Основные типы ИБП по принципу их построения, степени защиты оборудования и сферам применения

ИБП расшифровывается как «источник бесперебойного питания». Аббревиатура на английском — UPS (Uninterruptible Power Supply), поэтому распространены также названия УПС, ЮПС, упсник.

Основная функция источника бесперебойного питания — обеспечить подачу электроэнергии на подключенную к нему технику на время отключений в основной сети. Но, в зависимости от типа оборудования, параметры такого автономного питания могут требоваться кардинально разные. Соответственно, рынок ИБП предлагает разные типы устройств, которые отличаются массой параметров:

• принципом работы: оффлайновые, линейно-интерактивные, онлайновые;
• типом автоматической регулировки напряжения;
• качеством фильтрации помех сети;
• емкостью (количество ампер-часов, или другими словами – на какое время автономной работы его хватит);
• временем переключения на батареи при отключении электроэнергии;
• возможностью подключения дополнительных внешних батарей;
• различными дополнительными функциями (фильтрующие розетки, розетки для телефонного и сетевого кабеля, LCD-дисплей, синхронизация с ПК) и т. д.

Как выбрать ИБП при таком многообразии моделей? Как понять, чем они отличаются? В этой статье мы рассмотрим основные типы источников бесперебойного питания, их отличия, и какими дополнительными функциями производители оснащают ИБП. В следующей — как подобрать UPS в зависимости от особенностей вашего оборудования, как рассчитать его необходимую мощность и т. д.

• Три основные типа ИБП:
• Off-line (Back-UPS, резервный, Standby) источник бесперебойного питания.
• Линейно-интерактивные ИБП.
• ИБП двойного преобразования (on-line).

• Синхронизация с ПК.
• Холодный старт.
• Розетки Schuko.
• Розетки для фильтрации помех, телефонной линии, витой пары.

Резервные ИБП (off-line, standby, back ups)

Принцип действия

Если внешняя сеть работает в штатном режиме, то ИБП питает нагрузку напрямую от входа и работает аналогично сетевому фильтру. В случае отклонения напряжения от допустимых пределов или при его полном отключении, резервный ИБП автоматически переключает нагрузку на аккумуляторные батареи (питание в таком режиме осуществляется через инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный). Обратное переключение выполняется также автоматически и производится после возвращения сетевого напряжения к норме.

Преимущества и недостатки

В настоящее время к весомым преимуществам off-line ИБП можно отнести только невысокую стоимость.

Недостатками резервных ИБП являются:

• перерыв в электропитании, возникающий при переключении нагрузки на АБ и обратно (составляет минимум 5 мс);
• отсутствие стабилизации напряжения и коррекции частоты при работе от электросети;
• переход на АБ даже при небольших сетевых скачках, приводящий, в условиях отечественной энергосистемы, к быстрому износу аккумуляторов;
• несинусоидальность выходного напряжения при работе в автономном режиме (аппроксимированная синусоида, иногда называемая или «квази-синусоидой»);
• низкий уровень защиты от высоковольтных вбросов и электромагнитных помех.

Применение

Вышеназванные недостатки сужают область применения резервных ИБП. Данные приборы подходят для эксплуатации только в условиях стабильной электросети и только с оборудованием, способным функционировать при низком качестве питающего напряжения. Оff-line ИБП не стоит применять для защиты современной микропроцессорной техники или устройств, содержащих асинхронные и инверторные двигатели – насосы, холодильники, стиральные машины, кондиционеры, котлы систем отопления и т.д.

Источник бесперебойного питания(ИБП), или Uninterruptible Power Supply (UPS) прибор, основная функция которого бесперебойное снабжение электроэнергией.

Принцип работы всех ИБП основан на поддержании нагрузки от аккумуляторов во время пропадания напряжения в сети 220В(380В).

Существует множество разновидностей ИБП под разные цели и задачи, с дополнительными опциями и возможностями, но всего три основных типа ИБП:

• Pезервный (Back UPS, Standby, offline)
• Линейно-интерактивный (line-interactive, smart UPS)
• Двойного преобразования (online UPS, double conversion UPS, real time UPS)

Также ИБП могут отличаться:

• Формой выходного сигнала
• Мощностью
• Временем переключения на батареи
• Количеством фаз (1фаза или 3 фазы) на входе и на выходе
• Наличием встроенных или с внешними батареями (блоками батарей)
• Для ИБП со встроенными батареями возможностью подключения дополнительных внешних батарейных блоков
• Возможностью синхронизации с компьютером (USB, RS-232 интерфейсы)
• Поддержкой сетевых карт для удаленного управления (SNMP, ModBUS, «сухие котакты»)
• Наличием электронного или механического байпаса
• ЖК-экраном
• Выходными розетками: компьютерные С14 или евророзетки (schuco)
• Работой в параллели
• Модульной структурой
• Наличием холодного старта
• Диапазоном рабочего напряжения без перехода на батареи
• Конструкцией напольная, для монтажа в стойку, настенная

И еще массой параметров: наличием грозозащиты, защиты телефонной линии, витой пары, изолирующим трансофрматором, размером, цветом, материалом корпуса, ценой и т.д

Как разобраться? Мы поможем.

