Согласно прогнозу Frost&Sullivan, к 2013 г. объем мирового рынка ИБП достигнет 11,11 млрд долларов. Оборот российского рынка ИБП составляет около 500 млн долларов, а к 2012 г. может вырасти до 1 млрд долларов, однако экономическая ситуация вносит в докризисные прогнозы значительную долю неопределенности. В последние месяцы существенно сократились объемы проектного бизнеса. По оценкам экспертов, в I квартале текущего года динамика российского рынка ИБП оказалась резко отрицательной: продажи упали почти на 50%. В то же время сегмента мощных ИБП кризис коснулся в меньшей степени.
Продолжение начатых еще в прошлом году проектов, где используется это оборудование, позволило вендорам продемонстрировать неплохие результаты в первом полугодии, сохранить оптимизм и надеяться на хорошие (по сравнению с отраслью ИТ в целом) показатели в конце года. Так, в мае компания Socomec UPS объявила о своих намерениях увеличить объемы продаж в России в 1,6 раза — с 5 до 8 млн долларов.
По мнению Андрея Шубравого, коммерческого директора представительства компании Power-One LLC Energy Solutions, на все проекты по мощным системам питания были выделены бюджеты еще до экономического кризиса, что и обусловливает спрос на эти источники. Мощные ИБП обычно используются для надежного электропитания телекоммуникационного оборудования и ЦОД. Если строительство базовых станций и других объектов, где устанавливаются маломощные источники, можно отложить, то с объектами первостепенной важности ситуация иная. Они обеспечивают обработку критичной для бизнеса информации, следовательно, должны строиться и работать вне зависимости от экономических потрясений.
К концу лета падение российского рынка ИТ сменилось некоторой стабилизацией, однако, по словам Александра Фоменко, руководителя отдела продаж ИБП представительства Emerson Network Power, амбициозные планы пришлось корректировать в меньшую сторону. Кризис сказывается на продажах ИБП любой мощности, но рано или поздно все выделенные (хотя и урезанные из-за финансовых трудностей) бюджеты будут освоены, что позволяет смотреть в будущее с определенной надеждой. По прогнозам Emerson, наибольшая активность придется на период с августа по декабрь 2009 г.
Влияние кризиса проявляется как в замораживании некоторых текущих проектов, так и в уменьшении портфеля планируемых работ, рассказывает Олег Становов, генеральный директор компании Chloride Rus. Однако в каждой отрасли складывается своя ситуация. Например, многие серьезные финансовые учреждения, где позиции Chloride традиционно сильны, практически не сократили бюджеты на закупки систем бесперебойного и гарантированного электропитания. В промышленности, ИТ и других отраслях продолжается реализация большей части ранее начатых проектов, однако количество новых инвестиционных проектов снизилось. Что же касается телекоммуникационного рынка, то он продолжает развиваться благодаря стабильным доходам.
Как утверждает Олег Соколов, менеджер по работе с системными интеграторами Powercom, для того чтобы завершить проекты и остаться в рамках выделенного бюджета, многие корпоративные заказчики (в основном государственные структуры и госпредприятия) вынуждены заменять оборудование других вендоров более привлекательным по цене «тяжелым» оборудованием производства Powercom.
Во многих компаниях решение о выборе техники принимают совсем не те, кто будет его эксплуатировать, и часто они ориентируются исключительно на цену. Постепенно эта практика начинает изживать себя, все больше компаний стремится учитывать показатели TCO, но заметного прогресса в данном направлении можно ожидать лишь через несколько лет — по крайней мере, так утверждает Олег Становов. Ситуация врядли изменится. Аналитики IMS Research прогнозируют восстановление мирового рынка ИБП к 2011 г., когда, по их мнению, показатели годового роста будут выражаться двузначными числами, но в 2009 г. спад превысит 5%, хотя еще в прошлом году этот сегмент вырос на 7%.
На отечественном рынке «тяжелых» ИБП сильные позиции занимают компании APC by Schneider Electric, Chloride, Eaton Powerware, GE DE, Emerson Network Power, Neuhaus, Newave и Socomec UPS. Для системных интеграторов ИБП остается одним из самых привлекательных направлений, поэтому они планируют расширение спектра услуг по разработке проектов и обслуживанию систем бесперебойного питания. Часто это направление становится одной из ключевых компетенций в области ЦОД. Многие компании обладают штатом квалифицированных инженеров, способных осуществить проектные работы, сконфигурировать и установить системы бесперебойного питания, предоставить сервисные услуги.
