| Немного о схемотехнике |
| Давая рекомендации по выбору UPS для домашнего использования, мы остановились на трех основных их типах: пассивные резервного типа (офлайновые), линейно-интерактивные и с двойным преобразованием (онлайновые). В корпоративных проектах первый тип ИБП практически не используется. Линейно-интерактивные применяются только для относительно небольших мощностей там, где не является критичным время переключения на резервный источник питания (аккумулятор). Для предприятий основной тип UPS — это онлайновые, с двойным преобразованием электроэнергии. Напомним, что такие источники преобразуют поступающее на вход переменное напряжение в постоянное (выпрямитель), а затем постоянное напряжение снова преобразуется в переменное (инвертор). Такое двойное преобразование позволяет практически полностью оградить нагрузку от любых неполадок и искажений во внешней сети. Онлайновые источники соответствуют стандартам VFI⁄SS (Voltage and Frequency Independent⁄Sinusoidal output), что означает следующее: напряжение на выходе абсолютно не зависит от входного и всегда представляет собой правильную синусоиду. |
| Давайте «копнем вглубь» устройства онлайновых ИБП, потому что их схемотехнические особенности определяют ряд важных характеристик и область применения этого оборудования. Классическая архитектура онлайнового UPS (например, серия Safe-Power Evo фирмы N-Power) основана на диодном (тиристорном) выпрямителе, инверторе на транзисторах IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor — биполярные транзисторы с изолированным затвором) и трансформаторе на выходе. Это так называемая трансформаторная схема построения ИБП. Трансформатор на выходе обеспечивает гальваническую развязку между входом и выходом и гарантирует отсутствие постоянной составляющей в выходном сигнале. Применение этого элемента позволяет упростить (и сделать более надежной) схему инвертора и в целом повысить надежность системы. Важно и то, что классические UPS с выходным изолирующим трансформатором могут применяться для защиты любого типа нагрузки: компьютеров, телекоммуникационных и сетевых устройств, промышленного оборудования, медицинской техники и пр. |
| Применение трансформаторов дает как массу плюсов, так и имеет свои минусы. Трансформатор — это довольно тяжелый элемент, поэтому и сами трансформаторные ИБП весят больше бестрансформаторных источников (о которых мы поговорим ниже). Кроме того, в устройствах, построенных по описанной выше схеме, отсутствуют специальные средства управления потреблением тока инвертором, поэтому коэффициент нелинейных искажений (КНИ) входного тока очень высок — он доходит до 20 … 30%. Эта характеристика и связанный с ней входной коэффициент мощности по сути определяют те искажения, которые UPS дает во внешнюю сеть. Все производители ИБП стремятся снизить КНИ и повысить входной коэффициент мощности. В источниках рассматриваемой конструкции улучшить эти характеристики можно применением 12-пульсных выпрямителей и специальных фильтров. Последние позволяют снизить КНИ до уровня 3 … 5%, но при этом повышают стоимость решения. |
| Из бестрансформаторных схем построения UPS наиболее инновационной является так называемая «зеркальная», когда и выпрямитель, и инвертор построены на базе IGBT-транзисторов (например, серия Safe-Power Evo UY фирмы N-Power). Использование таких транзисторов в выпрямителе позволяет обеспечить эффективную коррекцию коэффициента потребляемой мощности (до уровня 0.99) и малое значение входного КНИ (2 … 5%) без применения каких-либо дополнительных фильтров. Отсутствие трансформаторов позволяет также снизить вес ИБП и сделать их более компактными, что весьма существенно для применения в центрах обработки данных современных предприятий. Это основные преимущества «зеркальных» UPS. |
| К числу их недостатков следует отнести зачастую более низкий КПД, высокую стоимость, а также ориентацию в основном на защиту компьютерной техники — эксперты не рекомендуют с помощью бестрансформаторных ИБП защищать медицинскую технику, промышленное оборудование, смешанную и любую другую трехфазную нагрузку. В тех случаях, когда необходима гальваническая развязка нагрузки с первичной сетью, бестрансформаторные UPS могут оборудоваться внешними трансформаторами. |
| Почему важны входные характеристики |
