Как устроены и работают инверторные источники бесперебойного питания

Неожиданная приостановка централизованного электроснабжения или резкие скачки напряжения в сети всегда приносят массу проблем как владельцам частных домов, так и администрации общественных учреждений и производственных комплексов. Речь не о тех неудобствах, когда нельзя посмотреть фильм по кабельному ТВ, погладить белье или пропылесосить ковер сию же секунду. Дело даже не в том, что мясо в холодильнике подтает. Хотя это все и неприятно, но оно не имеет серьезных последствий.

Почему так важно иметь инверторный ИБП?

Суть проблемы отключения электроэнергии в том, что большинство современных жилых и нежилых помещений очень сильно энергозависимы. Если напряжение в сети нестабильно — срок эксплуатации любых электроприборов снижается в разы. Если нет электричества:

• насосы не качают по системе отопления теплоноситель;
• не работает электронный блок управления отопительных приборов;
• не греет кабельный или инфракрасный теплый пол;
• не работает система антиобледенения, например, труб водоснабжения;
• вода из крана тоже не течет, если туда она подается насосной станцией из скважины;
• жизнь в любом офисе замирает;
• производственные линии останавливаются.

Понятно, что и без отопления, и без подачи воды несколько часов можно обойтись, так что кратковременные аварийные или плановые отключения централизованного электроснабжения не катастрофичны, но что касается систем отопления,лучше все-таки, чтобы у вас был ИБП для котельной. А для компьютеров, особенно серверных, да и другого цифрового оборудования прекращение подачи питания даже на несколько минут или скачки напряжения могут означать сбой всех настроек системы, выход техники со строя и даже возникновение пожароопасных ситуаций.

Именно по этим причинам источники бесперебойного питания жизненно необходимы в любом современном доме, организации, на производстве. Даже если у вас есть генераторы питания, при неожиданном отключении электричества вам нужно некоторое время, чтобы их запустить. То есть, перебой в питании оборудования и блоков управления все равно неизбежен без качественного ИБП.

Как устроен инверторный источник бесперебойного питания?

Инверторный ИБП является самым надежным и качественным устройством, так как только этот тип бесперебойников обеспечивает непрерывную подачу гладкой синусоиды и стабильность напряжения в любой ситуации.

Конструктивно инверторный ИБП состоит из нескольких блоков:

• стабилизатора напряжения, нивелирующего скачки в сети;
• инвертора, преобразовывающего постоянный ток в переменный с гладкой синусоидой;
• зарядного устройства, обеспечивающего восстановление заряда батареи после периода функционирования устройства в автономном режиме.

Батарея может поставляться вместе с ИБП или приобретаться отдельно. Более современные модели имеют встроенный дисплей, на котором отображается вся необходимая для пользователя информация.

Принцип работы инверторного ИБП

Существует два вида таких источников питания, отличающихся между собой режимами работы:

• резервный;
• двойного преобразования.

Принцип работы первого вида устройства предусматривает при наличии напряжения в сети его непосредственную стабилизацию. И только когда сеть не обеспечивает подачи питания в заданном диапазоне, бесперебойник переходит в режим работы от батареи, в котором он может находиться в среднем несколько часов (этот показатель зависит от емкости элементов питания). Переключение с одного источника питания на другой (сеть-аккумулятор) в разных моделях занимает разное количество секунд.

Источники питания, работающие в режиме двойного преобразования, всегда сначала преобразовывают переменный ток сети в постоянный и подают его на аккумулятор, который таким образом поддерживается в заряженном состоянии. Далее инвертор повышает напряжение с 12 или 24 Вольт до 220, преобразовывая его в переменный с формой синусоиды, как в обычной сети электроснабжения.

Встречаются модели ИБП, работающие в режиме двойного преобразования, но в которых возможно выключение аккумулятора из цепи, если в сети есть напряжение. Таким образом экономится ресурс аккумулятора для бесперебойника.

Генератор VS Инвертор (ИБП) с аккумуляторами

С отключением электричества жизнь в загородном доме останавливается, а если за окном зима и система отопления энергозависимая – коттедж может просто замерзнуть. При решении задачи бесперебойного питания обычно сталкиваются с вопросом “что выбрать”: генератор или бесперебойник. Постараюсь объективно ответить на этот вопрос.

Сразу следует сказать о том, что существуют разные виды как генераторов, так и ИБП в совершенно разных ценовых категориях. При сравнении будем иметь это ввиду.

