Источник бесперебойного электропитания

Существуют ИБП различной мощности — от компактных бытовых на 300 ватт, обычно применяемых для защиты не слишком энергоёмких персональных компьютеров, до промышленных установок на сотни киловольт-ампер. Выпускаются также ИБП для среднего напряжения в контейнерном исполнении с аккумуляторами для мощностей в десятки мегаватт, способные питать целые заводы до запуска основного дизель-генератора.

Ток, выдаваемый ИБП во время блэкаута, может значительно отличаться от характеристик обычного электроснабжения в зависимости от конкретной модели. В простых моделях форма выходного сигнала при аварии может быть не синусоидальной: от квадратной волны до модифицированной, похожей на синусоиду; частота также может отличаться от номинальной (например, 50 Гц для России), с отклонениями в пределах нескольких герц (например, ±1 Гц) либо быть другого стандарта (например, 60 Гц).

В некоторых ИБП (кроме самых простых) в обычном режиме встроенный стабилизатор напряжения (AVR) может корректировать колебания даже без перехода на питание от батарей (ИПБ типа Line-Interactive). Лучшие ИБП («on-line», с двойным преобразованием) выдают идеальное напряжение и частоту вне зависимости от состояния сети, зачастую превосходя по качеству электрическую сеть.

Особенности разводки входного и выходного питания ИБП (например, с использованием проводников типа 2P+T — два полюса и земля, L, N, PE) могут приводить к тому, что в режиме работы от батареи или стабилизации нейтраль на выходе не имеет нулевого потенциала относительно земли (как в обычной бытовой системе), а становится «ещё одной фазой» — выходное напряжение формируется между «нейтралями», с их суммой, например 115 В + 115 В = 230 В. Это ограничивает подключение некоторых типов нагрузки.

Современные устройства, такие как импульсные источники питания с активной ККМ (APFC)^[10][11][12] и устройства с электромоторами, критичны к качеству синусоиды (Pure Sine Wave/«чистая волна») и требуют уточнять характеристики ИБП заранее, чтобы избежать некорректной работы или повреждения оборудования.

При отключении питания или невозможности его стабилизации, ИБП за заранее определённые миллисекунды производит автоматическое переключение на питание от батареи и инвертирует полученный постоянный ток во переменный ток, выдавая его на выход.

Время, за которое происходит это переключение с основного режима на резервный, называется «временем переключения» (англ. transfer time): у ИБП типа «on-line» оно может быть 0, в большинстве прочих — от 2 до 15 мс, лучшим считается 0 или менее 10 мс.

Для компьютерной техники время переключения ИБП в 5-10 мс обычно допустимо (типовые компьютерные блоки питания должны работать минимум 20 мс и при даже 0 % входного напряжения^[13][14]; этот промежуток работы при отсутствии питания называется hold-up time^[15]), для высокочувствительных лабораторных устройств — необходимое время передачи может быть менее 2 мс^[16].

Выходная форма сигнала ИБП может соответствовать входной (при питании от сети), или генерироваться инвертором ИБП (в режиме батарейного питания, либо постоянно у on-line моделей). При переключении источника возможны сдвиги фазы, за исключением on-line ИБП.

Качество сигнала по убыванию:

• чистая синусоида (Total Harmonic Distortion по напряжению — THDv < 8 %);
• модифицированная синусоида или трапецеидальная волна (THDv > 8 %);
• квадратная волна (THDv > 8 %).

Большинство электроустройств требуют THDv < 8 %, а иногда и ниже^[17].

Выходное переменное напряжение ИБП может соответствовать входному (например, 230 В ±10 %), стабилизироваться AVR или генерироваться внутренним инвертором ИБП — зачастую с лучшей стабильностью, чем обычная сеть^[18].

Схема преобразования напряжения (до и после инвертора или выпрямителя) может предусматривать как изолированные трансформаторы, так и автотрансформаторы либо переменные по гальванической связи схемы, и это также влияет на формирование нейтрали и защиту после ИБП^[19].

В зависимости от наличия/отсутствия трансформатора ИБП различают «трансформаторные» (англ. Transformer-Based) и «безтрансформаторные» (англ. Transformerless)^[20].

ИБП рассчитан на определённую нагрузку, которую он способен поддерживать без перегрузки. Мощность указывают обычно в:

• Вт — активная мощность (реальная полезная);
• ВА — полная (аппаратная) мощность; при некорректном учёте может вводить в заблуждение (например, 1000 ВА могут давать только 500 Вт реальной мощности)
• «информационные» ВА (VAi) используются для некоторых коммерческих типов^[21].

Корректно рассчитывать допустимую нагрузку следует по мощности в ваттах и учитывать коэффициент мощности (${\displaystyle \cos \varphi }$), который производители указывают в характеристиках (типовое значение — 0,6; новые модели имеют значения до 1). Мощность зависит от характера нагрузки: индуктивная, ёмкостная или резистивная.

