Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрические приборы и устройства » Как устроены и работают источники бесперебойного питания (ИБП)
Количество просмотров: 66784
Комментарии к статье: 8


Как устроены и работают источники бесперебойного питания (ИБП)


Как устроены и работают источники бесперебойного питания (ИБП) Требования к качеству электроэнергии законодательно прописаны государственными стандартами и довольно жесткими нормативами. Электроснабжающие организации прилагают много усилий для их соблюдения, но, они не всегда реализуются.

В наших квартирах, да и на производстве, периодически возникают:

  • полные отключения электричества на неопределенное время;

  • апериодические кратковременные (10÷100 мс) высоковольтные (до 6 кВ) импульсы напряжения;

  • всплески и снижения напряжения с различной продолжительностью;

  • накладки высокочастотных шумов;

  • уходы частоты.

Все эти неполадки отрицательно влияют на работу бытовых и офисных потребителей электроэнергии. Особенно страдают от качества электропитания микропроцессорные и компьютерные устройства, которые не только совершают сбои, но и могут полностью потерять свою работоспособность.

Содержание статьи

Назначение и виды источников бесперебойного питания

Чтобы сократить риски от возникновения неисправностей питающей электрической сети используются резервные устройства, которые принято называть источниками бесперебойного питания (ИБП) или UPS (образовано от сокращения английской фразы «Uninterruptible Power Supply»).

Они изготавливаются с разной конструкцией для решения специфических задач потребителя. Например, мощные ИБП с гелиевыми аккумуляторами способны поддерживать энергоснабжение целого коттеджа в течение нескольких часов.

ИБП в схеме подключения устройств электроснабжения коттеджа

Их АКБ получают заряд от линии электропередач, ветрогенератора, солнечных батарей или других носителей электроэнергии через выпрямительное устройство инвертора. Они же подпитывают электрические потребители коттеджа.

Когда внешний источник отключается, то аккумуляторы разряжаются на подключенную в их сеть нагрузку. Чем больше емкость АКБ и меньше ток их разряда, тем дольше они работают.

Иисточники бесперебойного питания средней мощности могут резервировать питание электрических котлов, систем поддержания микроклимата в помещениях и подобного оборудования.

В то же время самые простые модели UPS способны только завершить программу аварийного отключения компьютера. При этом длительность всего процесса их работы не превысит 9÷15 минут.

Компьютерные источники бесперебойного питания бывают:

  1. встроенными в корпус устройства;

  2. внешними.

Первые конструкции распространены в ноутбуках, нетбуках, планшетах и подобных мобильных устройствах, работающих от встроенного аккумулятора, который снабжен схемой переключения питания и нагрузки.

АКБ ноутбука со встроенным контроллером является источником бесперебойного питания. Его схема в автоматическом режиме защищает работающее оборудование от неисправностей электросети.

Аккумуляторный блок ноутбука

Внешние конструкции ИБП, предназначенные для нормального завершения программ стационарного компьютера, изготавливаются отдельным блоком.

Место ИБП в схеме подключения периферийных устройств компьютера

Их подключают через сетевой адаптер питания к электрической розетке. От них запитывают только те устройства, которые отвечают за работу программ:

  • системный блок с подключенной клавиатурой;

  • монитор, отображающий происходящие процессы.

Остальные периферийные устройства: сканеры, принтеры, акустические колонки и другое оборудование от UPS не запитывают. Иначе они при аварийном завершении программ будут забирать на себя часть энергии, накопленной в аккумуляторах.

Варианты построения рабочих схем ИБП

Компьютерные и промышленные UPS изготавливают по трем основным вариантам:

  1. резервирования электропитания;

  2. интерактивной схемы;

  3. двойного преобразования электроэнергии.

При первом методе резервной схемы, обозначаемым английскими терминами «Standby» или «Off-Line» напряжение поступает из сети к компьютеру через ИБП, в котором электромагнитные помехи устраняются встроенными фильтрами. Здесь же установлен аккумулятор, емкость которого поддерживается током заряда, регулируемым контроллером.

Работа ИБП при нормальной схеме электропитания

Когда пропадает или выходит за установленные нормативы внешнее питание, то контроллер направляет энергию АКБ на питание потребителей. Для преобразования постоянного тока в переменный подключается простой инвертор.

Работа ИБП Off-Line при аварийном отключении электропитания компьютера

Преимущества UPS Standby

Источники бесперебойного питания схемы Off-Line обладают высоким КПД, при поданном на них напряжении, тихо работают, мало выделяют тепла и относительно дешевы.

