Основні технічні характеристики ДЖЕРЕЛА БЕЗПЕРЕБІЙНОГО ЖИВЛЕННЯ (ДБЖ, UPS)

Електричні коливання та їх характеристики

Класичні електричні коливання, що виникають наприклад в коливальному контурі або на виході генератора змінного струму, є гармонійними. Це означає, що залежність інтенсивності коливання (миттєвого значення напруги або струму) від часу може бути представлена графічно у вигляді синусоїди.
У реальному житті вид осцилограми напруги або струму може дещо відрізнятися від чистої синусоїди. Подивимося, якими параметрами характеризується електричний коливальний процес.

Параметри електричного коливання
Амплітудним значенням або амплітудою називається максимальне відхилення коливної величини від нульового рівня.
Діюче значення струму або напруги чисельно дорівнює такого постійного струму або напруги постійного струму, яке виробляє в провіднику такий же тепловий ефект. Діюче значення напруги або струму дорівнює середньому квадратическому значення відповідної величини за період коливань.
Коефіцієнтом амплітуди або пік-фактором називається відношення амплітуди коливання до його діючого значення. Він завжди більше або дорівнює 1. Для гармонічного коливання (синусоїдальної напруги або струму) коефіцієнт амплітуди дорівнює =1.41 (точніше корінь з двох). Пік-фактор несинусодальных коливань може сильно відрізнятися від цієї величини.
Коефіцієнт амплітуди характеризує несинусоидальное коливання не однозначно. Різні за формою коливальні процеси можуть мати однакові коефіцієнти амплітуди.
Для того, щоб повністю охарактеризувати складне періодичне коливання, його штучно представляють у вигляді суми декількох гармонічних коливань кратних частот (гармонік). Так, наприклад, для того, щоб описати несинсоидальный процес з основною частотою (першою гармонікою), що дорівнює 50 Гц, його представляють у вигляді суми коливальних процесів з частотами 50 Гц, 100 Гц (друга гармоніка), 150 Гц (третя гармоніка) і т. д.
Проведений таким чином аналіз складного коливання називається гармонійним аналізом або аналізом Фур'є (по імені французького математика і фізика). Результатом гармонійного аналізу є так званий спектр коливального процесу — залежність інтенсивності кожної гармоніки від її номера.

Для точного представлення складного коливання потрібно враховувати щонайменше кілька десятків гармонік.
В якості інтегральної характеристики ступеня відмінності форми коливального процесу від синусоїди в Росії часто використовують коефіцієнт гармонійних спотворень (коефіцієнт гармонік) — Кг. Він показує яка частка енергії міститься в старших гармоніках, порівняно з енергією, що міститься в першій гармоніці.
В інших країнах для цього зазвичай використовують повний коефіцієнт гармонійних спотворень (англ.: total harmonic distortion factor — THDF). Він показує, яка частка енергії міститься в сташей гармоніці, порівняно з повною енергією коливання.
Зрозуміло, що при майже синусоїдальних процесах Кг і THDF практично рівні. Але при значних спотвореннях вони розрізняються. У таблиці наведено кілька точок, що характеризують цю відмінність.
Кг, % THDF, %
0 0
10 10
20 20
30 29
40 37
50 45
60 51
70 57
Коефіцієнт гармонійних спотворень чисто синусоїдального коливального процесу дорівнює нулю (вся енергія, що міститься в основній гармоніці). Зазвичай вважається, що коливання слабо відрізняється від синусоїдальної, якщо коефіцієнт гармонійних спотворень не перевищує 5%.
Лінійні та нелінійні навантаження
Якщо ми підключимо до джерела напруги постійного струму резистор і будемо змінювати величину напруги, струм, що протікає в ланцюзі, буде змінюватися пропорційно напрузі.
Якщо ми підключимо до джерела синусоїдального змінного напруги (наприклад до мережі або до ДБЖ з синусоїдальною вихідною напругою) резистор, миттєве значення струму в колі буде пропорційна миттєвому значенню напруги. Отже струм в ланцюзі буде синусоїдальним, причому синфазным напруги (тобто максимальні значення струму будуть спостерігатися точно в ті ж моменти вермені, що і максимальні значення напруги.

Якщо ми підключимо до джерела синусоїдальної напруги ємність, індуктивність або будь-яке поєднання їх з резисторами, струм в ланцюзі раніше буде синусоїдальним (див. рис 23б).

Але в цьому випадку, максимуми струму буде випереджати максимуми напруги (як на малюнку) або відставати від них. В залежності від переважання в ланцюзі ємностей або індуктивностей, таке навантаження називають екостной або індуктивного. А в сукупності всі навантаження (споживачі електричної енергії) з синусоїдальним струмом споживання (при синусоїдальній напрузі) називаються лінійними.
Імпульсний блок живлення (наприклад, комп'ютера) є нелінійним навантаженням. Якщо комп'ютер підключити до джерела синусоїдної напруги, то залежність струму, що споживається комп'ютером, від часу буде мати вигляд, показаний на рис. 23в.

Рис. 23в. Струм споживання нелінійного навантаження в ланцюзі змінного струму.
