9. Установки малой и альтернативной энергетики
9.1. Источники бесперебойного питания
Исто́чник бесперебо́йного пита́ния, (ИБП) (англ. Uninterruptible Power Supply, UPS) — источник вторичного электропитания, автоматическое устройство, назначение которого обеспечить подключенное к нему электрооборудование бесперебойным снабжением электрической энергией в пределах нормы.
ГОСТ 13109-87 определяет следующие нормы в электропитающей сети: напряжение 220 В ± 10 %; частота 50 Гц ± 1 Гц; коэффициент нелинейных искажений формы напряжения менее 8 % (длительно) и менее 12 % (кратковременно).
Неполадками в питающей сети считаются:
авария сетевого напряжения (напряжение в питающей сети полностью пропало);
высоковольтные импульсные помехи (резкое увеличение напряжения до 6 кВ продолжительностью от 10 до 100 мс);
долговременные и кратковременные подсадки и всплески напряжения;
высокочастотный шум (высокочастотные помехи, передаваемые по электросети);
побег частоты (отклонение частоты более чем на 3 Гц).
Массовое использование ИБП связано с обеспечением бесперебойной работы компьютеров, позволяющее подключенному к ИБП оборудованию при пропадании электрического тока или при выходе его параметров за допустимые нормы, некоторое непродолжительное (как правило — до одного часа) время продолжить работу. Кроме компьютеров, ИБП обеспечивают питанием и другую электрическую нагрузку, критичную к наличию питания с нормальными параметрами электропитающей сети, например схемы управления отопительными котлами. ИБП способен корректировать параметры (напряжение, частоту) выходной сети. Может совмещаться с различными видами генераторов электроэнергии (например, дизель-генератором).
Важными показателями, обуславливающими выбор схемы построения ИБП, являются время переключения нагрузки на питание от аккумуляторных батарей и время работы от аккумуляторной батареи.
Составные части ИБП
Реализация основной функции достигается работой устройства от аккумуляторов, установленных в корпусе ИБП, под управлением электрической схемы, поэтому в состав любого ИБП, кроме схемы управления, входит зарядное устройство, которое обеспечивает зарядку аккумуляторных батарей при наличии напряжения в сети, обеспечивая тем самым постоянную готовность к работе ИБП в автономном режиме. Для увеличения автономного режима работы, можно оснастить ИБП дополнительной (внешней) батареей.
Режим байпас (англ. Bypass, «обход») — питание нагрузки отфильтрованным напряжением электросети в обход основной схемы ИБП. Переключение в режим Bypass выполняется автоматически или вручную (ручное включения предусматривается на случай проведения профилактического обслуживания ИБП или замены его узлов без отключения нагрузки). Байпасом называется один из составляющих ИБП блоков.
«Бустер» (англ. booster) — ступенчатый автоматический регулятор напряжения (англ. Automatic Voltage Regulation, AVR), имеющий автотрансформатор в своей основе. Используется в ИБП, которые работают по интерактивной схеме. Часто ИБП оснащается только повышающим «бустером», который имеет всего лишь одну либо несколько ступенек повышения, но есть модели, которые оснащены универсальным регулятором, работающим и на повышение (boost), и на понижение (buck) напряжения. Использование бустеров позволяет создать схему ИБП, способную выдержать долгие глубокие «подсадки» и «проседания» входного сетевого напряжения (одной из наиболее распространенных проблем отечественных электросетей) без перехода на аккумуляторные батареи, что позволяет значительно увеличить срок «жизни» аккумуляторной батареи.
Схема инвертора 12 Вольт постоянного в 230 Вольт переменного напряжения
Инвертор — устройство, которое преобразует род напряжения из постоянного в переменное (аналогично переменное в постоянное). Основные типы инверторов:
инверторы, которые генерируют напряжение прямоугольной формы;
инверторы с пошаговой аппроксимацией;
инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
преобразователь с импульсно-плотностной модуляцией (ИПМ, англ. Pulse-density modulation)
Показатель, который характеризует степень отличия формы напряжения или тока от идеальной синусоидальной формы — коэффициент нелинейных искажений (англ. Total Harmonic Distortion, THD). Типовые значения:
0 % — форма сигнала полностью соответствует синусоиде;
порядка 3 % — форма близкая к синусоидальной;
порядка 5 % — форма сигнала приближенная к синусоидальной;
до 21 % — сигнал имеет трапецеидальную или ступенчатую форму (модифицированный синус или меандр);
43 % и свыше — сигнал явно выраженной прямоугольной формы (меандр).
