Тестирование источников бесперебойного питания
Компьютер как потребитель электроэнергии
Best Power Patriot Pro II 400 VA
Liebert PowerSure ProActive PSA 350-230
MGE UPS Pulsar Ellipse Premium 500
В тестовой лаборатории «КомпьютерПресс» проведено тестирование 17 источников бесперебойного питания: APC Back-UPS CS 350, APC Back-UPS Pro 420, APC Back-UPS CS 500, Best Power Patriot Pro II 400 VA, Eline Power ELP-350, Eline Power ELP-500, Liеbert PowerSure ProАctive PSA 350-230, MGE UPS Pulsar Ellipse 300, MGE UPS Pulsar Ellipse Premium 500, NeuHaus SmartLine 450, Powercom BNT 400 VA, Powerman BackPro 500, Powerman BackPro 500 Plus, Powerware 3110 425i, Powerware 3110 600 VA, Powerware 5115 500 VA, Tripp-Lite OmniSmart 500.
Введение
Компьютер как потребитель электроэнергии
Компьютерная техника как потребитель электроэнергии имеет свои особенности, которые надо учитывать для правильной оценки применяемых совместно с ней источников бесперебойного питания (ИБП). Для облегчения конструкции блоков питания компьютерной техники в них используется высокочастотное преобразование (это не касается внешних сетевых адаптеров). Сетевое переменное напряжение частотой 50 Гц выпрямляется при помощи диодного моста, фильтруется конденсатором и преобразуется инвертором в высокочастотное (десятки килогерц). Это высокочастотное напряжение понижается при помощи ферритового высокочастотного трансформатора, выпрямляется и фильтруется. Такая схемотехника позволила добиться высоких массо-габаритных показателей, свойственных современной компьютерной технике. Причина усложнения схемотехники заключается в том, что габариты и вес трансформатора сильно зависят от частоты трансформируемого напряжения, причем они уменьшаются с ростом частоты. Требуемая емкость сглаживающих конденсаторов фильтра выпрямителя также снижается с ростом частоты выпрямляемого напряжения.
Наличие на силовом входе компьютера выпрямителя с фильтрующим конденсатором значительной величины (150 и более микрофарад, в зависимости от мощности блока питания) обусловливает особые свойства компьютера как потребителя электроэнергии.
Большую часть каждого полупериода напряжение на конденсаторе фильтра выше по абсолютной величине, чем сетевое напряжение. Поэтому диоды выпрямительного моста в основном закрыты и ток через них не идет. В тот момент, когда сетевое напряжение превышает напряжение на конденсаторе фильтра, диоды открываются и остаются в таком состоянии до тех пор, пока сетевое напряжение не снизится до значения меньшего, чем имеется на конденсаторе фильтра.
Упрощенная схема входной части блока питания компьютера
Сетевое напряжение (красная линия) и потребляемый ток (синяя линия)
Таким образом, ток потребления компьютера от сети переменного тока носит импульсный характер, а продолжительность этих импульсов не превышает 2,5-3 мс при длительности полупериода сетевого напряжения 50 Гц, равной 10 мс, а амплитудное значение этих пиков в 1,5 раза превышает амплитудное значение тока, протекающего через электрическую лампу мощностью 300 Вт.
Все вышеизложенное верно и в отношении мониторов и другого компьютерного оборудования, питающегося непосредственно от сети, а не через адаптер.
Импульсный характер потребления тока компьютерным оборудованием делает измерение потребляемой им мощности весьма проблематичным. Мощность является произведением напряжения и тока. В случае с переменным током пользуются так называемыми эффективными значениями, то есть постоянным напряжением и током, которые произвели бы в нагрузке то же самое количество теплоты за равное время. Для синусоидальной формы напряжения эффективное значение получается умножением амплитудного на корень из двух. При импульсном токе вычисление коэффициента формы носит гораздо более сложный характер. Положение усугубляется и тем фактором, что форма импульсов может зависеть от схемотехники конкретного блока питания.
Напряжение и потребляемый ток в начале разряда аккумулятора ИБП APC Back-UPS
CS 500
Напряжение и потребляемый ток в конце разряда аккумулятора ИБП APC Back-UPS
CS 500
Еще одна особенность компьютера как потребителя электроэнергии заключается в том, что потребляемый ток возрастает с уменьшением входного напряжения. Это происходит из-за того, что потребляемая мощность постоянна, а она равна произведению тока и напряжения.