Ценовое сравнение решений

Виды генераторов для дома

1. Самые дешевые китайские генераторы (бензиновые, двигатель китайский, безщеточные, без AVR автоматической регулировки напряжения). При мощности в 5кВт его цена составит

25-35т.р. Они, как правило, ориентированы на работу с неприхотливой и грубой нагрузкой (например, электроинструмент). Броски напряжения и низкое качество сигнала на выходе делает их непригодным для бесперебойного питания дома, т.к. высока вероятность выхода бытовой электроники из строя.
Бюджетные фирменныекитайские генераторы (бензин/дизель/газ, двигатель китайский, щеточные, с AVR. Fubag, Kipor, Hyundai, Elemax, TSS и прочие) мощностью в 5кВт будут стоить от

75т.р. Это вариант – самое дешевое решение для бесперебойного питания дома. Дополнительно для автоматизации: щит АВР (

30т.р.), выхлоп с глушителем (

20т.р.), контейнер с вентиляцией, если нет места в доме (

100-170т.р. В среднем около 135т.р.

Фирменные генераторы с японским двигателем (бензин/дизель, Honda, SDMO, Europower и т.п.). Цена от 110т.р. Это электростанции с большим моторесурсом, с высоким качеством напряжения, проблем с запуском практически нет. С автоматизацией от 160т.р. и выше. Среднее решение около 200т.р.

Стационарные газовые генераторы (Generac, Briggs & Stratton). Обычное решение в районе 250-300т.р. до 10кВт. Дополнительно: АВР, подогрев, площадка под генератор (

100т.р.) + проект на подключение генератора + ежегодный сервис. Среднее решение около 350т.р.
Стационарные мощные дизельные электростанции. Бюджет около 250-500т.р. за 20кВт. АВР + кожух + площадка + выхлоп (

200т.р.). Итого в среднем около 400т.р.

Процесс пуско-наладки однофазного дизельного генератора 12кВт для коттеджа

ИБП для дома – инверторы (без стабилизации напряжения)

Инвертор при наличии напряжения на входе пропускает его через себя на нагрузку. При отключении света – переключение на питание от аккумуляторов происходит за 2 – 20мс.

Бюджетные китайские инверторы на отдельные автоматы. Чистый синус, мощность 2.4кВт (Stark, BiNeos и прочие). Устанавливаются на самую важную нагрузку в доме: котел, холодильник, свет, ТВ. При автономии

6-8 часов (2 батареи по 200Ач) стоимость решения

65т.р.
Инвертор для всей фазы — отечественный МАП Pro “Энергия” на 6кВт для питания всей фазы. Комплект с 4-мя аккумуляторами и автономией на 10-12 часов со стеллажом –

160т.р.
Инвертор для питания всех 3-х фаз дома. Инвертор МАП Pro “Энергия” 9.0/48 + щит автоматики АКФ + 4 АКБ по 200Ач + стеллаж –

190т.р. С увеличенной автономий до суток – около 270т.р.

ИБП для дома – On-line (со стабилизацией напряжения)

1. ИБПOn-line типа на 1кВа (0,8кВт) только для бесперебойного питания газового котла с одной, двумя или тремя внешними АКБ. Автономия для котла от 5 часов. Бюджет – от 25т.р.
2. ИБП на 3кВа (2,4кВт) – дополнительно к системе отопления можно запитать холодильник, освещение, ТВ, видеонаблюдение и т.п. Подключается 6 или 8 внешних АКБ. Автономия от 6 часов. Бюджет

90т.р.

ИБП на 6/10кВа (5,4/9кВт) на всю фазу. В этом случае на фазу можно собрать все потребители, работа которых обеспечивает комфорт в доме. 16 внешних батарей. Автономная работа от 6 часов. Бюджет от 120т.р. Средний бюджет подобного решения при автономии около 12 часов – около 170т.р.

ИБП 3в1 на 20кВа (18кВт) – бесперебойное питание всего дома. ИБП объединяет мощность по трем фазам в одну. 16 внешних батарей. Бюджет около 250т.р.

ИБП 3в3 от 20кВа. Со встроенными АКБ для автономии до 1.5 часов и внешними аккумуляторами для автономии до суток и более. 32-40 внешних аккумуляторов. Бюджет от 300т.р. Среднее решение около 500т.р.

Теперь давайте сравнивать по пунктам.

