Как соединить два ибп в один

Обновлено: 02.07.2024

Вопрос.
Возможно ли последовательно подключить один ИБП к другому?

Ответ.
Компания АРС не рекомендует последовательно соединять два и более ИБП. Каждое устройство должно быть подключено непосредственно к электрической розетке, заземленной надлежащим образом, для оптимальной защиты от скачков напряжения.

Не рекомендуется последовательно подключать два и более ИБП по приведенным ниже причинам:

1. Последовательно подключенные ИБП не обеспечивают дополнительную защиту электронного оборудования от скачков напряжения. Одна из функций ИБП — не допустить проникновение скачка напряжения из электросети на нагрузку. В случае скачка, достаточно сильного для повреждения оборудования, первый ИБП в цепочке выйдет из строя, защитив нагрузку. Это значит, что второй ИБП в цепочке будет отключен от сети электропитания и перейдет на питание от батареи.

2. При последовательном подключении одного ИБП к другому значительно увеличивается вероятность перегрузки первого устройства. Вне зависимости от количества розеток первого ИБП суммарная мощность нагрузки, которую можно подключить к ним ограничена его номинальной мощностью. Даже если число розеток было увеличено за счет подключения второго устройства, общая мощность в ваттах первого ИБП останется неизменной. Поэтому общая мощность в ваттах двух ИБП, подключенных последовательно, будет не больше, чем мощность первого ИБП из этой группы.

3. В большинстве случаев последовательно подключенные ИБП не увеличивают время автономной работы. Если используется ИБП, который формирует аппроксимированную синусоиду на выходе в автономном режиме работы, то, как только первый ИБП перейдет в режим работы от батареи, второй ИБП поведет себя аналогичным образом. Это происходит потому, что второй ИБП воспринимает аппроксимированную синусоиду на входе как искаженное электропитание или электропитание низкого качества. Оба ИБП разрядятся одновременно и не обеспечат дополнительного времени автономной работы.

Если необходимо дополнительное время автономной работы, мы рекомендуем использовать Smart-UPS® XL, который обладает возможностью подключения до 10 дополнительных внешних батарейных блоков.

Для того чтобы два или более ИБП с двойным преобразованием энергии, включенные на общую нагрузку, были загружены в равной степени, необходимо синхронизировать их выходные напряжения по частоте, начальной фазе и амплитуде. Поддержание амплитудного и, как следствие, действующего значения выходного напряжения в современных ИБП обеспечивается с высокой точностью (±1%) этого параметра и в наименьшей степени влияет на дисбаланс распределения общей мощности между параллельно включенными источниками бесперебойного питания. В значительной степени равномерное распределение мощности нагрузки между ИБП зависит от фазовых углов выходных напряжений, что в свою очередь определяется не синхронностью выходных частот ИБП. Различие всего в 1 электрический градус между фазами напряжений на выходе двух ИБП может привести к дисбалансу распределения потребляемой мощности до 50%. Если выходное напряжение одного ИБП сдвигается вперед по фазе, то он принимает на себя большую часть мощности общей для двух ИБП нагрузки. При равенстве амплитуд выходного напряжения это означает возрастание тока, потребляемого от этого ИБП. Чтобы сбалансировать уровень энергии между двумя ИБП, необходимо уменьшить частоту выходного напряжения опережающего по фазе ИБП. В современных устройствах эта корректировка может осуществляться со скоростью 0,1–1,0 Гц/с. Рассмотрим возможные способы организации параллельной работы ИБП.

Централизованный принцип

Централизованный принцип представляет собой подчиненное управление ведущим ИБП нескольких ведомых, выходные частоты которых синхронизируются ведущим по выделенному интерфейсу параллельной работы (принцип Master/Slaves). При этом различают подчинение постоянное или переменное во времени.

Постоянное подчинение характеризуется тем, что один из ИБП назначается постоянно ведущим и отсутствует его резервирование. При выходе его из строя вся система оказывается неработоспособной [1]. Такой способ управления может быть использован только для наращивания мощности системы. Другим примером постоянно подчиненного управления несколькими силовыми модулями ИБП для организации их параллельной работы является многомодульный принцип построения ИБП с выделенным модулем системного управления [2]. Последний предназначен для получения, обработки информации о состоянии и режиме работы силовых модулей, их синхронизации и аварийного отключения. Для повышения надежности системы возможно использование основного и резервного модулей системного управления, образующих спаренную систему управления. При выходе из строя основного модуля управления резервный принимает на себя полностью или частично функции управления системой.

