К сожалению, в реальной жизни электрические сети, которыми мы пользуемся, подвержены разного рода сбоям. Наиболее часто встречаются следующие типы сбоев питания:

• провалы напряжения – кратковременные понижения напряжения, связанные с резким увеличением нагрузки в сети в связи с включением мощных потребителей, таких, как промышленное оборудование, лифты и т. д.;
• высоковольтные импульсы – кратковременное (на единицы микросекунд) очень сильное увеличение напряжения, связанное с близким грозовым разрядом или включением напряжения на подстанции после аварии;
• полное отключение напряжения, являющееся следствием аварий, грозовых разрядов, сильных перегрузок электростанции.
• слишком большое напряжение – кратковременное увеличение напряжения в сети, связанное с отключением мощных потребителей.

Следует отметить, что повышенное напряжение в сети встречается почти так часто, как и пониженное напряжение. Причем для разных мест (городов, районов, предприятий) обычно характерен определенный уровень напряжения в сети. Где-то оно может быть пониженное, в других местах нормальное или в основном повышенное. Этот уровень сохраняется примерно одинаковым всё время. На его фоне происходят циклические изменения напряжения, связанные с изменением нагрузки в электрической сети. Отличительной особенностью российских электрических сетей являются причины (и, соответственно, количество) полных отключений напряжения. Аварии и стихийные бедствия, являющиеся причинами полного отключения напряжения в развитых странах, случаются у нас примерно с такой же частотой, что и там. Но в России эти случайности не являются главными причинами полного исчезновения напряжения. Свое уверенное слово говорит человеческий фактор.

К примеру, при возникновении какой-либо проблемы с электропитанием на этаже (например, отключился автоматический выключатель – предохранитель), электрик начинает искать автоматический выключатель, отвечающий за зону, в которой возникла проблема. Ищет он, разумеется, не по схеме (это долго, да и схемы у него, скорее всего, нет). Он просто последовательно отключает, тут же включает все автоматы на щитке и смотрит на результат.

В момент, когда в нужном помещении появляется свет, он считает свою миссию законченной. Если нужный автомат окажется последним, то в течение минуты каждая электролампа, каждое оборудование подвергнутся кратковременному (менее секунды) отключению напряжения. Для освещения ничего страшного не происходит, люди обычно даже не успевают испугаться, оказавшись на мгновение в темноте. Но секундного отключения вполне достаточно, например, для потери данных на компьютерах. Особенно часто такие случаи бывают весной и осенью, когда заканчивается или начинается отопительный сезон. Если отопление уже отключили или еще не включили, а вдруг похолодало, то люди реагируют стандартно: включают электрические подогреватели. Если электрическая сеть сильно нагружена, то подключение дополнительных (и мощных) потребителей может привести к срабатыванию автоматического предохранителя. Такой цикл включений и отключений может в некоторых организациях повторяться по несколько раз в день.

Отметим еще один вид искажений электропитания, а именно, искажения формы синусоиды, связанные с работой нелинейных нагрузок. Они могут возникнуть при работе импульсных блоков питания в сильно перегруженной сети. Это может выражаться в срезании вершины синусоиды и появлении гармоник – колебаний кратных частот.

Эти искажения могут приводить к неполадкам в работе другого чувствительного оборудования, (например, измерительных приборов или видеоаппаратуры) и усугубляются специфическими свойствами трехфазной электрической сети, изначально предназначенной для работы только с синусоидальными напряжениями и токами.

Частично решить проблему сбоев в работе оборудования можно путем применения ИБП. Первое и самое главное назначение источника бесперебойного питания – обеспечить электропитание оборудования в то время, когда электрическая сеть по каким-то причинам не может этого сделать. Во время такого сбоя электрической сети ИБП питается сам и питает нагрузку за счет энергии, накопленной его аккумуляторной батареей.

Две основных схемы построения ИБП:
• ИБП с переключением (off-line UPS);
• ИБП с двойным преобразованием энергии (on-line UPS).

