На рисунке 12 представлена схема ИБП, взаимодействующего с сетью. И опять, как и для ИБП с переключением, по сравнению с упрощенной схемой у нас появились фильтры шумов и импульсов и блок анализа сети и управления.
Рис. 12. Блок-схема ИБП, взаимодействующего с сетью.
Как видно, эта схема очень похожа на схему ИБП с переключением. Основные отличия: трансформатор постоянно подключен к нагрузке (и постоянно работает), и по другому расположен переключатель.
ИБП, взаимодействующий с сетью имеет два основных режима работы: работа от сети и работа от батареи..
Работа от сети и переключение
На режиме работы от электрической сети напряжение фильтруется от шумов и импульсов и поступает к нагрузке. Часть мощности расходуется на зарядку батареи ИБП или поддержание ее в заряженном состоянии.
Блок анализа напряжения контролирует форму и амплитуду напряжения сети.
В случае, если напряжение сети становится слишком низким (например ниже 195 В) или (для некоторых моделей) слишком высоким, блок анализа сети пытается скорректировать величину напряжения, переключая отводы автотрансформатора. Напряжение на выходе ИБП повышается или понижается, приближаясь к номинальному значению. Если напряжение становится настолько низким, что переключение отводов уже плохо помогает, то ИБП переключается на работу от батареи.
Если на вход ИБП поступает напряжение искаженной формы, блок анализа сети также переключает ИБП на режим работы от батареи.
Процесс переключения с режима работа от сети на режим работы от батареи (и обратно) для ИБП с синусоидальным выходным напряжением представлен на рисунке 13.
а | |
б | |
в | |
г | |
Рис. 13. Осциллограммы переключения "сеть-батарея" (а, б, в) и "батарея-сеть" (г) для ИБП, взаимодействующего с сетью. |
Переключение "сеть-батарея" (см. рис. 13 а, б и в) происходит значительно более гладко, чем у ИБП с переключением прежде всего потому, что совпадают формы кривой напряжения на обоих режимах работы. Сам процесс переклюяения (вместе с временем обнаружения сбоя) занимает менее четверти периода синусоиды ( примерно 3-4 мс). В зависимости от фазы напряжения в момент сбоя сети, сопутствующие переключению переходные процессы могут продолжаться до 20 мс, т.е. на протяжении периода синусоиды.
Для взаимодействующих с сетью ИБП, имеющих выходное напряжение в виде прямоугольников с паузами (или, как стыдливо их называют производители - со ступенчатым приближением к синусоиде) процесс перехода от одного режима к другому ничем не отличается от работы ИБП с переключением (см. рис. 10).
Режим работы от батареи
При переключении на режим работы от батареи, инвертор ИБП, постоянно подключенный к нагрузке, немедленно начинает вырабатывать переменное напряжение, синфазное напряжению сети. Сеть отключается от нагрузки переключателем, но остается под контролем блока анализа сети.
Инвертор поддерживает напряжение на нагрузке в течение некоторого времени, зависящего от заряда батареи. Если сетевое напряжение за это время не становится нормальным, после разряда батареи ИБП отключает нагрузку.
Если во время работы от батареи, сетевое напряжение становится нормальным, ИБП готовится к переключению на батарею: начинает синхронизацию переменного напряжения инвертора с сетевой синусоидой.
Частота напряжения на выходе инвертора и частота сети не совпадают совершенно точно. Поэтому разность фаз между напряжением сети и напряжением инвертора плавно меняется. Нагрузка в это время продолжает питаться от инвертора (питаемого в свою очередь батареей). И только в момент, когда фаза напряжения инвертора с заданной точностью (не хуже 2-5 градусов) совпадет с фазой сетевого напряжения, происходит переключение ИБП на работу от сети. Переключение (от момента восстановления напряжения в сети) может занять несколько секунд.
Такая сложная процедура переключения хотя и затягивает само переключение, но для ИБП с синусоидальным выходным напряжением позволяет производить его очень мягко (см. рис. 13 г). В момент переключения не возникает никаких фазовых или амплитудных скачков. Компьютер во время переключения работает нормально, блок питания на испытывает импульсных нагрузок.
