Добрый день, уважаемый читатель!

Тема: Источники бесперебойного питания (UPS)

При подключении компьютера к сети электропитания пользователь подвергает его различным опасностям, которые могут привести его к потере данных или даже к выходу отдельных комплектующих из строя.

Типичные сбои в сети электропитания

• Перенапряжение (англ. surge) - повышение напряжения электросети продолжительностью не менее 0,008 с.
• Импульсивный бросок напряжения (spike) - мгновенное значительное повышение напряжения. Обычно вызывается ударом молнии или случается в момент возобновления подачи напряжения.
• "Проседание" напряжения (brownout) - падение напряжения более чем на 10%.
• Пропадание напряжения (blackout) - полное отключение сети электропитания.
• Электромагнитная помеха (electromagnetic interference, EMI) может вызываться переключением нагрузки, грозовым разрядом, работой генераторов либо другими источниками помех. Приводит к отклонению формы напряжения от правильной синусоиды.
• Радиочастотная помеха (radiofrequency interference, RFI) - частичный случай электромагнитной помехи.

Справится с этими проблемами, помогут источники бесперебойного питания ИБП (UPS).

Конечно, сетевые фильтры смогут защитить аппаратное обеспечение компьютера от разрядов и помех, но справиться с "проседанием" и полным пропаданием напряжения способны только "источники". Кроме того, последние обязательно оснащаются системой подавления разрядов и шумов, что делает их универсальной защитой электронно-вычислительной техники.

В зависимости от своей архитектуры, существующие сегодня ИБП можно разделить на три класса: off-line, line-interactive и on-line. Но вне зависимости от принадлежности к тому или иному классу в обязанности "источников" не входит защита электронного оборудования на протяжении нескольких часов и более. Если возникают постоянные проблемы с остановкой подачи электроэнергии более чем на 3-5 часов, то есть смысл обзавестись дизель-генератором, действительно способным взять на себя функции мини-электростанции. Основная же прерогатива ИБП - поддержать в течение нескольких десятков минут работоспособность системы в условиях длительного пропадания электропитания и дать возможность корректно завершить работу ПК или сервера с полным сохранением всех данных. Прежде, чем иссякнет заряд батарей, ИБП либо подаст сигнал (например, звуковой) о необходимости закрытия программ, либо с помощью имеющегося специального программного обеспечения самостоятельно произведет аккуратный выход. Конечно, существуют ИБП, позволяющие "электропитать" вычислительный центр крупной компании на протяжении 2-3 (а то и более) часов. Это, в первую очередь, модульные источники (типа АРС Matrix-UPS), вооруженные дополнительными блоками батарей. Но так или иначе - заряд батарей недолговечен.

По мощности ИБП делятся на:

1. Источники бесперебойного питания малой мощности (с полной мощностью 300, 450, 700, 1000, 1500 ВА, до 3000 ВА — включая и on-line)
2. Малой и средней мощности (c полной мощностью 3-5 кВА)
3. Средней мощности (с полной мощностью 5-10 кВА)
4. Большой мощности (с полной мощностью 10-1000 кВА)

Исходя из принципа действия устройств, в литературе в настоящее время используется два типа классификации источников бесперебойного питания. Согласно первому типу, ИБП делятся на две категории: on-line и off-line, которые, в свою очередь, делятся на резервные и линейно-интерактивные.

Согласно второму типу, ИБП делятся на три категории: резервные (off-line или standby), линейно-интерактивные (line-interactive) и ИБП с двойным преобразованием напряжения (on-line).

Off-Line

ИБП данного типа являются самыми примитивными и дешевыми устройствами. Принцип их работы следующий: в нормальном режиме источник оff-line подает электроэнергию на выход (т.е. - к нагрузке) прямо со входа через фильтр, подавляющий разряды и шумы. Лишь в случае сбоя в сети (пропадание или "проседания" напряжения) он переходит на работу от батареи: выходное переменное напряжение генерируется инвертором, получающим энергию батарей. Как правило, диапазон входного напряжения у ИБП оff-line - 187-264 вольт. Но поскольку стабильность выходного напряжения у них отсутствует, то выходное напряжение всегда равно входному. И это - минус ИБП оff-line, равно как и то, что генерируемый инвертором переменный ток лишь приближенно имеет синусоидальную форму (обычно - прямоугольную или ступенчатую).

