Отчет сдать в электронном и бумажном виде. 9. Файл отчета озаглавить: Гр 14-132 ТСИ ПР13Фамилия_студента

9. Файл отчета озаглавить: Гр 14-132 ТСИ ПР13Фамилия_студента

Источник бесперебойного питания, (ИБП) (англ. Uninterruptible Power Supply, UPS) — автоматическое электронное устройство с аккумуляторной батареей, предназначенное для бесперебойного кратковременного снабжения электрической энергией компьютера и его компонентов с целью корректного завершения работы и сохранения данных в случае резкого падения или отсутствия входного питающего напряжения системы.

ИБП (UPS) — это прежде всего вспомогательное устройство, поэтому для постоянного и долговременного питания компьютера не годится. Лучше всего для этих целей служит другие устройства, например ИРП — источники резервного питания, генераторы.

Существуют 3 типа ИБП:

· ИБП с двойным преобразованием напряжения (On-line)

· ИБП резервного типа (Off-Line или Standby).

· Линейно-интерактивный ИБП (Line-Interractive).

ИБП с двойным преобразованием напряжения (On-line)

Рис. 1. ИБП с двойным преобразованием энергии.

Основная идея этой схемы действительно очень проста. Нагрузка питается от сети переменного тока. Значит, на выходе ИБП должен выдавать переменный ток. И на входе ИБП тоже должен потреблять переменный ток, поскольку он питается от той же электрической сети. Но внутри ИБП (где-то в середке) должно быть постоянное напряжение, потому что оно необходимо для питания аккумуляторной батареи.

Вся мощность, потребляемая ИБП от сети, сначала преобразуется из переменного тока в постоянный с помощью выпрямителя. После этого в действие вступает преобразователь постоянного тока в переменный - инвертор, обеспечивающий на выходе ИБП необходимое переменное напряжение.

Аккумуляторная батарея, как ей и положено, находится в цепи постоянного тока, между выпрямителем и инвертором. Если в сети нормальное напряжение, выходного тока выпрямителя хватает для работы инвертора и для подзаряда батареи.

Когда напряжение в сети становится таким маленьким, что выпрямитель уже не может обеспечить полноценную работу инвертора, аккумуляторная батарея заменяет выпрямитель и питает инвертор требующимся ему постоянным током. Инвертор, в свою очередь, продолжает, как ни в чем, ни бывало, подавать напряжение на нагрузку.

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.

В таких схемах присутствует режим Bypass -- питание нагрузки отфильтрованным напряжением электросети в обход основной схемы ИБП.

Переключение в режим Bypass, который поддерживается внутренней схемой ИБП или специальным внешним модулем, может выполняться автоматически или вручную. ИБП, который имеет соответствующую встроенную схему, автоматически переходит в режим Bypass по команде устройства управления, при перегрузке электросетей или при выявлении неисправности в важных узлах ИБП.

Таким способом нагрузка защищается не только от сбоев в электросети, но и от неполадок в самом ИБП.

Возможность ручного включения режима Bypass предусматривается на случай проведения профилактического обслуживания ИБП или замены его узлов без отключения нагрузки.

Рис.2 Схема работы Bypass.

ИБП резервного типа (Off-line или Standby)

Рис.3 ИБП резервного типа (Off-line или Standby)

Это источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей электросети, а в аварийном - переводит её на питание от аккумуляторных батарей.

ИБП резервного типа, как правило, имеют небольшую мощность и применяются для обеспечения гарантированного электропитания отдельных устройств (персональных компьютеров, рабочих станций, офисного оборудования) в регионах с хорошим качеством электросети.

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.

Рис.4 Линейно-интерактивный ИБП (Line-Interactive).

Это источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством (Off-line), дополненной стабилизатором входного напряжения (бустером) на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками.

По эффективности линейно-интерактивные ИБП занимают промежуточное положение между простыми и относительно дешёвыми резервными источниками (Off-line) и высокоэффективными, но дорогостоящими ИБП с двойным преобразованием энергии (On-line). Как правило линейно-интерактивные ИБП применяют для серверов, узлов локальных вычислительных сетей и офисного оборудования.

Достоинство:

По сравнению с источниками резервного типа, такая схема способна обеспечить нормальное питание нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети без перехода в аварийный режим. В итоге продлевается срок службы аккумуляторных батарей.

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, не требовательные 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.

Характеристики ИБП:

Выходная мощность, измеряемая в вольт-амперах (VA) или ваттах (W). Стоит обратить внимание, что оборудование, содержащее мощные электродвигатели имеет «пусковые токи». Это означает, что в момент пуска двигателя устройство кратковременно потребляет мощность, в 5-7 раз превышающее 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).

