Системы бесперебойного питания

Параметры электрической сети не являются стабильными по целому ряду объективных и субъективных причин. Отклонения величины или формы подаваемого напряжения принято называть искажениями или помехами. Эти искажения по-разному влияют на работу электроприборов и даже могут вывести оборудование из строя. Поскольку само по себе современное электронное оборудование достаточно дорого и наиболее подвержено губительному воздействию помех по входному напряжению, в некоторых случаях возникает необходимость защитить это оборудование от подобного рода воздействий. Наиболее требовательным к стабильности параметров электропитания является оборудование, применяемое для медицинских систем жизнеобеспечения, компьютерные системы банков, страховых компаний, офисные ЛВС и системы управления производством.

Существующие типы источников

Для решения проблем нестабильности питания применяются различные приборы: стабилизаторы, фильтры, Источники Бесперебойного Питания (ИБП). Во всем многообразии последних подчас трудно разобраться даже искушенному пользователю. Введем широко используемую в мире производителей источников бесперебойного питания классификацию позволяющую разделить все источники бесперебойного питания на три основных класса: OFF-LINE, LINE-INTERACTIVE, ON-LINE. В недавнее время на рынке появились источники бесперебойного питания, относимые производителями к технологии Дельта-преобразования (Delta Conversion – патент 1996 г.) компании Silcon Power Electronics A/S.

OFF-LINE (Stand-By)

В OFF-LINE источниках бесперебойного питания напряжение с входа подается через сетевой фильтр, который фильтрует высокочастотные помехи, сглаживая тем самым форму входного напряжения. В случае если напряжение внешней сети выходит за рамки некоего диапазона (у многих производителей регулируемого), – источник бесперебойного питания переходит в режим работы от батарей, при этом выходное напряжение чаще всего имеет трапециевидную форму (данная форма почти не сказывается на работе компьютеров некоторых производителей, ввиду использования в последних импульсных блоков питания).

Недостатки этих устройств:

• отсутствие хорошей фильтрации и стабилизации характеристик электросигнала в “нормальном режиме”;
• даже при незначительных падениях и бросках напряжения источник бесперебойного питания переходит в режим работы от встроенных аккумуляторов;
• наличие времени перехода на аккумулятор (~ 5 мсек) при возникновении аварийной ситуации.

Преимущества таких источников – их простота и экономичность.

LINE-INTERACTIVE
(ГИБРИДНЫЕ, FERRORESONANT, TRIPORT и т.п.)

Данные источники бесперебойного питания можно охарактеризовать как модифицированные OFF-LINE, поскольку единственным отличием является наличие дополнительных цепей стабилизации напряжения (“бустеры”, “кондиционеры линий”, и т.п.). В основном, эти цепи служат для повышения или понижения входного напряжения с целью приведения его величины к стандартному требуемому значению. Обозначая особенности реализации, производители именуют источники бесперебойного питания данного класса специфическими названиями, зачастую вводящими пользователей в заблуждение. У некоторых моделей LINE-INTERACTIVE ИБП имеются серьезные недостатки, так как их регулирующие напряжение узлы способны порождать устойчивые искажения (в силу наличия сложной цепи обратной связи) и непредсказуемые переходные процессы.

Недостатком таких устройств, как и источников бесперебойного питания класса Off-Line, является наличие времени перехода на аккумулятор (~ 5 мсек) при возникновении аварийной ситуации. Рекомендуются для защиты недорогих серверов, рабочих станций, факсов и других устройств критичных к пропаданию напряжения и некритичных к форме выходного сигнала и времени переключения на аккумуляторы.

Дельта-технология

Источники бесперебойного питания, созданные по дельта-технологии – это системы компенсационного типа, которые компенсируют возможные изменения напряжения первой гармоники в питающей сети, ослабляя их проявления на выходе, за счет вольтодобавки, регулируемой отрицательной обратной связью от входа источника бесперебойного питания.

Система с “Дельта-преобразованием” состоит из двух инверторов (Дельта-инвертор – устройство №1 и основной инвертор – устройство №2), выполненных по специальной 4-х квадрантной схеме и системы управления и регулирования. Оба инвертора соединены с общей батареей и в зависимости от состояния напряжения в магистрали принимают на себя функции или инвертора, или выпрямителя.

