Источники бесперебойного питания (ИБП)

В отечественной периодике время от времени появляются обзоры рынка источников бесперебойного питания (ИБП), авторы которых пытаются разобраться с обилием выпускаемых устройств и сравнить их характеристики. Однако проводимая в таких статьях классификация не позволяет адекватно оценить различные ИБП.

Распространенная точка зрения, что ИБП стоит сопоставлять по уровням мощности (ИБП малой, средней и большой мощности) весьма условна, так как в одну группу могут попасть ИБП с различными принципами работы, сравнение которых некорректно. В качестве сравнительного параметра приводится также время автономной работы, которое характеризует не сам ИБП, а лишь емкость подключенных к нему батарей, в большинстве выпускаемых устройств питания легко наращиваемую за счет дополнительных батарейных блоков. Возможно, правильнее было бы сравнивать отношение времени автономной работы ко времени заряда батарей до 90%, однако последний параметр весьма редко приводится в фирменных спецификациях ИБП.

В данном обзоре ИБП разделены по уровням надежности, поскольку основное предназначение ИБП - защита нагрузки (например, телекоммуникационного оборудования) от случайных возмущений (в том числе и перебоев) электропитания.

Кратко рассмотрим существующие типы ИБП с этой точки зрения.


Уровни надежности ИБП

ИБП типа "off-line" ("back-up")

В таких ИБП электропитание нагрузки в нормальном режиме осуществляется от электросети, а в случае выхода напряжения за установленные пределы происходит переключение нагрузки на работу от аккумуляторных батарей через инвертор. По сути дела, ИБП такого типа защищает нагрузку только от перебоев (или глубоких провалов) напряжения питания. Диапазон входных напряжений при этом не может быть широким, поскольку он определяется чувствительностью нагрузки к изменениям напряжения, а значит, предельные значения напряжения задаются по параметрам самого чувствительного оборудования, к которому может быть подключен ИБП. В условиях нестабильных электросетей напряжение нередко выходит за границы заданного диапазона, а следовательно, ИБП часто переключается на батарею, что приводит к ее преждевременному износу (поскольку батареи имеют ограниченный ресурс по числу циклов заряд-разряд).

Частота питания нагрузки для ИБП данного типа определяется частотой питающей электросети. При работе от батарей во многих моделях ИБП генерируется не синусоидальная, а прямоугольная или трапециевидная форма напряжения, что обусловлено стремлением производителей максимально удешевить конструкцию, поскольку генератор меандра стоит значительно меньше генератора синусоидального сигнала.

Таким образом, ИБП типа "back-up" обладают низкой надежностью и неприменимы в "плохих" электросетях, в промышленных условиях, в том числе для питания оборудования узлов связи. Основная область их применения - защита некритичных нагрузок (например, персональных компьютеров) в "хороших" электросетях от перебоев электроснабжения.

Главным достоинством ИБП такого типа является их низкая стоимость.


ИБП типа "line-interactive" (линейно-интерактивные ИБП)

ИБП данного типа являются усовершенствованием описанного выше класса устройств: в конструкцию линейно-интерактивных ИБП введен трансформатор с переключаемыми обмотками. При изменении входного напряжения происходит переключение обмоток трансформатора, которое компенсирует напряжение на выходе. Линейно-интерактивные ИБП имеют более широкий диапазон входных напряжений по сравнению с устройствами типа "back-up", вследствие чего снижается количество переходов на работу ИБП от батареи и увеличивается время жизни последней. Как правило, такие ИБП генерируют квазисинусоидальную форму напряжения благодаря усовершенствованной схеме выходного инвертора, которая вместе с тем является более дорогой.

Линейно-интерактивные ИБП обладают большей надежностью, чем ИБП типа "back-up", но все же неприменимы в промышленных условиях и в электросетях, имеющих нестабильную частоту и мощные помехи. Все остальные недостатки, свойственные ИБП типа "back-up", присущи и данному типу ИБП.

Так, специфика телекоммуникаций зачастую обуславливает необходимость длительной (до нескольких часов) автономной работы ИБП. Линейно-интерактивные ИБП в нормальном режиме работают от электросети. Часто производители, стремясь удешевить конструкцию, сокращают возможность работы инверторов этих ИБП в автономном режиме всего до нескольких десятков минут (этого времени достаточно, например, для закрытия операционных систем компьютеров). Такие инверторы не в состоянии поддерживать длительную работу ИБП от батарей, поскольку могут перегреться и выйти из строя.


ИБП типа "on-line"

Данный тип ИБП существенно отличается от двух предыдущих. Принцип работы этих ИБП таков: входное сетевое напряжение выпрямляется до постоянного напряжения, используемого для заряда батареи и питания входного инвертора, который, в свою очередь, преобразует постоянное напряжение в переменное со стабильной частотой 50 Гц и фиксированным напряжением 220 В синусоидальной формы. ИБП снабжен также цепью обхода (bypass), автоматически подключающей нагрузку к электросети в случае перегрузки, перегрева или неисправности основного канала (выпрямителя и инвертора) ИБП.

