Различия

Показаны различия между двумя версиями страницы.

--- topics:26:principles [2025/11/21 17:39] – создано admin
+++ topics:26:principles [2025/11/21 19:53] (текущий) – admin
@@ Строка 1: / Строка 1: @@
 ====== Принципы работы и применение UPS ======
 <WRAP box round>
-UPS формирует стабильное и непрерывное напряжение для ИТ-нагрузки, защищает серверы от провалов, импульсов и переходных процессов, а также обеспечивает питание в период запуска дизель-генераторов. Раздел раскрывает инженерные принципы, архитектуры, батарейные технологии и применимость решений в российских условиях.
+Раздел посвящён устройству, принципам работы и практическому применению источников бесперебойного питания (UPS) в критичной инфраструктуре. Рассматриваются причины использования UPS, базовые компоненты статических систем, ключевые топологии (standby, line-interactive, double conversion, multimode), а также современные подходы к повышению энергоэффективности и использованию UPS как элемента энергосистемы (dual-purpose / energy-aware).
 </WRAP>
+<WRAP group gap>
-===== 1. Функции UPS в ЦОД ======
+<WRAP box round half column>
+**Зачем нужны UPS**
-<WRAP info>
+  * Обеспечение непрерывности работы IT-систем и технологических процессов при сбоях электросети.
-Даже короткий провал напряжения или резкий выброс тока вызывает перезагрузку серверов, сбой сетевого оборудования и потерю транзакций. UPS устраняет такие воздействия, обеспечивая ИТ-нагрузке собственный, сформированный инвертором, «идеальный» сигнал.
+  * Снижение потерь от простоев: потери данных, времени восстановления, репутационные и финансовые риски.
+  * Защита чувствительного оборудования от просадок, всплесков, импульсных помех и других аномалий качества электроэнергии.
+  * Интеграция в стандартную однофазную и трёхфазную инфраструктуру электроснабжения, от малых стоек до крупных ЦОД и промышленных объектов.
 </WRAP>
-UPS выполняет три ключевые задачи:
+<WRAP box round half column>
+**Классы и области применения UPS**
-  * **непрерывность питания** при провалах и переключениях;
+  * Статические UPS:
-  * **качественная форма напряжения** — фильтрация помех, гармоник, всплесков;
+    * от небольших систем для рабочих станций (сотни VA)
-  * **резервирование** — поддержание нагрузки до перехода на генераторы.
+    * до крупных модульных комплексов (MVA) для ЦОД и промышленных нагрузок.
+  * Роторные UPS (DRUPS):
+    * большие мощности, использование маховика и дизеля,
+    * применяются там, где важна высокая кратковременная перегрузочная способность и минимум батарей.
+  * Возможность параллельной работы UPS для масштабирования мощности до десятков MVA.
+</WRAP>
+</WRAP>
-===== 2. Топологии UPS ======
+<WRAP group gap>
-UPS различаются по тому, как нагрузка подключена к сети и инвертору.
+<WRAP box round half column>
+**Основные компоненты статического UPS**
-==== 2.1. Standby (офлайн) ====
+  * **Выпрямитель (rectifier / input power converter)** — преобразует входное AC в DC, формирует DC-шину и заряжает батареи, обеспечивает низкий THDi и высокий cos φ для дружественности к сети и генераторам.
-  * Нагрузка запитана напрямую от сети.
+  * **Инвертор (output power converter)** — формирует на выходе синусоидальное напряжение из DC-шины, работает на IGBT с PWM, в современных системах – двух- или трёхуровневого типа, с возможным применением SiC/GaN для повышения КПД.
-  * Инвертор включается при отключении сети.
+  * **DC-link и DC-DC-конвертер** — согласуют уровни напряжения между выпрямителем, инвертором и батареей, обеспечивают корректный режим заряда/разряда.
-  * Перерыв питания: 10–20 мс.
+  * **Система управления (logic control)** — цифровое управление режимами, защитами и взаимодействием с внешними системами мониторинга.
-  * Применение: некритичные нагрузки.
-==== 2.2. Line-interactive (линейно-интерактивный) ====
-  * В сети — автотрансформатор с регулировкой.
-  * Инвертор включает при существенных отклонениях.
-  * Улучшенная фильтрация по сравнению с офлайн.
-  * Применение: телеком, вспомогательные системы.
-==== 2.3. Double Conversion (онлайн, двойное преобразование) ====
-  * Сеть → выпрямитель → DC-шина → инвертор → нагрузка.
-  * Нет времени переключения.
-  * Полная фильтрация всех искажений.
-  * Наиболее надёжный вариант для ЦОД.
-<WRAP important>
-Только топология двойного преобразования обеспечивает стабильность для высокоплотных серверов, СХД и сетевых ядер. Все промышленные ЦОД используют именно её.
