Введение

Электрическое устройство, использующее батареи для предотвращения прерывания подачи электроэнергии. Источник бесперебойного питания (ИБП) или непрерывный источник питания – это тип системы непрерывного электроснабжения, который обеспечивает автоматическое резервное электропитание нагрузки при отказе основного источника питания или сети. ИБП отличается от традиционной вспомогательной/аварийной системы электроснабжения или резервного генератора тем, что обеспечивает почти мгновенную защиту от перебоев в подаче питания, переключаясь на энергию, запасенную в аккумуляторных батареях, суперконденсаторах или маховиках. Время автономной работы большинства ИБП относительно невелико (всего несколько минут), но достаточно для получения времени, необходимого для запуска резервного источника питания или корректного отключения защищаемого оборудования. Почти все ИБП также оснащены встроенной защитой от скачков напряжения для защиты подключенных устройств. ИБП обычно используются для защиты оборудования, такого как компьютеры, центры обработки данных, телекоммуникационное оборудование или другое электрическое оборудование, где неожиданное отключение электроэнергии может привести к травмам, летальным исходам, серьезным сбоям в работе или потере данных. ИБП различаются по размеру – от моделей, предназначенных для защиты одного компьютера без видеомонитора (мощностью около 200 вольт-ампер), до крупных установок, обеспечивающих электропитание целых центров обработки данных или зданий. Крупнейший в мире ИБП, 46-мегаваттная система накопления энергии на батареях (BESS), расположенная в Фэрбенксе, Аляска, обеспечивает электроэнергией весь город и близлежащие сельские населенные пункты во время отключений электроэнергии.

В автономном режиме/в режиме ожидания

Автономный/резервный источник бесперебойного питания (ИБП) предлагает только самые базовые функции, обеспечивая защиту от скачков напряжения и резервное питание от батареи. Подключенное защищаемое оборудование обычно напрямую подключено к сети переменного тока. Когда входящее напряжение опускается ниже или поднимается выше заданного уровня, ИБП активирует внутреннюю схему инвертора DC-AC, которая питается от внутренней аккумуляторной батареи. Затем ИБП механически переключает подключенное оборудование на выход своего инвертора DC-AC. Время переключения может составлять до 25 миллисекунд, в зависимости от времени, необходимого резервному ИБП для обнаружения пропадания сетевого напряжения. ИБП разрабатывается для питания определенного оборудования, например, персонального компьютера, без каких-либо заметных провалов или понижений напряжения для этого устройства.

Линейная интерактивная

Линейно-интерактивный ИБП работает аналогично ИБП резервного типа, но с добавлением автотрансформатора с многоступенчатым регулированием напряжения. Это особый тип трансформатора, который может добавлять или вычитать обмотки, тем самым увеличивая или уменьшая магнитное поле и выходное напряжение. Это также может быть реализовано повышающе-понижающим трансформатором, который отличается от автотрансформатора, поскольку последний может быть выполнен с гальванической развязкой. Этот тип ИБП способен выдерживать непрерывные провалы и повышения напряжения без расходования ограниченного резервного заряда батареи. Вместо этого он компенсирует колебания, автоматически выбирая различные отводы на автотрансформаторе. В зависимости от конструкции, переключение отводов автотрансформатора может вызвать очень кратковременный сбой в выходной мощности, что может привести к срабатыванию звукового сигнала ("писку") на ИБП, оснащенных сигнализацией потери питания. Это стало популярным даже в самых дешевых ИБП, поскольку использует компоненты, уже присутствующие в схеме. Основной трансформатор частотой 50/60 Гц, используемый для преобразования напряжения сети и напряжения батареи, должен обеспечивать два немного отличающихся коэффициента трансформации: один для преобразования выходного напряжения батареи (обычно кратное 12 В) в сетевое напряжение, а второй – для преобразования сетевого напряжения в немного более высокое напряжение зарядки батареи (например, кратное 14 В). Разница между этими двумя напряжениями обусловлена тем, что для зарядки батареи требуется разность потенциалов (до 13–14 В для зарядки 12-вольтовой батареи). Кроме того, переключение проще реализовать на стороне сетевого напряжения трансформатора из-за меньших токов на этой стороне. Для реализации функции повышения/понижения напряжения достаточно двух отдельных переключателей, чтобы вход переменного тока подключался к одному из двух первичных отводов, а нагрузка – к другому, тем самым используя первичные обмотки основного трансформатора в качестве автотрансформатора. Батарея может продолжать заряжаться при понижении напряжения, но при повышении напряжения выходная мощность трансформатора будет недостаточной для зарядки батареи. Автотрансформаторы могут быть спроектированы для работы в широком диапазоне входных напряжений, но это требует большего количества отводов, усложняет конструкцию и увеличивает стоимость ИБП. Обычно автотрансформатор охватывает диапазон от 90 до 140 В при питании 120 В, а затем переключается на батарею, если напряжение выходит за пределы этого диапазона. В условиях низкого напряжения ИБП будет потреблять больший ток, чем обычно, поэтому может потребоваться цепь с более высоким номинальным током, чем у обычного устройства. Например, для питания устройства мощностью 1000 Вт при 120 В ИБП будет потреблять 8,33 А. Если произойдет провал напряжения и оно упадет до 100 В, ИБП будет потреблять 10 А для компенсации. Это работает и в обратном направлении: при повышенном напряжении ИБП потребуется меньший ток.

