Что нужно знать об Источниках Бесперебойного Питания

В рамках публикации архивных материалов нашего издания предлагаем вашему вниманию статью из № 44 (163) «Компьютерного Обозрения» от 19 ноября 1998 г. Базовый материал про ИБП и спустя 20 лет в целом сохранил свою актуальность.

К благам цивилизации привыкаешь настолько, что начинаешь их ценить только в тех случаях, когда они становятся недоступными. Полагаясь на надежность соответствующих служб, вряд ли какой-нибудь горожанин делает запас воды или держит в хозяйстве керосиновую лампу. Действительно, зачем заранее мыть шею — дядя может и не приехать. Однако потеря данных в компьютерной системе, скорее всего, причинит вам гораздо больше неприятностей, чем временные бытовые неудобства. К сожалению, использование любой технологии влечет за собой и отрицательные последствия ее нарушения. Век электроники и информационных технологий породил ситуацию, когда, с одной стороны, поставщики электроэнергии не могут по ряду причин, в том числе и чисто технологических, обеспечить необходимое качество потребляемой энергии, а с другой, ответственность за работу электронного оборудования, устройств и сохранность данных несет потребитель.

Исследование, проведенное компанией IBM, показало, что в типичном компьютере в течение месяца возникает более 120 проблем, порожденных некачественным электропитанием, — от трудно уловимых блокировок клавиатуры и ухудшения параметров вычислительной системы до полной потери данных и выхода из строя материнской платы. В то же время бизнес становится все более и более зависимым от качества электроэнергии. Несмотря на очевидный прогресс в возможностях персональных компьютеров, мгновенное отключение питания все еще может привести к потере оперативных данных и даже всей информации, хранимой на жестком диске. Особенно чувствительны к нарушениям электропитания файлсерверы, в которых обращение к диску осуществляется многократно.

К сожалению, нельзя ожидать улучшения ситуации в ближайшее время. А применительно к нашей реальности, скорее, наоборот. Таким образом, можно сказать, что существуют два типа пользователей: те, которые уже потеряли данные вследствие сбоев в электропитании, и те, которым это еще предстоит. Однако в последние несколько лет формируется новый тип — это пользователи, осознающие опасность потери данных и принимающие меры для ее предотвращения. Как же оценивается вероятность потери данных по различным причинам? По сведениям компании Contingency Planning, максимальное количество таких случаев было вызвано именно отказами в электропитании (см. диаграмму). Прежде чем переходить к знакомству с технологиями защиты питания, рассмотрим классификацию возможных нарушений его режима, причины, вызывающие их, а также наиболее вероятные последствия для вычислительной системы.

КЛАССИФИКАЦИЯ НАРУШЕНИЙ РЕЖИМА ПИТАНИЯ

Отклонение параметров электропитания может принимать различные формы. Приведем наиболее характерные из них.

Полное отключение (blackout) — нулевое значение напряжения в течение более двух периодов. В некоторых литературных источниках к этому виду нарушений относят и снижение напряжения до величины менее 80 В, так как большая часть оборудования не может работать при таком режиме. Результатом отключения питания может быть нарушение целостности или потеря данных, повреждение файлов, а также выход из строя аппаратуры.

• Пониженное напряжение (brownout) — падение напряжения ниже номинального на время, превышающее длительность одного периода. Реально может продолжаться несколько часов (применительно к цивилизованному миру). Причинами, вызывающими его, могут быть включение мощного оборудования или перегрузка сети. Результатами — искажение или потеря данных, преждевременный износ оборудования.

• Повышенное напряжение (surge) — подъем напряжения выше 110% от номинального на время, превышающее длительность одного периода. Причиной обычно служит выключение оборудования, потребляющего большую мощность. Может привести к потере информации в памяти и ошибкам в данных.

• Провал напряжения (sag) — падение напряжения на 80-85% ниже номинального на время, сравнимое с длительностью одного периода. Может быть вызвано включением мощного оборудования. Обычно приводит к потере информации в памяти, ошибкам в данных, отключению оборудования.

• Высоковольтные пики (spike) — резкое повышение напряжения вплоть до 6000 В длительностью 8-10 мс. Вызывается ударами молний, статическими разрядами и искрой, переходными процессами при включении/выключении мощного оборудования. Воздействие на вычислительную систему проявляется в потере данных и содержимого памяти, возможно сгорание цепей.

• Отклонение частоты от номинального значения (frequency deviation) — изменение частоты более чем на 3 Hz. Является результатом плохой стабильности частоты электрогенератора. Может привести к блокировке клавиатуры, ошибкам при выполнении программы, нарушению целостности данных и даже к краху дисковой системы.