Предыдущий параграф относится к взаимодействующим с сетью ИБП, с синусоидальным выходным напряжением. Момент переключения для ИБП с выходным напряжением в виде прямоугольников с паузами ничем не отличается от работы ИБП с переключением.
Теперь рассмотрим чуть подробнее работу отдельных элементов ИБП.
Выпрямитель
Выпрямитель ИБП с регулированием напряжения выполняет функцию автоматического зарядного устройства. Он заряжает батарею, если она разряжена, и поддерживает на ней напряжение плавающего заряда, если ее заряд близок к максимальному. В целом характеристики и функции выпрямителей большинства этих ИБП такие же, как у выпрямителей ИБП с переключением.
Наиболее распространен режим заряда батареи, при котором сначала батарея заряжается постоянным по величине (стабилизированным) током, а затем, при достижении некоторого заданного напряжения, стабилизированным напряжением. После того, как батарея будет заряжена, она поддерживается под постоянным напряжением (т.н. плавающим потенциалом или напряжением плавающего заряда - т.е. напряжением, при котором ток через батарею равен нулю).
Зарядные устройства некоторых ИБП реализуют несколько более сложный алгоритм заряда батареи - импульсный. При импульсном режиме заряда зарядное устройство отключается после достижения полного заряда батареи и включается вновь только после того, как батарея разрядится (напряжение на ней упадет). Производители таких ИБП уверяют, что импульсный алгоритм заряда позволяет несколько продлить жизнь батарее. Производители батарей эту точку зрения обычно не поддерживают, заявляя, что их отличные аккумуляторы можно заряжать самыми простыми методами.
Выпрямители ИБП, специально предназначенных для длительной работы, отличаются большим зарядным током. Это позволяет им даже в случае подключения к ИБП дополнительной батареи большой емкости зарядить батарею за приемлемое время.
Некоторые производители ИБП, взаимодействующих с сетью, для получения маркетинговых преимуществ заявляют об очень малом времени подзаряда аккумуляторов (например 5- 6 часов). Максимальный зарядный ток, а иногда и максимальное напряжение на батарее таких ИБП действительно превышают максимальные значения, установленные производителем аккумуляторов. Это нельзя признать преимуществом, поскольку более быстрый заряд может происходить за счет уменьшения ресурса батареи.
Батарея
Используются свинцовые кислотные герметичные необслуживаемые аккумуляторные батареи.
Напряжение батареи от 6 до 48 В, емкость от 4 ампер-часов. Максимальная емкость батареи для обычных ИБП, с регулированием напряжения, (с временем работы от батареи при максимальной мощности 5-15 минут) может достигать примерно 20 ампер-часов.
Существуют модульные ИБП, специально предназначенные для длительной работы от батареи ( в течение многих часов или даже нескольких суток). Они состоят из базового электронного блока, к которому может подключаться один блок батареи или несколько таких блоков.
Суммарная емкость батареи, состоящей из нескольких модулей, может достигать сотен ампер-часов. Соответственно и длительность работы ИБП от батареи может достигать нескольких суток.
Инвертор
Инверторы взаимодействующих с сетью ИБП могут иметь синусоидальное выходное напряжение или выходное напряжение в виде меандра с паузой (как у ИБП с переключением).
Полный коэффициент гармонических искажений большинством производителей не указывается. Тем не менее в случае синусоидального выхода, при не предельных параметрах, искажения синусоиды вполне приемлемы (т.е. не превышают 5 %).
Блок управления ИБП и анализа сети
Этот блок является пожалуй главным элементом ИБП с регулированием напряжения, отличающим его от ИБП с переключением.
Для управления взаимодействующих с сетью ИБП обычно используются недорогие микропроцессоры, применение которых позволяет возложить на ИБП массу новых, дополнительных функций.
