Это старая версия документа!
Содержание
Принципы работы и применение UPS
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.
1. Функции UPS в ЦОД
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.
UPS выполняет три ключевые задачи:
- непрерывность питания при провалах и переключениях;
- качественная форма напряжения — фильтрация помех, гармоник, всплесков;
- резервирование — поддержание нагрузки до перехода на генераторы.
2. Топологии UPS
UPS различаются по тому, как нагрузка подключена к сети и инвертору.
2.1. Standby (офлайн)
- Нагрузка запитана напрямую от сети.
- Инвертор включается при отключении сети.
- Перерыв питания: 10–20 мс.
- 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.
Только топология двойного преобразования обеспечивает стабильность для высокоплотных серверов, СХД и сетевых ядер. Все промышленные ЦОД используют именно её.
3. Архитектура UPS
UPS состоит из следующих подсистем:
- Выпрямитель (AC→DC) — сглаживание входного напряжения, создание DC-шины.
- Инвертор (DC→AC) — формирование чистой синусоиды.
- Статический байпас — подключение нагрузки напрямую к сети при перегрузках или отказах инвертора.
- Батареи (VRLA или Li-ion) — резерв на период запуска ДГУ.
- Контроллер — логика переключений, диагностика, управление зарядом.
Батарейный резерв в ЦОД рассчитан на 3–10 минут, что достаточно для запуска генераторов и перехода на аварийную схему питания.
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.
UPS двойного преобразования устраняет до 99 % нарушений формы напряжения, что делает его обязательным элементом высоконагруженных ИТ-систем.
6. Батарейные технологии: VRLA и Li-ion
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).
Тренд гипермасштабных ЦОД — переход на Li-ion благодаря высокой плотности энергии и минимальному обслуживанию.
7. Расчёт автономности батарей
$$ t = \frac{C \cdot V \cdot \eta}{P} $$
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.
Модульные UPS с N+1 — наиболее сбалансированный вариант для ЦОД мощностью 1–20 МВт.
10. Применимость в РФ
Российские реалии:
- большое количество сетевых аномалий → UPS обязателен;
- нестабильность питающих центров 6/10 кВ → высокий приоритет double conversion;
- 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:
- VRLA страдают от высоких летних температур, часто в помещениях держится 26–28 °C → ускоренный износ;
- Li-ion более устойчивы в российских климатических режимах.
Вывод: для российских ЦОД UPS является не рекомендацией, а обязательным элементом энергетической архитектуры.
11. Схема работы UPS в контуре ЦОД
Ключевые идеи
- 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.