Совершенствование ИБП: этапы большого пути

Обеспечение качественным питанием ответственного оборудования при пропадании напряжения в сети — это 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.

Трансформаторный ИБП Kehuaсерии FR UK DL 50 кВА

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.

ИБП Kehua модульного типа MR 33 800 кВА

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.