Совершенствование ИБП: этапы большого пути

Обеспечение качественным питанием ответственного оборудования при пропадании напряжения в сети — задача, которая является актуальной уже на протяжении длительного времени. Для ее решения всегда применялись различные электротехнические решения, которые многократно модернизировались с течением времени.

Потребность рынка в источниках бесперебойного питания (далее ИБП) продиктована требованиями сложного оборудования, которое с каждым годом становится более чувствительно к параметрам питающей сети. С момента своего появления ИБП претерпели ряд изменений, как технологических, так и принципиальных. Принципиальные изменения связаны с расширением сфер применения ИБП, а технологические стали возможны благодаря усовершенствованию элементной и электронной базы, из которых состоит ИБП.

Предпосылки создания

В 30-х годах XX века стали появляться прообразы ИБП — системы, где происходило выпрямление переменного тока, накопление электроэнергии в аккумуляторе и отдача в аварийной ситуации энергии в виде переменного тока. Для выпрямления тока тогда в основном использовались ртутные выпрямители, а для преобразования постоянного тока в переменный — умформеры и вибропреобразователи. Вся эта техника была не слишком надежной и требовала постоянного обслуживания. Поэтому системы бесперебойного питания на основе аккумуляторов применялись крайне редко, их создавали по уникальным проектам специально для конкретного объекта.

Точкой отсчета в развитии ИБП можно считать 1962 год, когда был создан первый мощный инвертор на полупроводниковых элементах. Эта схема постепенно заменила умформеры и вибропреобразователи, поскольку была намного более компактной и надежной, а также обеспечивала высокую мощность. Параллельно начали широко применяться мощные выпрямительные системы на основе полупроводниковых элементов — тиристоров.

С другой стороны, именно в начале 60-х годов XX века начала формироваться потребность в системах бесперебойного питания. Компьютеры вышли из научных лабораторий и стали широко применяться в разных отраслях экономики, а на заводах появилось оборудование, прекращение энергоснабжения которого на несколько минут приводит к его выходу из строя. В результате именно тогда стали появляться ИБП как готовые серийные изделия, рассчитанные на работу с самой разнообразной нагрузкой.

Трансформаторные ИБП и ИБП без трансформатора инвертора

Трехфазные ИБП первоначально строились на базе наиболее распространенных схем — тиристорных 6-пульсных выпрямителей и инверторов на полупроводниковых ключах (транзисторах) с широтно-импульсной модуляцией. В таких ИБП цепь постоянного тока напрямую соединяет выход выпрямителя, шину АКБ и вход инвертора.

При использовании тиристорного управляемого выпрямителя и шины постоянного тока с напряжением около 400 В типовая мостовая схема инвертора позволяла получить выходное напряжение с амплитудой около 300 В, в то время как для подключения нагрузки необходимо напряжение с амплитудой более 560 В (для действующего значения 400 В, характерного для большинства евроазиатских систем электроснабжения). Для повышения значения напряжения наиболее просто можно было решить с помощью повышающего трансформатора, который с тех пор стал неотъемлемой частью ИБП подобного типа. Попутно ИБП получил гальваническую развязку между шиной постоянного тока (АКБ) и выходом ИБП (нагрузкой).

Желание уменьшить габариты и вес ИБП (а на трансформатор в мощных устройствах может приходиться до 30 % и того и другого!) привело к разработке других схем преобразования, прежде всего в цепи постоянного тока. Наиболее часто применялась схема с так называемым бустером (или преобразователем постоянного тока, повышающим уровень напряжения). В таких схемах на вход инверторного моста подается вдвое большее напряжение — от 750 до 800 В, поэтому выходное напряжение инвертора полностью соответствует требованиям сетевых стандартов, повышающий трансформатор больше не нужен. Бестрансформаторные ИБП стали компактнее и легче, эффективность устройств выросла, а потери, прежде всего связанные с выделением тепла, существенно снизились.

Однако трансформаторная схема ИБП применяется достаточно широко до сих пор — прежде всего в рассчитанных на применение на промышленных объектах устройствах, для нагрузок с импульсным характером потребления, а также если требуется повышенный ток в режиме короткого замыкания.

Можно сделать вывод, что обе технологии нашли свои ниши, поскольку развитие и совершенствование конструкции ИБП как с трансформатором инвертора, так и без него продолжается. В частности, компания Kehua Tech выпускает ИБП с трансформатором инвертора мощностью до 600 кВА (серия FR-UK). Как развитие этой линейки были разработаны ИБП промышленного назначения серии FU-UK DL, которые имеют дополнительно трансформатор на входе (в составе 12-пульсного выпрямителя) и обеспечивают полную гальваническую развязку шины постоянного тока от сети и нагрузки. Благодаря повышенному IP31 и датчикам температуры критических компонентов эти ИБП отвечают всем требованиям для питания промышленного оборудования.

