Онлайн ИБП. Миф о «чистой» синусоиде

Источники бесперебойного питания (ИБП) прочно вошли в нашу жизнь. Не буду перечислять их преимущества, скажу лишь главное — они могут выручить нас, когда пропадет питание «с улицы». Но как правильно выбрать ИБП по «чистоте» выходного напряжения и почему маркетологи продвигают Онлайн ИБП, говоря нам о «чистом синусе»? Давайте обсудим в этой статье, какое напряжение реально действует на выходе разных видов ИБП и как это влияет на нагрузку.

Зачем нужен UPS (ИБП)

ИБП в основном используются там, где пропадание электропитания может вызвать негативные последствия. Например, питание компьютеров и серверов, питание устройств связи и распределения сигналов (роутеры), различные системы безопасности.

Принцип работы ИБП понятен из названия — это источник питания, на выходе которого напряжение есть всегда. Достигается это на основе аккумулятора, без которого ИБП не бывает.

В бытовых условиях ИБП работают 10–15 мин., редко до получаса. Предполагается, что за это время питание появится либо человек предпримет необходимые действия.

ИБП обычно нельзя рассматривать в качестве резервного источника питания. Он является лишь аварийным источником, работающим непродолжительное время и выдающим небольшую мощность. Резервным источником питания можно считать такие источники, которые полностью могут заменить основное питание на длительное время — от нескольких часов до нескольких суток. Это может быть другая линия, дизельный генератор, альтернативные источники. Теоретически для этих целей может служить и ИБП, но для этого нужны аккумуляторы огромной емкости, что значительно повлияет на цену такой системы.

Виды ИБП

Давайте разберемся, чем принципиально отличаются 3 вида ИБП, которые придуманы человечеством. А главное — посмотрим, какое качество синусоиды у них на выходе и от чего оно зависит.

1. Off-Line UPS

Эти ИБП называют иногда Back или Standby. Это самый дешевый тип ИБП. Принцип — когда уровень сетевого напряжения в допустимых пределах, напряжение идет со входа на выход как есть. Но когда сетевое напряжение выходит за определенные пределы, внутреннее реле или контактор подключает нагрузку к выходу встроенного инвертора (генератора). Инвертор преобразует напряжение постоянного тока от аккумуляторной батареи (АКБ) в напряжение переменного тока стандартной частоты и напряжения. Но не стандартной формы!

С напряжением на выходе Off­Line ИБП в автономном режиме не все гладко. Ведь на его выходе нет привычной нам синусоиды. Как правило, там импульсы со ступенькой около нуля.

По факту это напряжение с частотой 50 Гц, из­за весьма отдаленного сходства с «классическим» синусом его называют «ступенчатая аппроксимация» или «модифицированный синус». Коэффициент гармоник (коэффициент нелинейных искажений) у него может достигать 30%. Про гармоники поговорим дальше, а пока обратите внимание на буковки «RMS» в верхней части экрана осциллографа, и двигаемся дальше.

2. Line-Interactive UPS

Линейно­интерактивные ИБП еще называют Smart­UPS. Маркетологи вообще любят слова «умный», «интеллектуальный», «эко». И мое любимое: «инновационный». Весь ум и интерактивность этого ИБП в том, что он реагирует на уровень входного напряжения и автоматически переключает обмотки встроенного автотрансформатора, как в релейном стабилизаторе напряжения.

В остальном принцип действия интерактивного ИБП ничем не отличается от Off­Line ИБП, поэтому отдельного детального рассмотрения он не достоин.

3. On-Line

В On­Line ИБП (их также называют инверторными) во всех режимах происходит двойное преобразование энергии — из переменного напряжения в постоянное, а потом из постоянного в переменное.

Получаем следующие плюсы:

• постоянно работающий инвертор обеспечивает стабильное напряжение 230 В ±1% (как идеальный стабилизатор);

• «чистый» синус на выходе с ничтожно малым коэффициентом гармоник.

В результате получаем лучший из возможных ИБП, главное преимущество которого — «чистый синус», поскольку принципы формирования выходного напряжения иные.

Что такое чистый синус?

Какой бы ни был инвертор внутри ИБП, он не может физически генерировать то, что в рекламных текстах называют «Чистый идеальный синус». У чистого синуса (без кавычек) присутствует только одна гармоника, в данном случае — 50 Гц. При этом коэффициент нелинейных искажений формы напряжения будет равен 0%. Это доля других гармоник, кроме основной.

В Онлайн ИБП используется аппроксимация, когда выходная волна формируется высокочастотными импульсами с ШИМ­модуляцией и последующим сглаживанием на LC­фильтре.