ИБП такого типа в зарубежной литературе обозначают как VFI (Voltage Frequency Independent, стандарт IEC 62040-3), отмечая независимость выходного напряжения и частоты от входных величин этих параметров.

Таким образом, в ИБП двойного преобразования все помехи и искажения сетевого напряжения ликвидируются выпрямителем, а на выходе устройства вырабатывается идеальное синусоидальное напряжение постоянной частоты и амплитуды.

При выходе частоты или напряжения за установленные пределы или в случае полного исчезновения входного напряжения в ИБП двойного преобразования не происходит никаких переключений, поскольку выходной инвертор продолжает работать от постоянного напряжения батареи, приложенного в одной точке с выходом выпрямителя.

Среди рассмотренных типов источников питания ИБП двойного преобразования обладают наибольшей надежностью и могут применяться для работы в "плохих" электросетях, с нестабильными дизель-генераторами, в промышленных условиях (например, для питания узлов связи), поскольку обеспечивают высокий уровень защиты подключенной к ним нагрузки. К недостаткам ИБП данного типа (по сравнению с первыми двумя) можно отнести более низкий КПД и большую стоимость.


Резервирование:схемы с параллельным подключением

Важно отметить, что существует определенный класс потребляющего электроэнергию оборудования, которое не допускает никаких перебоев питания, - это так называемые критичные нагрузки. Для обеспечения надежности электропитания таких нагрузок применяются параллельные схемы ИБП с резервированием.

В этих случаях суммарная мощность параллельно подключенных ИБП превосходит мощность нагрузки таким образом, что при выходе из строя одного или нескольких ИБП остальные ИБП способны обеспечить питание без малейшего прерывания и изолировать неисправность, чтобы она не могла повлиять на выполнение функций питаемого оборудования. Параллельные резервируемые системы обеспечивают самую высокую надежность электропитания нагрузки.

Не все ИБП способны работать параллельно. Этот параметр весьма существенен для сравнения ИБП: возможность параллельной работы и тип логики параллельной системы (например, "ведущий - ведомый", распределенная логика и т.д.).

Схему с параллельным подключением ИБП следует применять при необходимости обеспечения работоспособности системы в случае отказа одного ИБП. Вариант параллельного подключения дороже на 20-50%, чем установка единичного ИБП.


Параметры для сравнения ИБП

Среднее время между отказами (MTBF)

Одной из характеристик надежности ИБП считается среднее время между отказами - MTBF (Mean Time Between Failures). Оценивать этот параметр следует с большой осторожностью: эта величина вычисляется на основе показателей надежности компонентов устройства и не учитывает такие важные моменты, как качество сборки, надежность конструкции и некоторые другие, в том числе человеческий фактор.

Как правило, эта оценка применяется для сравнения надежности одного и того же устройства после проведенной модернизации, сравнение же ИБП различных производителей по этому параметру несостоятельно.

Какие же параметры ИБП являются наиболее важными при сравнении ИБП различных производителей?


Коэффициент нелинейных искажений

Важным параметром ИБП, особенно для мощных устройств, является входной коэффициент нелинейных искажений (КНИ, в зарубежных источниках - THD, Total Harmonic Distortion). Этот параметр характеризует степень "загрязнения" электросети на входе ИБП.

Для снижения коэффициента КНИ применяются специальные схемы выпрямителей и дополнительные фильтры.


Управление зарядом батареи

Следует обратить внимание на наличие "интеллектуального" управления зарядом-разрядом батареи, поскольку именно надежность батареи определяет работу ИБП при перебоях электроснабжения. Обычно под "интеллектуальным" управлением понимается контроль конечного напряжения разряда в зависимости от тока разряда и температурно-зависимый, многостадийный заряд батареи.


Диапазон входных напряжений

Конечно, важным параметром ИБП является и диапазон входных напряжений, при котором ИБП работает от электросети.


Пользовательские характеристики

Как правило, ИБП различных производителей имеют особенности, важные с точки зрения пользователя. К таким особенностям можно отнести возможность запуска ИБП от батарей при отсутствии напряжения электросети и "мягкий старт" ИБП, когда при старте ИБП с подключенной нагрузкой отсутствует скачок тока во внешней цепи, способный вызвать срабатывание внешних предохранителей.


Что учесть в первую очередь?

С нашей точки зрения, при выборе ИБП следует руководствоваться следующими основными правилами:
сравнивать только однотипные ИБП; сопоставлять ИБП равных мощностей; учитывать свойства ИБП, непосредственно влияющие на их надежность.

журнал "Технологии и средства связи" №2(35),2003 год