Как устроен и как работает бесперебойник

Источник бесперебойного питания - это устройство между розеткой и техникой, которое переводит нагрузку на батарею, когда в сети пропадает или скачет напряжение. Внутри четыре обязательных узла: аккумулятор, зарядное устройство, инвертор и блок управления. Пока с сетью всё в порядке, бесперебойник питает технику от неё и подзаряжает батарею. Напряжение ушло - за несколько миллисекунд нагрузка переходит на инвертор, который делает из постоянного тока батареи привычные 220 В.

ИБП, UPS и бесперебойник - три названия одного устройства. Пишут по-разному, правильный вариант один: бесперебойник, через «с».

Дальше - как бесперебойник работает в каждом из режимов, что происходит внутри корпуса в первые миллисекунды после аварии и какие строки в паспорте ИБП реально что-то значат.

Что такое ИБП и зачем он нужен

ИБП решает две задачи, и путать их не стоит.

Первая - дать технике дожить до корректного выключения. Сеть пропала, сервер продолжает работать от батарей, за это время он успевает сбросить кеш на диск, закрыть базу и погасить виртуальные машины. Речь про минуты. Типовой офисный ИБП под половинной нагрузкой держит от 5 до 20 минут.

Вторая - фильтровать то, что приходит из розетки. Просадки, скачки, импульсные помехи от сварочного аппарата за стеной, перекос фаз. Техника от этого не выключается сразу, но живёт заметно меньше.

Для домашнего компьютера критична обычно только первая задача. Для сервера, где в оперативной памяти висит незаписанная транзакция, - обе.

ИБП: устройство и принцип работы

Из чего состоит ИБП

Обязательный минимум - четыре узла:

• Аккумуляторная батарея. Чаще всего свинцово-кислотная, герметичная. Копит энергию, пока есть сеть, и отдаёт, когда сети нет. Часть моделей продаётся без батарей, под подключение внешних блоков - так автономию можно нарастить до нужной.
• Зарядное устройство. Подзаряжает батарею и следит, чтобы она не кипела от перезаряда.
• Инвертор. Преобразует постоянные 12, 24 или 48 В батареи в переменные 220 В. Это тот узел, который определяет, какой формы ток получит ваша техника.
• Блок управления. Измеряет входное напряжение, принимает решение о переходе на батарею, отдаёт данные наружу.

Дальше идёт то, что есть не у всех:

Подробный разбор каждого узла - в материале из чего состоит ИБП.

Что делает каждый узел

Логика простая. Зарядное держит батарею полной. Блок управления непрерывно меряет, что приходит из розетки. Пока значения в норме - силовая часть спит. Как только напряжение вышло за границы, управление даёт команду, и инвертор начинает отдавать ток в нагрузку.

Разница между типами ИБП сводится к одному вопросу: в какой момент включается инвертор и включается ли он вообще.

Три состояния ИБП: куда идёт ток

Это то, что обычно рисуют схемой, а мы опишем словами. Возьмём линейно-интерактивный ИБП - в офисе он встречается чаще всего.

Два вывода из этой таблицы. Во-первых, переключений всегда два: туда и обратно. Во-вторых, при небольших отклонениях батарея не расходуется вообще - за это и любят линейно-интерактивную схему.

У онлайн-ИБП таблица короче, потому что состояние всего одно: нагрузка всегда питается от инвертора, а сеть только заряжает. Переключаться не нужно, провала нет.

Первые миллисекунды: почему сервер не замечает провала

На этом чаще всего и спотыкаются.

Когда резервный или линейно-интерактивный ИБП уходит на батарею, нагрузка на несколько миллисекунд остаётся вообще без питания: реле должно разомкнуть вход и замкнуть выход инвертора. У массовых моделей это 2-10 мс, конкретное число пишут в паспорте.

Почему компьютер не выключается? Потому что его блок питания рассчитан на такой провал. Стандарт ATX требует, чтобы блок питания держал выходные напряжения не менее 17 мс после исчезновения входного - за счёт энергии, запасённой в конденсаторах. Серверные блоки питания проектируют по тому же принципу.

Отсюда правило: пауза переключения ИБП должна быть меньше, чем запас блока питания. 8 мс против 17 мс - нормально. 8 мс против дешёвого блока, который держит 10 мс на полной нагрузке, - уже лотерея, и проявится она в самый неудобный момент, когда сервер загружен под потолок. Что стоит смотреть при подборе питания под конкретную платформу, разбирали в статье про блок питания сервера.

Три типа ИБП: резервный, линейно-интерактивный и онлайн

Типы различаются одним - схемой прохождения тока. Ниже коротко, развёрнутая классификация с мощностями и форм-факторами - в разборе про типы источников бесперебойного питания.

