<<
>>

6.2. ИБП резервного типа

На рисунке 6.5 представлена функциональная схема ИБП с переключением. В ней появились новые элементы, по сравнению со схемой, приведенной в разделе 6.1. Входной фильтр импульсов и фильтр шумов улучшают форму кривой напряжения при работе от электрической сети.

Схема анализа сети и управления определяет моменты переключения режимов работы ИБП, следит за разрядом батареи и выполняет другие полезные функции.

Рис. 6.5. ИБП с переключением.

Режимы работы ИБП с переключением.ИБП с переключением может находиться в двух основных режимах работы.

Работа от сети.

Рис. 6.6. Работа с переключением от сети

На режиме работы от сети (нормальная работа) напряжение от входа ИБП поступает к фильтру импульсов, шунтирующему очень короткие, наносекундные высоковольтные импульсы (они могут, например, возникать при ударе молнии рядом с линией электропередач).

Далее основной поток мощности следует к фильтру шумов, ослабляющему присутствующие в сети радиочастотные (100 кГц-10 МГц) колебания. После фильтра напряжение через переключатель поступает на выход ИБП, к нагрузке. От фильтра импульсов часть мощности поступает к выпрямителю, который в этом ИБП выполняет только одну функцию: зарядного устройства. Батарея на режиме работы от сети получает зарядный ток, если она разряжена, или поддерживается в заряженном состоянии под так называемым плавающим потенциалом. Инвертор ИБП с переключением во время работы от сети находится в состоянии ожидания команды на включение. Его подключение к работе подготавливается непрерывным слежением за фазой сетевого напряжения. Когда блок анализа напряжения сочтет сетевое напряжение "неправильным" (а этот критерий, вообще говоря, разный для разных моделей ИБП), ИБП переключается на режим работы от батареи.
Инвертор ИБП начинает питать нагрузку напряжением, разряжая батарею. Для работы подключенного к ИБП оборудования оченьважно, чтобы напряжение, генерируемое инвертором, было синфазно (т.е. совпадало по фазе) с напряжением сети.

Рис. 6.7. Переключение ИБП с переключением с режима работы от сети на режим работы от батареи (а-д) и обратно (е).

На рис. 6.7 приведены осциллограммы переключения (для хорошего ИБП) с режима работы от сети на режим работы от батареи и обратно.Осциллограмм сеть-батарея несколько, поскольку переключение происходит в случайный момент времени (когда

пропадает напряжение в сети), а вид осциллограммы, как видно на рисунке, зависит от фазы напряжения в момент переключения. Осциллограмма батарея сеть приведена только одна, поскольку это переключение происходит всегда при одной фазе напряжения. На рисунке видно, что напряжения до и после переключения синфазные: длительности полупериодов после переключения равны длительностям полупериодов после переключения. Более того, даже полупериод, во время которого произошло само переключение, имеет такую же длительность.

Работа от батареи.

Рис. 6.8. ИБП с переключением от батареи.

На режиме работы от батареи переключатель подключает к выходу ИБП инвертор, который запускается по команде блока анализа сети. Запуск инвертора происходит таким образом, чтобы фаза колебаний, вырабатываемых инвертором и фаза синусоиды только что исчезнувшей сети совпадали. Подзарядка батареи на этом режиме как правило не происходит (если даже в сети есть напряжение, то оно слишком мало, чтобы заряжать батарею). Схема анализа сети постоянно находится в работе и, если напряжение сети становится нормальным, переключает ИБП на режим работы от сети. Батарея поддерживает работу нагрузки в течение некоторого времени, которое зависит от мощности нагрузки, номинальной емкости батареи, ее возраста и заряженности.

После исчерпания заряда батареи, схема управления ИБП, которая следит за разрядом батареи, подает команду на отключение нагрузки. Если через некоторое время напряжение в сети становится нормальным, ИБП с переключением возвращается в режим работы от сети и начинает подзаряд своей батареи. Переключение на режим работы от сети происходит не сразу после восстановления напряжения.