Переменное во времени подчинение — это приоритетный способ управления, когда ведущему ИБП присваивается высший ранг и он осуществляет синхронизацию ведомых ИБП, аналогично постоянному подчинению. Однако при выходе его из строя маркер приоритета передается следующему назначенному по рангу ИБП и т. д. Такой способ нашел широкое применение при организации параллельного включения трехфазных ИБП.

Децентрализованный принцип

Децентрализованный (распределенный) принцип организации параллельной работы ИБП наиболее надежен для построения резервируемой системы бесперебойного питания.

В этом случае все абоненты (ИБП) являются потенциальными контроллерами канала обмена информацией или осуществляют саморегулирование по адаптивному принципу при отсутствии межмодульного интерфейса.

Адаптивный принцип

Адаптивный алгоритм управления инверторами обеспечивает синхронизацию двух ИБП при отсутствии дополнительных интерфейсных каналов связи между ними. Каждый ИБП следит только за своим состоянием и при необходимости корректирует свою частоту. Такой принцип устраняет необходимость идентификации конкретного отказавшего ИБП на уровне системы и не требует применения межмодульного интерфейса. Каждый ИБП отслеживает собственное выходное напряжение так, чтобы его фаза совпадала с фазой другого ИБП. В случае внезапных изменений нагрузки оба ИБП испытают влияние возможной нестабильности и выполнят корректировку частоты. Критерием подстройки частоты может являться знак приращения выходной мощности ИБП. Алгоритм управления инвертором с использованием цифрового сигнального процессора (DSP) заключается в том, что отслеживаются изменения выходного напряжения и тока относительно данных их предыдущих замеров. Опрос осуществляется с частотой 3 кГц [6]. Данные о напряжении и токе сохраняются за последние пять тактов опроса. Усредненные значения на этих пяти тактах U_вых, I_вых сравниваются с текущими значениями U_n, I_n. На основании этой информации микроконтроллер вычисляет приращения dU = U_n – U_вых, dI = I_n – I_вых. Величина и знак произведения dUdI, представляющего изменение потребляемой мощности, определяют, должен ли ИБП продолжить работу в нормальном режиме, скорректировать выходную частоту или быть отключенным из-за неисправности.

Исправный ИБП при изменяющейся нагрузке, анализируя знаки dU, dI, определяет, что знак произведения dUdI всегда отрицательный. Действительно, с увеличением нагрузки U_n уменьшается, I_n возрастает и, следовательно, dUdI ≤ 0. С уменьшением нагрузки dU увеличивается, dI уменьшается и, следовательно, dUdI ≤ 0. Таким образом, ИБП регистрирует отрицательные значения произведения dUdI, что свидетельствует о его нормальном функционировании. Если произведение dUdI по модулю увеличивается, то ИБП воспринимает это так, что фаза его выходного напряжения опережает фазу другого ИБП, и система управления уменьшит частоту инвертора, чтобы скомпенсировать эту разницу.

В случае неисправности ИБП значения dU, dI будут иметь один знак и произведение dUdI становится положительным независимо от величины нагрузки. В этом случае ИБП выключает свой инвертор и с помощью автоматического выключателя дополнительного шкафа коммутации отключается от общей шины нагрузки.

Адаптивный алгоритм управления может обеспечить синхронизацию только двух ИБП при возможности балансировки выходных токов ИБП в пределах 4%.

Демократический принцип

Другой реализацией децентрализованного способа организации параллельной работы ИБП является демократический принцип [3]. При таком способе каждый ИБП остается активным в регулировании своего выходного тока, корректируя его таким образом, чтобы приблизить к среднему значению I_ср = I_н / n, где I_н — ток нагрузки, n = N + X — общее число параллельно включенных ИБП, N — минимальное количество ИБП, необходимых для функционирования системы по мощностным показателям, Х — количество резервных ИБП.

Рассмотрим более подробно реализацию демократического принципа на примере организации параллельной работы однофазных ИБП с двойным преобразованием энергии в диапазоне мощностей каждого ИБП от 6 до 20 кВА [4]. Примерами таких моделей ИБП являются GXT (Liebert), ИДП («Элекромаш») и др.

