Что такое UPS и как он устроен | Компьютер и жизнь

Основные функции ups

Современные источники бесперебойного питания выполняют такие функции:

Off-line

Пока в стандартной сети присутствует нормальный поток энергии, он движется напрямую к потребителю при этом поддерживается заряд аккумулятора. Сглаживание разнообразных помех проходит на низком уровне с помощью системы простой фильтрации.

При незапланированном отключении электропитания устройство переходит на снабжение от аккумулятора. Причем преобразователь постоянного тока в переменный не способен выдавать сигнал соответствующий нормальному, как и в стандартной сети. Переход на батарею может происходит также при резких скачках напряжения в минимальные и максимальные значения.

Длительность перехода на автономное питание варьируется от значений 5 мс до 20 мс. В некоторых электроустановках такие промежутки могут привести к преждевременному выходу из строя основных элементов. Происходит такое в результате синхронизации фаз в ИБП.

Smart ups

Другие названия – Line-Interactive, ИБП интерактивного типа. Недалеко ушли по принципу действия от Back.

Smart UPS действуют умнее, как следует из названия. Они ещё дополнительно переключают внутренний автотрансформатор, в некотором смысле стабилизируя входное напряжение. И только в крайнем случае переходят на батарею.

Таким образом, норма напряжения на выходе поддерживается при бОльших отклонениях на входе (150…300В). Автотрансформатор имеет несколько ступеней переключения, поэтому Умный УПС до последнего переключает выводы автотрансформатора, включая аккумулятор лишь в последний момент. Это позволяет экономить батарею, включая её в работу лишь при полном пропадании питания.

Данное устройство напоминает релейный стабилизатор напряжения со ступенчатым переключением обмоток автотрансформатора. С той лишь разницей, что при выходе за рабочие пределы стабилизатор будет бессилен, а наша “умница” введёт в работу аккумулятор, и питание не пропадёт.

Виды источников бесперебойного питания

Виды (типы) ИБП имеют множество названий, но их всё равно ровно три. Разберёмся.

Итак, три основных вида ИБП:

Зачем нужен ups?

Источник бесперебойного питания (ИБП или UPS — Uninterruptible Power Supplies) предназначен для снабжения компьютера электроэнергией в случае пропадания напряжения в электрической сети.

Внезапное отключение напряжения чревато потерей данных и физической порчей оборудования.

В электрической сети всегда есть помехи и всплески напряжения, которые возникают при коммутации мощных потребителей.

Если нагрузка по конкретной электрической линии велика, напряжение на нагрузке снижается ниже нормы. Источник бесперебойного питания и нужен для того, чтобы питать компьютеры (и другую нагрузку) «чистым» напряжением.

В случае пропадания напряжения источник начинает работать от аккумуляторной батареи, вырабатывая переменное напряжение 220 В для компьютера.

Ибп двойного преобразования

Данный вид источника бесперебойного питания считается самым эффективным и дорогим. Его применяют для стабилизации питающей сети в устройствах повышенной стоимости, в которых требуется сигнал правильной формы и без помех.

В данном ИБП фильтрация и стабилизация происходит постоянно. Напряжение сети проходит через преобразователь постоянного тока и распределяется между аккумулятором и инвертором, в результате происходит двойной переход. Причем конструкция инвертора позволяет получать сигнал на выходе правильной формы без помех. При резких перепадах значений напряжения устройство мгновенно переходит на подпитку батареей.

В моделях данного вида присутствует байпасный канал, позволяющий при неисправности инвертора питать потребителя от стандартного питания.

Ибп с двойным преобразованием

Наиболее совершенные источники – с двойным преобразованием, которые используются в наиболее ответственных случаях (для питания серверов и оборудования, чувствительного к параметрам сетевого напряжения). В источниках бесперебойного питания первых двух типов частота сетевого напряжения на выходе (в тех случаях, когда не работает инвертор) всегда равна частоте сети. Нет никакой возможности на нее повлиять.

В ИБП с двойным преобразованием инвертор работает всегда – независимо от того, есть в сети напряжение или нет. Если оно в сети есть, оно выпрямляется, подзаряжает через зарядное устройство аккумулятор и поступает на инвертор, управляемый контроллером устройства. Инвертор вырабатывает чистую, «синтетическую», синусоиду стабильного напряжения – без помех и выбросов.

Частота ее может отличаться от частоты входного напряжения и определяется исключительно контроллером (точнее, предварительными настройками).  Когда напряжение в сети исчезает или выходит за пределы нормы, инвертор переключается на работу от аккумулятора, поддерживая тот же высококачественный сигнал на выходных разъемах.

При этом переключение происходит быстрее, чем в первых двух видах источников. ИБП с двойным преобразованием имеет байпас (bypass, обходную линию), который позволяет питать нагрузку напрямую от электрической сети. Это сделано для того, чтобы подача напряжения на нагрузку не прерывалась при перегрузке или выходе из строя инвертора (который всегда работает).

Если возникают проблемы с инвертором, контроллер переключает ключ, и отфильтрованное сетевое напряжение в нагрузку поступает через байпас.

специализированное программное обеспечение, которое позволяет, в частности, проследить, как менялось входное сетевое напряжение во время работы.

До встречи на блоге!

Исследование ибп с помощью осциллографа

А теперь – самое интересное.

Как устроен ибп?

Постоянное напряжение аккумуляторной батареи (обычно 12 В или 24 В, если батареи включены последовательно) превращается в переменное 220 В с помощью специального устройства – встроенного инвертора. Если напряжения в сети исчезает, работа источника бесперебойного питания обычно сопровождается световой и звуковой индикацией для привлечения внимания пользователя.

