Страшный зверь UPS

Страшный зверь UPS



Два английских фермера на ярмарке рассматривают непонятный сельхозагрегат.1-й: Даю 10 фунтов тому, кто скажет, для чего сделана эта штуковина!2-й: Для продажи!1-й: молча отдает деньги... (Старый анекдот)

Согласитесь, в таком положении может оказаться каждый. Вроде бы и нужно, и выбрать есть из чего, но как выбрать именно то, что надо? Даже если вы четко знаете что надо. Можно, конечно, поручить выбор специалисту, но ведь и ему надо грамотно объяснить ситуацию, а для этого не мешает иметь представление о предмете разговора.

Я не претендую на звание большого специалиста в области бесперебойного электропитания, но по необходимости кое-что узнал. Спешу поделиться. Прошу только иметь в виду, что это точка зрения "чайника" на предмет, достойный самого уважительного отношения, и не рассчитывать на полное и абсолютно корректное описание. Так, самые азы, то, с чего стоит начать изучение вопроса.

Итак, начнем. Электропитание - не молодая область приложения человеческих мозгов, все-таки лет 100 уже есть, поэтому неудивительно, что вокруг него сложилось множество мифов. Человек всегда придумывает легенду там, где не может или ленится найти логику. Интереснее то, что гораздо более узкая и молодая область проектирования и использования устройств Uninterruptible Power Supply (UPS) уже имеет свою мифологию.

Я думаю, что здесь мы многим обязаны тому, что инженеры, люди ленивые от рождения, склонны принимать рекламные лозунги за точные определения, а те, кто пишет рекламу, о точности думают в последнюю очередь. В результате стандарты живут своей жизнью, а люди - своей. Тем более что стандарты часто пишутся словно не для того, чтобы их понимали, особенно стандарты переводные. Поэтому для начала разберемся с терминами.



Начнем с того, что все называют этот прибор кому как понравится. Я встречал: СБЭП (система бесперебойного электропитания), БИП (бесперебойный источник...), ИБП (источник бесперебойного...), SPS (Standby Power System), просто UPS и просто ЮПС. Английское слово Uninterruptible можно перевести и как "бесперерывное", встречал я и такие комбинации, но это неправильно по многим причинам, я о них еще расскажу. Мне больше всего нравится БИП.

Какие бывают БИП'ы Обычно в литературе и рекламных листах ведут речь о трех типах: - on-line; - off-linе, или standby; - line-interactive (интерактивные, если по-русски).

Причем иногда даже в относительно свежей литературе можно встретить ошибочное утверждение, что только on-line можно называть БИП'ом, а off-linе - это SPS, Standby Power System, или источник резервного электропитания, но... с термином standby произошла накладка. По тем же американским стандартам Standby Power System называют резервные дизель-генераторы, и поэтому потребители путались (видно, не только у нас не принято внимательно читать документацию и стандарты). Так что термин SPS к нашей теме отношения не имеет, не надо путать standby-БИП'ы с совершенно другим устройством. Для ясности я далее буду пользоваться вместо него термином off-linе.

Что такое БИП по определению? Обратимся к первоисточнику. Американский стандарт ANSI/NFPA 110A по состоянию на май 1994 г. Устанавливал следующее (перевод мой, ногами не бейте): "Источник бесперебойного электропитания (UPS) - система, состоящая из питающей батареи, выпрямителя, инвертора и управляющей аппаратуры, разработанная для создания чистого, качественного синусоидального напряжения электропитания в течение ограниченного периода времени. UPS обычно отслеживает и повторяет напряжение и частоту обычного источника. Он может быть главным (режим on-line) и альтернативным (режим standby) источником электроэнергии для нагрузки".

В определении БИП'а интересна его последняя часть.

Получается, что с юридической точки зрения не существует on-line и off-line источников, это просто два режима работы одного и того же устройства. Взгляните на рисунок 1. Если в нормальном режиме ключ находится в верхнем положении - энергия поступает из сети через фильтры, аккумулятор готов включиться при какой-либо неполадке с сетью. Мы имеем дело с БИП'ом off-line. Если в нижнем - наша нагрузка постоянно питается от конвертора, который работает от аккумулятора, который постоянно заряжается от зарядного выпрямителя, который питается от первичной сети в доме, который построил Джек! Переключение на первичную сеть происходит при гибели аккумулятора или инвертора (если есть на что переключаться) - это on-line. Еще один случай включения аварийной цепи - если мощности инвертора не хватает, чтобы удовлетворить нагрузку. Но это уже отдельный разговор.

Разумеется, по жизни никому в голову не придет делать источник, способный одинаково хорошо работать как off- и on-line. Все производители по возможности упрощают "аварийную" цепь: в off-line ставят более слабый зарядник, поскольку зарядный ток аккумулятора обычно раз в 10 меньше рабочего, в on-line экономят на фильтрах, а то и вовсе исключают обходную цепь. Для on-line резерв удешевления меньше, и поэтому они обычно дороже - при равной мощности.

