Сейчас "цифровая революция" проникла во все уголки Земли. Глобальные сети и коммуникации, работа в реальном масштабе времени 24 часа в сутки и 365 дней в году стали нормой повседневной жизни. Выживание компаний, их эффективность все более связываются с современными методами коммуникаций. С другой стороны, оборудование, критичное к помехам в сети и поддерживающее жизнедеятельность аэропортов, госпиталей, систем общественного транспорта и т.д., по-прежнему питается от первичных сетей общего пользования. Следовательно, наша каждодневная жизнь становится в высшей степени зависимой от непрерывности и качества электропитания. Тем не менее, пользователи зачастую имеют смутное представление о таких понятиях, как непрерывность и качество электропитания и, соответственно, об имеющихся возможностях их повышения в каждом конкретном случае.

Помехи (аварии и сбои) в первичной электрической сети, спроектированной и построенной десятилетия назад, являются обыденным явлением. Прерывания нормальной работы сети на различные периоды времени происходят по разным причинам (грозовые разряды, строительные работы или, например, перегрузка сети). Можно сказать, что аномалии в сети электропитания - это обычное явление, которое нужно обязательно принимать в учет в любом случае.

Интересно, что большинство аномалий в первичной сети, строго говоря, не являются авариями, а относятся к пере- и недонапряжениям, колебаниям частоты, коротким провалам или всплескам напряжения. Немногим компьютерным специалистам известно, что некоторые из помех исходят от оборудования с некачественными нагрузочными характеристиками, которое воздействует нежелательным образом на первичную сеть.

Номинальное значение напряжения первичной электрической сети составляет 220/380 В. Большинство оборудования проектируется для работы с возможными колебаниями напряжения сети относительно номинальных значений плюс-минус 15%. Все, что выше или ниже этого значения, может иметь непредсказуемый эффект.

Рассмотрим вкратце причины и влияние помех первичной сети на работу оборудования, а также принцип действия и функционирование источников бесперебойного электропитания (ИБП). Анализируются преимущества и недостатки различных типов систем ИБП. Особо рассмотрены вопросы избыточности, поскольку сами ИБП также подвержены отказам.

У вас завис компьютер? Возник "синий экран смерти"? Спонтанная перезагрузка? Так вот, примерно половина всех "необъяснимых" компьютерных проблем возникает из-за помех в первичной сети, когда повреждается аппаратура, теряются данные, а компьютерная система дает сбои. В этих случаях может выручить ИБП, но лишь если он подобран в соответствии с решаемыми задачами.

Существует широкое многообразие систем ИБП. Простые системы обеспечивают электроэнергией компьютерную сеть до тех пор, пока не пропадет напряжение на выходе первичной сети. Более дорогие обеспечивают полную гальваническую развязку нагрузки от внешнего источника электропитания и гарантируют, что перенапряжения не достигнут компьютеров, сетевых компонент, телекоммуникационного оборудования и т.д. Отказоустойчивые системы ИБП, в которых сбои даже на миллисекунду недопустимы, должны содержать резервные аккумуляторные батареи.

Типичные проблемы в компьютерной сети

1. "Просадка" напряжения. Составляет приблизительно 60% помех сети и является наиболее характерной проблемой, с которой сталкивается большинство потребителей. Настоящая помеха не зависит от потребителей и определяется возможностями первичной сети.
2. Перенапряжение. Составляет приблизительно 29% помех сети. Оно препятствует нормальной работе потребителей, поскольку может привести к отказу оборудования.
3. Скачки напряжения. Составляют 8% помех первичной сети. Скачки являются крайне короткими перенапряжениями. Они могут в несколько раз превышать номинальное напряжение и, проходя через блоки питания в аппаратуру, быть причиной ошибочной передачи данных или отказа аппаратуры.
4. Шумы (перекосы). Шумовые искажения идеальной синусоиды напряжения первичной сети бывают весьма велики. Их воздействием можно объяснить системные отказы или отказы при передаче данных. Данный тип искажений вызван отчасти тем, что часть оборудования представляет нелинейную нагрузку (управление сдвигом фазы в осветительных устройствах или управление электропитанием основной системы).
5. Авария электропитания. Помехи в общем случае подразделяются на: 1) сбои электропитания в диапазоне от нескольких миллисекунд и 2) аварии, которые могут длиться минуты или даже часы. Последний тип аварий, как показывает статистика, становится все менее вероятным. Тем не менее, ИБП должны предусматривать работу с обоими типами помех.