ТРЕБОВАНИЯ И ПРИОРИТЕТЫ
Большинство вендоров не выпускают ИБП специально для ЦОД. Соответствующие линейки продуктов могут применяться для защиты любого критичного и требовательного к качеству электропитания оборудования. Между тем, как отмечают сотрудники компании «Абитех» (мастер-дистрибьютор GE Digital Energy), доля продаж оборудования для ЦОД растет: сейчас в этот сегмент поставляется примерно 20% ИБП GE (см. Рисунок 1).
Какие основные требования предъявляются к «ИБП для ЦОД»? В «Абитех» внесли в этот перечень высокую надежность (с учетом времени восстановления системы, т.е. важен не параметр MTBF, а коэффициент готовности); высокий КПД при неполной нагрузке (50-80%), что непосредственно отражается на тепловыделении и экономичности оборудования; поддержку параллельной работы с наращиванием мощности или повышением степени резервирования; масштабируемость; высокий входной и выходной коэффициент мощности и малый коэффициент гармонических искажений входного тока, что особенно важно при организации резервного питания от ДГУ.
Специалисты Socomec выделяют такие параметры, как высокая надежность и КПД, экономичность, плотность элементной базы, наличие средств мониторинга и управления. В Socomec и Emerson Network Power называют, кроме прочего, другие важные факторы: компактность систем, поддержка параллельной работы, низкое тепловыделение, интеллектуальная система управления зарядом АКБ, простое техническое обслуживание и поддержка, усовершенствованные возможности выключения серверов (новейшие версии ПО позволяют осуществлять корректное завершение работы виртуальных машин).
Сергей Кузьмин, руководитель отдела проектирования электросилового оборудования Центра проектирования ВСС, дополняет список наиболее существенных функций средствами синхронизации при параллельной работе ИБП (с обязательным резервированием плат и кабелей), полным набором средств управления/мониторинга, в том числе дистанционного, возможностью простого и интуитивно понятного переключения на внешний байпас с защитой от неверных действий персонала. Олег Соколов считает наиболее важными качествами высокую надежность, наличие средств мониторинга/управления и хорошую поддержку со стороны производителя оборудования.
Как указывает Сергей Щербаков, руководитель отдела системных инженеров компании APC by Schneider Electric в России, у разных вычислительных центров в зависимости от проекта могут быть разные требования, поэтому приоритеты зачастую меняются. Очень многое зависит от мощности ЦОД, его масштабов, места размещения и т. д. К наиболее важным требованиям он относит высокий уровень готовности (минимальное время простоя) и эффективность работы инженерных систем.
Современные ИБП, питающие серверы, работают с полной выходной мощностью при емкостной нагрузке. Запас по мощности необходим лишь при ее индуктивном характере. Как поясняют специалисты Emerson, благодаря постоянному входному коэффициенту мощности (0,99) и малым гармоническим искажениям (<3%) упрощается структура входной цепи ИБП, снижаются требования к платам управления и входным кабелям, уменьшается необходимая мощность ДГУ в системе бесперебойного электропитания, повышается общая производительность и качество электроустановки. Активная мощность практически полностью совпадает с полной, т.е. отсутствует реактивная составляющая мощности, которая не выполняет никакой полезной работы, а только нагружает источники питания и кабельные линии своими токами. Следовательно, можно не завышать чрезмерно мощность ДГУ и сечение питающих кабелей, делают вывод специалисты ВСС.
ИБП с таким коэффициентом мощности является для внешней сети или ДГУ практически полностью активной нагрузкой с легко прогнозируемым характером потребления (без реактивных токов, всплесков, увеличенного сечения кабелей и повышенного тепловыделения во входных цепях). Как уточнили специалисты «Абитех», отсутствие высших гармоник тока во входных сетях снижает токовую нагрузку на кабели и автоматы.
При отсутствии системы резервного электропитания от ДГУ увеличить время автономной работы можно за счет внешних аккумуляторных шкафов. В числе обязательных функций ИБП старшего класса — интеллектуальные системы управления зарядом АКБ, средства оповещения оборудования о низком заряде аккумуляторных батарей, инструменты мониторинга, коммуникационные возможности (Modbus и встроенный Web-сервер, хотя для большинства задач достаточно релейного интерфейса и SNMP).
