В данной статье разговор пойдет об источниках бесперебойного питания (ИБП), или UPS - Uninterruptable Power Supply (System). Рассматриваются типы ИБП, их выбор, некоторые цены и рекомендации по обслуживанию. Производителей бесперебойных блоков питания существует достаточно много. Кроме широкоизвестного APC [American Power Convertion] (серии SmartUPS, BackUPS, Matrix, Symmetra), есть: NeuHaus Distributor Group (серия SmartLine), Liebert Corporation (серии PowerSure, UPStation), MGE [Merlin Gerin] (серия Pulsar), PowerWare (серия Powerware Prestige), ELTECO (серии EM, PS, EM-A), OptiUPS (серии VS, E/ES, PS/PS-RM).

UPS (ИБП) - это устройство, которое защищает компьютер (или другую технику) от сбоев в электросети, вплоть до полного пропадания электричества в ней. Современные мощные UPS дают гарантию защиты даже от попадания молнии на входные цепи питания.

Как подобрать UPS для определенной задачи среди разнообразия фирм и моделей? Ведь необходимо сделать еще и выбор ИБП по параметрам внутри самой серии. Прежде чем разговор зайдет о том, какие бывают типы источников бесперебойного питания, немного отвлечемся на то, зачем вообще необходимо защищать компьютеры посредством дополнительных источников питания.

Куда исчезло напряжение?

Известны широкораспространенные сбои в электропитании:

• Понижение напряжения - связано с резким увеличением нагрузки в сети из-за включения мощных потребителей (промышленное оборудование, лифты, бытовые обогреватели и т.п.). Является наиболее частой неполадкой в электрической сети.
• Высоковольтные импульсы - кратковременное, очень сильное увеличение напряжения, связанное с близким грозовым разрядом или включением напряжения на подстанции после аварии.
• Скачки напряжения - кратковременное увеличение напряжения в сети, связанное с отключением мощных потребителей.
• Отключение напряжения - как кратковременное, так и долговременное. Является следствием аварий, грозовых разрядов, сильных перегрузок электростанции, неверных действий сотрудников и т.п.
• Нестабильность частоты - обычно является следствием перегруженности энергосистемы в целом. Само по себе изменение частоты не представляет существенной опасности для компьютерного оборудования, так как компьютер оснащен импульсным блоком питания. С другой стороны, многие ИБП среднего класса воспринимают сильное понижение частоты как аварийную ситуацию и начинают работать от батарей. Разумеется, при существующем напряжении батареи разряжаются, и вся работа на этом заканчивается.Кроме этих сбоев, в сети постоянно присутствуют электромагнитные и радиопомехи. Электромагнитные и импульсные помехи вызываются работой самых разнообразных устройств - от электробритв до электросварки. Т.н. радиопомехи - от наведенных электромагнитных волн, в том числе, и радиоволн (EMI/RFI/ESD).

Впрочем, основным неприятным моментом для компьютерного оборудования является даже кратковременное пропадание напряжения (более 8-10 м/сек). Причиной этого может быть, например, отключение автомата, играющего роль ограничителя чрезмерной нагрузки на электрическую сеть. Или просто необдуманные действия электрика, совершенно не представляющего специфики работы компьютеров. Пропадение напряжения на 1-2 секунды совершенно не страшно, например, для освещения или для электрической пишущей машинки. Однако для компьютеров это может закончиться очень и очень плохо. Мало того, что потеряется информация, которая в даный момент находилась в оперативной памяти, в некоторых случаях при записи на диск может произойти сбой определенного вида, который вполне способен нарушить работу всей файловой системы.

Устройство ИБП

Общая структура у всех UPS одна: встроенный подзаряжаемый аккумулятор и устройство управления и контроля; напряжение пропало - работаем от батарей. 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. Но реализация этого принципа работы у разных ИБП может различаться - от этого изменяются и такие параметры, как "время переключения на батареи и обратно", помехоустойчивость, КПД и, наконец, цена (конечно, все можно сделать крайне надежным, но цена может быть несопоставима с ценой оборудования и информации, которую будет защищать такой ИБП).

Существуют три типа устройства ИБП:

• "ИБП с переключением" (Standby, Offline UPS)

  Упрощенная схема топологии узлов выглядит следующим образом:

  

  В режиме работы от сети (нормальная работа) напряжение от входа ИБП поступает к нагрузке через фильтры шумов и импульсов. Часть мощности поступает к выпрямителю, оттуда же получает зарядный ток и батарея. Если напряжение на входе выйдет за допустимые нормы, ИБП переключается в режим работы от батареи. Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, разряжая батарею и питая нагрузку. Переключатель (разумеется, электронный) обеспечивает переключение в интервале от 3 до 8 м/сек. Учитывая, что почти у всей современной компьютерной аппаратуры блоки питания импульсные, переключение происходит без прерывания питания.

