1. Блок-схема on-line UPS (ДБЖ з подвійним перетворенням енергії)
Н а вході ДБЖ з подвійним перетворенням енергії (on-line UPS) (вимовляється "он-лайн Ю-Пі-Ес") знаходиться блок захисту від високої напруги. Його завдання - захистити навантаження і сам ДБЖ від високовольтних імпульсів, що виникають при ударі блискавки поблизу ЛЕП і відключати безперервного живлення від мережі в разі тривалої присутності високої напруги на вході. Потім слід випрямляч, функція якого перетворити змінний струм електричної мережі в постійний струм, яким можна постачати акумуляторну батарею та інвертор. Інвертор перетворює весь вступник до нього потік потужності з напруги постійного струму в напругу змінного струму. Байпас (від англійського "bypass" - проходить повз) це спеціальна лінія, яка дозволяє при необхідності живити навантаження безпосередньо від електричної мережі. Для перемикання на роботу через байпас служить статичний (тобто не має рухомих елементів) перемикач. Тому байпас часто називають статичним байпасом, хоча в деяких невеликих on-line ДБЖ він шунтируется механічним реле.
П роісхожденіе назви "ДБЖ з подвійним перетворенням" цілком зрозуміло - ДБЖ цього типу двічі перетворять весь потік потужності: спочатку з змінного струму в постійний струм, а потім назад. В результаті цих перетворень на виході ДБЖ з подвійним перетворенням з'являється "нове" напруга. Воно має постійну величину і позбавлене перешкод і спотворень, які, можливо, були в електричній мережі.
П ому ці ДБЖ називаються "on-line UPS" не зовсім очевидно. Англійське "on-line" (буквальний переклад "на лінії") означає щось, підключений в даний момент до деякої лінії (історично - до лінії зв'язку). Можна інтерпретувати назву "on-line UPS", як ДБЖ. до якого завжди підключена акумуляторна батарея.
Д ля on-line ДБЖ характерні три режими роботи.
2. On-line UPS. режим роботи від мережі, через випрямляч і інвертор
Е слі в мережі є "нормальне" напруга, то вся потужність, споживана навантаженням, проходить через випрямляч ДБЖ. Випрямляч перетворює напругу електричної мережі в стабілізовану напругу постійного струму. Воно використовується для зарядки акумуляторної батареї і для харчування інвертора.
А інвертор перетворює напругу постійного струму в напругу змінного струму, яким і харчується навантаження.
У ипрямітель ДБЖ з подвійним перетворенням видає стабілізовану напругу постійного струму. Тобто незалежно від величини напруги змінного струму на вході випрямляча, напруга постійного струму на його виході зберігається постійним. Природно, напруга залишається стабільним тільки якщо вхідна напруга не виходить з деякого діапазону допустимих напружень. Цей діапазон називається діапазоном вхідних напруг ИБП.
Д іапазон вхідних напруг ИБП з подвійним перетворенням (on-line UPS) не залишається постійним. Його величина (або вірніше його нижня межа) залежить не тільки від конкретної моделі ДБЖ, але і його навантаження. Якщо on-line ДБЖ недовантажений в 2-3 рази, він здатний працювати від мережі, навіть якщо напруга в мережі не перевищує 50-70% номінального.
Е слі напруга електричної мережі стає менше нижньої межі або вище верхньої межі діапазону вхідних напруг, то випрямляч вже не може підтримувати задану напругу постійного струму на свій вихід. Напруга постійного струму на виході випрямляча зменшується і стає нижче напруги зарядженої акумуляторної батареї ДБЖ. Ніякого перемикання не відбувається. Просто інвертор починає частково харчуватися від батареї. а батарея починає розряджатися. При подальшому зменшенні напруги або якщо напруга в мережі пропадає зовсім, інвертор починає повністю харчуватися від акумуляторної батареї. Кажуть, що джерело перейшов на режим роботи від батареї.
3. On-line UPS. режим роботи від акумуляторної батареї
П роботі від акумуляторної батареї. вона є єдиним джерелом енергії для самого ДБЖ і його навантаження. До тих пір, поки не вичерпаний заряд акумуляторної батареї. навантаження забезпечується стабілізованою напругою змінного струму чистої синусоїдальної форми. Частота вихідної напруги теж стабілізована інвертором.
Р абота безперервного живлення від акумуляторної батареї триває деякий час, визначається зарядом батареї і навантаженням. Після того, як батарея розрядиться до напруги приблизно 1.7 В на елемент, інвертор ДБЖ буде відключений автоматикою, що захищає батарею від незворотного переразряда.
Е слі напруга на вході ДБЖ знову підніметься до нормального, випрямляч знову почне заряджати акумуляторну батарею і живити інвертор.
4. On-line UPS. режим роботи через байпас.
З амие важливі елементи ДБЖ з подвійним перетворенням при роботі від мережі постійно перебувають під навантаженням. У разі виходу з ладу інвертора, подача напруги до навантаження могла б зійти нанівець і ДБЖ не тільки не виконав би свого призначення, як джерела живлення під час збою електричної мережі, але навіть сам через свою поломки міг би стати причиною втрати даних в підключених до нього комп'ютерах або відключення будь-яких підключених до нього важливих пристроїв. Щоб цього не відбувалося, в ДБЖ введена ще одна, резервна, лінія електропостачання навантаження - статичний байпас.
П ри виході з ладу інвертора або його перевантаження, спрацьовує перемикач (розмикається лінія "інвертор-навантаження" і замикається лінія "байпас-навантаження") і навантаження продовжує харчуватися від мережі. Випрямляч продовжує заряджати акумуляторну батарею. інвертор (якщо він працездатний) працює на холостому ходу.