Но этими двумя типами все многообразие не исчерпывается. Например, международный стандарт IEC 146-4 определяет 13 типов БИП'ов. Фирма АРС в Technical Notes к своему каталогу говорит о 6 типах. В рекламной литературе речь ведется обычно только о 3 (on-line, off-line, line-interactive). На нашем рынке АРС - бесспорный лидер (наверное, не случайно), так что посмотрим, какие типы считают нужным выделить спецы этой фирмы: а) Классические on-line: некоторые модели от фирм SOLA и Toshiba.

б) Классические off-line: например, АРС Back-UPS, Emerson Accupower, Sola Sidekick.

в) On-line без аварийной цепи (on-line without bypass). То есть если что-то случится с инвертором, то БИП не переключит вашу машину на прямое питание от сети. Некуда и нечем переключать. Изготовители прибора считают, что схема так надежна, что ничто просто не может выйти из строя. С другой стороны, отсутствие "обходного" резервного пути существенно удешевляет систему, особенно отсутствие выходного переключателя, и у разработчика появляется резерв стоимости для увеличения надежности. Так что есть смысл поверить, что основная цепь сделана надежно и никогда не выйдет из строя. В конце концов мы верим в это, покупая line-interactive.

г) Гибрид on-line/off-line. Я встречал намеки, что это производное от on-line без аварийной цепи и вообще что-то не совсем полноценное, с чем я не согласен. В самом деле, взгляните на рис. 2. Да, действительно, выходное напряжение всегда снимается с выхода инвертора, как в on-line без аварийной цепи, но это все сходство. Инвертор получает входное напряжение не напрямую от батареи, а через смеситель, на вход которого поступают напряжения от батареи и выпрямленное напряжение сети. Какое больше, то и проходит на инвертор, обычно это напряжение первичной сети, и мы имеем скорее схему off-line. Если же считать его on-line, то цепью резервного питания подстрахован самый уязвимый элемент БИП'а - батарея. Конечно, при выходе из строя инвертора БИП замолкает, но то же происходит и при выходе из строя выходного переключателя в классических схемах on-line и off-line, не говоря уже о line-interactive.

По этой схеме выполнены, например, Unison Unipower и Exide Personal Powerware - изделия далеко не самых последних фирм.

д) Line-interactive. Самый современный из всех, этот тип не укладывается в классическую схему. Грубо говоря, это устройство - "интеллектуальный аккумулятор", то есть на структурной схеме весь БИП изображается в виде двух блоков: аккумулятора и инвертора. Есть первичная сеть - инвертор очищает ее и пропускает на выход, ответвляя часть энергии на подзарядку аккумулятора. Пропало напряжение - инвертор начал брать энергию из батареи. По большому счету, это та же "гибридная" схема, только нарисована иначе. При желании и "on-line без аварийной цепи" сойдет за line-interactive.

Конечно, если посидеть, можно найти принципиальные отличия и строго разделить три последних случая, только зачем? Все равно продавцы все перепутают - или для рекламы, или по незнанию. Да и покупатели уже привыкли иметь дело с тремя "классическими" типами. Так что смиримся с тем, что "гибридную" схему могут отнести к любому из 3 "классических" типов, и продолжим наши игры.

е) Ferro. Хороший повод для длинного отступления от темы.

Когда компьютеры были большими, то есть лет 20 назад, первые в СССР цветные телевизоры полагалось включать в сеть через ящик со страшным названием "феррорезонансный стабилизатор напряжения", иначе цвета ну никак не хотели быть естественными даже в городе. Стабилизатор этот - почти обычный трансформатор, но за счет особой конструкции его выходное напряжение в некоторой степени стабилизировано и очищено от помех. Standby-ferro или off-line ferro - примерно то же, что обычный off-line, но вместо ключа стоит этот самый стабилизатор с двумя сетевыми (входными) обмотками и одной нагрузочной. На одну сетевую подключена первичная сеть, на вторую - постоянно - выход инвертора.

Когда напряжение сети пропадает, схема управления включает инвертор, он начинает работать, одновременно вход первичной сети отключается от стабилизатора.

Достоинства: ключи переключают не выходное напряжение, а напряжение питания инвертора и обесточенную первичную сеть, следовательно, могут быть гораздо проще и дешевле. Ферростабилизатор обеспечивает при некоторых условиях довольно хорошую форму выходного напряжения, его стабилизацию и неплохую фильтрацию выбросов и помех - следовательно, инвертор может выдавать просто прямоугольные импульсы, что весьма удешевляет его схему.

Недостатки: больший вес, трансформатор сам по себе вещь недешевая, большие потери на нагревание, что не прибавляет здоровья аккумуляторным батареям, но самое главное - выходное сопротивление такого источника имеет характер нелинейной индуктивности.