В зависимости от емкости аккумуляторной батареи и мощности нагрузки, ИБП обеспечивает переменное напряжение на своих выходах в течение обычно 5 — 20 мин (кроме особых случаев). Этого времени хватает для того, чтобы закрыть все приложения (работающие программы) и выключить компьютер.

Все источники делятся на три большие группы:

• пассивные (passive stand-by),
• линейно-интерактивные (line interactive),
• с двойным преобразованием (double conversion).

Линейно-интерактивные

Данная разновидность пользуется особенной популярностью у потребителей. В конструкции ИБП применяется автоматический регулятор напряжения, однако сглаживание помех происходит не плавно, а ступенчато.

В режиме нормального питания электросети сигнал проходит через систему фильтрации и восстанавливает аккумулятор. В режиме резких перепадов напряжения автоматическое устройство регулировки ступенчато сглаживает скачки сигнала. В параметрах изначально заложены значения ступеней корректировки.

В результате критических перепадов напряжения УПС переходит на подпитку от аккумуляторной батареи. Причем критические значения варьируются в зависимости от загрузки UPS. В некоторых моделях вид сигнала не отличается от сигнала резервного типа, однако в основном конструкция снабжается инверторами, которые выдают сигнал нормального вида, как в стандартной сети.

Время переключения значительно меньше, чем у предыдущего вида, происходит это благодаря совпадению формы кривой напряжения, в результате синхронизация проходит быстрее.

Линейно-интерактивный ибп

Линейно-интерактивные источники отличаются от пассивных, в частности, тем, что имеют в своем составе автотрансформатор.

Это позволяет работать в более широком диапазоне входного сетевого напряжения без перехода на аккумуляторы. Автотрансформатор отличается от обычного трансформатора тем, что содержит не две (или более) гальванически изолированные обмотки, а, по сути одну обмотку с отводами.

Если входное сетевое напряжение длительное время снижено, контроллер, коммутируя посредством ключей обмотки автотрансформатора, повышает уровень напряжения на выходных разъемах ИБП. Если же напряжение длительное время повышено (в известных, разумеется, пределах) контроллер, коммутируя обмотки, понижает его уровень на выходных разъемах. Эта технология получила название AVR (Automatic Voltage Regulation).

Генерируемое инвертором сигнал может иметь вид аппроксимированной (ступенчатой) синусоиды или вид почти прямоугольных импульсов.

Последнее не так плохо, как этого можно было бы ожидать.

Большинство современных блоков питания, в том числе и компьютерные, — импульсные, в них сетевое напряжение все равно сначала выпрямляется.

Напряжение на выходе back ups

Я провёл исследование с использованием осциллографа Fluke 124. Осциллограммы (форма импульсов и колебаний на выходе ups) привожу и комментирую ниже.

Что видно по этой временной диаграмме? Период 20мс, частота 50Гц, амплитуда 315В. Стоит отметить, что фаза синуса и генерируемых импульсов совпадает, что хорошо. При пропадании сетевого напряжения ИБП мешкается 5-7 мс, и затем идут импульсы, которые называются “квази-синус”. Вот они:

Осциллограф померял RMS напряжение (среднеквадратическое), оно соответствует норме. Однако, когда я измерил это же напряжение мультиметром, я получил значение 155 В. Почему на выходе UPS низкое напряжение?

Дело в том, что мультиметр меряет только первую гармонику с частотой 50Гц. Для синуса всё гладко. Но если измерять напряжение таких вот импульсов, надо мерять именно RMS, среднеквадратическое, иначе не будут учтены следующие гармоники – 100, 150, 200 Гц.

Напряжение на выходе smart ups

Теперь приведу для полноты картины осциллограммы напряжений на выходе Smart UPS. Испытаниям подвергался UPS Ippon Smart Power Pro 1000.

Время переключения также для всей современной аппаратуры несущественно – менее 7 мс.

Плавного изменения напряжения на входе я не делал, поскольку не было такой цели. Полагаю, что в данном случае Умный ИБП ведёт себя точно так же, как и релейный стабилизатор напряжения.

Данные исследования проведены в рамках проекта по включению ИБП в цепь управления промышленного холодильника.

Пассивный ибп

Фильтр защищает выход устройства и его электронику от выбросов напряжения, которые нередко бывают в электрической сети.

Переменное напряжение сети выпрямляется выпрямителем и (через зарядное устройство, которое на схеме не изображено) подзаряжает аккумулятор.

В обычном режиме, когда уровень напряжения в сети не выходит за пределы нормы, отфильтрованное сетевое напряжение проходит через ключ на выходные разъемы ИБП и питает нагрузку. Как только оно выходит за пределы или исчезает, начинает работать инвертор.

При этом аккумулятор может отдавать достаточно большой ток, так как нагрузка – например, компьютер с монитором – может потреблять мощность 200 Вт и более. Как только входное сетевое напряжение вошло в пределы нормы, контроллер отключает инвертор и подает на выходы ИБП отфильтрованное сетевое напряжение.

Если же оно длительно отсутствует, контроллер отключает устройство, предохраняя аккумулятор от глубокого разряда.

Применение

Все модели источников бесперебойного питания выполняют следующий ряд задач:

• предоставляют защиту потребителям от кратковременных перепадов основного питания;
• обеспечивают стабильную фильтрацию входных сигналов;
• защищают от появлений короткого замыкания и значительных перегрузок;
• обеспечивают питание потребителям при полном отключении основного электропитания.

Правильно подобранное устройство и соблюдение требований безопасной эксплуатации позволят защитить электрооборудование от преждевременного выхода из строя.

Типы ибп

Среди большого разнообразия таких устройств выделяют три основных вида:

• off-line;
• линейно-интерактивные;
• устройство двойного преобразования.