За ИБП как за каменной стеной

Дата публикации: 10.12.2007

Во многих случаях причиной потери информации и работоспособности компьютерного оборудования является неудовлетворительное состояние электропитания, у многих свежи в памяти события 2 ноября этого года. Разумно защитить оборудование, программы и все данные, ценность которых, как правило, неизмеримо выше железа. Как это сделать оптимально, рассказано в этой статье.

Наиболее характерными сбоями в электрической сети являются:

пониженное напряжение,
повышенное напряжение,
высоковольтные импульсы,
электрический шум,
полное отключение напряжения,
гармонические искажения напряжения,
нестабильная частота.

Наилучшим средством защиты от некачественного электропитания будет включение в цепь питания специализированного устройства – Источника Бесперебойного Питания (ИБП).

Если еще совсем недавно большинство покупателей, приобретая компьютер, откладывали покупку источника бесперебойного питания (ИБП) на более поздний срок, то сейчас картина изменилась. В настоящее время сложился зрелый рынок данного оборудования, начиная от совсем недорогих ИБП для домашнего компьютера до высокоэффективных дорогостоящих систем защиты серверов и особо ценного оборудования.

Широкий ассортимент ИБП и их отличительные признаки часто сбивают с толку покупателей, решившихся приобрести ИБП, поэтому давайте не спеша, разберемся в особенностях этого оборудования.

Источники бесперебойного питания (ИБП)

Исходная базовая идея у всех ИБП одинакова и основана на использовании резервного питания от аккумуляторов. Если напряжение в электрической сети исчезло, необходимо достаточно быстро переключить нагрузку на питание от встроенного аккумулятора, и наоборот, если напряжение восстановилось, снова переключить на питание от сети.
Время автономной работы от аккумулятора должно быть достаточным для безопасного завершения работы компьютера без потери информации.

В настоящее время сложилась общепринятая классификация ИБП по двум основным показателям - мощности и типу ИБП.

Классификация ИБП по мощности носит упрощенный характер и отражает в основном конструктивное исполнение ИБП:

ИБП малой мощности от 250 до 3000 ВА выпускаются в настольном или стоечном исполнении,
ИБП средней мощности от 3000 до 30 000 ВА обычно изготавливаются в напольном исполнении,
ИБП большой мощности от 40 до нескольких сотен кВА имеют напольное исполнение и размещаются в специальных электромашинных помещениях.

Существуют три топологии построения ИБП:

Практически все ИБП имеют интеллектуальное микропроцессорное управление процессом зарядки батарей и режим диагностического самотестирования. Предусмотрена звуковая и визуальная сигнализация. Первоначально многие модели ИБП off-line были неуправляемыми, и применялись они для автономной защиты отдельных компьютеров. Для защиты серверов и сетевых устройств были специально разработаны линейки ИБП Smart-UPS. Управление ИБП производится в режиме реального времени. Анализируются такие параметры, как уровень заряда батарей, величина электрического тока на выходе, напряжение и частота на входе. Предусмотрены такие функции, как диагностика, калибровка, остановка системы и ИБП и т.д.

В состав всех типов ИБП наряду с аккумулятором входит инвертор, который представляет собой полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения в переменное напряжение 220 В. В зависимости от исполнения инвертор формирует переменное выходное напряжение различной формы. Простые схемы инверторов формируют напряжение прямоугольной формы. Некоторые схемы инверторов формируют напряжение, близкое к синусоидальной форме - аппроксимированное ступенями.
Такие инверторы, вырабатывающие несинусоидальное выходное напряжение, применяются в основном в недорогих off-line ИБП малой мощности и пригодны для работы с нагрузками, имеющими импульсные блоки питания, например, блоки питания компьютерных системных блоков.

Инверторы, используемые в ИБП типов line-interactive и on-line, формируют напряжение синусоидальной формы с низким содержанием гармоник, что позволяет использовать эти
ИБП для питания всех типов нагрузок.

Форма выходного напряжения инверторов:

а) ступенчатая; б) аппроксимированная синусоида; в) синусоидальная

Резервные off-line ИБП

Принцип работы off-line ИБП заключается в использовании двух режимом работы:

нормальный режим - питание напрямую от питающей сети,
автономный режим – питание от резервной схемы.