На малюнку добре видно, що комп'ютер споживає струм тільки в моменти, коли напруга близько до свого максимуму, і не споживає струм при низькій напрузі.
Форму струму, споживаного нелінійним навантаженням можна охарактеризувати тими ж параметрами, що і будь-коливальний процес.
Коефіцієнт амплітуди
Коефіцієнт амплітуди (пік-фактор) струму споживання імпульсних блоків живлення завжди набагато більше одиниці. Зазвичай він знаходиться в діапазоні від 2 до 3, але може і бути більше 5.
Джерело безперебійного живлення повинен бути розрахований на роботу з такими пік-факторами. Тобто ДБЖ повинен не тільки забезпечувати діюче значення струму, відповідне максимальному навантаженні, але і максимальне (амплітудне значення струму, істотно перевищує амплитудуу синусоїдального струму з таким же діючим значенням.
Величина пік-фактора не є постійною характеристикою блоку живлення. Вона — продукт взаємодії блоку живлення, його навантаження (наприклад, комп'ютера) і джерела струму, до якого він підключений. Так, при живленні від мережі він може бути дорівнює 2 або 3. Якщо комп'ютер живиться від ДБЖ з перемиканням, має вихідну напругу у вигляді меандру з паузою, то пік-фактор зменшується до 1.8-2. Підключення комп'ютера до феррорезонансному трансформатора дозволяє зменшити пік-фактор ще більш значно. Це зменшує навантаження на блок живлення комп'ютера і збільшує його довговічність.
З іншого боку, якщо блок живлення комп'ютера залишити працювати на холостому ходу або з дуже маленькою навантаженням (наприклад взяти блок живлення потужністю 400 Вт і поставити його в просту персоналку мінімальної потужності), то коефіцієнт амплітуди струму може бути дуже великий (наприклад 5). Якщо той же блок живлення навантажити повністю (скажімо встановити його в файловий сервер з великими дисками, модемами та ін ), то коефіцієнт амплітуди зменшиться (і складе наприклад 2.5).
Гармоніки
На рис. 24 представлений приблизний вигляд спектру струму імпульсного блоку живлення. Вірніше сказати, що це початок спектру. Повний спектр струму імпульсного блоку живлення включає багато десятки гармонік.

Рис. 24. Початок спектру струму імпульсного блоку живлення.
В струмі споживання імпульсного блоку живлення є набір непарних гармонік, амплітуда яких більш або менш монотонно зменшується з номером гармоніки.
Якщо комп'ютери підключені до електричної мережі, в яку включені і інші (і, в основному, лінійні) споживачі електроенергії, то відмінність форми струму, що споживається блоком живлення комп'ютера, від синусоїди не впливає ні на самі комп'ютери, ні на інше обладнання, підключений до тієї ж мережі.
Якщо в мережу включені в основному комп'ютери і їх сумарна потужність порівнянна з характерною потужністю електричної мережі, то напруга в мережі може перестати бути синусоїдальним. Це є ознакою перевантаження електричної мережі нелінійними навантаженнями, і може служити причиною збоїв в роботі чуствительного обладнання.
Першою ознакою перевантаження мережі комп'ютерними навантаженнями є прояв самої інтенсивної — третьої гармоніки. Її появу можна визначити, навіть не маючи аналізатора спектра, здатного збудувати красиву картинку, на зразок тієї, що наведена на рис. 24. Для елементарного аналізу достатньо найпростішого осцилографа.
Якщо у синусоїди з'являється плоска вершина (як би «выеденная» великим імпульсним струмом), — це перша ознака: у мережі з'явилася третя гармоніка, мережа злегка перевантажена нелінійними навантаженнями.
Якщо вершина синусоїди починає загострюватися, значить крім третьою в мережі з'явилася і п'ята гармоніка: мережа сильно перевантажена нелінійними навантаженнями.
Якщо на синусоїді з'явилися хвилі — значить вже і сьома гармоніка видно неозброєним поглядом: треба приймати якісь міри.
Форма вихідної напруги ДБЖ
Джерело безперебійного живлення є тимчасовим замінником електричної мережі для підключеного до нього обладнання. Якість цієї заміни сильно залежить від типу і марки ДБЖ.
В електричній мережі напруга має синусоїдальну форму або форму, близьку до синусоїді.
Всі висококласні ДБЖ теж мають синусоїдальну форму вихідного сигналу, тобто забезпечують електроживлення практично не відрізняється від звичайної мережі або навіть мають синусоїду більш високої якості.
На виході ДБЖ (як і в мережі) синусоїда може бути не зовсім ідеальною.
Для визначення коефіцієнта гармонійних спотворень зазвичай потрібно спеціальне обладнання. Але можна приблизно оцінити величину повного коефіцієнта гармонійних спотворень просто по осцилограмі напруги. Якщо ви бачите слабкі спотворення, то коефіцієнт гармонійних спотворень близько 5%. Якщо спотворення дуже добре помітні, коефіцієнт гармонійних спотворень приблизно дорівнює 10%.

Рис. 25. Напруження з коефіцієнтом гармонійних спотворень 5%.
При коефіцієнті гармонійних спотворень більш 20%, у вас «не підніметься рука» назвати форму кривої напруги синусоїдою.
