Недавно мне по случаю достался неплохой аппарат — онлайн ИБП Kehua Tech мощностью 1 кВА. Я решил рассмотреть его со всех сторон и высказать своё мнение о плюсах и минусах этого устройства. В результате получился обзор, состоящий из двух частей: теоретической и практической.
В теории я рассмотрю важные параметры и функции этого ИБП. Порассуждаем, какие параметры хороши, а какие — не очень. Практическая часть будет интереснее — я проведу всевозможные испытания, проверю заявленные параметры, вскрою корпус и проанализирую схему и качество сборки устройства.
Уверен, статья будет полезна всем, кто изучает данную тему. Ведь среди многообразия принципов действия и параметров ИБП разобраться бывает нелегко.
Что такое ИБП и UPS?
UPS — это сокращение английского названия Uninterruptible Power Supply, что в переводе означает «источник бесперебойного питания» (ИБП). Обе аббревиатуры имеют право на жизнь, и в русском языке используются на равных правах.
Уверен, что большинство моих читателей знает, что такое ИБП. Более того, у большинства ИБП стоит под столом. Но для полноты изложения напоминаю, что ИБП — это резервный источник питания, от которого питается нагрузка в случае проблем с сетевым напряжением. В состав ИБП всегда входит аккумулятор (встроенный или внешний), энергия которого преобразуется в переменное напряжение со стандартными параметрами. Подробнее расскажу ниже.
Где нужен ИБП?
В современном мире проблемы с электропитанием, к счастью, случаются не столь часто. Однако, цена, которую придётся заплатить при перебое электроэнергии, может быть весьма высокой. И речь идёт не столько о материальных потерях, сколько об ущербе, который на первый взгляд не виден. Это — потерянное время и потерянная информация. В итоге это может вылиться в потерянные нервы и даже в испорченную репутацию.
Думаю, каждому приходилось бывать в ситуации, когда из-за пропадания питания терялись труды многих часов и даже дней.
Чтобы минимизировать риски, связанные с нестабильным питанием, устанавливают стабилизаторы напряжения. Но и они не всесильны — их работа очень инерционна, а при пропадании питания они превращаются в бездушный кусок металла.
Поэтому лучшее решение там, где нужна 100 % гарантия непрерывного и качественного питания — установка ИБП. Прежде всего они работают там, где на первом месте — сохранность данных и непрерывность каких-либо процессов. Это компьютерные системы, системы связи и передачи данных, медицинское оборудование. Другое применение, о котором я писал на блоге — установка ИБП для питания цепей управления промышленного оборудования. Контроллеры, даже самые современные, не любят резкие перепады и помехи в цепях питания и управления. И ИБП (а особенно online, как я покажу ниже) — идеальное решение для устранения сбоев в работе оборудования.
Как устроен ИБП?
Для начала, разберемся с основными режимами работы ИБП.
Применительно к ИБП название режима «дежурный» или «сетевой» означает одно и то же — нагрузка питается от сети (точнее, из сети берётся энергия, которая может подвергаться стабилизации, фильтрации, преобразованию, и т. п.). Важно то, что в этом режиме ИБП стоит «на стрёме», готовый в случае проблемы с сетью брать энергию от аккумулятора. В этом режиме ИБП работает 99,9 % рабочего времени.
Другой основной режим ИБП называется «автономный», «режим резервирования», или «режим АКБ». Название говорит само за себя — ИБП берёт энергию только от встроенных источников питания. Этот режим не может длиться вечно, и за несколько минут нужно либо дождаться возобновления сетевого режима, либо завершить работу нагрузки (это может быть сделано автоматически, при помощи специального ПО).
Основа любого ИБП— контроллер, который постоянно мониторит уровень входного напряжения. Если напряжение находится в заданных пределах, ИБП работает в дежурном (сетевом) режиме. При этом энергия аккумулятора не тратится, а нагрузка фактически питается электроэнергией «из розетки».