Переключение из нормального режима в автономный режим производится при отключении питания или отклонении напряжения за пределы допустимого диапазона.
При восстановлении сетевого напряжения производится обратное переключение к нормальному режиму.

Резервные ИБП имеют простое конструктивное исполнение, соответственно низкую стоимость и компактные размеры.

К недостаткам следует отнести:

большое время переключения на питание от батарей от 4 до 10 мс,
отсутствие изоляции нагрузки от электросети,
отсутствие стабилизации величины и частоты выходного напряжения,
ступенчато-прямоугольная или аппроксимированная к синусоиде форма выходного напряжения.

Резервные ИБП предназначены для защиты отдельных персональных компьютеров и получили широкое применение.

Линейно-интерактивные (line-interactive) ИБП

Пропадание напряжения в электрической сети - явление довольно редкое.
Гораздо чаще происходят провалы или всплески напряжения, вызывающие не менее серьезные последствия. Именно это обстоятельство послужило причиной для разработки ИБП, способных регулировать напряжение сети. Такие источники бесперебойного питания получили название line-interactive ИБП.

Нетрудно заметить, что line-interactive ИБП имеют конструктивное сходство с off-line ИБП. Принципиальным отличием между ними, обусловившим выделение line-interactive ИБП в отдельную группу, является наличие специального устройства (бустера) для ступенчатой стабилизации выходного напряжения с помощью переключения обмоток входного трансформатора.

ИБП топологии line-interactive является удачным сочетанием простоты и надежности топологии off-line и быстродействия топологии on-line. ИБП данного типа имеют мощность в диапазоне от 250 до 10000 В.А. Для данного типа ИБП также присущи компактность и экономичность, а существенными преимуществами line-interactive ИБП по сравнению с off-line ИБП являются синусоидальная форма выходного напряжения и шаговая стабилизация его величины.

Общим недостатком для off-line ИБП и line-interactive ИБП является кратковременный разрыв электропитания в моменты переключения на работу от аккумуляторов и обратно. Этот разрыв является следствием использования электромеханических переключателей.
Время их срабатывания составляет несколько миллисекунд.

Недостатками line-interactive ИБП являются:

отсутствие изоляции нагрузки от электросети,
отсутствие стабилизации частоты выходного напряжения,
недостаточный уровень стабилизация выходного напряжения относительно номинального значения (5-7%).

Линейно-интерактивные ИБП часто используются для защиты разнообразной офисной техники и серверов масштаба одного отдела.

Активные on-line ИБП.

Эти ИБП наилучшие защитники Вашего оборудования, потому что создают практически идеальное по форме и напряжению выходное питание.

ИБП топологии on-line выпрямляют переменный ток, поступающий от сети, затем заново воссоздают переменный ток с помощью постоянно работающего инвертора и подают этот ток на нагрузку. Электропитание нагрузки производится без электромеханического переключения между режимами работы. Поэтому при переходе на аккумулятор или обратно синусоидальная форма выходного напряжения не имеет разрывов и искажений. Более того, форма выходного напряжения всегда идеально синусоидальная и мало зависит от формы, частоты и величины входного напряжения. Только в случае отказа самого ИБП происходит подключение нагрузки напрямую к электрической сети.

Источники бесперебойного питания с режимом работы on-line выпускаются нескольких разновидностей в зависимости от метода преобразования энергии.

Существуют четыре разновидностей on-line ИБП:

с одиночным преобразованием;
с дельта-преобразованием;
феррорезонансные ИБП;
с двойным преобразованием.

Метод одиночного преобразования заключается в следующем.
В цепь между питающей электрической сетью и нагрузкой включен дроссель, к выходу которого подключен инвертор. Инвертор в данной схеме является реверсивным и способен преобразовывать постоянное напряжение в переменное и наоборот.
Помимо питания нагрузки в автономном режиме вторым назначением инвертора является регулирование напряжения на входе нагрузки при отклонениях в питающей сети.

В настоящее время ИБП одиночного преобразования не выпускается, поскольку на смену ему пришла технология дельта-преобразования, являющаяся дальнейшим развитием технологии одиночного преобразования.