Следовательно, можно сделать два вывода. Во-первых, нагружать ИБП другой нагрузкой, помимо компьютера, было бы методически неправильно. Если ИБП имеет на выходе напряжение, близкое к синусоидальному (такое иногда встречается), то характер потребляемого тока изменится. Во-вторых, измерить мощность, потребляемую компьютером, не так просто, как кажется. Однако если нагружать все ИБП одним и тем же компьютером и измерять время, прошедшее до полного разряда аккумулятора, то будут получены достоверные сравнительные результаты.
 |
|
Классификация
Off-Line ИБП состоят из фильтра, инвертора, устройства контроля и аккумулятора. Фильтр служит для очистки сетевого напряжения от высокочастотных помех. В недорогих ИБП он состоит в лучшем случае из одного варистора, защищающего от выбросов напряжения выше 400 В, иногда дополненного LC-фильтром, так что не стоит обольщаться надписью Filtered, нанесенной на одну или несколько розеток. Устройство контроля следит за степенью заряда аккумулятора и величиной сетевого напряжения, включая при его исчезновении инвертор. Время перехода на работу от батарей является важной характеристикой ИБП и, как правило, не превышает 20 мс. Инвертор преобразует низкое постоянное напряжение аккумулятора в переменное напряжение с частотой около 50 Гц и формой, как правило, близкой к прямоугольной. Во время работы от аккумулятора устройство контроля следит за степенью заряда аккумулятора и при его снижении ниже определенной величины отключает инвертор. Устройство контроля управляет и работой динамика, который звуковым сигналом (попискиванием) оповещает пользователя о том, что сетевое напряжение отключено. У большинства ИБП характер попискивания меняется в процессе разряда аккумулятора — становится более частым по мере приближения к моменту отключения инвертора (рис. 1).
ИБП Line-Interactive (взаимодействующие с линией) включают те же узлы, что и предыдущие, но к ним добавляется трансформатор. Функции устройства контроля дополняются отслеживанием сетевого напряжения и переключения при помощи реле отводов обмотки трансформатора для поддержания выходного напряжения в разумных пределах. При снижении сетевого напряжения ниже критического ИБП этого класса также переходят в режим преобразования энергии, запасенной в аккумуляторе. Некоторые ИБП отключаются от сети и переходят на работу от аккумулятора при превышении сетевым напряжением заданного предела — обычно 260 В и более (рис. 2).
Близко к Line-Interactive находятся феррорезонансные ИБП, которые стабилизируют выходное напряжение за счет встроенного феррорезонансного стабилизатора. При выходе сетевого напряжения за рабочие границы они также переключаются на работу от аккумулятора.
On-Line ИБП всегда работают от аккумулятора, который, при наличии сетевого напряжения, постоянно подзаряжается. Благодаря этому отсутствует провал выходного напряжения, сопровождающий переход на работу от аккумулятора остальных классов. Кроме того, для поддержания имиджа ИБП высокого класса они, как правило, имеют выходное напряжение, близкое по форме к синусоидальному (рис. 3).
Гибрид On-Line и Line-Interactive называется ИБП с дельта-преобразованием (греческой буквой «дельта» (D) обычно обозначают малую разность). Эти ИБП производят стабилизацию выходного напряжения посредством преобразования небольшой части входного напряжения. В результате алгебраического суммирования этой части с нестабильным входным напряжением получается стабилизированное выходное напряжение (рис. 4).
Отдельно следует упомянуть и о входящих в моду розетках для фильтрации телефонных линий. Фильтр, как правило, состоит из варистора на напряжение 300-400 В (что в любом случае не помешает), а иногда и из пары резисторов приблизительно по 200 Oм (что при хорошем согласовании аппарата или модема с линией может помешать, а при плохом все равно не поможет). Сами гнезда обычно имеют разъем RJ-45 (восемь выводов), при помощи которого можно подключить системный телефон от мини-АТС старых моделей (например, AT&T MLS-34), да и телефонный шнур с разъемом RJ-11 в них тоже можно вставить.
Во всех современных однофазных ИБП применяются свинцовые аккумуляторы, по принципу работы схожие с автомобильными стартерными. В отличие от автомобильных, они полностью герметичные и могут работать в любом положении, что достигается применением загущенного электролита.