Составные части ИБП

Реализация основной функции достигается работой устройства от аккумуляторов, установленных в корпусе ИБП, под управлением электрической схемы, поэтому в состав любого ИБП, кроме схемы управления, входит зарядное устройство, которое обеспечивает зарядку аккумуляторных батарей при наличии напряжения в сети, обеспечивая тем самым постоянную готовность к работе ИБП в автономном режиме. Для увеличения автономного режима работы, можно оснастить ИБП дополнительной (внешней) батареей.

Режим байпас (англ. Bypass, «обход») — питание нагрузки отфильтрованным напряжением электросети в обход основной схемы ИБП. Переключение в режим Bypass выполняется автоматически или вручную (ручное включения предусматривается на случай проведения профилактического обслуживания ИБП или замены его узлов без отключения нагрузки). Байпасом называется один из составляющих ИБП блоков. Может делать т. н. фазануль(«сквозной нуль»). Применяется в online схемах, более того, выключенной кнопкой OFF online UPS остаётся в режиме байпаса, то же самое происходит при разрушении силовых компонентов схемы, определённом управляющими цепями, а также при аварийном отключении схемы по перегрузке выхода. В line-interactive UPS режим работы «от сети» и есть байпас.

«Бустер» (англ. booster) — ступенчатый автоматический регулятор напряжения (англ. AutomaticVoltageRegulation, AVR), имеющий автотрансформатор в своей основе. Используется в ИБП, которые работают по интерактивной схеме. Часто ИБП оснащается только повышающим «бустером», который имеет всего лишь одну либо несколько ступенек повышения, но есть модели, которые оснащены универсальным регулятором, работающим и на повышение (boost), и на понижение (buck) напряжения. Использование бустеров позволяет создать схему ИБП, способную выдержать долгие глубокие «подсадки» и «проседания» входного сетевого напряжения (одной из наиболее распространённых проблем отечественных электросетей) без перехода на аккумуляторные батареи, что позволяет значительно увеличить срок «жизни» аккумуляторной батареи.

Инвертор — устройство, которое преобразует род напряжения из постоянного в переменное (аналогично переменное в постоянное). Основные типы инверторов:

инверторы, которые генерируют напряжение прямоугольной формы;

инверторы с пошаговой аппроксимацией;

инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

преобразователь с импульсно-плотностной модуляцией (ИПМ, англ. Pulse-densitymodulation).

Показатель, который характеризует степень отличия формы напряжения или тока от идеальной синусоидальной формы — коэффициент нелинейных искажений (англ. TotalHarmonicDistortion, THD).

Типовые значения:

0 % — форма сигнала полностью соответствует синусоиде;

порядка 3 % — форма близкая к синусоидальной;

порядка 5 % — форма сигнала приближенная к синусоидальной;

до 21 % — сигнал имеет трапецеидальную или ступенчатую форму (модифицированный синус или меандр);

43 % и свыше — сигнал прямоугольной формы (меандр).

Для уменьшения влияния на форму напряжения в питающей электросети, (если входным узлом ИБП, построенного по схеме с двойным преобразованием, является тиристорный выпрямитель, элемент нелинейный и потребляющий большой импульсный ток, такой ИБП становится причиной появления гармоник высшего порядка) во входной цепи ИБП устанавливается специальный THD-фильтр. При использовании транзисторных выпрямителей коэффициент нелинейных искажений (англ. Total Harmonic Distortion, THD) составляет порядка 3 % и фильтры не используют.

Гальваническую развязку между входом и выходом (как правило, в ИБП таковая не делается вообще из принципиальных соображений пропуска «сквозного нуля» на нагрузку, то есть отсутствия любой коммутации провода нейтрали от входа UPS до его выхода), осуществляет установленный во входной цепи ИБП (между электросетью и выпрямителем) входной изолирующий трансформатор. Соответственно, в выходной цепи ИБП между преобразователем и нагрузкой размещён выходной изолирующий трансформатор, который обеспечивает гальваническую развязку между входом со схемы ИБП и выходом на подключенную нагрузку.

Для расширенного мониторинга состояния самого ИБП (например, уровень заряда батарей, параметры электрического тока на выходе) применяются различные интерфейсы: для подключения к компьютеру — USB и последовательный (COM) порт, при этом производителем ИБП поставляется фирменное программное обеспечение, которое позволяет проанализировав ситуацию, определить время работы и дать оператору возможность безопасно выключить компьютер, завершив работу всех программ. Для наблюдения за состоянием источников бесперебойного питания и другого оборудования через локальную вычислительную сеть используется протокол SNMP и специализированное программное обеспечение.

Для того чтобы повысить надёжность всей системы в целом, применяется резервирование — схема, которая состоит из двух или более ИБП.

Основные неисправности ИБП и их внешнее проявление

Таблица 1. Основные неисправности ИБП

Таблица 2. Внешнее проявление неисправностей ИБП