Топология ИБП: STAND-BY, ON-LINE, LINE-INTERACTIVE и DELTA CONVERSION

ТОПОЛОГИЯ ИБП: STAND-BY, ON-LINE, LINE-INTERACTIVE И DELTA CONVERSION.

Системы ИБП (источник бесперебойного питания) обеспечивают защиту от нарушений электропитания, поддерживая непрерывное питание для критических нагрузок. Если подходить к ним как к «черному ящику», то все ИБП выглядят одинаково и обеспечивают электропитание нагрузки при всех отклонениях входного источника, лежащих в пределах допусков и спецификаций ИБП. Тем не менее с точки зрения применения и конструкции ИБП существует несколько различных типов и топологий систем, которые в конечном счете могут определять качество обслуживания нагрузки. Выбрав неподходящий ИБП, можно получить чрезмерно дорогое и/или ошибочное решение. В данной статье рассматриваются принципы, лежащие в основе наиболее популярных имеющихся на рынке топологий, включая технологии резервного, линейно-интерактивного и гибридного ИБП, двойного преобразования и дельта-преобразования.

Резервный ИБП.

Топология резервного ИБП (standby) обычно применяется в однофазных системах мощностью от 100 до 600 ВА и оптимальна в домашних условиях, а также у пользователей настольных компьютеров в малых и домашних офисах. Как иллюстрирует рис.1, резервный ИБП состоит из переключателя нагрузки, устройства зарядки батарей, батареи и инвертора. В условиях нормальной работы переключатель нагрузки находится в показанном на рисунке положении, так что нагрузка питается от электросети. Устройство зарядки батарей включено все время, чтобы гарантировать полный заряд батарей. Инвертор в нормальном состоянии выключен. При обнаружении отклонений на входе от электросети (потери электропитания или выхода среднеквадратичного напряжения и/или частоты за допустимые пределы) инвертор включается, и переключатель нагрузки соединяет его с нагрузкой. Нагрузка продолжает работать, пока батареи в состоянии обеспечивать ее питание в случае длительного сбоя электросети.

Рис.1. Топология резервного ИБП. При выходе входного источника за допустимые пределы переключатель нагрузки соединяет нагрузку с инвертором, преобразующим постоянный ток в переменный.

Существует несколько вариантов резервной топологии, в том числе ИБП с квазисинусоидальной волной (Quasi Sine Wave), синусоидальной волной с широтно-импульсной модуляцией (Pulse Width Modulated (PWM) Sine Wave) и феррорезонансные ИБП (Ferroresonant). Для каждого из них характерны свои особые преимущества и области применения. Например, конструкция феррорезонансного ИБП включает выходной трансформатор, обеспечивающий естественную изоляцию от кратковременных изменений напряжения и других возмущений, связанных с входной линией. В то же время из-за высокого импеданса трансформатора вызванные нелинейностью компьютерной нагрузки гармонические искажения выходного напряжения инвертора обычно оказываются выше, чем для резервного ИБП с PWM-управлением.

Линейно-интерактивный ИБП

Базовая схема линейно-интерактивной топологии (Line-Interactive) представлена на рис.2. Как и в резервных ИБП, питание нагрузки в нормальных условиях осуществляется от электросети через переключатель нагрузки. Однако на этом сходство заканчивается.

В линейно-интерактивной конструкции двунаправленный инвертор всегда включен. Эта особенность обеспечивает постоянную зарядку батарей на холостом ходу а благодаря тому, что инвертор всегда включен и соединен с нагрузкой, достигается естественная фильтрация выходного напряжения. Таким образом, нагрузка получает гораздо более чистую и менее искаженную форму волны напряжения, чем в случае технологии резервных ИБП. Кроме того, входная линия от электросети включает трансформатор с переключением выводов, позволяющий регулировать напряжение у источника. Тем самым сводится к минимуму число переключений на инвертор, что приводит к повышению надежности и сокращению возможных кратковременных изменений напряжения при переключении.