Как и любые другие аккумуляторы, те, что применяются в ИБП, имеют некоторые основные характеристики — номинальное напряжение, которое зависит от типа аккумулятора и количества банок в батарее, и емкость, выражаемая в ампер-часах. Следует иметь в виду, что емкость зависит от режима разряда. Например, аккумулятор HR 1224WF2F1 производства CSB Battery при разряде до напряжения 10,8 В током 16,1 А имеют емкость 2,7, а при разряде током 4,1 А — 4,1 А·ч. На большинстве же аккумуляторов указывается емкость, получаемая при 20-часовом разряде, что совершенно нехарактерно для их применения в ИБП, но позволяет изготовителям гордо заявлять о семи и даже девяти ампер-часах.
Еще один нюанс — это напряжение, до которого осуществляется разряд. Чем глубже разряд, тем быстрее происходит деградация аккумуляторов и тем меньше циклов «заряд-разряд» он выдержит. Например, если вышеупомянутый аккумулятор разряжать не до 10,8 В, а до 9,6, то емкость повышается до 3,2 А·ч, то есть почти на 20%.
И, конечно, значительное влияние на длительность работы ИБП от аккумулятора оказывает КПД инвертора: чем он выше, тем дольше период автономной работы ИБП при прочих равных условиях.
|
|
Критерии отбора
Для испытаний был выбран диапазон мощностей от 300 до 600 В·А стоимостью до 150 долл., как наиболее массовый.
Методика тестирования
ля
оценки формы выходного напряжения, процесса перехода ИБП на питание от аккумулятора
и процесса отключения нагрузки использовался стенд, состоящий из устройства
синхронизации и компьютера, снабженного звуковой картой. Устройство синхронизации
использовалось для отключения ИБП от сети во время достижения вершины положительного
полупериода сетевого напряжения, что позволило получить сравнимые осциллограммы
процесса перехода на питание от аккумулятора (рис. 5).
В сочетании с прилагаемой к звуковой карте утилитой Audio Rack, предназначенной для записи wav.-файлов от внешних источников сигнала, компьютер выполнял функции цифрового регистратора с полосой частот до 22 кГц. С целью исключения повреждения компьютера сетевым напряжением использовались развязывающие трансформаторы. Поскольку при измерениях были интересны в первую очередь временные параметры (время перехода на аккумулятор, характер отключения нагрузки), то калибровка стенда по амплитуде не проводилась. Качественно значения напряжений и токов можно оценить по приводимой осциллограмме напряжения и тока при нагрузке лампой накаливания мощностью 300 Вт (рис. 6).
Для оценки времени разряда аккумуляторной батареи до критического значения использовался компьютер с процессором Pentium III 800 МГц и диском емкостью 40 Гбайт. Все возможности по управлению потребляемой мощностью были отключены. От того же ИБП был запитан монитор LG Flatron 795FT Plus (диагональ 17”). Общее энергопотребление составляло около 200 Вт — это является типичным и лежит в верхней части диапазона, обычного для рабочих станций среднего класса. Перед началом измерения проводилась зарядка аккумулятора от сети в течение не менее 12 ч. Отсчет времени проводился при помощи секундомера, работающего на другом компьютере.
В качестве основного критерия оценки было выбрано максимальное время работы от аккумуляторной батареи. Хотя потребляемая мощность не поддается точному измерению по причинам, изложенным выше, сравнение работы различных ИБП на одну и ту же нагрузку дает вполне объективные результаты.
Результаты тестирования приведены в таблице.
Результаты тестирования ИБП
|
|
Результаты тестирования
Выбор редакции
Учитывая, что наличие функции управления повышает как цену, так и ценность ИБП, определение выбора редакции производилось в двух категориях ИБП — управляемые и неуправляемые. Наличие технологии Line-Interactive не учитывалось, так как современные компьютеры обеспечивают работу в весьма широком диапазоне напряжения питания, а мониторы способны работать при напряжении питания до 90 В.
