Rambler's Top100
Статьи ИКС № 01-02 2014
Михаил БАЛКАРОВ  27 января 2014

Легенды и мифы бесперебойного питания

Классические ошибки и заблуждения, связанные с источника-ми бесперебойного питания, своим происхождением обязаны по большей части не сложности и недостаточной изученности темы, а скорее маркетинговым войнам разных лет.

Михаил БАЛКАРОВ, технический эксперт, Emerson Network PowerМиф 1. При N > 4 резервирование N + 1 работает плохо, очень плохо, совсем не работает...

Имеется в виду параллельное подключение ИБП к одной нагрузке с определенной избыточностью, в данном случае с одним резервным источником. Технически источник, как правило, специально в резерв не выделяется, просто все они работают на немного уменьшенной мощности, а при отказе одного из них оставшихся как раз хватает на максимально возможную нагрузку.

В принципе от ИБП всех производителей после первоначального выгорания слабых элементов при пуске можно ожидать пятилетней наработки на отказ. То есть среднее время наработки на отказ (Mean Time To Failure, MTTF) равно 5 • 365,25 • 24 • 60 = 2 629 742 мин.

Объединяя элементы параллельно с добавлением резервных, теоретически мы повышаем уровень отказо-устойчивости. Причем очевидно, что с ростом числа рабочих элементов по отношению к числу резервных выигрыш становится все меньше и меньше.

Но сами по себе отказы не слишком значимы, поскольку предполагается, что любая серьезная инсталляция обслуживается и ремонтируется. Так что единственным важным параметром является доступность, т.е. функционирование системы как целого. Доступность (A) вычисляется по формуле:

A = MTTF / (MTTF + MTTR),

где MTTR – среднее время ремонта.

Согласно статистике Uptime Institute среднее время ремонта в серьезных ЦОДах – 240 мин, с учетом этого доступность отдельного элемента составит 0,9999. Складывая вероятность (P) того, что работают все элементы (это произведение доступности всех элементов), и вероятность того, что отказал ровно один элемент, получим следующую таблицу времени доступности системы в зависимости от количества элементов.

Как видно из таблицы, при большом количестве модулей конкретное их число на работоспособность системы N + 1 почти не влияет. Различия становятся заметными только при долгом, порядка десятков дней, времени восстановления. Практика эксплуатации систем, состоящих из десятков модулей, подтверждает выводы теории. В действительности ситуация еще проще, поскольку зачастую системы недогружены и вместо N + 1 при больших N по факту получается N + 2 или больше.

Миф 2. Максимально мощные источники обеспечат низкую приведенную стоимость киловатта мощности

Формально разделив стоимость ИБП на его мощность, можно прийти к выводу, что из чем более мощных модулей собрана система бесперебойного питания, тем более дешевым будет 1 кВт. Не будем сейчас обращать внимание на явную неразумность выбора крайних моделей в линейке любого оборудования – по очевидным причинам они всегда наиболее слабые конструктивно. Рассмотрим именно денежную сторону, только не стоимость 1 кВт ИБП, а стоимость системы в целом, включая стоимость и удобство ее эксплуатации. Удобство не учитывать нельзя, хотя оно в деньгах не выражается.

Очевидно, что избыточность системы, собранной из крупных модулей, обходится наиболее дорого – в резерв уходит максимум киловатт, которые и стоят немалые деньги. Кроме того, комплект запчастей для оперативного ремонта ИБП, который, разумеется, следует хранить на площадке, также получается максимально дорогим. Транспортировка, установка, замена (если очень не повезет), добавление новых модулей (если, наоборот, повезет, и ЦОД будет расширяться) – все эти операции для больших ИБП нетривиальные и дорогостоящие.

Однако ИБП – это только часть системы бесперебойного питания. На входе и выходе ИБП, на подключениях аккумуляторных батарей в обязательном порядке устанавливаются защитные автоматические выключатели. Начиная с определенного номинала их стоимость растет непропорционально быстро. Кроме того, мощные защитные автоматы и выключатели просто невозможно приобрести без предварительного заказа. Следовательно, потребуется иметь их запас, который также будет стоить немалых денег.

