Источник бесперебойного питания: его функции и особенности работы домашних ИБП

Для обеспечения стабильной работы электрооборудования в случае перебоев с электричеством используются источники бесперебойного питания. В зависимости от того, какие устройства будут подключены и какие параметры электроэнергии требуются, необходимо выбирать определенные модели. Эти устройства весьма популярны, поэтому найти подходящую модель с нужными характеристиками не составит труда.

Перед покупкой важно разобраться в их особенностях самостоятельно, не полагаясь на мнения менеджеров, которые заинтересованы в продаже.

В данном материале мы проанализируем конструкцию и принципы работы ИБП, а также ознакомим с рекомендациями по их эксплуатации.

Схемы работы ИБП переменного тока

Для повседневного использования применяются источники бесперебойного питания, которые подключаются к однофазной сети с напряжением 220 В и способны обеспечить питание потребителей, требующих аналогичного напряжения в течение определенного времени при отсутствии электроэнергии.

Существуют также ИБП, которые подключаются к трехфазным сетям и обеспечивают выходное напряжение 380 В или 220 В. Однако такие устройства стоят значительно дороже и используются в ситуациях, когда требуется автономная мощность в 10 кВА, что не актуально для домашних нужд.

На бытовые ИБП переменного тока можно разделить на несколько типов по принципу работы:

• резервные (оффлайн);
• интерактивные (линейно-интерактивные);
• двойного преобразования (онлайн).

Эти типы различаются по качеству выходного напряжения и стоимости. Резервные модели являются самыми экономичными, тогда как устройства с двойным преобразованием стоят дороже всего.

Резервный источник питания, по своей конструкции, включает переключающее реле и систему пассивной фильтрации для снижения помех.

Чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, в зарядном устройстве устанавливается выпрямитель, а обращение процесса осуществляется с помощью инвертора.

В источниках бесперебойного питания для переключения между сетью и аккумулятором чаще всего используют обычные электромеханические реле. Если реле сделано качественно, его служебный ресурс может хватить на весь срок эксплуатации ИБП. Однако именно эта часть конструкции зачастую выходит из строя в случае поломки устройства.

Интерактивная схема питания выделяется от резервной наличием стабилизатора напряжения, который представлен в виде традиционного автотрансформатора с соединёнными обмотками.

Стабилизация напряжения встречается также во многих домашних устройствах, поэтому при малозначительных колебаниях нет необходимости использовать более дорогую линейно-интерактивную модель.

Поскольку в конструкции часто предусмотрен трансформатор, производители вынуждены устанавливать принудительное охлаждение с помощью вентиляторов, которые могут издавать шум, сопоставимый с работой системного блока компьютера.

В устройствах онлайн питания инвертор постоянно получает питание от аккумуляторов, что устраняет время переключения на резервное питание при сбоях в электросети.

Самыми сложными и дорогими являются источники двойного преобразования, но их эффективность (КПД) зачастую ниже. Это приводит к потерям электроэнергии в виде тепла, выделяемого устройством, поэтому обоснование их использования важно.

Ключевым преимуществом таких источников является мгновенное реагирование на отключение электроэнергии, однако для большинства бытовых устройств это не критично. Например, компьютеры чаще всего комплектуются резервными или интерактивными ИБП.

Ключевые характеристики

На сегодняшний день на рынке представлено множество моделей бытовых источников бесперебойного питания. Чтобы правильно выбрать подходящий вариант, необходимо учитывать ключевые параметры.

Основные технические характеристики

Выходная мощность устройства определяет максимальное значение, которое источник сможет обеспечить подключенному оборудованию. Она измеряется в вольт-амперах (В·А) и для удобства пользователей часто также приводится в ваттах.

Чтобы измерить нагрузку приборов, можно воспользоваться амперметром или рассчитать её на основе показаний счетчика, установленного в квартире.

Для определения потребляемой энергии можно использовать бытовой амперметр (ваттметр), подключаемый к розетке. Прибор нужно переключить в режим максимального потребления.

При вычислении реальной мощности компьютера не стоит опираться только на номинал блока питания, так как его часто приобретают с запасом.

Если амперметра нет, следуйте следующему алгоритму:

1. Отключите все цепи в щитке, кроме той, на которой подключён компьютер.
2. Выключите все устройства на этой цепи.
3. Включите компьютер и запустите на нём знакомую программу (например, видео на YouTube).
4. Проследите за счетчиком до тех пор, пока значение десятой доли киловатта не изменится.
5. Засеките время до следующего изменения.

