4.2. Принципы построения источников бесперебойного электропитания
В соответствии с международным стандартом IEC 60146-4 источники бесперебойного электропитания делятся по схемотехнической реализации и принципу действия на следующие три основные группы:
с отключением сети (off-line);
линейно-интерактивного типа (line-interactive);
с включенной сетью (on-line).
Структурная схема ИБП типа off-line приведена на рис. 4.1. В основном режиме работы, когда напряжение сетиудовлетворяет заданным показателям качества, питание нагрузки осуществляется через фильтр. Основной канал передачи энергии в рассматриваемых ИБП здесь и далее показан утолщенными линиями схемы. Контроль качества напряжения нагрузки осуществляется соответствующим рабочим реле, контакт которого S производит переключение нагрузки. В фильтре используются элементы, выполняющие также функции ограничителя импульсных помех. Одновременно с этим через выпрямитель заряжаются аккумуляторы. Инвертор, постоянно подключенный к аккумуляторам, предназначен для преобразования постоянного напряжения в переменное. При работе ИБП в основном режиме инвертор может быть отключен от нагрузки, а его включение обеспечивается контактом (аналогичным S) рабочего реле, однако при этом должно учитываться время выхода инвертора на номинальный режим установления выходного напряжения, которое обычно бывает значительным.
Рис. 4.1. Структурная схема ИБП типа off-line
Когда
контроллер выявляет отклонение напряжения
сети, выходящее
за допустимые нормы, контакт Sпереключается,
ИБП переходит в автономный режим работы
и нагрузка обеспечивается
энергией от инвертора. ИБП имеют время
переключения контакта S в
пределах 
=
4... 15 мс. Такой интервал времени пропадания
переменного напряжения нагрузки в
подавляющем большинстве случаев не
влияет на работоспособность аппаратуры
вычислительной техники, так как ее
собственные источники электропитания,
имея внутренние сглаживающие фильтры,
допускают большие значения
. Если
инвертор в основном режиме отключен от
аккумуляторов, то требуется выполнить
пуск инвертора, и тогда типичная
длительность времени
составит
10–20 периодов частоты сети и более, что
для частоты 50 Гц составляет более 200
мс.
К недостатку ИБП типа off-line относится его неудовлетворительная работа при низком качестве напряжения сети,когда имеют место частые переключения контакта S. Это определяет трудность восстановления емкости аккумулятора. Кроме того, нагрузка подключается непосредственно к сети, к фильтру предъявляются жесткие требования по подавлению различного рода импульсных помех.
Таким образом, термин off-line (отключенная сеть) означает, что при появлении недопустимых отклонений первичного напряжения нагрузка отключается от сети и переходит на питание от инвертора.
Структурная схема ИБП типа line-interactive приведена на рис. 4.2. Ее отличие от схемы на рис. 4.1 заключается в применении регулятора, который улучшает качество напряжения на нагрузке при работе в основном режиме.
Регулятор обычно реализуется в виде ступенчатого переключателя напряжения, построенного на основе автотрансформатора с несколькими обмотками. В некоторых моделях ИБП используются более сложные стабилизаторы переменного напряжения.
Рис. 4.2. Структурная схема ИБП типа line-interactive
Основным преимуществом рассматриваемого ИБП является то, что при изменениях величины напряжения сетипереключение контактом S на работу в автономном режиме происходит гораздо реже. Причем чем больше диапазон допустимых изменений напряжения сети, компенсируемых регулятором, тем реже источник будет переходить в автономный режим работы. Снижается также жесткость требований к электрическим характеристикам фильтра, что уменьшает его стоимость. Это обусловливает повышение надежности работы ИБП и уменьшение энергопотребления от аккумуляторов. Однако здесь имеется такой недостаток, как кратковременное пропадание напряжения нагрузки при переключении контакта S.
Большую надежность и лучшее качество напряжения нагрузки обеспечивают ИБП типа on-line (структурная схема на рис. 4.3). В подобных источниках сетевое напряжение через выпрямитель поступает на преобразователь постоянного напряжения ИПН.
