Внешние сетевые фильтры и источники бесперебойного питания
Современный компьютер – весьма сложная система, чувствительная к качеству сетевого питания. Внезапное пропадание сетевого напряжения, даже кратковременное, может привести как к сбою работы компьютера, так и к выходу из строя каких либо его компонентов. . Например, отключение питания компьютера в момент обращения к жесткому диску может полностью вывести накопитель из строя, либо привести к появлению сбойных секторов на диске с потерей записанной на нем информации. Кратковременные импульсные помети, возникающие в сети питания компьютера также неблагоприятно сказываются на его работе. Описанный ранее принцип работы компьютера с кэшированием данных, вследствие появления сетевых помех или перепадов питающего напряжения, зачастую вызывает потерю данных или зависание операционной системы. Резкие перепады напряжения питания и радиопомехи, проходящие по цепи питания (например в результата близкого разряда молнии, включения и выключения мощных потребителей и т.д.) также нередко выводят из строя электронные компоненты – материнские и сетевые платы, мыши и др.
ГОСТ 13109-97 (взамен ГОСТ 13109-87) определяет следующие нормы в электропитающей сети: напряжение 220 В ± 10 %; частота 50 Гц ± 1 Гц; коэффициент нелинейных искажений формы напряжения менее 8 % (длительно) и менее 12 % (кратковременно).
Неполадками в питающей сети считаются:
§ авария сетевого напряжения (напряжение в питающей сети полностью пропало);
§ высоковольтные импульсные помехи (резкое увеличение напряжения до 6 кВ продолжительностью от 10 до 100 мс);
§ долговременные и кратковременные подсадки и всплески напряжения;
§ высокочастотный шум (высокочастотные помехи, передаваемые по электросети);
§ побег частоты (отклонение частоты более чем на 3 Гц).
Сам блок питания компьютера справиться с этими рисками не может. Конечно, стабилизаторы блока питания сглаживают напряжение и уменьшают влияние изменения входного питающего (сетевого) напряжения на выходные напряжения блока питания, но это относится, в основном, к достаточно медленным изменениям сетевого напряжения в не очень широком диапазоне (не более 20-25%).
Безопасность компьютера требует дополнительных средств защиты ПК от «сетевых неприятностей». К таким средствам относятся сетевые фильтры и источники бесперебойного питания (ИБП).
Сетевой фильтр является простейшим прибором, полностью соответствующим своему названию. При пропадании питание он бессилен, а вот помочь компьютеру справиться с влиянием сетевых помех может. Сетевые фильтры- это устройства, способные подавлять помехи радиочастотного диапазона, наложенные на основную кривую питающего напряжения, ведущие к ошибкам в обработке и передаче данных. Причина этих помех - работающие поблизости кондиционеры, лампы дневного света, устройства с импульсными блоками питания. Сетевые фильтры также подавляют высоковольтные выбросы высоких энергий (кратковременные, до 5 мс, повышения напряжений в 1,5 и более раза), наложенные на основную кривую питающего напряжения. Причина таких выбросов - удар молнии, работа находящихся поблизости электродуговых и электрогидравлических установок. Кроме этого, сетевой фильтр выполняет еще одну функцию, полезную и в офисе и, особенно, дома. Дело в том, что современный компьютерный комплекс, кроме системного блока, имеет еще и монитор, чаще всего принтер, а зачастую еще и сканер, внешний накопитель и другое электронное оборудование, которое тоже надо подключать к сети питания. Найти такое множество розеток в одном месте, особенно дома, нелегко. К тому же все это оборудование надо включать и выключать. А в отличие от самого ПК, выключатели на принтеры, сканеры и т.д., изготовители не стремятся выводить на переднюю панель. А сетевой фильтр обычно оснащен 3-6 розетками, единым выключателем с индикацией и шнуром удлинителем (см. рис. 4.10).
Рис. 4.10. Сетевой фильтр для ПК.
На рис. 4.11. Изображен пример принципиальной схемы сетевого фильтра.
Рис. 4.11. Схема сетевого фильтра
Основным элементом защиты от высокочастотных помех является высокочастотный продольный трансформатор Т1 выполненный на кольцевом сердечнике из феррита марки 1000HH...2000HI1 диаметром 20...30 мм. На кольцо одновременно двумя проводами в хорошей изоляции наматывается 4...6 витков провода сечением около 0,8 мм2 или применить провод, которым будет выполнен монтаж сетевого шнура. Очень важна строгая идентичность обмоток трансформатора. Начала обмоток трансформатора показаны на схеме рис. 1.2 и 1.3 точками.