I. Включение резервного питания

Генераторы

При пропадании питания на вводе, автоматика даёт команду на старт двигателя генератора. Если старт произошел успешно, идет прогрев, а затем напряжение с электростанции подается в дом. Всё это занимает от 10 до 120 секунд в зависимости от типа генератора и настроек АВР. За это время домашний сервер уйдет в перезагрузку, система видео наблюдения работать не будет, у современного газового котла может нарушится программа или возникнуть ошибка, лифт в доме застрянет. Кстати, часто для решения этих проблем используют ИБП с минимальным временем автономной работы. Какие бывают сложности с запуском?

1. У генератора разрядился пусковой аккумулятор – стартер не крутит.
2. Генератор давно не заводился и поэтому возникли проблемы с подачей топлива: заливает свечи, карбюратор “закис” или завоздушился.
3. Недостаточный уровень масла в двигателе.
4. Забыли заправить бак после прошлого срабатывания.
5. Возникла проблема с приводом заслонок
6. Электростанция заработала, но возникли проблемы с охлаждением, и по перегреву она аварийно отключилась.
7. Выработан моторесурс и т.п.

ИБП

Инвертор переходит на работу от АКБ за один полупериод синусоиды, т.е. максимальное время – 20мс. Иными словами, оборудование “не почувствует” момента переключения: персональный компьютер не перезагрузится, газовый котел продолжит работу без остановок. ИБП типа On-line переключается на работу от аккумуляторов за 0 сек. – даже лампочки не моргнут. Вероятность перехода на питание от АКБ стремится к 100%, так как в отличие от сложной системы пуска генератора, в инверторе за переключение отвечает быстродействующее силовое или твердотельное реле, которое рассчитано с большим запасом прочности.

Вывод №1. При отключениях бесперебойники имеют преимущество: время переключения минимально, практически исключена вероятность несрабатывания.

II. Время автономной работы

• Бензиновые генераторы рассчитаны на непрерывную работу в течение

8 часов, далее дозаправка, час отдыха и снова 8 часов работы.

Дизельные мобильные генераторы работают на одной заправке около 20 часов.

Газовые генераторы могут работать непрерывно до 50 часов и более. В зимнее время каждые 50 часов работы требуют замены масла в двигателе.

Дизельные стационарные электростанции могут работать непрерывно с остановками для сервисных работ (регламенты сильно разнятся в зависимости от марки двигателя).

Время работы бесперебойников определяется количеством и емкостью аккумуляторов (калькулятор расчета АКБ). При необходимости, время автономной работы от батарей можно довести до нескольких суток. Однако, как показывает практика, в случае отсутствия катастрофически серьезных аварий в электросети, время отключения электричества редко превышает 12 часов. Именно на такое время мы, чаще всего, по запросу наших клиентов, проектируем систему бесперебойного питания для загородных домов.

Важно отметить, что расход топлива не сильно меняется в зависимости от нагрузки на генератор, а остаток запасенной энергии в аккумуляторах зависит от потребляемой мощности прямо пропорционально. Плюс генератора в том, что вы можете включить, например, электроплиту (в рамках допуска по мощности) без сильной разницы в трате топлива. Достоинство бесперебойников в том, что в ваше отсутствие в доме потребление электричества сведено к минимуму и аккумуляторов для поддержания работы газового котла и холодильника хватит уже не на 12 часов, а на сутки и более.

Вывод №2. Генераторы при должном уходе и наблюдении обеспечивают подачу напряжения до момента исчерпания топлива. Время работы бесперебойников ограничено батарейным банком, который чаще всего подбирают из расчета 12/24 часовой автономии. Мощные стационарные дизельные и газовые электростанции выигрывают в случаях очень длительных отключений электричества.

III. Качество электропитания

Как правило, качество питания с генераторов находится на минимально допустимом уровне. Иногда можно заметить моргание ламп освещения, рябь на экране телевизора. Бюджетные модели генераторов при “взятии” нагрузки или резкой смене отдаваемой мощности (включился/выключился электрочайник) выдают в электросеть дома высоковольтные импульсные помехи и перенапряжения, которые могут повредить чувствительную электронику (ТВ, автоматика котлов, серверные и т.п.). В связи с этим, мы рекомендуем по выходу линии электростанции всегда устанавливать специальные сетевые фильтры.

Инверторы выдают на выходе чистый сигнал синусоидальной формы, который мало чем отличается от качества сигнала с трансформатора. Более того, они в моменте контролируют значение напряжения на входе, при отклонении которого за рамки допуска (значения устанавливаются), автоматически переключатся на работу от батарей, спасая вашу бытовую технику и электронику.