Так, например, если в магистрали происходит падение напряжения, то устройство 2 работает как инвертор, а устройство 1 как выпрямитель. И на оборот, при увеличении напряжения устройство 1 берет на себя функции инвертора, а устройство 2 выпрямителя. Данная система работает в режиме автоматического регулирования как выходного напряжения, так и входного коэффициента мощности. Особенностью данной схемы является тот факт, что процессу преобразования подвергается только та часть электрической энергии, которую необходимо преобразовывать для получения на нагрузке качественных параметров.

В идеальных условиях, когда параметры электросети соответствуют требованиям качества питания нагрузки (напряжение и ток соответствуют номиналу, отсутствуют всевозможные провалы, выбросы, помехи и шум) электроэнергия полностью передается в нагрузку, а не преобразуется дважды, как в источниках бесперебойного питания с двойным преобразованием, в этом случае потерь на преобразование нет.

В реальной ситуации, когда параметры сети не идеальны, происходит традиционное двойное преобразование электроэнергии. Но система с “Дельта-преобразованием”, получается, “умнее”, чем классическая схема двойного преобразования, так как преобразует не всю энергию, а только ту часть, которую необходимо. Так, например, при отклонениях входного напряжения на 15% , двойному преобразованию подвергнется только 15% электроэнергии. Если принять суммарные потери как в традиционном источнике бесперебойного питания со схемой двойного преобразования равными 10%, то в системе с “Дельта-преобразованием” энергопотери составят: 0,15 х 10% = 1,5%.

В случае аварии электросети, основной инвертор получает энергию от аккумуляторной батареи, и схема работает по тому же принципу, что при классическом двойном преобразовании.

Таким образом, система с “Дельта-преобразованием”, имеет почти все достоинства традиционной схемы двойного преобразования, но при этом обладает большей эффективностью.

Достоинства: высокий КПД (до 97%) в широком диапазоне нагрузок, низкое тепловыделение в силу малых энергопотерь, коэффициент входной мощности – практически равен единице в широком диапазоне изменения нагрузки.

Недостатки: в отличие от схемы с двукратным преобразованием энергии, источники бесперебойного питания с дельта-преобразованием не способны без потребления энергии от аккумуляторной батареи (АБ) обеспечивать требуемую стабильность выходной частоты (+ 0,05-+ 0,1%) в условиях существующей нестабильности частоты питающей сети, т.е. реакция источников бесперебойного питания с дельта-преобразованием на изменение частоты питающего напряжения точно такая же, как на отключение электропитания, что снижает срок службы аккумуляторных батарей при частом на них переходе, а стоимость АБ составляет, в среднем, 40% стоимости источника бесперебойного питания.

ON-LINE

Принцип работы данного класса заключается в двойном (а иногда и тройном) преобразовании электрической энергии. Источник бесперебойного питания преобразует 100% поступающего к нему на вход переменного тока в постоянный, а затем выполняет обратное преобразование. Таким образом, в источнике бесперебойного питания класса ON-LINE даже в нормальном режиме сетевой ток проходит два преобразования (прямое и обратное) прежде, чем поступит на защищенную нагрузку. Это приводит к трем очевидным положительным эффектам:

• во-первых, наилучшим образом фильтруются все виды сетевых помех;
• во-вторых, помехи, создаваемые нагрузкой, не попадают во внешнюю сеть;
• в-третьих, (но не в последнюю очередь) отсутствует фазовый скачок и время переключение на батареи, которое присуще всем другим классам источников бесперебойного питания, при питании нагрузки от батарей.

Типовое значение времени переключения на аккумулятор у классов OFF-LINE и LINE-INTERACTIVE составляет 4-5 мсек. (согласно рекламным материалам). Однако следует иметь в виду, что это время реакции действительно лишь при “обрыве входной линии”, а при другом искажении входных параметров это время может увеличиваться более чем в 5 раз. По различным данным современные компьютеры способны сохранять данные при отсутствии входного напряжения в течение 15 – 20 мсек., но с более длительными перерывами приходится считаться, особенно критичным время переключения становится, когда компьютеры объедены в локальную вычислительную сеть.