Вспомним, что переключение ИБП на режим работы от батареи происходило так, чтобы напряжения инвертора и сети были синфазными. Для этого начальная фаза инвертора "подгонялась" под фазу сетевого напряжения в момент его пропадания или уменьшения ниже предельного уровня. При переключении с режима работы от батареи на режим работы от сети тоже нужно постараться сделать напряжения синфазными. Но мы лишены возможности регулировать фазу сетевого напряжения. Поэтому синхронизация сетевого напряжения с выходным напряжением инвертора происходит по другому. За счет того, что частота инвертора не совпадает с частотой , происходит непрерывное изменение разности фаз между напряжением инвертора и напряжением сети. В момент, когда фазы напряжений совпадут, схема анализа сети подает команду на переключение. Срабатывает переключатель, подключающий нагрузку к сети, а инвертор отключается.

Рассмотрим подробнее работу отдельных элементов ИБП.

Выпрямитель. Функции выпрямителя у этого типа источников бесперебойного питания ограничиваются только автоматическим зарядом батареи и поддержанием ее заряда. Как правило зарядные устройства реализуют традиционный I-U алгоритм заряда. При полностью разряженной батарее выпрямитель заряжает ее постоянным током. Величина этого тока (в амперах) обычно выбирается численно равной от 1/4 до 1/15 номинальной емкости батареи (в ампер-часах). После достижения напряжения на батарее примерно 2.27 В на элемент аккумулятора или 13.8 В на 12-ти вольтовый аккумулятор (для свинцовых батарей) выпрямитель переходит на режим стабилизации напряжения. При этом напряжении батарея не разряжается и не заряжается.

Поддержание батареи под "плавающим потенциалом" или "напряжением плавающего заряда" позволяет компенсировать саморазряд батареи и не допустить ее перезаряда. Напряжение плавающего заряда поддерживается на батарее постоянным все время, пока ИБП включен. Многие ИБП продолжают заряд батареи, даже если их сетевой выключатель находится в положении "Выключено". Это позволяет поддерживать батарею в заряженном состоянии, если ИБП не используется.

Температурная компенсация напряжения плавающего заряда, как правило не предусмотрена. Это не является серьезным недостатком для ИБП этого типа по двум причинам.

Во-первых ИБП с переключением имеют небольшую мощность (не более 1.5 кВА) и низкий уровень шума. Поэтому их, как правило, устанавливают в непосредственной близости от защищаемого компьютера (т.е. в помещении с нормальной температурой).

Во-вторых, они имеют высокий КПД. Вследствие этого температура находящейся внутри корпуса батареи почти не отличается от комнатной и температурная компенсация в большинстве случаев не нужна. Время заряда разряженной на 50 % батареи до достижения 90 % заряда изменяется от 6 до 15 часов для разных моделей ИБП.

Батарея.ИБП с переключением оснащаются батареями на основе необслуживаемых свинцовых кислотных аккумуляторов. Только отдельные образцы ИБП этого типа (в основном малоизвестных производителей) имеют другие батареи (например никель-кадмиевые). Напряжение батарей для разных моделей ИБП изменяется от 6 до 48 В при емкости от 6 до примерно 20 ампер-часов. Увеличение времени автономного режима за счет установки дополнительных батарей для ИБП этого типа как правило не предусматривается, хотя есть и исключения.Зарядные устройства хороших ИБП очень аккуратно обращаются с батареей. Поэтому ресурс батарей ИБП ведущих производителей зависит только от условий эксплуатации и изменяется от 3 до 6 лет.

Инвертор. В ИБП с переключением используются транзисторные инверторы. Выходное напряжение инвертора имеет вид прямоугольных импульсов с паузами.