Благодаря более чистому выходному напряжению и превосходной регуляции линейно-интерактивная конструкция, как правило, применяется в более критических приложениях, включая малый бизнес, Web-серверы, станции точек продаж и т.д. Доступны однофазные ИБП мощностью от 500 до 5000 ВА.

Рис. 2. Линейно-интерактивная топология. В нормальных условиях переключатель нагрузки находится в показанном на рисунке положении. Трансформатор с переключением выводов обеспечивает регуляцию напряжения у источника, тем самым сводя к минимуму число переключений на батареи при выходе питания от сети за допустимые пределы.

ИБП с двойным преобразованием.

Как и предполагает название, в этой топологии для защиты электропитания критической нагрузки применяются две стадии преобразования напряжения. Рис.3 показывает, что ИБП с двойным преобразованием (double conversion) состоит из трех основных блоков: выпрямителя/устройства зарядки, инвертора и переключателя статического байпаса. В нормальном режиме поток электроэнергии проходит из входа от электросети через выпрямитель/устройство зарядки на инвертор и далее на нагрузку. Выпрямитель/устройство зарядки преобразует входной переменный ток в выпрямленный и отфильтрованный постоянный. Источник постоянного тока обеспечивает зарядку батареи на холостом ходу и одновременно питает инвертор.

Рис. 3. Топология двойного преобразования. Выпрямитель/устройство зарядки преобразует входной переменный ток в постоянный. Инвертор преобразует постоянный ток в отфильтрованный переменный для питания критической нагрузки. Во время сбоя электропитания батареи разряжаются через инвертор и поддерживают работу нагрузки.

Линия статического байпаса

Инвертор осуществляет электронное преобразование постоянного тока в переменный для использования нагрузкой. В условиях сбоя электропитания работа выпрямителя невозможна, и в это время батареи разряжаются через инвертор и поддерживают работу нагрузки. Батареи обеспечивают нагрузку до их истощения или до момента возобновления электропитания (от электросети или генератора), когда восстанавливаются нормальные рабочие условия. В случае сбоя компонентов внутри самого модуля ИБП включается переключатель статического байпаса (обходного режима), осуществляющий быстрый перенос критической нагрузки на линию статического байпаса по принципу «замыкание, затем размыкание», В отличие от резервных и линейно-интерактивных конструкций, в топологии двойного преобразования линия статического байпаса применяется для того, чтобы обеспечить работу нагрузки при неожиданных проблемах с основным путем электропитания. Наличие линии байпаса гарантирует, что нагрузка всегда остается включенной и не зависит от любых плановых или внеплановых внешних событий.

Среди других компонентов этой топологии:

• Дополнительный входной трансформатор (обычно используется, если входной источник электропитания отличается от номинальных характеристик входа ИБП)
• Дополнительный входной фильтр гармонических искажений, позволяющий сократить обратный перенос вредных искажений тока на источник от выпрямителя/устройства зарядки
• Демодулятор, во многом напоминающий демодуляторы в радиоприемниках, обеспечивает устранение несущей от переключения и доставку на нагрузку чистого синусоидального напряжения
• Выходной контактор инвертора для изоляции инвертора от линии статического байпаса
• Статический переключатель для гладкого переноса нагрузки в случае сбоя компонентов ИБП
• Контактор обратного питания, который открывается при сбое статического переключателя и подаче питания обратно на источник

ИБП с двойным преобразованием выпускаются как для однофазной, так и для трехфазной топологии. Индивидуальные устройства трехфазного типа имеют мощность от 10 до нескольких сотен кВА, а также допускают параллельное соединение с мощностью до 4000 кВА. Однофазные устройства достигают мощности 16 кВА, но выше этого уровня не используются, поскольку при высокой мощности трехфазное электропитание становится более целесообразным. Т.е. ИБП с большой мощностью выпускаются трехфазными.Типичный рабочий диапазон для однофазного семейства устройств с двойным преобразованием простирается от 4 до 16 кВА.

