Джерела безперебійного живлення та принципи їх роботи

Що таке ДБЖ?

У сучасному бізнес-ландшафті, де багато зв’язків і даних, неможливо переоцінити потребу в безперервній чистій електроенергії. Навіть найкоротші простої може бути руйнівними для організації, незалежно від її розміру чи галузі. Незаплановані інциденти можуть призвести до пошкодження обладнання, втрати даних, упущених можливостей і заплямованої репутації.

На щастя, система безперебійного живлення (UPS) є одним із найпростіших і економічно ефективних рішень, які допомагають компаніям уникнути небажаних наслідків простою. Але з наявністю кількох різних типів систем складно вибрати ту, яка найкраще відповідає вашим потребам і бюджету.

Джерело безперебійного живлення (ДБЖ) – це резервна система, яка забезпечує живлення у разі збою електромережі. Забезпечуючи адекватний час для безпечного вимкнення чутливого обладнання, ДБЖ допомагає запобігти втраті даних і мінімізує навантаження від повного вимкнення електроніки. Але захист обладнання від повної втрати електроенергії – не єдина причина, чому вам потрібен ДБЖ. Залежно від моделі ДБЖ ці системи також захищають підключені пристрої від звичайних проблем із живленням і небезпечних коливань вихідної напруги, які можуть пошкодити електроніку, скоротити термін служби та вплинути на продуктивність.

По суті, джерело безперебійного живлення – це батарея в коробці, яка живить пристрої, підключені до його розеток змінного струму, коли потік електроенергії падає до недостатньої напруги або якщо відбувається повне відключення. У разі відключення електроенергії ДБЖ негайно перемикається на роботу від батареї, щоб забезпечити безперервне джерело живлення протягом усього робочого часу батареї, який залежить від системи на періоди часу від декількох хвилин до декількох годин.

В залежності від розміру та систем блоку, ДБЖ здатний захистити один комп’ютер або цілий центр обробки даних. Важливий для критичних об’єктів, ДБЖ забезпечує безпечну роботу комп’ютерних систем та іншого обладнання під час зникнення електроживлення, доки не підключяться генератори або доки сервери та мережеві компоненти, не будуть належним чином закриті, запобігаючи втраті даних.

Окрім резервного живлення під час збоїв електроенергії, ДБЖ також забезпечують різний захисту від інших шкідливих проблем із живленням, зокрема провалів напруги, стрибків напруги, перебоїв у напрузі, перешкод у мережі, коливань частоти, умов перенапруги та перехідних процесів перемикання та гармонійних спотворень.

Розрізняють три системи ДБЖ:

1. Резервне джерело безперебійного живлення або «автономним ДБЖ» – є найпоширенішим типом ДБЖ, який можна знайти в комп’ютерних або офісних магазинах. Пристрій споживає струм із розетки та перемикається на живлення від батареї протягом кількох мілісекунд після виявлення збою живлення.
2. Лінійно-інтерактивне джерело безперебійного живлення «взаємодіє» з лінією живлення змінного струму, щоб згладжувати форми хвиль і коригувати зростання та падіння напруги.
3. Онлайн ДБЖ є найсучаснішим і найдорожчим типом ДБЖ. Інвертор постійно забезпечує чисте живлення від батареї, а комп’ютерне обладнання ніколи не отримує живлення безпосередньо від розетки змінного струму. Однак онлайн-блоки містять вентилятори, які створюють шум і можуть вимагати певного планування розташування для домашнього користувача чи невеликого офісу.

Усі системи ДБЖ перемикаються на акумулятор у разі збою живлення. Різниця полягає в тому, як вони обробляють енергію за звичайних умов. Резервні блоки забезпечують обмежене загасання, тоді як лінійно-інтерактивні системи регулюють напругу та згладжують погані гармоніки. Онлайн-системи постійно відновлюють чисту енергію.

Розмір ДБЖ має значення коли живлення вимикається, пристрій з великими габаритами буде підтримувати роботу більшої кількості обладнання протягом довшого часу, ніж невеликий ДБЖ, оскільки має більший акумулятор. Розмір батареї є також важливим критерієм при виборі системи ДБЖ.