ИБП типа on-line не только выдает максимально качественный сигнал на выходе, но и обеспечивает полную защиту оборудования от всех возможных факторов некачественной сети, к которым можно отнести: броски перенапряжений, импульсы, провалы, “моргания”, искажения гармоник, помех и т.п. Двойное преобразование обеспечивает супер точную стабилизацию напряжения (+-1%). Самое ответственное оборудование в больницах, банках, ЦОДах и т.п. защищается именно этим типом источников.

Вывод №3. Бесперебойники обладают не только существенно лучшим качеством напряжения, чем генераторы, но и защищают оборудование от множества возможных проблем, которые “прилетают” из внешней электросети, on-line тип ИБП выступает и в роли стабилизатора напряжения.

IV. Обслуживание и стоимость владения

Генераторы каждые 25-50 часов наработки или раз в 3 месяца требуют замены масла, реже требуется замена фильтра и свечей зажигания. Необходимо иметь запасы топлива и следить за его уровнем. Раз в год меняется пусковой аккумулятор. Хорошие газовые генераторы и стационарные дизельные электростанции всегда устанавливаются с заключением сервисного договора (20-40т.р.). Срок жизни бюджетных генераторов – 3-4 года, дорогих – до 10лет. Для генераторов, установленных на улице, зимой требуется подогрев картера и аккумулятора. Цена топлива за один час работы – от 35 (газ/дизель) до 120 рублей (бензин).

Инверторы практически не требуют обслуживания (только в случае сильно пыльных помещений), ИБП on-line типа из-за сквозной схемы охлаждения желательно раз в 1-2 года очищать от пыли (снять корпус и пропылесосить), КПД преобразования около 90%. Аккумуляторы меняются раз в 8-12 лет в зависимости от условий эксплуатации. Один час работы

5рублей (стоимость заряда).

Вывод №4. Генераторы требуют регулярного сервисного обслуживания и внимания, бесперебойники не требуют затрат, принцип – “поставил и забыл”.

V. Комфорт

Генераторы сильно шумят (особенно дизеля). Очень неприятно, если отключение света произошло ночью и автоматика запустила станцию. Во время работы чувствуется запах выхлопных газов на участке.

Инверторы работают полностью бесшумно. ИБП on-line типа шумят вентиляторами охлаждения – желательно их ставить в отдельное помещение. Аккумуляторы полностью герметичны, газов во время заряда и разряда не выделяется.

Вывод №5. Работа бесперебойников комфортнее и экологичнее.

VI. Установка

Генераторы бюджетного сегмента с автозапуском устанавливаются как правило в гараже, либо на цокольном этаже. Обязательно требуется система вентиляции, отвод выхлопных газов и виброизолирующий слой резины. Силовые линии прокладываются через весь дом к щиту автоматики и далее к главному щиту (ГРЩ). Газовые генераторы обязательно устанавливаются на улице на специально подготовленную забетонированную площадку и по согласованному с газовой кампанией проекту (если у вас не газгольдер).

Большие стационарные дизельный электростанции ставятся в кожухе под навесом или в открытом исполнении в помещении. Требуется прокладка силовых линий под землей.

Установка ИБП не требует больших затрат и много места. Важна температура – от 5 до 25С и нормальная влажность.

Вывод №6. Найти место для монтажа ИБП проще и стоимость работ ниже.

Инвертор для питания дома

Мы произвели сравнение двух принципиальных решений (ИБП/генератор) для обеспечения частного дома электричеством в случае перебоев с напряжением. Электростанции имеют преимущество только в двух случаях:

1. При необходимости максимально дешевого решения для снабжения всего дома электричеством: генератор с ручным пуском на 5-6кВт, который будет работать на улице для всего коттеджа обойдется в 50-60т.р. Генератор с автоматикой сравним по цене с бесперебойником.
2. При частых и длительных отключениях электричества (более суток) преимущество имеют газовые и дизельные электростанции.

Во всех остальных случаях оптимальнее использовать ИБП:

1. Выше надежность ввода резерва
2. Больше время автономной работы по отношению к бюджетным автоматическим генераторам
3. Существенно выше качество питания бытовой техники
4. Наличие стабилизации напряжения у ИБП on-line и защита от перенапряжений у инверторов.
5. Заметно ниже стоимость владения и отсутствие проблем с обслуживанием
6. Проще установка и мониторинг за состоянием системы

В заключении заметим, что достаточно часто поступают запросы на установку бесперебойников на длительную автономную работу от клиентов, которые уже имеют установленный генератор.

Задавайте ваши вопросы в комментариях!