Источники бесперебойного питания класса On-Line с двойным преобразованием энергии не имеют времени перехода на аккумулятор (поскольку выходной инвертор питает подключенную нагрузку за счет энергии, получаемой либо от выпрямителя, либо от постоянно подключенного аккумулятора), поэтому выходная синусоида не имеет разрывов и искажений. Некоторые фирмы-производители источников бесперебойного питания экономят ресурс АБ за счет использования т.н. “виртуальной батареи” (далее ВБ), когда для питания нагрузки используется энергия, накопленная не в АБ, а в конденсаторе большой емкости (на рис. выше, ВБ подключается между выпрямителем и инвертором), подключенного параллельно к АБ. Благодаря этому уменьшается количество случаев кратковременного использования основной АБ и увеличивается срок ее службы. Выходное напряжение всегда синусоидальное, а частота его всегда стабильна и задается кварцевым генератором внутри самого источника бесперебойного питания, вне зависимости от формы и частоты входного напряжения, что обеспечивает значительно большую электромагнитную совместимость по сравнению с источниками бесперебойного питания других типов.
Конечно, наличие столь больших различий в типах источников бесперебойного питания приводит к значительной разнице в стоимости. И рекомендуемым критерием для компьютерного оборудования является выбор источников бесперебойного питания в ценовом диапазоне, не превышающем 20% от стоимости защищаемых потребителей электроэнергии. Ниже приведены примеры использования источников бесперебойного питания.

Какой тип источника выбрать

Классификация систем бесперебойного питания
по топологии

По топологии принято различать следующие основные три категории систем гарантированного электропитания:

• Распределенная;
• Централизованная;
• Комбинированная.

Распределенная система гарантированного питания

Распределенная система состоит из множества небольших источников бесперебойного питания, каждый из которых защищает отдельный элемент оборудования, обычно – компьютер, реже – домен. Она является наиболее простой и распространенной системой бесперебойного питания.

К достоинствам этой системы следует отнести:

• Каждый элемент компьютерной системы питается от отдельного источника бесперебойного питания, специально подобранного по мощности и степени защиты. Это позволяет рационально расходовать средства на приобретение источников бесперебойного питания, выбирая для важных и находящихся в тяжелых условиях эксплуатации элементов компьютерной сети более дорогие модели.
• Эксплуатация распределительной системы в простых компьютерных системах достаточно очевидна. Каждый пользователь отвечает за работу только своего источника бесперебойного питания.
• Систему просто наращивать, постепенно докупая источники бесперебойного питания.
• Работоспособность системы можно поддерживать, временно заменяя вышедшие из строя источники бесперебойного питания, питающие важные элементы компьютерной системы, блоками, защищающими менее важные элементы.
• Маломощные источники бесперебойного питания не требуют квалифицированного персонала для их установки.

Недостатки данной системы очевидны:

• Достаточно высокая стоимость защиты одного места (в сравнении с централизованной системой) при невысоком классе защиты.
• Сложность в управлении.
• Уязвимость оборудования ввиду доступности источников бесперебойного питания для пользователя и посетителя.

Во многих случаях для построения системы гарантированного электропитания выбор распределенной системы бывает предопределен имеющимся уже в наличии оборудованием, которое приобреталось спонтанно и у разных поставщиков.

Централизованная система
гарантированного электропитания

Централизованная система электроснабжения подразумевает установку одного большого источника бесперебойного питания на все имеющееся оборудование. Она обладает весьма серьезными достоинствами, хотя существуют и некоторые недостатки, свойственные всем централизованным системам.

Достоинства:

• Высокая надежность
• Простота обслуживания
• Все оборудование находится в одном месте
• Используется минимальное количество документации, ЗИП. Легко обеспечить быстрое обслуживание оборудования при минимальном количестве персонала, исключается доступ случайных людей к оборудованию
• Уменьшение стоимости системы. При одном и том же качестве питания удельная цена оборудования ($/вA) падает по мере роста мощности источника бесперебойного питания
• Увеличение помехоустойчивости Локальной Вычислительной Сети (ЛВС) т.к. питание ЛВС абсолютно независимо от всех остальных потребителей здания, путем создания сети “чистого питания” от источника бесперебойного питания
• Гибкость системы позволяет увеличивать время автономной работы привилегированных потребителей за счет отключения второстепенных.