Цей спосіб, як і будь-яке спрощення, має свої обмеження. Зокрема, чим більше номер гармоніки, тим при меншому коефіцієнті гармонійних спотворень її добре видно.
Синусоїдальна вихідна напруга мають всі ДБЖ з подвійним перетворенням, ферорезонансні ДБЖ і більшість ДБЖ, взаємодіючих з мережею. Для всіх цих ДБЖ повний коефіцієнт гармонійних спотворень вихідної напруги, що дорівнює 5%, є граничним. Якщо коефіцієнт гармонійних спотворень на виході ДБЖ менше 5%, то ДБЖ за цим параметром можна вважати «хорошим». Якщо ця величина більше 5%, то форма вихідного сигналу ДБЖ залишає бажати кращого.
Зазвичай виробники вказують ступінь гармонійних спотворень в загальному переліку технічних характеристик ДБЖ. Майже завжди вказується тільки одна величина коефіцієнта гармонійних спотворень, що відноситься до деяким середнім (якщо не сказати ідеальним) умов — наприклад при лінійному навантаженні. Слід мати на увазі, що найбільш значне спотворення форми вихідної напруги можуть відбуватися в різних граничних умовах, а також при параметрах не характерних для регулярної роботи ДБЖ.
Такими граничними умовами (їх набір або поєднання може бути різним для різних моделей ДБЖ) можуть бути максимальне навантаження або холостий хід (відсутність навантаження); граничний або позамежний коефіцієнт потужності (наприклад менший, ніж 0.5), занадто великий пік-фактор. Серйозні викривлення вихідна напруга може зазнавати також при різних перехідних процесах (наприклад при ступінчастій зміні навантаження).
На режимі роботи від мережі ДБЖ з перемиканням і взаємодіє з мережею живлять свою навантаження відфільтрованим мережевим напругою. Тобто вони в цьому випадку не є незалежними джерелами живлення. Таким джерелом є електрична мережа. Це означає, що коефіцієнт гармонійних спотворень на вході блоку живлення комп'ютера буде приблизно таким же, як і без ДБЖ. Це так, оскільки фільтри цих ДБЖ не призначені для фільтрації низькочастотних гармонік, і вільно їх пропускають. Відповідно, якщо в мережі були сильні гармонійні спотворення до установки ДБЖ (з-за загальною перевантаження мережі або великої частки потужності нелінійних навантажень), вони такими і залишаться. Якщо цих спотворень не було, вони і не з'являться.
Інакше йде справа з феррорезонансным ДБЖ і ДБЖ з подвійним перетворенням енергії. Вони є у цьому сенсі незалежними джерелами живлення. Тому все сказане вище щодо спотворень форми напруги потрібно в цьому випадку віднести до вихідного напруги ДБЖ. Якщо ці ДБЖ сильно (майже до номінальної потужності) навантажені нелінійними навантаженнями, то на вході цих навантажень можуть з'явитися спотворення основної гармоніки, яких не було без ДБЖ. З іншого боку, якщо при роботі від мережі спостерігалися гармонійні спотворення, то вони можуть пропасти після установки ДБЖ, якщо ДБЖ недовантажений.
Якщо нелінійна навантаження on-line ДБЖ становить більше двох третин його повної потужності, то напруга на виході ДБЖ може бути помітно спотворено. Не небезпечне саме по собі для комп'ютерів спотворення форми напруги є поганим ознакою того, що навантаження ДБЖ занадто велика. Краще встановити ДБЖ більшої потужності або відключити від нього яке-небудь устаткування.
Деякі висококласні ДБЖ з подвійним перетворенням оснащені спеціальною керуючою ланцюгом, призначенням якої є коригування форми вихідної напруги навіть при роботі з нелінійними навантаженнями великої потужності. На виході цих ДБЖ напруга не має помітних гармонійних спотворень, навіть у випадку, якщо ДБЖ живить нелінійні навантаження значної потужності.
Зрозуміло всі комп'ютери та інше обладнання, призначене для живлення від мережі змінного струму, розрахований на синусоїдальна напруга. Навряд чи який-небудь виробник цієї техніки готовий гарантувати нормальну роботу його обладнання з сильно несинусоидальным напругою.
Тим не менше, більшість споживачів електричної енергії можуть харчуватися напругою змінного струму несинусоїдальної форми. Причому для різного устаткування більш важливі різні характеристики синусоїдальної напруги живлення. Наприклад устаткування, оснащене імпульсними блоками живлення (скажімо, персональні комп'ютери) споживає струм тільки в моменти часу, коли напруга дуже близько до максимуму. Тому для живлення такого обладнання важливо правильне амплітудне значення напруги. Обладнання, що має безпосередньо живляться електричні двигуни і нагрівачі, вимагає номінального діючого значення напруги. Синусоїдальна напруга відповідає вимогам будь-якої з цих навантажень.
Але майже всі види навантажень (устаткування), у тому числі комп'ютери, може більш-менш нормально працювати з напругою, яка дуже сильно відрізняється від синусоїдальної. Цією обставиною широко користуються виробники ДБЖ з перемиканням.
