Феррорезонансные ИБП представлены в России единственной серией приборов. Это Ferrups фирмы Best Power Technology. Таким образом, задача рассмотрения этого типа ИБП упрощается и сводится к разговору о схеме и характеристиках этой серии ИБП.
На рисунке 15 представлена блок-схема феррорезонансного ИБП.
Рис. 15. Блок-схема феррорезонансного ИБП
Сравните эту схему со схемой ИБП, взаимодействующего с сетью. Вы увидите много общего. По сути есть одно главное отличие - вместо автотрансформатора с отводами в схеме феррорезонансного ИБП появился феррорезонансный трансформатор. Но его наличие радикально меняет работу ИБП и позволяет отнести Ferrups к другому классу устройств, обеспечивающему более высокий уровень защиты нагрузки.
Поскольку именно трансформатор в значительной степени определяет свойства этого ИБП, рассмотрим сначала подробнее работу феррорезонансного трансформатора.
Свойства феррорезонансного трансформатора
Великолепное изобретение Джозефа Солы - феррорезонансный трансформатор - было изначально предназначено для работы в качестве стабилизатора напряжения. Первый патент (1938 года) на это устройство так и назывался: "трансформатор постоянного напряжения".
Феррорезонансный трансформатор представляет собой совокупность двух магнитных цепей со слабой связью между ними. Выходная цепь содержит параллельный колебательный контур, подпитываемый от первичной цепи для компенсации мощности, поступающей в нагрузку.
Сам процесс ферромагнитного резонанса вполне аналогичен резонансу в линейных цепях, состоящих из индуктивностей и емкостей. В нелинейной цепи, такой как феррорезонансный трансформатор, резонанс используется для уменьшения колебаний напряжения во вторичной цепи.
Любое магнитное устройство представляет собой прибор с нелинейной характеристикой. Если магнитный поток меньше некоторой граничной величины, то магнитное сопротивление прибора пропорционально магнитному потоку. Если же магнитный поток превышает предельное значение, то магнитное сопротивление прибора скачкообразно возрастает (говорят, что наступает насыщение).
В феррорезонансном трансформаторе одна из магнитных цепей (выходная) находится в режиме насыщения, а другая (входная) не достигает насыщения. Большие изменения входного напряжения не могут привести к значительным изменениям напряжения на выходе из-за насыщения выходной магнитной цепи .
Все помнят, конечно, советские стабилизаторы напряжения, использовавшиеся для питания телевизоров в сельской местности, а зачастую и в городах. Они построены на основе феррорезонансного трансформатора. Эти стабилизаторы имели (и имеют до сих пор) отличный диапазон входных напряжений (от примерно 130 В при неполной нагрузке). Имеют они и множество недостатков. Главные из них - это огромные гармонические искажения выходного напряжения и неблагоприятный тепловой режим при отсутствии нагрузки.
Современные феррорезонансные трансформаторы устроены несколько сложнее, чем изобретенный в 1938 году. Они имеют нейтрализующую обмотку, специально предназначенную для уменьшения гармонических искажений выходного напряжения.
Нейтрализующая обмотка устроена так, что в ней генерируются гармоники, находящиеся в противофазе к гармоникам в основной выходной обмотке. Правильный подбор числа витков и магнитных сопротивлений позволяет за счет последовательного соединения нейтрализующей и основной выходной обмоток полностью компенсировать гармонические искажения. Более того, даже если напряжение на входе имеет сильные гармонические искажения, то применение феррорезонансного трансформатора позволяет почти полностью уменьшить гармонические искажения выходного напряжения.
Ток, потребляемый феррорезонансным трансформатором почти синусоидальный. Коэффициент гармонических искажений тока очень невелик. Наиболее важно то, что коэффициент гармонических искажений остается небольшим независимо от того, какая нагрузка подключена к трансформатору: линейная или нелинейная. Таким свойством феррорезонансный трансформатор обязан слабой связи между входной и выходной магнитной цепями.
На рисунке 16 представлена основная для любого стабилизатора напряжения характеристика - зависимость выходного напряжения от напряжения на входе.
Рис. 16. Характеристика "вход-выход" для феррорезонансного трансформатора.