Недостатки

UPS Standby выделяются:

  • долгим переходом на питание от аккумулятора 4÷13 мс;

  • искаженной формой выходного сигнала, выдаваемого инвертором в виде меандра, а не гармоничной синусоиды;

  • отсутствием корректировки напряжения и частоты.

Такие устройства наиболее распространены на персональных компьютерах.

ИБП интерактивной схемы

Их обозначают английским термином ««Line-Interactive». Они выполняются по предыдущей, но более усложненной схеме за счет включения стабилизатора напряжения, использующего автотрансформатор со ступенчатым регулированием.

Работа ИБП при нормальной схеме электропитания

Это обеспечивает корректировку величины выходного напряжения, но управлять частотой сигнала они не способны.

Работа ИБП при заниженном напряжении в сети
Работа ИБП при завышенном напряжении электросети

Фильтрация помех в нормальном режиме и переход на инверторное питание при авариях происходит по алгоритмам UPS Standby.

Работа ИБП при аварийной схеме электропитания компьютера

Добавлением стабилизатора напряжения различных моделей с методиками управления им позволило создавать инверторы с формой сигнала не только меандра, но и синусоиды. Однако, небольшое количество ступеней регулирования на основе релейных переключений не позволяет реализовать функции полной стабилизации.

Особенно это характерно для дешевых моделей, которые при переходе на питание от аккумулятора не только завышают частоту выше номинальной, но и искажают форму синусоиды. Помехи вносит встроенный трансформатор, в сердечнике которого происходят процессы гистерезиса.

В дорогих моделях работают инверторы на полупроводниковых ключах. UPS Line-Interactive имеют большее быстродействие при переходе на питание от АКБ, чем у ИБП Off-Line. Оно обеспечивается работой алгоритмов синхронизации между входящим напряжением с выдаваемыми сигналами. Но при этом происходит некоторое занижение КПД.

ИБП Line-Interactive нельзя использовать для питания асинхронных двигателей, которые массово установлены на всей бытовой технике, включая системы отопления. Их используют для работы устройств с импульсными блоками, где питание фильтруется и выпрямляется одновременно: компьютеров и бытовой электроники.

ИБП двойного преобразования

Эта схема UPS получила название по английскому словосочетанию On-line» и работает на оборудовании, требующем высококачественного питания. В ней производится двойная конверсия электроэнергии, когда синусоидальные гармоники переменного тока постоянно преобразуются выпрямителем в постоянную величину, пропускаемую через инвертор для создания повторной синусоиды на выходе.

Здесь АКБ постоянно подключен в схему, что исключает необходимость его коммутаций. Этим способом практически исключается период подготовки источника бесперебойного питания на переключения.

Работу ИБП On-line по состоянию аккумулятора можно разделить на три этапа:

  1. стадия заряда;

  2. состояние ожидания;

  3. разряд на работу компьютера.

Период заряда

Цепи входа и выхода синусоиды разорваны внутренним переключателем UPS.

Работа при разряженном АКБ

Подключенный к выпрямителю аккумулятор получает энергию заряда до тех пор, пока его емкость не восстановится до оптимальных значений.

Период готовности

После окончания заряда АКБ автоматика источника бесперебойного питания замыкает внутренний переключатель.

Работа ИБП при заряженном АКБ

Аккумулятор поддерживает состояние готовности к работе в буферном режиме.

Период разряда

Работа ИБП при разряде АКБ

АКБ автоматически переводится на питание компьютерной станции.

У источников бесперебойного питания, работающих по методике двойного преобразования электроэнергии, КПД в режиме питания от линии ниже, чем у других моделей из-за расхода энергии на выделение тепла и шума. Но в сложных конструкциях применяются методики, позволяющие увеличить КПД.

UPS On-line споосбны выправлять не только величину напряжения, но и его частоту колебаний. Это выгодно отличает их от предыдущих моделей и позволяет использовать для питания различных сложных устройств с асинхронными двигателями. Однако, стоимость таких устройств значительно выше предыдущих моделей.

Состав ИБП

В зависимости от вида рабочей схемы в комплект источника бесперебойного питания входят:

  • аккумуляторы для накопления электроэнергии;

  • зарядное устройство, обеспечивающее поддержание работоспособности АКБ;

  • инвертор для формирования синусоиды,

  • схема управления процессами;

  • программное обеспечение.