Резервные ИБП

Схема простая. Ток идёт из сети напрямую, при пропадании напряжения реле перекидывает нагрузку на инвертор. Стабилизации нет: если в сети стабильные 190 В, ИБП будет уходить на батарею снова и снова, пока не разрядится.

Выходной сигнал на батарее у большинства резервных моделей - не синусоида, а её ступенчатая аппроксимация. Для лампы или роутера это неважно, для серверного блока питания - важно (об этом ниже).

Подходят для домашнего компьютера, кассы, роутера. Для сервера - нет.

Линейно-интерактивные ИБП

Та же схема плюс автотрансформатор, который подтягивает напряжение в пределах примерно ±20% без ухода на батарею. Именно поэтому линейно-интерактивные модели живут там, где сеть регулярно проседает, но не пропадает совсем.

Это рабочая лошадка малого офиса: держит один-два сервера, коммутатор и сетевое хранилище.

Онлайн ИБП (с двойным преобразованием)

Здесь ток не идёт через ИБП напрямую вообще. Входное переменное напряжение выпрямляется в постоянное, а из него инвертор снова собирает переменное. Отсюда и название - двойное преобразование.

Что это даёт: на выходе всегда одна и та же синусоида нужной амплитуды и частоты, независимо от того, что творится на входе. Переключаться некуда, значит нет и паузы. Частота на выходе тоже стабилизируется - для оборудования, чувствительного к частоте, это единственный вариант.

Чем платим: цена выше в разы, вентиляторы шумят постоянно, тепла выделяется больше, батарея работает всё время и изнашивается быстрее.

Про КПД: распространённое заблуждение

В интернете часто пишут, что онлайн-ИБП «эффективнее» резервных. С точки зрения качества питания - да. С точки зрения КПД - ровно наоборот.

Резервные и линейно-интерактивные модели при работе от сети пропускают ток почти напрямую и отдают КПД в районе 95-99%. Онлайн-ИБП гонит энергию через два преобразования, и часть её оседает в тепле: типичный КПД 92-96%. Эко-режим, в котором онлайн-ИБП временно работает как линейно-интерактивный, поднимает цифру до 98-99%, но на это время отключается та самая защита, ради которой его покупали.

На счёте за электричество разница в 4-5% при круглосуточной работе стойки заметна. На надёжности питания - тоже, только в другую сторону.

Мощность: чем В·А отличаются от ватт

На корпусе ИБП написано что-то вроде «1500 В·А / 900 Вт». Это не опечатка и не два способа сказать одно и то же.

Вольт-амперы (В·А) - полная мощность, которую ИБП может пропустить через себя. Ватты - активная мощность, та самая полезная работа. Отношение между ними называется коэффициентом мощности: у недорогих бытовых моделей он около 0,6, у серверных и онлайн-ИБП - 0,8-1,0.

Считать нагрузку нужно по ваттам, а сравнивать с ваттной строкой в паспорте. Считать по вольт-амперам и радоваться запасу - классическая ошибка, после которой ИБП уходит в перегрузку на первом же старте.

Пример. Три сервера по 200 Вт дают 600 Вт. Добавляем запас на пики потребления и на будущий рост - для серверной нагрузки обычно берут 20-30%, получается около 780 Вт. Значит, нужен ИБП с активной мощностью не меньше 800 Вт, а это в зависимости от коэффициента мощности от 1000 до 1500 В·А. Модель на «1000 В·А» с коэффициентом 0,6 даст всего 600 Вт и не подойдёт, хотя цифра на коробке выглядит достаточной.

Особый случай - нагрузка с электродвигателем: насос, компрессор, котёл отопления. В момент пуска они потребляют в три-семь раз больше номинала, и запас считается уже в разах, а не в процентах.

Как связать мощность с нужным временем автономии и какие модели закрывают типовые серверные конфигурации - в материале как выбрать ИБП для сервера.

Форма сигнала: синусоида, ступеньки и активный PFC

В сети напряжение меняется по синусоиде. Инвертор эту синусоиду воспроизводит - и вот насколько точно, зависит от класса ИБП.

Недорогие резервные модели выдают на батарее ступенчатую аппроксимацию: несколько прямоугольных ступенек, которые издалека напоминают синусоиду. Онлайн-ИБП и хорошие линейно-интерактивные дают настоящую синусоиду с коэффициентом гармонических искажений (THD) обычно ниже 3%. Утверждение «ни один ИБП не выдаёт чистую синусоиду» гуляет по интернету и неверно - выдают, просто не все.

