Источники бесперебойного питания бытового применения на 220 В

Как только наступил 21 век, в мире выросло потребление электроэнергии и с каждым годом оно только увеличивается, а мощности снабжающей системы не поспевают за таким технологическим прорывом. Это веяние происходит не только в коттеджных и загородных домах, но и в крупных мегаполисах, имеющих свои электроподстанции. Почему это происходит? Ответ очень прост. Растет количество мощных потребителей, которых раньше просто не существовало. Электрические сети, рассчитанные еще в СССР, практически не изменились. Вот, чтобы не перегружать линию, в часы пик, наши сетевые службы, такие как МОЭСК, например, отключают потребителей третьего класса, то есть жилые дома. И это происходит чаще всего без какого-либо уведомления или предупреждения. Занимаешься написанием важного письма на компьютере или смотришь всей семьей телевизор, и тут...! свет потух. В такой непонятной ситуации кроме нервов, может испортиться и дорогая бытовая техника, а это уже ведет за собой большие финансовые затраты.

Отключение электричества нередкое явление в загородных домах и по погодным условиям. В некоторых дачных и летних домиках нет системы централизованного электроснабжения.

Перебои с поступлением электричества могут быть вызваны следующими причинами:

• Скачками напряжения в сети и колебаниями частоты;
• Грозой и осадками;
• Порывистым ветром;
• Штормом;
• Снегопадом;
• Нештатной аварийной ситуацией на линии;
• Высокочастотными помехами, передаваемыми по электросети.

В таких ситуациях незаменимым вариантом для дома станет ИБП (UPS - Uninterruptible Power Supply – источник бесперебойного питания), оборудованный аккумулятором, который поддержит работоспособность котла, телевизора, компьютера и прочей техники.

Рис.1 Внешний вид однофазных ИБП на примере Eaton Ellipse PRO

И тут конечно же возникает правильный вопрос – проблем с сетью много, так как же выбрать именно тот источник бесперебойного питания, который поможет решить их все? Как ориентироваться в такой широкой гамме производителей? На какие технические характеристики обращать внимание для правильного подбора ИБП?

Все эти и многие другие интересующие вопросы, мы рассмотрим в данной статье.

Повсеместно в нашем быту используется техника с питанием 220 В. Как правило, это компьютеры, мониторы, видеоплееры, видеокамеры, принтеры, холодильники, роутеры и тд. В этом случае остро стоит вопрос обеспечения бесперебойного питания 220 В.

Как мы можем увидеть – все устройства хоть и разного функционального назначения, но рассчитаны они на одно и тоже напряжение. В большинстве случаев эту задачу пытаются решить путем применения простых компьютерных UPS-ов малой мощности.

Как только речь заходит о мощности устройств на 220 В надо четко понимать и различать, что существуют две единицы измерения мощности — ватты, которые обозначаются в документации Вт или W и вольт-амперы, которые обозначаются ВА или VA. Не вдаваясь в глубокие подробности, можно сказать, что для большинства применений они отличаются почти в полтора раза:

1 W = 0.71 VA или 1 VA = 1.4 W

Как правило, на UPS-ах указывают значения в Вольт-Амперах, т.е. чтобы получить значение максимальной мощности в Ваттах, это величину надо поделить на 1,4. При этом мощность потребителя электроэнергии может быть указана в зависимости от типа прибора в любой из двух единиц измерения. Например, обычная или энергосберегающая лампы накаливания имеют обозначение в Ваттах. Таким образом лампочки мощностью на 100 Вт нельзя подключать к бесперебойнику на 100 ВА, а только не менее чем к ИБП на 150 ВА, поскольку у него не хватит мощности чтобы их всех запитать!

Если еще упросить - то для того чтобы мощность в вольт-амперах преобразовать в ватты, нужно мощность ИБП умножить на коэффициент 0.6-0.75 для бюджетных ИБП или на 0,9 – для ИБП среднего уровня, о которых мы расскажем Вам далее. При этом рекомендуется прибавлять в запас еще как минимум 20-30%, чтобы в дальнейшем при покупке новой техники не пришлось менять ИБП.

