспечивают локальный/удаленный мониторинг работы бесперебойника по следующим интерфейсам: RS-232, RS-485, USB и mini-USB, Ethernet, «сухие» контакты. Контроль выполняется через веб-интерфейс или специальное ПО.
Как ИБП выглядит изнутри?
Давайте разберём какой-нибудь ИБП и посмотрим, что у него внутри. Обычно процесс разборки не слишком сложен, ибо практически любой источник бесперебойного питания предполагает замену аккумулятора. Ключевым компонентом ИБП являются аккумуляторные батареи. Именно АКБ определяют сколько работает ИБП при отключении питания в сети. Как правило, в ИБП используются свинцово-кислотные аккумуляторы, имеющие следующие параметры: напряжение 12В и ёмкость 7Ач или 9Ач. АКБ относятся к типу герметичных и не обслуживаемых. В самых простых ИБП используется 1 аккумулятор, а в мощных бесперебойниках их количество может быть во много раз больше. Зарядка АКБ осуществляется вовремя работы ИБП. АКБ рано или поздно приходит в негодность, а значит, замена его так или иначе неизбежна. Чем чаще «бесперебойник» включается в работу, тем быстрее батарея потребует замены. В некоторых загородных поселках, где отключения и просадки напряжения — не редкость, ресурс аккумулятора может полностью исчерпаться меньше, чем за год. Но есть и ИБП с не заменяемыми аккумуляторами.
Так установлен аккумулятор. Не самый большой, вполне стандартный образец. А вот плата, занимающаяся преобразованием электрического тока. Она управляет напряжением и преобразует 12 В в 220 В. Есть на ней и небольшой динамик, сигнализирующий о работе устройства громким противным писком. Обратите внимание на радиаторы: они довольно массивны и охлаждают мощные силовые транзисторы.
И, наконец, самая большая и тяжёлая часть устройства — трансформатор. С его помощью искомое напряжение преобразуется в необходимое. Такие трансформаторы часто переделывают в лабораторные блоки питания или автомобильные зарядные устройства, потому что они имеют довольно высокие КПД и мощность.
Дополнительные функции ИБП
На самом деле, бесперебойник нужен не просто для того, чтобы запитать устройство на время отключения света. Любой нормальный ИБП имеет несколько разъёмов для подключения к оборудованию. К примеру, USB-порт, посредством которого он может «общаться» с компьютером.
Как только компьютер получает сигнал об отключении электричества, срабатывает специальный скрипт. Он сохраняет данные и отключает ПК. Это позволяет сохранить ценную информацию и продлить жизнь компьютера, ведь отключится он именно так, как рекомендовано производителем.
Схемы применения ИБП
Чаще всего источники бесперебойного питания работают в паре с компьютером, заключённым в ту или иную оболочку. С обычным домашним или офисным ПК всё понятно, но есть и другие применения.
К примеру, каждый банкомат оснащён «бесперебойником» той или иной мощности, что позволяет ему завершить текущую операцию, автоматически сохранить все записи о транзакциях и не отключиться раньше времени. Как только электричество появится, этот же самый ИБП включит банкомат обратно.
Ещё один вариант — видеонаблюдение. Здесь чаще всего используют самые простые варианты. Обычно такому ИБП даже не нужно заморачиваться с преобразованием в 220 В, ведь многие видеорегистраторы работают от 12 В, как и подключенные к ним камеры.
Нужен ли ИБП дома?
Внезапное отключение электричества может быть опасно для ПК. Это может привести к поломке комплектующих, потере данных и нестабильной работе компьютера.
Некоторые возможные последствия:
- Повреждение системных файлов. Если операционная система занята редактированием важного файла, например, обновлением системы, то при резком выключении этот файл может повредиться, и последующий запуск может стать непригодным.
- Повреждение жёстких дисков. В них головка чтения и записи перемещается во время работы и возвращается в исходное положение после потери мощности. Это внезапное движение может вызвать дефекты, которые накапливаются со временем и делают жёсткий диск бесполезным.
- Проблемы с твердотельными накопителями SSD. Они могут пострадать от перебоев в подаче электроэнергии, и проблемы могут варьироваться от повреждения данных до «умирания».
Чтобы обезопасить ПК от повреждений при отключении питания, рекомендуется использовать источник бесперебойного питания (ИБП). Если ваша электросеть грешит постоянными перегрузками и отключениями, наличие источника бесперебойного питания может стать простым, но эффективным выходом. Если подобная проблема не встречается, в «бесперебойнике» особого смысла нет.
Условия эксплуатации источников бесперебойного питания
Для помещений, в которых устанавливают бесперебойники, предъявляются следующие требования:
- сухой воздух с влажностью не более 80%;
- температура воздуха в диапазоне 5-40 °С;
При более низкой температуре возникает риск появления внутри корпуса конденсата – причины короткого замыкания. Более высокая температура негативно скажется как на самом приборе, так и на его аккумуляторных батареях – срок их службы сократится. Оптимальная температура для свинцово-кислотных батарей составляет 25 °С.
- чистый воздух без примесей крупной пыли (класс защиты IP20).
Устанавливать UPS требуется на расстоянии 15-20 см от других объектов, чтобы не создавать препятствий его системе вентиляции.
По каким показателям нужно выбирать ИБП?