Средняя потребляемая мощность (P, ватт) за этот период (t, мин) может быть рассчитана по формуле:

P = 100 * (60 / t)

Следующий важный параметр – это период автономной работы. Этот показатель зависит от нагрузки, которую испытывает ИБП в данный момент. При полной нагрузке аккумуляторы многих моделей работают всего 1-3 минуты, а при меньшей нагрузке – значительно дольше (до 10 минут).

Диаграмма зависимости времени автономной работы от средней нагрузки демонстрирует нелинейный характер этой связи, что обусловлено способом разрядки аккумуляторов.

Из этого следует два вывода:

• При отключении электроэнергии необходимо как можно больше снизить нагрузку на приборы.
• Рекомендуется выбирать ИБП с запасом мощности минимум в 30% относительно расчетной.

Диапазон входного напряжения указывает минимальные и максимальные допустимые значения напряжения в сети, при которых не произойдет переключение на аккумуляторы. Обычно ИБП функционируют в диапазоне от 180 до 260 В.

Некоторые производители могут предлагать весьма привлекательные (рекламные) характеристики, например, нижнее значение в 110 В. Но стоит убедиться, что эти цифры верны для максимальной нагрузки, а не при половинной.

Еще один важный технический аспект – уровень шума. ИБП, созданные по линейно-интерактивной или онлайн-технологиям, выделяют много тепла, поэтому часто комплектуются вентиляторами. Если вентиляторы не высокого качества, спустя время они могут начать издавать шум, что нежелательно в жилых помещениях.

Интерфейс и настройка

Внешний вид источников бесперебойного питания может варьироваться, однако чаще всего они имеют прямоугольную форму. На передней панели находятся индикаторы или дисплей, а на задней – силовые разъемы. Количество выходов не так критично, так как можно использовать удлинитель и тройник без ущерба для функционирования ИБП.

Некоторые модели могут быть оснащены ЖК-дисплеем, отображающим состояние питания, количество подключенных устройств, заряд аккумулятора и т.д.

Наличие системы индикации позволяет снизить стоимость оборудования и повысить его удобство. Если нужно узнать параметры, у многих моделей есть возможность подключения к компьютеру.

Для получения информации о состоянии электроснабжения, состоянию аккумуляторов и функциональности устройства, можно подключить ИБП к ПК. Многие модели имеют такую возможность и комплектуются подходящим программным обеспечением.

Существует три основных типа интерфейсов:

• USB. Наиболее распространенный способ соединения компьютеров и ИБП.
• RS-232 (COM-порт). Редко встречается в бытовых устройствах.
• Ethernet 10/100. Используется для удаленного управления источником бесперебойного питания.

Программное обеспечение для получения данных с ИБП и его контроля разработано не только для различных версий Windows. Например, известная компания Powercom предлагает Android-версию ПО, позволяющую удаленно следить за состоянием питания и при необходимости управлять работой источника бесперебойного питания.

Программное обеспечение позволяет отслеживать основные параметры электросети, такие как входное и выходное напряжение, частоту, уровень зарядки аккумуляторов и температуру устройства.

ИБП обычно размещают близко к защищаемым устройствам. Как правило, их устанавливают на пол или на полке. Некоторые модели имеют крепления для настенной установки.

Качество выходного тока

Источники бесперебойного питания должны обеспечивать ток необходимого качества. При работе от батарей это обеспечивает инвертор, а при питании от сети важную роль играют фильтры и стабилизаторы. Помехи в электрической цепи могут быть различного происхождения и вызывать различные реакции у электроники. Поэтому необходимо тщательно разобраться в этом вопросе.

Сетевые помехи и защита

Современные ИБП всегда оборудованы защитными механизмами от различных проблем со стороны используемых устройств. Если общая нагрузка превышает максимальные допустимые значения или возникает короткое замыкание, источник бесперебойного питания немедленно отключит питание.

Помехи в сети можно условно разделить на две категории: частотные и импульсные. Первые представляют собой меньшую угрозу, особенно для блоков питания компьютеров и телевизоров, которые преобразуют переменный ток в постоянный. Вторые являются более проблематичными для электроники.

Поэтому большинство ИБП комплектуются защитой от импульсов и гармоник с использованием варисторов и высокочастотных фильтров.