Пример расчета полной мощности бюджетного ИБП (с коэффициентом 0.6-0.75) для некоторых потребителей:

• для офисного компьютера с ЖК-монитором/ноутбука с периферией – не менее 350-700 ВА (Стандартный офисный компьютер включает системный блок, монитор, колонки и принтер. Их суммарная мощность составляет около 500 Вт. Пересчитываем в вольт-амперы: 500*1,4=700 ВА);
• для рабочей станции или мощного игрового компьютера – не менее 700-1200 ВА (Игровой компьютер состоит из системного блока, одного или двух мониторов, мощной акустической системы, а также джойстиков, рулей и прочего оборудования. Игровые компьютеры гораздо мощнее офисных, поэтому и примерная суммарная мощность будет выше – около 800 Вт. Делаем расчет по образцу и получаем 1120 ВА);
• для полноценного сервера – не менее 1000-1500 ВА (Сервер в своем составе содержит мощный компьютер с множеством внешних жестких дисков для хранения информации, систему эффективного охлаждения – общей мощностью 1000 Вт, таким образом получается 1400 ВА).

Если же Вы не знаете какая мощность приборов установлена, но знаете их суммарный номинальный ток в амперах, то умножьте силу тока в амперах на напряжение в Вольтах: например, 5 А * 220 В = 1100 ВА.

Типы ИБП их особенности

Разобравшись с правилом расчета мощности, теперь мы можем перейти к выбору типа ИБП. Все источники бесперебойного питания можно классифицировать по трем основным видам:

Резервные ИБП (off-line) – если напряжение в сети падает или пропадает полностью, то ИБП переключаются на работу от батареи. ИБП данного типа не могут корректировать частоту и напряжение, при этом оно фильтруется, но регулируется, что приводит к ограничению видов оборудования с которым они работают. Время переключения на питание от аккумулятора порядка 2-20 миллисекунд, в течение которых напряжение в нагрузку не подается, а среднее время автономной работы 1-10 минут, в зависимости от текущей нагрузки. Если электрическая сеть подвергается частыми скачками напряжения, это может привести к быстрому окончанию срока службы батареи ИБП, поэтому для если у Вас есть высокочувствительная аппаратура класса HI-END, то имеет смысл взять класс выше.

Рис. 2 Типичная функциональная схема ИБП типа Off-line

Преимущества – подобные ИБП используются в основном в маломощном спектре мощностей (до 1600 ВА) и являются наиболее простыми и экономичными.

Недостатки – малое время автономной работы, время переключения на работу от батареи велико. 

Назначение – защита отдельных ПК, недорогих периферийных устройств, работающих дома или в офисе и нечувствительным к скачкам сети.

К таким резервным ИБП относятся:

Линейно-интерактивные ИБП (line-interactive) – эти устройства имеют встроенный автоматический стабилизатор напряжения, который защищает подключаемое оборудование от пропадания питания, провалов и всплесков напряжения (как повышенного, так и пониженного). Переключение на работу от батареи происходит только при полном отсутствии напряжения, что позволяет экономить ресурс батареи ИБП. Данный сегмент бесперебойников – бывает, как с чистой синусоидой на выходе, так и с модифицированной (обычно это не пишут), мы их разберем подробнее чуть позже.

Преимущества – длительность автономной работы, оно больше, чем у резервных Off-line ИБП (до 20 минут), такие устройства не зависят от скачков напряжения в сети, высокая степень защиты техники, более экономичны по сравнению с моделями On-line.

Недостаток – стоимость выше, чем у резервных ИБП, модельный ряд мощности ограничен (до 3000 ВА). 

Назначение – сети с частыми скачками напряжения для защиты ПК, рабочих станций, периферии, файл-серверов, бытовых приборов и офисной техники. Это самый предпочтительный вариант за счет так называемой золотой середины по техническим параметрам и экономичности.