 </WRAP>
+<WRAP box round half column>
+**Обход и накопители энергии**
-===== 3. Архитектура UPS ======
+  * **Статический байпас** — на SCR (иногда совместно с контактором), обеспечивает:
+    * аварийный перевод нагрузки напрямую на сеть при перегрузке/отказе UPS;
-UPS состоит из следующих подсистем:
+    * работу высокоэффективных режимов, когда нагрузка питается от сети, а мощная электроника “в резерве”.
+  * **Обходной (maintenance) байпас**:
-  * **Выпрямитель (AC→DC)** — сглаживание входного напряжения, создание DC-шины.
+    * двух-, трёх- или четырёхвыключательная схема,
-  * **Инвертор (DC→AC)** — формирование чистой синусоиды.
+    * позволяет снимать UPS с линии без потери питания нагрузки и безопасно проводить обслуживание.
-  * **Статический байпас** — подключение нагрузки напрямую к сети при перегрузках или отказах инвертора.
+  * **Накопители энергии**:
-  * **Батареи (VRLA или Li-ion)** — резерв на период запуска ДГУ.
+    * свинцово-кислотные батареи (flooded, VRLA, pure lead) — предсказуемые, доступные, но с ограниченным сроком службы и требованиями по температуре и обслуживанию;
-  * **Контроллер** — логика переключений, диагностика, управление зарядом.
+    * литий-ионные батареи — меньшие габариты и масса, высокая цикличность и срок службы (10–15 лет), пригодны для частых циклов в dual-purpose UPS;
+    * альтернативные накопители (маховики и др.) для специальных сценариев.
-<WRAP info>
-Батарейный резерв в ЦОД рассчитан на 3–10 минут, что достаточно для запуска генераторов и перехода на аварийную схему питания.
 </WRAP>
-===== 4. Режимы работы UPS ======
-==== Нормальный режим ====
-  * Нагрузка питается от инвертора.
-  * Выпрямитель формирует DC-шину.
-  * Заряд АКБ поддерживается автоматически.
-==== Режим от батарей ====
-  * Инвертор получает питание от аккумуляторов.
-  * Выходная мощность ограничена ёмкостью батарей.
-==== Режим статического байпаса ====
-  * Активируется при перегрузках.
-  * Позволяет избежать отключения нагрузки при аварии инвертора.
-==== Режим обслуживания ====
-  * Байпас выводит UPS из работы.
-  * Нагрузка питается напрямую от сети (допускается только при плановых регламентах).
-===== 5. Качество напряжения и переходные процессы ======
-Проблемы, устраняемые UPS:
-  * кратковременные импульсы (до десятков киловольт);
-  * провалы до 20–40% от номинала;
-  * высокочастотные выбросы;
-  * гармоники и несинусоидальные формы напряжения;
-  * перекос и просадка фаз;
-  * пусковые токи двигателей HVAC.
-<WRAP tip>
-UPS двойного преобразования устраняет до 99 % нарушений формы напряжения, что делает его обязательным элементом высоконагруженных ИТ-систем.
 </WRAP>
+<WRAP group gap>
-===== 6. Батарейные технологии: VRLA и Li-ion ======
+<WRAP box round half column>
+**Топологии статических UPS**
-==== 6.1. VRLA (свинцово-кислотные) ====
-Преимущества:
-  * Низкая стоимость.
-  * Простая эксплуатация.
-Недостатки:
-  * Срок службы 3–5 лет при 25 °C.
-  * Сильное снижение ресурса при 30–35 °C.
-  * Высокая масса и большие объёмы.
-  * Повышенные требования к вентиляции.
-==== 6.2. Li-ion ====
-Преимущества:
-  * Ресурс 10–15+ лет.
-  * Допустимая температура до 40 °C.
-  * Встроенный BMS.
-  * Низкое тепловыделение.
-  * Уменьшение площадей батарейных.
-Недостатки:
-  * Более высокая стоимость.
-  * Требования к сертификации (пожарные нормы).
-<WRAP info>
+  * **Single conversion**:
-Тренд гипермасштабных ЦОД — переход на Li-ion благодаря высокой плотности энергии и минимальному обслуживанию.
+    * **Standby UPS** — сеть напрямую на нагрузку, при аварии – переключение на инвертор и батарею; минимальная цена, простой функционал, есть кратковременный провал напряжения и часто несинусоидальная форма на батарее.
+    * **Line-interactive UPS** — сеть питает нагрузку, UPS регулирует напряжение (автотрансформатор buck/boost или инвертор параллельно сети), реже садит батареи, улучшает качество напряжения, применим от малого офиса до небольших серверных и телеком-узлов.
+  * **Double conversion**:
+    * постоянное преобразование AC→DC→AC, нагрузка всегда сидит на инверторе,
+    * независимость выходного напряжения и частоты от качества сети (при сохранении синхронизации для работы с байпасом),
+    * варианты: трансформаторные (большие, тяжёлые, изолированные) и трансформатор-less (компактные, высокоэффективные, доминирующие в современных ЦОД).