Line-Interactive

В отличие от источников предыдущего класса "интерактивные" ИБП способны регулировать входное напряжение. В зависимости от того, понижается или увеличивается напряжение в сети, ИБП line-intеractive соответственно ступенчато повышает или понижает его, выдавая на выходе напряжение, очень близкое к номинальному значению 220 вольт. Обычно отклонения составляют +/- 15%. "Интерактивным" источникам можно задавать работу в различных диапазонах входного напряжения. Только в случае, когда падение или повышение напряжения превышает допустимые той или иной моделью рамки, включаются батареи, что значительно экономит расход энергии последних.

On-Line

Самые надежные, но и самые дорогостоящие источники бесперебойного питания. Уже по их названию можно заключить, что они являются постоянно действующими, в отличие от ИБП оff-line и line-intеractive. Батареи источников on-line постоянно находятся в рабочем состоянии и служат своего рода "энергетическом буфером", подавляющим последствия "проседания" сети. Поэтому переход на автономный режим и обратно у "он-лайновых" ИБП равен нулю (его как такового и не существует). Еще одна важная особенность ИБП оn-line cостоит в двойном преобразовании энергии: поступающий со входа переменный ток преобразуется в низковольтный постоянный, а затем выполняется обратное действие (некоторые модели производят тройное преобразование). Таким образом, ИБП on-line подает на нагрузку напряжение, свободное от каких бы то ни было помех, всегда имеющее правильную синусоидальную форму и равное 220 вольт. Минусы данных ИБП состоят в том, что непрерывно работающая система преобразования рассеивает в виде тепла 20-30% полезной электроэнергии и вызывает преждевременное старение узлов ИБП. Срок службы батареи также уменьшается. Однако для уверенной работы компьютера, управляющего медицинской аппаратурой, альтернативы ИБП on-line не существует.

Сравнение Источников Бесперебойного Питания ИБП/UPS различных классов может быть проведено по их поведению в различных режимах работы:

Нормальный режим работы – работа ИБП/UPS от входной сети

При работе от входной сети, ИБП фильтруют напряжение, поступающее на нагрузку (выступают в качестве фильтра сетевых помех) и, кроме самых простых моделей, стабилизируют напряжение.

От качества фильтрации и уровня стабилизации напряжения зависит качество работы и срок службы защищаемого ИБП оборудования. Питание нагрузки от повышенного или пониженного напряжения уменьшает время жизни оборудования, серьезные помехи приводят к сбоям в его работе.

Работа оборудования от встроенных аккумуляторов ИБП/UPS.

При отключении питания или выходе напряжения в сети за определенный диапазон, ИБП переходит на работу от встроенных аккумуляторов. Переменное напряжение для нагрузки формируется из постоянного, получаемого от аккумуляторных батарей.

Форма и стабильность генерируемого напряжения - основополагающая характеристика ИБП при работе от батарей. Идеальной формой выходного сигнала является гладкая синусоида.

Переход ИБП/UPS на аккумуляторы и обратно.

Каждый ИБП имеет диапазон входного напряжения, при котором он способен работать без перехода на аккумуляторы. Основополагающей характеристикой при переходе ИБП на аккумуляторы и обратно, является время перехода. Многие ИБП не в состоянии обеспечить непрерывность выходного сигнала и при переходе на батареи и обратно нагрузка имеет перерыв в электроснабжении.

Чем шире диапазон допустимого входного напряжения, тем реже ИБП переходит на аккумуляторы. Чем выше класс ИБП, тем время перехода на батареи и обратно меньше, ИБП с максимальным классом защиты не имеют разрыва выходной синусоиды при переключениях, время перехода =0.

Все имеющиеся в настоящий момент на рынке ИБП условно можно разделить на 3 класса:

OFF-LINE или Standby, часто такие ИБП/UPS называются Back UPS

Это – самые простые и дешевые ИБП. ИБП не стабилизируют напряжение, выходная амплитуда и частота изменяются так же, как и входные. В нормальном режиме ИБП фильтруют переменное напряжение пассивными фильтрами и при падении/повышении его относительно определенного уровня (например, падении ниже 180В), переходят на аккумуляторы, работают от батарей 5-7 мин и отключают нагрузку.

Основное применение: Защита некритичной нагрузки от отключения напряжения в районах со стабильным напряжением без серьезных помех.

