Основные типы ИБП по принципу их построения, степени защиты оборудования и сферам применения
Существует три основных типа современных источников бесперебойного питания (ИБП / UPS). Рассмотрим плюсы и минусы для каждого, а также принципиальные схемы их построения.
1. Оффлайн ИБП
Оффлайн ИБП (off-line, Standby, back ups или резервные) — это тип источника бесперебойного питания, принцип действия которого заключается в переключении оборудования на резервный аккумулятор (является составной частью ИБП) при возникновении сбоев в питании.
| Плюсы: | Минусы: |
| простота экономичность компактность | отсутствие стабилизации входного напряжения при работе от электросети более высокий износ аккумулятора (в сравнении с другими типами) |
Применение: для защиты на короткий период домашних ПК, офисного компьютерного оборудования.
Схема ИБП с технологией оффлайн
2. Линейно-интерактивные ИБП
Линейно-интерактивные (line interactive) — это тип ИБП, который способен регулировать выходное напряжение при понижении или повышении напряжения на входе в широком диапазоне — без переключения работу от аккумуляторов. ИБП данного типа подразделяются на устройства с аппроксимированной синусоидой и полностью синусоидальным выходным напряжением.
| Плюсы: | Минусы: |
| компактность экономичность стабилизация входного напряжения невысокая стоимость | отсутствие корректировки формы выходного напряжения в режиме работы от электросети ступенчатое изменение выходного напряжения наличие времени переключения на питание от аккумуляторов |
Применение: для защиты групп компьютеров, сетевого и другого ответственного вычислительного и телекоммуникационного оборудования.
Схема линейно-интерактивного ИБП
3. С двойным преобразованием или онлайн ИБП
Двойного преобразования (онлайн, online) — это тип ИБП, в котором электроэнергия преобразуется дважды — входное напряжение низкого качество в постоянное напряжение внутренней шины, и из него формируется выходное напряжение с эталонными характеристиками. Время переключения на работу от аккумуляторов в онлайн ИБП равно нулю.
| Плюсы: | Минусы: |
| постоянная стабилизация напряжения и частоты полная фильтрация импульсов и высокочастотных помех основной электросети отсутствие влияние подключенного оборудования на основную электросеть мгновенное переключение на аккумуляторы в случае сбоев | сложность конструкции и более высокая стоимость в режиме двойного преобразования дополнительные затраты электроэнергии |
Применение: Файловые серверы, рабочие станции, центры обработки данных и прочее ответственное вычислительное и телекоммуникационное оборудование, которое предъявляет повышенные требования по качеству электропитания.
Типы источников бесперебойного питания (ИБП)
ИБП делятся на три основных класса: Off-line (или stand-by), Line-interactive и On-line. Эти устройства имеют различные конструкции и характеристики и соответственно различное применение.
Термины
Входное напряжение, вход – напряжение в электрической сети, розетка. Напряжение в эклектической сети подвержено различным скачкам, перепадам и пропаданием напряжения.
Нагрузка, потребитель – устройство, которое питается от источника бесперебойного питания.
Фильтр – часть схемы, блок, который сглаживает скачки и перепады напряжения электрического тока.
Инвертор – блок ИБП, который преобразует постоянное напряжение в переменное или наоборот. Необходимость данного блока состоит в том, что аккумуляторные батареи заряжаются и выдают только постоянный ток, а нагрузка питается от переменного тока в 50 Гц.
АКБ, аккумулятор, батарея – как правило, свинцово-кислотная аккумуляторная батарея или блок из нескольких батарей.
ИБП класса Off-line (Standby, back ups)
При работе в нормальном режиме нагрузка питается входным напряжением, отфильтрованным от помех EMI/RFI Noise фильтром на входе. Батареи заряжаются от входного напряжения схемой зарядки.
Если входное напряжение пропадает, то ИБП переходит в режим работы от АКБ, включается инвертор, который в нормальном режиме находится в отключенном состоянии. Инвертор преобразует постоянное напряжение батарей в переменное и подает питание на нагрузку. Достаточно часто, ради удешевления конструкции в ИБП этого класса ставят инверторы прямоугольных сигналов, что дает на выходе напряжение далеко не синусоидальной формы.
Применение
Для защиты домашних ПК и офисного компьютерного оборудования от кратковременного отключения электричества.