Если же основное питание выходит за приемлемые пределы, либо пропадает вовсе, контроллер переводит ИБП в автономный режим (режим АКБ). Нагрузка начинает питаться энергией, ранее запасенной в аккумуляторе. Для преобразования постоянного напряжения аккумулятора в любом ИБП присутствует генератор напряжения — инвертор, преобразующий постоянное напряжение в переменное.
Вспомните реле напряжения — у него функционирование похоже: при выходе напряжения за заданные пределы оно срабатывает (отключает нагрузку напрочь). ИБП очевидно лучше — он, в отличии от реле напряжения, не оставляет нагрузку без питания, а переключает питание на резервный источник.
Есть ещё режим байпаса (другие его названия — «bypass», «обводной», «обходной»), в котором электроэнергия из сети передается напрямую в нагрузку, минуя инвертор. Аккумулятор при этом энергию не тратит, но может при необходимости подзаряжаться. Режим байпаса включается пользователем вручную (принудительно). Выбор этого режима может быть обусловлен такими факторами:
- неисправность, отсутствие, или низкая емкость АКБ,
- уверенность пользователя в качестве сетевого напряжения,
- желание сохранить ресурс АКБ в ущерб непрерывности питания,
- нетребовательность нагрузки к качеству и непрерывности питания.
Если вы постоянно используете режим байпаса, задумайтесь — а нужен ли вам ИБП вообще?
За всеми описанными процессами следит контроллер, который переключает режимы и обеспечивает заряд батареи. Контроллер управляется через кнопки на передней панели, а также выдает информацию на ЖК-индикатор.
Это очень коротко. Ниже на примерах разберем принципы работы и функции ИБП более подробно.
Какая схема ИБП — лучшая?
На данный момент существуют три основных разновидности схем ИБП:
- Offline (Back) ИБП. Они работают «в лоб» — когда напряжение не укладывается в рамки, запускается встроенный инвертор, который берет энергию от аккумулятора. Минус схемы — нестабильный уровень напряжения на выходе и нерациональный расход аккумулятора. Как правило, такие устройства дешевы не только за счет простейшей конструкции, но и за счет некачественной аппроксимации выходного напряжения (о выходном «синусе» расскажу ниже). Из-за высокого коэффициента гармоник далеко не вся нагрузка будет работать нормально. Пример — лазерные принтеры, которые кроме качественного синуса потребляют большой ток при разогреве, который надо учитывать.
- Line-Interactive (Smart) ИБП. Такой аппарат лучше предыдущего тем, что в него встроено подобие релейного стабилизатора, и аккумулятор расходуется в основном только тогда, когда сетевое напряжение пропадает полностью. Обязательная часть такого ИБП — автотрансформатор с переключаемыми выводами. Соответственно, это удорожает и утяжеляет конструкцию. Однако, функционал, параметры и качество выходного напряжения заметно выше, чем у схемы Back.
- Online ИБП (с двойным преобразованием). Как раз по этой схеме работает мой KEHUA KR1000+. Эти устройства — наиболее совершенные среди всех ИБП, и в них устранены недостатки, присущие другим схемам. Поэтому рассмотрим Online ИБП подробнее на примере KEHUA KR1000+.
Трансформаторные и бестрансформаторные Online ИБП
Онлайн ИБП делятся на два принципиально разных вида — с трансформатором и без. Выбирая ИБП в каждом конкретном случае, нужно знать о различиях трансформаторного и бестрансформаторного типа Онлайн ИБП.
Трансформатор устанавливается на выходе ИБП, обеспечивая возможность работы выходных каскадов инвертора на сравнительно низком напряжении и гальваническую развязку. Это позволяет получить надежную схему и более безопасно эксплуатировать, например, нагрузку, контактирующую с водой. Минус трансформаторных ИБП — низкий КПД (около 90 %) и большой вес.
Бестрансформаторные ИБП, к числу которых относится и Kehua KR1000+, практически вытеснили своих собратьев-тяжеловесов, особенно среди маломощных моделей (менее 6 кВА). Их преимущества:
- более высокий КПД для моделей с одинаковой мощностью,
- низкий вес и габариты,
- высокая надежность, благодаря современной схемотехнике и качественным комплектующим,
- высокий входной коэффициент мощности — ведь внутри реактивные элементы почти не применяются,
- низкая цена — это вытекает из предыдущих пунктов и из стоимости меди для трансформатора.