Е слі причина роботи через байпас - вихід з ладу інвертора, то цей режим роботи може тривати невизначено довго, наприклад, до закінчення ремонту інвертора або вимикання ІБЖ. А якщо ІБП працює через байпас через перевантаження, то відразу після зникнення перевантаження, ДБЖ перемикається на нормальну роботу - через випрямляч і інвертор.
Д ля того, щоб перемикання на роботу через байпас відбувалося непомітно для підключеного до ДБЖ обладнання, в момент перемикання напруга на виході інвертора має бути близько до напруги в лінії байпаса (тобто в електричній мережі). Подивимося, що буде, якщо синхронізації не буде. Нижче приведена осцилограма напруги на инверторе і байпасе. Напруга інвертора 220 В, напруга байпаса 199 В. Частота однакова - 50 Гц. Спостерігається невелика різниця фаз.
Е слі перемикання з інвертора на байпас або назад відбудеться в момент часу, зазначений на осциллограмме, то навантаження (і інвертор) випробує стрибок напруги в 143 В, що може пошкодити обладнання, підключене до UPS або інвертор. Зрозуміло, що на осциллограмме розглянуто не найгірший випадок: якщо напруги будуть в протифазі, то стрибок при перемиканні може досягти 600 В.
Е слі інвертор on-line UPS буде синхронізований з байпасом (як на осциллограмме нижче) то стрибок при перемиканні буде набагато менше. Але він буде, навіть при ідеальній синхронізації, якщо величина напруги на виході інвертора і байпасе розрізняються.
З овременного on-line UPS мають певну логіку синхронізації інвертора з байпасом (мережею). Синхронізація інвертора з електричною мережею дозволена, якщо напруга і частота мережі знаходяться в деякому встановленому діапазоні. Характерна величина діапазону за частотою - ± 2 Гц, по напрузі - ± 15%. Якщо при такій настройці on-line UPS. напруга мережі стає менше -15% (187 В при номінальному 220 В), перемикання з інвертора на байпас забороняється. Якщо частота електричної мережі виходить за діапазон (скажімо, становить 47 Гц), - інвертор перестає сінхронізовиваться з мережею, а живить навантаження напругою з частотою рівно 50 Гц, синхронізувати з вбудованим генератором інвертора. Перемикання на байпас в цьому випадку також забороняється. Це означає, що в разі перевантаження, перемикання з інвертора на байпас не відбудеться. Для захисту інвертора ДБЖ з подвійним перетворенням відключить навантаження. Це збереже сам UPS і охоронить підключене до нього обладнання (наприклад, комп'ютер) від великого стрибка напруги, але, можливо, призведе до втрати важливих даних.
П оетому в хороших ДБЖ з подвійним перетворенням енергії діапазон дозволених (для синхронізації і перемикання) частот і напруг. Якщо ця функція доступна, то користувач або сервісний інженер має можливість налаштувати UPS (ДБЖ) для досягнення вигідного при даній конфігурації обладнання компромісу між захистом і надійністю. Наприклад, в on-line UPS Powerware 9130 (Eaton) є можливість налаштувати нижній поріг дозволеного напруги в діапазоні від -4% до -20% від номінальної напруги мережі, а верхній поріг - в діапазоні від +4% до +20% від номінального напруги мережі. Якщо обладнання слабо чутливо до перепадів при перемиканні, а напруга в електричній мережі знижений, то вигідно розширити діапазон дозволених для перемикання напруг. Якщо on-line UPS харчується від генератора, а обладнання не відчутно до зміни частоти, то вигідно розширити діапазон дозволених частот синхронізації. Обидві ці дозволяють наростити надійність on-line UPS і системи в цілому за рахунок здатності відпрацьовувати перевантаження в більш широкому діапазоні напруг і частот. Але це підвищення надійності досягається за рахунок погіршення параметрів електроживлення навантаження. Тому, якщо навантаження дуже чутлива до перепадів напруги (або нестабільної частоті), то доводиться жертвувати надійністю для підтримки на навантаженні ідеального напруги і частоти і зменшувати діапазони напруг і частот, в яких дозволено перемикання.
І так, основне призначення статичного байпаса - це збільшення надійності UPS і системи електроживлення в цілому за рахунок організації резервного джерела електропостачання, який вступає в дію при виході з ладу інвертора. У розглянутому найпростішому випадку таким джерелом є та ж електрична мережа, яка живить випрямляч UPS. (У великих UPS можливе підключення байпаса до іншої електричної мережі). Вихід з ладу будь-якої з систем UPS - подія не надто ймовірне. Хороші on-line UPS працюють десятиліттями. Але статичний байпас має ще одну функцію, яка використовується буквально при кожному включенні сильно навантаженого ДБЖ - захист інвертора від перевантаження. На короткий час інвертор здатний витримувати великі струми. Зазвичай допускається перевантаження близько 50-150% на кілька мілісекунд і близько 10-50% на кілька секунд або десятків секунд.
Д ля багатьох типових споживачів електроенергії (комп'ютерів, моніторів, електродвигунів) характерний великий стартовий струм, тобто збільшений струм, що виникає при включенні споживача електроенергії, на відміну від струму на сталому режимі роботи. Таким чином, при включенні споживачів, потужність яких становить десятки відсотків номінальної потужності ДБЖ. можливе перевантаження інвертора. Якщо перевантаження виникла, ІБП для запобігання свого інвертора від перевантаження перемикається на роботу через байпас. Через кілька секунд ДБЖ знову перемикається на роботу від інвертора. Цей режим роботи оберігає інвертор від виходу з ладу і збільшує загальну надійність системи, захищеної з допомогою on-line UPS