| Чем ближе входные характеристики к идеальным (0 — для КНИ и 1 — для коэффициента мощности), тем лучше. Причин на то много. Возьмем, например, сопряжение ИБП с дизель-генераторами, которые являются основным типом автономных источников электроснабжения при длительных отключениях напряжения во внешней электросети. Для нормального функционирования системы бесперебойного электроснабжения с UPS, имеющим входной КНИ выше 10%, мощность дизель-генератора должна значительно (иногда в два раза) превышать мощность ИБП. Если же КНИ находится на уровне 3 … 5%, то и требуемое «завышение» мощности дизель-генератора значительно ниже; скажем, отношение его мощности к мощности UPS может составлять всего 1.3. Дизель-генераторы — это довольно дорогостоящая техника, поэтому и экономия здесь получается приличная. |
| Хорошие входные характеристики позволяют сэкономить еще по одной статье бюджета — она связана с оплатой электроэнергии. Даже если учесть, что в России электроэнергия относительно дешевая (но она постоянно дорожает!), крупный потребитель может здесь серьезно выиграть. |
| КПД и экономный режим |
| Говоря об экономии электроэнергии, нельзя не вспомнить такую характеристику, как КПД. По причине двойного преобразования энергии у онлайновых ИБП этот показатель ниже, чем у офлайновых и линейно-интерактивных источников. Но, как уже отмечалось, для ответственных нагрузок выбирать не приходиться — только онлайновые UPS. Оценивая конкретную модель такого ИБП, желательно убедиться, что ее КПД высок (насколько это возможно) не только при полной, но и при частичной загрузке. Системы бесперебойного электропитания редко используются при загрузке 100%, как правило, она ниже, поэтому при загрузке и в 30%, и в 60% КПД должен оставаться достаточно высоким. По мнению экспертов Европейской ассоциации производителей электрических машин и силовой электроники (CEMEP), при загрузке UPS в 25% уровень его КПД не должен быть ниже 0.91, а при загрузке от 50 до 100% — не ниже 0.93 … 0.94. |
| Не стоит забывать и о том, что чем выше КПД, тем меньше тепла выделяется устройством. А проблема отвода тепла сегодня стоит очень остро, особенно в центрах обработки данных с высокой плотностью размещения оборудования, и для ее решения часто требуются дорогостоящие системы кондиционирования и распределения потоков воздуха. |
| Для повышения эффективности использования электроэнергии многие производители реализовали в своих онлайновых ИБП экономичный режим работы. Если качество внешнего электропитания «укладывается» в определенные нормы, источник переходит на работу по линейно-интерактивной схеме, при этом его КПД существенно повышается. Стоит качеству электроэнергии снизится, устройство вернется к онлайновой схеме с двойным преобразованием энергии. |
| Управление батареями |
| Аккумуляторные батареи — самый дорогостоящий и самый «привередливый» элемент UPS. «Привередливость» эта проявляется, в частности, в жестких требованиях к температуре окружающего воздуха. Оптимальной для аккумуляторов считается температура 15 … 20°С, и существует следующее практическое правило: после 25°С при повышении температуры на каждые 10°С срок службы аккумуляторов сокращается вдвое. Хотя батареи «чувствительны» к температуре, их нельзя назвать совсем уж «неженками»; они хорошие «спортсмены» — любят периодические «тренировки» по циклам разряд-заряд. |
| Современные онлайновые ИБП обеспечивают не только подробный мониторинг состояния батарей, но и имеют «интеллектуальные» средства подзарядки и управления их состоянием. Цифровые контроллеры таких UPS обеспечивают оптимизацию зарядных токов в зависимости от различных факторов, включая емкость батарей, требуемое время ее восстановления и специфические характеристики поставщиков батарей. Производители ИБП сами не выпускают аккумуляторные батареи. Наиболее известными на рынке батарей являются концерны FIAMM и Exide Technologies (последнему принадлежат торговые марки Sonnenschein, Tudor и ряд других), а также компания C-D Technologies, выпускающая свои изделия под маркой Jonson Control. Передовые системы управления состоянием батарей позволяют практически вдвое увеличить их срок службы. |
| В своих мощных UPS компания N-Power использует систему управления аккумуляторными батареями Battery Health Guard. Она обеспечивает программируемый батарейный тест, термокомпенсацию зарядного тока, оптимальный выбор конечной точки разряда батарей в зависимости от нагрузки, защиту от перенапряжения и минимальные пульсации зарядного тока. |
| Повышение отказоустойчивости (параллельные системы) |