Онлайн/двойная конверсия

В онлайн-ИБП батареи всегда подключены к инвертору, поэтому переключатели передачи питания не требуются. При пропадании электропитания выпрямитель просто исключается из схемы, а батареи обеспечивают стабильное и непрерывное питание. При восстановлении электропитания выпрямитель вновь берет на себя основную нагрузку и начинает заряжать батареи, хотя ток зарядки может быть ограничен, чтобы предотвратить повреждение батарей мощным выпрямителем. Главное преимущество онлайн-ИБП – его способность создавать "электрический барьер" между входящим сетевым питанием и чувствительным электронным оборудованием. Онлайн-ИБП идеально подходит для сред, где необходима электрическая изоляция, или для оборудования, крайне чувствительного к колебаниям напряжения. Хотя ранее он применялся только в крупных установках мощностью 10 кВт и выше, благодаря технологическому прогрессу сейчас он доступен как обычное потребительское устройство мощностью 500 Вт и менее. Онлайн-ИБП может быть необходим в условиях "зашумленной" электросети, при частых провалах напряжения, отключениях и других аномалиях, для защиты чувствительных нагрузок ИТ-оборудования или при необходимости работы от резервного генератора увеличенного времени действия. Базовая технология онлайн-ИБП аналогична ИБП с резервным питанием или линейно-интерактивному ИБП. Однако он, как правило, значительно дороже из-за более мощного зарядного устройства/выпрямителя постоянного тока, а также благодаря конструкции выпрямителя и инвертора, рассчитанных на непрерывную работу с улучшенными системами охлаждения. Он называется ИБП двойного преобразования, поскольку выпрямитель напрямую питает инвертор, даже при подключении к обычной сети переменного тока. Онлайн-ИБП обычно оснащен статическим переключателем передачи (СТП) для повышения надежности.

Гибридная топология/двойная конверсия по требованию

Эти гибридные роторные ИБП не имеют официальных обозначений, хотя UTL использует название "двойное преобразование по требованию". Этот тип ИБП предназначен для применений, требующих высокой эффективности, при этом сохраняя функциональность и уровень защиты, обеспечиваемые двойным преобразованием. Гибридный ИБП (двойное преобразование по требованию) работает как ИБП в режиме ожидания, когда параметры электропитания находятся в пределах заданного диапазона. Это позволяет ИБП достигать очень высоких показателей эффективности. При отклонении параметров электропитания за пределы установленного диапазона, ИБП переключается в режим онлайн/двойного преобразования. Для маломощных устройств, работающих от 5 В, некоторые портативные аккумуляторы могут использоваться в качестве ИБП.

N + 1

В крупных бизнес-средах, где надежность имеет первостепенное значение, один большой источник бесперебойного питания (UPS) также может стать единственной точкой отказа, способной нарушить работу множества других систем. Для повышения надежности можно объединить несколько небольших модулей и батарей UPS, чтобы обеспечить резервирование питания, эквивалентное одному очень большому UPS. Конфигурация "N+1" означает, что если для питания нагрузки достаточно N модулей, в системе устанавливается N+1 модуль. Таким образом, отказ одного модуля не повлияет на работу системы.

