Известны результаты исследований, проведенных в США фирмами Bell Labs и IBM, согласно которым каждый персональный компьютер подвергается воздействию 120 нештатных ситуаций с электропитанием в месяц. По данным Bell Labs в США наблюдаются следующие наиболее часто встречающиеся сбои питания.

· Провалы напряжения - кратковременные понижения напряжения, связанные с резким увеличением нагрузки в сети из-за включения мощных потребителей (промышленное оборудование, лифты и т.д.). Является наиболее частой неполадкой в электрической сети, встречается в 87 % случаев.

· Высоковольтные импульсы - кратковременное очень сильное увеличение напряжения, связанное с близким грозовым разрядом или включением напряжения на подстанции после аварии. Составляет 7.4 % всех сбоев питания.

· Полное отключение напряжения - согласно этому исследованию является следствием аварий, грозовых разрядов, сильных перегрузок электростанции. Встречается в 4.7 % случаев.

· Слишком большое напряжение - кратковременное увеличение напряжения в сети, связанное с отключением мощных потребителей. Встречается в 0.7 % случаев.

Эту картину, видимо, можно считать типичной для большинства развитых стран. (Заметим в скобках, что и источники бесперебойного питания, производимые в этих странах, в большинстве случаев ориентированы именно на такую электрическую сеть).

Однако, она имеет мало общего с нашей действительностью. Нами проводились исследования электрической сети на ряде предприятий России, которые показали следующее.

Наиболее часто встречающейся неполадкой в электрической сети, так же как и в США, можно считать пониженное напряжение. Однако этот вид сбоя питания вовсе не так доминирует. Начнем с того, что повышенное напряжение в сети встречается почти так же часто, как и пониженное. Причем для разных мест (городов, районов, предприятий) обычен определенный уровень напряжения в сети. Где-то оно может быть в основном пониженное, в других местах в основном нормальное или в основном повышенное. Этот уровень сохраняется примерно одинаковым все время. На его фоне происходят циклические изменения напряжения, связанные с изменением нагрузки в электрической сети.

Самый короткий цикл изменения напряжения - дневной. На рис.1 приведены реальные графики сетевого напряжения в двух разных организациях (отстоящих друг от друга на полторы тысячи километров) в течение суток.

Рис.1. Суточный цикл изменения напряжения в сети.

Нижняя кривая получена в сети с пониженным напряжением. На графике хорошо видно, что стабильное ночью напряжение (около 215 В) снижается с началом дня и вновь возрастает вечером, когда большинство потребителей отключаются. Средняя кривая получена в электрической сети с повышенным напряжением. Здесь наблюдается более характерная зависимость напряжения от времени суток. Стабильное ночью напряжение понижается утром, достигая минимума в середине рабочего дня, и плавно возрастает к его концу. Оба описанные графика получены в рабочие дни недели. Верхний график получен в праздничный день в той же организации, что и средний график. Отчетливо видно, что напряжение остается постоянно повышенным в течение суток.

Если включить в рассмотрение и напряжение в выходные дни, то получаем недельный цикл изменения напряжения в электрической сети. Видимо существует и годовой цикл.

В России, и особенно в других странах СНГ, наблюдается вид сбоя питания совершенно неизвестный на Западе. Это - нестабильная частота. Самым характерным примером является Грузия. Энергосистема Грузии в целом, видимо, очень сильно перегружена. Поэтому частота в сети может опускаться до 42 Гц. Само по себе изменение частоты не представляет существенной опасности для оборудования, оснащенного импульсным блоком питания, однако очень низкая частота обычно сопровождается сильными гармоническими искажениями, которые могут отрицательно повлиять на работу не только компьютера, но и большинства источников бесперебойного питания. Кроме того, многие ИБП среднего класса воспринимают сильное понижение частоты как аварийный случай и начинают расходовать заряд батареи. Батарея разряжается через несколько минут и вся работа на этом заканчивается. В России пониженная частота встречается довольно редко. Тем не менее, даже в Москве сотрудниками фирмы Merlin Gerin была, по их словам, однажды зарегистрирована частота ниже 45 Гц. В наших измерениях в России частота ниже 49 Гц не встречалась.