Для удаленного доступа к устройству может использоваться локальная сеть, а повысить надежность схемы можно за счет ее резервирования.

В отдельных источниках бесперебойного питания используется режим «Байпас», когда нагрузка запитывается отфильтрованным напряжением сети без работы основной схемы устройства.

Часть UPS имеет ступенчатый регулятор напряжения «Бустер», управляемый от автоматики.

В зависимости от необходимости выполнять сложные технические решения источники бесперебойного питания могут оснащаться еще дополнительными специальными функциями. 

Читайте также по этой теме: Как выбрать ИБП для котла

 

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрические приборы и устройства

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика 



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Источник бесперебойного питания для вашего компьютера
  • Как выбрать источник бесперебойного питания (ИБП) для компьютера
  • Мощный источник бесперебойного питания своими руками
  • Источники бесперебойного питания для насосов
  • Как выбрать ИБП для котла
  • Система резервного питания для дома - особенности устройства и эксплуатации
  • Инверторы CyberPower
  • Инвертор для домашней солнечной электростанции
  • Как организовать автономное электроснабжение квартиры
  • Как заменить аккумуляторные батареи в источнике бесперебойного питания (ИБП ...
  • Категория: Электрические приборы и устройства

    Аккумулирование энергии, Электрические схемы, Бесперебойное питание, Инвертор, Трансформаторы, Стабилизатор переменного напряжения, Автоматика регулирования

      Комментарии:

    #1 написал: Артем |

    Как я понял из статьи источник бесперебойного питания (ИБП) и инвертор это одно и тоже. Почему-то раньше думал, что это разные приборы - ИБП больше для промышленности, а инверторы для быта.

      Комментарии:

    #2 написал: Михаил |

    Приятно читать, честное слово.  Изложено понятно, есть нужные иллюстрации (во многих случаях они отсутствуют, и неподготовленному читателю трудно разбираться в тонкостях. Кстати. в вашем случае иллюстрации еще интеречнее и функциональнее. С проблемой написания материала об ИБП столкнулись сами. Наша компания производит мини АТС и другое телекоммуникационное оборудование и занимается созданием решений для предприятий и организаций (самых разных: от бюджетных и коммерческих до специальных систем связи). И вот на что обратили внимание: если заказчики еще понимают, что такое мини АТС, то когда речь заходит о другом оборудовании. которое необходимо для устойчивой и надежной работы - тут начинается: "а надо ли? А можно сэкономить?" и т.д. Поэтому пришлось писать отдельный материал ( у вас получилось лучше, это точно), а также посвятить часть рубрики FAQ на сайте www.multicom.ru именно вопросам использования и правильной эксплуатации ИБП в телефонии. Большое спасибо за материал. будем у вас учиться делать качественные статьи.

      Комментарии:

    #3 написал: Сергей |

    Посмотрите рисунки БИП 1-го типа. Это "off-line", а не "on-line"!

      Комментарии:

    #4 написал: Василий |

    Аккумулятор гелиевый невозможен. Гелий - инертный газ. Неизвестно ни одно химическое соединение ГЕЛИЯ. Гелевые (желе) аккумуляторы содержат электролит в виде вязкой массы. 

      Комментарии:

    #5 написал: Макар |

    ИБП – это устройство, которое в своем базовом варианте может преодолеть кратковременное отключение электроэнергии и в случае длительного отключения электроэнергии затем обеспечить необходимое время для перехода на резервные источники питания. Более сложные ИБП также могут помочь в устранении некоторых других аномалий, которые могут возникнуть в электросети. Большой интерес положил начало огромному буму в производстве этих устройств, что привело к появлению широкого спектра моделей. И поэтому номенклатура предлагаемых продуктов развивалась случайным спонтанным и даже коммерчески ущербным образом по отношению к пользователю. ИБП появились на рынке в семидесятые годы в основном из-за необходимости непрерывного и качественного питания больших компьютеров. Позже их разработки адаптировались к более многочисленным и разнообразным высоким нагрузкам, связанным со взрывом цифровых технологий. Поэтому ИБП пришлось адаптироваться к требованиям приложений, развертывая в среде мини- и более поздних микрокомпьютеров, промышленных процессов, в безопасности контрольно-измерительных приборов и, конечно же, в телекоммуникациях. Усилия по адаптации к потребностям такого быстро развивающегося рынка привели к применению различных технических инноваций и расширению ассортимента исполнения. В семидесятые годы широко использовался термин «UPS online». Обозначение «онлайн», что буквально означает «в сети», не является лаконичным для данной архитектуры. Нагрузка питается от инвертора, а не непосредственно от сети. Но это название довольно быстро прижилось для обозначения ИБП, нагрузка на которые постоянно питается от инвертора, последовательно подключенного к сети. Это касалось головки ИБП большой мощности (10 кВ· A). В восьмидесятые годы, помимо возрастающего разнообразия нагрузок и выступлений, появились ресурсы «UPS offline», в отличие от онлайн. Он работает не все время, а только тогда, когда параметры сети выходят за рамки допусков. Архитектура дополнена фильтрами, функция которых четко не определена, так как их неправильно понимают как регуляторы напряжения. Фактически, нагрузка питается непосредственно от сети, в то время как инвертор работает только в случаях сбоя сетевого питания. Затем была разработана другая архитектура. Термин «линейный интерактивный» использовался для ИБП со встроенными реверсивными инверторами. На практике предпринимаются попытки охарактеризовать типы ИБП другими способами – скорее описывая их рекомендуемое развертывание.

