Схемы построения ИБП

Существует три схемы построения ИБП:

Резервная

Резервная схема (англ. Off-Line, Standby) — в нормальном режиме питание подключенной нагрузки осуществляется напрямую от первичной электрической сети, которое ИБП фильтрует (высоковольтные импульсы и электромагнитные помехи) пассивными фильтрами. При выходе электропитания за нормированные значения напряжения (или его пропадании) нагрузка автоматически переподключается к питанию от схемы, получающей электрическую энергию от собственных аккумуляторов с помощью простого инвертора. При появлении напряжения в пределах нормы снова переключает нагрузку на питание от первичной сети.

Достоинства
За счёт КПД около 99 % (при наличии напряжения сети) практически бесшумны и имеют минимальное тепловыделение;
невысокая стоимость ИБП в целом.
Недостатки
относительно долгое время (порядка 4..12 мс) переключения на питание от батарей;
невозможность корректировать ни напряжение, ни частоту (VFD по классификации МЭК).
несинусоидальная форма выходного напряжения при работе от батареи (аппроксимированная синусоида, квази-синусоида);

Итог: Чаще всего ИБП, построенные по такой схеме, используется для питания персональных компьютеров или рабочих станций локальных сетей начального уровня, для которых не критично своевременное отключение в случае неполадки в сети. Практически все недорогие маломощные ИБП, предлагаемые на отечественном рынке, построены по данной схеме.

Интерактивная

Интерактивная схема (англ. Line-Interactive) — устройство аналогично предыдущей схеме; дополнительно на входе присутствует ступенчатый стабилизатор напряжения на основе автотрансформатора, позволяя получить регулируемое выходное напряжение. (VI по классификации МЭК). При работе в нормальном режиме такие ИБП не корректируют частоту, пассивные фильтры фильтруют входящее переменное напряжение. При пропадании напряжения ИБП переходит на питание от инвертора, аналогично предыдущему.

Инверторы некоторых моделей линейно-интерактивных ИБП выдают напряжение как прямоугольной или трапецеидальной формы, как у предыдущего варианта, так и синусоидальной формы. Время переключения меньше, чем в предыдущем варианте, так как осуществляется синхронизация инвертора с входным напряжением. КПД ниже, чем у резервных.

Недостатки: в режиме «от сети» не выполняет функцию фильтрации пиков, и обеспечивает только крайне примитивную стабилизацию напряжения (обычно 2—3 ступени автотрансформатора, переключаемые релейно, функция называется «AVR»).

В режиме «от батарей» некоторые, особенно дешёвые, схемы выдают на нагрузку частоту куда выше 50 Гц, и осциллограмму переменного тока, имеющую мало общего с синусоидой. Это связано с применением классического трансформатора крупного размера в схеме (вместо инвертора на полупроводниковых ключах). В связи с тем, что трансформатор данного габарита имеет (в связи с возникновением гистерезиса в сердечнике) ограничение на передаваемую мощность, которое линейно растет с частотой, данного трансформатора (занимает 1/3 объёма всего ИБП) хватает для питания цепи зарядки батарей на 50 Гц в режиме «от сети». Но, в режиме «от батарей», через этот трансформатор нужно пропустить уже сотни ватт мощности, что возможно только путём повышения частоты.

Это приводит к невозможности питания приборов, использующих, например, асинхронные двигатели (почти вся т. н. «белая техника», включая отопительные системы).

По сути, от такого ИБП можно питать только приборы, нетребовательные к качеству питания, то есть, например, все приборы с импульсными БП, где питающее напряжение немедленно выпрямляется и фильтруется. То есть компьютеры и значительная часть современной бытовой электроники. Также можно питать осветительные и обогревательные приборы.

Двойное преобразование

Режим двойного преобразования (англ. online, double-conversion, онлайн) — используется для питания нагруженных серверов (например, файловых), высокопроизводительныхрабочих станций локальных вычислительных сетей, а также любого другого оборудования, предъявляющего повышенные требования к качеству сетевого электропитания. Принцип работы состоит в двойном преобразовании (double conversion) рода тока. Сначала входной переменный ток преобразуется в постоянный, затем обратно в переменный ток с помощью обратного преобразователя (инвертора). При пропадании входного напряжения переключение нагрузки на питание от аккумуляторов не требуется, поскольку аккумуляторы включены в цепь постоянно (т. н. буферный режим работы аккумулятора) и для этих ИБП параметр «время переключения» не имеет смысла. В маркетинговых целях может использоваться фраза «время переключения равно 0», правильно отражающая основное преимущество данного вида ИБП: отсутствие промежутка времени между пропаданием внешнего напряжения и началом питания от батарей. ИБП двойного преобразования имеют невысокий КПД (от 80 до 96,5 %) в режиме on-line, из-за чего отличаются повышенным тепловыделением и уровнем шума. Однако у современных ИБП средних и высоких мощностей ведущих производителей предусмотрены разнообразные интеллектуальные режимы, позволяющие автоматически подстраивать режим работы для повышения КПД вплоть до 99 %. В отличие от двух предыдущих схем, способны корректировать не только напряжение, но и частоту (VFI по классификации МЭК).