Недостатки:

• Большая подготовительная работа, связанная с прокладкой выделенной электрической сети, выделение отдельного помещения под источник бесперебойного питания, выбор системы и т. д.
• Необходимость в единовременной инвестиции
• Необходимость в специальном обучении эксплуатирующего персонала

Практика показывает, что практически все крупные организации по мере своего развития рано или поздно переходят на централизованную систему бесперебойного питания. Важным аспектом проектирования централизованной системы является необходимость выделения потребителей защищенной электроэнергии в отдельную систему, требующую зачастую отдельной электрической проводки, при этом необходимо согласовать требования производителя источника бесперебойного питания к подводящим и отводящим фидерам, к помещению, где источник бесперебойного питания будет установлен. Полезным может оказаться наличие таких опциональных возможностей источника бесперебойного питания как панель удаленного мониторинга и отключения, которые могут быть установлены в помещения охраны и использованы при возникновении таких нештатных ситуаций, как пожар, наводнение или землетрясение.

Обычно в комплект источника бесперебойного питания входят:

• Выходной изолирующий трансформатор
• Жидкокристаллический экран для мониторинга работы и тестирования
• RS232 и RS485 порты
• Ручной by-pass
• Интерфейс для сигнализации и наблюдения за работой источника бесперебойного питания

Время автономной работы источника бесперебойного питания обеспечивается набором внешних батарей, и может варьироваться, в среднем, от 7 мин – до 120 мин, за счет использования батарей различной емкости. Мониторинг, а так же управление источником бесперебойного питания осуществляется программным обеспечением, разработанным под различные операционные системы:

• Sun: Sun OS, Solaris
• Digital: Windows NT (on Alpha), Digital Unix
• Microsoft: Windows NT, Windows 95
• IBM: AIX, OS/2
• HP: HP-UX
• Novell: Netware, Unixware
• SCO: SCO Unix
• SGI: Irix
• и других ОС.

Комбинированная система

Комбинированная система является комбинацией распределенной и централизованной систем, которая используется для увеличения возможностей управления питанием.

Повышение мощности и надежности
систем энергоснабжения

Сегодня существуют такие приложения, в которых даже система гарантированного питания требует улучшения с целью повышения ее надежности. Примером таких приложений может служить организация системы гарантированного электропитания для больниц и родильных домов. Современные технологии позволяют источникам бесперебойного питания показывать весьма высокие показатели надежности систем гарантированного электропитания, а в таких случаях этот показатель стараются приблизить к единице. Самым надежным и известным способом является резервирование систем. С точки зрения затрат на оборудование, наиболее привлекательным является способ, позволяющий объединять источники бесперебойного питания, включая их в параллель, поскольку в данном случае суммарная мощность системы источников бесперебойного питания может возрастать вдвое.

Обычно, для построения параллельной системы, источники бесперебойного питания должны иметь возможность коммуникаций для решения двух важнейших задач обеспечения параллельной работы:

• Синхронизация выходного сигнала и равномерное распределение нагрузки
• Выборочное включение/выключение одного из источников бесперебойного питания

Совместное использование
с дизельными электростанциями

Наиболее часто встречающаяся проблема – увеличение время автономной работы (свыше 1-2 часов), где стандартный для источников бесперебойного питания вариант с подключением дополнительных батарейных блоков теряет экономическую привлекательность (напомним, что аккумуляторные батареи являются одной из самых дорогих составляющих в стоимости источников бесперебойного питания), тогда весьма заманчивым становится вариант с приобретением дизель-генератора. При выборе модели генератора следует учитывать, то, что обязательным является запас мощности дизель-генератора, различный для разных производителей источников бесперебойного питания, что связано с процессом принятия нагрузки ДГУ. Так же важно заранее знать, где будет размещен генератор (в помещении, на улице, в подвале). При установке генератора в помещении следует позаботиться о звукоизоляции и о выводе отработавших газов (организация газового поста), как правило, данные аспекты предусмотрены большинством производителей в виде отдельной опции.