Недостатки ИБП:

• отсутствие стабилизации напряжения;
• отсутствие хорошей фильтрации напряжения;
• даже при незначительных падениях и бросках напряжения ИБП переходит в режим работы от встроенных аккумуляторов;
• время перехода на аккумуляторы и обратно (период непредсказуемых последствий) 4—15 мсек, вероятность "подвисания" оборудования в этот момент велика.
• в некоторых ситуациях время переключения может утраиваться;
• большинство моделей при работе от аккумуляторов не воспроизводят на выходе напряжение синусоидальной формы.

Линейно-интерактивные (Line-interactive)

Это – средние по стоимости и самые популярные на рынке ИБП.

ИБП стабилизируют переменное напряжение ступенчато, при помощи автотрансформатора (бустера). Пример: При 220В на входе они дают 220В на выходе, 210В – 210В, При падении до 200В, они "набрасывают" 20В и получают 220В. При работе в нормальном режиме, ИБП не корректируют частоту. ИБП имеют пассивные фильтры и в нормальном режиме, фильтруют ими переменное напряжение. При пропадании напряжения, ИБП, оборудованные дополнительными батареями, могут поддержать нагрузку до часа-полутора.

Основное применение: Защита не очень ответственной нагрузки в районах со стабильной частотой и небольшими колебаниями амплитуды напряжения. Входная сеть не имеет серьезных помех.

Недостатки ИБП:

• ступенчатая (не плавная) стабилизация напряжения;
• отсутствие хорошей фильтрации напряжения (серьезные помехи нельзя уничтожить при помощи пассивных фильтров);
• время перехода на аккумуляторы и обратно (период непредсказуемых последствий) 2—6 мсек, вероятность "подвисания" оборудования в этот момент невелика.
• регулирующие напряжение узлы могут порождать устойчивые искажения выходного сигнала и непредсказуемые переходные процессы

ИБП/UPS структуры ON-LINE

1. ИБП структуры ON-LINE с двойным преобразованием напряжения

Это ИБП с максимальным классом защиты.

ИБП преобразует 100% поступающего к нему на вход переменного напряжения в постоянное, а затем выполняет обратное преобразование. При первом преобразовании стабильное постоянное напряжение, можно получить из очень плохого внешнего переменного напряжения (плохой формы, повышенного, пониженного и т.д.), но на выходе ИБП всегда формирует синусоиду заданного качества, которую он формирует сам.

ИБП обеспечивают 100% защиту питаемой нагрузки от всех существующих помех в электросети: импульсных высоковольтных бросков, длительного или кратковременного повышения или понижения напряжения изменении частоты, интерференции, нестабильности формы, полного отключения электропитания

ИБП не имеют времени перехода на батареи и обратно, могут работать с импульсной нелинейной нагрузкой, нормально работают при 100% сбросе/набросе нагрузки

Основное применение: Защита критичной, ответственной нагрузки в районах с нестабильной частотой и колебаниями амплитуды напряжения. Входная сеть может иметь серьезные помехи.

2. ИБП/UPS структуры ON-LINE с дельта-преобразованием напряжения

ИБП на специальном узле – дельта трансформаторе много раз за период корректируют форму входного напряжения. Получаемая синусоида имеет практически идеальную форму и не уступает по качеству синусоиде, производимой ИБП с двойным преобразованием напряжения.

При работе ИБП, двойному преобразованию подвергается не вся энергия потребляемая от сети, а только ее часть (до 15%) необходимая для поддержания стабильного выходного напряжения (отсюда и такое название принципа). ИБП не корректируют частоту входной сети ИБП не имеют времени перехода на батареи и обратно, могут работать с импульсной нелинейной нагрузкой, нормально работают при 100% сбросе/набросе нагрузки

Основное применение: Защита критичной, ответственной нагрузки в районах со стабильной частотой. Возможны сильные колебаниями амплитуды входного напряжения.

Дополнительные преимущества ИБП структуры on-line

Гальваническая развязка

ИБП могут иметь гальваническую развязку, т.е. в них отсутствует замкнутая электрическая цепь между входом и выходом, что существенно улучшает помехоустойчивость защищаемого оборудования и позволяет использовать ИБП в сложных промышленных условиях

Режим Ву-Раss

By-Pass представляет собой "обходной" режим, при котором нагрузка питается непосредственно от внешней сети через фильтр, в некоторых моделях еще и через трансформатор гальванической развязки, находящиеся в ИБП.