Прежде всего, блок анализа может не просто измерять действующее значение напряжения сети (как делает управляющая схема ИБП с переключением), но постоянно следить за формой синусоиды. Для этого в состав блока анализа сети включают специальный элемент - аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Несколько раз за полупериод АЦП производит измерение мгновенного значения напряжения сети (см. рис. 14).
Рис. 14. ИБП, взаимодействующий с сетью, измеряет напряжение сети.
АЦП преобразует результат измерения в цифровую форму и передает его для анализа микропроцессору ИБП. В памяти микропроцессора хранится образ идеальной синусоиды. Микропроцессор непрерывно сравнивает его с результатом измерения мгновенного значения напряжения.
Для управления ИБП (а именно для выбора момента переключения с режима работы от сети на режим работы от батареи и обратно) используются довольно сложные критерии качества сети.
Напомним, что для ИБП с переключением единственным критерием, отличающим "хорошую" сеть от "плохой" было действующее значение напряжения. Взаимодействующий с сетью ИБП тоже принимает во внимание действующее значение напряжения сети, рассчитанное микропроцесоором ИБП на основании результатов измерения мгновенных значений напряжения.
Но хороший ИБП, взаимодействующий с сетью, может следить не только за величиной действующего значения напряжения сети, и еще за несколькими параметрами синусоиды. Например, он может переключиться на работу от батареи, если:
Приведем например перечень условий переключения на работу от батареи для одного из самых распространенных в России ИБП, взаимодействующих с сетью. ИБП переключается на работу от батареи, если:
Тщательный анализ электрической сети, производимый взаимодействующим с сетью ИБП имеет не только достоинства.
Для компьютеров, оснащенных импульсным блоком питания (а именно они являются наиболее распространенной нагрузкой ИБП) форма синусоиды не имеет особенного значения. Они могут более или менее нормально работать имея на входе даже несинусоидальный сигнал (например напряжение, выдаваемое ИБП с переключением).
Но попробуйте подключить вход хорошего взаимодействующего с сетью ИБП к выходу ИБП с переключением, работающего от батареи. Вы увидите, что ИБП, взаимодействующий с сетью, откажется работать. Такая, с позволения сказать, "сеть", слишком плоха для его чувствительного и умного блока анализа сети. Он немедленно перейдет на работу от батареи.
Но компьютеры нормально работают, питаясь от ИБП с переключением. Стало быть иногда требования этих ИБП к сети можно считать чрезмерными.
Например в Грузии, где электрическая сеть в первые годы независимости была сильно искажена, некоторые ИБП, взаимодействующие с сетью, не работали в режиме работы от сети, и сразу переключались на работу от батареи. Компьютеры и ИБП, построенные по другим схемам, работали нормально.
Важной функцией блока управления является отключение нагрузки после длительной работы от батареи, когда заряд батареи исчерпан почти полностью. Это позволяет сохранить работоспособность батареи.
Микропроцессоры взаимодействующих с сетью ИБП могут выполнять массу дополнительных функций, таких, как измерение напряжения в сети, регистрацию сбоев и т.д. Об этом, и других вещах речь пойдет в разделе "Дополнительные возможности ...".
Переключатели, фильтры шумов и импульсов ИБП, взаимодействующих с сетью, устроены совершенно так же, как у ИБП с переключением. Они имеют примерно такие же характеристики. Поэтому я отсылаю интересующегося читателя к соответствующим разделам главы 3.
Порт для связи с компьютером
Все взаимодействующие с сетью ИБП имеют порт для связи с компьютером. Этот порт предназначен для передачи и приема сигналов релейного типа (они обычно реализованы с помощью открытого коллектора) и сигналов протокола RS232.
Набор "релейных" сигналов соответствует стандарту Novell или IBM AS400:
От компьютера к ИБП может поступить только один сигнал: на выключение нагрузки.
Оснащенные микропроцессором ИБП, взаимодействующие с сетью, обладают возможностью передачи и приема цифровых сигналов в соответствии с протоколом RS232.
Могут передаваться сигналы:
Могут приниматься сигналы:
Некоторые современные ИБП кроме разъема для подключения к компьютеру имеют в корпусе отсек для установки дополнительных плат, выполняющих функции адаптера SNMP,.расширителя количества портов и т.д. Несколько подробнее эти устройства рассмотрены в главе 10.