Некоторые модели ИБП предусматривают функции удаленной диагностики, а вендоры реализуют на их основе предоставляемые заказчикам сервисы. Например, сервис LIFE.net дает возможность делегировать мониторинг СБЭ экспертам сервисного центра Chloride, которые информируют клиентов о сбоях и могут предложить решение для выхода из сложившейся ситуации. Фактически это позволяет обеспечить «постоянное присутствие» инженера Chloride у заказчика. Для непрерывного круглосуточного мониторинга ИБП из своего оперативного центра обслуживания Socomec UPS предлагает службу T.SERVICE (см. Рисунок 2).
За рубежом все больше предприятий обращают внимание на возможности энергосбережения. По данным недавнего опроса, проведенного Emerson Network Power на конференции Data Centers User Group (DCUG), организуемой для пользователей ЦОД, экономический спад вынудил 61% респондентов сократить свои бюджеты, а 35% отложили проекты по созданию или расширению ЦОД. Более половины опрошенных считают, что новые центры данных должны быть рассчитаны на энергопотребление 10-20 кВт на стойку (в современных ЦОД оно составляет в среднем 7,4 кВт). Среди причин повышения плотности оборудования — экономия площадей, поддержка модульных серверов и стремление сократить затраты на электроэнергию при росте энергопотребления: для отведения тепла от высокоплотной стойки ее требуется меньше, чем для охлаждения всего помещения ЦОД.
Характерные тенденции — усложнение систем охлаждения, мониторинга и электропитания центров данных. Стремясь упростить свои ЦОД, более половины опрошенных участников DCUG (55%) воспользовались услугами по анализу потребности инфраструктуры ИТ в электропитании и охлаждении. При этом 74% респондентов интересовала надежность систем охлаждения, 54% — потребление энергии, а 51% — планы расширения. 47% ответивших на вопросы назвали энергоэффективность одним из важнейших приоритетов в задачах планирования инфраструктуры и сетей.
«ОЗЕЛЕНЕНИЕ» ИБП
До сих пор «зеленые» технологии не находили широкого отклика у российских заказчиков. Надо отметить, что в условиях рецессии даже за рубежом отношение к ним изменилось: по данным недавнего исследования Gartner, живая заинтересованность в «озеленении» ИТ проявляется, лишь если есть надежда на быстрое сокращение затрат. В новой экономической ситуации все больше компаний задумываются об энергоэффективности решений именно из этих соображений, а не из желания предотвратить выброс сотен тонн углекислого газа в атмосферу планеты или предотвратить наносимый природе ущерб при утилизации оборудования.
Для многих производителей, выпускающих ИБП с традиционной схемой двойного преобразования, первостепенной задачей становится увеличение КПД источника бесперебойного питания. Высокий КПД, определяющий, какая часть электрической мощности эффективно используется для питания нагрузки, а какая — бесполезно рассеивается в виде тепла, становится важным дифференцирующим фактором в такой консервативной области, как технологии ИБП.
Данный параметр — основная, хотя и не единственная характеристика «зеленых» ИБП. Коммерческий директор представительства Socomec Sicon UPS в России Наталья Маркина подчеркивает, что «зеленые» ИБП отличаются высокой плотностью мощности и экспертной системой управления зарядом аккумуляторных батарей (EBS), что позволяет продлить срок их службы, при этом СО2 выделяется более чем на 40% меньше. Socomec является членом международного соглашения UN Global Compact, посвященного влиянию глобализации на общество и окружающую среду. По словам Андрея Шубравого, некоторые модели «зеленых» ИБП специально разрабатывались для использования с возобновляемыми источниками энергии, а новые ИБП Liebert выпускаются в рамках стратегии Emerson Network Power, которая предполагает разработку решений в соответствии с директивами Европейского Союза по энергосбережению и обеспечению безопасности окружающей среды.
Как утверждает Олег Становов, Chloride первой подписала «Кодекс по энергосбережению» и качеству систем ИБП переменного тока, чтобы свести к минимуму потребление энергии за счет увеличения КПД источников питания. В связи с этим компания проходит регулярные проверки Европейской Комиссии для подтверждения предписанных кодексом уровней энергосбережения, а в прошлом году объявила о своем членстве в консорциуме Green Grid. Такие шаги повышают статус вендора. Например, благодаря своему энергоэффективному и экологичному подходу Chloride была выбрана официальным поставщиком ИБП для ЦОД, обслуживающего саммит G8 в Аквиле (июль, 2009 г.).
Использование более эффективных ИБП ведет к прямому сокращению расходов на электроэнергию и косвенно снижает затраты на систему охлаждения, подчеркивает Дмитрий Мариничев, президент Radius Group. Как считает Олег Кущев, руководитель проектно-технического отдела департамента системной интеграции компании «Трансфер Эквипмент Восток», в нынешней ситуации экономия электроэнергии является дополнительным плюсом при выборе системы бесперебойного электропитания, но основным фактором все же остается стоимость первоначальных затрат на ее реализацию.
