Даний опус ні в якому разі не претендує на вичерпний детальний
опис внутрішньої схемотехніки UPS (Uninterruptible Power Supplies).
Швидше, це коротке введення в основи їх схемотехніки, призначене
лише для розуміння основ, необхідного при пошуку найбільш відповідної
моделі UPS для Ваших конкретних потреб. Я буду радий, якщо воно комусь
допоможе зробити оптимальний вибір.
При підготовці огляду використовувалися матеріали з "The Power Protection
HandBook" фірми American Power Conversion, одного з самих відомих
і великих виробників UPS на світовому ринку.
With best regards,
P.S. aka Serge (Serge Polubarjev, 2:5052/2.0@fidonet)
**********************************************************************
***** ТЕРМІНОЛОГІЯ *****
Sags - інша назва Brownouts - короткочасні пониження
напруги в живильній електромережі. Найбільш часта
проблема.
Blackout - повне зникнення напруги в живильній електромережі.
Spike - короткочасний високовольтний імпульсний викид
напруги в електромережі (тривалість - мілісекунди).
Surge - короткочасне підвищення напруги в мережі,
тривалість 1/120 сек і більше.
Noise - спотворення сінусоідальної форми струму, що викликаються
електромагнітними (EMI) або радіочастотними (RFI) перешкодами.
В відповідності зі специфікаціями промислових стандартів, приймаються
наступні рівні напруг:
Sags - < -20% RMS nominal;
Spikes - > +100% nominal peak;
Surges - > +10% RMS nominal.
**********************************************************************
**** РІЗНІ ТИПИ СИСТЕМ UPS ****
1. The generic UPS topology.
------¬ ------¬
In >==T====¦ 1 ¦================¦ 2 ¦=====¬ ------¬
¦ L------ L------ L=¦-\ ¦
¦ ¦ \- +-----> Out
¦ ------¬ ------¬ ------¬ --+- 6 ¦
L----+ 3 +----+ 4 +-----+ 5 +------ L------
L------ L------ L------
1 - surge supressor
2 - filter
3 - battery charger
4 - battery
5 - inverter DC/AC
6 - transfer switch
UPS, побудований по даній схемі, в кожний конкретний момент часу
може знаходитися в одному з 2 режимів роботи - Standby або On-line. В
випадку, коли напруга в мережі знаходиться в допустимих межах (Standby
mode), transfer switch перемкнений на протікання струму навантаження по ланцюгу
[1]-[2]. В цьому режимі UPS нічим не відрізняється від звичайного мережевого
фільтра. Ніякої стабілізації напруги не відбувається.
В разі виходу напруги мережі за допустиму межі, transfer switch
перемикається на живлення навантаження по ланцюгу [3]-[4]-[5] (On-line mode),
тобто від енергії акумуляторної батареї, що перетворюється інвертором в AC
220V.
Особливість даної системи в тому, що перемикання в on-line при виході
напруги мережі за допустимі межі відбувається негайно, а повернення в
standby mode - з обов'язковою затримкою в декілька секунд. Інакше, при
багаторазових стрибках напруги в мережі, відбувалося б безперервне
перемикання standby/on-line і зворотно, що привело б до значних
спотворень струму навантаження і можливого виходу її з ладу або до збою в
її роботі.
При цьому потрібно врахувати, що дана схема не володіє можливістю
стабілізації напруги при роботі в standby mode і, отже, переходить в
on-line при кожному порушенні напруги мережі. Розряд акумуляторної
батареї відбувається набагато швидше, ніж зворотний заряд. В разі
використання battery charger'а значної потужності, можна було б
забезпечити живлення інвертора в on-line mode повністю від струму, що
видається charger'ом (природно, не в випадку blackout'а), однак габарити
UPS при цьому непомірно зростають.
З цієї причини, потужність battery charger'а для даної схеми звичайно
вибирається відносно малою, і витрати енергії від батарей під час
brownout's не компенсує. Отже, в разі низькоякісної живильної мережі,
дана топологія UPS малопридатна з двох причин:
а) При частих переходах в on-line батарея досить швидко розряджається,
не встигаючи відновити місткість за час standby mode, внаслідок чого
UPS втрачає здатність забезпечити аварійне живлення навантаження протягом
необхідного часу;
б) Часте повторення неповних циклів розряд/заряд різко скорочує термін
служби акумуляторних батарей.