Обычно производители ИБП называют этот тип колебаний "ступенчатым приближением к синусоиде" и заявляют, что для всех типов нагрузки такое напряжение практически эквивалентно синусоидальному. Для того, чтобы это было так (или хотя бы почти так), некоторые параметры прямоугольных колебаний, определяющие их величину и форму, должны совпадать с соответствующими параметрами синусоиды

Длительность паузы междуположительным и отрицательным импульсами и амплитуда напряжения может быть совершенно разной для ИБП разных производителей. Кроме того она еще может изменяться у одного и того же ИБП при изменении напряжения на батарее и нагрузки. Для компьютерных нагрузок и для электропитания других электронных устройств, оснащенных импульсными блоками питания, неправильная длительность паузы не имеет никакого значения.

Возможность применения ИБП с переключением для защиты других потребителей (например с трансформаторными блоками питания) вообще говоря не совсем очевидна заранее и требует подробного анализа в каждом конкретном случае. Но обычно этот вопрос решается положительно.

Схема управления ИБП и анализа сети.В основном ИБП с переключением управляются чисто аналоговыми схемами, хотя в последние годы идет процесс постепенного перехода на микропроцессорное управление даже такими простыми приборами, как ИБП с переключением. Схема анализа сети измеряет среднее выпрямленное значение напряжения сети и выдает команды на переключение с режима на режим в зависимости от его величины. Когда напряжение сети падает или пропадает совсем, схема анализа сети подает команду на переключение ИБП на режим работы от батареи. Если напряжение становится выше, ИБП снова начинает работать от сети. Для устойчивости работы ИБП на режиме, ИБП должен иметь небольшой (обычно несколько вольт) гистерезис характеристики переключения. Следовательно, если переключение с режима работы от сети на режим работы от батареи производится, например, при напряжении 185 В, то обратное переключение должно происходить при напряжении 188-192 В.

Некоторые старые российские ИБП в силу схемных особенностей в случае неправильной регулировки на заводе (т.е. брака) могут не иметь такого гистерезиса. Это приводит к тому, что если сетевое напряжение принимает граничное значение, то ИБП начинает непрерывно переключаться с сети на батарею и обратно. Нескольких минут работы в таком режиме достаточно для разрушения контактов переключающего реле. Большинство ИБП с переключением реагируют только на снижение напряжения, т.е. переключаются на работу от батареи при достижении напряжением сети некоторого граничного значения в диапазоне 200-160 В. Только некоторые ИБП с переключением реагируют также и на повышение напряжения, т.е. переключаются на работу от батареи при достижении сетевым напряжением некоторого граничного значения в диапазоне 250-290 В.

Эта функция ИБП безусловно полезна. Однако если вы используете ИБП с переключением для защиты персонального компьютера с импульсным блоком питания, то она не всегда является безусловно необходимой. Хорошо спроектированные импульсные блоки питания работоспособны при очень высоких напряжениях. Схема управления ИБП следит за состоянием батареи ИБП. Когда батарея разряжается полностью (напряжение на элементе свинцовой кислотной батареи 1.7-1.75 В) блок управления снимает напряжение с нагрузки. Это необходимо для предотвращения глубокого разряда батареи. К сожалению большинство ИБП даже после отключения нагрузки продолжают расходовать энергиюбатареи для питания небольшой части своей схемы. Ток разряда батареи в этом случае очень мал, но если разряд продолжается долго, то батарея достигает состояния глубокого разряда, после которого ее можно только выбросить. Поэтому, если ИБП сам отключил нагрузку в результате разряда батареи (а напряжение в сети не появилось), ИБП следует немедленно выключить, и включать только после появления напряжения в сети.

Желательно выключать компьютер или другую нагрузку ИБП любого типа заранее, не доводя до автоматического отключения. Это позволит заметно увеличить ресурс батареи и,что еще важнее, сохранить часть заряда батареи для следующего сбоя питания.

Переключатель.Для переключения ИБП с режима работы от сети на режим работы от батареи используются быстродействующие реле. Время срабатывания таких реле составляет примерно 2-5 мс. Это позволяет обеспечить полное время реакции ИБП на сбой электрической сети 3-6 мс, включая сюда и время обнаружения сбоя.