• Электромагнитные помехи, или шумы (electromagnetic interference) — искажение синусоидальной формы напряжения. Возникают вследствие гальванических или индуктивных наводок, вызываемых работой различного электрооборудования, например сварочных аппаратов или мощных радиостанций. Обычно приводят к ошибкам или потере данных, блокировке клавиатуры и/или системы.

ЗАЩИТА ПИТАНИЯ

Различают пять базовых технологий и соответственно реализующих их типов устройств, обеспечивающих защиту питания. Самыми простыми являются устройства для подавления пиковых выбросов (surge suppressor/protector) и сетевые фильтры (line conditions!). Первые обычно реализуются схемой, содержащей металл-оксид-ные варисторы, конденсаторы и индуктивности, в то время как вторые строятся на базе трансформатора, который сглаживает флуктуации входного напряжения и обеспечивает синусоидальную форму выходного напряжения. Остальные три технологии базируются на устройствах, которые называются источниками бесперебойного питания (ИБП), или Uninterruptible Power Supply (UPS) в английском написании.

ИБП имеют более чем тридцатилетнюю историю своего существования. До сравнительно недавнего времени основными областями их применения были непрерывные процессы и системы управления в промышленности, навигации, охранные, военные, а также медицинские системы. И только в последние 10-15 лет в связи с широким использованием вычислительной техники их можно увидеть практически на каждом рабочем месте, оснащенном компьютером.

Традиционно ИБП могут выполнять следующие функции:

• поглощать относительно небольшие повышения напряжения (surge);

• сглаживать шумы источника;

• не прерывать питания оборудования во время снижения напряжения (sag);

• обеспечивать в течение некоторого времени подачу питания в случае полного отключения напряжения (blackout).

Кроме этого, некоторые ИБП, как правило, в сочетании с соответствующим программным обеспечением позволяют:

• автоматически отключать оборудование при длительном отсутствии напряжения;

• осуществлять мониторинг и регистрировать состояние ИБП;

• выводить на дисплей диаграммы напряжение/ток;

• выводить на дисплей текущее значение напряжения;

• выполнять повторный запуск оборудования после его отключения;

• выдавать звуковой сигнал тревоги при значительных отклонениях параметров сети от номинальных.

С несколько обобщенной точки зрения основными функциональными компонентами ИБП являются:

• фильтр-ограничитель напряжения, служащий для сглаживания шумов и подавления выбросов напряжения;

• устройство для регулирования входного напряжения (booster и trimmer);

• выпрямитель/зарядное устройство;

• преобразователь постоянного напряжения в переменное (инвертор);

• аккумуляторы;

• устройство переключения режимов и система управления.

В зависимости от реализуемой технологии, которая определяет состав и топологию соединения основных компонентов, можно выделить три категории, или типа ИБП:

• резервные (off-line, или standby);

• интерактивные (line-interactive);

• непрерывного действия, или с двойным преобразованием (online, или double conversion).

Следует отметить, что конструкции первых ИБП соответствовали технологии, именуемой сейчас on-line. Они непрерывно генерировали ток и гарантировали, что питание нагрузки не прекратится. Это были, в основном, мощные и весьма дорогие устройства. Однако на заре компьютерной эры, во времена господствования мэйнфреймов, которых было относительно немного и стоили они баснословно дорого, использование подобных ИБП было вполне экономически оправдано. Совсем иная ситуация сложилась, когда возникла необходимость защищать такой массовый продукт, коим является ПК. Соотношение стоимости защиты и защищаемого оборудования требовало пересмотра масштаба цен, а это было возможно только за счет изменения технологии. И возможность эта появилась в 1985 г., когда были разработаны импульсные блоки питания и компьютер стал потреблять не непрерывный ток, а в форме импульсов, генерирующихся каждые 8,3 мс. В перерывах питание осуществлялось за счет емкостей внутренних конденсаторов, которые были способны обеспечить подпитку в течение нескольких десятков миллисекунд. Это позволило создать устройства, которые не генерируют ток постоянно, а переключают нагрузку на резервные аккумуляторы только при прекращении основного питания. Так появились резервные ИБП, а затем и более совершенная их модификация — интерактивные ИБП. Однако при более детальном изложении технологии мы нарушим хронологический порядок и начнем с наиболее простой.