Переваги застосування ДБЖ:

• Хоча застосування ДБЖ має численні переваги, перш за все, вони захищають від збоїв в електромережі, які відбуваються на різко зростаючій основі (надмірне навантаженням на електромережі, несприятливі погодні умови тощо)
• Окрім підтримки роботи обладнання під час втрати електроенергії, ДБЖ також діє як фільтр для захисту пристроїв від перепадів у електроживленні, які можуть спричинити пошкодження чутливого обладнання, наприклад комп’ютерів та мережевого обладнання. Залежно від топології, ДБЖ дозволяє лише постійному потоку чистої енергії досягати підключених пристроїв, допомагаючи захистити від типових аномалій живлення, які можуть пошкодити обладнання.
• Крім того, резервне живлення від батареї запобігає втраті даних і дає час для збереження незавершеної роботи під час збоїв, стрибків напруги або інших змін живлення.
• Нарешті, ДБЖ забезпечує впевненість у тому, що ваша організація зможе уникнути фінансових витрат, розчарування клієнтів і зриву бізнесу, викликаного простоєм мережі.

Які бувають джерела безперебійного живлення

Існує три основні типи систем безперебійного живлення для повного спектру застосувань, які відповідають потребам підприємств і споживачів. Резервний ДБЖ – це автономний пристрій, який може виявляти електричну невідповідність і автоматично перемикатися на живлення від батареї. Кожен тип ДБЖ забезпечує працездатність мережевих пристроїв у разі відсутності живлення. Такі функції, як облік електроенергії, відрізняються залежно від моделі.

Базовий резервний ДБЖ – це джерело безперебійного живлення, яке забезпечує короткочасне живлення від акумулятора під час відключень. У цій категорії ДБЖ апаратне забезпечення отримує живлення від мережі за звичайних умов через пряме підключення змінного струму. Резервний блок і його інвертор фактично перебувають у режимі очікування, поки не знадобиться резервне живлення. Залежно від моделі резервний ДБЖ також може захистити дані та чутливе обладнання від стрибків і провалів напруги. Для захисту домашньої мережі доступні компактні пристрої. Резервний ДБЖ зазвичай використовується для захисту комп’ютерів, модемів, принтерів та іншого обладнання. Ця категорія ДБЖ є найдешевшою з трьох типів безперебійних джерел живлення.

Резервне живлення від батареї ініціюється за допомогою резервного ДБЖ, який також називають офлайн ДБЖ. Після відключення електроенергії резервний ДБЖ подає електроенергію протягом короткого часу. Коли він виявляє втрати, комутатор передачі ініціює процеси резервного копіювання. Час перемикання відбувається в мілісекундах після збою, причому час реакції залежить від резервного ДБЖ. Час перемикання не є миттєвим, але зазвичай не повинен переривати потік електроенергії до обладнання. Якщо очікується тривале відключення, резервне живлення ДБЖ від батареї забезпечить безпечне відключення пристроїв, тому обладнання та дані будуть захищені.

Offline ДБЖ забезпечує базове живлення для дому та офісу. ДБЖ у режимі офлайн також може називатися автономним ДБЖ, що відрізняє його від безперебійного ДБЖ онлайн. Незважаючи на те, що джерело безперебійного живлення в автономному режимі має фундаментальний характер, він забезпечує резервний час роботи для менш вимогливих домашніх і професійних пристроїв.

Онлайн ДБЖ – це тип джерела безперебійного живлення, який використовує технологію подвійного або дельта-перетворення. При подвійному перетворенні мережеве обладнання не отримує електроенергію безпосередньо від розетки змінного струму. Натомість струм змінного струму надходить до випрямляча, де перетворюється на постійний струм. Далі він рухається до акумулятора, а потім до інвертора. Після інверсії назад до змінного струму, живлення подається до обладнання. Завдяки цьому онлайн-процесу пристрою ДБЖ комп’ютерне обладнання отримує постійне чисте живлення. За допомогою дельта-перетворення певна кількість енергії надсилається безпосередньо для роботи комп’ютерів, маршрутизаторів та іншого обладнання. Це створює енергоефективну онлайн-систему ДБЖ, у якій частина електроенергії пропускає етапи обробки.