Для уменьшения влияния на форму напряжения в питающей электросети, (если входным узлом ИБП, построенного по схеме с двойным преобразованием, является тиристорный выпрямитель, элемент нелинейный и потребляющий большой импульсный ток, такой ИБП становится причиной появления гармоник высшего порядка) во входной цепи ИБП устанавливается специальный THD-фильтр. При использовании транзисторных выпрямителей коэффициент нелинейных искажений (англ. Total Harmonic Distortion, THD) составляет порядка 3 % и фильтры не используют.
Гальваническую развязку между входом и выходом, осуществляет установленный во входной цепи ИБП (между электросетью и выпрямителем) входной изолирующий трансформатор. Соответственно, в выходной цепи ИБП между преобразователем и нагрузкой размещён выходной изолирующий трансформатор, который обеспечивает гальваническую развязку между входом со схемы ИБП и выходом на подключенную нагрузку.
Для расширенного мониторинга состояния самого ИБП (например, уровень заряда батарей, параметры электрического тока на выходе) применяются различные интерфейсы: для подключения к компьютеру — USB и последовательный (COM) порт, при этом производителем ИБП поставляется фирменное программное обеспечение, которое позволяет проанализировав ситуацию, определить время работы и дать оператору возможность безопасно выключить компьютер, завершив работу всех программ. Для наблюдения за состоянием источников бесперебойного питания) и другого оборудования через локальную вычислительную сеть используется протокол SNMP и специализированное программное обеспечение.
Для того, чтобы повысить надежность всей системы в целом, применяется резервирование — схема, которая состоит из двух или более ИБП.
Схемы построения ИБП
Существует три схемы построения ИБП: 1) резервный (англ. Off-Line, Standby) — питание подключенной нагрузки осуществляется из первичной электрической сети, ИБП обеспечивает минимальные изменения — производится фильтрация высоковольтных импульсов и электромагнитных помех. При выходе электропитания за нормированные значения напряжения (или его полном отсутствии), автоматически переподключает нагрузку к питанию от схемы, получающей электрическую энергию от собственных аккумуляторов с помощью простого инвертора. При появлении напряжения в пределах нормы, снова переключает нагрузку на питание от первичной сети.
Недостатки
несинусоидальная форма выходного напряжения (аппроксимированная синусоида, квази синусоида);
относительно долгое время (порядка 4..12 мс) переключения на питание от батарей;
невозможность корректировать ни напряжение, ни частоту (VFD по классификации МЭК).
Достоинства
За счёт КПД около 99 % практически бесшумны и имеют минимальное тепловыделение;
невысокая стоимость ИБП в целом.
Итог
Чаще всего ИБП, построенные по такой схеме, используется для питания персональных компьютеров или рабочих станций локальных вычислительных сетей начального уровня, для которых не критично своевременное отключения в случае неполадки в сети. Практически все недорогие маломощные ИБП, предлагаемые на отечественном рынке, построены по данной схеме.
2) интерактивный (англ. Line-Interactive) — устройство аналогично предыдущей схеме; дополнительно на входе присутствует ступенчатый стабилизатор напряжения, позволяя получить регулируемое выходное напряжение. (VI по классификации МЭК). Инверторы некоторых моделей линейно-интерактивных ИБП выдают напряжение как прямоугольной или трапецеидальной формы, как у предыдущего варианта, так и синусоидальной формы. Время переключения меньше, чем в предыдущем варианте так как осуществляется синхронизация инвертора с входным напряжением. КПД ниже, чем у резервных.
3) неавтономный режим[1] (англ. online, 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. Сначала входное переменное напряжение преобразуется в постоянное, затем обратно в переменное напряжение с помощью обратного преобразователя (инвертора). Время переключения тождественно равно нулю. ИБП двойного преобразования имеют невысокий КПД (от 80 % до 94 %), из-за чего отличаются повышенным тепловыделением и уровнем шума. В отличие от двух предыдущих схем, способны корректировать не только напряжение, но и частоту. (VFI по классификации МЭК)
„Резервная“ схема построения ИБП
„Интерактивная“ схема построения ИБП
Схема построения ИБП с двойным преобразованием
Международная классификация ИБП по стандарту IEC 62040-3
Промышленный ИБП для монтажа в 19-дюймовую стойку (изображение сверху — вид спереди, изображение снизу — вид сбоку)
Стандартом IEC 62040-3 введена следующая классификация ИБП:
Пример обозначения типа ИБП VFI SS 111
1-я группа символов — зависимость выходного сигнала ИБП от входного (сети).