Индикаторы и сигнализация
На передней панели ИБП, взаимодействующего с сетью, при работ от сети обычно светится зеленый светодиод. Переключение на работу от сети вызывает его выключение. Включается красный или желтый светодиодный индикатор (работа от батареи).
Многие ИБП имеют светодиодный индикатор перегрузки (включается если нагрузка ИБП превышает номинальную) и состояния батареи (включается во время работы от батареи, если батарея старая или разряжена).
Светодиодный или цифровой индикатор заряда батареи также довольно распространен у ИБП, взаимодействующих с сетью. Этот индикатор может работать постоянно или включаться по команде пользователя. Точность показаний индикаторов большинства ИБП невелика в связи со сложностью учета состояния батареи.
Звуковая сигнализация включается при переключении на работу от батареи. Как правило, она может быть отключена, но включится снова после потери батареей большей части заряда.
Звуковой сигнал (другого тона или длительности) может также срабатывать при перегрузке.
Регулирование напряжения
ИБП, взаимодействующие с сетью, могут регулировать напряжение на своем выходе. Это регулирование осуществляется за счет переключения нагрузки на работу от повышающей или понижающей обмотки автотрансформатора (соответственно при снижении или повышении напряжения сети).
Такое переключение у ИБП, взаимодействующих с сетью, происходит в два этапа.
После того, как блок анализа сети обнаружит, например, что напряжение стало слишком маленьким (действующее значение напряжения сети меньше хранящегося в памяти ИБП предельного значения), происходит переключение ИБП на режим работы от батареи. Во время работы ИБП от батареи, происходит переключение обмоток трансформатора. Через 1-2 секунды ИБП снова переходит к работе от сети, но за это время уже произошло переключение, и ИБП начинает выдавать повышенное с помощью автотрансформатора напряжение.
Усложнение алгоритма переключения необходимо для того, чтобы при переключении не возникали импульсные нагрузки. Ведь переключение взаимодействующих с сетью ИБП с режима работы от сети на режим работы от батареи и обратно происходит очень гладко, без значительных импульсов, даже при неблагоприятной фазе сетевого напряжения.
Это используется для регулирования напряжения и, несмотря на многочисленные переключения отводов автотрансформатора во время работы от сети, импульсные нагрузки на подключенные к ИБП компьютеры, не возникают.
Панель управления
Панель управления ИБП, взаимодействующего с сетью, включает сетевой выключатель, подающий напряжение к схеме управления ИБП. У некоторых моделей он одновременно подает сетевое напряжение к нагрузке.
Нажатие клавиши тестирования приводит к принудительному переключению ИБП на работу от батареи на несколько секунд. Наличие этой клавиши имеет меньшее значение, чем в случае ИБП с переключением, т.к. хорошие ИБП взаимодействующие с сетью имеют функцию самотестирования при включении.
Клавиша отключения звукового сигнала и клавиша "холодного старта" имеют (в случае их наличия) такие же функции, как и у ИБП с переключением.
Характеристики ИБП взаимодействующего с сетью
Мощность
Каждая фирма производитель ИБП выпускает несколько моделей ИБП взаимодействующих с сетью разных мощностей.
Максимальная мощность ИБП взаимодействующего с сетью видимо не превышает 12000 ВА. Это намного больше максимальной мощности ИБП с переключением. Увеличение мощности оказывается возможным за счет того, что переключение ИБП взаимодействующего с сетью на работу от батареи и обратно происходит гораздо плавнее (за счет постоянной синхронизации инвертора с сетью и синусоидального выходного напряжения). При таком переключении не возникают фазовые и амплитудные скачки. Это позволяет избежать сильной эрозии контактов переключателей.
КПД
Коэффициент полезного действия взаимодействующих с сетью ИБП имеет примерно такую же величину, как и у ИБП с переключением: до 99 %
Время работы от батареи
Обычные офисные ИБП взаимодействующие с сетью могут работать от батареи при номинальной нагрузке 5-15 минут. При уменьшении нагрузки время работы увеличивается несколько быстрее, чем уменьшается нагрузка.