Функциональная схема ИБП приведена на рис. 1. В состав силовой цепи ИБП входят: сетевой фильтр (СФ), выпрямитель (В), бустер (Б) — повышающий преобразователь постоянного напряжения, ШИМ-инвертор (И), фильтр высших гармоник (ФВГ), блок реле (БР), тиристоры цепи байпас (ТБ), выходной фильтр (ВФ), выходное реле (ВР), зарядное устройство (ЗУ), аккумуляторная батарея (АБ), тиристор подключения АБ (ТА), реле подключения АБ (РА). Сетевой и выходной фильтры обеспечивают подавление выбросов сетевого напряжения при переходных процессах и осуществляют фильтрацию высокочастотных коммутационных помех. ШИМ-инвертор питается высоковольтным напряжением постоянного тока (700 В) с выхода бустера и выполняется по полумостовой бестрансформаторной схеме на IGBT-транзисторах. Силовые транзисторы управляются высокочастотными (19,2 кГц) ШИМ-сигналами с платы управления. Широтно-импульсная модуляция сигналов осуществляется по синусоидальному закону, что обеспечивает c помощью быстродействующей системы управления инвертором высокую точность выходного напряжения. Синусоидальное выходное напряжение 50 Гц формируется из высокочастотных ШИМ-импульсов с помощью L – С фильтра высших гармоник (ФВГ). Блок реле (БР) и тиристоры цепи байпас (ТБ) осуществляют автоматическое переключение нагрузки напрямую в сеть в случае перегрузки, перегрева или выхода из строя одного из узлов ИБП. Тиристор подключения АБ (ТА) и реле подключения АБ (РА) обеспечивают подключение АБ на вход бустера в автономном режиме работы ИБП.

Рис. 1. Функциональная схема ИБП

Плата управления (ПУ) обеспечивает необходимый алгоритм работы узлов силовой платы, тестирование состояния, мониторинг и управление ИБП. Все цепи платы управления изолированы от высоковольтного напряжения, присутствующего на силовой плате. Внутрисистемная шина (ВШ) осуществляет связь между платой управления (ПУ) и узлами силовой платы ИБП. Сигналы с платы управления поступают также на плату дисплея (ПД), RS-232 интерфейс и плату параллельной работы ИБП (ППР). Плата дисплея содержит ряд светодиодов для индикации режимов работы ИБП и кнопки включения/выключения инвертора силовой платы. В некоторых моделях ИБП используются ЖК-дисплеи для отображения электрических параметров и состояния ИБП.

Рассмотрим более подробно состав и функциональное назначение плат управления и параллельной работы ИБП.

Плата управления ИБП обеспечивает:

необходимый алгоритм работы силовых каскадов ИБП (выпрямителя, бустера, инвертора, статического байпаса, блока реле, зарядного устройства) в различных режимах работы (сетевом, автономном, байпасе, режиме холодного старта);
обработку и анализ аналоговых сигналов измерения электрических параметров системы;
связь с персональным компьютером по RS-232 интерфейсу и обмен информацией с SNMP-адаптером;
организацию обмена данными по CAN-интерфейсу с другими ИБП при их параллельной работе;
вывод на плату дисплея сигналов информации о режиме работы ИБП, степени его загрузки, разряженности аккумуляторной батареи (АБ) и возможном аварийном состоянии ИБП.

Для выполнения указанных функций плата управления (ПУ) содержит основной микроконтроллер (МК1), вспомогательный микроконтроллер (МК2) и аналоговую часть — обвязку для сопряжения входов/выходов основного микроконтроллера (масштабирование, преобразование) с измерительными цепями и цепями управления силовых каскадов ИБП. В качестве микроконтроллера МК1 выбран цифровой сигнальный процессор (DSP) TMS320LF2406A (Texas Instruments) [6], сочетающий высокую эффективность, широкий спектр выполняемых функций и достаточно низкую стоимость. Он обладает системой команд, рассчитанных на решение задач управления в реальном масштабе времени, и мощным набором периферийных устройств и интерфейсов (CAN, SCI, SPI), ориентированных на работу в распределенных системах управления, каковой является система бесперебойного питания с параллельной работой ИБП.

Другими отличительными признаками выбранного микроконтроллера (МК1) являются:

Наличие двух модулей управления событиями (менеджеры событий), каждый из которых имеет:
- два 16-разрядных таймера общего назначения;
- восемь 16-разрядных каналов сравнения / ШИМ;
- три модуля захвата внешних событий для ввода и временной «оцифровки» импульсных сигналов;
- блок синхронизации запуска АЦП по периоду ШИМ.
Наличие 10-разрядного 16-канального АЦП с минимальным временем преобразования 0,5 мкс на один канал, включая время выборки.
Обеспечение до 40 индивидуальных программируемых портов ввода/вывода.
Пять входов внешних запросов прерываний.
Низкое потребление энергии при источнике питания 3,3 В.