      Комментарии:

    #6 написал: Сергей Сергеевич |

    В состав ИБП входит инвертор, который в случае сбоя питания подает электроэнергию от собственной батареи в течение ограниченного времени. 

      Комментарии:

    #7 написал: andy123456 |

    ИБП, источник бесперебойного питания. Да, это резервный источник. Он незаменим в непрерывных операциях, где бы ни находились жизнь, имущество или и то, и другое. Незаменим он и дома, если вы работаете за ПК. Технологии, которые мы уже широко используем дома, чувствительны к колебаниям и перебоям в подаче электроэнергии. И данные обычно не резервируются постоянно. ИБП предназначен для того, чтобы дать вам время для сохранения данных и выключения ПК в случае сбоя питания. Вы всегда оцените, когда напряжение «колеблется» или неожиданно пропадает. Все, что вы подключили к ИБП, будет работать без перерыва. Поэтому не нужно беспокоиться о повреждении оборудования или потере данных. Сегодня есть небольшие, тихие, удобные, а также доступные устройства, подходящие для дома, домашнего офиса, а также для обычных небольших офисов. История резервных источников восходит ко временам Второй мировой войны, когда военным инженерам нужно было решить вопрос бесперебойного питания радаров и аппаратуры связи. На рубеже 1980-х и 1990-х годов рядовым пользователям ПК постепенно стали доступны резервные источники питания. Каждый ИБП должен: защитить данные, защищать от перегрузки, перенапряжения, перепадов напряжения и короткого замыкания.

      Комментарии:

    #8 написал: Михаил |

    Источник бесперебойного питания (ИБП) – это электронное устройство, которое используется для обеспечения непрерывного питания электрооборудования в случае отключения электроэнергии из сети или сбоя в качестве сетевого напряжения. Они используются в качестве резервного источника питания для компьютеров, серверов, медицинского оборудования, систем безопасности и других электронных устройств, требующих непрерывного электропитания.

    ИБП состоит из двух основных блоков: преобразователь постоянного тока и инвертор переменного тока. Входное напряжение переменного тока, поступающее с сети, проходит через преобразователь постоянного тока, который выполняет роль зарядного устройства для внутреннего аккумулятора. Преобразователь постоянного тока преобразует переменное напряжение в постоянное, которое затем заряжает внутренний аккумулятор ИБП.

    Когда сеть отключается, ИБП использует энергию, накопленную в аккумуляторе, для поддержания электропитания. В этот момент инвертор преобразует энергию постоянного тока обратно в переменный ток, который может быть использован для питания подключенных к ИБП устройств.

    Кроме того, ИБП обычно имеют защитные функции, такие как регулирование напряжения, фильтрацию шума и перенапряжений, а также защиту от короткого замыкания. Некоторые ИБП также имеют возможность подключения к сети через интерфейсы, такие как Ethernet или RS-232, чтобы позволить мониторинг состояния ИБП и его батарей из удаленного места.

    Программирование ИБП может позволить определенной гибкости в управлении резервным питанием. Например, можно настроить ИБП для автоматического отключения питания определенных устройств при уходе в режим ожидания. Также можно настроить ИБП для оповещения пользователя о состоянии его батареи, позволяя ему принимать решения о сохранении энергии и сохранении рабочей мощности.

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.