Раніше (дуже давно) деякі ДБЖ з перемиканням мали вихідна напруга у формі меандру (прямокутних імпульсів різної полярності).

Рис. 26. Меандр
Коли ми замінюємо синусоїдальна напруга тим чи іншим його наближенням, ми повинні вибрати параметри цього наближення такими, щоб вони були найбільш близькі параметрами замінної синусоїди. Але у меандру амплітудне та діюче значення напруги дорівнюють один одному (коефіцієнт амплітуди дорівнює одиниці). Тому ми не можемо зробити напруга прямокутної форми таким, щоб воно одночасно задовольняло вимогам різних навантажень.
У спробах знайти компроміс виробники таких ДБЖ встановлювали прямокутне напруга рівним деякому значенню, що лежить між амплітудним і чинним. У результаті виходило, що деякі навантаження (потребують правильного діючого значення напруги) могли вийти з ладу із-за надмірної напруги, в той час, як іншого обладнання (споживає струм при напругах, близьких до максимуму) це напруження було занадто мало.
Для того, щоб середньоквадратичне і амплітудне значення прямокутної напруги були рівні відповідним значенням синусоїдальної напруги, виробники сучасних ДБЖ з перемиканням злегка змінили форму меандру, ввівши паузу між прямокутними імпульсами різної полярності.

Рис. 27. Меандр з паузою.
Напруга такої форми виробники ДБЖ називають «ступінчастим наближенням до синусоїді» (англ. — stepped approximation to a sine wave). Ця форма кривої дозволяє, при правильно підібраних амплітуді напруги і тривалості пауз, виконати вимоги різних навантажень. Наприклад при тривалості паузи близько 3 мс (для частоти 50 Гц) діюче значення напруги збігається з діючим значенням синусоїдальної напруги тієї ж амплітуди.
Вихідна напруга всіх, хто траплявся мені ДБЖ з перемиканням, присутніх на ринку Росії, має вигляд ступеневої наближення до синусоїді.
Показана на рис. 27 форма вихідної напруги — це ідеал, до якого повинні по ідеї прагнути виробники ДБЖ. Реальна форма вихідної напруги ДБЖ з перемиканням звичайно ж відрізняється від ідеалу.
Іноді виробники ДБЖ дотримуються деклароване рівність діючого значення напруги на виході ДБЖ діючим значенням напруги мережі досить приблизно. Тривалість пауз, і амплітуда прямокутної напруги помітно відхиляються від розрахункових значень.
Ці відхилення мабуть не можуть служити підставою для того, щоб оголосити той чи інший ДБЖ поганим. Адже всі вони нормально працюють з персональними комп'ютерами, для роботи з якими вони, власне, і призначені.
Реальна форма вихідної напруги ДБЖ з перемиканням наведена на рис. 28.

Рис. 28. Осцилограми напруги і струму персонального комп'ютера, підключеного до ДБЖ з перемиканням.
На тій же осцилограмі приведена і крива споживається комп'ютером струму. Це дозволяє оцінити, наскільки «несолодко» доводиться комп'ютера, захищеному ДБЖ з перемиканням. Але, як не дивно, сильні імпульсні струми, споживані комп'ютером в моменти початку і кінця прямокутного імпульсу, не впливають на роботу комп'ютера. Вони повністю придушуються блоком живлення комп'ютера, на виході якого спостерігається постійне напруження зі звичайним рівнем пульсацій.
Не слід також забувати, що комп'ютер, захищається ДБЖ з перемиканням, харчується несинусоидальным напругою тільки в моменти роботи ДБЖ від батареї (тобто дуже короткочасно). При роботі ДБЖ від мережі, комп'ютер живиться мережевим напругою, згладженим за допомогою вбудованих в ДБЖ фільтрів шумів і імпульсів.
Можливість застосування ДБЖ з перемиканням для живлення іншого обладнання (не комп'ютерів) вимагає, взагалі кажучи, перевірки в кожному подібному випадку. Відомі випадки, коли з такими ДБЖ відмовлялися працювати деякі принтери. З іншого боку, відомі випадок застосування ДБЖ з перемиканням для захисту таких нетрадиційних навантажень, як телефонні станції або касові апарати з трансформаторними блоками живлення.
До застосування ДБЖ з перемиканням для живлення приладів з трансформаторними блоками живлення слід підходити з обережністю. Справа в тому, що звичайні для трансформатора 5-10% втрат в присутності гармонік збільшуються пропорційно квадрату номер агармоники. Тому ресурс сильно навантажених трансформаторів при живленні напругою у вигляді меандру може уменбшаться в десятки разів.
Як і у будь-якого джерела живлення, форма вихідної напруги ДБЖ з перемиканням залежить від величини та характеру навантаження. Для ДБЖ, що випускаються відомими у світі фірмами ця залежність, як правило, невелика.
Однак деякі ДБЖ мають сильну залежність форми (а іноді і амплітуди) вихідної напруги від навантаження. Деякі з них не можуть використовуватися при малих навантаженнях, оскільки мають на виході імпульсне напруга амплітудою до 800 У. Інші перевіряються виробником тільки при роботі з лінійними навантаженнями. Такі ДБЖ при роботі з комп'ютером можуть бути нестійкі в моменти перемикання.