Собственно на рисунке приведена половина симметричной характеристики: при повышении и понижении входного напряжения в окрестности средней точки феррорезонансный трансформатор ведет себя аналогично.
При полной нагрузке феррорезонансный трансформатор обеспечивает стабилизацию напряжения с погрешностью около 1 % при изменении напряжения на входе на 15 % относительно номинального.Наибольшие возможности феррорезонансный трансформатор предоставляет, если его нагрузка меньше номинальной. Так, при нагрузке около 50 %, диапазон входных напряжений невероятно расширяется: более, чем до 50 % от номинального входного напряжения.
Особенностью входной характеристики трансформатора является то, что даже на режиме холостого хода (отсутствия нагрузки) резонансная цепь феррорезонансного трансформатора находится под напряжением и потребляет около 10 % номинальной мощности трансформатора. Вообще в тепловом отношении режим холостого хода является наиболее напряженным для феррорезонансного трансформатора.
Феррорезонансный трансформатор способен выдерживать любые перегрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки выходное напряжение уменьшается и трансформатор не перегревается. Даже при коротком замыкании выходной ток трансформатора ограничивается примерно 150-200 % от номинального тока. Суммарная мощность, потребляемая трансформатором от сети во время короткого замыкания, не превышает 10 % от номинальной.
Недостатком феррорезонансного трансформатора является зависимость выходного напряжения от частоты электрической сети. При изменении частоты на 1 % выходное напряжение изменяется примерно на 1-1.5 %. Увеличение частоты приводит к увеличению напряжения.
В феррорезонансном ИБП кроме стабилизации напряжения феррорезонансный трансформатор выполняет и несколько других функций.
В случае сбоя электрической сети феррорезонансный трансформатор снабжает компьютер электричеством за счет энергии, накопленной в его магнитном поле. Это продолжается 8-16 миллисекунд. Этого времени достаточно для всех необходимых переключений и выхода инвертора на номинальный режим работы. Таким образом феррорезонансный ИБП обеспечивает действительно бесперебойное питание компьютера, обладая свойствами on-line ИБП.
Феррорезонансный трансформатор также обеспечивает эффективное подавление шумов и импульсов, что дает возможность не использовать других, специальных, схем для их подавления.
Феррорезонансный трансформатор, используемый в ИБП, имеет независимые первичные и вторичные обмотки, т.е. обеспечивает полную гальваническую изоляцию нагрузки от электрической сети. Это свойство повышает надежность систем бесперебойного питания и позволяет использовать феррорезонансные ИБП для защиты компьютерных сетей, в том числе расположенных в разных зданиях.
Трансформатор для феррорезонансного ИБП является и входным устройством: на входе Ferrups нет уязвимых полупроводниковых элементов. Поэтому при сильных колебаниях входного напряжения, в том числе значительных импульсных нагрузках, этот ИБП не выходит из строя.
Сущемствуют модификации Ferrups, предназначенные для подключению не к фазному, а к линейному напряжению (т.е. напряжению 380 В). Выходное напряжение этих ИБП равно 220 В. Подключение ИБП к двум линейным проводам имеет несколько преимуществ и приближает эти модификации феррорезонансных ИБП к ИБП с трехфазным входом. Среди преимуществ: отсутсвие перекоса фаз при подключении значительной однофазной нагрузки, более широкий диапазон условий эксплуатации ИБП за счет меньшего изменения линейного напряжения по сравнеию с фазным напряжением, отсутствие перегрузки нейтрали.
Режимы работы феррорезонансного ИБП
Феррорезонансный ИБП может работать в одном из трех режимов.
Режим кондиционера питания
Простейший случай использования феррорезонансного ИБП - это перевод его в режим кондиционера электропитания. В этот режим работы ИБП переводится в это состояние принудительно, с помощью переключателя на панели управления.
Как следует из названия режима, в это время ИБП выполняет функции кондиционера электрической сети: стабилизирует напряжение и фильтрует электрические шумы и импульсы. Инвертор ИБП заблокирован.
Строго говоря, в этом режиме работы прибор не является источником бесперебойного питания, поскольку в случае исчезновения напряжения в электрической сети он не сможет поддержать работу своей нагрузки.
Работа от сети
В режиме работы от сети ИБП работает так же, как и в режиме кондиционера питания, стабилизируя и фильтруя сетевое напряжение.
