Мы продолжаем публикацию статей, посвященных проблемам электропитания и устройствам бесперебойного электроснабжения. В этой статье мы расскажем об основных элементах любой системы бесперебойного электропитания - бесперебойных источниках питания (UPS), их типах, основных характеристиках и структурных схемах.

На заре появления UPS, при отсутствии мощных высоковольтных полупроводниковых приборов, UPS разрабатывались и производились по простой и очевидной схеме, которая получила название off-line. Структурная схема off-line UPS показана на рис.1.

Функционирование такого UPS достаточно простое. При наличии входного напряжения переключатель в верхнем положении и входное напряжение транслируются на выход. При этом на входе и выходе могут быть установлены различного рода э/м фильтры.

Одновременно с помощью зарядного устройства производится заряд аккумуляторных батарей. Инвертор выключен или работает на холостом ходу.

При пропадании или существенном понижении входного напряжения переключатель автоматически переводится в нижнее положение, и на выход поступает напряжение от инвертора, который потребляет энергию, запасенную в аккумуляторных батареях.

Одним из основных качественных недостатков, не говоря об отсутствии стабилизации при работе от входного напряжения, является наличие перерыва подачи напряжения на нагрузку от 2 - 3 мс до 5 - 7 мс при переходе на питание от аккумуляторной батареи и обратно. Это явление часто вызывает сбои и помехи в работе чувствительной аппаратуры, и крайне нежелательно для потребителя.

В результате попыток устранения отдельных недостатков UPS off-line в дальнейшем начинают появляться различные модификации на основе той же структурной схемы (standby-ferro, standby on-line, line-interactive и др.).

Наиболее интересной и современной сегодня является модификация, получившая название line-interactive. Структурная схема представлена на рис.2.

Пример функционирования устройства аналогичен ранее рассмотренному UPS off-line. Однако при работе от входной сети 220 В 50Гц и колебаниях напряжения происходит автоматическое переключение отводов трансформатора бустера и на выходе UPS поддерживается напряжение с точностью 10%.

При пропадании напряжения на входе и перехода UPS на работу от аккумуляторных батарей переключатель переходит в нижнее положение и питание нагрузки происходит выходным напряжением инвертора. При этом напряжение на выходе инвертора имеет синусоидальную форму (на выходе инвертора UPS off-line прямоугольная), и оно стабилизировано по величине (точность стабилизации 1 - 3%).

Однако наличие контактных переключателей и низковольтного инвертора не позволило UPS класса off-line и line-interactive в массовом порядке перейти рубежи мощностей 3 - 6 kVa.

Вместе с тем время шло, и аппаратура потребителей (ПЭВМ, РЭА и т.д.) требовала увеличения мощности и повышения качества напряжения электропитания.

С появлением соответствующей полупроводниковой элементной базы (транзисторов, тиристоров, и т.д.) появилась новая структура UPS, которая получила название on-line или UPS с двойным преобразованием. В них вся энергия, необходимая для нагрузки, дважды преобразуется на пути следования со входа к выходу. Первое - преобразование из переменного входного в постоянное напряжение заряда батареи и питания инвертора. Второе - постоянное напряжение питания инвертора преобразуется в синусоидальное стабилизированное выходное напряжение UPS. Структурная схема UPS, построенного по этому принципу, приведена на рис.3.

В штатном режиме работы регулируемый выпрямитель обеспечивает поддержание на аккумуляторной батарее напряжения, необходимого для поддержания ее в заряженном состоянии. На входе инвертора - постоянное напряжение, равное напряжению на батарее. Можно сказать, что инвертор питается через аккумуляторную батарею. Инвертор, как уже говорилось, формирует на выходе синусоидальное стабильное напряжение.

В случае пропадания входного напряжения переменного тока, инвертор продолжает питаться от аккумуляторной батареи и в его работе никаких изменений, как и в выходном напряжении UPS, не происходит.

Таким образом, практически любые аварийные ситуации или возмущения во входных сетях переменного тока никак не сказываются на выходном напряжении UPS класса on-line, а значит, и подключенной к нему нагрузке.

Дополнительным звеном UPS является обходной переключатель. Его замыкание приводит к непосредственной передаче на выход входного отфильтрованного сетевого напряжения. Это необходимо в нескольких случаях.

Если при включении импульсной нагрузки кратковременные импульсные токи включения многократно превышают возможности инвертора. Замыкание обходного переключателя позволяет подать на это время дополнительную энергию непосредственно со входа.

При наличии двух входных сетей и подключения входа выпрямителя к первой, а обходного переключателя - ко второй. При выходе из строя первой сети и разряде аккумуляторной батареи обходной переключатель замыкается и подает на нагрузку напряжение от второй сети.

При аварии электронной преобразовательной части нагрузка продолжает получать электропитание через замкнутый обходной переключатель. Характерные примеры UPS различных типов приведены в таблице.

Необходимо отметить, что в статье приведены типичные структурные схемы. В настоящее время, по мере развития полупроводниковых технологий, особенно в части мощных, высокочастотных приборов, появляются новые, чрезвычайно интересные схемотехнические и идеологические решения. В этом плане особенно интересными являются модели UPS PWA40 и Profile.

За счет высокочастотного преобразования мощности, быстродействующих п /п обходных ключей и развитого микропроцессорного управления резко сокращены габариты UPS, но самое главное, реализована возможность программного включения/выключения принципиально нового экономичного режима работы.

Суть его в том, что при удовлетворительных параметрах входного сетевого напряжения питание нагрузки осуществляется через обходной ключ. Мощный быстродействующий процессор непрерывно анализирует параметры входной сети и при отклонении их без перерыва питания нагрузки подключает на выход UPS напряжение с выхода инвертора, а UPS переходит в стандартный режим on-line.

Работа UPS в экономичном режиме позволяет, с учетом кратковременных переходов в стандартный режим on-line, получать КПД до 99%, чрезвычайно низкую тепловую выделяемую мощность и соответственно повышенную надежность UPS.

Все управление режимами работы этими UPS производится программно через порт PS232.

Необходимо одновременно отметить, что практически все UPS, выпускаемые в настоящее время ведущими фирмами-производителями, независимо от типа оснащены микропроцессорным контролем и способны работать во взаимодействии с компьютерными сетями и отдельными компьютерами.

Андрей Гольдинер