Рис. 4.3. Структурная схема ИБП типа On-line
Инвертор постоянно подает питание на нагрузку, чем устраняются переходные процессы переключения механических контактов. Параллельное соединение выходов ИПН и аккумуляторов обеспечивает непрерывность работы инвертора при коммутации его входного напряжения, что исключает даже кратковременные перерывы напряжения нагрузки. Очевидно, что диапазон допустимых изменений входного напряжения ИПН может быть значительным и рассчитанным на длительные статические и импульсные помехи.
Преимуществом ИБП подобного типа является высокая стабильность напряжения нагрузки в широком диапазоне воздействия дестабилизирующих факторов со стороны сети. Практически стабильность напряжения нагрузкиизвестных моделей ИБП подобного типа обеспечивается в пределах ± 1...3 % при изменении напряжения сети от нуля до 280 В. Наличие импульсных преобразователей (ИПН) в основном и резервном каналах передачи энергии позволяет получить более широкие возможности по реализации функций защиты нагрузки и собственно ИБП от перегрузок. Типовые ИБП обеспечивают работу устройств без переключения на аккумуляторы в диапазоне величин напряжений сети от 60 до 280 В.
Недостатком
ИБП типа on-line является
сравнительно невысокий кпд, что
обусловлено двойным силовым преобразованием
энергии постоянного напряжения (в
преобразователе ИПН и инверторе) по
отношению к ранее рассмотренным
структурам ИБП. В частности, для источников
последних модификаций (off-line)
кпд находится в пределах 
= 85–92
%, в то время как для on-line практические
значения кпд на
7–15 % ниже. Кроме того, наличие двух
преобразователей электрической энергии
увеличивает стоимость ИБП. Несмотря на
эти недостатки, ИБП типаon-line нашли
большое применение, так как они
обеспечивают разумный компромисс между
стоимостью, безопасностью и надежностью
работы аппаратуры вычислительной
техники.
Таким образом, термин on-line (включенная сеть) означает, что сеть первичного напряжения ИБП остается подключенной к основному каналу регулирования в существенно большем диапазоне изменений напряжения сети.
Дальнейшее повышение надежности ИБП типа on-line достигается путем введения в него пассивного канала (by-pass) передачи энергии из источника к нагрузке. Структурная схема этого ИБП приведена на рис. 4.4. Здесь канал by-pass подключается контактом S при возникновении отказов, например, в инверторе или в ИПН и в аккумуляторе одновременно. Так как подобная ситуация довольно редка, введение в схему контакта S, переключение которого вызовет появление одного кратковременного перерыва напряжения нагрузки, вполне оправданно. Последние модели ИБП обеспечивают переключение его работы в режим by-pass без переходных процессов в питании нагрузки (intelligent by-pass).
Рис. 4.4. Структурная схема ИБП типа on-line by-pass
Существуют различные пути совершенствования структур ИБП. Перспективным направлением является использование модульных принципов наращивания мощности нагрузки. Примером может служить параллельная двухуровневая структурная система включения ИБП (master-slave), функциональная схема которой приведена на рис. 4.5. Здесь ИБП1 master первого уровня управляет распределением нагрузки между ИБП slave второго уровня. При отказе одного из ИБП увеличивается нагрузка на ИБП master. Это вызывает передачу соответствующих сигналов по информационным каналам связи на функционирующие ИБП slave, что создает соответствующее перераспределение выходной мощности между ними для поддержания неизменности выходного напряжения.
Рассмотренная система ИБП обладает по сравнению с предыдущими более высокой надежностью и позволяет при появлении отказов в системах электропитания и электроснабжения, в том числе и железнодорожного транспорта, обеспечить функционирование нагрузки. Кроме того, наличие в ИБП типа master сигнала об отказе того или иного блока позволяет передавать предупредительную информацию для эксплуатационного штата при сохранении работоспособности системы электропитания.
Существуют также различные модификации систем электропитания (рис. 4.5).
Наиболее перспективным и общим принципом их построения является использование параллельно включенных ИБП, работающих в режиме «горячего» резервирования. При этом живучесть и надежность функционирования подобных ИБП обеспечивается за счет модульного исполнения и возможности блочного наращивания выходной мощности.
Рис. 4.5. Структурная схема системы ИБП типа master-slave