Среди управляемых ИБП лучшими в номинации «Самый качественный ИБП» были признаны ИБП Powerware 3110 600 VA, а среди неуправляемых — MGE UPS Pulsar Ellipse 300. В номинации «Оптимальная покупка» среди управляемых ИБП выбор редакции получил Powerman BackPro 500 Plus, а среди неуправляемых — Powerman BackPro 500.
|
|
APC Back-UPS CS 350
Источник бесперебойного питания APC Back-UPS CS 350 относится к классу Off-Line и обладает выходной мощностью 350 В·А. Эта модель специально разработана для защиты настольных ПК.
На передней панели устройства расположены четыре светодиодных индикатора и кнопка включения ИБП. При включении ИБП после прохождения процедуры самотестирования загорается индикатор On-Line, указывающий на нормальную работу ИБП от внешнего источника питания. При отключении внешнего питания ИБП издает сигнал тревоги (серии четырех коротких зуммеров с длительной паузой) и загорается индикатор On Battery, соответствующий режиму работы от аккумуляторной батареи. Еще один индикатор Overload указывает на режим перегрузки, а последний индикатор Replace Battery предупреждает о необходимости замены аккумуляторной батареи.
На задней панели ИБП расположены четыре розетки для подключения внешних устройств, три из которых поддерживают режим работы от аккумуляторной батареи, а одна предназначена для фильтрации напряжения при всплесках и позволяет подключать устройство, не нуждающееся в защите при отключении внешнего питания. Кроме того, на задней панели расположены два гнезда RJ-45 для защиты телефонной линии от всплесков напряжения.
Имеется также разъем RJ-45 для подсоединения ИБП к USB- или RS-232-порту компьютера. Оба кабеля (с USB и RS-232-разъемами) входят в комплект поставки ИБП.
Для управления и мониторинга состояния ИБП прилагается компакт-диск с утилитой мониторинга PowerChute plus. С помощью данного ПО возможно контролировать ИБП не только локально, но и по сети.
Главное окно программы мониторинга
В этой модели ИБП используется аккумуляторная батарея EXIDE Powersafe EP7-12 с напряжением 12 В и емкостью 7 А·ч.
Осциллограмма переключения на аккумулятор и форма импульса в начале разряда
аккумулятора
Форма импульса в конце разряда батареи
По результатам тестирования продолжительность разрядки батареи при нагрузке с одним компьютером и 17-дюймовым монитором составляет 16 мин 5 с, при этом за 3 мин до отключения начинает срабатывать соответствующий сигнал тревоги.
При понижении входного напряжения до 181 В источник переходит на питание от аккумуляторной батареи. С повышением входного напряжения до 191 В выполняется возврат к работе от сети. Отметим, что ступенчатая релейная схема стабилизации напряжения в данной модели ИБП отсутствует.
Время переключения на батарею при отключении внешнего питания составляет не более 10 мс, а форма импульса в начале и в конце разрядки батареи претерпевает существенные изменения.
|
|
APC Back-UPS Pro 420
Модель APC Back-UPS Pro 420 относится к классу Line-Interactive и обладает выходной мощностью 420 В·А. Стабилизация напряжения (Automatic Voltage Regulation, AVR) в случае его повышения или понижения относительно номинального значения происходит с помощью ступенчатой релейной схемы с использованием фирменных технологий SmartBoost и SmartTrim.
На передней панели устройства расположены четыре светодиодных индикатора и кнопка включения ИБП. При включении ИБП загорается индикатор, указывающий на нормальную работу ИБП от внешнего источника питания. При отключении внешнего питания ИБП издает сигнал тревоги (серии четырех коротких зуммеров с длительной паузой) и загорается индикатор, соответствующий режиму работы от аккумуляторной батареи. Имеются также индикатор режима перегрузки и индикатор, указывающий на необходимость замены аккумуляторной батареи.
На задней панели APC Back-UPS Pro 420 расположены три розетки с батарейным резервированием, одна розетка с защитой от перенапряжения (нет батарейного резервирования; предназначена для подключения принтера, факсимильного аппарата, сканера и других энергоемких периферийных устройств), два разъема RJ-11/RJ-45 для защиты телефонной линии от перенапряжения, порт RS-232 и автоматический выключатель выходного питания при перегрузке по мощности на выходе ИБП.
Для управления и мониторинга за состоянием ИБП прилагается компакт-диск с утилитой мониторинга PowerChute plus. Данное ПО дает возможность контролировать ИБП не только локально, но и по сети.