РЕЗЕРВНЫЕ ИБП

Устройства на базе этой технологии являются самыми простыми, а значит, и наиболее дешевыми и, как следствие такого удачного сочетания, особенно широко используемыми для защиты ПК. В качестве основных компонентов резервные ИБП содержат зарядное устройство, аккумулятор, инвертор и устройство коммутации. Некоторые производители включают (иногда опционально) в ИБП этого класса устройства, улучшающие качество входного напряжения (surge suppressor, line conditioner). В нормальном режиме компьютер или другое защищаемое устройство непосредственно подсоединяется к основному источнику питания.При определенных отклонениях параметров электропитания от номинальных значений коммутирующее устройство переключает нагрузку на инвертор, и питание подается от аккумуляторов, Такие ИБП неплохо защищают от высоковольтных бросков напряжения и переходных процессов, однако передают на нагрузку пониженное/повышенное напряжение, если его величина находится в зоне относительной безопасности. То же относится и к случаю нестабильной частоты. Резервные ИБП имеют время переключения около 5 мс и способны поддерживать работу ПК в течение 5–10 мин, чего вполне хватает для сохранения информации и корректного завершения работы. Существенным недостатком устройств этого типа является невозможность их использования в сетях с низким качеством электропитания: частое переключение на аккумуляторы не позволяет их своевременно подзаряжать.

ИНТЕРАКТИВНЫЕ ИБП

Интерактивная технология является относительно новой и стала возможной благодаря применению микропроцессоров. ИБП этого типа полностью управляются микропроцессором, который осуществляет мониторинг линии, реагируя на любые отклонения электрических параметров от номинальных значений. Именно поэтому они и называются интерактивными. ИБП этого класса включают в состав ступенчатый автоматический регулятор напряжения (booster), построенный на основе автотрансформатора. Это позволяет работать в большом диапазоне входных напряжений (170-295 В). Еще одно существенное отличие от резервных заключается в том, что в интерактивных ИБП инвертор постоянно подключен к нагрузке. Он обеспечивает регулировку напряжения в достаточно широких пределах без переключения на аккумуляторы, что позволяет продлить срок их эксплуатации. Время переключения на резервный источник в интерактивных ИБП относительно мало и составляет около 2 мс. Эта технология эффективна при плохом качестве питания.

ИБП НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

В отличие от устройств двух предыдущих классов, ИБП непрерывного действия полностью изолируют нагрузку от входного напряжения, которое в нормальном режиме преобразуется выпрямителем в постоянное и затем, одновременно подзаряжая аккумуляторные батареи, подается на инвертор для обратного преобразования в переменное. Поэтому ошибочно полагать, что напряжение на инвертор поступает исключительно от батареи. Батареи используются в качестве источника питания только в предусмотренных случаях, и представление о том, что они изнашиваются быстрее, чем в ИБП с другой топологией, является неверным. Эти устройства называются также ИБП с двойным преобразованием (double conversion). Непрерывная регенерация входного напряжения позволяет значительно ослабить шумы и помехи и получить на выходе почти идеальную синусоиду. Очевидно, что время переключения таких устройств в аварийный режим равно нулю. Многие производители повышают внутреннюю частоту ИБП, что позволяет добиться существенного снижения массы трансформаторов для устройств с мощностью выше 500 В-A. Практически во всех ИБП этого типа существует обходная цепь (bypass шунт), с помощью которой нагрузку в случае отказа одного из компонентов можно подключить прямо к силовой сети.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИБП

При выборе ИБП необходимо руководствоваться не только реализуемой технологией, но и рабочими параметрами устройства. Несмотря на кажущуюся простоту, ИБП характеризуются множеством параметров, знание и понимание которых необходимы для выбора устройства, оптимального с точки зрения соотношения функциональность/цена. Приведем здесь лишь основные.

Выходная, или полная мощность. Этот параметр указывается обычно в вольт-амперах (В-A). Следует обратить внимание на то, что в качестве множителей при его вычислении берутся максимальные за период колебаний (амплитудные) значения тока и напряжения, в то время как потребляемая нагрузкой мощность (активная мощность) указывается, как правило, в ваттах (Вт). Эти величины совпадают, если нагрузка носит чисто активный характер. При наличии реактивной составляющей (емкости, индуктивности) часть мощности расходуется на нее. Типичное значение отношения активной мощности к полной (Вт/(В-А), power factor — коэффициент мощ-ности/нелинейности) для компьютеров составляет 0,7. Поэтому для выбора ИБП необходимой мощности (в В-A) нужно мощность нагрузки в Вт разделить на коэффициент мощности.