Некоторые фирмы выпускают ИБП взаимодействующие с сетью, специально предназначенные для длительной работы от батареи. Максимальная длительность работы от батареи при полной нагрузке для таких ИБП может достигать нескольких дней. В этом случае единственным ограничением времени автономной работы ИБП является зарядное устройство, которое не в состоянии зарядить огромную батарею за разумное время.
Комплект поставки
В комплект поставки взаимодействующих с сетью ИБП, кроме самого прибора, входит один или два кабеля для подключения нагрузки.
Большинство производителей комплектуют ИБП кабелем для подключения к последовательному порту компьютера и математическим обеспечением для работы с наиболее распространенными сетевыми операционными системами.
Как правило в комплект поставки ИБП входит сам ИБП, руководство пользователя (иногда только на английском языке), один или два силовых кабеля для подключения компьютера к ИБП. Иногда поставляется кабель для подключения ИБП к сети. Если такого кабеля нет, то пользователю предлагается подключить ИБП к сети кабелем, отключенным от компьютера, а компьютер подключать к ИБП кабелем, поставленным вместе с ИБП.
Дополнительные возможности некоторых моделей ИБП. взаимодействующих с сетью
ИБП, взаимодействующий с сетью - это довольно сложный прибор, управляемый микропроцессором. Он может выполнять много не свойственных более старым моделям ИБП функций.
Например многие взаимодействующие с сетью ИБП, используя возможности своего блока анализа сети могут производить элементарный мониторинг электрической сети. Для этой операции, кроме ИБП требуется специализированное математическое обеспечение (см. соответствующий раздел) и компьютер. Результаты измерений напряжения, тока нагрузки ИБП, частоты и иногда других параметров, произведенных в течение нескольких часов или даже дней записываются на винчестер компьютера. Эти данные могут в дальнейшем использоваться для построения графиков, анализа электрической сети и подбора оборудования для системы бесперебойного питания.
Многие ИБП, взаимодействующие с сетью, могут быть оснащены адаптером SNMP, с помощью которого можно управлять работой ИБП средствами локальной сети. Эти возможности подробнее рассмотрены в главе "Взаимодействие ИБП с внешними устройствами".
Преимущества ИБП, взаимодействующих с сетью
По сравнению с ИБП с переключением, ИБП, взаимодействующие с сетью имеет много преимуществ.
Большая часть этих ИБП имеет синусоидальное выходное напряжение. Это позволяет радикально уменьшить импульсные нагрузки на блок питания компьютера при переключении ИБП с режима работы от сети на режим работы от батареи. Блок питания компьютера не пропускает к материнской плате компьютера никаких импульсов при работе от ИБП с синусоидальным выходным напряжением.
Регулирование выходного напряжения очень полезная функция ИБП, взаимодействующего с сетью. Даже ступенчатая стабилизация напряжения позволяет подключенному к ИБП оборудованию работать без перегрузок в довольно широком диапазоне входных напряжений. Переключение обмоток автотрансформатора ИБП с синусоидальным напряжением производится не непосредственно, а через режим работы от батареи. За счет некоторого усложнения процедуры переключения удается уменьшить импульсные нагрузки на подключенное к ИБП оборудование в момент переключения.
Наличие микропроцессора позволяет считать лучшие ИБП взаимодействующие с сетью одними из наиболее функционально совершенных с точки зрения выполняемых ими дополнительных функций. По количеству сервисных возможностей (регистрация параметров, дистанционное управление, поддержка протокола SNMP и др.) им не много равных среди других типов ИБП.
Недостатки ИБП, взаимодействующих с сетью
Как и ИБП с переключением, ИБП, взаимодействующие с сетью, обеспечивают только слабую защиту от импульсов и шумов. Если в электрической сети возможно появление сильных шумов, импульсов, искажений формы или скачков напряжения, приходится использовать ИБП других типов.