Блоки питания первых персональных компьютеров (и особенно первых клонов ПК) были довольно чувствительны к разрыву электропитания. Для защиты некоторых из них могли использоваться только on-line ИБП, не имеющие разрыва электропитания. Современные компьютеры не так чувствительны.

Согласно независимым исследованиям компьютеры ведущих производителей, таких, как IBM, Compaq могут выдерживать разрывы электропитания длительностью 50-100 мс и более. Ассоциация производителей компьютеров производственного назначения (CBEMA) рекомендовала производителям компьютерного оборудования предусмотреть возможность работы своей техники с разрывами электропитания длительностью не менее 8.3 мс. Эта рекомендация действительна для США, где напряжение в сети имеет частоту 60 Гц (8.3 мс равны длительности половины периода синусоиды частотой 60 Гц). Соответствующая рекомендация для Европы (в том числе для России) должна предусматривать допустимую длительность разрыва питания 10 мс.

Согласно российскому стандарту компьютерная техника должна выдерживать полное отключение напряжения на время не менее 20 мс (компьютеры группы I по устойчивости к воздействию). Если производитель компьютера претендует на соответствие его оборудования группе II того же стандарта, то компьютер должен выдерживать полное отключение напряжения длительностью 100 мс. Опыт эксплуатации многих тысяч ИБП с переключением в России показывает, что компьютеров, которые не выдерживали бы разрыв электропитания 2-4 мс в России нет или, во всяком случае, крайне мало. Некоторые ИБП с переключением, разработанные в России, имеют разрыв электропитания длительностью до 15-20 мс.

Фильтр импульсов.Для уменьшения амплитуды высоковольтных импульсов в ИБП с переключением используются фильтры, основной (а чаще всего единственной) частью которых является металл-оксидный варистор. Варистор включают параллельно входу ИБП. Если напряжение на входе ИБП находится в пределах допустимого, варистор имеет большое внутреннее сопротивление и не влияет на работу ИБП и его нагрузки. Практически он работает как конденсатор небольшой емкости. Если на вход ИБП поступает импульс и напряжение на входе ИБП превышает некоторое предельное (обычно 400-600 В), внутреннее сопротивление варистора резко уменьшается и он шунтирует (замыкает) вход ИБП. При этом большие (до нескольких килоампер) импульсные токи протекают через варистор, не поступая в ИБП и не повреждая подключенное к нему оборудование. Непосредственно на выходе варистора во время подавления импульса могут возникать переходные процессы с импульсными напряжениями порядка нескольких десятков вольт. Эти импульсы затем ослабляются фильтром шумов, а в некоторых моделях ИБП специальной цепью.

Максимальное напряжение импульса, которое выдерживает варистор, обычно превышает 3000 В (т.е. соответствует стандарту IEEE 587 категория A) и для некоторых моделей может превышать 6000 В (в соответствии с категорией В того же стандарта).

Максимальные импульсные токи, которые могут безопасно протекать через варистор составляют 2000-6000 А. Естественно варистор размером со среднюю монету не можетдолго выдерживать протекание таких больших токов. Наиболее важной характеристикой варисторной защиты является максимальная энергия импульса, которую варистор может безопасно поглотить. Производители ИБП не всегда указывают эту величину. Обычно она изменяется от 80 до 500 Дж для ИБП разных мощностей и производителей. Соответственно длительность импульса, который способен поглотить варистор, при максимальном токе 6000 А составляет единицы или десятки микросекунд. Варисторная защита от импульсов относится к частям ИБП, имеющим принципиально ограниченный ресурс. При нормальной работе варисторы постепенно "выгорают" в результате поглощения даже небольших имульсов. Ресурс варисторной защиты невозможно определить однозначно. Он зависит от типа используемого варистора, количества и суммарной энергии поглощенных им импульсов, использования в схеме ИБП дополнительных средств подавления импульсов и т.д.