ИБП класса Line-interactive (Линейно-интерактивные, Smart-UPS)
Линейно-интерактивный ИБП – это источник бесперебойного питания, выполненный по схеме Off-Line и дополненной автоматическим регулятором напряжения (AVR) на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками (ступенчатым стабилизатором). Основное преимущество этого типа ИБП по сравнению с предыдущим заключается в том, что он способен обеспечить нормальное питание нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети без перехода в режим питания от АКБ. В итоге продлевается срок службы аккумуляторных батарей.
В ИБП данного типа применяется инверторы двух типов: с аппроксимированной синусоидой (НЧ ШИМ) и полностью синусоидальным (ВЧ ШИМ) выходным напряжением. Первые могут применяться для защиты устройств с импульсными источниками питания, включая компьютерное оборудование. Вторые подходят для защиты устройств, чувствительных к форме входного напряжения – электромоторов, насосов, газовых котлов.
Применение
Для защиты компьютеров, сетевого, телекоммуникационного и другого оборудования.
ИБП класса On-Line (С двойным преобразованием, Smart-UPS Online)
Поступающее на вход On-Line ИБП переменное напряжение преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем с помощью инвертора снова в переменное. Поскольку аккумуляторные батареи всегда подключены к инвертору, нет необходимости в переключении с внешней сети на АКБ, время переключения всегда равна нулю. Схема On-Line обеспечивает идеальное выходное напряжение при любых неполадках в электросети.
К недостаткам схемы On-Line относятся ее сравнительная сложность и более высокая стоимость. За счет двойного преобразования, On-Line ИБП страдают невысоким КПД и требуют дополнительного охлаждения.
Применение
Серверы, рабочие станции, центры обработки данных, прочее вычислительное и телекоммуникационное оборудование, требующее качественное электропитание.
Классы Источников Бесперебойного Питания (UPS) или для каких целей стоит выбирать определенный тип ИБП.
ИБП принято подразделять на три класса:
Топология passive-standby (off-line)
Самая распространённая топология источников бесперебойного питания, предназначенных для защиты персональных компьютеров и других электронных приборов от пропадания, всплесков и провалов напряжения. В штатном режиме такой источник подает нагрузку непосредственно от электрической сети – с фильтрацией выходного напряжения, но без его активного преобразования. В случае отключения питания или колебания сетевого напряжения источник переходит в режим работы от встроенных батарей и обеспечивает стабильное питание нагрузке.
Преимущества:
удобство эксплуатации в условиях дома и офиса;
бесшумность работы в штатном режиме;
базовая защита электроприборов;
Недостатки:
отсутствие стабилизации напряжения;
при падениях и всплесках напряжения бесперебойник переходит в режим работы от встроенных аккумуляторов;
время перехода на аккумуляторы и обратно 3—15 мсек;
Вывод: применяется данный класс источников для базовой защиты персональных компьютеров, периферийных, мультимедиа, TV, видео, HI-FI устройств, модемов, IP- телефонии, бытовых приборов. 
Линейно-интерактивная топология (line-interactive)
Тип ИБП, разработанный для защиты корпоративных сетей и информационных систем от пропадания, провалов и всплесков напряжения, пониженного или повышенного напряжения. В штатном режиме линейно-интерактивный бесперебойник управляется с помощью микропроцессора, который выполняет мониторинг качества сетевого напряжения и реагирует на любые его изменения. Цепи компенсации активизируются в случае любых изменений напряжения, обеспечивая его стабилизацию.
Преимущества:
возможность компенсации повышенного и пониженного напряжения без использования ресурса аккумуляторов;
удобство эксплуатации в условиях офиса;
бесшумность работы в штатном режиме;
Недостатки:
при падениях и всплесках напряжения ИБП переходит в режим работы от встроенных аккумуляторов;
время перехода на аккумуляторы и обратно 3—15 мсек;
Вывод: применяется для улучшенной защиты рабочих станций, серверов, телекоммуникационных и информационных систем, в корпоративном секторе. 