Еще один конструктивный элемент, стоимость которого значительно увеличивается, – банальные кабели, которыми все подключается. Помимо стоимости у кабелей с увеличением тока непропорционально растет сечение. В итоге даже прокладка, а уж тем более замена таких кабелей становится непростой задачей. Можно, конечно, использовать шинопровод, который решает эти технические проблемы, но его стоимость, скорее всего, будет заметно выше.

Достаточно типична ситуация, когда системы ЦОДа оказываются по тем или иным причинам переразмеренными (т.е. созданными со слишком большим запасом). В этом случае систему питания, состоящую из относительно мелких элементов, можно достаточно точно подогнать под нагрузку. Система, состоящая из крупных элементов, обречена работать с малой нагрузкой и низким КПД.

Ну и совсем нелогичным на фоне всего вышеизложенного выглядит стремление собирать крупные по выходу системы. Нагрузка в ЦОДах достаточно мелкая и легко сегментируемая. Зачем сначала получать мегаватты, а потом дробить их и раздавать отдельными киловаттами?

Миф 3. Продвинутое зарядное устройство фирмы NN обеспечит увеличенный срок жизни батарей

Используются специальные режимы заряда, гарантируется минимум пульсаций... Все это конечно, верно, но не имеет никакого смысла, кроме маркетингового шума.

Для совсем маленьких стоечных источников хороший зарядник действительно мог бы оказаться полезным, только никто из производителей не устанавливает в них качественные батареи. А прослужит батарея три года или три с половиной, не так принципиально. Скорее всего ее перегреют, и она прослужит один год.

В мощных источниках в одну линейку соединены несколько десятков батарей. Соответственно, пульсации напряжения на единичную батарею практически не влияют. Их величина делится на эти несколько десятков и получается пренебрежимо малой у любого из производителей.

Продвинутые режимы заряда имели смысл, когда широко использовались наливные батареи, но для ЦОДов это сегодня экзотика. Герметизированные батареи в принципе не могут выравнивать напряжение в большой линейке по причине существенно отличающейся химии процессов. Так что уже вполне освоенный всеми режим заряда IU (рис. 1) более чем достаточен.

Единственная область, где хорошие зарядники до сих пор востребованы, – это системы постоянного тока 48 В. У них всего 24 элемента в линейке и, как правило, большое количество дорогих батарей.

Что же касается срока жизни вообще, то герметизированные батареи ни при каких условиях не прослужат заявленного срока. Они проживут примерно вдвое меньше, и это при соблюдении всех условий эксплуатации. Если срок их работы действительно критичен, используйте никель-кадмиевые или хотя бы наливные свинцово-кислотные элементы.

Миф 4. Встроенный режим тестирования батарей предупредит о необходимости их замены

Из-за большого количества батарей в линейке режим тестирования более или менее работает только для маленьких стоечных источников, у которых напряжение батарей не выше 48 В. Даже если один из элементов 400-вольтовой линейки полностью замкнет, с точки зрения измерения это будет погрешность всего 0,5%, которая, скорее всего, останется незамеченной. А по причине общего большого количества элементов выход из строя одного произойдет гораздо раньше, чем общая емкость снизится до критического предела.

Единственный работающий вариант предсказательного тестирования – это измерения на каждом аккумуляторе в процессе разряда. Однако истории о том, как система благополучно прошла полное нагрузочное тестирование, а на следующий день вышла из строя, вполне реальны. Поэтому оптимальный вариант – выключать встроенное тестирование совсем, чтобы не расходовать жизненные циклы батарей. Опять же, если это критично, используйте полноценный батарейный мониторинг. Увы, его стоимость весьма негуманна.

Миф 5. Нужно выбирать батареи максимально большой емкости, чтобы минимизировать количество линеек

В данном случае аргументация обычно сводится не к стоимости, она не намного меньше в расчете на ампер-час, а к ссылкам на документацию производителей батарей. Нельзя, мол, объединять больше четырех (шести, восьми…) батарей параллельно. Происходит это заблуждение от неумения читать внимательно. В документации производителей в явном виде говорится о непосредственном соединении батарей в один блок с одним и тем же напряжением. В линейках же ИБП батареи соединены последовательно, соответственно, количество линеек, которые можно безопасно соединить параллельно, во столько же раз больше, сколько элементов в линейке. То есть для большого ИБП ограничений по количеству линеек фактически нет. Еще одна причина, по которой данное мнение ошибочно, – заряд типа IU хорошо компенсирует возможные колебания токов.