Сказане показує: не слід користуватися ДБЖ малознайомих виробників або купувати такі ДБЖ у неспеціалізованих фірм.
Стабілізація і регулювання напруги
Згідно з чинним в Росії стандарту, напруга в електричній мережі повинно знаходитися в межах +10% і -10% від номінальної напруги. Для напруги 220 В ці межі мають абсолютні значення 198 та 242 Ст. В цьому діапазоні напруг має нормально працювати всі живиться від мережі обладнання, від електричної лампочки до комп'ютера.
На жаль іноді напруга виходить за межі, встановлені для нього начальниками. У деяких районах такі періоди повторюються з регулярністю сходу сонця. Власники комп'ютерів, що працюють у цих умовах, звичайно ж схильні вимагати, щоб ДБЖ, захищають їх комп'ютери, стабілізували напруга.
Два з розглянутих нами типів джерел безперебійного живлення стабілізують напруги, так би мовити, за визначенням. Це on-line ДБЖ: з подвійним перетворенням і ферорезонансний.
Точність стабілізації змінної напруги на виході ДБЖ з подвійним перетворенням зазвичай близько 1-3% при статичному (тобто не змінюється в часі) і збалансованою (рівномірно рапределенной по фазах для 3-х фазних ДБЖ) навантаженні. У разі різкої зміни навантаження (наприклад її повного або неповного включення або виключення) похибка стабілізації зростає до приблизно 10% для хороших ДБЖ. Не всі виробники ДБЖ вказують цю характеристику. У разі, коли вона не вказана, потрібно бути дуже обережним, якщо для вас принципова робота ДБЖ при динамічному навантаженні.
При розбалансованою навантаженні (тобто якщо навантаження нерівномірно розподілена по фазах 3-х фазного ДБЖ) похибка стабілізації також зростає. Існують правда трифазні ДБЖ з незалежним регулюванням напруги в кожній з трьох фаз. Розбалансованість навантаження для таких ДБЖ не має значення.
Діапазон вхідних напруг, в якому відбувається стабілізація напруги, для ДБЖ з подвійним перетворенням завжди збігається з діапазоном допустимих вхідних напруг (тобто діапазоном напруг, при якому ДБЖ працює від мережі). Таким чином ДБЖ з подвійним перетворенням не може не стабілізувати напругу. Він видає або стабільне вихідна напруга (при роботі від мережі або від батареї) або не видає жодного. Діапазон вхідних напруг для різних ДБЖ дуже сильно різниться. Характерним є значення плюс-мінус 10-15% від номінальної напруги. Деякі малопотужні ДБЖ можуть мати діапазон вхідних напруг від 100 до 280 вольт і навіть ширше (правда часто робота ДБЖ при мінімальних значеннях напруги забезпечується тільки при неповному навантаженні).
Якщо користувача не влаштовує діапазон вхідної напруги ДБЖ з подвійним перетворенням, то для деяких моделей ДБЖ він може бути розширений за рахунок спеціальних хитрувань. Розширення діапазону вхідних напруг (у тих рідкісних випадках, коли воно можливе) повинно проводитися дуже кваліфікованим спеціалістом, який дуже чітко уявляє, що він робить. Потрібно мати на увазі, що ніщо не дається безкоштовно, і всеодно, за розширення діапазону вхідних напруг доведеться чимось заплатити, наприклад надійністю ДБЖ або якістю напруги, що надходить до навантаження.
Для більшості ДБЖ з подвійним перетворенням діапазон вхідних напруг залежить від навантаження. При меншому навантаженні діапазон вхідних напруг дещо розширюється.
Ферорезонансний ДБЖ стабілізує напругу за рахунок властивостей феррорезонансного трансформатора. Похибка стабілізації напруги становить 1-5% і залежить від навантаження: при меншому навантаженні похибка зменшується.
Ферорезонансний трансформатор дуже стійкий до будь-яким перехідним процесам. Тому похибка стабілізації слабко змінюється при динамічному навантаженні.
Діапазон вхідних напруг феррорезонансного ДБЖ сильно залежить від навантаження. При малому навантаженні він може починатися від 145 Ст.
ДБЖ з перемиканням не володіють функцією стабілізації напруги.
ДБЖ, які взаємодіють з мережею, можуть поступово регулювати вихідну напругу.
Ступінчасте регулювання напруги реалізовано за рахунок перемикання навантаження на роботу від іншої обмотки автотрансформатора.
У найпростішому випадку існує тільки одна ступінь підвищення напруги, що спрацьовує при зменшенні напруги мережі. Більш сучасні взаємодіють з мережею ДБЖ регулюють напругу і при його підвищенні.
Наприклад ДБЖ Smart-UPS фірми American Power Conversion перемикає навантаження на роботу від підвищує обмотки автотрансформатора, якщо напруга стає менше 196 Ст. Підвищує обмотка дозволяє підняти напругу на 12%. При подальшому падінні вхідної напруги вихідна напруга лінійно падає. Коли вхідна напруга досягає 176 В (заводська установка) Smart-UPS перемикається на роботу від батареї.