У разі збою в електромережі онлайн-система ДБЖ підтримує постійний струм для захисту мережевого обладнання. У разі коливань або збою випрямляч у ДБЖ автоматично вимикається, а живлення подається від батареї, доки не відбудеться відновлення. Онлайн-схема ДБЖ є безперебійною. Ось чому онлайн-системи безперебійного живлення коштують дорожче, ніж інші моделі в категоріях безперебійного живлення в режимі офлайн або інтерактивного зв’язку.

Чутливе обладнання можна захистити за допомогою технології ДБЖ з подвійним перетворенням. Такі блоки ДБЖ доступні для широкого кола користувачів. За допомогою процесів ДБЖ із подвійним перетворенням можна захистити мережеві сервери, центри обробки даних і повний спектр середовищ, а час переходу на живлення від батареї нульовий. Інтелектуальні онлайн-системи ДБЖ доступні для підтримки вимогливих навантажень і часу роботи. Більш доступні ДБЖ із подвійним перетворенням найкраще застосовувати для невеликих офісів. Зазвичай, чим більший блок, тим довше обладнання може працювати.

Лінійно-інтерактивний ДБЖ є одним із типів джерела безперебійного живлення, яке може автоматично регулювати напругу. Лінійно-інтерактивна технологія реагує на умови високої та низької напруги. Пристрої також підтримують системи під час відключень без розрядження батареї. У лінійно-інтерактивному ДБЖ джерело електроенергії є першою лінією живлення, однак технологія інвертора/конвертора дозволяє заряджати батарею пристрою під час нормальної роботи. Під час відключення цей ДБЖ перетворює енергію батареї на потік змінного струму для живлення обладнання.

У категорії засобів захисту живлення лінійно-інтерактивні системи безперебійного живлення захищатимуть чутливе обладнання під час перебоїв і відключень. Пристрої лінійно-інтерактивної класифікації ДБЖ дорожчі, ніж резервні моделі, але доступніші, ніж ДБЖ у режимі онлайн. Лінійно-інтерактивний ДБЖ збереже продуктивність під час ситуацій низької напруги та короткочасних відключень живлення. Якщо очікується тривале відключення, заряд акумулятора дозволяє безпечно вимкнути пристрої. Деякі інтерактивні модулі також пропонують функції фільтрації.

Перш ніж купувати блок захисту живлення, ви можете порівняти технологію безперебійного живлення в режимі онлайн і лінійно-інтерактивного. Лінійно-інтерактивний ДБЖ додає автотрансформатор до базової резервної конструкції. Він має можливість підвищувати або зменшувати вихідну напругу. Цей трансформатор реагує на зміни напруги змінного струму та може автоматично регулювати проблеми. Для порівняння, онлайн-моделі ДБЖ використовують інвертор для передачі всієї або часткової потужності в будь-який час. Це означає, що онлайн-ДБЖ може відповідати терміну «безперебійний» з нульовим часом передачі. Інтерактивному ДБЖ потрібно лічені мілісекунди, щоб переключитися в режим резервного живлення від батареї в разі збою.

Функції ДБЖ

ДБЖ широко використовується населенням, оскільки має багато функцій. Основною функцією ДБЖ є забезпечення резервного живлення від батареї, коли електроенергія зникає або напруга падає до неприйнятного рівня. Це гарантує, що ваше електричне обладнання отримує постійний струм, тому можна уникнути пошкодження, наприклад пошкодження бази даних.