 </WRAP>
+<WRAP box round half column>
+**Multimode и dual-purpose UPS**
-===== 7. Расчёт автономности батарей ======
+  * **Multimode UPS**:
+    * совмещают режимы line-interactive/standby и double conversion,
-<WRAP center>
+    * в норме нагрузка запитана через статический байпас (максимальный КПД, до 99%+),
-$$
+    * при выходе сети за допуски или аварии — быстрый переход на двойное преобразование или батареи (переходы порядка миллисекунд).
-t = \frac{C \cdot V \cdot \eta}{P}
+  * **Dual-purpose / energy-aware UPS**:
-$$
+    * используют UPS и его батареи как распределённый энергетический ресурс (DER),
+    * позволяют выполнять peak shaving, участвовать в программах управления спросом, играть на почасовых тарифах,
+    * требуют высокоцикличных накопителей (обычно Li-ion) и грамотного резервирования части ёмкости под аварийный режим.
 </WRAP>
-где:
-  * \(C\) — ёмкость батарей, Ah
-  * \(V\) — напряжение батарейной цепи, V
-  * \( \eta \) — КПД инвертора (0,90–0,95)
-  * \(P\) — нагрузка, W
-Пример:
-Батарейная цепь 240 В, ёмкость 50 А·ч, КПД 0,92, нагрузка 40 кВт:
-→ примерно 16 минут автономности.
-===== 8. Применение UPS в ЦОД ======
-UPS обеспечивает защиту следующих подсистем:
-  * серверы, СХД, сетевое ядро;
-  * телекоммуникационные стойки;
-  * системы мониторинга и BMS;
-  * системы пожарной автоматики;
-  * АСУТП и системы безопасности.
-UPS не применяется для:
-  * чиллеров;
-  * компрессоров;
-  * насосов высокой мощности;
-  * вентиляции больших объёмов.
-Причина — динамические нагрузки HVAC требуют генераторного питания.
-===== 9. Варианты резервирования ======
-==== N ====
-Одна система без резерва. Не применяется для критичных ЦОД.
-==== N+1 ====
-Один резервный модуль на группу рабочих блоков. Оптимальный вариант для большинства площадок.
-==== 2N ====
-Дублирование всей системы. Максимальная надёжность, но высокий CAPEX.
-==== Distributed UPS ====
-Распределённые малые модули у стоек. Перспективно, особенно с Li-ion.
-<WRAP tip>
-Модульные UPS с N+1 — наиболее сбалансированный вариант для ЦОД мощностью 1–20 МВт.
 </WRAP>
+<WRAP box round>
+**Общая схема классификации UPS**
-===== 10. Применимость в РФ ======
+<mermaid>
+flowchart LR
+  classDef b font-size:18px,stroke-width:1px,padding:6px;
-Российские реалии:
+  U["UPS<br>(источники бесперебойного питания)"]:::b
-  * большое количество сетевых аномалий → UPS обязателен;
+  U --> S["Статические UPS"]:::b
-  * нестабильность питающих центров 6/10 кВ → высокий приоритет double conversion;
+  U --> R["Роторные UPS (DRUPS)"]:::b
-  * требования СП и ПУЭ допускают использование Li-ion (при наличии сертификации);
-  * генераторы часто работают при просадке напряжения на 15–20 % → UPS компенсирует переходные процессы.
-Дополнительно:
+  S --> S1["Standby"]
-  * VRLA страдают от высоких летних температур, часто в помещениях держится 26–28 °C → ускоренный износ;
+  S --> S2["Line-interactive"]
-  * Li-ion более устойчивы в российских климатических режимах.
+  S --> S3["Double conversion<br>(трансформаторные / безтрансформаторные)"]
+  S --> S4["Multimode / Dual-purpose"]
-Вывод: **для российских ЦОД UPS является не рекомендацией, а обязательным элементом энергетической архитектуры.**
+  R --> R1["Генератор с маховиком<br>(часто в связке с дизелем)"]
-===== 11. Схема работы UPS в контуре ЦОД ======
-<mermaid>
-flowchart LR
-  classDef big font-size:22px,stroke-width:1.1px,padding:10px;
-  A["Внешняя сеть / генераторы"]:::big --> B["Вводно-распределительное устройство"]:::big
-  B:::big --> C["UPS (двойное преобразование)"]:::big
-  C:::big --> D["Распределительные панели / шинопроводы"]:::big
-  D:::big --> E["ИТ-нагрузка (стойки, серверы)"]:::big
-  C:::big --> F["Батарейные системы (VRLA или Li-ion)"]:::big
-  F:::big --> C
 </mermaid>
-===== Ключевые идеи ======
-<WRAP tip>
-  * UPS обеспечивает краткосрочное резервирование и идеальное качество напряжения.
-  * Единственная приемлемая топология для ЦОД — двойное преобразование.
-  * Li-ion постепенно вытесняют VRLA благодаря ресурсу и надёжности.
-  * UPS — критичный элемент между сетью и ИТ-нагрузкой, а не «опция».
-  * Российские сетевые условия требуют повышенной устойчивости к провалам и гармоникам.
-  * Точная архитектура UPS определяет SLA, отказоустойчивость и реальный уровень Tier.
 </WRAP>