Топология двойного преобразования напряжения (on-line)
Топология on-line используется в ИБП, предназначенных для непрерывной защиты критически важного оборудования от всех девяти проблем с электропитанием (пропадание, провал, всплеск напряжения, пониженный или повышенный уровни напряжения, сбои, связанные с переходными процессами при коммутации, электромагнитные и радиочастотные помехи и нелинейные искажения напряжения). Технология двойного преобразования обеспечивает непрерывную регулировку выходного напряжения (амплитуда и частота) и возможность производить сервисное обслуживание или ремонт, не прерывая питания нагрузки (благодаря наличию байпаса). Питание генерируется конвертацией переменного тока в постоянный ток и обратно. Такой бесперебойник совместим с любой нагрузкой, поскольку он полностью исключает пагубное воздействие сбоев в электропитании при переходе источника на работу от батарей и обратно.
Преимущества:
абсолютная и непрерывная защита критически важного оборудования от всех проблем связанных с электропитанием;
полностью исключает воздействие сбоев выходного напряжения при переходе ИБП на работу от батарей и обратно;
Недостатки:
Вывод: применяется для абсолютной защиты среды IT, серверов, медицинских и производственных систем, автоматики, центров данных, массовых устройств.
В следующей статье мы рассмотрим как выполнить расчет времени работы нагрузки от источника бесперебойного питания.
Источники бесперебойного питания: попытка выработки комплексной методики тестирования
По мере своего развития цивилизация начинает потреблять все больше энергии, в частности, электрической станки, заводы, электронасосы, фонари на улицах, лампы в квартирах… Появление радио, телевизоров, телефонов, компьютеров дало человечеству возможность ускорить обмен информацией, однако, еще сильнее привязало его к источникам электроэнергии, поскольку теперь, во многих случаях, пропадание электричества равносильно потере канала доставки информационного потока. Наиболее критична такая ситуация для ряда наиболее современных отраслей, в частности, там, где основным инструментом производства являются компьютерные сети.
Давно подсчитано, что через пару-тройку месяцев работы стоимость информации, хранящейся на компьютере, превышает стоимость самого ПК. Уже давно информация стала разновидностью товара ее создают, оценивают, продают, покупают, накапливают, преобразуют… и порой теряют по самым разнообразным причинам. Разумеется, до половины проблем, связанных с потерей информации, возникает из-за программных или аппаратных сбоев компьютерами. Во всех остальных случаях, как правило, проблемы связаны с некачественным электроснабжением компьютера.
Обеспечение качественного питания компонентов ПК залог стабильной работы любой компьютерной системы. От формы и качественных характеристик сетевого питания, от удачного выбора компонентов питания порой зависит судьба целых месяцев работы. Исходя из этих соображений, была разработана изложенная ниже методика исследования, призванная в дальнейшем стать основой тестирования качественных характеристик бесперебойных блоков питания.
Оглавление
Все, что связано с электрическими сетями, в России регламентируется положениями ГОСТ 13109-97 (принят Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации взамен ГОСТ 13109-87). Нормативы этого документа полностью соответствуют международным стандартам МЭК 861, МЭК 1000-3-2, МЭК 1000-3-3, МЭК 1000-4-1 и публикациям МЭК 1000-2-1, МЭК 1000-2-2 в части уровней электромагнитной совместимости в системах электроснабжения и методов измерения электромагнитных помех.
Все эти факторы могут привести к выходу из строя достаточно «тонкой» электроники, и, как это часто бывает, к потере данных. Впрочем, люди давно научились защищаться: фильтры сетевого напряжения, «гасящие» скачки, дизель-генераторы, обеспечивающие подачу электроэнергии системам при пропадании напряжения в «глобальном масштабе», наконец, источники бесперебойного питания основной инструмент защиты персональных ПК, серверов, мини-АТС и др. Как раз о последней категории устройств и пойдет речь.
Классификация ИБП
Исходя из принципа действия устройств, в литературе в настоящее время используется два типа классификации источников бесперебойного питания. Согласно первому типу, ИБП делятся на две категории: on-line и off-line, которые, в свою очередь, делятся на резервные и линейно-интерактивные.
Согласно второму типу, ИБП делятся на три категории: резервные (off-line или standby), линейно-интерактивные (line-interactive) и ИБП с двойным преобразованием напряжения (on-line).
Мы будем пользоваться вторым типом классификации.