Итак, три основных типа ИБП.

Тип 1 — Pезервный (Back UPS, Standby, offline)

Принцип действия standby UPS (буквально находящийся в режиме ожидания) прост: при наличии напряжения в сети через систему фильтров (или без них) подает «розеточный» ток напрямую на выходы. Параллельно поддерживает заряд АКБ.

При пропадании напряжения или выходе его за пределы «нормального» диапазона переключается на работу от батарей.

Переключение происходит при помощи реле, при этом время срабатывания реле составляет 3-15 миллисекунд. При этом происходит искажение сигнала, сопровождаемое кратковременным всплеском напряжения. Для некоторых устройств такое время переключения недопустимо.

Постоянный ток с батареи преобразуется в переменный инвертором, как правило, простым. Поэтому вместо синусоидального сигнала на выход ИБП при работе от батарей подается подобие синусоиды, называемое меандром. В лучшем случае синусоида аппроксимированная или модифицированная, т.е. не совсем квадратная, а состоящая из более мелких квадратов. Чем мельче квадрат, тем ближе к идеальной синусоиде.

Плюсы оффлайновых ИБП:

• Низкая цена
• Бесшумность при работе от сети
• Простота
• Высокий КПД
• Минимальный уход

Минусы:

• Время переключения на батарею
• Модифицированная синусоида
• Слабая защита от помех и шумов в сети
• Отсутствие регулировки частоты и напряжения

Большинство моделей имеют небольшую мощность (до 1500ВА) и короткое время работы от батарей (до 5-8 минут при полной нагрузке) и предназначены для питания компьютеров и рабочих станций, а также маломощных устройств с импульсными блоками питания, для которых форма сигнала при работе от батарей не критична.

Нежелательно использовать Back UPS устройства для защиты оборудования с трансформаторными блоками питания и электродвигателей. Долгая работа таких устройств от ступенчатой синусоиды ведет к перегреву катушек.

Тип 2: Линейно-интерактивный (line-interactive, smart UPS)

Основным отличием топологии line-interactive от back UPS принято считать наличие AVR (automatic voltage regulator) автоматического регулятора напряжения, или, другими словами, простенького ступенчатого стабилизатора. Принцип его работы прост: AVR имеет несколько фиксированных ступеней регулировки (например, +-30Вольт), как правило, не более двух ступеней на понижение и трех на повышение напряжения.

Пример: При понижении напряжения в сети до определенного значения (например, 175В) AVR включает одну ступень +30В. Т.е. на выходе ИБП напряжение становится 205В. И наоборот, при повышенном напряжении 260В включается регулировка -30В и на выходе ИБП напряжение 230В. Для работы большинства приборов достаточно.

При выходе сетевого напряжения за пределы значений работы AVR и в случае полного пропадания сети ИБП переключается на батареи через реле, как и у резервных ИБП.

Если еще 10-15 лет назад можно было четко различить оффлайновый и линейно-интерактивный источники питания, то сейчас грань между этими видами ИБП постепенно стирается. Новые Back UPSы обзаводятся простейшими AVR и теперь гордо именуются линейно-интерактивными, при этом выдавая грубейшую ступенчатую синусоиду и отключаясь по таймеру(а не по возможности аккумулятора) для защиты от перегрева.

Более продвинутые модели имеют инвертор с синусоидальной формой выходного напряжения, микропроцессорное управление (для таких моделей обычно в название добавляется слово «SMART»(умный)) по аналогии с линейкой SmartUPS крупнейшего в мире производителя ИБП APC (American Power Conversion). Смарты уже имеют расширенный функционал настроек и возможностей, таких как изменение параметров перехода на батареи, поддержки сетевых карт, кнопок аварийного отключения (EPO), замены батарей без отключения нагрузки и даже отключения нагрузки по приоритету при долгом отсутствии напряжения в сети.