Достоинства
отсутствие времени переключения на питание от батарей;
синусоидальная форма выходного напряжения, то есть возможность питать любую нагрузку, в том числе отопительные системы (в которых есть асинхронные двигатели).
возможность корректировать и напряжение, и частоту (более того, такой прибор одновременно является и самым лучшим из возможных стабилизаторов напряжения).
Недостатки
Низкий КПД (80—94 %), повышенная шумность и тепловыделение. Практически всегда прибор содержит вентилятор компьютерного типа, и потому не бесшумен (в отличие от line-interactive ИБП).
Высокая стоимость. Примерно вдвое-втрое выше, чем line-interactive.
„Резервная“ схема построения ИБП

„Интерактивная“ схема построения ИБП

Схема построения ИБП с двойным преобразованием

Характеристики ИБП

выходная мощность, измеряемая в вольт-амперах (VA) или ваттах (W). Стоит обратить внимание, что оборудование, содержащее мощные электродвигатели (холодильник, погружные насосы автономных водопроводов и систем полива), имеет «пусковые токи». Это означает, что в момент пуска двигателя устройство кратковременно потребляет мощность, в 5—7 раз превышающую паспортную. ИБП должен выбираться с учётом этого факта. То же касается и лазерных принтеров, которые обычно вообще запрещают подключать к ИБП;
выходное напряжение, измеряется в вольтах, V;
время переключения, то есть время перехода ИБП на питание от аккумуляторов (измеряется в миллисекундах, ms);
время автономной работы, определяется ёмкостью батарей и мощностью подключённого к ИБП оборудования (измеряется в минутах, мин.), у большинства офисных ИБП оно равняется 4—15 минутам; (обычно 40—45 минут при свежих батареях и ненагруженном компьютере).
ширина диапазона входного (сетевого) напряжения, при котором ИБП в состоянии стабилизировать питание без перехода на аккумуляторные батареи (измеряется в вольтах, V);
срок службы аккумуляторных батарей (измеряется годами, обычно свинцовые аккумуляторные батареи значительно теряют свою ёмкость уже через 2—3 года. Сильно зависит от качества, а значит, и цены ИБП, конкретно от степени примитивности его цепи зарядки батареи).
сквозной ноль. См. ниже.

Сквозной "ноль"

Некоторые виды нагрузок используют провод защитного заземления (PE) для своих рабочих нужд.

Например, таково оборудование с газовыми горелками, где цепь ионизационного электрода контроля пламени замыкается через «массу» горелки и далее через провод PE. Существующие нормативные акты по устройству электроустановок позволяют такие крошечные (микроамперы) рабочие токи через PE.

Это не является проблемой при питании от сети, как сети TN-C-S, так и сети TT, поскольку в обеих из них PE рано или поздно сообщается с N — через точку деления в TN-C-S или же через физическую землю от потребителя до трансформаторной станции с заземленной нейтралью в случае ТТ, кроме того, в сети ТТ вполне возможны и повторные заземления N на пути от ТП до потребителя. В этом случае вышеописанные цепи в приборе, подключенные между L и PE, работоспособны.

Однако же в случае, когда прибор питается от абсолютно изолированного и не заземленного источника (в данном случае от ИБП, работающего от батарей), где зачастую вообще нет понятий «фаза» и «ноль», а есть 2 синуса по 110В в противофазе (это так называемая «система IT»), у вышеописанных цепей возникает проблема из-за отсутствия какого-либо сообщения PE и питания на стороне источника (PE может по-прежнему использоваться на источнике для защитного заземления корпуса, экранов и т.д.).

На практике это означает отсутствие сигнала «есть пламя» на автоматике отопительного котла и его неработоспособность.

Именно для поддержки таких потребителей в ИБП используется схема «сквозной ноль», то есть прямое соединение клемм N входной и выходной силовой цепи. В этом случае даже при работе от батарей есть сообщение PE и N на нагрузке (через ИБП и далее через сеть, куда подключен сам ИБП), и вышеописанная проблема не возникает.

Однако такая ситуация возникает только в случае пропадания входного напряжения на ИБП, например, из-за срабатывания «автомата» или отключения со стороны поставщика энергии.

В некоторых иных ситуациях — срабатывание УЗО, полное отключение входа ИБП от сети вилкой, «отгорание ноля» на деревенской воздушной линии — даже «сквозного ноля» в ИБП недостаточно для питания вышеописанных цепей. В этом случае рекомендуется (например, компанией Buderus для отопительных котлов, рекомендация вообще распространяется на питающие сети IT) установить резистор около 1..10 МОм (Buderus рекомендует приобрести их оригинальный резистор, его сопротивление 10 МОм) между N и PE на входе питаемого прибора (или же на выходе ИБП).