Еще одной отличительной особенностью России являются причины (и, соответственно, количество) полных отключений напряжения. Аварии и стихийные бедствия, из-за которых отключается напряжение в развитых странах, случаются у нас, наверное, с такой же частотой, как и там. Но в России эти случайности не являются единственными и даже главными причинами полного исчезновения напряжения. Свое уверенное слово говорит человеческий фактор. Электрики, обслуживающие офисное здание с множеством компьютеров, часто не имеют никакого представления о том, какие последствия имеет отключение напряжения для компьютеров и обрабатываемых в них данных. Поэтому они ведут себя совершенно так же, как и 20 лет назад.

При возникновении какой-либо проблемы с электропитанием на этаже (например, отключился автоматический выключатель - предохранитель), электрик начинает искать автоматический выключатель, отвечающий за зону, в которой возникла проблема. Ищет он разумеется не по схеме (это долго, да и схемы у него возможно нет). Он просто последовательно отключает и тут же включает все автоматы на щитке и смотрит на результат. В момент, когда в нужном помещении появляется свет, он считает свою миссию законченной. Если нужный автомат окажется последним, то в течение минуты каждая электролампа и каждый компьютер на этаже подвергнутся кратковременному (менее секунды) отключению напряжения. Для освещения ничего страшного не происходит, люди обычно даже не успевают испугаться, оказавшись на мгновение в темноте. Но секундного отключения вполне достаточно для потери данных на компьютерах.

Особенно часто такие случаи бывают весной и осенью, когда заканчивается или начинается отопительный сезон. Если отопление уже отключили или еще не включили, и вдруг похолодало, то люди реагируют стандартно: они включают электрические подогреватели. Если электрическая сеть сильно нагружена, то подключение дополнительных (и мощных) потребителей может привести к срабатыванию автоматического предохранителя. Такой цикл включений и отключений может в некоторых организациях повторяться по несколько раз в день.

Отметим еще один вид искажений электропитания, не рассмотренный Bell Labs. При работе импульсных блоков питания и других нелинейных нагрузок в перегруженной сети возникают искажения формы синусоидального напряжения. Эти искажения могут приводить к неполадкам в работе мониторов и чувствительного оборудования, например измерительных приборов или видеоаппаратуры.

Характеристики источников бесперебойного питания

· Питание ИБП может быть однофазным или трехфазным.

· Рабочий диапазон величин входного напряжения.

· Рабочий диапазон частот входного напряжения.

· Способность выдерживать импульсные напряжения на входе.

· Какой нагрузкой для электрической сети является ИБП: преимущественно линейной или преимущественно нелинейной.

По выходу:

В настоящее время получили распространение 4 основных типа источников бесперебойного питания. Кратко рассмотрим их блок-схемы.

ИБП с переключением (англ.: off-line UPS или standby UPS).

Рис.2. ИБП с переключением.

В режиме работы от сети (нормальная работа) напряжение от входа ИБП поступает к нагрузке через фильтры шумов и импульсов. Часть мощности поступает к выпрямителю. Батарея получает зарядный ток, если она разряжена, или поддерживается в заряженном состоянии под так называемым плавающим потенциалом. Когда блок анализа напряжения сочтет сетевое напряжение "неправильным" (а этот критерий, вообще говоря, разный для разных моделей ИБП), ИБП переключается в режим работы от батареи. Нагрузку начинает питать инвертор, разряжая батарею.

Батарея поддерживает работу нагрузки в течение некоторого времени, которое зависит от потребляемой нагрузкой мощности, номинальной емкости батареи, ее возраста и степени заряда. После исчерпания заряда батареи, схема управления ИБП, которая следит за разрядом батареи, подает команду на отключение нагрузки. Если через некоторое время напряжение в сети становится нормальным, ИБП возвращается в режим работы от сети и начинает подзаряд батареи.

ИБП, взаимодействующий с сетью (англ.: Line Interactive UPS)

Чем больше размер квадратика в таблице, тем сильнее развито рассматриваемое качество. Наличие в графе квадратика не означает, что этот вид ИБП обладает указанным свойством по определению, а лишь характеризует лучшие модели ИБП указанной группы.

Централизованная система бесперебойного питания имеет следующие преимущества.