  Основным недостатком такого решения является неполная защита от помех в сети. Например, при достаточном понижении или повышении напряжения ИБП будет вынужден переключиться на батарею, хотя можно было бы просто преобразовать напряжение. Кроме того, при большом скачке напряжения возможен пробой и выход из строя и UPS, и компьютера.

  К достоинству данной реализации топологии ИБП можно отнести разве что дешевизну: из-за нее, кстати, в ранних моделях инвертор выдавал форму напряжения в виде меандра, а не в виде синусоиды или даже трапеции, что необходимо при питании определенного вида устройств. Впрочем, компьютерному блоку питания пойдет и меандр.

  Модели с топологией Standby: APC - BackUPS (вся серия) ELTECO - серия EM; OptiUPS - серия VS.

• "ИБП, взаимодействующий с сетью" (Line-Interactive UPS)

  

  Его схема отличается от схемы Standby наличием специального трансформатора. Часть мощности расходуется на поддержание батареи в заряженном состоянии. Система контроля ИБП анализирует входное напряжение, контролирует его форму и амплитуду. В случае если напряжение сети становится слишком низким (например, ниже 195 В) или слишком высоким, блок анализа сети пытается скорректировать величину напряжения, переключая отводы автотрансформатора. Кроме того, этот трансформатор сглаживает скачки напряжения. Таким образом, ИБП реже переходит на работу от батарей, тем самым повышая срок службы батарей при скачках входного напряжения. Если напряжение становится настолько низким, что переключение отводов уже не помогает, то ИБП переключается на работу от батареи. Если на вход ИБП поступает напряжение искаженной формы, блок анализа сети также переключает ИБП на режим работы от батареи. Некоторые модели ИБП, "взаимодействующие с сетью", корректируют форму напряжения, не переключаясь на работу от батареи. Однако если такое произошло (т.е. форма напряжения в сети "неправильная", но напряжение есть), сеть отключается от нагрузки переключателем, но остается под контролем блока анализа сети. Инвертор поддерживает напряжение на нагрузке в течение некоторого времени, зависящего от заряда батареи. Если сетевое напряжение за это время не становится нормальным, после разряда батареи ИБП отключает нагрузку.

  К наиболее продвинутому ИБП с трансформатором относится решение с т.н. феррорезонансным трансформатором - он почти идеально защищает от импульсных помех и во время переключения отдает накопленную магнитную энергию в нагрузку, снижая таким образом общее время "перескакивания" на питание от батарей.

  Как правило, Line-Interactive UPS оборудованы более совершенными фильтрами от различных импульсных и радиопомех.

  К недостаткам такого решения можно отнести лишь некоторое ненулевое время переключения питания нагрузки от батарей и обратно, неполную защищенность от зависимости формы выходного напряжения от входного и отсутствие строгой стабилизации напряжения (собственно, это не является строгим требованием, так как компьютерные системы имеют блок питания, содержащий стабилизатор напряжения).

  В остальном, решение Line-Interactive UPS - наиболее подходящий выбор. И в плане соотношения "качество/цена" тоже.

  Модели с топологией "ИБП с взаимодействием с линией (Line-int)": все модели производителя APC (включая Matrix), кроме серии BackUPS; модели фирм NeuHaus - серии Smart-Line; Liebert Corporation - все из серии PowerSure; MGE UPS SYSTEM - серии PowerShure и Pulsar EL, ESV+; OptiUPS - серии E/ES, PS/PS-RM; ELTECO - серия EM-A.

• "ИБП оперативного режима" (Online UPS)

  Упрощенная схема:

  

  Этот вид называют еще "ИБП с двойным преобразованием энергии". Его отличительная особенность - наличие мощного выпрямителя; здесь он не только подзаряжает батарею ИБП, но и является постоянным преобразователем для питания нагрузки даже в режиме питания от линии. "Обход" (Bypass) - специальная линия, которая позволяет в случае необходимости питать нагрузку напрямую от электрической сети в обход блока питания. Он служит только для того случая, если какой-либо элемент UPS выйдет из строя. И почти всегда является лишь дополнительным оборудованием (может подключаться отдельным блоком) при продаже ИБП в магазине.