Удаление помех из электрической цепи осуществляется в два этапа. Сначала варисторы блокируют высокочастотные импульсы, затем фильтр сглаживает оставшиеся колебания.

Проблема возникновения высоковольтных импульсов касается не только силовых кабелей, но также и сетей, отвечающих за передачу данных – как компьютерных, так и телефонных. Эти импульсы могут быть вызваны атмосферным электричеством, повреждениями проводки, электрическими наводками и другими факторами.

Множество производителей предлагает устройства, способные обеспечить защиту локальных сетей. Такие источники бесперебойного питания (ИБП) имеют два разъема RJ-45: один для входа, другой – для выхода. Сигнал проходит через фильтр, который гасит скачки напряжения. Для телефонных линий используется аналогичная система, но с разъемами формата RJ-11.

Низковольтные и высоковольтные системы

Коррекция напряжения осуществляется через автоматический регулятор напряжения (AVR), в основе которого лежит автотрансформатор. Его работа основана на изменении числа витков в одной из обмоток, что приводит к изменению напряжения вверх или вниз.

Внедрение AVR в ИБП исключает необходимость включения автономного режима при небольших отклонениях напряжения от установленных норм, что значительно продлевает срок службы батарей.

Профессиональные мультиметры, такие как CEM DT 9909, могут длительное время фиксировать уровень напряжения. Использование такого устройства поможет при выборе стабилизатора или ИБП.

В соответствии с ГОСТ 29322-2014 разрешается 10%-ное отклонение напряжения от стандартного уровня в течение не более чем одного часа. Современные ИБП с регуляторами способны справляться с такими колебаниями.

Качество выходного сигнала

Тип выходного сигнала зависит от инвертора, установленного в ИБП. Оптимально, если форма кривой переменного тока будет синусоидальной, однако, после работы инвертора она может принимать ступенчатую форму.

Чем больше ступеней на кривой зависимости мгновенного напряжения от времени, тем выше качество переменного тока. Это критически важно для некоторых устройств.

Для техники с асинхронными электродвигателями (например, холодильников и кондиционеров) или трансформаторными блоками питания (высококачественная аудиотехника) требуется либо чистая, либо хорошо аппроксимированная синусоида.

Следует отметить, что ни один инвертор, и соответственно ИБП, не генерирует идеальную синусоиду, даже если такие сведения указываются в рекламных материалах производителей. Качество выхода к синусоиде измеряется по коэффициенту нелинейных искажений (THD).

Рекомендации по эксплуатации ИБП

Покупая бесперебойник для резервного питания, важно понимать, с какими устройствами его можно использовать. Нередко только ИБП оказывается недостаточным и могут понадобиться дополнительные меры по обеспечению электроснабжения в доме.

Подключение бытовых приборов

Компьютеры, модемы, роутеры, аудио- и видеоустройства – это стандартные приборы, которые обычно подключаются к бесперебойникам. Для техники с обычными импульсными блоками питания подойдут относительно недорогие модели, которые могут выдавать не идеальную синусоиду.

Современные ИБП компактны и имеют привлекательный внешний вид, что позволяет им гармонично вписываться в интерьер жилого помещения.

Для освещения не обязательно приобретать дорогие модели. Главное – правильно рассчитать максимальную мощность и время работы в автономном режиме.

При частых отключениях важно решить проблему незапланированной разморозки холодильников и порчи продуктов. Для защиты такого оборудования с асинхронными двигателями понадобятся более сложные ИБП, так как нужен «чистый» синусоидальный сигнал.

Также следует учитывать стартовые токи, возникающие при запуске двигателя. Упрощенно, для холодильного оборудования стартовые токи можно определить, умножив номинальную мощность на 5.

Если, к примеру, на кухне имеется холодильник мощностью 300 Вт (с пусковым током 1500 Вт) и морозильная камера на 200 Вт (при запуске – 1000 Вт), то необходимо устройство с чистой синусоидой и максимальной мощностью не менее 1700 Вт. Эта цифра получается, учитывая, что морозильник будет работать во время запуска холодильника. При этом одновременный запуск обоих устройств маловероятен, а выбранный ИБП будет способен справиться с односекундным всплеском до 2,7 кВт.

ИБП онлайн типа с максимальной мощностью 2000 Вт может проработать около 30 минут при общем потреблении 500 Вт. Учитывая, что режим охлаждения длится около 5 минут, бесперебойник гарантированно обеспечит 6 запусков обоих устройств.