Рис. 2. Обозначения входных и выходных сигналов МК1

Наличие встроенных модулей генераторов периодических сигналов ШИМ обеспечивает современные алгоритмы непосредственного управления IGBT-транзисторами инвертора и бустера ИБП. МК1 решает основную задачу формирования алгоритма управления силовыми каскадами ИБП и обеспечения параллельной работы нескольких ИБП на общую нагрузку. На входы МК1 поступают сигналы напряжений и токов различных узлов силовой цепи ИБП (таблица 1, рис. 2).

Аналоговые входные сигналы параметров системы

Вопрос.
Возможно ли последовательно подключить один ИБП к другому?

Не рекомендуется последовательно подключать два и более ИБП по приведенным ниже причинам:

Параллельные конфигурации источников бесперебойного питания (ИБП) уже более 35 лет используются в отрасли для защиты критической нагрузки. Применяются они и для обеспечения отказоустойчивой работы критических приложений дата-центра. Но какую схему резервирования выбрать при строительстве коммерческого дата-центра в условиях, когда, с одной стороны, бюджет ограничен, а с другой – защита клиентского оборудования и приложений является приоритетом номер один?

N+1: ПУСТЬ ОН В СВЯЗКЕ С ТОБОЙ ОДНОЙ…

В настоящее время наиболее широко распространены параллельные системы с резервированием N+1 (см. рис 1). При отказе одного источника система будет оставаться работоспособной за счет того, что нагрузку на себя берет резервный ИБП. Параллельная система теоретически может быть собрана из любого количества источников – главное, чтобы их общая мощность обеспечивала номинал мощности, которую потребляет нагрузка, плюс один резервный источник. У параллельной системы, спроектированной более дробно, превышение суммарной мощности над номиналом будет меньше. Например, если нагрузка составляет 400 кВА, то можно взять три ИБП по 200 кВА (200+200+200). Превышение мощности такой системы над мощностью нагрузки составит 200 кВА (50% по отношению к нагрузке). А вот если взять менее мощные ИБП, например, 4 ИБП по 100 кВА, то еще одна идентичная система в резерве даст перебор мощности всего на 100 кВА (25%).

Казалось бы, дробная схема более экономична… Но на практике, с учетом кабелей, ПНР, инсталляции, монтажа и даже просто стоимости ИБП, эти выгоды становятся неочевидны, да и места дробная система занимает больше… Поэтому при всем том, что на первый взгляд заманчиво предпочесть большую дробность, схема N+1 обычно сводятся к 2+1, 3+1 – и крайне редко к 4+1.

В дата-центрах с критической нагрузкой схему N+1 применяют крайне редко, да и то из-за ограниченности бюджета. Слабое место этой схемы – единая точка отказа: шина, по которой обеспечивается связь ИБП и нагрузки. При необходимости проведения регламентных работ (например, когда нужно затянуть болты на шине) нагрузку придется отключить от группы ИБП. Самой эффективной стратегией в этом случае будет подключить нагрузку ко второму фидеру от города.

2N – ДВОЙНАЯ БРОНЯ

Идеология стандарта TIA 942 для дата-центров требует, чтобы система продолжала оставаться работоспособной, даже если любой из ее элементов вышел из строя. Учитывая, что почти вся современная нагрузка имеет два независимых блока питания, совершенно естественно напрашивается иная схема подключения – «2N». Каждый из входов (блоков питания сервера) питается от отдельной группы ИБП (См. Рис. 2). В настоящее время обозначилось стремление производителей оборудования увеличить количество блоков питания до трех и выше. Так что если через пять лет будет широко практиковаться три или четыре блока питания, схема резервирования может соответственно измениться с 2N до 3N или даже 4N.

Сравнение показывает, что количество устройств во второй схеме больше, и соответственно она дороже. Но с точки зрения надежности выход из строя любого источника или всей группы не приводит к потере нагрузки, которая плавно уходит на резервный ввод.

3/2 N – ЗВЕЗДНОЕ РЕШЕНИЕ

Искусство проектирования систем защиты электропитания позволяет максимально сохранить надежность системы, но при этом существенно снизить капитальные затраты. Таким решением является схема, приведенная на Рисунке 3. Конечно, эта схема не является инновационным открытием. В мире DRUPS – дизельных роторных ИБП-систем – эта схема называется IP-Star.

На рисунке 4 эта же схема представлена в виде звезды. Ее применение в новом дата-центре компании DataPro в Твери позволяет сохранить уровень надежности практически тот же, что и в схеме 2N, но при этом существенно снизить капитальные затраты.