  Если в сети существует нормальное напряжение, то вся мощность, поступающая из линии, проходит через выпрямитель ИБП, после чего, преобразованная инвертором, поступает в нагрузку. Выпрямитель преобразует переменное напряжение электрической сети в стабилизированное постоянное напряжение - этот фактор ставится в главную отличительную особенность ИБП такого рода (т.е. Online UPS). Постоянное напряжение используется и для заряда батарей. Если напряжение сети становится меньше нижней границы диапазона входных напряжений, нагрузка начинает питаться от батареи (через инвертор). Если напряжение на входе ИБП восстанавливается до нормального, выпрямитель опять начинает заряжать батарею и питать инвертор.

  Недостатки Online UPS: очень большая цена - гораздо выше, чем для ИБП других типов; выпрямитель, инвертор и батарея включены постоянно, даже когда качество электропитания не вызывает нареканий, таким образом, непрерывно работающая система двойного преобразования постоянно рассеивает в виде тепла 20-30% полезной электроэнергии, и КПД, соответственно, составляет всего 70-80%, в отличие от ИБП с Line-Interactive, у которых КПД от 90% и выше (у моделей производителя APC - 97-98%). Тепло, постоянно выделяемое инвертором, негативно сказывается на сроке службы батареи и других узлов.

  Достоинства: практически нулевое время переключения с линии на батареи и обратно; строгая стабилизация выходного напряжения; независимость формы выходного напряжения от помех на входе; практически полная защита нагрузки.

  Модели с топологией "ИБП оперативного режима (Online)": Liebert Corporation - все из серии UPStation; MGE UPS SYSTEM - серия Pulsar EX; PowerWare серия Powerware Prestige; ELTECO - серия PS.

ИБП, нужный вам

После рассмотрения типов (и выбора необходимого) можно приступить к выбору ИБП для конкретной задачи.

Основной критерий (после того, как выбран тип модели UPS) для выбора ИБП - это мощность. Разумеется, цена возрастает с повышением мощности ИБП, поэтому необходимо подобрать мощность в зависимости от задачи.

Система бесперебойного питания может иметь одну из двух топологий. Централизованная подразумевает установку одного ИБП, поддерживающего работу всего оборудования в офисе или даже на этаже здания. Распределенная система бесперебойного питания состоит из нескольких ИБП (могут быть разных типов и разных мощностей), каждый из которых защищает отдельную единицу оборудования (например, один компьютер). Наиболее распространена распределенная система.

Желание сделать как можно более дешевую систему бесперебойного питания вполне понятно - покупатель смотрит каталог любого торговца ИБП и сразу определяет, что выгоднее купить один UPS на 1600 VA (и подключить к нему четыре персональных компьютера), чем четыре на 400 VA. Не делайте этого. Купив один ИБП на несколько компьютеров, вы совершаете сразу несколько ошибок. Первая - у вас появляется бесхозяйственное устройство с соответствующими последствиями; вторая - при выходе из строя ИБП сразу все персональные компьютеры оказываются отключенными от сети; и третья - зависимость работы одного компьютера от нагрузки во всей системе. Когда пропадает электричество, всегда в группе какой-то компьютер оказывается более важным для работы, чем остальные, и необходимо поддерживать его "на плаву" как можно дольше. В этом случае есть интересный опыт: компьютер может работать на батареях вполне нормально, но стоит кому-либо включить хотя бы еще один монитор, подключенный к тому же UPS, как все выключается - ИБП просто не выдерживает пика нагрузки, который происходит во время включения устройства и решает, что его батареи не потянут такую мощность (хотя он вполне смог бы это дальше "тянуть"). В случае же, когда у каждого имеется свой UPS, ответственность за неправильные действия лежит на определенном человеке.

Как определиться с мощностью? Те цифры, которые написаны в прайс-листе или на корпусах ИБП, показывают т.н. "полную мощность" - она измеряется как раз в вольт-амперах (VA). Мощность же, измеряемая в ваттах (Вт, Wt), называется "активной" - это понятие применимо к переменному току (в отличие от "полной", которая применима к току постоянному) и вычисляется по формуле VAх0.7 (где 0,7 - значение косинуса угла 45 градусов, хотя, строго говоря, для импульсных блоков питания компьютеров это значение может варьироваться так, что значение косинуса угла находится в пределах 0.6-0.8). Итого, если на блоке написано 400 VA, то в ваттах это будет выглядеть как 280 Вт. Однако не спешите выравнивать мощность своего устройства с мощностью выбираемого ИБП. Производители рекомендуют выбирать ИБП с расчетом 20% запаса по мощности нагрузки. Пример: если нагрузка потребляет 300 Вт, то необходимо выбирать ИБП мощностью 350-360 Вт (или 514 VA). Сообразуясь с существующими моделями, хорошо подойдет блок питания, рассчитанный на 600_VA. В последнее время появились и так называемые PFC (Power Factor Corrected) блоки питания компьютеров. Для таких блоков питания 1ВА = 1Вт.