Какие существуют типы ИБП и как они функционируют?

На что обычно рассчитывает пользователь, приобретая ИБП? Он считает, что ИБП должен: маскировать аварии электропитания длительностью минуты и даже часы; защищать оборудование от пере- и недонапряжения; обеспечивать безаварийное и стабильное напряжение для любой нагрузки в пределах номинала; обеспечивать точный заряд батарей и их защиту от низкого разряда.

Спецификации ИБП стандартизованы. Национальный стандарт США, в частности, предписывает, чтобы системы ИБП переключались на автономную работу (работу от батарей) в течение половины периода синусоиды (10 мс при 50 Гц и 8,4 мс при 60 Гц).

Важной характеристикой ИБП является форма (морфология) выходного сигнала. Стационарные генерирующие мощности вырабатывают чистое синусоидальное напряжение 220-230 В с частотой 50 Гц (в Европе). Работа простой нагрузки, подобной, например, электрической лампочке, зависит только от среднего значения напряжения и выходной мощности генератора. Но современные импульсные модули электропитания компьютеров более требовательны к форме напряжения, ориентируясь на аппроксимацию сигнала напряжения чистой синусоидой. Простые инверторы обеспечивают прямоугольную волну напряжения с идентичными максимумами и минимумами значений. Такая морфология выходного сигнала может быть причиной нарушения нормальной работы оборудования. Компромиссом можно считать трапецеидальную аппроксимацию, максимумы и минимумы значений которой приближенно соответствуют аналогичным значениям синусоиды. Хотя, конечно, идеальной является ситуация, когда на выходе реально генерируется синусоидальное напряжение.

Другим важным параметром ИБП является фактор мощности и генерируемая при этом реактивная мощность. В идеальном случае напряжение и ток должны быть точно синусоидальными и совпадать по фазе.

Самые простые маломощные ИБП функционируют в так называемом режиме "standby". Идея заключается в том, что в то время, когда ИБП выполняет функцию резервного источника, нагрузка питается непосредственно от сети. Инвертор находится в резервном режиме, включаясь в работу при аварии сети.

В нормальном режиме (номинальный режим работы электрической сети) этот тип ИБП не поддерживает стабилизацию напряжения. Его особенностью является то, что в случае выхода колебаний напряжения сети за пределы допуска ИБП переключается на автономный режим работы от батарей для компенсации колебаний. Упомянутый тип ИБП лучше всего подходит для одиночных рабочих мест. Рекомендоваться для ответственных применений в телекоммуникационном оборудовании, компьютерных сетях или серверных системах он не может.

ИБП типа "активный "standby" представляют собой усовершенствованную и улучшенную реализацию предыдущего режима. При нормальной работе нагрузка питается непосредственно от первичной сети через автотрансформатор на выходе ИБП. Во многих странах напряжение первичной сети очень сильно зависит от нагрузки. Блоки питания компьютеров и другого электронного оборудования обычно не работают при колебаниях напряжения сети, превышающих 15%. В этом режиме ИБП имеет дополнительную возможность ступенчатой стабилизации выходного напряжения при длительных "проседаниях" входного напряжения путем переключения обмоток автотрансформатора (бустерное управление). Если питающее напряжение слишком низкое, переключатель устанавливается в положение "усилить", если же напряжение слишком высокое - в положение "компенсировать". В случае аварии первичной сети происходит переключение ИБП на работу с инвертором. В этих условиях нагрузка питается от батарей.

Рассмотренная технология часто используется в малых сетях и с оборудованием, которое не слишком чувствительно к перепадам входного напряжения. Для некоторых видов нагрузки время переключения этого типа ИБП (называемое также "временем реакции") является неприемлемым.

Технология двойного преобразования (режим "on-line"). Структура ИБП содержит два элемента - выпрямитель и инвертор. Поступающий со стороны входа переменный ток преобразуется выпрямителем в постоянный, который одновременно идет на подзаряд аккумуляторных батарей. Инвертор, являющийся выходной стороной ИБП, использует этот постоянный ток для генерации переменного тока с частотой 50 или 60 Гц (в зависимости от типа сети). Фильтры на входе и выходе фильтруют все дефекты первичного напряжения. Мощность однофазных ИБП не превышает 10 кВА, трехфазных - 1000 кВА. Большей мощности можно достичь, подключая параллельно несколько ИБП.

(Окончание следует)

Информация предоставлена ЗАО "АлтоЛан",
официальным представителем корпорации General Electric
в Республике Беларусь