Рис. 3 Функциональная схема Линейно-интерактивных ИБП

Примеры таких ИБП:

ИБП с двойным преобразованием (on-line) – особенностью таких ИБП является отсутствие времени переключения на работу от батареи, что обеспечивает действительно бесперебойную работу техники. Они обеспечивают непрерывное качественное питание подключенной к ИБП техники, независимо от качества входной сети.

Преимущества – наивысшая степень защиты электроприборов, время перехода на работу от батарей равно нулю, способны работать с техникой практически любой мощности.

Недостатки – высокая стоимость, большое тепловыделение. 

Назначение – сети с частыми скачками напряжения, для питания дорогостоящего оборудования, серверов, компьютерного отдела или всего здания целиком.

Рис. 4 Функциональная схема ИБП с двойным преобразованием

К таким моделям можно отнести следующие устройства:

Выходной сигнал

Как мы уже затронули ранее тему выходной синусоиды, возникает резонный вопрос – а в чем разница тогда синусоиды (чистый синус) и модифицированной с помощью ИБП, это же кажется одно и то же? Оказывается, разница есть, и она существенная.

Так какой выбрать - Синус или модифицированный синус (меандр с паузами)? Большинство потребителей, использующих ИБП, даже и не задумываются какова форма выходного напряжения данного устройства. А ведь большинство компьютерных UPS выдают не чистый синус, а так называемый «модифицированный синус». Модифицированный синус, это приближения к синусоидальному сигналу с помощью сигналов прямоугольной формы. Самое грубое, но простое приближение — это меандр (сигнал прямоугольной формы) переменной полярности. Причем речь идет о передачи сигнала, т.е. о равенстве эффективного значения напряжения (площади под кривой напряжения). Как следствие, амплитуды двух сигналов — синуса и меандра отличаются. Чтобы получить Uэфф = 220 В меандр должен иметь амплитуду 220 В, а в то же время синус имеет амплитуду 311 В.

Рис. 5 Сравнение чистого синусоидального сигнала и модифицированного меандра

В существующих приборах уже меандр не применяется, т.к. в момент резкой смены полярности (пересечение нуля) возникают очень неприятные эффекты в аппаратуре (эффект дребезжания и тому подобное). Применяют обычно меандр с паузой, или так называемый «модифицированный синус» - это более качественные приближения к синусу путем увеличения количества ступенек вдоль синусоиды. Увеличивая их количество, мы постепенно получим сигнал, практически по своей форме мало отличающийся от синуса.

Рис. 6 Сравнение чистого синусоидального сигнала и модифицированного синуса

Существует аппаратура, для которой форма сигнала важна. Прежде всего, это аппаратура, чувствительная к помехам, техника с трансформаторными источниками питания, электродвигатели, компрессоры и т.д. Есть потребители, которые нечувствительны к форме сигнала — это лампы накаливания, простые нагревательные приборы, приборы с бестрансформаторными импульсными источниками питания (компьютеры, современные телевизоры).

Таким образом линейно-интерактивный ИБП, или как его называет еще - кондиционер сети - это лучший вариант для чувствительной аппаратуры, обеспечивающий почти идеальное питание и защиту от сбоев и помех в сети. Если Вы не можете определить тип чувствительности бытовой техники к синусоиде – то рассматривайте вариант на моделях, который дают чистый синус на выходе – Eaton 5SC, Eaton 5P, Eaton 5PX.

Время автономной работы

Чтобы разобраться в следующих аспектах ИБП – времени автономной работы от аккумуляторов, мы затронем немного схемотехники и принципа работы.

Практический каждый источник бесперебойного питания состоит из таких блоков, как:

• входной фильтр;
• выпрямитель;
• зарядное устройство;
• аккумуляторные батареи;
• инвертор;
• коммутирующее устройство;
• выходные розетки/клеммы.

Входной фильтр состоит из конденсаторов и катушек, которые удаляют помехи сети, и в то же время подавляют свои от инвертора.

Выпрямитель преобразует переменное напряжение сети 220 Вольт в постоянное, необходимое для работы зарядного блока и инвертора.