Как показывает опыт, простой домашний компьютер (да и офисный, собственно, тоже) в комплекте - монитор и процессорный блок - работает на ИБП мощностью 400 VA чуть более 15 минут. Для серверов это значение будет другим (жесткие диски там мощнее, и их может быть больше, к тому же, серверу желательно оставить больше времени на нормальное завершение своей работы), поэтому для одного сервера будет разумным приобрести ИБП мощностью 1000 VA и выше. В системах, "охраняющих" серверные парки, время работы ИБП от батарей является определяющим критерием при покупке. Стоит отметить, что время зависит от мощности нелинейно. Если с 400 VA ИБП время работы составит 15-17 минут, то с ИБП 1000_V. A компьютер такой же мощности будет работать больше, чем 40 минут - проверено. А без монитора - как минимум, часа полтора.

Стоит заметить, что ИБП оправдан лишь там, где потеря питания может привести к потере данных: персональные компьютеры, серверы, сетевое оборудование, модемы, внешние накопители и т. п. Принтеры, сканеры, а тем более, осветительные, лампы, в общем случае не нуждаются в ИБП.

Не подключайте лазерные принтеры к ИБП. Лазерный принтер при работе периодически потребляет пиковую мощность (от 700 Вт до 1500 Вт - в несколько раз превышающую его среднюю мощность, указанную в его паспорте: 200-400 Вт). Если ИБП будет перегружен хотя бы на пару секунд, он отключит всю нагрузку (в том числе и компьютер). Если же вам очень нужна "бесперебойная печать", очевидно, придется выбрать UPS мощностью не менее 2000 VA.

Для того случая, когда серверов больше одного, обычно применяются высококлассные ИБП (с двойным преобразованием - Line-On или с феррорезонансным трансформатором - Line-Interactive). К тому же, такие ИБП могут быть трехфазными, чтобы равномерно распределять нагрузку по линиям электропитания. Как раз в случае централизованной системы можно сэкономить - вместо нескольких ИБП купить только один, но мощный. К тому же, следить за одним гораздо проще, нежели за 30-ю. Надежность у одного (но мощного) будет гораздо выше и средств защиты больше - т.к. для удешевления мелких моделей не встраивают дорогие решения и "лишние" блоки защиты. Нельзя забывать и про генераторы - если учитывать их использование, централизованная схема системы питания будет просто незаменима.

Практически все системы бесперебойного питания имеют блок для связи с компьютером - он необходим для контроля за состоянием ИБП, ведь основная функция ИБП после отключения питания: "сказать" компьютеру, на какое время хватит емкости батарей, чтобы компьютер смог вовремя подготовиться к выключению. Существуют специальные программы, с помощью которых происходит мониторинг состояния UPS. Самая распространенная - Power Chute.

Рассмотрим такую ситуацию. Например, питание в сети пропало, ИБП переключился на питание от батарей, через некоторое время дал сигнал компьютеру, что питание от батарей скоро кончится, компьютер благополучно завершает свою работу, емкость энергии в батареях кончается, и ИБП просто отключает нагрузку. Все вроде бы правильно. Так вот, после того, как появится напряжение в сети, ИБП честно подключит компьютер и параллельно начнет зарядку разряженных батарей. Компьютер загрузится и продолжит работу, но если напряжение опять отключится, ИБП переведет питание снова на аккумуляторы, которые не успели зарядиться. На этот раз ИБП опять посылает сигнал компьютеру, что питание на исходе, но компьютер просто не успевает среагировать - ИБП выключает нагрузку из-за того, что батареи уже разрядились. Данные теряются. Чтобы избежать такой ситуации, с помощью программы PowerChute можно так настроить UPS, чтобы он не включал нагрузку, пока батареи не будут заряжены на определенное количество процентов от максимума (или полностью).

При использовании централизованной схемы построения бесперебойного питания возникает потребность выборочно отключать устройства от ИБП. Для этого лучше всего подойдут т.н. APC Web/SNMP Management Card - специальные карты, которые вставляются в ИБП и дают доступ к нему посредством сетевого протокола SNMP/Telnet/Http, - то есть, до UPS теперь можно добраться простой коммуникационной программой типа Telnet. Слоты для установки таких карт имеют, например, мощные ИБП серий Matrix и Symmetra (APC).