Класс VFI (Voltage and Frequency Independent) — напряжение и частота на выходе ИБП не зависят от входной сети.
Класс VI (Voltage Independent) — выход ИБП зависит от частоты входа, но напряжение поддерживается в заданных пределах пассивным или активным регулированием.
Класс VFD (Voltage and Frequency Dependent) — напряжение и частота на выходе ИБП зависят от входной сети.
2-я группа символов — форма выходного сигнала ИБП.
SS — синусоидальная форма выходного сигнала (коэффициент гармонических искажений Kги<8 %) при линейной и нелинейной нагрузке.
XX — несинусоидальная форма выходного сигнала при нелинейной нагрузке (синусоидальная при линейной).
YY — несинусоидальная форма сигнала при любой нагрузке.
3-я группа символов — динамические характеристики ИБП. Обеспечение стабильности выходного напряжения ИБП при трёх типах переходных процессов (1 — класс 1, отлично; 2 — класс 2, хорошо; и т. д.):
1-я цифра: нормальный режим -> автономный режим -> режим bypass,
2-я цифра: 100 % изменение линейной нагрузки в нормальном или автономном режиме (худший параметр),
3-я цифра: 100 % изменение нелинейной нагрузки в нормальном или автономном режиме (худший параметр).
Характеристики ИБП
выходная мощность, измеряемая в вольт-амперах (VA) или ваттах (W);
выходное напряжение, (измеряется в вольтах, V);
время переключения, то есть время перехода ИБП на питание от аккумуляторов (измеряется в миллисекундах, ms);
время автономной работы, определяется ёмкостью батарей и мощностью подключённого к ИБП оборудования (измеряется в минутах, мин.), у большинства офисных ИБП оно равняется 4-15 минутам;
ширина диапазона входного (сетевого) напряжения, при котором ИБП в состоянии стабилизировать питание без перехода на аккумуляторные батареи (измеряется в вольтах, V);
срок службы аккумуляторных батарей (измеряется годами, обычно свинцовые аккумуляторные батареи значительно теряют свою ёмкость уже через 3 года).
Вендоры
В 2007 году компания MGE была приобретена двумя другими участниками рынка: подразделение MGE, занимающееся трехфазными ИБП большой мощности было приобретено компанией Schneider Electric (которая владеет APC), а однофазный бизнес был приобретён компанией Eaton (оборудование под маркой Powerware)
ИБП производства General Electric также известны по предыдущему производителю как Victron или IMV (Invertomatic Victron).
Распределение продаж ИБП по производителям (2006 г., IT Research)
Вендор |
Млн долл. |
% |
APC |
233,7 |
55,6 % |
Ippon |
42,0 |
8,3 % |
Powercom |
24,1 |
4,9 % |
GE |
22,3 |
5,5 % |
Eaton Powerware |
20,4 |
5,0 % |
Emerson NP |
18,2 |
4,5 % |
Powerman |
16,8 |
4,1 % |
MGE UPS Systems |
12,2 |
3,01 % |
GE Digital Energy |
9,1 |
2,2 % |
Chloride |
6,7 |
1,66 % |
Inelt |
4,9 |
1,21 % |
AEG Power Solutions |
3,7 |
0,91 % |
NeuHaus |
3,7 |
0,90 % |
Newave |
3,1 |
0,76 % |
Socomec Sicon UPS |
2,3 |
0,58 % |
Sven |
1,9 |
0,46 % |
Riello |
1,8 |
0,45 % |
Tripp Lite |
0,5 |
0,13 % |
Lighthouse |
0,5 |
0,13 % |
BlueWalker |
0,2 |
0,04 % |
Inform Elektronik |
0,1 |
0,03 % |
Infosec |
0,04 |
0,01 % |
Всего |
428,24 |
100,00 % |
|
Источник бесперебойного питания Exegate Ultimate Pro PCT-800VA Black Характеристики Входная мощность 800 BA Входное напряжение 145-290VAC ±5V Входная частота 50/60 Гц ±10% Выходное напряжение Имитация синусоидальной волны Выходная частота 50/60 Гц ±1% |
|
|
Источник бесперебойного питания FSP EP-650 (650VA) Эффективная мощность - 360 Вт. Время реакции - 2-6 мс - среднее, 10 мс - мaксимальное. Тип выходного сигнала - ступенчатая аппроксимация синусоиды. Размеры упаковки - 36.5 x 22.5 x 14.5 см. Вес брутто - 4.96 кг. |
|
|
Источник бесперебойного питания CyberPower Value 700EI Black Эффективная мощность - 385 Вт. Кол-во выходных розеток - 3 компьютерные (IEC-320-C13). Входное напряжение - 165 ~ 270 В. Выходное напряжение - 230В ± 7%. Размеры упаковки - 16.3 x 21.4 x 38.4 см. Вес брутто - 5.4 кг. |