Для переменного тока:

${\displaystyle P=UI\cos \varphi }$,

где ${\displaystyle U}$ — напряжение, ${\displaystyle I}$ — ток, ${\displaystyle \varphi }$ — фазовый сдвиг.

С 2012 года появились ИБП с ${\displaystyle \cos \varphi =1}$, то есть на 1000 ВА можно подключить до 1000 Вт, но при расчёте всё равно следует учитывать как Вт, так и ВА, приобретая некоторый запас мощности.

Обычно рекомендуется подключать нагрузку, не превышающую 80 % от максимальной мощности ИБП.

Автономность ИБП — время резервного электропитания при исчезновении входного напряжения (блэкаут). Стандартное время при полной нагрузке невелико: 2-3 минуты, чего хватает для защиты от кратковременных перебоев или для запуска резервного генератора.

Для длительной автономности ИБП существенно увеличивают (с большим запасом по мощности), либо используют специализированные системы.

Максимальное время работы при отключении сети определяется:

• общей ёмкостью аккумуляторов;
• степенью их заряда;
• состоянием (старением) батарей;
• величиной подключённой нагрузки:

 * Так, аккумулятор 12 В, 7 А·ч (при полной нагрузке порядка 249 Вт — около 5 минут, при половине нагрузки — около 10 минут)[22].

Температура хранения (ниже 25 °C), ресурс батареи (обычно 3-5 лет), частота циклов и др. — также влияют на реальную автономность^[23].

В ИБП применяются, как правило, свинцово-кислотные батареи глубокого разряда — герметичные, с клапанным регулированием (VRLA), AGM или гелевые^[24].^[25] Для повышения длительности работы увеличивают количество аккумуляторов в серии/параллели.

Следует учитывать скорость заряда, особенности эксплуатации и температурный режим хранения.

ИБП имеют собственную схему заряда аккумуляторов, автоматически регулирующую ток и напряжение заряда. В ряде моделей заряд идёт с учётом температуры. При попытке подключения батарей большей ёмкости чем рассчитано, можно нарушить штатные параметры и перегреть ИБП.

Современные ИБП сигнализируют о необходимости замены батарей. Практика рекомендует регулярно — раз в 1-2 месяца — тестировать работоспособность устройства в режиме резервного питания под реальной и чуть больше штатной нагрузкой^[26]. В простых моделях замена аккумулятора затруднена, в профессиональных реализованы удобные слоты.

ИБП могут создавать значительный шум (особенно модели «on-line» с постоянной работой вентиляторов), что важно учитывать для тихих помещений, уровень обычно указывается в дБ(A)^[27].

В режиме резервного питания обычно срабатывает звуковая сигнализация (beep), извещающая о переходе на батарейное питание для своевременного включения альтернативного источника или корректного завершения работы подключённых устройств.

ИБП содержит минимум три ключевых блока: выпрямитель (AC/DC), аккумуляторные батареи, инвертор (DC/AC). Часто реализован также встроенный байпас (статический или ручной) для переключения нагрузки без разрыва питания.

В простых моделях используются элементарные инверторы на транзисторах и трансформаторах, формирующие квадратную или модифицированную синусоиду; в продвинутых — IGBT, MOSFET и использование широтно-импульсной модуляции для более качественного сигнала.

Наиболее сложные схемы используют двойное преобразование, полноценную фильтрацию, гальваническую изоляцию, PWM, обеспечивая почти эталонную синусоиду, высокую мощность и надёжность^[28].

Согласно стандарту IEC EN 62040-3 ИБП подразделяются на три основных типа:^[29]

• on-line (VFI — Voltage and Frequency Independent, с двойным преобразованием, напряжение и частота всегда постоянны);
• line-interactive (VI — Voltage Independent, напряжение стабилизируется, частота — только в автономном режиме);
• off-line (VFD — Voltage and Frequency Dependent, регулировка только при работе от батареи).

ИБП on-line всегда выдаёт сигнал, полностью сгенерированный внутри самого устройства, полностью защищая от всех искажений и обеспечивая время переключения вплоть до 0 мс. Недостатком по сравнению с простыми моделями служит больший расход энергии и потенциально меньший ресурс.

ИБП line-interactive оснащены автотрансформатором с несколькими отводами/шагами. Такой ИБП способен выдерживать временные отклонения напряжения без включения батарей, переходя на резерв только при крупных событиях.

ИБП off-line начинают формировать выходное напряжение только через несколько миллисекунд после отключения сети, из-за чего возможен кратковременный провал питания (0 В на несколько мс) — наиболее простая, дешёвая и компактная категория.

Международный стандарт IEC EN 62040-3 предусматривает обозначение ИБП по трём основным характеристикам:

• A — зависимость от входного напряжения: VFI / VI / VFD;
• B — форма сигнала на выходе (S — синусоидальная THDv<8 %, X, Y — ухудшенные варианты);
• C — динамические характеристики и времена реакции (от 1 — лучший, до 4 — худший).