Чтобы понять, чем это грозит, придется сделать небольшой экскурс в теорию электротехники. Все знают, что напряжение и ток в обычной сети изменяются по синусоиде. При этом молчаливо предполагается, что в момент максимума напряжения наступает максимум тока, а если мгновенное значение напряжения равно нулю, то и ток в этот момент равен нулю. К сожалению, в жизни так не бывает почти никогда. Изменение тока или запаздывает по отношению к напряжению - тогда говорят, что цепь имеет индуктивный характер, или опережает - тогда емкостный. Степень несовпадения называется "сдвигом по фазе" и измеряется косинусом угла сдвига - cos j.

Про угол опережения зажигания слышали? Совсем не то, но очень похоже. Короче, когда сдвига нет и cos j= 1, это очень хорошо для электросетей, если не равен - то плохо, растут потери, генераторы на станциях молотят вхолостую и т.д. В идеальных электросетях так не бывает, но в реальной жизни - из-за индуктивностей силовых трансформаторов, моторов, реле и т.д. этот коэффициент падает до 60-70% . На подстанциях приходится ставить специальные устройства - компенсаторы сдвига фазы.

Первые импульсные блоки питания с этой точки зрения тоже не были подарком для электриков. Поскольку на Западе электрокомпании снимали штаны (и справедливо) с тех пользователей, которые портили сеть себе и соседям, то компании - производители блоков питания быстро сориентировались и стали делать блоки, у которых cos = 1. Ну почти равен.

"Ага!" - сказали электрики Общего рынка и в году примерно так 1994 приняли стандарт IEC 555, по которому импульсный блок питания компьютера обязан не только не ухудшать параметры первичной сети, но и поддерживать на своей сетевой вилке cos = 1, то есть по возможности устранять сдвиг фаз, вызванный неправильной работой соседей. Надо - так надо. И с прошлого года (год введения этого стандарта в обязательное употребление) все блоки питания следуют этому стандарту. По крайней мере, должны. По крайней мере, в Европе.

Ну и что? А то, что феррорезонансный стабилизатор не может обеспечит нормальную работу такого блока питания. Из-за некоторых особенностей работы феррорезонансного трансформатора напряжение на сетевой вилке компьютера начинает скакать самым диким образом - до 100 вольт в любую сторону. Блоку питания это здоровья не прибавит. Кроме того, феррорезонансные трансформаторы хорошо работают только при нагрузке, близкой к номиналу. Если она сильно отличается от расчетной - качество выходного напряжения резко падает. Впрочем, скорее всего БИП'ы этого типа к вам не попадут, разве что кто-нибудь привезет "в кармане" с какой-нибудь западной барахолки.

Стоило ли вспоминать об этом антиквариате? Наверное, да.

Во-первых, не у всех "Пентиумы". Если вам до зарезу нужно защитить старенькую 386SX, тем более 286, а дядя из Парижа прислал именно такого монстра - то почему бы и нет? По крайней мере, собрав свою электросеть в первый раз, посмотрите осциллографом, что происходит в розетке. С соблюдением всех предосторожностей - 220 В все-таки. Имейте в виду все вышесказанное и не удивляйтесь, если, поменяв машину, получите неприятность.

Во-вторых, на БИП'ах свет клином не сошелся. Если не особо надо иметь "бесперебойное электропитание", если вы просто хотите продолжать работать, когда ваш сосед по дому включает сварочный аппарат, можно попытаться достать с антресолей стабилизатор от дедушкиного телевизора. Если машина до 1994 года рождения, то, возможно, станет лучше. Впрочем, см. выше.

В-третьих, свет клином не сошелся и на компьютерах. Бесперебойное электропитание нужно и во многих других местах, где необязательно используются мощные импульсные блоки питания. Например, в охранной сигнализации.

И наконец, подобные фокусы возникают не только при питании машины от феррорезонансного стабилизатора. Чего в жизни не бывает, может, придется подключать машину "в поле" - к автономному генератору или понижающему трансформатору. Так вот, обычный силовой трансформатор, если перегружен, устраивает в сети фокусы не хуже феррорезонансного стабилизатора (и по тем же причинам). Генераторы - так те вообще не любят импульсную нелинейную нагрузку. Включение БИП'а в такой сети спасает положение только отчасти, ибо БИП тоже должен быть сделан по IEC 555, и может начать скакать напряжение в проводе от генератора к БИП'у, который в результате начинает периодически переключаться на работу от батарей.

Чтобы этого не было, нужно внимательно настраивать и БИП, и генератор - что не всем под силу. В крайнем случае, имейте в виду, что источник напряжения (генератор или трансформатор) должен обеспечивать как минимум пиковую мощность, потребляемую оборудованием. По опыту это в 6-10 раз больше номинальной.

На этом мы распрощаемся с ferro и в следующий раз примемся за более насущные вопросы: от чего нас защищают БИП'ы и как выбрать самый подходящий.

Вадим Чесноков, фото Сергея Шарубы


Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 24 за 1997 год в рубрике hard :: технологии

©1997-2022 Компьютерная газета