Тот же самый принцип используется в других устройствах, где необходимо формировать напряжение с плавным изменением значения. Например — в преобразователях частоты для питания электро­двигателей.

В век засилья нейросетей и компьютерного моделирования особенно ценны реальные фотографии и осциллограммы физических процессов. На фото — импульсы, из которых формируется напряжение, которое затем сглаживается и подается на нагрузку. На осциллограмме небольшая часть (1 мс) периода синусоиды.

Обратите внимание — все импульсы одинаковы по амплитуде, но меняются по длительности и полярности. Это и есть широтно­импульсная модуляция (ШИМ) напряжения.

В Онлайн ИБП формирование выходного напряжения происходит так же, как и в преобразователях частоты. Напряжение формируется высокочастотными импульсами — это же и есть качественная аппроксимация, если импульсы (ступеньки) достаточно малы по длительности. Чем выше частота ШИМ, тем качественнее можно получить выходное напряжение. Обычно частота ШИМ в недорогих моделях ИБП и ПЧ несколько кГц, в более качественных — более 10 кГц.

Амплитуда и скважность каждого импульса задают необходимую для данного момента времени амплитуду выходного сигнала инвертора. В хороших Online ИБП коэффициент нелинейных искажений КНИ менее 6%, а в самых топовых — менее 3%. Откройте инструкцию на любой Онлайн ИБП, там обязательно есть этот параметр. Он может называться также коэффициентом гармоник, гармоническими искажениями или THD. Чем он меньше, тем лучше.

Но если искажения есть, значит, синусоида не чистая! И понятие «чистый синус» — не более чем маркетинговая уловка, призванная лишь показать, что аппроксимация в данных моделях более качественная, чем в дешевых.

Кстати, ничего не мешает применить схему с высокочастотной ШИМ­модуляцией в дешевых Off­Line UPS. Конечно, кроме цены.

Какие искажения синусоиды можно считать допустимыми?

Но как понять, 3 или 6% — это много или мало? Поскольку все познается в сравнении, давайте сравним напряжение на выходе ИБП с ГОСТ 32144­2013. В Таблице 1 указано, что в обычной городской сети коэффициент искажений формы напряжения (доля всех гармоник, кроме основной) может быть до 12%.

Получается, что 12% «мусора» в розетке — приемлемое число, которое вполне подходит для питания бытовой нагрузки. Главная хорошая новость в том, что все эти проценты лежат выше «несущей» частоты 50 Гц, и их сравнительно легко погасить фильтрами на основе дросселей и конденсаторов. Кроме того, высокие частоты имеют свойство быстро затухать.

В любом случае в чувствительной технике всегда есть блок питания, который преобразовывает «грязную энергию» в нужное стабильное и чистое напряжение.

Как появляются искажения? От чего зависит «чистота» синуса?

Откуда берутся эти проценты? И почему бы не питать наши квартиры и дома чистой энергией?

Во­первых, идеала не существует, и за любой картинкой в учебнике электротехники скрывается реальность.

Во­вторых, за качество всегда нужно доплачивать. Стабильные параметры с минимальными допусками и максимальной гарантией всегда в технике ценятся очень дорого. Так же и с параметрами напряжения.

Если говорить про напряжение на выходе ИБП, я уже рассказывал, что искажения зависят от способа генерации (ступенчатая аппроксимация или ШИМ) и от дальнейшего сглаживания. Производители идут на компромисс, поскольку приходится искать оптимум между схемными решениями, КПД, КНИ, надежностью и ценой.

Электросеть засоряется по разным причинам. Если представить, что с электростанции выходит чистейшее напряжение, то оно неизбежно будет искажаться от таких факторов:

Нелинейная нагрузка — это любые электроприборы, которые потребляют энергию неоднородно по всему периоду напряжения. Это может быть связано с реактивностью либо с импульсным характером работы входных цепей. Типичный пример — импульсные блоки питания, которые берут энергию только импульсами, в определенные промежутки периода.

Коммутационные и другие искровые помехи — они привносят в спектр свои составляющие. Если посмотреть на временное отображение синуса с такими помехами, это будет выглядеть как шипы или скачки напряжения.

Поскольку нагрузка очень сильно влияет на форму выходного напряжения, обычно указывают два КНИ — без нагрузки и с нелинейной нагрузкой.

Выбор ИБП по чистоте синуса

При выборе обращайте внимание на коэффициент нелинейных искажений (долю высших гармоник в выходном напряжении). Например, в некоторых ИБП этот параметр не превышает 3%. А это говорит о том, что внутренний инвертор обеспечивает практически идеальную аппроксимацию синусоиды. Коэффициент гармоник — это первое, на что надо смотреть после мощности при выборе ИБП. Как правило, при плохой аппроксимации параметр «КНИ» запрятан где­то глубоко в инструкции, а чаще о нем стыдливо умалчивается.

