Источники бесперебойного питания (ИБП) не раз упоминались у меня на блоге. По их разновидностям читайте статью:
Остальные ссылки будут в конце.
Сегодня рассмотрим один принципиальный вопрос – 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.
Далее будет интересно только тем, кто знает, что такое ИБП, и для чего он нужен.
Содержание статьи:
Грязный синус
Если есть чистый синус, о котором мы поговорим ниже, значит, есть и “грязный”. Маркетологи утверждают, что он действует на выходе ИБП, которые нельзя назвать “Онлайн”. Вот какая форма напряжения действует на выходе Офлайн ИБП при переключении от сети к работе инвертора:
На выходе большинства дешевых ИБП, как бы их ни называли продавцы, напряжение в виде ступенчатой аппроксимации, которая очень отдаленно напоминает синусоиду.
Но если вспомнить спектральную теорию сигнала, частота 50 Гц тут присутствует.
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 энергии других гармоник, кроме основной.
Чистый синус мы видим в учебниках, но реально его не бывает даже у высокоточных лабораторных измерительных генераторов.
Синус на экране осциллографа. Осциллограф цифровой, поэтому из-за пиксельности ЖК экрана видны ступеньки.
В Онлайн ИБП используется аппроксимация, когда выходная волна формируется высокочастотными импульсами с ШИМ-модуляцией и последующим сглаживанием на LC-фильтре.
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.
ШИМ модуляция синуса
Обратите внимание – все импульсы одинаковы по амплитуде, но меняются по длительности и полярности. Это и есть широтно-импульсная 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. И тем дороже будет ИБП.
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 дешёвых.
Вопрос из смежной области электротехники: может ли PEN проводник называться PEN проводником, если его сечение менее 10 мм2?
Кстати, ничего не мешает применить схему с высокочастотной ШИМ модуляцией в дешевых Off-Line. Конечно, кроме цены.
Какие искажения синусоиды можно считать допустимыми?
Но как понять, 3 или 6% – это много или мало? Поскольку всё познаётся в сравнении, давайте сравним напряжение на выходе ИБП с данными, приведенными в ГОСТ 32144-2013 (качество напряжения). В Таблице 5 указано, что в обычной городской сети коэффициент искажений формы напряжения (доля всех гармоник, кроме основной) может быть до 12%.
ГОСТ 32144-2013 (табл.5)
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. и оказывать незначительное влияние на работу бытовой техники.
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?
- Во-первых, идеала не существует, и за любой картинкой в учебнике электротехники скрывается реальность.
- Во-вторых, 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.
Напряжение на выходе Offline ИБП при нелинейной нагрузке
Поскольку нагрузка очень сильно влияет на форму выходного напряжения, обычно указывают два КНИ – без нагрузки и с нелинейной нагрузкой.
Выбор ИПБ 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 где-то глубоко в инструкции, а чаще о нём стыдливо умалчивается.
У Online UPS может быть даже такая ситуация, что в дежурном режиме напряжение идёт 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 выдаёт внутренний инвертор.
Как влияет «чистота» синуса на разные виды нагрузок?
Почему я заговорил про котлы? Тут причины две.
- 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 онлайн-сервисов проблема перестала быть актуальной. С котлами всё серьёзнее – если обогрев прекратится зимой, можно «влететь» на сотни тысяч рублей.
- 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 ещё 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 приведёт к его перегрузке.
Но почему на выходе Offline UPS такое низкое напряжение?
Дело в том, что бюджетный мультиметр измеряет только первую гармонику с частотой 50Гц. Для синуса всё 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, в разумных пределах).
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.
И встречный вопрос – Зачем?
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.
Формы и спектры напряжения и тока при работе диммера
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 лёгких путей. Берёте 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.
Добавлю, что коэффициент искажений может сильно зависеть от нагрузки.
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.
Статьи в тему:
Переделка ИБП под автомобильный аккумулятор. Практика и теория. Часть 2
Первая версия статьи опубликована на портале Элек.ру.
Журнальная версия:
Всем мира и добра!
(Пока оценок нет)
Загрузка...
Отправляя комментарий, Вы соглашаетесь с Правилами комментирования и разрешаете сбор и обработку персональных данных (имя + эл.почта). Политика конфиденциальности.