Важное достоинство бестрансформаторной схемы — «сквозной ноль», который требуется для работы фазозависимого оборудования — например, отопительных котлов.
Работа Online ИБП Kehua KR1000+
При подаче сетевого питания на ИБП он начинает заряжать АКБ (если это необходимо), но на нагрузку питание не подает. Это хорошо видно на отображаемой диаграмме.
Для подачи питания на нагрузку нужно проникновенно нажать на кнопку «ON». Питание на нагрузку подано:
Что интересно, у ИБП Kehua есть особенность — напряжение на выходе нарастает плавно, примерно в течении 1-2 сек. Думаю, в этом есть польза — значительно уменьшаются пусковые токи.
Далее, если сетевое напряжение вдруг пропадает, ИБП переходит в режим резервирования (режим АКБ).
ИБП можно включить и тогда, когда нет сетевого напряжения (холодный старт).
Схема и функционал Online ИБП Kehua KR1000+
Принципиальное отличие ИБП с двойным преобразованием от ИБП, работающих на других принципах — встроенный инвертор работает постоянно. И в сетевом режиме, и в режиме АКБ инвертор выдает стабильное выходное напряжение. Отличия режимов лишь в источнике постоянного напряжения для питания инвертора — от сетевого выпрямителя или от аккумулятора.
Кстати, ссылка для расширения кругозора: инвертор на солнечных батареях. Фактически, это тоже ИБП, но там не два, а три источника электроэнергии — сеть, АКБ и солнечные батареи.
Давайте подробно рассмотрим функциональную схему Online ИБП. Она одинакова для всех ИБП с двойным преобразованием:
Сетевое напряжение от домашней электросети через автоматический выключатель и розетку поступает на вход ИБП. Там напряжение очищается при помощи помехоподавляющего фильтра ППФ, который понижает влияние высокочастотных помех и импульсных перенапряжений. В состав фильтра входят LC-звенья и варисторы.
Далее сетевое напряжение поступает на выпрямитель с корректором коэффициента мощности (PFC) — эта функция позволяет держать высокий коэффициент мощности независимо от нагрузки ИБП. Это первое преобразование напряжения — из переменного в постоянное.
Также сетевое напряжение с ППФ поступает на зарядное устройство, которое преобразует переменное напряжение в постоянное, и формирует оптимальное напряжение и ток заряда АКБ, и на переключатель режима байпаса.
Постоянное напряжение с выпрямителя подается на инвертор, который производит второе преобразование напряжения — из постоянного в переменное. Переменное напряжение с инвертора проходит через выходной помехоподавляющий фильтр и устройства защиты, и поступает на выходные розетки, через которые питается нагрузка.
Поскольку напряжения АКБ явно недостаточно для питания инвертора, используется повышающий конвертор (бустер), который повышает напряжение батарей до значения 360 В.
В некоторых источниках утверждается, что выходной бустер — это третье преобразование. И бестрансформаторные ИБП правильно называть ИБП с тройным преобразованием. Но давайте не будем усложнять.
Параметры линейки KR11+
ИБП Kehua KR1000+ входит в линейку KR11+, которая содержит несколько однофазных ИБП — от 1 до 10 кВА. Все модели этой линейки однофазные и имеют трехпроводное подключение. У каждого номинала мощности есть разновидности, которые отличаются по возможности работы от внешних батарей. Теперь давайте обсудим некоторые важные параметры моделей линейки ИБП KR11+.
Диапазоны входного напряжения
Этот параметр — пример интеллектуальной функции. Диапазонов несколько, и отличаются они в зависимости от нагрузки на выходе. Чем меньше уровень нагрузки, тем шире может быть рабочий диапазон сетевого режима и меньше расходуется АКБ. При большой нагрузке диапазон будет более узким, а вероятность того, что ИБП перейдёт на питание от АКБ — более высокой. Чтобы не быть голословным, приведу таблицу входных напряжений для ИБП мощностью 1, 2 и 3 кВА.