Выпрямитель ИБП автоматически подзаряжает батарею ИБП.
Инвертор и батарея ИБП постоянно находятся наготове, и как только блок анализа сети обнаружит сбой сети, который не может быть устранен с помощью феррорезонансного трансформатора, немедленно включается инвертор и ИБП переходит на режим работы от батареи.
Работа от батареи
По команде блока анализа сети, при возникновении сбоя электропитания, включается инвертор ИБП. Включение производится так, чтобы напряжение инвертора было в фазе с напряжением электрической сети. Электрическая сеть после этого отключается от входа феррорезонансного трансформатора, но остается под контролем блока управления и анализа сети.
В момент переключения на режим работы от батареи ИБП продолжает снабжать электроэнергией нагрузку, используя магнитную энергию, накопленную в обладающем большой индуктивностью феррорезонансном трансформаторе. В этот момент феррорезонансный трансформатор выполняет функцию "маховика", помогающего ИБП "проскочить" момент переключения, не прерывая питания нагрузки. На протяжении времени выхода инвертора на режим выходное напряжение успевает уменьшится на несколько процентов.
На режиме работы от батареи ИБП, инвертор ИБП продолжает подавать напряжение к нагрузке, расходуя заряд батареи. После исчерпания заряда, когда напряжение на батарее становится менее минимально допустимого, ИБП выключает инвертор и нагрузка обесточивается.
Если напряжение в сети восстанавливается раньше исчерпания заряда батареи, ИБП начинает подготовку к переключению на режим работы от сети. В это время блок управления следит за изменением разности фаз между выходом инвертора и сетью. В момент, когда разность фаз оказывается равной нулю, феррорезонансный трансформатор подключается к электрической сети, а инвертор прекращает работу.
Блок управления
Ferrups управляется микропроцессором, который постоянно контролирует множество параметров. К любой модели Ferrups можно подключить панель управления с алфавитно-цифровым дисплеем. Модели, начиная с мощности 4.3 кВА, оснащены ею стандартно.
В произвольный момент времени на панель управления можно вызвать любую из примерно 130 величин, хранящихся в основной памяти Ferrups. Некоторые из этих величин измеряются прибором: напряжение на входе и выходе ИБП, ток нагрузки, температура в трех местах ИБП (внутри корпуса, радиатор и трансформатор) и т.д. Другие величины рассчитываются на основании измеренных: время работы от батареи, коэффициент мощности, мощность нагрузки в ВА и ваттах. Третью группу величин составляют установленные на заводе пределы допустимого изменения основных параметров: предельные температуры, напряжения и токи, верний и нижний пределы частоты и т.д. В памяти ИБП хранятся также: тип и номер прибора, наработка инвертора, результаты последнего тестирования, аварийные сообщения, а также несколько параметров, которые служат для настройки ИБП.
Некоторые из величин могут быть не только просмотрены, но и изменены. Для защиты от произвольного изменения параметров неквалифицированным персоналом существует трехуровневая система паролей. Например пароль пользователя позволяет установить время и дату на часах микропроцессора, сервисный пароль позволяет настроить измеряемые величины и т.д.
В случае выхода регистрируемых параметров за установленные пределы ИБП выдает аварийное сообщение. Оно регистрируется в памяти и сопровождается звуковым сигналом. Для каждого из 19 видов аварийных сообщений имеется свой звуковой сигнал, представляющий собой периодически повторяющийся код азбуки Морзе. Аварийные сообщения выдаются например в случае разряда батареи (два уровня разряда) или ее перезаряда, а также (отдельный сигнал), когда до исчерпания заряда батареи остается мало времени, выхода напряжений, токов, температур за установленные предел. Контролируется также работоспособность нескольких ухлов ИБП: батареи, инвертора, оперативной памяти, датчиков температуры.
С помощью панели управления Ferrups может быть переключен в режим кондиционера питания или на работу от батареи.
Одной из важных функций блока управления Ferrups является расчет напряжения, при котором производится переключение ИБП на режим работы от батареи. Необходимость таккого расчета связана с тем, что диапазон входных напряжений феррорезонансного трансформатора сильно зависит от нагрузки ИБП (см. рис. 16). При небольшой нагрузке феррорезонасный ИБП переключается на режим работы от батареи при напряжении 140-150 В. Если нагрузка ИБП близка к номинальной, переключение на работу от батареи происходит при заметно более высоком напряжении (170-180 В).