Тим не менш, по даній схемі побудована більшість поширених UPS, зокрема,
і Back-UPS фірми American Power Conversion.
2. The on-line without bypass topology.
------¬ ------¬ ------¬
In >----+ 1 +----+ 2 +-----+ 3 +-------> Out
L------ L------ L------
1 - battery charger
2 - battery
3 - inverter DC/AC
В цій топології UPS безперервно працює в on-line mode, і перемикання
при аварії живильної напруги мережі не відбувається. При наявності
живильної напруги в мережі потужність, яка споживається інвертором від
батареї, частково або повністю компенсується потужним battery charger'ом.
Дана топологія застосовується рідко, і тільки в малопотужних (до 1-1.5kVA)
UPS, в зв'язку із значними тепловими втратами при подвійному перетворенні струму.
3. The standby on-line hybrid topology.
------¬
In >==T====¦ 1 ¦==============¬ ----------¬
¦ L------ L=¦ --+>+-¬ ¦ ------¬
¦ ¦ + +---+ 6 +----> Out
¦ ------¬ ------¬ ------¬ --+ --+>+--5¦ L------
L-+ 2 +-+ 3 +-+ 4 +-- L----------
L------ L------ L------
1 - rectifier
2 - battery charger
3 - battery
4 - standby DC/DC converter
5 - combiner
6 - inverter DC/AC
Standby DC/DC converter в цій схемі включається тільки в випадку
виявлення збою в живильній мережевій напрузі. Battery charger має
малу потужність, як і в generic UPS. В разі нормальної мережевої
напруги, вона випрямляється і фільтрується rectifier'ом, після чого
поступає на інвертор, що перетворює її зворотно в AC 220V.
Перевагою цієї схеми, як і попередньої, є висока стабільність
вихідної напруги і практично повна відсутність перехідних процесів
при збоях напругпи в живильній мережі.
По цій схемі побудовані, зокрема, такі UPS, як Unison Unipower і
Exide Personal Powerware.
4. The standby-ferro topology
----------¬
-------¬ ¦ ) ¦ ¦
In >==T========¦ - \- ¦===========¦- ) ¦ ¦
¦ ¦ 1 ¦ ¦ ) ¦ ( ¦
¦ L------- ¦ ¦ (- +------> Out
¦ ¦ ) ¦ ( ¦
¦ ------¬ ------¬ ------¬ --+- ) ¦ ¦
L-+ 2 +-+ 3 +-+ 4 +-- ¦ ) ¦ 5¦
L------ L------ L------ L----------
1 - transfer switch
2 - battery charger
3 - battery
4 - inverter DC/AC
5 - transformer
Ця схема базується на спеціальному трьохобмоточному трансформаторі. При
нормальній напрузі мережі вона через transfer switch попадає через
трансформатор до навантаження. В разі відмови мережі живлення навантаження
здійснюється інвертором через іншу обмотку, а transfer switch в цей
час розімкнений.
Інвертор запускається тільки тоді, коли виявлена відмова мережі і
розімкнений transfer switch. Трансформатор в даній схемі працює також,
як феррорезонансний стабілізатор напруги, забезпечуючи в обмежених межах
стабілізацію мережевої напруги і згладжування "сходинки", виникаючої при
роботі інвертора.
Повна гальванічна розв'язка ланцюгів навантаження від живильної електромережі
забезпечує кращий захист, ніж будь-який можливий фільтр. Однак, трансформатор
сам по собі вносить помітні спотворення і перехідні процеси, які в деяких
випадках можуть виявитися небезпечнішими, ніж початкові збої живильної мережі.
Крім того, за рахунок теплових втрат при трансформації, такі джерела мають
понижений КПД.
Найбільш відомим UPS, побудованим по такій схемі, є BEST Ferrups. Виробники
нерідко рекламують UPS даної системи, як On-line, хоч вона, природно, такою не є.