Главное окно программы мониторинга
В APC Back-UPS Pro 420 используется свинцово-кислотная аккумуляторная батарея Panasonic LC-R127R2P1 напряжением 12 В и емкостью 7,2 А·ч при 12-часовом цикле разряда.
Осциллограмма переключения на аккумулятор и форма импульса в начале разряда
аккумулятора)
Форма импульса в конце разряда батареи
Тестирование показало, что продолжительность разрядки батареи при нагрузке с одним компьютером и 17-дюймовым монитором составляет 13 мин 30 с; уже за 7 мин до отключения срабатывает соответствующий сигнал тревоги.
При понижении входного напряжения до 165 В источник переходит на питание от аккумуляторной батареи. Кроме того, при значениях напряжения 210 и 183 В срабатывает ступенчатая релейная схема стабилизации выходного напряжения, в результате чего напряжение на выходе повышается до номинального значения.
С повышением входного напряжения до 170 В происходит возврат к работе от внешней сети, а при напряжениях 195 и 218 В срабатывает ступенчатая релейная схема стабилизации напряжения, вследствие чего выходное напряжение повышается до номинального значения.
Время переключения на батарею при отключении внешнего питания составляет не более 10 мс, а форма импульса в начале и в конце разрядки батареи существенно изменяется. При полной разрядке аккумуляторной батареи ИБП отключается надлежащим образом, то есть без характерных «предсмертных судорог», как это наблюдается в некоторых других моделях ИБП.
|
|
APC Back-UPS CS 500
APC Back-UPS CS 500, как и модель CS 350, относится к классу Off-Line, но имеет выходную мощность 500 В·А. По своему внешнему дизайну оба ИБП выглядят одинаково: те же функциональные индикаторы на передней панели, совпадает и количество розеток на задней панели.
Кроме того, здесь, как и в модели CS 350, на задней панели расположены два гнезда RJ-11/RJ-45 для защиты телефонной линии от всплесков напряжения. Имеется также разъем RJ-45 для подсоединения ИБП к USB- или RS-232-порту компьютера. Для управления и мониторинга за состоянием ИБП прилагается упомянутый выше компакт-диск с утилитой мониторинга PowerChute plus.
В отличие от модели CS 350 в данной модели ИБП используется аккумуляторная свинцовая батарея CSB GP1272F2 с напряжением 12 В и емкостью 7,2 А·ч.
Осциллограмма переключения на аккумулятор и форма импульса в начале разряда
аккумулятора)
Форма импульса в конце разряда батареи)
При тестировании выяснилось следующее: продолжительность разрядки батареи при нагрузке с одним компьютером и 17-дюймовым монитором составляет 14 мин 5 с, а сигнал тревоги начинает срабатывать за 4 минуты до отключения.
При понижении входного напряжения до 195 В источник переходит на питание от аккумуляторной батареи. С повышением входного напряжения до 205 В выполняется возврат к работе от сети. Отметим, что ступенчатая релейная схема стабилизации напряжения в этой модели отсутствует.
Время переключения на батарею при отключении внешнего питания составляет не более 10 мс, а для формы импульса в начале и в конце разрядки батареи характерны значительные изменения. При полной разрядке батареи, когда компьютер уже отключается, ИБП продолжает «биться в предсмертных конвульсиях», что хорошо заметно на осциллограмме выходного напряжения (в модели CS 350 такого не наблюдалось).
|
|
Best Power Patriot Pro II 400 VA
Best Power Patriot Pro II 400 VA относится к классу Line-Interactive, выходная мощность — 400 В·А.
К достоинствам этого ИБП следует также отнести возможность горячей замены батарей, отличную техническую поддержку на Web-сайте производителя и неплохие возможности программного пакета CheckUPS II Advanced 3.2.1, предназначенного для управления и мониторинга состояния этого ИБП.
Главное окно программы мониторинга
Протестированный нами экземпляр был укомплектован печатным руководством пользователя (Quick Start Guide and User Guide) на английском языке, кабелем RS-232 и CD-ROM с CheckUPS II Advanced 3.2.1 и содержимым Web-сайта производителя (http://www.bestpower.com/).
На передней панели Best Power Patriot Pro II 400 VA имеется шесть светодиодных индикаторов, расположенных вертикально в ряд. Кроме стандартных индикаторов питания от сети и питания от батареи, предусмотрено еще четыре индикатора, которые отображают уровень зарядки батареи. Также имеются кнопки включения/выключения ИБП и отключения звуковой сигнализации.