|
|
Источник бесперебойного питания CyberPower Value 600EI Black Эффективная мощность - 360 Вт. Кол-во выходных розеток - 3 компьютерные (IEC-320-C13). Входное напряжение - 165 ~ 270 В. Выходное напряжение - 230В ± 7%. Размеры упаковки - 16 x 21.5 x 38.5 см. Вес брутто - 5.4 кг. |
|
|
Источник бесперебойного питания FSP EP-2000 LCD (2000VA) Эффективная мощность - 1200 Вт. Время реакции - 2-6 мс - среднее, 10 мс - мaксимальное. Кол-во выходных розеток - 2 компьютерные (IEC-320-C13), 2 обычные. Тип выходного сигнала - ступенчатая аппроксимация синусоиды. Размеры упаковки - 49 x 29 x 23.5 см. Вес брутто - 13.1 кг. |
|
|
Источник бесперебойного питания Ippon Back Verso 800 (800VA) Эффективная мощность - 480 Вт. Время реакции - 2 ~ 6 мс. Кол-во выходных розеток - 4 обычные, 2 обычные без резервного питания. Выходное напряжение - 220В ± 10%. Размеры упаковки - 18.8 x 30.2 x 31.6 см. Вес брутто - 4.35 кг. |
|
|
Источник бесперебойного питания CyberPower Value 500EI White Эффективная мощность - 275 Вт. Кол-во выходных розеток - 3 компьютерные (IEC-320-C13). Входное напряжение - 165 ~ 270 В. Выходное напряжение - 230В ± 5%. Размеры упаковки - 16 x 21.9 x 38.6 см. Вес брутто - 4.8 кг. |
|
|
Источник бесперебойного питания CyberPower Value 1000E LCD Black Эффективная мощность - 550 Вт. Кол-во выходных розеток - 2 обычные. Размеры упаковки - 15.9 x 21.5 x 38.2 см. Вес брутто - 6.05 кг. |
|
|
Источник бесперебойного питания CyberPower Value 800ELCD Black Эффективная мощность - 480 Вт. Кол-во выходных розеток - 2 обычные. Тип выходного сигнала - ступенчатая аппроксимация синусоиды. Размеры упаковки - 15.5 x 21.3 x 38.1 см. Вес брутто - 5.9 кг. |
|
|
Источник бесперебойного питания CyberPower Value 600ELCD Black Эффективная мощность - 360 Вт. Кол-во выходных розеток - 2 обычные. Тип выходного сигнала - ступенчатая аппроксимация синусоиды. Размеры упаковки - 16.1 x 21.5 x 38.3 см. Вес брутто - 5.35 кг. |
|
|
Источник бесперебойного питания CyberPower BS 850 Black Эффективная мощность - 510 Вт. Время реакции - 4 мс. Кол-во выходных розеток - 6. Входное напряжение - 160 - 270 В. Размеры - 160x113x271 мм. Вес - 6.4 кг. |
|
|
Источник бесперебойного питания CyberPower BS 650 Black
Эффективная мощность - 360 Вт. Время реакции - 4 мс. Кол-во выходных розеток - 6. Входное напряжение - 160 - 270 В. Размеры - 160x113x271 мм. Вес - 3.8 кг. |
|
|
Источник бесперебойного питания CyberPower BS 450 Black Эффективная мощность - 270 Вт. Время реакции - 4 мс. Кол-во выходных розеток - 6. Входное напряжение - 160 - 270 В. Размеры - 160x113x271 мм. Вес - 3.1 кг. |
|
|
Источник бесперебойного питания APC BR1500GI (1500VA Back Pro ) Эффективная мощность - 865 Вт. Кол-во выходных розеток - 5 компьютерных (IEC-320-C13), 5 компьютерных без резервного питания. Окно пропускания - 186 - 284В. Размеры упаковки - 49.1 x 39.7 x 24.4 см. Вес брутто - 14.1 кг. |
|
|
Источник бесперебойного питания Ippon Back Office 1000 (1000VA) Эффективная мощность - 600 Вт. Время реакции - 2 - 6 мс. Кол-во выходных розеток - 4 компьютерные (IEC-320-C13). Окно пропускания - 170 - 280В. Размеры упаковки - 41 x 37 x 18 см. Вес брутто - 8.08 кг. |
|
ИБП (UPS)
При работе с компьютером иногда происходят ситуации, когда к компьютеру внезапно перестает поступать ток, и он, соответственно, отключается. Это бывает по разным причинам – от сбоя в электросети до обычной неосторожности, когда кто-либо задел шнур питания. Внезапное отключение питания на компьютере может привести к повреждению и выходу из строя комплектующих системного блока и даже - к поломке монитора. Для предотвращения подобных ситуаций всем пользователям рекомендуется приобретать источники бесперебойного питания, или сокращенно – ИБП.