ИБП с дельта-преобразованием.

Дельта-преобразование (Delta Conversion)— это новаторская топология, которая опирается на непрерывный прогресс теории управления и силовой электроники и позволяет соединить такие черты, как высокая эффективность линейно-интерактивной топологии и превосходная регуляция выходного напряжения в технологии двойного преобразования. Устройства этой топологии охватывают диапазон от 10 до 500 кВА и, как и при двойном преобразовании, допускают параллельное соединение для достижения еще более высокой мощности.

На рис.4 представлена базовая схема одной линии с топологией дельта-преобразования.

Рис.4. Топология дельта-преобразования. Главный статический переключатель препятствует обратному питанию входного источника в случае сбоя входа; дельта-инвертор в сочетании с дельта-трансформатором управляет формой входной волны тока для поддержания единичного входного коэффициента мощности: главный инвертор регулирует выходное напряжение, обеспечивая отсутствие искажений; в нормальных условиях ток протекает к нагрузке по линии чистого питания. Контактор обратного питания, переключатель статического байпаса, демодулятор и выходной контактор инвертора выполняют такие же функции, как в топологии двойного преобразования.

Эта топология включает два основных компонента— дельта-инвертор и главный инвертор. Дельта-инвертор в сочетании с дельта-трансформатором предназначен для управления формой

входной волны тока для сохранения ее синусоидальности. Синусоидальный входной ток обеспечивает единичный входной коэффициент мощности, что делает данную топологию дружественной к электросети. С точки зрения источника вход ИБП напоминает лампу накаливания, а не создает несинусоидальный ток, как большинство трехфазных выпрямителей / устройств зарядки. Главный инвертор выполняет две функции: (1) осуществляет зарядку массива батарей на холостом ходу во многом так же, как выпрямитель в топологии двойного преобразования, (2) регулирует выходное напряжение на нагрузке, поддерживая его синусоидальность, чистоту и отсутствие искажений.

В условиях нормальной работы ток протекает к нагрузке по линии чистого питания. В то же время логика ИБП управляет дельта-инвертором/дельта-трансформатором, обеспечивая динамический электронный контроль формы входной волны тока. Рис.3 показывает, что электронный контроль превосходит возможности пассивного контроля с помощью фильтра гармонических искажений (THD). В случае фильтра THS возникновение резонансных условий невозможно, а при использовании LC-фильтра это иногда происходит.

В то же время управление главным инвертором осуществляется таким образом, чтобы обеспечить регуляцию выходного напряжения и одновременно зарядку батарей на холостом ходу Общий фактор, позволяющий одновременно выполнять все эти функции, связан с уровнем напряжения на шине постоянного тока. Точный контроль этого уровня с помощью развитых процессоров цифровой обработки сигналов (DSP) и самых современных схем управления широтно-импульсной модуляцией (PWM) гарантирует высокую производительность системы ИБП.

В условиях сбоя электропитания ток по линии чистого питания больше не идет, и батареи разряжаются через инвертор, поддерживая работу нагрузки. Как и для других ИБП, нагрузка продолжает работать, пока в батареях остается достаточный запас энергии или пока не будет восстановлен входной источник электропитания.

Топология с дельта-преобразованием применяется в трехфазных системах с мощностью от 10 до 500 кВт для одиночного модуля и до нескольких тысяч киловатт при параллельном соединении. Обратите внимание, что здесь мощность указана в кВт а не в кВА, как для рассмотренных выше топологий. В отличие от других топологий, технология дельта-преобразования может использоваться с полной мощностью.

Заключение.

Существует несколько различных типов и топологий систем ИБП, и выбор подходящего решения иногда может оказаться непростым делом. Основные доступные технологии (в том числе резервные и линейно-интерактивные ИБП, системы с двойным преобразованием и дельта-преобразованием} ориентированы на конкретные задачи и приложения. Опираясь на внимательные исследования, тесное сотрудничество с производителями, помощь инженеров-консультантов и другие источники поддержки, можно значительно упростить перебор различных технологий в поисках удачного варианта для конкретного приложения.