При підвищенні вхідної напруги вище 264 В навантаження перемикається на роботу від обмотки автотрансформатора, понижувальної напруга на 12%. Після досягнення вхідною напругою значення 296 В, ПРИСТРІЙ перемикається на роботу від батареї.
У більшості ДБЖ, взаємодіючих з мережею, є тільки одна щабель регулювання напруги (в кожну сторону, якщо двостороннє регулювання). Але деякі ДБЖ мають дві і більше щаблів стабілізації в кожну сторону.
Придушення шумів
Для захисту від імпульсів в ДБЖ різних типів застосовуються різні технології. ДБЖ з перемиканням і взаємодіє з мережею пригнічують приходить по силовій мережі шум з допомогою R-C або L-C фільтрів. У феррорезонансном ДБЖ фільтром є ферорезонансний трансформатор. Придушення шумів в ДБЖ з подвійним перетворенням здійснюється в процесі двох перетворень енергії. Крім того, в ланцюзі постійного струму цих ДБЖ зазвичай коштують спеціальні ємності та дроселі для згладжування пульсацій зарядного струму. Ці L-C фільтри дуже ефективно пригнічують і проникаючі через випрямляч шуми.
Орієнтовні рівні придушення перешкод в діапазоні частот від 1 до 10 МГц для ДБЖ різних типів наведено в таблиці.
Тип ДБЖ Придушення перешкоди загального вигляду, дБ Придушення перешкоди нормального вигляду, дБ
З перемиканням 5-30
(часто не нормується) Зазвичай не нормується
Взаимодействующый з мережею 5-80 40-100
Ферорезонансний 60 100-120
З подвійним перетворенням до 60 до 100
Придушення імпульсів
В світі існують декілька стандартів, що описують вимоги до ДБЖ, щодо захисту від імпульсів. Зазвичай американські ДБЖ тестуються на відповідність стандарту ANSI/IEEE С62.41, описує параметри імпульсів, які може витримувати комп'ютер або обладнання, призначене для захисту від імпульсів. Стандартом описуються напруга і форма імпульсу.
Стандарт передбачає дві категорії: А і В. Категорія А належить до типових офісних умов і передбачає випробування ДБЖ шляхом подачі на його вхід імпульсу напругою 3000 Ст. Категорія відноситься до більш важких умов (наприклад, для комп'ютерів, підключених до мережі поблизу до силового вводу в будівлю) і передбачає випробування імпульсом напругою 6000 Ст.
Зазвичай виробники ДБЖ гарантують відповідність їх продукції категорії А цього стандарту або аналогічного стандарту. Деякі ДБЖ також відповідають категорії стандарту.
В ДБЖ різних типів використовуються різні технології придушення імпульсів. Варисторний захист від імпульсів використовується в ДБЖ з перемиканням і взаємодіючих з мережею.
Перешкодою на шляху імпульсу через ДБЖ з подвійним перетворенням енергії є саме подвійне перетворення, гальванічне розділення (в тих моделях, де воно є) і поєднання ємностей і батареї в ланцюзі постійного струму. Проте в деяких моделях ДБЖ з подвійним перетворенням встановлено додатково і варисторного шунти.
У феррорезонансном ДБЖ функцію фільтра імпульсів виконує сам ферорезонансний трансформатор, хоча варистори також є на вході ДБЖ.
Дуже простий і ефективний варисторний шунт може придушувати імпульси з струмами величезною амплітуди (килоамперы для ДБЖ з перемиканням і до десятків кілоампер для кращих моделей ДБЖ, взаємодіючих з мережею).
Для варисторной захисту, як вже зазначалося, є принципове обмеження енергії імпульсу, який може витримати варисторний шунт. Зазвичай ця енергія дорівнює 80-500 Дж. При вступі на варистор імпульсу більшої енергії, він може вийти з ладу. При цьому варистор може механічно зруйнуватися. Це обмежує в основному тривалість імпульсу, так як амплітуда імпульсу може бути досить великою.
Іншим обмеженням варисторной захисту є її ресурс. При придушенні імпульсів варистор поступово зношується і, зрештою, виходить з ладу.
Дві інші технології захисту від імпульсів не мають принципового обмеження ресурсу і енергії імпульсу. Це звичайно ж не свідчить про те, що вони можуть працювати вічно і ефективно придушувати імпульси будь амплітуди і тривалості.
Завданням ДБЖ є не тільки витримати імпульс, але й зменшити його амплітуду до прийнятної для комп'ютера величини. У таблиці наведено орієнтовні значення коефіцієнта придушення імпульсу для різних ДБЖ. Цей коефіцієнт дорівнює відношенню амплітуд імпульсу без захисту і при використанні захисту. Мені не відома ця величина для ДБЖ з подвійним перетворенням.
Тип ДБЖ Коефіцієнт придушення імпульсів
З перемиканням 30-50
Взаимодействующый з мережею 30-100
Феррорезонасный 2000
Коефіцієнт корисної дії
Коефіцієнт корисної дії — не найголовніша характеристика ДБЖ. Якщо комп'ютери, захищаються ДБЖ дійсно працюють, то споживана ними електроенергія коштує істотно менше, ніж зберігаються в них дані. Тому сам по собі коефіцієнт корисної дії не може розглядатися як параметр, за яким слід вибирати ДБЖ.