ДБЖ виконує наступні функції:

1. Захист від вимкнення живлення. Коли живлення від мережі припиняється або вимикається, система ДБЖ негайно перетворює живлення постійного струму в акумуляторі на живлення змінного струму для живлення навантаження, щоб уникнути незручностей і втрат, спричинених збоєм живлення.
2. Стабілізація напруги. Надмірна або низька напруга може вплинути на термін служби використовуваних інструментів і обладнання. Впровадження системи ДБЖ може забезпечити стабільну напругу живлення обладнання користувача, щоб забезпечити нормальну роботу обладнання та продовжити термін його служби.
3. Захист від перенапруги. Може захистити від стрибків напруги, оскільки системи живлення ДБЖ розроблені з точковими розчеплювачами для поглинання стрибків, які виникають, а також для уникнення стрибків, які можуть вплинути на ефективність обслуговування та термін служби обладнання.
4. Захист від високої або низької напруги. Коли напруга в мережі часто змінюється, регулятор напруги ДБЖ підтримує напругу в безпечному діапазоні, щоб забезпечити нормальне функціонування обладнання. Коли напруга висока або низька, система ДБЖ автоматично запускає живлення від батареї для безперервної роботи обладнання.
5. Захист від гармонійних спотворень. Наявна потужність має передаватися користувачеві через лінії передачі та розподілу, що спричиняє спотворення форми напруги та фундаментальну зміну струму, що призводить до генерації гармонік. Гармоніки впливатимуть на використання обладнання, і система ДБЖ впорається з цим.
6. Стабілізація частоти. Частота визначається як період зміни джерела живлення за секунду. Частота живлення зазвичай буде нестабільною залежно від споживання електроенергії користувачем. Потім ДБЖ перетворює потужність так, щоб виробляти стабільну частоту для забезпечення нормальної роботи обладнання.
7. Миттєвий захист. Скачки або падіння напруги іноді відбуваються миттєво, що може вплинути на точність пристрою. Тому використовують ДБЖ, щоб забезпечити стабільну напругу для захисту обладнання.
8. Низький рівень шуму. ДБЖ захищає пристрої та дані, забезпечує нормальну роботу пристрою та подовжує термін служби, не створюючи надмірного шуму.

Типи та види джерел безперебійного живлення

Існують різні типи ДБЖ або джерел безперебійного живлення та підходи до проектування, які використовуються для впровадження систем ДБЖ, кожна з яких має свої характеристики продуктивності. Нижче наведено найпоширеніші:

Резервний ДБЖ – це конфігурація, у якій резервна батарея заряджається мережевою напругою та подається через інвертор на перемикач. Коли основне живлення втрачається, перемикач перемикає резервний шлях живлення. Інвертор, як правило, не працює, доки не станеться збій живлення, тому для опису цього типу ДБЖ використовується термін «режим очікування». Необхідність активного перемикання шляху живлення дійсно означає, що існує короткий збій, який відбудеться з моменту втрати основного живлення до завершення перемикання. Ноутбук можна вважати спрощеним типом резервного ДБЖ, де бажаним вихідним сигналом є постійний струм замість змінного струму, і перемикач перемикання не потрібен.

Лінійно-інтерактивний ДБЖ. Однією з найбільш часто використовуваних конструкцій джерела безперебійного живлення є лінійно-інтерактивний ДБЖ. Завдяки лінійному інтерактивному дизайну основне живлення подається через перемикач на інвертор, а потім на навантаження. Інвертор у цій конструкції завжди активний, і коли основне живлення увімкнено, він працює у зворотному напрямку, перетворюючи вхідну потужність змінного струму в постійний, який використовується для підтримки заряду резервної батареї. Якщо мережеве живлення вимикається, перемикач розмикається, і інвертор працює в нормальному напрямку, приймаючи живлення постійного струму від батареї та перетворюючи його на змінний струм для живлення навантаження.

Така конструкція, яка підтримує інвертор активним, забезпечує покращену фільтрацію та зменшує перехідні процеси перемикання, які можуть бути присутніми в резервній конфігурації ДБЖ. Залежно від конструкції інвертора, ця конфігурація може забезпечити два незалежні шляхи живлення для навантаження та усунути інвертор як єдину точку відмови. Таким чином, навіть якщо інвертор вийде з ладу, живлення змінного струму все одно може надходити на вихід. Цей тип ДБЖ пропонує низьку вартість, високу надійність і високу ефективність, а також може підтримувати застосування з низькою або високою напругою.