Впрочем, специалисты Socomec уверены, что невысокая ценовая разница между высокоэффективныи и бюджетными сериями ИБП (около 10%) будет стимулировать приобретение более технологичных решений. Однако у моделей ИБП разных вендоров она может составлять до 50% при равных мощностных характеристиках, поэтому чаще всего востребованы менее дорогие и практичные модели ИБП с не очень высоким КПД (92%), указывает Олег Соколов.
Однако, как полагает Сергей Щербаков, массовый спрос на них вряд ли возможен, поскольку у подобных ИБП есть ряд технологических недостатков (например, они вносят сильные искажения во входную сеть, занимают лишнее место, выделяют избыточное тепло и др.). Следует ожидать, что заказчики станут предпочитать более современные модели, у которых КПД всегда будет высоким за счет использования новейших технологий, — едва ли экономическая ситуация сможет на это повлиять. Как считает Станислав Коларж, генеральный директор «Абитех», во все времена клиенты приобретали ИБП, отвечающие их потребностям: прежде всего ими ценятся максимальная эффективность с точки зрения TCO и сроков жизни проекта (в России – от 1 до 10 лет), обеспечение необходимой имиджевой составляющей либо соответствие специальным требованиям к архитектуре проекта.
Между тем увеличение КПД как нельзя лучше вписывается в тенденцию сокращения операционных затрат и может принести существенную выгоду за счет экономии электроэнергии. Например, для ИБП на 825 кВА (742 кВт) снижение КПД на 5% означает, что устройство будет потреблять «лишних» 37 кВт или около 45 кВт с учетом питания системы охлаждения. Это серьезные потери, не говоря уже о том, что придется закупать более дорогую и мощную систему кондиционирования/охлаждения и ДГУ. По словам Андрея Шубравого, расчет системы питания с повышенным КПД показывает со всей очевидностью, что за год экономятся мегаватты энергии по сравнению с системами, КПД которых ниже всего на 3-5%.
С увеличением стоимости электроэнергии, числа серверов и ростом вычислительных мощностей расходы на электропитание и охлаждение приобретают еще большую важность. В перспективе инфраструктурные расходы составят 30-50% от всех расходов на ИТ, и большая их часть будет приходиться на плату за электроэнергию и кондиционирование. Поэтому выпуск новых моделей ИБП, предпринятый сразу несколькими производителями, которые позиционируют свою продукцию как «зеленое» оборудование (например, у Socomec новая линейка ИБП называется Green Power), является серьезным техническим достижением.
ДВОЙНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
ИБП обеспечивают резервное электропитание при аварии энергосети и подают «чистый» синусоидальный ток, защищая питаемую нагрузку от всех помех в электросети (импульсных высоковольтных бросков, длительного или кратковременного повышения или понижения напряжения, изменения частоты, нестабильности формы). Однако ИБП, имеющие идеальные характеристики, где устранены все присущие этому оборудованию недостатки, пока еще не созданы, и технологии источников бесперебойного питания постоянно развиваются. За последние годы появился ряд интересных технических решений по усовершенствованию схемы двойного преобразования, увеличению эффективности ИБП и снижению энергопотерь. Использование новейшей элементной базы позволяет сократить количество внутренних компонентов и соединений, увеличить надежность устройств и сделать их более компактными.
Для централизованных система бесперебойного электропитания характерно применение активных ИБП со схемой двойного преобразования (см. Рисунок 3). Эти системы с максимальным классом защиты доминируют в линейке ИБП средней и большой мощности, питающих ответственную и требовательную к качеству электроэнергии нагрузку. Основные силовые узлы современных ИБП с двойным преобразованием — выпрямитель и инвертор — реализуются на основе транзисторов IGBT. При этом форма входного тока претерпевает минимальное искажение в широком диапазоне нагрузки, а применение трансформатора инвертора обеспечивает повышенную защиту подключенного оборудования, сбалансированность выходных характеристик и большой ток заряда АКБ.
Как поясняет Андрей Вотановский, технический специалист компании Emerson Network Power, выпрямители на транзисторах IGBT с векторным управлением позволяют поддерживать нагрузку с высокой емкостной составляющей. Управляет таким выпрямителем высокоскоростной процессор DSP. Например, Emerson использует технологию IGBT в линейке продуктов Liebert NX (10-200 кВА), которые масштабируются вплоть до мощности 1200 кВА.