Зарядное устройство. В его состав входят электронные блоки, регулирующие и контролирующие оптимальный заряд аккумуляторов.

Аккумуляторные батареи просто необходимы в этом устройстве. В случае отключения напряжения в сети, они запитают инвертор, который дает нам аварийное напряжение. Именно от качества и емкости батарей, зависит время работы ИБП во время отключения общей сети.

Инвертор состоит из генератора импульсов заданной частоты, которые подаются на первичную обмотку трансформатора, возбуждая в ней магнитное поле. Со вторичной обмотки снимается напряжение, которое выпрямляется и стабилизируется. Оно-то и используется для питания электроприборов дома. Благодаря такому длинному пути преобразований, ток на выходе имеет правильную форму и высокую стабильность. Домашняя аппаратура надежно защищена от скачков напряжения и перепадов.

Коммутирующее устройство имеет в своем составе быстродействующие реле, которые в момент отключения сети, быстро переключают с одного источника питания на другой.

Выходные цепи - это зажимы или клеммы для подключения домашней электросети, бывают разных типов, их мы рассмотрим далее.

Рис. 5 Блок-схема типичного Источника Бесперебойного питания

Как мы поняли - аккумуляторные батареи играют важную роль, но как понять, что что запаса по времени нам хватит для сохранения всех файлов? В основном, время работы ИБП при полной нагрузке составляет 5-20 минут в зависимости от типа источника. Этого достаточно, чтобы успеть завершить работу подключенных устройств. Если же мощность ИБП большая, то подключенная техника с низкой мощностью может работать на протяжении более длительного времени. У некоторых ИБП, таких как Eaton 5PX, предусмотрено подключение дополнительных батарей – они называются модули EBM (external battery module) и, соответственно, у них большее время автономной работы, что очень полезно в случае обеспечения бесперебойного питания для сервера. В таких UPS-ах производитель в инструкции или на сайте указывает, какие батареи можно подключить и рекомендует их. Например, для Eaton 5PX1500iRT рекомендуется подключать внешний батарейный модуль 5PXEBM48RT.

Способы подключения

Еще один немаловажный фактор, о котором многие забывают – типы разъемов какие есть у ИБП. Стоит вспомнить, что в мире существует множество разных видов разъёмов, и в каждой стране распространен тот или иной тип.

Рис. 7 Возможные варианты подключения нагрузки у ИБП

Для России и стран СНГ распространены разъемы типа Shuko (обычные бытовые розетки) и IEC-320-C13 (розетки для системных блоков компьютеров), в более мощных моделях вместо розеток идут клеммы – для подключения проводов напрямую к ИБП.

Необычные функции и умные технологии

Некоторые модели могут программно управлять розетками, отключая их в нужной последовательности. Например, при отключении электричества, при падении емкости батареи ниже запрограммированного, можно отключить ненужное оборудование, оставив запитанным только особо важное – например роутер, чтобы он раздавал интернет. Таким образом оно дольше проработает. Такая функция реализована во многих моделях, например, в Eaton Ellipse Eco и PRO – называется она EcoControl. На фото видно, что последняя 4-я розетка – оборудована этой функцией (над ней имеется соответствующая надпись).

Рис. 8 Розетка с функцией EcoControl

В линейках 5-ой серии - это реализовано в виде двух отдельных групп розеток, выделенных разным цветом – черным и серым.

Резюме

В данном обзоре мы с Вами рассмотрели в каких случаях стоит применять источники бесперебойного питания, научились правильно подбирать нужную нам мощность, выяснили, что Резервные ИБП и Линейно-интерактивные ИБП универсальнее подходят ко множеству бытовых задач.

Хочу напоследок обратить внимание, что бесперебойники для офисов и предприятий в большинстве случаев представляют собой нечто более сложное, но принципиально похожее на то, что было рассмотрено в этой статье. В следующем обзоре мы детально остановимся на одной из самых популярных моделей – Eaton Ellipse PRO и сделаем его полный технический обзор.