1. Мощность
Выходная мощность. Основной критерий, измеряется в ваттах (активная мощность P (Вт)) или вольт-амперах (полная мощность нагрузки, произведение тока на напряжение (S, ВА)) и показывает допустимую максимальную нагрузку. Должна с запасом покрывать потребляемую мощность подключенных устройств. Для расчета оптимальной мощности оборудования нам потребуется узнать суммарную нагрузку. Для этого складывается мощность всех приборов, которые будут подключаться. Например, мы подключаем компьютер (650 Вт), монитор (25 Вт), компьютерные колонки – (10 Вт). Для вычисления общей суммы напряжения, эти показатели нужно сложить. Но, как известно, в момент включения пусковые токи оборудования значительно превышают номинальное значение, поэтому мощность значительно увеличивается, следовательно для них существуют специальные коэффициенты. Коэффициентом мощности называется отношение активной мощности к полной. Так как разница между этими двумя мощностями появляется за счет реактивной мощности, не несущей никакой пользы, то в идеале активная мощность должна быть равна полной и, соответственно, коэффициент мощности должен быть равен единице. Рассчитать можно по формуле: S = P/cos (φ). Если вы не знаете коэффициент на экране подсказка. У блоков питания, не оборудованных какими-либо цепями коррекции, коэффициент мощности находится в пределах 0,65-0,7, слабо завися от нагрузки. А вот для блока питания с активным PFC – все выглядит иначе: если на маленьких мощностях коэффициент мощности для него равен 0,75, то уже на мощности в 300Вт он доходит до 0,97, а на мощности 500Вт – до 0,99. Что же будет если выбирать источник бесперебойного питания с выходной мощностью меньше суммарной нагрузки, то при первом же включении случится перегруз и прибор автоматически отключится или просто сломается. Выбирать ИБП с номиналом в точности равным мощности подключаемого оборудования не следует. Рекомендуется брать ИБП с запасом по мощности на 30 %. Так вы продлите срок работы аккумуляторной батареи.
2. Аккумуляторы и время автономной работы
Ёмкость свинцово-кислотных батарей может быть 7 или 9 Ач, напряжение — 12 В. Время работы определяется в минутах и в среднем составляет 4-20 мин. Для промышленного оборудования срок увеличивается до 30-45 мин. Дополнительный плюс некоторых моделей – возможность установки батарей с увеличенной емкостью. Чем меньше нагрузка, тем дольше прибор может проработать самостоятельно.
3. Быстрота перехода на питание от батареи и обратно
Время переключения на АКБ. Единица измерения – миллисекунды. Показатель варьируется от 0 до 15 миллисекунд.
4. Входное напряжение.
Чем больше диапазон – тем меньше переходов с сети на батарею + дольше срок службы устройства.
5. Преобразование выходного напряжения при колебаниях входного.
Каким бы не было входящее напряжение, на выходе оно должно быть в пределах нормы. Повышенный или пониженный вольтаж одинаково опасен для подключенных приборов.
6. Частота и её регулировка.
Параметр актуальный для онлайн ИБП. Частота питающего напряжения имеет большое значение для аудиоустройств, лабораторного или медицинского оборудования.
7. Возможность холодного старта.
Полезная функция, позволяющая запустить ИБП даже при обесточенной сети, для кратковременных действий с подключенными устройствами. На тот случай если вам нужно включить роутер, зарядить мобильный телефон при отсутствии питающего напряжения, воспользуйтесь ИБП с функцией холодного старта. Простой блок резервного питания с этой функцией можно использовать как автономный источник энергии.
8. Горячая замена батареи
Под горячей заменой понимают установку новой батареи без отключения ИБП от сети. Полезная возможность, обеспечивающая бесперебойное питание серверов, камер слежения, датчиков и других устройств.
9. Разъемы питания
Устройства соединяют с ИБП через выходные разъемы питания. В ИБП обычно встречаются два типа выходных разъемов – евророзетки также называются Schuko или CEE и компьютерные розетки IEC C13 для подключения системного блока, и некоторых мониторов. Их количество в устройстве должно соответствовать количеству потребителей, которое вы собираетесь подключать.
10. Срок службы.
Зависит от типа АКБ, качества материалов, сборки. Минимальный показатель (для изделий со свинцовыми батареями) – 2-3 года, в среднем – 5-10 лет.
Резервный (off-line) актуален для сетей с относительно стабильным напряжением. Подойдет, когда нужно защитить: Домашние или офисные ПК. Минусы выходное напряжение остается без стабилизации. Долгое время переключения на батарею. Не подойдут, если нужно подключать циркуляционные насосы, холодильники, кухонные комбайны, блендеры или миксеры. В составе этого оборудования есть электродвигатели. Если использовать ИБП, оборудование быстро сломается. Также из-за большого объема помех на выходе лучше не включать в состав серверов, офисной или охранной техники. При сбое важные данные будут безвозвратно утеряны.
Линейно-интерактивный (line-interactive) Включает внутренний стабилизатор напряжения. Благодаря этому сфера применения установок расширяется. Можно использовать с электрикой, которая незначительно, но отклоняется от нормы. При условии «чистой» или правильной синусоиды. Потому что модели с измененной формой для подобной техники не подходят. А переход на аккумулятор занимает 4 мс. Это меньше, чем у резервных аналогов.
Двойное преобразование (on-line)
Дает синусоиду высокого качества, подходящую для питания самого капризного электрооборудования. Постоянное подключение к цепи сводит время переключения между источниками питания к 0. При этом вы можете корректировать частоту и напряжение тока. Полное удаление помех, выбросов. Такие бесперебойники хорошо показали себя вместе с электродвигателями, ПК и офисным оборудованием, системами управления нагревательными котлами, видеоаппаратурой. Применяются даже в сетях, где используется электричество низкого качества.
Ссылка на ролик в Rutube - https://rutube.ru/video/4aa1a7fb54bf66b6bc9aa5dcf227a1c9/