Тим не менш, є кілька важливих параметрів, пов'язаних з ККД, які є сенс обговорити.
Коефіцієнт корисної дії — це відношення потужності, споживаної навантаженням ДБЖ до повної споживаної потужності ДБЖ. Чим більше ККД, тим менша частина проходить через ДБЖ потужності виділяється всередині його корпусу.
Виділення тепла додаткового всередині корпусу ДБЖ призводить до ряду неприємних наслідків.
Якщо не вживати додаткових заходів для видалення тепла з корпусу (наприклад вентилятори), то температура всередині ДБЖ підвищиться. Це призведе до зменшення ресурсу акумуляторної батареї ДБЖ (якщо вона встановлена всередині). За даними виробників акумуляторів, підвищення температури експлуатації батареї на 10 градусів призводить до зменшення її ресурсу вдвічі.
Тому всі ДБЖ середньої та великої потужності, які не можуть охолоджуватися за рахунок природної конвекції, оснащені примусовим охолодженням.
ДБЖ малої потужності, побудовані за схемою з подвійним перетворенням енергії, і ферорезонансні, також доводиться примусово охолоджувати, оскільки вони мають найменший ККД, порівняно з іншими розглянутими нами типами ДБЖ.
Величина ККД для ДБЖ з подвійним перетворенням і ферорезонансних ДБЖ (за даними виробників) становить 85-94% при повній потужності. Якщо потужність навантаження зменшується до 70-80% від номінальної ККД сучасних джерел безперебійного живлення майже не змінюється. Він починає помітно падати тільки при ще меншій потужності навантаження.
Останнім часом з'явилися ДБЖ з ККД не менше 70-80% навіть примощностях близько 30% номінальної.
ДБЖ з перемиканням, які взаємодіють з мережею мають приблизно однакові ККД, оскільки при роботі від мережі основна потужність при роботі цих ДБЖ надходить до навантаження практично без перетворення. Їх ККД при роботі від мережі дорівнює не менше 96% на режимі повної потужності і плавно зменшується із зменшенням потужності навантаження.
Час роботи від батареї
Для більшості звичайних офісних ДБЖ невеликої потужності час роботи від батареї при максимальному навантаженні становить 4-15 хвилин.
Якщо навантаження ДБЖ менше максимальної, те час роботи від батареї збільшується. Із-за нелінійності розрядної кривої акумуляторної батареї-це збільшення не пропорційно зменшенню навантаження. Якщо навантаження зменшилося вдвічі, то час роботи може збільшитися в 2,5-5 разів, якщо втричі, то час збільшується в 4-9 разів і т. д.
Точно визначити, скільки буде працювати ДБЖ при неповному навантаженні, можна лише експериментально або користуючись даними фірми виробника. На рисунку наведено графік, за яким можна приблизно оцінити цю величину.

Рис. 29. Час роботи від батареї ДБЖ при навантаженні менше номінальної
По осі абсцис відкладена навантаження ДБЖ у відсотках від номінальної. По осі ординат — кількість разів, в яке час роботи від акумулятора більше часу роботи від батареї при номінальному навантаженні. На малюнку наведено дані фірм виробників для ДБЖ більше 50 різних моделей потужністю від 250 до 18000 ВА.
Користуватися графіком дуже просто. Якщо потужність вашого комп'ютера становить 50% номінальної потужності вашого ДБЖ, то, знайшовши відповідне поділ на осі абсцис (осі абсцис), піднімайтеся вертикально вгору. На перетині з серединою хмари точок ви знайдете потрібне вам значення: час роботи від батареї ДБЖ збільшиться приблизно в 3.5 рази.
Дані про час роботи від батареї зазвичай наводяться для нової і повністю зарядженої батареї. Характеристики для зношеної батареї будуть зовсім іншими. Можна тільки сказати, що час роботи від зношеної або не повністю зарядженої батареї буде менше.
ДБЖ великої потужності і деякі ДБЖ малої потужності мають можливість збільшення часу автономної роботи за рахунок заміни батареї на батарею більшої ємності або установки додаткової батареї.
Акумулятор більшої ємності може встановлюватися в тому ж корпусі або може встановлюватися додатковий корпус для батареї.
Якщо ємність батареї ДБЖ збільшується, а його потужність зарядного пристрою залишається незмінною, то зростає час заряду батареї. При збільшенні ємності батареї в кілька разів, приблизно в стільки ж разів зростає час заряду.
Деякі виробники ДБЖ передбачають можливість заміни зарядного пристрою на більш потужне. Це дозволяє зберегти прийнятний час заряду при нарощуванні ємності батареї.
Трифазні ДБЖ зазвичай мають можливість регулювання зарядного струму в залежності від ємності встановленої акумуляторної батареї.
ДБЖ малої потужності, спеціально призначені для тривалої автономної роботи, як правило мають модульну конструкцію. Це означає, що користувач сам вибирає тип батареї або кількість однотипних блоків батарей, відповідне требующемуся часу роботи.