В целом микропроцессорный блок управления Ferrups является одним из наиболее совершенных устройств такого наазначения. Кроме уже отмеченных особенностей, он реализует импульсный алгоритм заряда батареи и считает ожидаемое время работы от батареи точнее других известных мне ИБП.
Порт для связи с компьютером
Феррорезонансный ИБП оснащен портом для связи с компьютером или другими устройствами. Этот порт предназначен для передачи и приема сигналов релейного типа и сигналов протокола RS232.
Для коммуникаций с Ferrups может использоваться не только компьютер с математическим обеспечением CheckUPS, но и любой терминал (или компьютер в режиме эмуляции терминала). Это позволяет, даже не имея математического обеспечения или пульта управления, произвести настройку ИБП.
Для общения с ИБП используется специальный (причем подробно документированный в описании) язык, состоящий из примерно 40 базовых команд (ключевых слов). Посылка команды источнику бесперебойного питания вызвает реакцию: вывод запрошенных данных на экран терминала, изменение данных в памяти ИБП или переключение режимов работы Ferrups.
На экран терминала или компьютера может быть вызвана любая информация из памяти ИБП, в том числе аварийные сообщения, любой из параметров, список параметров. С помощью терминала можно переключить ИБП в другой режим работы, изменить время или дату, стереть записанные аварийные сообщения и т.д.
Иногда в компьютерной комнате может быть установлен общий рубильник, предназначенный для отключения ( в том числе аварийного) всего оборудования одновременно. Понятно, что если часть оборудования питается через ИБП, то отключение рубильника не приведет к отключению оборудования. ИБП отреагируют на это, как на обчный сбой питания и продолжат поддерживать работу оборудования от батареи.
Порт Ferrups может использоваться для подачи источнику бесперебойного питания специального сигнала от дополнительных контактов рубильника. После получения этого сигнала и исчезновения напряжения, ИБП снимет напряжение с нагрузки. Включение рубильника вызовет подачу напряжения к оборудованию, защищаемому ИБП.
Характеристики феррорезонансного ИБП
Мощность
Серия ИБП Ferrups состоит из 19 моделей мощностью от 500 до 18 кВА.
КПД
Коэффициент полезного действия феррорезонансного ИБП изменяется от 85 до 92 процентов, в зависимости от мощности.
Гальваническая развязка
FerrUPS не только имеет полную гальваническую развязку между входом и выходом, но и имеет уникально малую проходную емкость не более 2 пф и согласно национальным стандартам США может рассматриваться, как полностью изолированный источник электропитания.
Время работы от батареи
Феррорезонансный ИБП в стандартной (минимальной) комплектации имеет время работы от батареи при полной нагрузке около 6-12 минут. Время работы от батареи может наращиваться практически неограниченно за счет установки более емких батарей в тот же корпус или применения отдельного корпуса для батареи. В отличие от большинства других ИБП, при увеличении емкости батареи Ferrups можно заменить и зарядное устройство. Это позволяет иметь небольшое время заряда батареи даже для батарей большой емкости.
Входное напряжение
Как уже говорилось, феррорезонансный ИБП не чувствителен к перегрузкам на выходе. Даже при коротком замыкании на выходе он не выходит из строя (причем даже без предохранителей или электронной защиты). Однако, как и любой однофазный ИБП, Ferrups может быть выведен из строя при значительном повышении напряжения на его входе (например при аварийном повышении напряжения в случае обрыва нейтрали).
Большая часть моделей Ferrups (предназначенных для нашей электрической сети) имеет номинальное входное напряжение 220 В. К ним-то (как и ко всем другим однофазным ИБП, и относится предыдущий параграф). Но модели, начиная с мощности 4.3 кВА, могут быть оснащены специальным автотрансформатором, меняющим номинальное входное напряжение ИБП на 380 В.