Используемый в технологии PurePulse алгоритм управления транзисторами выпрямителя IGBT, разработанный GE и применяемый в ИБП серии SG, обеспечивает высокую скорость регулирования и минимальные искажения входного тока. Благодаря этой технологии в серийных образцах уровень входного КНИ (THDi) удалось довести до 2% в широком диапазоне режимов работы (в предыдущих моделях заявленный расчетный параметр составлял 3%). Как утверждает Станислав Коларж, в настоящий момент таких низких гармонических искажений по входу ИБП не заявляет более ни один производитель.
Активные ИБП с двойным преобразованием могут работать с импульсной нелинейной нагрузкой, нормально функционируют при полном сбросе/набросе нагрузки и считаются идеальным решением для защиты критичного оборудования в районах с нестабильной частотой и амплитудой напряжения. Если параметры входного напряжения выходят за допустимые пределы, то незамедлительно происходит переключение на питание от батареи, которая постоянно подключена к входу инвертора. Кроме того, при наличии трансформатора гальваническая развязка (отсутствие замкнутой цепи между входом и выходом) улучшает помехоустойчивость. При ремонтных или регламентных работах, когда питание устройств не должно прерываться, задействуется ручной байпас, а при перегрузках или отказах ИБП включается автоматический байпас. В обоих случаях в таком режиме энергия подается непосредственно от электросети через фильтр (или фильтр и трансформатор).
Преимущества активного ИБП с двойным преобразованием очевидны: нулевая задержка при переключении на автономное питание и обратно (без переходных процессов на выходе); защита от помех в электросети, от колебаний входного напряжения, отклонений частоты и высоковольтных импульсов; высокое качество питания нагрузки независимо от режима работы и характеристик энергоснабжения. В результате обеспечивается полная защита оборудования. Однако имеются и недостатки. И речь идет не только о большей сложности и высокой стоимости по сравнению с ИБП других типов или о необходимости использования фильтра THD для увеличения коэффициента мощности по входу, но и о снижении КПД, а также о росте энергозатрат в нормальном режиме работы из-за двойного преобразования напряжения, поэтому разработчики давно пытаются их усовершенствовать.
ДЕЛЬТА И КПД
В 1998 г. APC приобрела датскую компанию Silcon Power Electronics (она выпускала трехфазные ИБП мощностью до 480 кВА), которая запатентовала принцип преобразования, обеспечивающий минимальные потери — так называемая технология «дельта-преобразования» (см. Рисунок 4). В ИБП с дельта-преобразованием используются два инвертора, выполненных по четырех-квадрантной схеме. Форма входного напряжения корректируется на дельта-трансформаторе, поэтому синусоида не уступает по качеству синусоиде, получаемой в ИБП с двойным преобразованием напряжения. Однако двойному преобразованию подвергается не вся электроэнергия, а только ее часть (до 15%), необходимая для поддержания стабильного выходного напряжения. Такие ИБП не корректируют частоту входной сети, могут работать с импульсной нелинейной нагрузкой, нормально функционируют при полном отключении или подключении нагрузки.
Поскольку в случае каких-либо провалов, выбросов, шумов или помех в электросети происходит двойное преобразование только необходимой части электроэнергии, уменьшаются и потери. Отсюда и высокий КПД: у ИБП с дельта-преобразованием он приближается к 97%, когда нагрузка составляет 50% (см. Рисунок 5). Данная технология позволяет получить высокий коэффициент мощности по входу без применения корректирующих фильтров THD и снизить требования по запасу мощности ДГУ при линейной нагрузке. За счет динамической корректировки коэффициента мощности улучшаются входные характеристики и упрощается сопряжение с ДГУ.
Как подчеркивают специалисты APC, в таких ИБП коэффициент мощности в широком диапазоне изменения нагрузки равен единице (кВА=кВт), и дополнительные дорогие устройства не нужны, так как схема дельта-преобразования не вносит добавочную реактивную составляющую в электросеть и обеспечивает синфазность тока и напряжения. Преимущества схемы с дельта-преобразованием — высокие КПД и перегрузочная способность, низкие входные искажения, а также хорошее взаимодействие с дизель-генератором. Для таких систем характерны встроенная коррекция коэффициента мощности и минимальные гармонические искажения, вносимые в электросеть.
Наконец, максимальный КПД у подобных ИБП достигается, когда параметры напряжения сети соответствуют номинальным значениям, а входной импеданс нагрузки имеет только активную составляющую. В противном случае увеличивается нагрузка на основной и дельта-инвертор или ухудшается эффективность использования входного трансформатора — в результате КПД падает.