Нарощування ємності батареї однотипними модулями до ємності, яка відповідає часу автономної роботи (при повному навантаженні) більше кількох годин, призводить до появи акумуляторної станції з величезним числом акумуляторів. У такої системи є щонайменше один недолік: велика кількість контактів, схильних окислюватися. Тому обслуговування такого ДБЖ може являти собою проблему, а пошук несправності в батареї займати кілька днів.
Зазвичай для більш тривалого, ніж кілька годин, підтримки роботи устаткування рекомендуються дизельні або інші електричні генератори.
Деякі ДБЖ мають індикатор, за яким можна визначити, наскільки заряджена батарея ДБЖ і скільки часу може ще пропрацювати від батареї ДБЖ.
Вимірювання заряду батареї ДБЖ досить складне завдання і дуже небагато виробників ДБЖ дійсно вміють її вирішувати. Іноді ДБЖ призначена для відносно тривалої роботи від батареї (наприклад для завершення будь-яких обчислень або передачі даних). В цьому випадку зазвичай потрібно більш або менш точно знати скільки часу залишилося до повного розряду батареї. У цьому випадку краще не довіряти заявам продавців або виробників ДБЖ про наявною у вашому розпорядженні функції, а перевірити її можливості самому.
Всього можуть бути три варіанти оцінки часу, що залишився до розряду батареї.
Найпростіший варіант. ДБЖ вимірює протікає через нього струм і після перемикання на роботу від батареї починає відраховувати час, що залишився до розряду батареї, користуючись записаною в постійній пам'яті інформацією про розрядному циклі. Розрахунок проводиться, виходячи з повного заряду батареї. Отже, якщо ваша батарея кілька розряджена або зношена (ви про це можете і не знати), ви можете бути неприємно здивовані, залишившись без напруги в самий відповідальний момент.
Другий варіант. ДБЖ вимірює напругу на батареї і, виходячи з записаної в постійній пам'яті інформацією про розрядному циклі відображає (на цифровому або світлодіодному індикаторі) заряд батареї. В цьому випадку вам надається можливість самостійно приблизно визначати момент, коли ДБЖ відключиться.
Третій варіант є фактично поєднанням перших двох. На основі даних про заряд батареї і споживаної навантаженням струмі, на цифрове табло видається число, відповідне залишився часу роботи від батареї.
Як уже говорилося, ці дані можуть виявитися не зовсім точними. Найкраще (із знайомих мені ДБЖ) ця функція реалізована в ДБЖ Ferrups.
Коефіцієнт потужності. Вати і вольт-ампер
Одним з найбільш популярних питань, які задають покупці ДБЖ, є питання про те, чим відрізняються вати від вольт-амперів.
В цепи постоянного тока дело обстоит довольно просто. Электрический ток, поступая из источника постоянного тока в нагрузку, производит в ней полезную (или бесполезную) работу по перемещению зарядов в направлении электрического поля. Рассчитать мощность в такой цепи очень просто: нужно умножить ток на падение напряжения на нагрузке:
P [Ватт] = I [Ампер] * U [Вольт]
В цепи переменного тока, с которой нам приходится иметь дело, рассматривая работу ИБП, все немного по-другому.
Для змінного струму вводиться поняття миттєвої потужності — це твір миттєвих значень змінних напруги та струму. Активна потужність (середня за часом потужність, що виділяється в навантаженні) дорівнює середньому за період значенню миттєвої потужності.
Якщо напруга має синусоїдальну форму, і навантаження в ланцюзі активна (або, інакше кажучи, омическая — наприклад, лампи розжарювання), то активна потужність дорівнює добутку діючих значень напруги і струму. Тобто вона розраховується приблизно так само, як і потужність у колі постійного струму:
P [Вт] = Uдейств * Ідейств.

Рис. 30. Мгновенная мощность в цепи переменнго тока.
а) синусоидальный ток в активной нагрузке;
б) синусоидальный ток в нагрузке с реактивной составляющей;
в) несинусоидальный ток (нелинейная нагрузка).
На рис. 30а видно, что в этом случае напряжение и ток всегда имеют одинаковый знак (становятся положительными и отрицательными одновременно). Поэтому мгновенная мощность всегда положительна. Физически это означает, что в любой момент времени мощность выделяется в нагрузке. Иначе говоря, так же как в цепи постоянного тока, заряды всегда движутся в направлении действия электрического поля.
Якщо напруга і струм мають синусоїдальну форму, але навантаження має ємнісну або індуктивне (реактивну) складову, то струм випереджає по фазі напруга або відстає від нього. У цьому випадку потужність, що виділяється в навантаженні, зменшується.
На малюнку 30б видно, що з-за фазового зсуву, у деякі моменти часу, напруга і струм мають протилежні знаки. В цей час миттєва потужність виявляється негативною і зменшує середню за період миттєву потужність. Електротехнік скаже, що в ці моменти часу струм тече з навантаження в джерело струму. З точки зору фізика, у ці моменти часу заряди рухаються за інерцією проти сил електричного поля.
Формула для середньої за період активної потужності для випадку навантаження з реактивною складовою дещо змінюється. У ній з'являється коефіцієнт потужності.