Время автономной работы. Это время, называемое также резервным, нелинейно зависит от величины нагрузки. Для типичных ИБП небольшой мощности (до 5 кВ-А) при номинальной нагрузке оно составляет примерно 5-10 минут. При снижении мощности нагрузки вдвое резервное время увеличивается примерно в 2,5 раза.

Время переключения режимов. Имеет смысл только для ИБП с архитектурой off-line и line-interactive и не является критическим параметром. Оно составляет примерно 2-4 мс, тогда как современные компьютеры способны выдержать отсутствие напряжения на входе в течение значительно большего отрезка времени.

Диапазон входных напряжений. Этот параметр играет весьма важную роль в условиях длительного отклонения величины входного напряжения от номинального значения. Он определяется минимальным и максимальным допустимыми значениями напряжения в сети, при которых ИБП еще способен поддерживать номинальное напряжение на выходе, не переходя на питание от резервного источника. Чем шире этот диапазон, тем дольше прослужат батареи. Современные ИБП способны обеспечить номинальное значение напряжения на выходе при колебаниях его на входе в пределах 20-30%.

Пик-фактор (peak factor). Определяется отношением пикового тока, потребляемого нагрузкой, к действующему значению. Для устройств с топологией off-line оно обычно имеет значение 3:1, а для интерактивных — 6:1. Для импульсных блоков питания компьютеров этот коэффициент может достигать больших значений (10-15 и выше).

Диапазон входной частоты. Как правило, отклонение частоты тока от номинального значения 50 Hz в электросети не превышает 1 Hz, поэтому данный параметр важен для систем, базирующихся на автономных генераторах, в которых частота не так стабильна.

Коэффициент нелинейных искажений. Он характеризует отклонение формы выходного сигнала от синусоидальной. Ряд чувствительных к этому фактору приборов начинает давать сбои при искажении, превышающем 5%.

Срок службы аккумуляторов. Этот параметр существенно зависит от условий эксплуатации: частоты переключения в автономный режим, условий зарядки, окружающей среды. Типичный срок службы аккумуляторов составляет 4-5 лет.

ТАК КАК ЖЕ ЗАЩИЩАТЬСЯ?

Как известно, бесплатные советы — это советы, которые ничего не стоят. Кроме того, точный рецепт предполагает точный диагноз. Поэтому попробуем описать в некотором смысле общий подход, указывающий лишь направление, в котором нужно думать. Мы оставим в стороне системы, требующие непрерывной работы. Решения этого класса выходят за рамки нашего рассмотрения.

Прежде всего, степень, а следовательно, и стоимость защиты должны быть адекватны ценности ваших данных. Технология защиты и мощность ИБП определяются как качеством электропитания, так и задачами, решаемыми вашим оборудованием. Питание серверов баз данных, файл-серверов, обслуживающих более сотни пользователей, систем CAD/CAM, графических станций, должно по возможности резервироваться устройствами on-line. Во многих случаях производитель не оставляет свободы выбора, так как ИБП большой мощности, как правило, реализуют эту технологию. В таблице показаны возможности различных технологий защиты питания (поскольку все термины определены ранее, в целях компактности и во избежание неточностей русскоязычных эквивалентов таблица приведена в англоязычном написании).

При оценке требуемой мощности ИБП (в В-A) следует принимать в расчет как потребляемую нагрузкой мощность из сети (в Вт), так и необходимое время работы на резервном источнике питания. Напомним, что для большинства ИБП мощностью 5-10 кВ-A время непрерывной работы при номинальной нагрузке составляет 5-10 мин, а при нагрузке 50% оно увеличивается в 2~2,5 раза. Вот некоторые типичные рекомендации при определении необходимой мощности ИБП в зависимости от конфигурации оборудования для стандартной ситуации:

• 250 В-А — компьютеры 286, 386, PS/2 с монохромным дисплеем, сетевые репитеры и концентраторы;

• 400-500 В-А — компьютеры 486, Pentium, Macintosh, сетевые мосты и маршрутизаторы, небольшие файл-серверы на базе PC;

• 750-800 В-А — персональные компьютеры, требующие несколько продленной работы на резервном питании, станции SparcStation, компьютеры с RISC-архитектурой, файл-серверы ЛВС;

• 900-1000 В-А — системы CAD/CAM с двумя мониторами, компьютеры с RISC-архитектурой, два файл-сервера ЛВС, несколько рабочих станций;

• 1200-1500 В-А — несколько файл-серверов или рабочих станций;

• 2000 В-А и выше — ЛВС, телекоммуникационные и Unix-системы.

Для разработки сложных систем бесперебойного питания следует обратиться к специалистам, имеющим соответствующую квалификацию.