Пример: самые продвинутые ИБП могут отключать розетки раздельно. Через минуту(можно регулировать) отсутствия напряжения отключат утюг и чайник, через две минуты основное освещение и, в последнюю очередь, видеонаблюдение, аварийное освещение и главный сервер). Ну, или, по желанию, в обратном порядке.

Плюсы линейно-интерактивных ИБП:

• Синусоида на выходе для старших моделей
• Больший диапазон мощностей ( до 5кВА)
• Регулировка напряжения без перехода на батареи
• Бесшумная работа от сети
• Низкое потребление энергии на собственные нужды
• Минимальный уход
• Высокий коэффициент мощности ВА/Вт до 0.9 для старших моделей

Недостатки:

• Время переключения на батареи
• Невозможность полной фильтрации напряжения от низкочастотных помех и шумов
• Отсутствие плавной стабилизации напряжения
• Ограниченная мощность (до 5000ВА)

Применяется во всех областях, где необходимо качественное электропитание: от компьютеров, кассовых узлов, до мощных серверов, систем управления зданиями.

Тип 3: ИБП Двойного преобразования (online UPS, double conversion UPS, real time UPS)

Данный тип ИБП принципиально отличается от двух предыдущих типов. Если линейно-интерактивные и резервные ИБП при нормальных условиях просто пропускают сетевое электричество через себя, как провод, а инвертор работает только в моменты работы от батарей, то инвертор онлайн ИБП работает постоянно.

Переменный ток(220В, 380В) на входе преобразуется выпрямителем в постоянный (DC), а затем инвертор преобразует постоянный ток в переменный и подает его на выход. То есть входящий и исходящий ток никак между собой не связаны. Из этого вытекают все преимущества данного типа ИБП никакие помехи, всплески, искажения сигнала не отражаются на нагрузке. Какие бы ни были проблемы с электричеством в сети (повышенное, пониженное напряжение, искажение формы сигнала, изменение частоты Гц, шумы, всплески), на выходе стабильная ровная синусоида. Аккумуляторы ИБП также всегда подключены в схему работы и при пропадании напряжения в сети и, соответственно, на выпрямителе, выдают постоянный ток на инвертор. За счет разницы потенциалов времени переключения на АКБ нет, оно равно нулю.

Онлайн бесперебойники имеют постоянную фазировку (т.н. сквозная нейтраль) на выходе. Все эти преимущества позволяют использовать онлайн ИБП для защиты, в качестве фильтра и стабилизатора совместно с высокочувствительным и требовательным оборудованием практически во всех сферах деятельности(газовые котлы, медицинская и измерительная аппаратура, hi-fi, hi-end аппаратура) . Такие ИБП рекомендуются к установке после бензиновых, дизельных или газовых генераторов. Пока генератор заводится и выходит на заданную мощность, напряжение поддерживает ИБП. После включения в работу генератора ИБП заряжает АКБ и исправляет не всегда идеальное напряжение от генератора.

Пример: в Hi-Fi и Hi-End аппаратуре, какое бы ни было чистое и ровное напряжение в сети, колонки выдают легкое шипение. При подключении оборудования через online UPS шипение пропадает.

Из-за постоянной работы выпрямителя и инвертора в ИБП двойного преобразования требуется постоянное охлаждение. Поэтому такие устройства обязательно оснащены вентиляторами, которые работают во всех режимах работы (от сети, от батарей). Соответственно, всегда присутствует шум, что ограничивает комфортное использование таких ИБП в жилых помещениях. Также, при постоянной работе вентиляторов в пыльном помещении внутрь корпуса забивается пыль, которая препятствует отведению тепла. Требуется регулярная чистка устройства и контроль исправности вентиляторов со своевременной их заменой. Пренебрежение обслуживанием приводит к перегреву постоянно работающих узлов и к ускоренному выходу из строя как инвертора, так и аккумуляторов (АКБ плохо переносят работу в условиях повышенных температур).

Технология двойного преобразования, в отличие от линейно-интерактивных и резервных ИБП, не имеет ограничения по мощности. Сейчас выпускаются ИБП мощностью от 700ВА до параллельных систем в несколько мегаватт.

Преимущества онлайн ИБП:

• Отсутствует время переключения на батареи
• Защита нагрузки от любых проблем сети (частота, шумы, всплески и провалы напряжения)
• Сквозная нейтраль
• Высокий коэффициент мощности ВА/Вт до 1 (т.е. 1000ВА равно 1000Вт)
• Широкий диапазон работы от сети ( от 100 до 350 В)

Недостатки:

• Высокая стоимость
• Шумность в любых режимах работы
• Необходимость частого и регулярного контроля и обслуживания
• Низкий КПД (даже в холостом режиме существенное потребление энергии)

Применение: мощностью до 5кВА для требовательных к времени переключения на батареи, частоте, форме синусоиды, помехам, отклонениям напряжения, сквозной нейтрали устройств. Выше 5кВА для всех устройств, требующих бесперебойной работы, т.к. на высокой мощности альтернатив онлайн ИБП нет.