· Для централизованных систем бесперебойного питания обычно применяются высококлассные ИБП (с двойным преобразованием или феррорезонансные). Поэтому при прочих равных условиях они обеспечивают наилучшую защиту оборудования.

· Для централизованных систем бесперебойного питания обычно применяют трехфазные ИБП, которые защищают электрическую сеть от перегрузок, связанных с эксплуатацией компьютеров, и делают работу более безопасной.

· Использование одного ИБП вместо нескольких того же класса часто позволяет экономить средства.

· Применение одного ИБП для электропитания многих потребителей малой мощности позволяет избежать проблемы пусковых токов, т.к. оборудование никогда не запускается одновременно.

· Один ИБП проще контролировать и обслуживать. Вы когда-нибудь пробовали одновременно контролировать хотя бы 30 ИБП, пусть даже средствами SNMP?

· Для централизованной системы бесперебойного питания может быть использована существующая в здании электрическая сеть.

Ряд задач бесперебойного питания (например, почти все, что связано с применением генераторов для долговременной автономной работы) может быть решен только с помощью централизованной системы.

Централизованная система бесперебойного питания имеет много очевидных недостатков (необходимо иметь квалифицированный персонал или обращаться в специализированную фирму; сложнее и дороже менять конфигурацию системы и нужно заранее учесть все будущие потребности и конфигурировать систему, как единое целое; для простых компьютерных систем централизованная система бесперебойного питания оказывается дороже).

Тем не менее, можно указать несколько условий или задач (или специфических потребителей), при которых предпочтительно применение централизованной системы бесперебойного питания. Некоторые из упомянутых ниже задач могут быть практически решены только с использованием централизованной системы.

· Применение генераторов для долговременной автономной работы

· Построение очень надежной системы питания, эффективно защищенной не только от случайных, но и от намеренных воздействий.

· Обеспечение питания нескольких потребителей, один из которых существенно превышает другие по мощности. Примером может быть компьютерная система, построенная на базе большой ЭВМ или коммуникационный центр с мощным передатчиком.

· Частный случай. Суперпозиция пунктов 1 и 2 дает условия, характерные для крупного банка. Практика показывает, что каждый банк по мере своего развития (если оно происходит), рано или поздно приходит к использованию централизованной системы бесперебойного питания.

· Применение массы компьютеров в одном здании, когда компьютеры являются основными потребителями энергии.

На рис.6 представлена обобщенная схема централизованной системы бесперебойного питания предприятия.

Рис.6. Обобщенная схема централизованной системы бесперебойного питания.

Компьютерная система предприятия вместе с центром управления системой, системы связи и безопасности, а также аварийное освещение питаются от ИБП. В зависимости от профиля и особенностей предприятия могут найтись другие потребители электроэнергии, которые необходимо подключить к источнику бесперебойного питания. Некоторые потребители могут обойтись без защиты ИБП. Они подключаются к стабилизатору напряжения, если он есть в системе бесперебойного питания, или непосредственно к электрической сети. К этим потребителям относятся освещение, система кондиционирования воздуха, лифты, производственное оборудование. Стабилизатор напряжения подключается к электрической сети или, если в сети нет напряжения - к дизельному генератору. Дизельный генератор включается в работу, когда в основной и резервной электрической сети пропадает напряжение.

Единого узла или центра автоматического управления системой не существует. При работе каждый из элементов системы (или, вернее, его орган управления) принимает решение о режиме работы по результатам анализа параметров электрической сети на своем участке электрической цепи.

Для централизованных систем бесперебойного питания обычно выбирают трехфазные ИБП с двойным преобразованием энергии. Трехфазные ИБП не только защищают нагрузку, но и уменьшают вредное влияние нелинейных нагрузок, таких, как компьютеры или телекоммуникационные устройства с импульсными блоками питания, на электрическую сеть, а также равномерно нагружает сеть по фазам.

Стабилизатор напряжения устанавливается для того, чтобы защитить ИБП от таких изменений напряжения сети, которые выходят за пределы диапазона входных напряжений ИБП. Если напряжение электрической сети становится выше максимального допустимого напряжения, ИБП может выйти из строя. При низком напряжении ИБП переходит на работу от батареи. Нагрузка при этом продолжает функционировать. Однако, если пониженное напряжение устанавливается надолго (и особенно, когда ИБП установлен в сети с преимущественно пониженным напряжением), то емкости даже очень большой батареи не хватит для поддержания работы. Нагрузка в конце концов отключится.