Резервний ферроматичний ДБЖ використовує трансформатор з трьома обмотками для підключення навантаження до джерела живлення. Основне живлення протікає через перемикач, який зазвичай закритий на котушки в трансформаторі, де він з’єднується зі вторинною котушкою трансформатора, а потім подає живлення на вихідне навантаження. Шлях резервного живлення передає напругу мережі на зарядний пристрій і підтримує резервну батарею, яка потім підключається до інвертора, який приєднується до третьої котушки трансформатора.

Коли основне живлення зникає, перемикач розмикається, і інвертор подає живлення до навантаження від резервної батареї. У цій конструктивній конфігурації інвертор перебуває в режимі очікування та стає активним, коли основне живлення зникає, а перемикач розмикається.

Трансформатор, забезпечуючи ізоляцію навантаження від перехідних процесів напруги в мережі, може створити спотворення вихідної напруги та власні перехідні процеси, можливо, гірші, ніж ті, що виникають через погане з’єднання змінного струму. Крім того, неефективність ферротрансформатора може призвести до виділення значної кількості тепла, до того ж вони досить великі та важкі, що робить резервні ферросистеми ДБЖ також громіздкими.

Цей тип ДБЖ зараз рідше використовується для живлення навантажень сучасних комп’ютерних систем, оскільки вони можуть стати нестабільними. Джерела живлення, які використовуються для живлення серверів і маршрутизаторів, мають «коригований коефіцієнт потужності», щоб отримувати лише синусоїдальну потужність.

Онлайн ДБЖ із подвійним перетворенням. Для застосувань із потужністю понад 10 кВА найчастіше вибирають ДБЖ онлайн з подвійним перетворенням. ДБЖ з подвійним перетворенням подібний до резервного ДБЖ, за винятком того, що вихід інвертора представляє основний шлях живлення, тоді як у резервному ДБЖ це був вторинний або резервний шлях. Основна мережа живлення змінного струму живить випрямляч (перетворювач змінного струму в постійний), а потім подається назад до інвертора, який регенерує змінний струм із постійного струму. Резервна батарея підключається до мережі постійного струму і заряджається випрямлячем.

Перемикач статичного байпасу доступний, але він не активується у разі збою основного живлення змінного струму. Живлення від батареї безперебійно живитиме інвертор у разі виходу з ладу мережі змінного струму, що призводить до відсутності часу передачі в разі втрати живлення. Оскільки в цій конструкції інвертор і випрямляч постійно активні, надійність електричних компонентів знижується порівняно з іншими конструкціями. Але з точки зору електричної потужності цей тип ДБЖ забезпечує ідеальну вихідну потужність.

Дельта-перетворення онлайн ДБЖ. Онлайн ДБЖ із дельта-конверсією є відносно новою конструкцією, яка була представлена для усунення деяких недоліків, пов’язаних із ДБЖ онлайн з подвійним перетворенням. Як і в конструкції з подвійним перетворенням, онлайн-ДБЖ із дельта-перетворенням має інвертор, який подає вихідну потужність на навантаження, і тому він завжди працює.

Дельта-трансформатор з’єднує мережу змінного струму з дельта-перетворювачем, який генерує вихідну потужність постійного струму. Як і в конструкції подвійного перетворення, вихід постійного струму служить для підтримки заряду резервної батареї, а також для живлення інвертора, який потім виробляє вихід змінного струму, який передається на навантаження.

Функція дельта-перетворювача мінімізує будь-які гармоніки, які можуть бути відбиті назад до електромережі або до підключеної генераторної системи, що робить конструкцію ДБЖ сумісною з генераторними установками та усуває необхідність у великій проводці або генераторах. З точки зору характеристик вихідної потужності ДБЖ онлайн з дельта-перетворенням ідентичний ДБЖ онлайн з подвійним перетворенням, але зі значним зниженням втрат енергії або вищою ефективністю.