Почему это важно именно для серверов. В блоках питания серверов и мощных рабочих станций стоит активный корректор коэффициента мощности (APFC). Он рассчитан на синусоидальный вход и на ступеньках работает некорректно: гудит дроссель, растёт потребление, срабатывает защита ИБП по току. Иногда связка живёт годами, иногда сервер уходит в перезагрузку ровно в момент перехода на батарею - то есть тогда, когда ИБП должен был спасти.

Что ИБП стабилизирует сам, а когда нужен стабилизатор

AVR: встроенная стабилизация

Линейно-интерактивные и онлайн-ИБП умеют выправлять напряжение сами - функция называется AVR. Работает она переключением отводов обмотки автотрансформатора: напряжение просело - добавили витков, подскочило - убрали. Ступенчато, грубовато, но батарею экономит здорово.

Диапазон, в котором AVR справляется, обычно около ±20% от номинала. Дальше ИБП сдаётся и уходит на батарею.

Когда нужен отдельный стабилизатор

Если у вас в сети хронические 170 В, AVR будет вытягивать их до нижней границы, а ИБП - регулярно уходить на батарею и разряжаться. Батарея от постоянных циклов деградирует за год-полтора.

В такой ситуации ставят отдельный стабилизатор напряжения, и ставят его перед ИБП, а не после. Причина в форме сигнала: большинство стабилизаторов рассчитаны на синусоиду из сети, а получив на вход ступенчатую аппроксимацию от инвертора, работают некорректно и греются. Порядок «розетка - стабилизатор - ИБП - нагрузка» единственно верный.

Что брать, если бюджет только на одно устройство, мы сравнивали здесь: стабилизатор или бесперебойник.

Помехи и фильтры

Кроме провалов и скачков в сети живут помехи. Импульсные - от коммутации мощной нагрузки, грозовых разрядов, сварки. Высокочастотные - постоянный фон от включения и выключения любых потребителей.

С ними борются варисторами и высокочастотными фильтрами на входе. Варистор гасит импульс, приняв удар на себя, и со временем изнашивается. Фильтр давит помеху непрерывно. В резервных ИБП фильтрация минимальная, в онлайн-моделях нагрузка от сетевых помех отделена самой схемой двойного преобразования.

Генератор: когда ИБП мало

ИБП не рассчитан на долгую автономию: удвоить время работы означает удвоить количество батарей, и на паре часов такая арифметика перестаёт сходиться. При отключениях, которые длятся часами, ставят дизельный или бензиновый генератор, а ИБП закрывает те 10-60 секунд, пока генератор заводится и выходит на режим.

Тут есть тонкость: генератор даёт нестабильную частоту, особенно в первые секунды. Резервные ИБП такое питание часто не принимают и продолжают сидеть на батарее. Онлайн-ИБП с широким диапазоном по частоте с генератором дружит лучше.

Схемы подключения: 220 В, 380 В и постоянный ток

Однофазные ИБП на 220 В закрывают почти все офисные задачи - от одиночного компьютера до небольшой стойки.

Трёхфазные (380 В на входе, 380 или 220 В на выходе) начинают иметь смысл примерно от 10 кВА. Они дороже, требуют отдельного ввода и грамотного распределения нагрузки по фазам, зато не создают перекоса. Подробности - в разборе про трёхфазные ИБП.

Отдельный класс - ИБП постоянного тока. Часть оборудования питается напрямую от 12, 24 или 48 В: системы связи, контроллеры, охранные системы. Такому потребителю инвертор не нужен вообще, и в маркировке модели стоит «DC». В энергетике и на промышленных объектах встречаются и более высокие постоянные напряжения - 60, 110, 220 В.

Управление: интерфейсы, SNMP-карта и корректное завершение работы

Само по себе питание от батареи данные не спасёт. Спасёт корректное выключение - а для этого ИБП должен успеть сказать серверу, что случилось.

Способов три:

• USB или RS-232. Кабель от ИБП к одному серверу, на сервере - агент производителя или свободный демон вроде NUT. При переходе на батарею агент получает событие, ждёт заданное время и запускает штатное выключение. Схема простая, но обслуживает ровно одну машину.
• Сетевая карта в слот расширения. ИБП получает свой IP-адрес и говорит по SNMP. Дальше его слушают все, кому надо: серверы, система мониторинга, гипервизор. Для стойки с несколькими хостами это единственный нормальный вариант.
• Интеграция с гипервизором. VMware и Hyper-V умеют по сигналу от ИБП гасить виртуальные машины в заданном порядке, а следом и сам хост. Порядок здесь важнее скорости: сначала приложения, потом базы, потом инфраструктура.