Характерный срок службы варисторной защиты видимо можно определить в 1-4 года в зависимости от модели ИБП и условий эксплуатации. Следует иметь в виду: ИБП с варисторной защитой и без гальванической развязки не предназначены (что бы не заявляли их производители) для работы в действительно жестких условиях (на заводах с мощным оборудованием, подключенным в одну сеть вместе с компьютерами, в полевых условиях, особенно при работе с плохими дизельными генераторами, в локальных сетях большой протяженности, расположенных в разных зданиях и т.д.).

В случае, если на варистор поступает импульс, энергия которого превышает предельное значение, характерное для текущего состояния варистора, варистор выходит из строя. После этого входная цепь ИБП может остаться закороченной. Это иногда приводит к разрыву корпуса варистора. Разрыв сопровождается громким хлопком (и короткое замыкание иногда снимается).

Фильтр шумов. Для фильтрации шумов используются R-C или L-C фильтры, свободно пропускающие низкочастотные колебания с частотой близкой к 50 Гц и оказывающие заметное сопротивление распространению колебаний намного более высокой частоты. Как правилопроизводители не приводят подробные характеристики фильтров, а иногда просто указывают: "ИБП производит постоянную фильтрацию шумов". По разрозненным данным фирм производителей можно сделать вывод, что для лучших ИБП с переключением подавление шумов достигает 30-45 дБ для частот 1-10 МГц.

Для большинства устройств видимо характерно подавление шумов 8-30 дБ на частотах 100 кГц-10 МГц.

Характеристики ИБП с переключением

Мощность.Каждая из солидных фирм-производителей ИБП с переключением выпускает ряд ИБП одной и той же серии разных мощностей. Наименее мощные ИБП имеют мощность 250 ВА, наиболее мощные – мощность 1250 ВА. Каждая из фирм выбирает свой ряд мощностей, исходя видимо из соображений маркетинга своей продукции. Наиболее частовстречается ряд 250, 400, 600 ВА. В последние годы многие фирмы увеличили минимальную мощность БП до 300 ВА. Ограничение максимальной мощности этих ИБП объясняется трудностями, связанными с переключением электропитания чувствительного оборудования под нагрузкой. В момент переключения возможно образование дуги между электродами. Борьба с этим явлением требует специальных и не дешевых мер.

КПД.ИБП с переключением имеют максимально возможный для ИБП коэффициент полезного действия. На основном рабочем режиме (работа от сети) ИБП расходует энергию только для подзаряда батареи и питания схемы управления. Схема потребляет не более 1-2% номинальной мощности. На заряд полностью разряженной батареи расходуется еще 5-10% номинальной мощности ИБП. Таким образом при нагрузке 100% от номинальной и заряженной батарее ИБП с переключением имеет КПД 98-99%. Принагрузке 50% от номинальной и разряженной батарее его КПД примерно равен 90%.

Время работы от батарей.ИБП с переключением обычно ориентированы на кратковременную работу от батареи. Времени работы от батареи должно быть достаточно для корректного завершения работы программ и закрытия файлов. Обычно при полной (номинальной) нагрузке ИБП, имеющий полностью заряженную новую батарею работает от батареи 6-15 минут. Если нагрузка меньше номинальной, то время работы ИБП от батареи увеличивается. Зависимость времени работы от нагрузки нелинейная: время работы увеличивается быстрее уменьшения нагрузки. Эта зависимость несколько подробнее обсуждается в главе 8 применительно ко всем типам ИБП.

Подключение дополнительных аккумуляторов к таким ИБП не предусматривается. Тепловой режим ИБП с переключением рассчитан таким образом, чтобы ИБП мог работать от батареи только ограниченное время. Попытки подключения внешних аккумуляторов могут привести к выходу ИБП из строя.

