Локализованный или централизованный принцип защиты электропитания ответственного оборудования

Требования к оборудованию по обеспечению бесперебойного питания со стороны потребителей постоянно растут. Несмотря на универсализацию, число устройств, которыми оснащается объект, увеличивается, а значит, необходимо дополнительное, качественное, автономное питание — и всё это на фоне усугубляющегося дефицита электроэнергии и нестабильности её поставок. В качестве «ответа» производители ИБП предлагают локализованный и централизованный принципы построения систем бесперебойного электропитания (СБЭ).

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. Интуитивно к «малым» системам можно отнести ИБП, чья выходная мощность не превышает 3—5 кВА. Иногда к «малым» относят и однофазные устройства с более высоким показателем мощности — до 10 кВА. Областью их применения является так называемое «офисное пространство».

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 трёхфазных 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 неблагоприятным нарушением работы электросети оказывается полное пропадание напряжения вследствие аварии. Сетевые фильтры и стабилизаторы напряжения в таком случае бессильны — помогут только ИБП.

Согласно принятому Международной электротехнической комиссией (IEC) стандарту IEC 62040-3 все ИБП подразделяются на три основных класса: пассивные резервного типа (off-line), линейно-интерактивные (line-interactive) и источники, выполненные по технологии двойного преобразования («онлайн»).

Устройства с двойным преобразованием («онлайн») работают по принципу преобразования переменного тока в постоянный (функция выпрямителя) и последующего повторного преобразования постоянного тока в переменный (функция инвертора). В результате получается чистая непрерывная синусоидальная форма выходного напряжения, формируемая инвертором. Такое решение полностью защищает имеющееся оборудование от любых неполадок и искажений во внешней сети, таких как полное пропадание напряжения (авария в сети), долговременные и кратковременные проседания и всплески напряжения, высоковольтные импульсные помехи, высокочастотный шум, отклонение частоты за пределы допустимых значений.

В ИБП с двойным преобразованием, аккумуляторная батарея всегда находится в состоянии работы, в буферном режиме, чем обеспечивается нулевое время переключения в автономный режим работы ИБП без разрыва синусоиды. 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 надёжностью и качеством выходного электропитания.

Эффективность ИБП характеризуется величиной его КПД, который у «онлайновых» ИБП ниже, чем у «оффлайновых» и линейно-интерактивных источников, из-за потерь при двукратном преобразовании. Помимо меньшего КПД у «онлайновых» источников можно выделить, большие весогабаритные показатели и сравнительно высокую стоимость, но это все неизбежная плата за существенное повышение уровня надёжности, коэффициента готовности и ремонтопригодности оборудования.

Наряду с мощностью, важной характеристикой ИБП является время автономной работы оборудования. Устройства, предназначенные для работы в условиях офиса и дома, как правило, содержат встроенные аккумуляторные батареи и не предусматривают возможности подключения дополнительных батарейных блоков. Отсутствие масштабируемости по времени автономной работы ИБП — это безусловный недостаток систем бесперебойного электропитания малой мощности. В ИБП большой мощности масштабируемость достигается за счёт 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 (дизельную электростанцию). Не меньшее значение для «малых» решений имеют температурная компенсация заряда батарей и возможность «холодного старта» — запуска ИБП от батарей без напряжения в сети, что обязательно присутствует в мощных ИБП.

ИБП всё 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 удалённый мониторинг системами BMS по протоколам JBUS и PROFIBUS.

Простейшим средством контроля работы 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 объём информации, за счёт чего повышается эргономичность устройства. Существует возможность установки удалённой панели контроля работы на светодиодах или на ЖК-дисплее. 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 подключить ИБП к локальной сети при помощи SNMP-адаптера. Подключение компьютера можно осуществить через последовательный интерфейс RS-232 или через порт USB.

Для бесперебойного электроснабжения наиболее критичной серверной нагрузки ИБП «малой» мощности часто используются в качестве резервного источника совместно с системой гарантированного электроснабжения. В случае долговременного отсутствия внешнего электропитания запускается дизельная электростанция (ДЭС). Правильно построенная система мониторинга позволяет вовремя отследить «проблемные» ситуации, предотвратить появление потенциальной точки отказа и принять оперативные меры к их устранению. Новой чертой для оборудования «малого» класса стала возможность применения дополнительных фильтров гармоник для понижения коэффициента нелинейных искажений входного тока THDi, что позволяет корректно работать с дизель-генераторными установками в качестве альтернативного источника электроэнергии.

В «онлайновых» ИБП большой мощности, помимо фильтров гармоник, для снижения THDi (коэффициента нелинейных искажений) используют 12-полупериодную схему построения выпрямителя. В последнее время производители реализуют «зеркальную» технологию построения ИБП, при которой как инвертор, так и выпрямитель построены на высокоскоростных IGBT-транзисторах (IGBT — биполярный транзистор с изолированным затвором). При этом THDi снижается до 3% без применения фильтров гармоник. ИБП, построенные по «зеркальной» технологии не вносят помех в сеть общего пользования, являются корректором коэффициента мощности для реактивных нагрузок и обладают превосходной совместимостью с ДЭС.

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 определённую избыточность, которая в случае с ИБП реализуется резервированием батарей, блоков силовой электроники и средств управления. Несколько одноранговых ИБП можно установить таким образом, чтобы одни источники резервировали 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 всё чаще оснащаются и «малые» решения. Байпас позволяет включать/отключать ИБП при проведении ремонта, профилактических работ и регулировки без прерывания электроснабжения потребителей, переводить нагрузку 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 (работа в «ECO» Mode).

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 и решения, построенные на маленьких ИБП, в какой-то степени могут составлять конкуренцию «большим». Структурно 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 приведёт к прекращению электропитания всех потребителей. 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 малой мощности. 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.