5. The line-interactive topology.
-------¬
In >=========¦ - \- ¦======================>==¬
¦ 1 ¦ -----¦----¬
L------- ¦ AC¦
¦ +------> Out
¦DC 3 ¦
------¬ Charging (normal) L-T-----T--
¦ 2 +<----------------------- ¦
¦ ¦ ¦
¦ ¦===========================>=-
L------ Discharging (power fail)
1 - transfer switch
2 - battery
3 - inverter
В цій схемі інвертор завжди приєднаний до виходу UPS і являє собою
складний вузол, на який покладається задача стабілізації і фільтрації
мережевої напруги, стеження за її рівнем, контролю заряду батареї при
нормальній напрузі мережі і переходу на батарейне живлення при аварійних
рівнях мережевої напруги. Завдяки значному діапазону стабілізації напруги,
дана схема здатна працювати в нормальному режимі при тих умовах, коли
звичайний UPS вже перейшов би на батарейне живлення. Це робить дану схему
найбільш придатною для роботи в електромережі низької якості.
Типовими представниками даної топології є UPS BEST Fortress,
APC Smart-UPS і APC Back-UPS Pro.
**** Інші характеристики UPS ****
Розділові трансформатори - можуть бути включені до складу будь-якого типу
UPS. Забезпечують практично повне придушення шумових складових і гальванічну
ізоляцію живильного обладнання від мережі змінного струму.
(Примітка - надалі всі цифри будуть приведені тільки для різних моделей
фірми APC, оскільки автор цієї писанини не має в своєму розпорядженні
аналогічних керівництв інших фірм-виробників)
- Power capacity
Гранично допустима потужність навантаження. Звичайно вказується в
вольт-амперах (VA), рідше - в ватах (W). Для прикладу: 650 VA = 410 W.
Для виробів фірми APC характерний наступний ряд значень:
Back-UPS - 250, 400, 600, 900, 1250 VA
Back-UPS Pro - 280, 420, 650 VA
Smart-UPS - 250, 400, 600, 900, 1250, 2000 VA
Smart-UPS XL series - 600, 900, 2000 VA
Smart-UPS RM series - 600, 1250, 2000 VA
Matrix UPS - 3000, 5000 VA
- Input voltage window for utility operation
Діапазон напруг, в межах якого забезпечується живлення навантаження
без переходу на батареї.
Back-UPS - 196...264V AC
Back-UPS Pro - 175...296V AC
Smart-UPS, Smart XL, Smart RM - 196...253V AC (при 196V AC UPS
переходить на стабілізацію напруги, так званий SmartBoost(tm),
що обмежує коливання вихідної напруги в межах 12% при відхиленні
вхідного -15%...-24% від номінала - аналогічна система
стабілізації AVR застосована і в Back-UPS Pro).
Matrix UPS - -25...+15% of nominal
- Transfer time (typical/max)
Час перемикання на батарейне живлення при проваллі напруги в мережі.
Back-UPS - немає даних
Back-UPS Pro - 2/4 ms
Smart-UPS, XL, RM - 2/4 ms
Matrix UPS - 0 ms
- Typical recharge time
Час відновлення місткості батареї від 50% розряду до 90%. Для різних
моделей APC коливається від 4 до 10 годин. Прискореному відновленню
надається перевага для випадків дуже низької якості електромережі.
(Примітка - більшість виробників використовує свинцево-кислотні
герметичні акумулятори, що необслуговуються).
Є ще чимала кількість параметрів, однак вони більш цікаві фахівцям,
а не кінцевому користувачу. Крім того, чималу роль при виборі грає
наявність/відсутність моніторного інтерфейса на UPS, що дозволяє
стежити за його станом і виконувати автоматичний shutdown системи з
подальшим вимкненням живлення в разі критичного розряду батарей, а
також наявність розширеної мови управління і діагностики, подібно Smart-UPS.
************************************************************************
Отже, бажаємо Вам не помилитися в виборі UPS для свого комп'ютера!
=============================================================
Переклад - Olexandr Slobodyan, 25.I.2002
|