В новом дата-центре будут введены в строй три серверных зала. Общая мощность потребления нагрузки каждого помещения составляет 400 кВА. Каждая нагрузка в такой схеме подключена к двум активным входам. Каждая группа ИБП включает три источника мощностью 200 кВА каждый – два основных и один резервный. Общая установленная мощность при этом составляет 1800 кВА. Из схемы видно, что при отказе одного из источников с высокой вероятностью нагрузка не теряется. И даже если произойдет авария на централизованной шине одной из групп ИБП, нагрузку подхватит соседняя группа ИБП от другого ввода. Очевидно, что если бы в ЦОДе было не три, а четыре зала, то схема называлась бы не 3/2 N, а 4/3 N.
В нормальном рабочем режиме каждая из нагрузок защищена источниками бесперебойного питания с обоих вводов. При пропадании одного из лучей работоспособность сохраняется. Количество ИБП в этой схеме меньше, в сравнении со схемой 2N (3x200x4)=2400) система дешевле – преимущества третьей схемы (3x200x3=1800 кВА) очевидны.

В целом в третьей схеме все достоинства схемы 2N сохраняются. При этом ИБП загружены на 2/3 от номинала, а не на 50% как в схеме 2N. Поэтому и КПД выше – соответственно счета за электричество меньше. Правда, у качественных источников КПД в зависимости от степени загруженности деградирует не очень сильно. Но в целом и по капитальным затратам, и по операционным расходам схема 3 получается дешевле, чем схема 2N, хотя и несколько дороже, чем N+1. И это при практически том же уровне надежности как у 2N.

В дата-центре компании DataPro в Твери схема резервирования 3/2 N впервые перемена в России и сертифицирована Uptime Institute.

Коротко о главном:
• Дата-центр DataPro в Твери
• Общая площадь ЦОД 2650 м.кв.
• Максимальная мощность 4,5 МВт
• 4 машинных зала с возможностью размещения до 100 стоек в каждом
• Проектная мощность ИТ-оборудования от 3 кВт до 20 кВт на стойку
• Сертификация на соответствие Tier III Uptime Institute Design и Facility*
• Ввод в эксплуатацию в октябре 2013 г.

Комментарий экспертов:

Сергей Ермаков — технический директор компании Inelt.
Проблемы, которые возникают во второй схеме подключения, в основном лежат в плоскости взаимодействия со службами ИТ. На деле при эксплуатации подобных систем отсутствие одного ввода для эксплуатационной команды ИТ-подразделения означает тревогу (alarm): сигнал поступает от системы мониторинга и фиксируется в журнале событий. И не важно, что переключение было предусмотрено схемным решением и при этом процесс не остановился – для ИТ это уже повод писать рапорты о том, что энергетики не обеспечили один из вводов, и начать внутренне расследование.

Именно поэтому там, где требуется высоконадежное решение, предусматривают резервные ИБП на два плеча, но тогда схема из 2N грозит трансформироваться в 2(N+1), что соответствует Tier 4 и еще более удорожает решение. Есть и промежуточные решения – N+ (N+1), когда резервируется только одна из ветвей. Компромисс в том, что в этом случае сокращается количество сигналов тревоги, но они не ликвидируются вообще.

Чтобы сократить длительности алармов, можно ввести большое количество кросс-сочленений, которые в ручном, автоматическом или полуавтоматическом режиме в случае аварии позволят запустить резервный ИБП. Но традиционно к взаимным перехлестным соединениям специалисты относятся настороженно, потому что при эксплуатации таких систем высока вероятность ошибки по неосторожности. С этим тоже можно бороться, но в целом все ухищрения лишь усложняют схему, что, в конечном счете, снижает общий уровень надежности.

Юрий Копылов — технический директор компании Eaton
В настоящее время в дата-центрах стоит актуальная задача – резервирование питания виртуализованных серверов в среде облачных вычислений. В зависимости от производителя эта проблема уже решается средствами ИБП и соответствующего программного обеспечения и систем мониторинга, которые позволяют не дожидаться, когда полностью исчезнет питание на вводе, а перенести критически важные приложения на другие виртуальные серверы, функционирующие в другой зоне. Такие решения уже предложены компанией Eaton: ИБП и система виртуализации уже научились перемещать наиболее критичные приложения на те виртуальные серверы, где проблемы питания физической ИТ-инфраструктуры отсутствуют.

Интересные решения могут получиться, если в любой из рассмотренных схем применить современные «модульные» ИБП, где каждый из ИБП не является единым устройством на 200 кВА (как в примерах), а сам состоит из интеллектуальных модулей, работающих в параллельном режиме. Они не только обеспечивают внутреннее резервирование и некоторую избыточность самого ИБП, повышая его надежность, но и в связке с другими ИБП параллельной системы образуют некую «матричную структуру», автоматически перераспределяющую общую нагрузку среди работающих модулей.

Читайте также: