Требования к оборудованию по обеспечению бесперебойного питания со стороны потребителей постоянно растут. Несмотря на конвергенцию и универсализацию увеличивается число устройств, которыми оснащается офис, а значит, необходимо дополнительное питание — и все это на фоне усугубляющегося дефицита электроэнергии и нестабильности ее поставок. В качестве «ответа» производители ИБП внедряют функционал «больших» решений в «малые» системы.
Одним из основных параметров любого устройства обеспечения бесперебойного питания является максимально допустимая мощность нагрузки потребителей, подключаемых к ИБП. Выходная мощность чаще всего указывается в вольт-амперах (ВА) и характеризует полную мощность, потребляемую нагрузкой. Она вычисляется как произведение среднеквадратичных значений тока и напряжения. В отрасли не существует однозначного деления источников бесперебойного питания на «малые» и «большие» — каждый производитель или поставщик имеет свою классификацию и систему критериев. Однако большинство сходится на определении «малых» систем ИБП как систем, чья выходная мощность не превышает 3-5 кВА. К «малым» иногда относят и однофазные устройства с более высоким показателем мощности — до 10 кВА.
Областью их применения является так называемое «офисное пространство». По словам Александра Нигова, менеджера по продуктам компании MAS Elektronik AG, ИБП «малого» класса используются чаще всего для защиты серверов, сетевого оборудования, телекоммуникационных систем, а также диагностического оборудования. Эти системы становятся все более чувствительными к качеству электропитания, поэтому производители постоянно совершенствуют свои продукты дабы соответствовать новым требованиям рынка.
На территории России стандарты качества электросети определяются характеристиками, установленными в ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», согласно которому напряжение в электросетях должно составлять 380 В (для трехфазных сетей) и 220 В (для однофазных), допустимое отклонение ±5%, предельно допустимое ±10%; частота 50 Гц , предельно допустимое отклонение частоты ±0,4 Гц, нормально допустимое значение коэффициента нелинейных искажений 6%, предельно допустимое — 20%. Однако на деле эти параметры часто не выдерживаются. Самым «неприятным» нарушением работы электросети оказывается полное пропадание напряжения вследствие аварии. Сетевые фильтры и стабилизаторы напряжения в таком случае бессильны — помогут только ИБП.
ЧТО НОВЕНЬКОГО?
Согласно принятому Международной электротехнической комиссией (IEC) стандарту IEC 62040-3 все ИБП подразделяются на три основных класса: пассивные резервного типа (passive standby), линейно-интерактивные (line-interactive) и с двойным преобразованием (on-line).
Устройства с двойным преобразованием (на жаргоне специалистов их принято называть «онлайновыми») работают по принципу преобразования поступающего на вход переменного напряжения в постоянное (эту задачу выполняет выпрямитель) и последующего повторного преобразования постоянного напряжения в переменное (инвертор). В результате получается чистая синусоидальная форма выходного тока. Такое решение практически полностью защищает имеющееся оборудование от любых неполадок и искажений во внешней сети.
Как и в двух других типах ИБП, аккумуляторная батарея включается в работу только в аварийном режиме, но она постоянно подсоединена к входу инвертора, чем обеспечивается практически нулевое время переключения. Изначально, технология двойного преобразования использовалась главным образом в «больших» устройствах, но теперь многие производители выпускают «онлайновые» решения мощностью до 5 кВА. По сравнению с линейно-интерактивными они обладают высокой надежностью и достаточным качеством выходного электропитания.
Эффективность ИБП характеризуется величиной его КПД. Двойное преобразование энергии в «онлайновых» ИБП приводит к понижению КПД по сравнению с «оффлайновыми» («пассивные ИБП резервного типа») и с линейно-интерактивными источниками. Как советуют специалисты компании N-Power, при выборе устройства следует обращать внимание на его КПД (показатель должен быть как можно выше). Однако надежность и качество работы зачастую оказываются более весомыми факторами, и в рамках корпоративной информационной инфраструктуры правильнее внедрить пусть и менее производительные, но более надежные ИБП с двойным преобразованием. Системы бесперебойного электропитания редко используются при полной загрузке; как правило, она ниже, поэтому КПД должен оставаться достаточно высоким при загрузке и в 30%, и в 60%. По мнению экспертов Европейской ассоциации производителей электрических машин и силовой электроники (CEMEP), если загрузка ИБП равна 25%, уровень его КПД не должен быть ниже 0,91, а при загрузке от 50 до 100% — не ниже 0,93-0,94.
Как считает Андрей Климов, менеджер по продукту компании «Сиэлт», мастер-дистрибьютора корпорации Chloride в России, помимо меньшего КПД у «онлайновых» источников можно выделить и другие недостатки, в частности, большие габаритные размеры и сравнительно высокую стоимость оборудования, но это все неизбежная плата за существенное повышение уровня надежности, коэффициента готовности и ремонтопригодности оборудования. Сергей Щербаков, руководитель группы системных инженеров APC-MGE среди преимуществ «онлайновых» источников небольшой мощности отмечает расширенный набор функций, возможность подключения практически любой нагрузки, дистанционного мониторинга и управления системами. По мнению Татьяны Сучковой, менеджера по маркетингу российского представительства SOCOMEC UPS, применение в «малых» решениях «больших» технологий вполне оправдано, так как установка подобной системы ИБП позволяет впоследствии увеличить нагрузку (мощность) без потерь для качества резервного гарантированного электропи-тания.
Наряду с мощностью, важной характеристикой ИБП является время автономного питания оборудования. Устройства, предназначенные для работы в условиях офиса и дома, как правило, содержат встроенные аккумуляторные батареи и не предусматривают возможности подключения дополнительных батарейных кабинетов. Масштабируемость по времени автономной работы ИБП малой мощности — это еще одно заимствование из систем большой мощности. Она достигается за счет подключения дополнительных внешних аккумуляторов, что увеличивает гибкость решений. Впрочем, в офисе от ИБП не так часто требуется обеспечение длительного времени работы пользователей — обычно достаточно и 5-10 минут, чтобы сохранить редактируемые файлы и корректно выключить персональный компьютер, либо перейти на постоянный альтернативный источник питания. Не меньшее значение для «малых» решений имеют температурная компенсация заряда батарей и возможность «холодного старта» — запуска ИБП от батарей без напряжения в сети.
ИБП все чаще рассматривают не как отдельные устройства, а как один из элементов сетевой и инженерной инфраструктуры центра обработки данных или здания в целом. Интеграция с другими подсистемами осуществляется прежде всего на программном уровне. Важным требованием интеграции во внешнюю среду является «дружественность» и возможность включения устройства в локальные сети Ethernet, а также удаленное управление.
По словам Александра Нигова, важной чертой «малых» решений стал дистанционный мониторинг ИБП через различные сетевые карты — адаптеры SNMP/Web для прямой связи устройства с компьютерными сетями Ethernet и Internet, релейные адаптеры для подключения к компьютерам серии IBM AS/400 и системам управления промышленным оборудованием, адаптеры ModBus/JBus для непрерывного мониторинга системы электропитания по сети в рамках системы управления зданием.
Простейшим средством контроля за работой ИБП и состоянием сети электропитания являются светодиоды на лицевой панели источника. У более дорогих устройств они дополняются (или заменяются) небольшим ЖК-дисплеем, на который выводится значительно больший объем информации, за счет чего повышается эргономичность устройства. Это, несомненно, унаследовано у источников старшего класса. Однако более обширные сведения, и к тому же через удобный интерфейс, способно предоставить специальное программное обеспечение (ПО), которое сегодня предлагается практически для любых ИБП. Чтобы им воспользоваться, необходимо состыковать ИБП и компьютер. Локальное подключение обычно реализуется через последовательный интерфейс RS232 или через порт USB.
Для бесперебойного электроснабжения наиболее критической серверной нагрузки ИБП «малой» мощности часто используются в качестве резервного источника совместно с системой гарантированного электроснабжения. В случае долговременного отсутствия внешнего электропитания запускается дизель-генераторная установка. Правильно построенная система мониторинга позволяет вовремя отследить «проблемные» ситуации и оперативно принять меры к их устранению. Новой чертой для оборудования «малого» класса стала возможность применения дополнительных фильтров гармоник для понижения коэффициента нелинейных искажений входного тока, что позволяет корректно работать с дизель-генераторными установками в качестве альтернативного источника электроэнергии.
Как уже было отмечено, в современных условиях ИБП рассматриваются не как отдельные устройства, а как часть единой инфраструктуры, для каждого компонента которой может быть определено среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures, MTBF). Однако MTBF — параметр статистический, следовательно, сколь бы высок он ни был, существует вероятность, что компонент в какое-то время перестанет работать. Поэтому для повышения отказоустойчивости своих решений производители предусматривают в них определенную избыточность, которая в случае с ИБП реализуется резервированием батарей, блоков силовой электроники и средств управления. В случае модульных ИБП такое резервирование осуществляется в рамках одного устройства. Несколько полноценных ИБП можно установить таким образом, чтобы одни источники подстраховывали другие. Такое решение называется параллельной системой и применяется для построения отказоустойчивых комплексов. Отметим, что объединение ИБП применяется и для повышения общей мощности системы.