Рассмотрим для начала разницу типов ИБП. Источники резервного типа выполнены по схеме с коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей сети, а в аварийном переводит ее на питание от аккумуляторных батарей. Достоинством ИБП такого типа можно считать его простоту, недостатком ненулевое время переключения на питание от аккумуляторов (около 4 мс).
Линейно-интерактивные ИБП выполнены по схеме с коммутирующим устройством, дополненной стабилизатором входного напряжения на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками. Основное преимущество таких устройств защита нагрузки от повышенного или пониженного напряжения без перехода в аварийный режим. Недостатком таких устройств также является ненулевое (около 4 мс) время переключения на аккумуляторы.
ИБП с двойным преобразованием напряжения отличается тем, что в нем поступающее на вход переменное напряжение сначала преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем с помощью инвертора снова в переменное. Аккумуляторная батарея постоянно подключена к выходу выпрямителя и входу инвертора и питает его в аварийном режиме. Таким образом, достигается достаточно высокая стабильность выходного напряжения независимо от колебаний напряжения на входе. Кроме того, эффективно подавляются помехи и возмущения, которыми изобилует питающая сеть.
Практически, ИБП данного класса при подключении к сети переменного тока ведут себя как линейная нагрузка. Плюсом данной конструкции можно считать нулевое время переключения на питание от аккумуляторов, минусом снижение КПД за счет потерь при двукратном преобразовании напряжения.
Во всех справочниках по электротехнике различаются четыре вида мощности: мгновенная, активная, реактивная и полная. Мгновенная мощность вычисляется как произведение мгновенного значения напряжения и мгновенного значения тока для произвольно выбранного момента времени, то есть
Так как в цепи с сопротивлением r u=ir, то
Средняя за период мощность P рассматриваемой цепи равна постоянной слагающей мгновенной мощности
Среднюю за период мощность переменного тока называют активной. Единица активной мощности вольт-ампер называется ватт (Вт).
Соответственно и сопротивление r называют активным. Так как U=Ir, то
Реактивная мощность величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля. Для синусоидального тока равна произведению действующих тока и напряжения на синус угла сдвига фазы между ними.
Полная мощность потребляемая нагрузкой суммарная мощность (учитываются как активная, так и реактивная ее составляющие). Вычисляется как произведение среднеквадратичных значений входного тока и напряжения. Единица измерения ВА (вольт-ампер). Для синусоидального тока равна
Практически на любом электрическом приборе находится этикетка с указанием либо полной мощности устройства, либо активной мощности.
Тестирование
Основная цель тестирования продемонстрировать поведение тестируемых ИБП в реальных условиях, дать представление о дополнительных характеристиках, которые не находят отражения в общей документации на устройства, на практике определить влияние различных факторов на работу ИБП и, возможно, помочь определиться с выбором того или иного источника бесперебойного питания.
Несмотря на то, что рекомендаций по выбору ИБП в настоящее время существует великое множество, в ходе тестирования мы рассчитываем, во-первых, рассмотреть ряд дополнительных параметров, которыми стоит поинтересоваться перед покупкой оборудования, во-вторых, по необходимости скорректировать набор выбранных методов и параметров тестирования и выработать базу для будущего анализа всего тракта питания систем.
Линейно-интерактивный ИБП — что это, принцип работы
Каждому, кто хоть раз столкнулся с проблемой выхода из строя офисной или домашней техники, дается рекомендация приобрести источник бесперебойного питания. Зачастую специалисты советуют оснастить дом или офис устройствами line-interactive. В этой статье мы подробно опишем устройство и функционал такого необходимого прибора как линейно интерактивный ибп и попытаемся разъяснить что это. Также мы поясним, какие еще бывают виды ИБП и их отличия от устройств рассматриваемой категории.
Линейно-интерактивный ИБП — описание
Линейно-интерактивные источники бесперебойного питания — устройства для стабилизации напряжения, которые регулируют уровень напряжения на входе, сглаживая его перепады и перебой в питании и обеспечивая тем самым стабильную работу подключенных к ИБП устройств.
Эта категория ИБП по состоянию на май 2020 года считается оптимальной по соотношению стоимости и качества выполняемых функций. Они прекрасно подходят для домашнего использования, офисов, подключения оборудования, не требующего максимально стабильного напряжения на выходе.