Многократная избыточность

Многие компьютерные серверы предлагают возможность резервирования источников питания, так что в случае отказа одного из них, один или несколько других смогут обеспечить питание нагрузки. Важно отметить, что каждый источник питания должен быть способен самостоятельно питать весь сервер. Резервирование усиливается подключением каждого источника питания к отдельной электрической цепи (то есть к отдельному автоматическому выключателю). Дополнительную защиту можно обеспечить, подключив каждый источник питания к своему собственному ИБП. Это дает двойную защиту от отказа источника питания и отказа ИБП, гарантируя непрерывность работы. Такая конфигурация также называется 1+1 или 2N резервированием. Если бюджет не позволяет приобрести два идентичных ИБП, то обычно один источник питания подключают к сети, а другой – к ИБП.

Использование на открытом воздухе

Когда источник бесперебойного питания (ИБП) размещается на открытом воздухе, он должен обладать определенными характеристиками, гарантирующими его работоспособность в любых погодных условиях без снижения производительности. При разработке наружного ИБП производитель должен учитывать такие факторы, как температура, влажность, дождь и снег. Диапазон рабочих температур для наружных ИБП может составлять от −40 °C до +55 °C. Наружные ИБП могут быть установлены на столбе, на земле (на постаменте) или на хост-оборудовании. Экстремальные погодные условия могут включать сильный холод, в этом случае наружный ИБП должен быть оснащен подогревающим ковриком для аккумуляторов, или сильную жару, в этом случае наружный ИБП должен быть оснащен системой вентиляции или кондиционирования. Солнечный инвертор, или фотоэлектрический (PV) инвертор, или солнечный преобразователь, преобразует нестабильный постоянный ток (DC), генерируемый фотоэлектрической (PV) панелью, в переменный ток (AC) стандартной частоты, который может быть подан в коммерческую электросеть или использован в локальной автономной электросети. Это критически важный компонент BOS в фотоэлектрической системе, позволяющий использовать обычное электрооборудование, работающее от переменного тока. Солнечные инверторы имеют специальные функции, адаптированные для работы с фотоэлектрическими массивами, включая отслеживание точки максимальной мощности и защиту от работы в изолированном режиме.

Склонение гармонии

Выход некоторых электронных ИБП может значительно отличаться от идеальной синусоидальной формы волны. Это особенно характерно для недорогих однофазных устройств потребительского класса, предназначенных для использования в быту и офисе. В них часто применяются простые импульсные источники питания переменного тока, и выходное напряжение напоминает прямоугольную волну, богатую гармониками. Эти гармоники могут создавать помехи для других электронных устройств, включая радиосвязь, а некоторые устройства (например, индуктивные нагрузки, такие как электродвигатели переменного тока) могут работать с пониженной эффективностью или вовсе не функционировать. Более совершенные (и дорогие) ИБП способны выдавать почти чистую синусоидальную мощность переменного тока.

Аккумуляторы

Существует три основных типа батарей ИБП: свинцово-кислотные с клапанным регулированием (VRLA), батареи с залитым электролитом (Flooded Cell или VLA) и литий-ионные батареи. Время работы ИБП, работающего от батарей, зависит от типа и размера батарей, скорости разряда и эффективности инвертора. Полная емкость свинцово-кислотной батареи зависит от скорости ее разряда, что описывается законом Пейкерта. Производители указывают номинальное время работы в минутах для готовых систем ИБП. Для крупных систем (например, для центров обработки данных) требуется детальный расчет нагрузки, эффективности инвертора и характеристик батареи для обеспечения необходимой продолжительности работы.