Ранее устройство обходного пути, байпас, было обязательным элементом только для «средних» и «больших» ИБП, теперь ручным байпасом все чаще оснащаются и «малые» решения. Байпас позволяет включать/отключать ИБП при проведении ремонта, профилактических работ и регулировки без прерывания снабжения потребителей, переводить нагрузки с инвертора на байпас при возникновении перегрузок и коротких замыканий на выходе источника бесперебойного питания или при удовлетворительном качестве электроэнергии в питающей сети с целью снижения потерь электроэнергии в ИБП (т.е. работать в экономичном режиме).
Однако вопрос о том, кто у кого наследует, отнюдь не однозначен. Если говорить о применяемых схемных решениях, то «большие» ИБП являются увеличенными копиями «малых», считает Валерий Васильченко, менеджер по работе с партнерами представительства Powercom. Например, в них применяются одни и те же схемы драйверов (раскачивающие элементы схемы на специализированных микросхемах или дискретных элементах) в цепи инверторов, но сами силовые модули инвертора выбираются исходя из протекающих токов для обеспечения заданной мощности. Инверторы и в «малых», и в «больших» ИБП строятся по полумостовой (half-bridge) резонансной схеме с управлением от широтно-импульсно-модулированного (ШИМ) сигнала, который вырабатывается управляющим микропроцессором по жесткой программе.
Самым большим отличием «малых» и «больших» ИБП, по мнению Валерия Васильченко, является количество внутренних аккумуляторов и, соответственно, схема поддержания постоянного напряжения на шине DC-BUS (внутренняя шина постоянного тока, от которой питается инвертор). В «малых» ИБП для этих целей применяют раздельные узлы: корректор коэффициента мощности при работе от входной сети и преобразователь DC-DC (из низкого напряжения аккумуляторов 24-72 В в высокое напряжение шины постоянного тока) при работе от батарей. В «больших» ИБП оба узла обычно совмещены, так как напряжение аккумуляторов составляет 240-275 В, что сопоставимо с выходным напряжением выпрямителя. Еще более мощные ИБП (от 20 кВА до 500 кВА) изготавливаются по схеме с управляемым тиристорным выпрямителем (обычно трехфазным), который дополнительно выполняет функции зарядного устройства. В таком случае батареи аккумуляторов играют роль буферного элемента, от которого питается инвертор. Но такие решения никогда не применяются в «малых» ИБП из-за сложности и высокой стоимости.
Как указывает Алексей Попов, технический консультант по ИБП компании Emerson Network Power, применение в младших моделях ИБП таких технологий, как схема построения ИБП с двойным преобразованием, параллельное и последовательное резервирование ИБП, использование дополнительного оборудования для организации автоматического и технического байпасов, поддержка различных видов мониторинга ИБП, интелектуальное управление зарядным током АБ и температурная компенсация зарядного тока, вызвано возросшими требованиями к качеству и надежности питания критической нагрузки. Данные технологии позволяют создавать «малые» решения систем ИБП, которые по своим характеристикам не уступают «большим». К их недостаткам можно отнести большую стоимость и большее тепловыделение. Последнее обстоятельство может приобрести критическое значение, поскольку в основном эти решения предназначены для стоечного использования.
КОНКУРЕНТЫ ИЛИ СОРАТНИКИ?
Если «малые» решения перенимают функциональные возможности своих «старших собратьев», то возникает резонный вопрос — не конкурируют ли они между собой? На это специалисты компаний-производителей ИБП практически в один голос заявляют, что сфера применения «малых» решений, какими бы продвинутыми они ни были, иная, нежели у «больших».
Впрочем, ситуации бывают разные. Как отмечает Андрей Климов, решения, построенные на маленьких ИБП, в какой-то степени могут составлять конкуренцию «большим». Структурно системы бесперебойного электропитания (СБЭ) строятся по централизованному, локализованному и смешанному принципам. В первом случае используются ИБП большой мощности, во втором — малой. Решение о принципе построения СБЭ принимается на этапе проектирования объекта и утверждается заказчиком. При локализованном подходе к СБЭ в случае выхода из строя одного ИБП обесточивается лишь один потребитель. Если же СБЭ создана в соответствии с централизованным принципом, то поломка ИБП приведет к прекращению подачи электропитания всем потребителям.
На объекте, где применен локализованный принцип СБЭ, возникают трудности в обслуживании большого количества отдельных ИБП, к тому же характеристики мощных источников бесперебойного питания с технологией двойного преобразования всегда лучше линейно-интерактивных ИБП. Таким образом, СБЭ, построенные по централизованному и локализованному принципу конкурируют, но косвенно и весьма условно. Наиболее оптимально использовать смешанный принцип построения СБЭ, в котором электропитание всей сети основано на ИБП большой мощности, а на помощь наиболее ответственным потребителям приходят небольшие офисные ИБП.
Андрей Олищук — корреспондент «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: aol@lanmag.ru