В загородных домах также часто используются ИБП для поддержки систем отопления с принудительной циркуляцией, так как насосам требуется чистый синус.

Кроме того, бесперебойники активно задействуются в рабочих газовых отопительных котлах. Учитывая стоимость подключаемого оборудования, экономия на качестве ИБП в данном случае неуместна.

Резервное и дополнительное электропитание

Для ряда бытовых приборов трудно подобрать доступный ИБП, так как потребуется высокая максимальная мощность в течение продолжительного времени. Стиральные машины, электробытовые печи и кондиционеры потребляют много электроэнергии.

Конечно, без этих устройств можно обойтись во время отключения электроэнергии. Это целесообразно, если перебои случаются редко и на короткое время. Однако если принято решение организовать автономное питание мощных потребителей, лучше использовать бензиновый или дизельный генератор. Для их быстрого запуска при отсутствии электричества применяется система автоматического ввода резерва (АВР).

Наличие дополнительного источника питания делает использование ИБП оправданным, хотя бы для компьютеров. Мгновенно запустить генератор и вернуть электроснабжение нельзя.

Стабилизация пониженного напряжения

Проблема пониженного напряжения актуальна для объектов, подключенных к устаревшим или маломощным электросетям. Если такая ситуация имеет постоянный характер, целесообразнее применять входной стабилизатор.

При использовании стабилизатора, напряжение в внутридомовой сети будет соответствовать установленным нормам. Это также отразится на устройствах, не подключенных к ИБП.

При падении напряжения возрастает сила тока в сети. К примеру, предположим, что общая мощность приборов, подключенных к ИБП, составляет 1,5 кВт, а подаваемое напряжение — 190 В.

• I₁ = 1500 / 190 = 7,9 A – сила тока в цепи до ИБП без стабилизатора;
• I₂ = 1500 / 220 = 6,8 A – сила тока в цепи до ИБП со стабилизатором.

Таким образом, внутридомовая сеть без стабилизатора испытывает повышенные нагрузки, что может не учитываться при выборе сечения проводки.

Поэтому при систематическом понижении напряжения целесообразно установить стабилизатор. Это позволит снизить нагрузку на автотрансформатор ИБП, что продлит его срок службы. Также, принимая во внимание корректировку напряжения, можно рассмотреть возможность покупки более экономичных бесперебойников.

Бесперебойное питание для устройств постоянного тока

Некоторым устройствам необходимо бесперебойное питание постоянным током напряжением 12, 24 или 48 В. ИБП такого типа также доступны на рынке. В их обозначении присутствует аббревиатура «DC». Есть модели, которые подают напряжение 60, 110 или 220 В, но они в основном применяются в промышленности или энергетике.

Основное отличие ИБП постоянного тока от традиционных моделей заключается в отсутствии инвертора. Аккумуляторы подключаются непосредственно к выходу через контактор с токограничительным шунтом для предотвращения чрезмерного разряда батарей.

Иногда на выходе располагается стабилизирующий конвертор, если подключенные к ИБП устройства чувствительны к незначительным колебаниям напряжения.

Совместно с преобразователями напряжения, ИБП постоянного тока на 48 В может обеспечить питание системы видеонаблюдения, охватывающей периметр до 1 км.

Данные резервные источники питания предназначены для защиты следующего оборудования, работающего на постоянном токе:

• систем видеонаблюдения и охраны;
• разных сенсоров (например, утечки, дыма, огня, движения и т.д.);
• систем освещения;
• телекоммуникационных устройств;
• систем связи;
• элементов системы «умный дом».

Многие ИБП постоянного тока могут быть расширены внешними аккумуляторами. В этом случае автономная работа обслуживаемых устройств может быть значительно продлена.

Заключение и полезное видео по теме

Основные характеристики бытовых ИБП:

Разнообразие типов ИБП и их характеристик обусловлено разными условиями эксплуатации: мощностью и типами подключаемых приборов, проблемами конкретных электросетей и т.д. Часто бесперебойник не является самым дорогим элементом в системе, но от его качества зависит стабильность работы всей системы. Поэтому важно правильно определить условия использования и тщательно подойти к выбору подходящей модели.

Если у вас остались вопросы по теме статьи или вы можете дополнить этот материал интересной информацией о ИБП, пожалуйста, делитесь своими комментариями и опытом в блоке ниже.