Характеристики ДБЖ

При виборі ДБЖ слід враховувати наступні фактори, пов’язані з передбачуваним застосуванням.

• Прохідна здатність – це здатність джерела живлення забезпечувати корисну потужність протягом обмеженого часу під час втрати електроенергії.
• Час утримування – це період часу, протягом якого джерело живлення, що використовується в програмі, може забезпечити життєздатний вихід без джерела вхідного сигналу. Це можливо тому, що енергія, накопичена в ємнісних та індуктивних елементах джерела живлення, може продовжувати забезпечувати навантаження протягом короткого періоду. Наприклад, у імпульсних джерелах живлення, які зазвичай використовуються в комп’ютерному обладнанні, час витримки може коливатися від 10 до 30 мс.
• Час перемикання – це час, потрібний ДБЖ для перемикання з мережі на резервне живлення від батареї у разі збою мережі або з живлення від батареї на живлення від мережі, коли нормальне живлення відновлюється. Цей час має бути мінімальним, щоб забезпечити запас безпеки. Для використання ДБЖ з комп’ютерною технікою рекомендовано час перемикання менше 5 мс, однак слід зазначити, що надчутливий пристрій може здійснювати непотрібні передачі потужності.
• Кількість енергоспоживання – це звичайне енергоспоживання пристроїв, яке ДБЖ має бути в змозі забезпечити в аварійні періоди.
• Пусковий струм — це миттєвий пік вхідного струму, який вимагається електричним обладнанням під час його початкового вмикання через заряджання індуктивних і ємнісних навантажень. Це значення може багаторазово перевищувати нормальний робочий струм, але зазвичай дуже короткочасне. Це може вплинути на розмір ДБЖ, а також на налаштування та синхронізацію схем захисту.
• Час резервного живлення – це період часу, протягом якого ДБЖ потрібен для підтримки навантаження в разі збою в мережі. Необхідний час резервного копіювання залежить від конструкції системи та цілей користувача. Може знадобитися достатньо часу, щоб забезпечити живлення, що дозволить впорядковане завершення роботи програми, або це може знадобитися для живлення програми протягом повної тривалості будь-якого очікуваного відключення електроенергії. Крім того, ДБЖ може працювати достатньо довго, щоб дозволити підключення та запуск альтернативного джерела живлення від потужного генератора. Ємність акумуляторної батареї ДБЖ визначається струмом, споживаним навантаженням, і необхідним часом резервного живлення.
• Кондиціонування живлення або кондиціонування лінії – це забезпечення лінії електропередач із регульованою напругою та частотою з чистою синусоїдальною хвилею, вільною від електричних перешкод і пульсацій.
• Ізоляція – це повне електричне відокремлення виходу ДБЖ від вхідної лінії живлення. Потужність подається від входу лінії до виходу ДБЖ через окремі обмотки в трансформаторі. Оскільки немає фізичного з’єднання від входу до виходу, ефект тимчасових перешкод від джерела живлення мінімізується, а безпека застосування покращується.
• Упорядковане завершення роботи – це процес послідовного закриття апаратних і/або програмних процесів, щоб не відбувалося пошкодження даних і/або не створювалися загрози безпеці. Час резервного копіювання має бути достатньо довгим, щоб дозволити впорядковане завершення роботи програми.
• Відключення навантаження — це можливість вибірково вимикати живлення для менш критичних навантажень під час тривалого збою живлення, зберігаючи живлення для більш критичних навантажень, таким чином подовжуючи ефективний час резервної роботи ДБЖ.
• Послідовність навантаження — це можливість вибірково вмикати або вимикати певні навантаження за попередньо встановленим шаблоном під час запуску та/або завершення роботи. Це може бути з міркувань безпеки або для мінімізації початкового пускового струму.
• Час перезарядки – це час, який необхідний ДБЖ для перезарядки акумуляторів після розряду.
• Гаряча заміна – це заміна обладнання під час подачі та використання електроенергії. Це може знадобитися для заміни акумуляторних батарей.