При небольших мощностях системы бесперебойного питания и если от системы требуется небольшое время автономной работы, аккумуляторная батарея оказывается дешевле дизельного генератора. Если мощность и (или) время автономной работы велики, то емкость и стоимость батареи становится очень большой и оказывается выгоднее применять дизельный генератор. На рис.7 приведен график, помогающий оценить границу, при которой цена дизельного двигателя с автоматическим запуском становится равной цене батареи.

Рис.7. Линия равной цены дизельного генератора и батареи.

В целом определение мощности центрального ИБП централизованной системы бесперебойного питания производится примерно так же, как и для отдельных ИБП распределенной системы. Единственным принципиально отличающимся моментом является то, что обычно для централизованной системы бесперебойного питания мощность должна быть сразу выбрана с учетом возможного развития предприятия. Это значит, что обычно мощность централизованной системы выбирают с большим запасом. Трехфазные ИБП как правило допускают наращивание мощности системы за счет параллельной работы нескольких ИБП на одну нагрузку. Поэтому в некоторых случаях (если есть место для размещения дополнительного ИБП и блока синхронизации) запас мощности на развитие может быть не очень большим.

Мощность стабилизатора определяется, как мощность ИБП, исправленная на коэффициент полезного действия ИБП и мощность, необходимую для зарядки батареи ИБП. Обе эти поправки в сумме дадут примерно 20 %. К полученной величине нужно добавить номинальную мощность потребителей, подключаемых к стабилизатору непосредственно.

Определение мощности дизельного генератора, работающего совместно с ИБП, представляет собой не простую задачу. Дело в том, что гармоники тока, возникающие при работе ИБП, взаимодействуют с генератором и могут вывести его из строя. Для современных генераторов и современных трехфазных ИБП запас мощности генератора по сравнению с мощностью ИБП составляет 1.4-1.7 для ИБП с 12-импульсным выпрямителем и 1.8-2.2 для ИБП с 6-импульсным выпрямителем.

Распространенное заблуждение: один небольшой ИБП на несколько компьютеров

Первое желание любого владельца компьютеров - сделать как можно более дешевую систему бесперебойного питания. Вы смотрите каталог любого торговца ИБП, и мигом определяете, что выгоднее купить один Back-UPS на 1250 ВА (и подключить к нему пять персональных компьютеров), чем пять на 250 ВА. Не делайте этого.

Купив один ИБП на несколько "персоналок" вы создаете колхоз (в смысле "коллективное хозяйство") с соответствующими последствиями. У этого ИБП нет хозяина. Никто не следит за его работоспособностью (а дешевые ИБП не умеют это делать сами). Не известен человек, ответственный за его включение и выключение. Вполне вероятна ситуация, когда пользователь, который обычно уходит с работы последним, однажды соберется на свидание и по привычке выключит свой ПК, а заодно и ИБП, оставив своих коллег без наработанных данных.

Желание сэкономить вполне понятно. Но ИБП является страховкой от неприятностей с электропитанием так же, как стальная дверь страхует от мелких грабителей. А относительно стальной двери действует простое житейское правило: если у вас нет на нее денег, она вам не нужна - вам нечего охранять. То же и с ИБП: если нет денег на них, может быть вам они не нужны?

И наконец о той единственной ситуации, при которой применение одного ИБП для защиты нескольких компьютеров оправдано.

Имеется "серверная комната", где сосредоточены несколько компьютеров, обслуживаемых одним человеком - супервизором сети. Здесь можно поставить один хороший ИБП на несколько компьютеров, поскольку не стоит проблемы дисциплины и обслуживания - у одного ИБП один пользователь.

В этом варианте вы получаете возможность за те же деньги купить один хороший ИБП вместо нескольких средних или плохих и сэкономить усилия супервизора - ему нужно контролировать одно устройство, а не несколько.

Но даже в этом случае, не рекомендуется подключать сетевую станцию супервизора к тому же ИБП, что и серверы: это опасно для ваших данных.

Что нужно учитывать при разработке системы бесперебойного питания

Простое подтверждение правильности выбора оборудования для системы бесперебойного питания