Основное применение таких ИБП — защита ответственной нагрузки в районах с относительно стабильными параметрами в энергосети. В условиях, характерных для многих регионов России, они могут проигрывать по эффективности традиционным системам с двойным преобразованием напряжения, особенно в случае нестабильности частоты. Однако, по данным APC, в России ИБП этого типа применяются довольно широко. APC не специфицирует к ним каких-либо требований в отношении качества электросети.
Как поясняет Сергей Щербаков, в настоящее время APC не предлагает линейку Silcon, и единственным ИБП, где применяется принцип дельта-преобразования, является Symmetra MW. С точки зрения разработчиков APC, использование на больших мощностях ИБП с дельта-преобразованием является максимально эффективным, перспективным и выгодным за счет улучшенного КПД. К тому же данное устройство является еще и модульным с возможностью масштабирования, наращивания мощностей, резервирования компонентов и т. д.
По словам Сергея Кузьмина, оценить целесообразность применения ИБП с дельта-преобразованием можно лишь на основании результатов детального и длительного мониторинга электросети, параметры которой должны соответствовать ГОСТ. Однако при резервировании источников питания КПД все равно будет невысоким из-за неполной нагрузки, и экономичность дельта-преобразования заметно снижается, особенно с учетом капитальных и эксплуатационных затрат.
ЭКО-РЕЖИМ
Схема электропитания может быть еще более экономичной: если параметры питания в электросети не выходят за допустимые пределы, то оно подается прямо на оборудование ИТ через байпас без какого-либо преобразования, а при отклонении от номинала включается схема двойного преобразования. Проблема в том, как добиться настолько быстрого переключения, чтобы этого не почувствовала ответственная нагрузка. На запуск инвертора требуется некоторое время, а при его постоянном включении не удастся получить ожидаемой экономии. Однако блоки питания современных серверов выдерживают достаточно длительное отключение питания (примерно 15 мс), и если их характеристики согласованы с характеристиками ИБП, то можно построить экономичную систему электропитания, еще более повысив КПД.
Такой подход реализован, в частности, в системе Intelligent Energy Management (IEM), которой оснащены ИБП компании GE. По данным GE, это позволяет существенно экономить электроэнергию, снижает расходы на эксплуатацию ИБП и повышает КПД системы бесперебойного электроснабжения. Как рассказывает Константин Соколов, руководитель отдела технической экспертизы «Абитех», технология IEM (с недавнего времени она называется ECO mode) применима как для одиночного ИБП, так и для параллельной системы. ИБП в режиме ECO обес-печивает питание нагрузки через цепь статического байпаса, причем выпрямитель может подзаряжать АКБ, а инвертор отключен. В данном режиме КПД устройства достигает 98-98,5%, к тому же существенно уменьшается уровень шума.
В режиме ECO непрерывно контролируются напряжение и частота в электросети. При выходе любого параметра за пределы настраиваемого допуска ИБП автоматически переходит в режим двойного преобразования. При возвращении напряжения и/или частоты сети в допустимые пределы происходит обратное переключение с задержкой по времени. В параллельной системе IEM позволяет отключить один или несколько ИБП группы в периоды минимальных нагрузок (ночью или в выходные дни). При увеличении нагрузки происходит автоматическое подключение ранее остановленных ИБП для поддержания заданного уровня резервирования. Кроме того, изменение состояния системы можно программировать по календарю.
У Socomec в параллельной системе поддерживается режим Energy Saver: как и в случае EIM, незадействованные ИБП переводятся в режим ожидания. Дополнительный ИБП включается в работу, если возникает потребность в увеличении мощности, что помогает заметно экономить, например, при неравномерной загрузке серверов.
«Экономичный» режим с питанием нагрузки через байпас предусматривают многие производители активных ИБП. В оборудовании Emerson функции управления переданы процессору DSP, Chloride применяет специальный адаптивный алгоритм, но не отключает инвертор, а APC в ИБП Galaxy (см. Рисунок 6) синхронизировала включение инвертора и отключение байпаса. При переходе в режим двойного преобразования нагрузка не теряется, однако частое переключение между режимами нежелательно: переходные процессы не пойдут на пользу оборудованию, а в электросеть попадают искажающие гармоники. Поэтому увеличение КПД на несколько процентов не всегда оправдывает риск отсутствия полной защиты нагрузки и снижения надежности.