Что касается бестрансформаторных ИБП, то в гамме продукции Kehua Tech есть однофазные устройства до 40 кВА и трехфазные ИБП от 10 до 1200 кВА. Построенные с применением современных схемных и конструкторских решений, эти ИБП имеют отличные характеристики качества электроэнергии для питания нагрузки, удобный интерфейс и высокие показатели надежности. Компактность и небольшой вес упрощают их монтаж и размещение на объектах.

ИБП типа off-line

С широким распространением персональных компьютеров возник массовый спрос на маломощные компактные, «коробочные» продукты с невысокой ценой, которые могли бы быть легко доступными (в отличие от габаритных и дорогих трансформаторных источников бесперебойного питания). Разработчики быстро ответили на возникшую потребность рынка, были разработаны ИБП типа off-line или резервного действия. Такое определение они получили из-за особенностей работы: в штатном режиме нагрузка получала питание от сети, а при возникновении провалов, перенапряжений или отсутствии электропитания происходило переключение на питание от аккумуляторов через инвертор. Но здесь кроется и самый большой их недостаток: отсутствие эффективных фильтров для защиты питаемого оборудования, отсутствие регулирования (стабилизации) напряжения при работе от сети и ненулевое время переключения на АКБ. Выходной сигнал таких ИБП (при работе от АКБ) далек от синусоидальной формы и представляет собой меандр. Производители радиоэлектронных устройств не стояли на месте, появлялось все больше и больше устройств, требовательных к качеству электропитания, а все перечисленные выше факторы уже не позволяли использовать ИБП типа off-line повсеместно. Тем не менее устройства данного типа до сих пор широко применяются, благодаря их невысокой стоимости и компактным размерам.

Линейно-интерактивные ИБП

Производители отреагировали достаточно быстро на новые потребности рынка и стали появляться линейно-интерактивные ИБП, которые стоили несколько дороже ИБП типа off-line, но обеспечивали лучшую стабилизацию напряжения при работе от входной сети. Первые источники линейно-интерактивного типа имели сигнал аппроксимированной синусоиды, также имели ненулевое время перехода на АКБ, составляющее 5-15 миллисекунд. Требования рынка были неумолимы, и вскоре и эти параметры перестали отвечать его требованиям, что дало толчок к увеличению спроса на ИБП с двойным преобразованием.

ИБП типа on-line или двойного преобразования

ИБП типа онлайн имеют в основе принцип двойного преобразования. Сначала подаваемое на вход переменное напряжение преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем с помощью обратного преобразователя (инвертора) постоянное напряжение преобразуется в переменное. При этом АКБ подключается к точке соединения выпрямителя и инвертора. Благодаря такой схеме включения отсутствует бестоковая пауза при переходе инвертора на питание от АКБ, и нагрузка не испытывает даже краткосрочных перерывов в электропитании.
В линейке продукции компании Kehua Tech сейчас присутствуют только ИБП двойного преобразования, поскольку именно такой тип конструкции обеспечивает максимальное качество электроэнергии для любых типов потребителей.

ИБП и современность. Модульность как основной принцип построения ИБП

Современный бизнес отличается высоким динамизмом. Новые модели ИБП возникают раньше, чем происходит выход из строя или наступает срок плановой замены. Потребность в электропитании высокого качества может изменяться довольно существенно при изменениях рыночной ситуации, внедрении новых компьютерных технологий, появлении новых заказчиков. Обеспечение возможности наращивания системы и гибкое изменение конфигурации при сохранении высокого уровня готовности возможно благодаря построению систем по модульному принципу. Отличный пример — ИБП производства компании Kehua серии MR33, которые имеют мощностной ряд от 25 до 800 кВА с возможностью увеличения мощности до 3200 кВА. Одно из основных преимуществ модульного построения ИБП серии MR33 — возможность горячей замены отдельных элементов, критичных для работы системы.

Выбор конкретной модели ИБП всегда определяется техническим заданием заказчика. Именно заказчик владеет сведениями, на основании которых должен быть произведен подбор ИБП: требования к качеству питающего напряжения, мощность оборудования и режимы его работы — например, значительные пусковые токи, периодические токи с большим коэффициентом амплитуды, необходимость гальванической изоляции, допустимые для сети заказчика искажения тока, площадь под установку ИБП, время работы от аккумуляторных батарей и т. п.

Kehua Tech, как ответственный производитель ИБП, всегда готова выслушать заказчика и предложить индивидуальное решение под его конкретные нужды — это решение может быть трансформаторным или бестрансформаторным, модульным или моноблочным — любым, но опыт, интеллект и производственные ресурсы Kehua Tech всегда сделают это решение оптимальным для вашего бизнеса.