Линейно-интерактивные ИБП выступают промежуточным звеном между простейшими резервными и дорогостоящими современными онлайн-устройствами. Грамотно подобранная мощность бесперебойников этого типа обеспечивает максимальный эффект при минимальных затратах средств на приобретение и обслуживание.
Конструкция ИБП
Линейные ИБП устроены аналогично резервным, но имеют более сложную конструкцию. Стандартная схема резервного ИБП с коммутирующим устройством дополнена стабилизатором, который автоматически регулирует напряжение.
Линейно-интерактивные источники бесперебойного питания имеют несколько синонимов: линейный ИБП, бесперебойник line-interactive и т.д. Все эти слова обозначают одно и то же оборудование.
Рассмотрим три основных элемента конструкции.
К оммутирующее устройство
Этот элемент конструкции бесперебойника обеспечивает переключение режимов работы между внешней электросетью и аккумуляторами. В линейно-интерактивных устройствах коммутирующее устройство дополняется стабилизатором напряжения на входе.
Р егулятор напряжения
Один из основных элементов ИБП линейно-интерактивного типа. Может быть как повышающим с несколькими ступенями, так и универсальным (работать и на повышение, и на понижение подаваемого напряжения). Задача стабилизатора заключается в реализации схемы, устойчивой к длительным изменениям напряжения в сети. Это позволяет решить основную проблему, свойственную российским электросетям.
А втотрансформатор
В устройстве ИБП не предусмотрена гальваническая развязка между входом и выходом. Ее функции выполняют входной и выходной изолирующие трансформаторы.
В качестве источников питания в автономном режиме в большинстве случаев выступают блоки аккумуляторов. Они являются наиболее предпочтительными ввиду надежности, стоимости и высокого ресурса. Однако на рынке представлены и модели с топливными ячейками на основе водорода.
Принцип работы
С хема преобразования
Стандартный рабочий режим line-interactive ИБП аналогичен схеме функционирования резервных устройств и предусматривает параллельное подключение напрямую от сети. Входящее напряжение переменного тока проходит простейшую фильтрацию. Встроенный микропроцессор фиксирует отклонения, передавая информацию дополнительным компонентам ИБП. Таким образом, электромагнитные помехи и высоковольтные импульсы устраняются пассивными фильтрами. Дополнительно вход оснащен ступенчатым стабилизатором напряжения либо универсальным регулятором, основанными на работе автотрансформатора. Именно они сглаживают перепады и обеспечивают регулируемое напряжение на выходе.
Особенности работы устройства
Особенность работы интерактивных ИБП заключается в возможности функционирования в двух режимах:
В зависимости от схемы построения, напряжение инверторами может выдаваться в форме либо «ступенчатой», либо правильной синусоиды. Первый тип устройств стоит дешевле, он превосходно стабилизирует сигнал при питании от сети. В автономном режиме получить чистую синусоиду не удается. Вторая категория более дорогостоящая, однако выдают правильную синусоиду независимо от источника питания.
Преимуществ а ИБП line interactive
Линейно-интерактивные источники бесперебойного питания имеют несколько существенных особенностей по сравнению с другими видами оборудования:
Недостатки линейно-интерактивного ИБП
Несмотря на все преимущества, более современные типы ИБП (онлайн-бесперебойники) превосходят устройства line-interactive. В отличие от них рассматриваемая категория имеет следующие недостатки:
Можно отметить прямую зависимость между стоимостью оборудования и осцилограммой: дешевые схемы с классическим крупным трансформатором вместо инверторов неспособны обеспечить ровную синусоиду переменного тока.
Отличие от других видов ИБП
Основн ые различия ИБП line interactive от приборов резервного типа заключаются в следующем:
От онлайн-ИБП (с двойным преобразованием) линейно-интерактивные бесперебойники отличают:
Таким образом, линейные источники бесперебойного питания выступают оптимальным решением для обеспечения стабильной работы оборудования, не предъявляющего высоких требований к качеству питания.
При этом они максимально надежны, имеют невысокую стоимость, просты в обслуживании. Невысокая стоимость и продолжительй срок эксплуатации делают их более востребованными, чем резервные источники питания. Однако в случае обеспечить электроснабжение чувствительных к перепадам напряжения приборов и устройств лучше приобрести онлайн-бесперебойники, работа которых не предусматривает промежутка времени для переключения в автономный режим.