Моя собственная практика эксплуатации систем с 40–50 линейками батарей показывает, что никакого заметного влияния на срок жизни и надежность батарейного массива такое их количество не оказывает. Речь здесь идет о батареях с изначально не слишком высоким качеством (пятилетних, т.е. с реальным сроком жизни три года).

Маленькие батареи проще монтировать, они значительно безопасней с точки зрения возгорания при коротком замыкании (напомню, кстати, что если батареи загорелись, потушить их не удастся ничем). При отказе одного или нескольких элементов их гораздо проще пересобрать для дальнейшего использования. Да даже просто выбросить одну линейку маленьких батарей значительно дешевле. Увы, как правило, заменить отказавшую батарею в проработавшей порядка года линейке невозможно. В этом случае большая длина линейки играет против, эффективно выжигая свежую замену.

Миф 6. ИБП защищены от перенапряжения по входу

Это верно только для совсем маленьких и простых моделей. На практике в общем случае от импульсов и перенапряжения у больших ИБП замечательно выгорают входные фильтры и выпрямители. Так что защита в виде разрядников должна быть реализована независимо, как и рекомендуется правилами, во входном щите.

Миф 7. Автоматическая синхронизация ИБП по выходу лучше традиционной

Речь идет о том, что между параллельными ИБП исключается прокладка отдельного связного кабеля синхронизации, инверторы регулируются и подстраиваются по фактическому состоянию выхода. И все бы ничего, мало ли как реализована конкретная функция. Только вот адепты такого решения забывают упомянуть о том, что кабели от каждого ИБП должны быть одинаковой длины, эта длина не должна быть меньше определенной и в нагрузке не должны присутствовать заметные гармоники и шумы. К примеру, на выход таких ИБП нельзя подключать большое количество маленьких стоечных ИБП или мощную систему люминесцентного или светодиодного освещения.

Миф 8. Распределенный/централизованный электронный байпас лучше/хуже

Любая система ИБП должна иметь электронный байпас, как для безопасного переключения на байпас механический, так и для отрабатывания коротких замыканий и значительных кратковременных перегрузок. Традиционно для параллельных систем использовался централизованный электронный байпас (рис. 2), в настоящее время популярность набирает байпас распределенный, с установкой тиристоров в каждом из ИБП системы (рис. 3).

На мой взгляд, при корректной реализации, что в первую очередь касается байпаса распределенного (одинаковая сумма длин кабелей на входе и выходе для каждого ИБП, установка индуктивных катушек на выходе), с точки зрения надежности схемы равноценны. С одной стороны, у распределенного байпаса есть резервирование, с другой стороны, тиристоры почти не отказывают, отказывает управляющая электроника, а она более или менее одинакова в обеих схемах.

Легенды об изолирующих трансформатах в ИБП

Тема на 100% маркетинговая, но, к счастью, уже уходящая в область преданий. Все производители наконец благополучно осилили IGBT-выпрямители и высоковольтные инверторы.

На самом деле трансформатор в ИБП либо вообще не имеет отношения к ИБП и просто ставится на свободное место в корпусе, либо свидетельствует об устаревшей схемотехнике. На входе трансформатор обязателен для старинных 12-импульсных выпрямителей. На выходе необходим для низковольтных транзисторов. И в том и в другом случае изолирующим он не является, поскольку в конструкции присутствуют цепи, напрямую замыкающие вход и выход.

Кстати, известная страшилка о том, что при отказе инвертора на выходе бестрансформаторного ИБП может появиться постоянное напряжение, относится, видимо, к разряду городских легенд. Во всяком случае в нескольких тысячах инсталляций больших ИБП разных производителей мне такие отказы не попадались.

Соответственно, если вам вдруг потребовался изолирующий трансформатор (подумайте еще раз, в девяти проектах из десяти выяснялось, что в действительности он совершенно не нужен), то ставьте его отдельно, это наиболее правильный вариант.

Легенда о программном увеличении мощности

В который раз напомню, что, несмотря на все наши желания, чудес не бывает. Не хотел производитель делать полноценную линейку и ограничил мощность модели программным путем, благо сейчас все реализовано на DSP. А «железо» то же самое. За отдельные немаленькие деньги выполняется изменение одного бита. Выдавать это за выдающееся достоинство, на мой взгляд, не совсем корректно.
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!