Это значит, что ИБП с автотрансформатором может быть подключен не к фазному напряжению (220 В), а к линейному напряжению (380 В). Линейное напряжение в трехфазной электрической сети гораздо менее, чем фазное, подвержено любым изменениям, даже в случае серьезных аварий. Возможность значительного (более, чем на 25 %) возрастания линейного напряжения практически отсутствует. Поэтому феррорезонансный ИБП с входом на 380 В получает очень высокую устойчивость к изменениям входного напряжения: т.е. эту модель ИБП почти невозможно сжечь не только при коротком замыкании на выходе, но и при любых изменениях напряжения на входе.
Более того, эта разновидность Ferrups получает некоторые свойства трехфазных ИБП. При подключении этого ИБП к линейному напряжению, не задействуется нейтральный провод. Это разгружает нейтраль, уменьшает гармонические искажения напряжения.
Защита от импульсов
FerrUPS испытывается на соответствие категории В соответствующего стандарта ANSI/IEEE (импульс 6000 В, 3000 А). Коэффициент уменьшения амплитуды импульса равен 1:2000. Ослабление импульсов основано на свойствах феррорезонансного трансформатора, который в отличие от варисторных фильтров импульсов не изнашивается.
Защита от шумов
Ferrups не имеет специального фильтра шумов. Для фильтрации шумов используется феррорезонансный трансформатор.
Ослабление шумов общего вида достигает 120 дБ, шумов нормального вида - до 60 дБ.
Форма осциллограммы напряжения
Полный коэффициент гармонических искажений выходного напряжения феррорезонансного ИБП не превышает 5 % для линейной нагрузки. Искажения формы входного напряжения оказывают слабое влияние на форму выходного напряжения: оно остается синусоидальным.
Пик-фактор (коэффициент амплитуды) нагрузки
Феррорезонансный ИБП (опять-таки в силу свойств своего трансформатора) имеет особенности при работе с импульсными блоками питания компьютеров и другими нелинейными нагрузками.
При питании от Ferrups блоки питания компьютеров работают с уменьшенным коэффициентом амплитуды тока потребления (т.е. амплитудное значение тока потребления уменьшается, а ширина импульсов увеличивается). Таким образом ток потребления компьютера приближается к синусоидальному.
Коэффициент амплитуды тока потребления самого феррорезонансного ИБП практически не зависит от характера нагрузки, поэтому искажения, вносимые компьютерами в электрическую сеть уменьшаются.
Надежность
Это одно из важных требований к ИБП, ведь он сам по себе предназначен для увеличения надежности работы какого-то оборудования.
Высокая надежность феррорезонансного ИБП определяется его схемными особенностями: отсутствие полупроводников на входе, высокой устойчивостью трансформатора к колебаниям напряжения и абсолютной защищенностью от короткого замыкания на выходе.
По данным независимых исследований (Reliability Ratings - исследование проводилось методом опроса пользователей в Америке) Ferrups имеет наработку на отказ около 100 тысяч часов. Следующий за ним ИБП отстает от него примерно вдвое.
Преимущества феррорезонансного ИБП
К положительным свойствам феррорезонансного ИБП следует отнести следующие.
Недостатки феррорезонансного ИБП
Немногочисленные недостатки Ferrups так же, как и его преимущества связаны с наличием в его схеме феррорезонансного трансформатора.
Чувствительность к частоте. Выходное напряжение Ferrups из-за резонансных свойств трансформатора зависит от частоты: изменение частоты на 1 % приводит к изменению напряжения примерно на 1-1.5 %.
Ограничение выходного тока феррорезонансного трансформатора может быть и недостатком и преимуществом, в зависимости от обстоятельств. Выходной ток трансформатора не может превышать номинальный более, чем на 50 %. Поэтому от выдерживает короткое замыкание на выходе. Если для запуска какого-либо устройства кратковременно требуется больший ток (стартовый ток), то возможны два варианта: либо запуск устройства будет растянут по времени (мягкий запуск), что часто очень хорошо, либо устройство не запустится, не получив от ИБП нужного стартового тока (например электродвигатель). При проектировании системы бесперебойного питания на базе Ferrups нужно обязательно проанализировать стартовые токи всех нагрузок и последовательность их включения, чтобы запуск одного из мощных устройств не привел к резкому снижению напряжения на других устройствах. Обычно для таких систем рекомендуется защищать каждое устройство (или группу устройств) своим автоматом с механизмом мгновенного действия.