На задней панели размещены четыре разъема выходного питания, порт RS-232, два гнезда RJ-11/RJ-45 для защиты телефонной или Ethernet-линии от всплесков напряжения и отсек с плавким предохранителем.
В ИБП используется аккумуляторная батарея Panasonic LC-R129CH1 с напряжением 12 В и емкостью 9 А·ч при двадцатичасовом цикле разряда.
При переходе с внешнего питания на аккумуляторные батареи Best Power Patriot Pro II 400 VA начинает подавать один короткий сигнал каждые 5 с, при пониженном уровне заряда аккумуляторных батарей — два длинных сигнала (каждый продолжительностью в 1 с) через каждые 5 с, при неисправности батарей — три сигнала каждые 5 с, а при перегрузке, коротком замыкании на выходе или неисправности ИБП — непрерывный звуковой сигнал.
Осциллограмма переключения на аккумулятор и форма импульса в начале разряда
аккумулятора
Форма импульса в конце разряда батареи
По результатам тестирования на продолжительность разрядки батареи при нагрузке с одним компьютером и 17-дюймовым монитором данная модель ИБП оказалась на втором месте, показав результат 21 мин 24 с.
В случае понижения входного напряжения начиная с 250 В (когда источник стабилизирует выходное напряжение путем его понижения) при напряжении в 238 В срабатывает ступенчатая релейная схема стабилизации. Второе срабатывание этой схемы наблюдается при напряжении до 206 В, а при дальнейшем снижении до 190 В источник переходит на батарею. С повышением входного напряжения до 200 В выполняется возврат к работе от сети, при последующем повышении напряжения сети до 217 и 250 В срабатывает ступенчатая релейная схема стабилизации.
Время переключения на батарею при отключении внешнего питания составляет 10 мс, а форма импульса в начале и в конце разрядки батареи претерпевает существенные изменения.
|
|
Eline Power ELP-350
Источник бесперебойного питания Eline Power ELP-350 относится к классу Line-Interactive и имеет выходную мощность 350 В·А.
Предоставленный для тестирования экземпляр Eline Power ELP-350 был укомплектован кратким руководством пользователя на русском языке, одним кабелем с разъемами IEC-320 для подключения нагрузки и подставкой. Кабель для подключения к сети и программное обеспечение отсутствовали.
На передней панели имеется два светодиодных индикатора, расположенных вертикально в ряд и закрытых единой накладкой. На задней панели размещены два разъема выходного питания, порт RS-232, два гнезда RJ-11/RJ-45 для защиты телефонной или Ethernet-линии от всплесков напряжения и разъем подключения шнура входного питания с отсеком для плавкого предохранителя (в отсеке помещается также запасной предохранитель). Предусмотрен и переключатель включения/выключения ИБП.
На Web-сайте производителя (http://www.eline-net.ru/) в разделе «Технические характеристики» сообщается, что на порт RS-232 выведены сигналы отключения питания, низкого заряда батареи, отключения ИБП.
В данной модели ИБП используются две соединенные последовательно аккумуляторные батареи Vision CP645 с напряжением 6 В и емкостью 4,5 А·ч.
При переходе с внешнего питания на аккумуляторные батареи Eline Power ELP-350 начинает подавать один короткий сигнал каждые 2 с и в такт со звуком включается красный светодиод.
Осциллограмма переключения на аккумулятор и форма импульса в начале разряда
аккумулятора
Форма импульса в конце разряда батареи
Время разрядки батареи при нагрузке с одним компьютером и 17-дюймовым монитором составило 3 мин 33 с.
ИБП имеет систему ступенчатой стабилизации выходного напряжения, основанную на релейном переключении обмоток входного трансформатора. Система срабатывает при понижении входного напряжения до 200 В, при дальнейшем снижении до 163 В источник переходит на батарею. С повышением входного напряжения до 180 В происходит возврат к работе от сети, а при последующем повышении напряжения сети до 210 В срабатывает ступенчатая релейная схема стабилизации.
Время переключения на батарею при отключении внешнего питания составляет не более 15 мс, а форма импульса в начале и в конце разрядки батареи существенно изменяется.