У Online UPS может быть даже такая ситуация, что в дежурном режиме напряжение идет из сети в нагрузку с искажениями 10%, а при переключении на инвертор синус будет более качественным, с КНИ менее 3%.

Поэтому, выбирая тип ИБП для котла или для другой чувствительной нагрузки, смотрите не на заверения продавцов, а на то, насколько чистый синус выдает внутренний инвертор.

Как влияет «чистота» синуса на разные виды нагрузок?

Почему я заговорил про котлы? Тут причины две.

1. Котлы и компьютерные системы — пожалуй, самые распространенные устройства, для которых приобретают ИБП. С компьютерами ситуация понятна — при пропадании питания могут пропасть данные. Впрочем, с распространением ноутбуков и онлайн­сервисов проблема перестала быть актуальной. С котлами все серьезнее — если обогрев прекратится зимой, можно «влететь» на сотни тысяч рублей.

2. Современные системы отопления обязательно имеют циркуляционный насос, который работает на основе асинхронного электродвигателя. Двигатель питается только первой гармоникой. Это означает, что в механическую мощность (на вращение ротора) уходит первая гармоника 50 Гц, остальные расходуются только на нагрев. Поэтому при том же моменте на валу двигатель может сильно греться. Такое может произойти, если электродвигатель питать от Offline UPS, у которого на выходе модифицированный синус с кучей частот спектра, которые двигатель «переварить» не в состоянии.

Но тут есть еще один подводный камень. Дело в том, что напряжение первой гармоники далеко не 220 В, и двигатель недополучает питание. Это — вторая причина перегрева.

Помните, в начале статьи я говорил про буквы RMS? Если измерить напряжение на Offline UPS обычным мультиметром, то получится значение около 155 В. И таким напряжением по факту будет питаться наш двигатель, что приведет к его перегрузке.

Но почему на выходе Offline UPS такое низкое напряжение?

Дело в том, что мультиметр измеряет только первую гармонику с частотой 50 Гц. Для синуса все гладко. Но если измерять напряжение таких вот импульсов, надо мерять именно RMS, истинное среднеквадратическое, иначе не будут учтены следующие гармоники, несущие в себе «остальную» энергию. А это — до 30%!

То есть дело не в низком напряжении, а в неверных показаниях прибора. Используйте в таких случаях измерительные приборы с True RMS, которые учитывают весь спектр напряжения (разумеется, не до бесконечности).

Вывод: применение Offline UPS с модифицированным синусом, которые имеют большой коэффициент гармоник, крайне не рекомендуется для потребителей, которые питаются только первой гармоникой напряжения 50 Гц. Главные потребители качественного напряжения в данном случае — электродвигатели и трансформаторы. Поэтому, подключив двигатель или старенький радиоприемник к дешевому ИБП, не удивляйтесь, когда они сгорят.

Как в домашних условиях определить чистоту синусоидального напряжения?

Самый простой ответ — никак. Остается только верить на слово производителю. По экрану осциллографа лишь опытный глаз сможет определить искажения менее 10%. Для того, чтобы измерить реальный КНИ, нужен спектроанализатор либо специальный прибор — анализатор качества электроэнергии. Для примера, как выглядят спектры на экране прибора Hioki 3197 при работе поворотного диммера. Видно, что потребляемый ток возникает, начиная примерно с трети полупериода.

Впрочем, я могу предложить пару способов оценки доли гармоник.

Про один из них я сказал выше — при помощи обыкновенного вольтметра. Если напряжение на выходе ИБП сильно меньше номинального (обычно 220 или 230 В), то вывод прост — напряжение первой гармоники низкое, а значит, остальная энергия содержится в высоком диапазоне спектра.

Второй способ — для тех, кто не ищет легких путей. Берете динамик и включаете его в розетку 220 В. Конечно, не напрямую, а через трансформатор со вторичной обмоткой 3…5 В. Кроме 50 Гц, будет явственно слышен целый оркестр, играющий в лес и по дрова всякие непотребности. Добавите диод — можно даже услышать мощную радиостанцию.

Включаете динамик на выход ИБП и сравниваете. Можно для качества эксперимента динамик со входа на выход переключать тумблером. Онлайн ИБП выдаст «идеальный» гул. Офлайн покоробит ваше ухо.

Помните бородатый анекдот про такси — «Вам нужно ехать или шашечки?» Считаю, нужно так же подходить к проблеме, поднятой мною в этой статье. Честно задайте себе вопрос — мне нужно идеальное качество или допустимое качество напряжения? И нужно ли верить всему, что пишут и говорят? В конце концов, примите тот факт, что наш мир не идеален.