Линейно-интерактивные ИБП (line-interactive)

Принцип действия

Аналогичен предыдущему варианту, за исключением того, что схема устройства дополнена входным регулятором напряжения. ИБП данного типа подразделяются на устройства с аппроксимированной синусоидой и полностью синусоидальным выходным напряжением.

Преимущества и недостатки

Преимущества линейно-интерактивных ИБП перед резервными:

• возможность нейтрализации сетевых колебаний (но не максимальной амплитуды!) без задействия АБ;
• сокращенное время переключения в автономный режим (за счёт синхронизации инвертора и входной сети).

Недостатками линейно-интерактивных ИБП являются:

• ступенчатое регулирование напряжения, приводящее к сильным искажениям выходного сигнала;
• перерыв в электропитании нагрузки при переходе на аккумуляторы (длительность переключения короче, чем у резервного ИБП, но ненулевая!);
• отсутствие коррекции формы входного напряжения и входной частоты в режиме работы от электросети, неполная фильтрация сетевых помех;
• большинство моделей не формируют идеальную синусоиду выходного напряжения в автономном режиме работы.

Применение

Далеко не всё электрооборудование будет успешно работать с линейно-интерактивными ИБП. Качество их выходного напряжения может просто не удовлетворить строгим требованиям современных потребителей электроэнергии как в бытовом, так и в промышленном секторе. В частности, линейно-интерактивный ИБП является не лучшим вариантом для котла отопительной системы, IT-аппаратуры и тем более для помеховосприимчивой научной, лабораторной и медицинской техники.

Кроме того, линейно-интерактивные ИБП не обеспечивают электропитание, полностью независимое от состояния внешней энергосистемы, что сохраняет риск повреждения нагрузки в результате, например, резкого сетевого перепада.

Сравнительная таблица

Место в рейтинге/Название Оценка экспертов Диапазон цен, руб.

* цены актуальны на январь 2022 года

Во время подбора моделей мы рассматривали не только технические характеристики девайсов, но также рассматривали отзывы тех пользователей, которые уже приобрели себе конкретный ИБП. Поэтому обзор получился максимально полным.

Онлайн ИБП (on-line, ИБП с двойным преобразованием энергии)

Принцип действия

Устройство выполняет двойное преобразование поступающего из сети напряжения. Сначала из переменного в постоянное, а затем обратно – из постоянного в переменное. В силовой цепи on-line ИБП аккумуляторы занимают промежуточное положение между непрерывно функционирующими выпрямителем и инвертором (батареи соединены с выходом первого и входом второго). Такая схема позволяет избежать задержек при переходе в автономный режим, так как инвертор подключен к АБ постоянно и каких-либо дополнительных коммутаций, в случае проблем с внешней электросетью, не требуется.

Преимущества и недостатки

Преимущества онлайн ИБП:

• мгновенный переключение на питание от батарей (без перерыва электроснабжении нагрузки);
• синусоидальная форма и максимально точное значение выходного напряжения (обеспечиваются как при работе от сети, так и от батарей);
• широкая амплитуда сетевых колебаний, нейтрализуемых без перехода в автономный режим;
• максимальная защита нагрузки (двойное преобразование энергии гасит все негативные входные воздействия и гарантирует полную независимость выходных характеристик ИБП от состояния внешней электросети);
• отсутствие влияние подключенного оборудования на основную электросеть.

Недостатки онлайн ИБП:

• более высокая, по сравнению с приборами других категорий, стоимость;
• низкий КПД (80-90%) у некоторых устаревших устройств (стоит отметить, что современные алгоритмы управления двойным преобразованием энергии, применяемые ведущими производителями on-line ИБП, позволяют значительно повысить КПД и довести его в ряде рабочих режимов до 99%).

Оффлайн ИБП

Оффлайн ИБП (off-line, Standby, back ups или резервные) — это тип источника бесперебойного питания, принцип действия которого заключается в переключении оборудования на резервный аккумулятор (является составной частью ИБП) при возникновении сбоев в питании.

Применение: для защиты на короткий период домашних ПК, офисного компьютерного оборудования.

Схема ИБП с технологией оффлайн