Таблица. Допустимая нагрузка в зависимости от диапазона входного напряжения
| Диапазон, В | 176-295 | 154-176 | 120-154 |
|---|---|---|---|
| Нагрузка, % | 100-75 | 75-50 | 50-0 |
Для «тяжеловесов» мощностью 6 и 10 кВА ситуация другая — они работают от сети на полную нагрузку в диапазоне от 176 до 275 В, а уменьшение нагрузочной мощности происходит линейно в диапазоне 80...176 В. На питание от АКБ ИБП переходит при выходе напряжения за допустимые пределы (80...275 В).
Чтобы не было недопонимания, уточню, что нагрузка на выходе не меняется каким-то чудесным образом в зависимости от сетевого напряжения. Это лишь означает, что пользователь должен сам уменьшить мощность подключенных к ИБП приборов при пониженном напряжении на входе. Иначе возможен повышенный износ АКБ и перегрузка ИБП. Описанный эффект основывается на физических принципах работы и схож с работой стабилизаторов — у них тоже выходная мощность падает при понижении входного напряжения. И так же, как и в стабилизаторах, этот эффект является аргументом в пользу увеличения запаса мощности ИБП.
Входной коэффициент мощности
Как я говорил выше, за этот параметр отвечает входной корректор коэффициента мощности (PFC). Этот параметр у всех моделей ИБП Kehua максимально высокий — более 0,99. Это позволяет максимально полно использовать «пропускную способность» питающий электросети.
Напряжение АКБ
Батарея может состоять из нескольких аккумуляторов емкостью 9 А·ч, соединенных последовательно. Зарядный ток в моей модели Kehua KR1000+ может достигать 1 А, а внутри встроены два аккумулятора. Логично, что чем мощнее модель, тем большее количество аккумуляторов она поддерживает.
Модели с внешней АКБ можно настраивать на нужное количество аккумуляторов и ток заряда. Например, самая мощная модель линейки — Kehua KR1110+ мощностью 10 кВА — может быть оснащена 16...20 внешними аккумуляторами с общим напряжением 192...240 А. Ток заряда этой модели можно регулировать от 1 до 8 А. Кроме того, модели на 6 и 10 кВА могут работать в параллель, что увеличивает мощность в 2 раза.
Далее рассмотрим выходные параметры.
Выходная мощность
Обычно в таких устройствах указывается два значения мощности — полная и активная. Для Kehua KR1000+ эти значения равны 1000 ВА и 900 Вт. В других моделях эти значения также отличаются на 10 %. Другими словами, выходной коэффициент мощности равен 0.9. То, что полная и активная мощности имеют почти одинаковые значения, означает, что к ИБП может быть подключена как активная, так и смешанная (активно-реактивная) нагрузка. При температуре окружающего воздуха менее 30 °С коэффициент мощности увеличивается до 1,0.
Чистый синус
«Чистый» означает максимально приближенный к идеальному. Степень идеальности синуса характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (КНИ, или THD). Для маломощных моделей КНИ не превышает 2 % для линейной, и 5 % для нелинейной нагрузки, для моделей 10 кВА эти значения ещё лучше — 1 и 4 %. Много это или мало? Для сравнения — согласно ГОСТ 32144-2013 в городской сети допускается искажение напряжения до 12 %! Всё познается в сравнении, и в данном случае термин «чистый» вполне применим.
Выходное напряжение
Высокое качество выходного напряжения определяется не только искажениями, и стабильным уровнем. Во всех моделях выходное напряжение по умолчанию — 220 В. Но пользователь может выбрать любое значение из ряда 208, 220, 230, 240 В. При этом отклонение — не более 1 %. А это превосходит самые качественные стабилизаторы напряжения! Для сравнения — ГОСТ 29322-2014 допускает отклонение сетевого напряжения до 10 %!
Применение Online ИБП с двойным преобразованием позволяет значительно повысить качество питания нагрузки, даже если сетевое напряжение остается в норме согласно ГОСТам.
