Принципы работы и применение UPS

Зачем нужны UPS

• Обеспечение непрерывности работы IT-систем и технологических процессов при сбоях электросети.
• 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.

Классы и области применения UPS

• Статические UPS:
  • от небольших систем для рабочих станций (сотни VA)
  • 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.

Основные компоненты статического UPS

• 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.
• 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.
• DC-link и DC-DC-конвертер — согласуют уровни напряжения между выпрямителем, инвертором и батареей, обеспечивают корректный режим заряда/разряда.
• Система управления (logic control) — цифровое управление режимами, защитами и взаимодействием с внешними системами мониторинга.

Обход и накопители энергии

• Статический байпас — на SCR (иногда совместно с контактором), обеспечивает:
  • аварийный перевод нагрузки напрямую на сеть при перегрузке/отказе UPS;
  • работу высокоэффективных режимов, когда нагрузка питается от сети, а мощная электроника “в резерве”.
• Обходной (maintenance) байпас:
  • двух-, трёх- или четырёхвыключательная схема,
  • позволяет снимать UPS с линии без потери питания нагрузки и безопасно проводить обслуживание.
• Накопители энергии:
  • свинцово-кислотные батареи (flooded, VRLA, pure lead) — предсказуемые, доступные, но с ограниченным сроком службы и требованиями по температуре и обслуживанию;
  • 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.

Топологии статических UPS

• Single conversion:
  • 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).

Multimode и dual-purpose UPS

• Multimode UPS:
  • совмещают режимы line-interactive/standby и double conversion,
  • 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).
• 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.