Принцип дельта-преобразования основан на применении в схеме ИБП дельта-трансформатора, который представляет собой дроссель с обмоткой подмагничивания.
Управление током в основной обмотке дельта-трансформатора производится как в магнитном усилителе.

В данном ИБП используются два постоянно работающих инвертора. Первый служит для управления входным током дельта-трансформатором и компенсации некоторых помех. Его мощность составляет 20% от мощности второго инвертора, работающего на нагрузку.
Второй инвертор, мощность которого определяет мощность ИБП, формирует выходную синусоиду, а также питает нагрузку от батарей при работе ИБП в автономном режиме.
Диапазон мощностей этих ИБП 10...480 кВА. Возможно параллельное объединение до 8 ИБП для работы на общую нагрузку.

Феррорезонансные ИБП названы так по применяемому в них феррорезонансному трансформатору. Принцип работы этого ИБП основан на использовании эффекта феррорезонанса. При нормальной работе трансформатор выполняет функции стабилизатора напряжения и сетевого фильтра. В случае потери питания феррорезонансный трансформатор обеспечивает нагрузку питанием за счет энергии, накопленной в его магнитной системе. Интервала времени длительностью 8... 16 мс достаточно для запуска инвертора, который уже за счет энергии аккумуляторной батареи продолжает поддерживать нагрузку.

Данный ИБП широкого распространения не получил несмотря на то, что обеспечивает высокий уровень защиты от высоковольтных помех. Предел мощности ИБП данного типа не превышает 18 кВА.

Наиболее широкое распространение получили on-line ИБП двойного преобразования.

В этом ИБП вся потребляемая энергия поступает на выпрямитель и преобразуется в энергию постоянного тока, а затем инвертором - в энергию переменного тока.

Высококачественные on-line ИБП, как правило, имеют гальваническую развязку, т.е. в них отсутствует замкнутая электрическая цепь между входом и выходом, что значительно улучшает помехоустойчивость защищаемого оборудования.

Обязательным элементом on-line ИБП двойного преобразования большой и средней мощности является байпас (bypass) - устройство обходного пути. Байпас представляет собой комбинированное электронно-механическое устройство, состоящее из так называемого статического байпаса и ручного (механического) байпаса. Это устройство предназначено для непосредственной связи входа и выхода ИБП, минуя схему резервирования питания.

Байпас позволяет осуществлять следующие функции:

включение/отключение ИБП при проведении ремонтов и регулировок без отключения питания от нагрузки;
перевод нагрузки с инвертора на байпас при возникновении перегрузок и коротких замыканий на выходе источника бесперебойного питания;
перевод нагрузки с инвертора на байпас при нормальном напряжении в питающей сети с целью снижения потерь электроэнергии в ИБП (экономичный режим работы).

Фирмы-производители ИБП типа on-line в качестве решающих преимуществ заявляют следующие качества: нулевое время переключения на резервное питание и строгая стабилизация выходного напряжения. Насколько важны эти качества для обеспечения надежного электропитания электронной техники? Вопрос не случайный, потому что ИБП on-line стоят намного дороже ИБП off-line и line-interactive.

1. Нулевое время переключения.
Данный фактор в настоящее время стал в некотором смысле условным, потому что в современных компьютерах применяются блоки питания, соответствующие стандартам IEEE, согласно которым компьютер должен быть способен выдерживать перерыв в питании минимум 8.3 мс.
К требованиям данного стандарта стали удовлетворять ИБП типа off-line, выпускаемых фирмой АРС, у которых время переключения не превышает 8 мс.
Следовательно, нулевое время переключения сохраняет актуальность в особых случаях защиты, когда на первый план выходит высокая степень надежности сохранности ценной информации.

2. Строгая стабилизация выходного напряжения.
Это требование также не является критичным, потому что все автономные блоки питания
допускают колебания входного напряжения в пределах ± 15%.

Топология on-line также обладает и рядом недостатков:

высокая стоимость,
повышенный уровень помех, вносимых самим ИБП в электрическую сеть,
более низкий КПД по сравнению с другими типами ИБП.

За ИБП как за каменной стеной