КПД
В режиме двойного преобразования для моделей на 1000 ВА КПД достигает 92 %. С повышением мощности КПД растет, и для Kehua KR1110+ мощностью 10 кВА достигает 95 %.
Нулевое время переключения
По хорошему, этот параметр вообще не имеет смысла в Online ИБП, поскольку инвертор работает постоянно, и переключения между сетевым режимом и режимом АКБ с точки зрения инвертора как такового нет. Термин «время переключения» происходит от offline-моделей, в которых этот параметр может быть значительным и критичным для некоторых нагрузок.
Однако стоит сказать, что время переключения в режим байпаса и обратно имеет место быть — оно длится несколько томительных миллисекунд. Инерционность реле никто не отменял.
Время резервирования
Время работы от АКБ зависит, конечно, от емкости аккумуляторов и от мощности нагрузки. В инструкции для моделей на 1...3 кВА сказано, что при полной нагрузке время резервирования равно 3 минуты. Сколько реально — я расскажу во второй части, где приведу данные реального эксперимента.
Дополнительные режимы и функции ИБП Kehua KR1000+
Я уже рассказал про три основных режима работы ИБП Kehua — сетевой (дежурный), режим АКБ (режим резервирования, или автономный), и режим байпаса. Но есть ещё режим ECO (Energy control operation) — режим, в котором инвертор включается только при выходе сетевого напряжения за допустимые пределы. Можно сказать, что режим ECO — нечто среднее между режимами байпаса и АКБ. По такому принципу работает offline ИБП, в котором АКБ включаются в работу только, когда совсем всё уж плохо. Большой плюс ECO-режима — высокий КПД (до 98 %). Минус — отсутствие всякой стабилизации выходного напряжения.
Бывают аварийные ситуации, когда нужно дистанционно отключить нагрузку, например, при срабатывании пожарной сигнализации. В этом случае будет полезна функция EPO (Emergency power off). При её активации напряжение с выходных розеток снимается, в каком бы режиме ни работал при этом ИБП. Достаточно ко входу EPO подключить релейный выход, и при замыкании контактов нагрузка будет обесточена.
Кроме того, во всех моделях Kehua есть возможность подключения внутренней и внешней SNMP-карты, а также связи с внешним оборудованием через интерфейсы USB, RS232, RS485.
Индикация
Мнемосхема состояния, изображенная на дисплее и звуковая сигнализация, позволяет быстро оценить сложившуюся ситуацию. Думаю, это и так понятно по вышеприведенным фото.
Охлаждение
Вопрос охлаждения в электронике напрямую влияет на надежность и ресурс работы. Но не нужно перегибать палку — если вентилятор работает постоянно, ничего хорошего в этом нет. Тут возможны два варианта:
- Термостата (термореле) нет, и вентилятор постоянно засасывает внутрь ИБП пыль, тополиный пух и кошачью шерсть). При этом почем зря расходуется ресурс вентилятора и ИБП, и тратится электроэнергия. Кроме того, вентилятор создает шум, а это может действовать на нервы. Лично знаю человека, которому я устанавливал ИБП с питанием от АКБ и солнечных батарей. Он поменял модель инвертора только потому, что в нём никогда не отключался вентилятор. Даже, когда инвертор стоял на холостом ходу.
- Термостат есть — если вентилятор постоянно гудит, это говорит либо о неправильной уставке термодатчика, либо о постоянном перегреве оборудования. И то, и другое — плохо.
К чему это я? В ИБП Kehua термостат есть, и настроен он правильно — при +33 °С он включается, при +30 °С выключается. Причем работает очень эффективно. Когда ИБП работает при нормальной температуре окружающей среды (+20...24 °С) и минимальной нагрузке (менее 40 Вт), вентилятор молчит. При этом можно посмотреть температуру на ЖК-дисплее — она не поднимается выше +30 °С. Высокий КПД налицо.
Но это я уже немного забежал вперед — про реальную работу, испытания и анализ внутренней схемы я буду писать во второй, практической части статьи, где по полной программе обкатаем данный ИБП и проверим его параметры.
