Какие бывают и как устроены Источники Бесперебойного Питания

Когда вы подключаете лампочку к сети электропитания, вам не так уж и важно, если лампочка на  миллионную долю секунды мигнет или засветится чуть ярче – ведь такие малые интервалы времени мы просто не воспринимаем. Поэтому проблема контроля качества  электропитания для обычного человека далеко не критична.

Другое дело – современные электронные устройства. Они «умеют» обрабатывать данные за миллиардные доли секунды, и со скоростью света передавать информацию на огромные расстояния. Соответственно любой, даже самый кратковременный перепад или исчезновение напряжения в питающей электросети, равносилен потере колоссального объема информации или сбоям в работе таких устройств.

Для борьбы с проблемами электропитания применяются бесперебойники (ИБП). И в этой статье мы поговорим о том, какие бывают бесперебойники, какие технические решения в них заложены, и для каких задач они оптимальны.

Начнем с того, что приведем перечень возможных проблем, которые могут возникать у самой обычной системы электропитания, например, от городской сети, и для защиты от которых вам понадобится бесперебойник:

Если питать от городской электросети простую технику типа лампочка, то подобные проблемы всего лишь увеличат ее износ, и лампочка раньше перегорит. А в случае компьютера, сервера или телекоммуникационного оборудования эти же проблемы приведут к потере данных, перегоранию центральных процессоров или поломке коммутационного оборудования и потере связи. Рассмотрим далее типы бесперебойников, и проблемы из вышеприведенного списка, с которыми справляется каждый из типов ИБП.

Типы бесперебойников

Бесперебойник типа офф-лайн работает по следующей простой схеме. В нем есть автоматический переключатель, к входам которого подключены внешнее питание и батарея. Батарея заряжается от внешней сети. В обычном режиме такой переключатель  подает на выход напряжение внешнего питания, а в случае временного исчезновения такового, переключается на питание от батареи (на что затрачивается время порядка 4 миллисекунд).

В такой конструкции офф-лайнового бесперебойника есть две особенности: во-первых, его батарея обеспечивает электропитание на промежутке сравнительно небольшого интервала времени, и поэтому эффективна только для борьбы с кратковременными провалами внешнего напряжения.

Во-вторых, батарея такого ИБП выдает накопленный в ней заряд в виде постоянного тока. Поэтому между батареей и автоматическим переключателем, устанавливается инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный ток.

Таким образом, бесперебойники типа офф-лайн, которые являются самыми простыми в исполнении, легкими и дешевыми, фактически спасают только от кратковременных исчезновений напряжения во внешней сети. Наиболее рационально использовать подобные ИБП для персонального пользования или для защиты некритичного оборудования.

Второй тип ИБП – это устройства, построенные на технологии line-interactive. Конструктивное отличие такого бесперебойника от его офф-лайнового собрата – это наличие трансформатора на входе, что  позволяет получать из «скачущего» по величине входного напряжения сигнал со стабильной амплитудой, в  довольно широком интервале величин входного напряжения. Таким образом осуществляется подавление пиков внешнего напряжения питания – проблема, с которой не способны справиться резервные источники питания.

Кроме того, новаторский подход применен в сопряжении батареи, инвертора и автоматического переключателя внутри бесперебойника. В обычном режиме работы, когда питание через переключатель идет от внешней сети, батарея заряжается через инвертор. При пропадании входного напряжения, батарея подключается как питающий элемент вместо внешней сети, и теперь уже отдает ток обратно через инвертор.

Получается, что инвертор постоянно включен цепь, и осуществляет дополнительную фильтрацию внешнего напряжения в нормальном режиме работы. Благодаря такому подключению инвертор убирает нежелательные просадки напряжения, которые могли бы привести к дополнительным переключениям автоматического переключателя.

Таким образом, интерактивные бесперебойники обеспечивают защиту от кратковременных исчезновений, пиков, перепадов и просадок внешнего напряжения. В такой конструкции при переключениях также генерируются скачки частоты, величины и фазы напряжения, однако они меньше, чем в случае офф-лайнового ИБП. Контроль формы напряжения здесь не реализован. Фильтрация помех и выбросов также не достаточно эффективна, и сгенерированные нагрузкой помехи будут пропускаться обратно в сеть.

Интерактивные бесперебойники лучше подходят для поддержки оборудования, в котором важно контролировать величину входного напряжения электропитания, а не его спектральные характеристики. Это может быть сетевое и удаленное оборудование, сервера, маршрутизаторы и коммутаторы, рабочие станции. По сравнению с технологией офф-лайн такие ИБП обеспечивают более высокую степень защиты, а кроме того они гораздо более дешевы, чем бесперебойники произведенные по технологии он-лайн.

В резервном режиме работы интерактивные источники отдают ток от аккумуляторной батареи, пропускают его через инвертор и выдают на выход прямоугольные импульсы. Такая форма электрического сигнала допустима для компьютеров или других устройств со встроенным блоком питания, но не применима, к примеру, для электродвигателей. В этом плане интересны интерактивные ИБП Liebert - они оборудованы инвертором, преобразующим постоянный ток не в прямоугольные импульсы, а в синусоиду.

Принцип работы он-лайновых ИБП прост и гениален, и он радикально отличается от схемы, на которой построены офф-лайны и интерактивы. ИБП типа он-лайн используют схему с двойным преобразованием напряжения. Вначале переменное входное напряжение выпрямляется. Далее выпрямленное напряжение используется для питания батареи, а также подается на инвертор, который преобразует постоянный ток обратно в переменный, который идет на выход бесперебойника. Благодаря присутствию перед инвертором постоянно включенной в сеть батареи, любая просадка постоянного выпрямленного напряжения будет мгновенно компенсирована ее током, и на инвертор поступит постоянный «смешанный» ток стабильной амплитуды.

Поэтому большой плюс он-лайн ИБП – это нулевое время переключения между разными режимами работы, и отсутствие всех связанных с таким переключением скачков напряжения, частоты, формы сигнала.

Разумеется, в постоянном токе просто не может быть проблем с частотой, фазой, формой импульса, или иными шумами, которые были в переменном токе. Постоянный ток, как мы уже выяснили, строго контролированной величины, поступает на инвертор, где уже преобразуется в переменный ток со строго контролированной формой импульса, частотой и фазой, и в котором нет шумов!

Это очень похоже на принцип работы лазера, где обычное электропитание используется лишь как источник  энергии для накачки рабочей системы лазера. А набравшись энергии от внешних, абсолютно некогерентных и несинхронных источников, лазер из этой энергии генерирует когерентный и согласованный импульс, обладающий такой разрушительной и созидательной силой.

И что ни говори, я восхищен простым и эффективным принципом, что обеспечивает он-лайновым бесперебойникам стабильность электропитания, которая соотносится к обычной электросети точно так же, как  излучение лазера соотносится к свету обычной настольной лампочки.

Решения на основе он-лайновых бесперебойников не дешевы, и вряд ли применимы для защиты домашнего ПК. Но для важной, критичной аппаратуры, сбои в работе которой могут принести тысячи долларов ущерба, он-лайновые бесперебойники являются наиболее полным ответом на проблему электропитания. И они оправдывают себя, сохраняя серверные станции постоянно работающими, банковские данные постоянно и надежно хранимыми, а нервы персонала крепкими, здоровыми и уверенными.