В случае прекращения подачи питания от бытовой электросети ИБП переключает компьютер на работу от собственных аккумуляторных батарей. Это дает вам время чтобы выполнить сохранение данных и корректно завершить работу компьютера. В зависимости от ёмкости батарей и мощности вашего компьютера это время может быть различным. Также нужно сказать, что фактическое напряжение в наших розетках не 220 В, как это считается. Как правило, оно колеблется в некотором диапазоне и может быть ниже или выше 220. Пониженное или повышенное напряжение плохо сказыается на продолжительность работы любого оборудования. И это ещё одна причина купить ИБП. Они имеют встроенный стабилизатор, который регулирует напряжение электропитания, подаваемое компьютеру, создавая величину, близкую к стандарту.
Существуют несколько видов ИБП или UPS (Uninterruptible Power Supply), которые можно выбрать для защиты своего компьютера. 1. Оффлайновые ИБП. Это самый простой по конфигурации ИБП. В нем находится батарея, которая заряжается при наличии тока в электросети. Если ток пропадает – устройство издает сигнал об отсутствии электричества и начинает отдавать электроэнергию от батареи на компьютер. Таким образом, питание подается до тех пор, пока не разрядится батарея. Здесь нет фильтрации и стабилизации выходного напряжения, оно всегда равно входному. Даже при назначительных перепадах напряжения оффлайновый ИБП переходит на работу от батарей. Время перехода на работу от батарей 5-20 мс. На выходе напряжение не имеет формы чистой синусоиды.
2. Линейно-интерактивные В этих ИБП такие же батареи, как и в первом случае, но, кроме того , есть стабилизирующий трансформатор. Он позволяет поддерживать и стабилизировать выходное напряжение, подаваемое на компьютер. На выходе напряжение имеет форму, близкую к чистой синусоиде. На питание от батареи переход происходит в двух случаях: отключение электроэнергии и увеличение или уменьшение входного напряжения на величину выше поддерживаемого ИБП диапазона. Эта величина указывается в тех. характеристиках устройства. Цена на подобные ИБП за счёт большей функциональности будет выше, чем ИБП предыдущего вида.
3. ИБП типа Он-лайн В них происходит преобразование переменного тока электросети в постоянный которым заряжаются батареи ИБП. Эту процедуру осуществляет так называемый выпрямитель. Затем ещё одно устройство - инвертор, преобразует ток из батарей снова в переменный, которым питается оборудование. За счёт такой сложной системы достигается непрерывность в работе. Напряжение на выходе имеет форму чистой синусоиды. Стоимость ИБП такого типа очень высока. Как правило, они применяются для защиты дорогостоящего оборудования в банковской, промышленной сфере и т.п.
Для защиты обычного пользовательского компьютера вполне можно купить ИБП первых двух типов. Они смогут защитить компьютер, и при этом их цена более приемлема для обычного пользователя ПК, чем цены на On-line ИБП.
10 Советов
Иногда это происходило в момент, когда вы печатали важный доклад или вот-вот были готовы перейти на новый уровень в игре; резкое отключение компьютера влекло за собой потерю данных, и приходилось все начинать сначала. Один раз вы закрыли на это глаза, второй, третий, но при очередном сбое может случиться так, что одна некорректная сессия записи данных разрушит всю файловую систему. Согласитесь, обидно за считанные секунды лишиться коллекции любимой музыки или фильмов, которую вы собирали несколько лет. Чтобы этого не произошло, есть 10 простых советов, которые помогут вам выбрать правильный источник для защиты вашей техники.