«Эко-режим» улучшает КПД с 92-93% до 97-98%, однако, как поясняет Андрей Вотановский, для его «комфортного» использования требуются определенные условия. Одно из них — качественные сети электропитания. Не всех заказчиков устраивает тот факт, что в течение дня ИБП может не один десяток раз переключаться с «эко-режима» на двойное преобразование и обратно. Тем не менее данный подход развивается. Emerson в моделях Liebert Hipulse его усовершенствовала. По мнению разработчиков, i ECO-Mode (Intelligent ECO Mode) позволяет заказчику максимально гибко применять его в процессе эксплуатации.
ПРЕДЕЛЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ
При нагрузке ИБП на уровне 50-75% заявленный КПД достигает 95-96%. Например, у ИБП APC Galaxy 7000 — 94,5%, у Emerson Liebert HiPulse E – более 93%, у Eaton 9395 – 95-95,4%, у Chloride 80-NET – 95% (94%, даже если нагрузка не превышает 25%). За счет настройки алгоритмов управления наибольшие значения КПД реализуются именно при такой неполной нагрузке, соответствующей типовому режиму работы ИБП в параллельных системах. Новая линейка ИБП Socomec Green Power (см. Рисунок 7) с трехуровневым инвертором, включающая в себя модели мощностью 10-40, 100-120 и 160-200 кВА, по заявлению разработчиков, имеет КПД 96% при активной нагрузке в 100%, 95,8% — при нагрузке в 50% и 94,5% — при нагрузке в 25%. У новых ИБП APC MGE Galaxy 3500 КПД тоже достигает 96% (см. Рисунок 8).
Как рассказывает Сергей Шербаков, для компании APC обеспечение высокого КПД остается одной из приоритетных задач. Ее современные разработки, включая системы двойного преобразования, как правило, имеют КПД не ниже 95%. И при загрузке до 35-40% значительного падения КПД не происходит. Например, КПД нового ИБП Symmetra PX 250/500 составляет 96% при загрузке 40-100%. В моделях ИБП APC Smart-UPS VT КПД достигает 96,3-96,7%.
Возможно ли дальнейшее увеличение КПД? Как отмечают в компании «Абитех», для трансформаторных ИБП с двойным преобразованием КПД 93-94% (у GE это серия SG, модели 250 и 300 кВА) является одним из максимальных в отрасли среди моделей, оснащенных воздушным охлаждением (такие же цифры приводит Олег Соколов), причем характеристика КПД практически линейна в диапазоне 25-100% и достигает наибольших показателей при загрузке ИБП на 50-80%. Теоретический предел определяется характеристиками серийно выпускаемых полупроводников, потерями в индуктивных элементах, а также применением воздушных систем охлаждения с алюминиевыми радиаторами.
Расчеты и моделирование показывают, что переход на другие системы охлаждения (например, жидкостное) позволяет повысить КПД устройства примерно на 0,5-1,5%. Еще одно направление – совершенствование и оптимизация ПО управления источником питания, которое непосредственно влияет на качество работы ИБП. Что касается схемотехники, то вряд ли можно ожидать ее заметного усовершенствования в ИБП в ближайшее время, поскольку сейчас все производители используют в своих продуктах схожую элементную базу.
Как рассказывает Анатолий Маслов, эксперт по оборудованию Chloridе, с переходом на бестрансформаторные технологии и полностью управляемые полупроводниковые элементы (транзисторы IGBT) производители приблизились к предельному значению КПД для режима двойного преобразования. Некоторые отличия в пределах 1-1,5% связаны с качеством применяемой элементной базы.
Как сообщил Андрей Вотановский, исчерпывающие подтвержденные данные по полному КПД при двойном преобразовании величиной 96-97%, не сопровождаемые ссылками на особые условия эксплуатации или неопубликованные ноу-хау, пока отсутствуют. Эти системы сравнительно недавно появились на рынке, и судить об их свойствах при отсутствии реальных масштабных инсталляций преждевременно.
По мнению Станислава Коларжа, производители, заявляющие о том, что в линейке серийных ИБП двойного преобразования достигнут КПД, близкий к 96%, не могут предоставить в доказательство ничего серьезнее рекламных лозунгов. Такой подход – не более чем попытка использовать ажиотаж вокруг экономии потребления электроэнергии. Среди выпускаемых моделей ИБП двойного преобразования с трансформатором инвертора и транзисторным выпрямителем наиболее высоким и гарантированным считается КПД 93%. Например, в новой линейке SG-CE Series
400-500 kVA Pure Pulse компании GE это значение обеспечивается при любых внешних условиях (параметрах электросети в пределах допуска для работы выпрямителя) и параметрах нагрузки (линейная, нелинейная, от 50% до 100%). Многие вендоры приводят высокие характеристики КПД, умалчивая, что данное значение справедливо только для линейной резистивной нагрузки.