Общие характеристики батареи и испытания нагрузки

Когда свинцово-кислотная батарея заряжается или разряжается, это первоначально влияет только на химические вещества, участвующие в реакции, которые находятся на границе между электродами и электролитом. Со временем заряд, накопленный в химических веществах на этой границе, часто называемый "поверхностным зарядом", распространяется посредством диффузии этих веществ по всему объему активного материала. Если батарея полностью разряжена (например, если оставить включенными фары автомобиля на ночь), а затем ее быстро заряжают в течение нескольких минут, то за это короткое время заряд накапливается только вблизи поверхности. Напряжение батареи может подняться почти до напряжения зарядного устройства, что приведет к значительному снижению зарядного тока. Через несколько часов этот поверхностный заряд не успеет распространиться по всему объему электрода и электролита, в результате чего поверхностный заряд станет настолько низким, что может оказаться недостаточным для запуска автомобиля. Из-за поверхностного заряда, короткие функции самотестирования ИБП, длящиеся всего несколько секунд, могут неточно отражать фактическую емкость ИБП, и вместо этого потребуется расширенная перекалибровка или тест глубокого разряда, который полностью разрядит батарею. Сам по себе тест глубокого разряда вреден для батарей, поскольку химические вещества в разряженной батарее начинают кристаллизоваться в высокостабильные молекулярные структуры, которые не растворятся при повторной зарядке, что приведет к необратимому снижению емкости. В свинцово-кислотных батареях это известно как сульфатация, но повреждение от глубокого разряда также влияет на другие типы, такие как никель-кадмиевые и литиевые батареи. Поэтому обычно рекомендуется проводить тесты глубокого разряда нечасто, например, раз в шесть месяцев или год.

Испытание струн батарей/элементов

Многокиловаттные коммерческие системы бесперебойного питания с большими и легкодоступными аккумуляторными батареями способны изолировать и тестировать отдельные ячейки в аккумуляторной последовательности, которая состоит либо из объединенных аккумуляторных блоков (например, свинцово-кислотных батарей на 12 В), либо из отдельных химических ячеек, соединенных последовательно. Изоляция одной ячейки и установка перемычки на ее место позволяют провести испытание разряда одной батареи, в то время как остальная часть аккумуляторной последовательности остается заряженной и доступной для обеспечения защиты. Также возможно измерять электрические характеристики отдельных ячеек в аккумуляторной последовательности, используя промежуточные измерительные провода, установленные на каждом соединении между ячейками, и контролировать их как по отдельности, так и в совокупности. Аккумуляторные последовательности могут быть соединены и параллельно-последовательно, например, два комплекта по 20 ячеек. В такой ситуации также необходимо контролировать ток, протекающий между параллельными последовательностями, поскольку ток может циркулировать между ними для компенсации влияния слабых ячеек, неисправных ячеек с высоким сопротивлением или закороченных ячеек. Например, более мощные последовательности могут разряжаться через более слабые, пока не будет достигнуто выравнивание напряжения, и это необходимо учитывать при проведении индивидуальных межячеечных измерений в каждой последовательности.

Серия взаимодействий новой/старой батареи

Даже одна последовательно соединенная цепочка батарей может давать неблагоприятные взаимодействия при смешивании новых и старых батарей. Старые батареи, как правило, имеют сниженную емкость, поэтому они будут разряжаться быстрее, чем новые, и заряжаться до максимальной емкости также быстрее. По мере разряда смешанной цепочки из новых и старых батарей напряжение в цепочке будет падать, и когда старые батареи полностью разрядятся, новые все еще будут содержать заряд. Более новые элементы могут продолжать разряжаться через остальные элементы цепочки, но из-за низкого напряжения этот поток энергии может оказаться бесполезным и рассеиваться в старых элементах в виде теплового сопротивления. Для элементов, предназначенных для работы в определенном диапазоне разряда, новые элементы с большей емкостью могут привести к тому, что старые элементы в последовательной цепочке продолжат разряжаться ниже безопасного минимального предела диапазона, что повредит старые элементы. При перезарядке старые элементы заряжаются быстрее, что приводит к быстрому повышению напряжения почти до полного заряда, но до того, как полностью перезарядятся новые элементы с большей емкостью. Контроллер заряда обнаруживает высокое напряжение почти полностью заряженной цепочки и снижает силу тока. Новые элементы с большей емкостью теперь заряжаются очень медленно, настолько медленно, что химические вещества могут начать кристаллизоваться до достижения полностью заряженного состояния, снижая емкость новых элементов в течение нескольких циклов зарядки/разрядки, пока их емкость не станет более сопоставимой с емкостью старых элементов в цепочке. По этим причинам некоторые промышленные системы управления ИБП рекомендуют периодическую замену целых батарейных блоков, потенциально включающих сотни дорогостоящих батарей, из-за этих вредных взаимодействий между новыми и старыми батареями как в последовательных, так и в параллельных цепочках.