Как уже отмечалось, тщательный анализ электрической сети, проводимый некоторыми из этих ИБП, иногда оказывается чрезмерно строгим. Компьютеры и другое оборудование работают от сети, которую ИБП, взаимодействующий с сетью счел не соответствующей его высоким требованиям, и, в то же время, не смог исправить.
Чем отличается Back-UPS от Smart-UPS.
Каждый продавец источников бесперебойного питания отвечает на этот вопрос по несколько раз за день. Несмотря на море источников бесперебойного питания, продаваемых в России, именно это две модели используются наиболее часто, и наиболее часто являются предметом вопросов пользователей. Поэтому обойти этот вопрос просто невозможно. Различия между двумя ИБП приведены в таблице. Она относится только к упомянутым моделям фирмы АРС, но может (осторожно и с оговорками) использоваться и при сравнении других ИБП с переключением и ИБП, взаимодействующих с сетью.
Свойство | Back-UPS | Smart-UPS |
Форма выходного напряжения | Напряжение в виде прямоугольников с паузами | Синусоидальное напряжение (для моделей мощностью 700 ВА и более) |
Реакция на уменьшение напряжения | ИБП переключается на работу от батареи. | При уменьшении напряжения ниже 196 вольт ИБП поднимает напряжение на 12 %, переключаясь на другой отвод автотрансформатора. При дальнейшем уменьшении напряжения ниже 176 вольт ИБП переключается на работу от батареи. |
Реакция на увеличение напряжения | Не реагирует. | При увеличении напряжения выше 257 вольт ИБП понижает напряжение на 12 %, переключаясь на другой отвод автотрансформатора. При дальнейшем увеличении напряжения выше 280 вольт ИБП переключается на работу от батареи. |
Переключение на работу от батареи и обратно | Несмотря на хорошую синхронизацию инвертора с сетью, при переключении возникает ступенчатое изменение напряжения, которое не всегда может быть полностью погашено блоком питания компьютера или другого, подключенного к ИБП устройства. | Переключение сеть-батарея происходит более гладко. Возникающий провал напряжения как правило гасится блоком питания компьютера, и на материнскую плату подается постоянное напряжение без импульсов.Переключение батарея-сеть происходит практически незаметно. |
Возможности программной настройки | Отсуствуют | Настраиваются пределы переключения, задержки включения и выключения и т.д. |
Автоматическое тестирование | Отсуствуют | При каждом включении или каждые 7 (или 14) суток при непрерывной работе. |
Надежность ИБП | Надежный и неприхотливый прибор. | Надежен, чувствителен (иногда излишне) к фазовым и частотным искажениям напряжения. |
Надежность компьютерной системы, подключенной к ИБП | При использовании ИБП повышается за счет возможности работы во время отключений напряжения. | Позволяет создать более надежную компьютерную систему за счет принудительного тестирования ИБП, чувствительности ИБП к малейшим искажениям напряжения. В плохих электрических сетях часто переходит на работу от батареи (защищая при этом оборудование) и разряжает ее. |
Взаимодествие с компьютером | Базовые функции - подает сигналы о переключении на работу от батареи, разряде батареи, принимает сигнал на отключение ИБП. Регистрирует основные события в электрической сети на диске компьютера. | Кроме базовых функций, имеет массу дополнительных: включение и выключение по расписанию, регистрация напряжения в электрической сети и т.д. |
Защита оборудования | Защищает оборудование от потери данных при отключении или значительном кратковременном уменьшении напряжения. | Кроме функций Back-UPS защищает компьютер от выхода из строя при значительном повышении напряжения. Блок питания компьютера защищается от перегрузки при низких напряжениях и от части импульсных нагрузок. |
Назначение | Для защиты отдельных недорогих компьютеров, потеря данных или выход из строя которых не приводят к критическим для пользователя последствиям | Для защиты более дорогих (примерно до 5000 долларов) работающих отдельно компьютеров или недорогих файловых серверов, работающих в условиях хорошей электрической сети. |
Применение в очень плохих электрических сетях | Не рекомендуется | Не рекомендуется |