Андрей Вотановский напоминает, что почти у каждой системы реальный КПД индивидуален и может значительно отличаться не только в разных модельных линейках одного производителя, но и в моделях разной мощности одной линейки. Заявлять об одинаково высоком КПД всей линейки оборудования не совсем корректно. В условиях конкурентной борьбы не всегда имеет смысл тратить средства на разработку ИБП невысокой мощности с максимальным КПД: размеры экономии не позволят заказчику окупить разницу в цене в течение срока эксплуатации. Однако с ростом мощности актуальность высокого КПД увеличивается, и в последнее время в этом сегменте наблюдается соответствующая тенденция.
Он считает, что теоретический предел КПД практически достигнут. Ни одно преобразование энергии невозможно выполнить с эффективностью в 100%, а если учесть, что КПД без преобразования («эко-режим» ИБП) равен 98%, то можно предположить, что КПД при двойном преобразовании будет на несколько процентов меньше — именно это в той или иной степени и наблюдается в продукции всех производителей. Кроме того, на реальной нагрузке КПД всегда меньше заявленного.
Вероятно, производители ИБП и далее будут совершенствовать свои технологии для увеличения энергосбережения. Их использование в сочетании со средствами увеличения надежности системы электропитания при четком соотнесении с критичностью оборудования и его требованиями поможет сэкономить средства и сохранить высокую степень готовности. По мнению специалистов Socomec, в дальнейшем потребитель будет ориентироваться на эффективные ИБП с максимальным КПД, так как они позволяют существенно сократить потребление электроэнергии, оптимизировать инфраструктуру электрических сетей, повысить надежность системы.
Высокий КПД достигается при оптимальной загрузке, которая, в свою очередь, обеспечивается модульностью, подчеркивает Сергей Щербаков. Вместе с тем, для небольшого вычислительного центра экономичность и высокий КПД будут менее важными показателями, чем для крупного ЦОД, поскольку потери на охлаждение оказываются не столь велики.
По словам Люка Божерини, менеджера по продуктам AEG Power Solutions, из-за удорожания электроэнергии высокий КПД будет оказывать все большее влияние на TCO, однако не стоит недооценивать, например, влияние уровня качества устройств на стоимость их обслуживания. Пока же, по данным BCC, энергоэффективность ИБП в России не является решающим фактором при выборе ИБП, тем более что показатели КПД у основных производителей приблизительно одинаковы. Предпочтение отдается надежному и недорогому оборудованию.
Об ИБП с заявленным КПД 99,9%, а также о надежности систем бесперебойного питания, выборе модульных или моноблочных ИБП, особенностях централизованной и распределенной защиты питания, испытаниях ИБП при сдаче проекта ЦОД мы расскажем во второй части данного обзора (в ближайшем номере журнала).
Сергей Орлов — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: sorlov@lanmag.ru.
Рисунок 1. Рост продаж GE в Восточной Европе/СНГ и в России за последние три года. В прошлом году продажи в EMEA выросли на 22%, в СНГ — на 30%, а в России — на 44%.
Рисунок 2. ИБП Socomec Green Power автоматически передают через модем GSM или Internet периодические отчеты о качестве работы или существенных событиях, а в случае внештатных ситуаций на место выезжает специалист для их устранения.
Рисунок 3. В отличие от линейно-интерактивных ИБП, оснащенных стабилизатором входного напряжения, который переключает нагрузку на батарею при значительных отклонениях параметров питания от номинала, ИБП активного типа содержат два преобразователя: выпрямитель превращает входное напряжение в постоянное, а инвертор генерирует «чистое» синусоидальное напряжение, подаваемое на нагрузку.
Рисунок 4. ИБП с дельта-преобразованием содержит переключатель нагрузки, дельта-трансформатор, дельта-конвертор, основной инвертор и батарею. Дельта-инвертор отслеживает параметры входного напряжения и за счет обратной связи восстанавливает его уровень, форму, фазовый сдвиг между током и напряжением, а также контролирует ток зарядки батареи.
Рисунок 8. В современных ИБП с двойным преобразованием КПД достигает близкого к максимальному значения при нагрузке 50%. На графике показано изменение КПД в зависимости от нагрузки у трехфазных ИПБ SG-CE Series 400-500 кВА производства GE Digital Energy.