Ручной Ву-Раss необходим при ремонтах, регламентных работах, производимых с ИБП, для обеспечения непрерывности в питании нагрузки.

Автоматический By-Pass включается при перегрузках ИБП, например при включении нагрузки, пусковая мощность которой в 3-8 раз выше номинальной (например электродвигатели), при отказах ИБП, его перегреве.

Ресурс аккумуляторов

Часто стоимость аккумуляторов составляет до половины от стоимости ИБП. Время жизни батарей в таком случае играет существенную роль. В ИБП структуры On-line аккумуляторы работают дольше:

• ИБП имеют максимально широкое входное окно и реже других уходят на аккумуляторы. Чем реже используются аккумуляторы, тем дольше они живут
• ИБП часто имеют специальную программу "бережного" отношения к батареями. Например, в ИБП Powerware используется технология АВМ. Вместо постоянной подзарядки слабым током ИБП следит за уровнем заряда батареи и заряжает ее только тогда, когда это необходимо. Этот продлевает срок службы батареи до 50%, так как износ пластин существенно меньше, чем в традиционных ИБП.

Краткое сравнение UPS/ИБП:

* с дельта-преобразованием - нет

** Современные компьютеры могут держать паузу до 10-15 мсек

Основные выводы

Выбор ИБП зависит от задачи, которую Вы ставите перед ИБП. Для некритичной нагрузки можно использовать ИБП структуры off-line, для средней – Line-interactive. При необходимости максимального класса защиты, промышленных условиях эксплуатации стоит использовать ИБП структуры on-line

Программное обеспечение

ПО, поставляемым вместе с "источниками", претендующими на звание интеллектуальных (в той или иной степени) устройств. Большую славу снискало фирменное ПО компании АРС - PowerChute, но достойно выглядят и другие программы, например, UPSMON у ИБП Powercom, FailSafe III - у Exide, Power Alert Plus - у Tripp Lite... Возможности этих программных пакетов настолько велики и разнообразны, что для подробного рассказа о программном обеспечении ИБП понадобилась бы отдельная статья. Здесь же скажем, что в силах современного развитого ПО осуществление диагностики и тестирования "источника", автоматическое присваивание имен закрываемым файлам, сбрасывание менее существенной нагрузки для поддержания нагрузки более важной, ведение журнала регистрации событий, быстрая остановка работу ИБП после закрытия системы в целях экономии ресурсов батарей, оповещение о перебоях энергоснабжения по электронной почте или пейджинговой связи, отслеживание состояния окружающей среды, включая стихийные бедствия, и многое другое. Поступаемая информация выводится на экран монитора; как правило, у большинства ПО интуитивно-доступный и дружественный интерфейс. Возможно дистанционное управление ИБП по коммутируемой линии.

Нагрузка

Не нужно думать, что ИБП допускает подключение только одной нагрузки (скажем, компьютера). На самом деле у ИБП может быть несколько выходных разъемов батарейного питания, а также высокоамперных разъемов для защиты устройств, не требующих батарейной поддержки от выбросов напряжения и перенапряжения. К первым целесообразно подключать системный блок, монитор, внешние накопители, ко вторым - модем, принтеры, звуковые колонки. При соответствующем ПО с помощью функции сегментации нагрузки (load shedding) все выходные разъемы можно разделить на несколько групп. Например, модель Exide NetUPS SE позволяет таким образом разделить имеющиеся восемь выходных разъемов на три группы, подключив нагрузку различной важности к разным группам. Функция же сегментации нагрузки позволит задать порядок обесточивания групп и, скажем, оставить подключенным только системный блок, значительно продлив его работу.

Холодный старт

Не менее важной функцией является режим "холодного старта" - способность ИБП включаться в отсутствии сетевого напряжения. "Холодный старт" есть не у всех существующих "источников" и удобен тем, что позволяет при длительном пропадании электроэнергии выполнить срочную работу, например, внести правки в документ, распечатать последний на принтере и отправить по факсу.

В следующей части мы продолжим рассмотрение выбора комплектующих.

С наилучшими пожеланиями

Угольников Сергей

"Как выбрать домашний компьютер и неплохо сэкономить на покупке"

http://www.viborcomp.narod.ru/Index.htm