Преимущества ИБП с переключением

Основное, и почти единственное, преимущество ИБП с переключением – это низкая цена. Цена ИБП с переключением в Москве изменяется от 0.1 до 0.3 доллара за вольт-ампер мощности. Другое преимущество ИБП с переключением – высокий КПД, само по себе не имеет определяющего значения, поскольку КПД других типов ИБП тоже довольно велики. И вообще, КПД для ИБП не главная характеристика. Тем не менее есть одно имеющее значение следствие высокого КПД – это низкое тепловыделение внутри корпуса. Из-за низкого тепловыделения эти ИБП не требуют принудительного охлаждения (с помощью вентиляторов) и, следовательно, меньше шумят. На режиме работы от сети хорошие ИБП с переключением практически бесшумны. Шум от работы инвертора присутствует только во время работы ИБП от батареи (т.е. всего несколько минут) и тоже не слишком слышен (опять же у хороших ИБП). Низкий уровень шума позволяет устанавливать ИБП с переключением непосредственно рядом с защищаемым компьютером.

Недостатки ИБП с переключением

ИБП с переключением во время работы от сети обеспечивают компьютерам защиту только от слабых возмущений электрической сети. Можно сказать, что их фильтры "чистят чистое". Эта особенность ИБП с переключением делает возможным их применение только в условиях "хорошей" электрической сети, в которой время от времени случаются отключения электропитания . Вообще можно сказать: ИБП с переключением защищают только от одного вида сбоя электропитания: полного отключения напряжения. Не следует использовать эти ИБП при работе в условиях промышленного предприятия или в других случаях, когда в единую электрическую сеть включены компьютеры и мощное промышленное оборудование (станки, лифты, даже большие копировальные аппараты). Возможность применения ИБП с переключением в больших локальных сетях, расположенных в нескольких разных зданиях, каждый раз требует специального подтверждения.

Как правило в таких условиях требуется использовать ИБП с гальванической развязкой, которой лишены ИБП с переключением. Из-за несинусоидальности выходного сигнала и наличия разрыва электропитания, при переключении ИБП при с режима работы от батареи на режим работы от сети всегда наблюдается не слишком гладкий переходный процесс (см. рис. 6.7). При неблагоприятной фазе сетевого напряжения в момент переключения, блок питания персонального компьютера не сможет полностью сгладить скачок напряжения. В результате на материнскую плату компьютера будет подан импульс, амплитуда напряжения которого может достигнуть 400 мВ. Вследствие этого не рекомендуется использовать эти ИБП в ответственных случаях: для защиты файловых серверов, узловых коммуникационных компьютеров, компьютеров с очень дорогими данными, дорогих периферийных устройств типа цветных сканеров большого формата и т.д.

Сфера применения ИБП с переключением – защита отдельных персональных компьютеров, рабочих станций небольших локальных сетей, дешевых периферийных устройств, работающих в условиях обычного офиса. ИБП с переключением хороших производителей отлично работают в этих условиях. Сотни тысяч ИБП с переключением, уже установленных в России, доказывают это.

<< | >>
Источник: Левашов Ю.А., Белоус И.А.. ЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ СВЯЗИ [Текст]: учебное пособие / Ю.А. Левашов, И.А. Белоус. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС,2016. - 205 с.. 2016

Еще по теме 6.2. ИБП резервного типа:

  1. Феррорезонансный ИБП (Ferroresonant UPS)
  2. 6.3. ИБП взаимодействующий с сетью (line-interactiveUPS)
  3. 6.4. ИБП с двойным преобразованием энергии (Double Conversion UPS)
  4. 3.3. Резервный капитал
  5. Стаття 19. Резервний капітал
  6. Порядок формирования и использования резервного фонда
  7. 9.Резервный фонд формируется из
  8. § 4. Соотношение типа и формы государства
  9. 16 СООТНОШЕНИЕ ФОРМЫ И ТИПА ГОСУДАРСТВА
  10. 14. Соотношение типа и формы государства
  11. 28. Соотношение типа и формы государства
  12. § 1. Понятие исторического типа государства
  13. 35. Республика смешанного (полупрезидентского) типа
  14. 4.6. Понятие типа государства.