Простые практические советы

Теперь некоторые советы, в том числе, применительно к России. Дело в том, что у нас в стране при организации электропитания напряжением до 1 КВт используются системы с глухозаземленной нейтралью. В таких системах в качестве одной из мер по защите от поражения электрическим током используется защитное зануление. То есть там, где требуется защита от пробоя на корпус в сетях 220-380V, корпуса зануляются.

Компьютер, как известно, подключается по трехпроводной схеме именно с целью защиты от пробоя на корпус. Третий контакт - это и есть "земля". Хорошее заземление должно быть обязательно, более 70% всех сбоев систем из-за электропитания происходит как раз из-за отсутствия правильного заземления. Но, как известно, у нас в России разводка по квартирам не предусматривает третьего "земляного" провода, поэтому можно было бы предложить подключить третий контакт в розетке на "ноль". Только делать так нельзя - никто не может гарантировать, что где-то не перепутают, и вместо нуля на корпусе окажется фаза. И если у вас нет хорошей "земли", то от подключения третьего провода лучше отказаться вообще. И тем более, никогда не использовать батареи отопления в качестве заземления.

За рубежом используются т.н. евророзетки - там вилку можно воткнуть только в одном положении, и назначение выводов строго регламентировано: "земля", "фаза" и "ноль". У нас же вилку можно воткнуть двумя способами, а почти все ИБП чувствительны к правильности включения "фазы" на входе. При неправильном включении на "заземляющем" контакте на выходе ИБП появляется определенный потенциал, иногда более 100 вольт. То же самое происходит и при отсутствии третьего проводника на входе ИБП. В таких случаях необходимо проверить тестером напряжение между контактами "фаза", "ноль" и "земля" на выходе ИБП - при наличии напряжения "ноль-земля" (полезно будет проверить также напряжение "корпус компьютера" - "ноль", "земля") нужно перевернуть вилку в розетке.

После покупки выбранного UPS не забудьте об элементарных вещах: 1) если устройство долго находилось на холодном воздухе, дайте ему нагреться до комнатной температуры; 2) зарядите батареи ИБП (для этого просто оставьте его подключенным к сети на сутки без включения внешней нагрузки). Практически у каждого ИБП есть блок самоконтроля - запускайте время от времени процедуру самотестирования, это поможет вам следить за состоянием основных узлов ИБП.

Обязательно посчитайте затраты на ИБП, стоимость оборудования и цену информации, которая может быть потеряна. Должен быть разумный подход к цене на систему бесперебойного питания. Можно потратить $5000 для того, чтобы в случае чего спасти информацию и оборудование от силы на 1-2 тысячи долларов. Будет ли это разумно?

Понятное дело, цены на системы ИБП растут в зависимости от мощности. Достаточно недорогой UPS для использования с одним компьютером (400VA) можно приобрести за $60 (Powercom), из популярной серии Smart UPS (APC) такой же мощности - за $200. Существуют решения и для использования прямо внутри корпуса компьютера - это 300 VA блок, вставляемый в 5,25", обычно пустующий слот в корпусе - до $100. Мощные модели - 3000VA и 5000VA Matrix (APC) - цена начинается от $3000. Модели Symmetra (APC) - 8kVA до 16kVA - стоимость от $8000.

Срок службы хороших аккумуляторов колеблется от 4 до 6 лет. Стоимость замены всех аккумуляторов в одном ИБП составляет практически всегда половину полной стоимости нового ИБП.

Хочется отметить, что, кроме ИБП, существует раздел рынка мобильных дизель-генераторов, которые могут обеспечивать электропитанием очень долгое время (в идеале - сколько угодно). Конечно, мощности у самых слабых генераторов начинаются далеко за 1КВт, поэтому стоимость даже самого недорогого составляет более $700 [G3000V, 2.5kVA, двигатель Vanguard, воздушное охлаждение].

При небольших мощностях и небольшом времени автономной работы аккумуляторная батарея оказывается дешевле дизельного генератора. Если мощность или время автономной работы велики, то емкость и стоимость батареи становится очень большой и оказывается выгоднее применять дизельный генератор. Такое происходит, уже начиная с необходимости более 2-3 часов непрерывной работы при мощностях более 10 КВт. Такие модели дизель-генераторов существуют: например DP27 (27kVA, водяное охлаждение, электрозапуск) будет стоить $9000.