Все ИБП производства АРС начального уровня, кроме Back-UPS, имеющего топологию stand-by, построены по топологии line-interactive, некоторые модели Smart-UPS и все модели Symmetra имеют топологию on-line, продуктовая линейка Silcon построена на топологии Delta Conversion.

Наконец следует отметить, что для рассмотренных выше топологий иногда применяются другие названия или описательные характеристики. Например, при обсуждении конкретных технологий ИБП широко применяется термин «онлайновый» (On Line). Необходимо иметь в виду, что этот термин относится к условиям работы и не описывает какую-то конкретную топологию или технологию. Например, можно назвать ИБП «онлайновым ИБП», не указав, какую именно из приведенных выше топологий он в действительности использует Такое описание будет неточным, поскольку по официальному определению IEEE онлайновым является ИБП, в котором инвертор всегда включен (ON). С учетом этого определения термин «онлайновый ИБП» может относиться к линейно-интерактивной топологии, двойному преобразованию или дельта-преобразованию. Таким образом, всегда лучше выбирать систему ИБП не только по названию или описанию, но и на основе внимательного анализа ее спецификации, производительности и общего соответствия требованиям конкретного приложения.

Стоит ли пользователю платить дополнительные деньги?

Насколько важны эти качества для обеспечения надежного электропитания электронной техники? Вопрос не случайный, потому что ИБП on-line стоят намного дороже ИБП stand-by и line-interactive.

1. Нулевое время переключения.

Ассоциация Изготовителей Делового Компьютерного Оборудования (СВЕМА — Computer Business Equipment Manufacturers Association) издала рекомендации, одобренные IEEE, согласно которым компьютер должен быть способен выдерживать перерыв в питании минимум 8.3 мс. В настоящее время все производители вычислительной техники снабжают свои компьютеры блоками питания, соответствующими этим рекомендациям. Кроме того, исследования, проведенные в лабораториях международных журналов PC Week и PC Magazine отчетливо показали, что компьютер способен сохранить работоспособность при перерыве в электропитании от 65 до 300 мс даже во время проведения дисковых операций.

Время переключения на батарею у ИБП Back UPS (типа stand-by), выпускаемых АРС, равно максимум 8 мс, ИБП Back UPS Pro, Smart UPS — максимум 4 мс (типовое 2 мс).

2. Строгая стабилизация выходного напряжения.

Современные блоки питания компьютерной техники, при всей их чувствительности к качеству электропитания, допускают нормированные колебания напряжения ±15%. Соответственно, они не нуждаются в строгой стабильности напряжения. Иначе ни один компьютер не смог бы работать иначе, как от прецизионного лабораторного блока питания. ИБП АРС гарантируют поддержание напряжения питания защищаемого компьютера в пределах не шире ±15%.

3. Независимость формы выходного напряжения от присутствия помех на входе.

Сама по себе топология on-line не способна отсекать помехи. Без должной фильтрации EMI/RFI/ESD все помехи со входа неминуемо пройдут на выход.

Вместе с тем, топология on-line обладает и рядом недостатков:

1. Цена ИБП on-line намного выше, чем на ИБП stand-by и line-interactive.

2. Инвертор, и батарея включены постоянно, даже когда качество электропитания не вызывает нареканий. Непрерывно работающая система двойного преобразования постоянно рассеивает в виде тепла 20-30% полезной электроэнергии. КПД ИБП on-line составляет 70-80%, в то время, как stand-by ИБП производства АРС имеют КПД 97%.

3. Тепло, выделяемое инвертором крайне негативно сказывается на сроке службы батареи. Непрерывная работа вызывает преждевременный износ и старение узлов ИБП, особенно батареи. Если же батарея с целью увеличения срока службы отключается, то это автоматически означает ненулевое время переключения на резервное питание!