| Высокая надежность и отказоустойчивость — важнейшие характеристики для корпоративных систем бесперебойного электропитания. Понятно, что начинать рассмотрение вопросов надежности следует с качества отдельных блоков. Чем выше уровень контроля качества на производстве, тем выше среднее время наработки на отказ (MTBF). Однако MTBF — параметр статистический, следовательно, сколь высок бы он ни был, существует некоторая вероятность, что компонент может отказать в любое время. Поэтому для повышения отказоустойчивости своих решений производители вводят в них определенную избыточность, которая в случае с ИБП реализуется резервированием батарей, блоков силовой электроники, средств управления. Можно такое резервирование осуществить в рамках одного устройства, и тогда говорят о модульных UPS. Можно установить несколько полноценных ИБП таким образом, чтобы одни источники подстраховывали другие. Такое решение называют параллельной системой, и именно его в основном применяют для построения отказоустойчивых комплексов. Отметим, что объединение UPS может также использоваться для повышения общей мощности системы, а также для решения сразу двух задач — повышения мощности и резервирования. |
|
|
| При выборе схем построения параллельных систем следует уделить внимание таким вопросам, как схема включения байпаса и алгоритм синхронизации. Напомним, что в режиме байпаса нагрузка питается непосредственно от внешней сети (возможно, только через фильтр и иногда — в промышленных системах — через трансформатор гальванической развязки). Первый вариант — использование единого внешнего модуля байпаса для нескольких параллельно установленных ИБП. В этом случае возможно использование облегченных блоков UPS (без внутреннего байпаса), но при отказе центрального байпаса выходит из строя вся система. В этом случае имеет место то, что называют единичной точкой отказа и чего всегда стремятся избегать в отказоустойчивых системах. Второй вариант — формирование параллельной системы на базе стандартных блоков ИБП (со встроенными средствами байпаса). В данной схеме единичная точка отказа отсутствует, и именно этот вариант рекомендуют многие эксперты. |
 |
| Параллельная система с распределенным байпасом |
|
| Для параллельной работы UPS на общую нагрузку требуется их синхронизация, что обычно реализуется с помощью специальных сигнальных кабелей (не силовых). Хотим обратить внимание на реализацию схемы синхронизации в мощных ИБП компании N-Power. В них для синхронизации используются оптоволоконные линии связи, обладающие более высокой помехоустойчивостью по сравнению с электрическими. Кроме того, топология сети синхронизации обеспечивает 100%-ную избыточность, что гарантирует устойчивую работу системы даже при случайном повреждении одного из соединителей. |
| Исторически возможность объединения в параллельные системы имелась только у достаточно мощных UPS. Однако в последние годы требования к уровню отказоустойчивости заметно выросли даже у небольших компаний, и фирмы-производители ответили на это тем, что наделили средствами объединения «в параллель» даже относительно небольшие источники. Например, возможность параллельной работы (до четырех блоков) имеется у моделей N-Power Master-Vision на 6 кВА … 20 кВА. |
| Интеграция с другими инженерными подсистемами |
| В последнее время ИБП все чаще рассматривают не как отдельные устройства, а как одни из элементов сетевой и инженерной инфраструктуры центра обработки данных или здания в целом. Интеграция с другими подсистемами осуществляется прежде всего на программном уровне. |
| Предназначенные для корпоративных инсталляций UPS средней и большой мощности располагают, конечно, значительно более развитыми средствами управления, чем малые ИБП для домашнего применения. Контроль состояния корпоративных UPS возможен, в частности, через «сухие» контакты и последовательный порт. Наряду с электрическим портом RS232 мощные ИБП фирмы N-Power также имеют оптический интерфейс RS232, через который возможна высокоскоростная помехоустойчивая передача информации на большие расстояния. Если для малых UPS поддержка протокола SNMP скорее опция, то для источников средней и большой мощности — обязательная функция. При подключении к IP-сети нескольких ИБП их SNMP-адаптеры и ПО управления обеспечивают одновременный мониторинг параметров всех задействованных агрегатов. |
| Поддержка SNMP позволяет интегрировать средства управления UPS с платформами сетевого управления, такими, как HP OpenView. Для интеграции со средствами управления других инженерных систем здания необходима поддержка специфических протоколов сетей автоматизации, таких, например, как ModBus, JBus, ProfiBus и др. |