Рассмотрим вкратце работу этих схем.
Когда в сети нормальное напряжение, нагрузка ИБП с переключением работает непосредственно от сети. В это время маломощный выпрямитель подзаряжает батарею ИБП. Если напряжение выходит за пределы нормы или совсем исчезает, срабатывает переключатель, включается инвертор, и ИБП начинает питать нагрузку от своей батареи.

ИБП с переключением имеет высокий КПД, поскольку при нормальной работе потребляет только энергию, необходимую для питания своей схемы и, если батарея разряжена, то для ее подзаряда.

Одним из недостатков данной схемы, может быть самым серьезным, является то, что при переключении ИБП с режима работы от батареи на режим работы от сети на выходе ИБП могут возникать скачки напряжения. При неблагоприятной фазе напряжения в момент переключения блоки питания оборудования не могут их погасить. В этом случае на чувствительных электронных компонентах нагрузки возникают импульсные напряжения. Сами по себе они не опасны, но в сочетании с другими помехами в принципе могут быть причиной сбоя при работе оборудования. Во время переключения (которое занимает от 2 до 20 миллисекунд для разных моделей ИБП) на выходе ИБП отсутствует напряжение. Следовательно, имеется небольшой разрыв в напряжении, питающем нагрузку.

Таким образом, почти единственная функция ИБП с переключением – поддержание работы оборудования, когда в сети нет напряжения. Но он не может эффективно взаимодействовать с электрической сетью и следить за отсутствием искажений сетевого напряжения, а также регулировать напряжение, когда оно становится слишком маленьким или чересчур большим.

Кроме того, в недорогих моделях выходное напряжение на выходе ИБП с переключением, работающим в режиме отсутствия сети – несинусоидальное (имеет вид чередующихся прямоугольных импульсов с паузами). Такая форма напряжения недопустима для питания нагрузки, имеющей индуктивный характер (электродвигатели, трансформаторы и т. п.).

Схема ИБП с двойным преобразованием энергии свободна от этих недостатков. Основная идея этой схемы довольно проста: вся мощность, потребляемая ИБП от сети, сначала преобразуется из переменного тока в постоянный с помощью выпрямителя, а после этого в действие вступает преобразователь постоянного тока в переменный – инвертор, обеспечивающий на выходе ИБП необходимое переменое напряжение. Аккумуляторная батарея, как ей и положено, находится в цепи постоянного тока между выпрямителем и инвертором. Если в сети нормальное напряжение, выходного тока выпрямителя хватает для работы инвертора и для подзаряда батареи. Если напряжение в сети уменьшается до того уровня, что выпрямитель уже не может обеспечить полноценную работу инвертора, аккумуляторная батарея заменяет выпрямитель и питает инвертор требующимся ему постоянным током. Инвертор, в свою очередь, продолжает подавать напряжение питания к нагрузке, независимо от напряжения сети питания ИБП, поэтому параметры сети, питающей нагрузку, являются почти идеальными!

Но замена выпрямителя батареей не совсем полноценна: батарея может питать инвертор только ограниченное время, которое зависит от накопленного ею заряда и суммарной мощности потребителей.
В свою очередь, максимальная емкость батареи определяется мощностью зарядного устройства ИБП, что лимитирует время работы в режиме преобразования напряжения.

Однако, как и всякое другое устройство, ИБП двойного преобразования не лишен определенных недостатков: наиболее важные части ИБП, выпрямитель и инвертор, интенсивно работают даже тогда, когда в сети есть вполне нормальное напряжение для питания оборудования. Это приводит к уменьшению рабочего ресурса этих частей ИБП, усложнению схемы и бесполезному расходу энергии (ведь стопроцентного КПД не бывает).

Таким образом, можно отметить, что правильно подобранный ИБП способен полностью решить проблему питания различного оборудования даже в особо ответственных случаях.