Настройку стоит проверять не в теории. Выдерните вход ИБП и посмотрите, что произойдёт за отведённое время: успел ли сервер погасить базу, не осталось ли машин в состоянии «выключается».

Батареи: почему автономия падает

Свинцово-кислотная батарея теряет ёмкость с первого дня. Через 3-5 лет типовая сборка отдаёт заметно меньше паспортного времени, а на морозе или в жаркой серверной - ещё меньше: повышенная температура сокращает срок службы примерно вдвое на каждые 10 градусов сверх нормы.

Практический вывод: время автономии, которое ИБП показывал при покупке, через три года смотреть бессмысленно. Проверять надо тестом под реальной нагрузкой. Индикатор заряда тут не показатель - он говорит про напряжение, а не про остаток ёмкости.

Характеристики в паспорте: что означает каждая строка

Строку «время автономии» в паспорте пишут для одной конкретной нагрузки, обычно для половинной. При полной нагрузке время падает не вдвое, а сильнее.

Дома, в офисе и в серверной: что меняется

Устройство ИБП везде одинаковое, отличаются требования.

Дома обычно нужен резервный или простой линейно-интерактивный ИБП: компьютер, роутер, охранная система. Исключение - газовый котёл с циркуляционным насосом: там нужна синусоида и запас на пусковой ток, ступенчатая аппроксимация электронику котла может не устроить.

В офисе ИБП чаще всего защищает башенный сервер в подсобке, коммутатор и хранилище. Здесь уже стоит смотреть на форму сигнала, на управление по сети и на возможность заменить батареи, не выключая нагрузку.

В серверной к ИБП добавляются вещи, которых нет ни дома, ни в офисе: распределение по фазам, распределители питания в стойке, схема обхода на время обслуживания, теплоотвод. Один ИБП на 10 кВА греет помещение как небольшой обогреватель, и это надо закладывать в расчёт кондиционирования. Требования к размещению разбирали в материале про ИБП в серверной комнате.

Когда ИБП не поможет

Границы честнее знать заранее.

Отключение на час и дольше - это уже территория генератора. Наращивать батареи до такой автономии дороже, чем купить генератор, и места они займут больше.

Пусковые токи сверх расчёта тоже кладут ИБП в защиту: компрессор или насос в момент старта берёт кратно больше номинала, даже если по паспортным ваттам всё сходилось.

Аварию на стороне нагрузки бесперебойник не лечит. Замкнувший блок питания сервера он не починит - просто снимет напряжение с выхода.

С грозой сложнее. Варисторы на входе гасят импульс из розетки, но прямой разряд по кабелю ИБП не остановит: это задача устройств защиты на вводе здания.

И главное. ИБП, батареи которого три года не проверяли, при аварии отработает секунды. Формально устройство есть, фактически защиты нет.

Частые вопросы

Как правильно называется - ИБП, UPS или бесперебойник?
Это одно устройство. ИБП - источник бесперебойного питания, UPS - то же самое по-английски (uninterruptible power supply), бесперебойник - разговорное название.

Регулирует ли ИБП частоту?
Резервные и линейно-интерактивные - нет, при работе от сети они пропускают частоту как есть. Онлайн-ИБП частоту стабилизируют, потому что собирают выходное напряжение заново.

Бесперебойник выдаёт постоянное напряжение?
На выходных розетках - переменное, обычные 220 В. Постоянный ток есть только внутри, на батарее. Отдельные модели с маркировкой «DC» выдают наружу постоянные 12, 24 или 48 В, но это специальный класс под связное и охранное оборудование.

Бесперебойник стабилизирует сеть?
Частично. Линейно-интерактивные и онлайн-модели выправляют напряжение в диапазоне около ±20%. За пределами этого нужен отдельный стабилизатор.

ИБП - это трансформатор?
Нет. Трансформатор внутри есть у линейно-интерактивных моделей, но им дело не ограничивается: главная часть - инвертор, который собирает переменное напряжение из постоянного.

Резервное питание и бесперебойное - одно и то же?
Не совсем. Бесперебойное подразумевает, что нагрузка не остаётся без питания вовсе или остаётся на миллисекунды. Резервное - что источник включится через какое-то время, и это время может измеряться секундами, как у генератора.

Сколько сервер проработает от ИБП?
Зависит от загрузки и состояния батарей. Типовой офисный ИБП на 1000-1500 В·А под одним сервером даёт 10-20 минут в первый год и заметно меньше на четвёртый. Планировать надо не «сколько продержимся», а «успеем ли корректно выключиться».