Конденсатор С1 типа К78-2, К73-17 на рабочее напряжение не ниже 400 В (лучше 600 или даже 1000 В).
Широко применяется и другой вариант схемы – с использованием варистора (рис. 4.12.).
Рис. 4.12. Схема сетевого фильтра на варисторе.
На входе этого фильтра стоит устройство VDR1 — варистор. Его основная задача — подавить высоковольтные выбросы напряжения сети. При появлении такого выброса электрическое сопротивление варистора резко падает, и он «замыкает» на себя эту помеху, не позволяя ей пройти дальше. Но особенность в том, что варисторы, обычно устанавливаемые в промышленных фильтрах, начинают «работать» с напряжения 275–300 В (среднее значение), 350–385 В (максимальное напряжение срабатывания) (из паспортной характеристики варисторов). Для фильтрации низковольтных помех используется LC-фильтр, аналогичный фильтру рис. 4.11., состоящий из дросселя Tr1 и емкостей С1, С2, С3. В данном фильтре сеть питания трехпроводная. Следовательно помехи могут возникать не только между сетевыми проводами («фазой» и «нулем») — их «фильтрует» емкость С3, но и между «фазой» и «землей», а также возможны помехи «ноль» — «земля». Для эффективного подавления таких помех и необходимо наличие физического заземления, а в фильтре — наличие фильтрующих емкостей С1 и С2.
В случае отсутствия заземляющего контакта (или плохого контакта) помехи типа «фаза» — «земля» и «ноль» — «земля» физически задерживаться не могут (да и самих помех тоже не будет), а общая точка емкостей С1 и С2 «висит» в воздухе. Поэтому применение таких сетевых фильтров в этом случае нецелесообразно.
Более сложным и дорогим, но и более действенным устройством защиты ПК по питанию является источник бесперебойного питания ИБП (соответствующая аббревиатура на английском – UPS). Принципиальное отличие ИБП от фильтра состоит в том, что в его (ИБП) состав входит аккумулятор большой емкости. В случае пропадания сетевого питания, энергии, запасенной в заряженном аккумуляторе, должно быть достаточно, чтобы обеспечить работу компьютера в течение некоторого времени. Идея подобна той, что реализована в ноутбуках (надо отметить, что все дело как раз наоборот – ноутбуки появились позже ИБП). В принципе можно взять ИБП на 1 кВт*час от которого ПК с блоком питания на 250 Вт будет работать 6-8 часов. Но удовольствие получается дорогое (вес подобного ИБП – под 20 кг, цена – под 15 тыс. руб.). Хотя иногда приходится идти и на подобные варианты. Например, как говорят на сленге, «падение» сетевого сервера может обойтись на несколько порядков дороже, а несколько минут его работы вряд ли кого спасут.
Минимальные же требования к ИБП – дать возможность оператору ПК закончить все жизненно важные процедуры (для компьютера конечно) и выключить его, т.ч. запас времени в 10-15 минут обычно пользователя устраивает. Если за время, обеспечиваемое ИБП, питание восстанавливается, компьютер продолжает работу без всяких сложностей.
Источники бесперебойного питания можно разделить на ИБП резервного типа, линейно-интерактивные ИБП и ИБП с двойным преобразованием энергии.
ИБП резервного типа (Off-Line или Standby) (Рис. 4.13.а)
Рис. 4.13. Классификация ИБП
Источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством (реле), которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей электросети, а в аварийном переводит ее на питание от инвертора и аккумуляторных батарей.
Достоинством ИБП Off-Line или Standby типа является его простота и, как следствие, невысокая стоимость.
Недостатки:
· отсутствие стабилизации напряжения и частоты, коррекции формы напряжения при работе от входящей сети;
· плохая защита нагрузки, в т.ч. от случайных входных воздействий, по сравнению с on-line ИБП, т.к. нагрузка подключается непосредственно к внешней питающей сети, а в качестве фильтра может стоять только 1 варистор и 1 конденсатор;
· наличие переходных процессов при переключении на работу от сети/батарей;
· ненулевое время переключения (4-6 мс) на питание от батарей;
· несинусоидальная форма напряжения (слабо напоминающая синус) при работе от батарей;
· интенсивная эксплуатация батарей в условиях частых неполадок в электросети;
· невозможность подключать нагрузку, для которой требуется синусоидальная форма напряжения питающей сети.
ИБП резервного типа, как правило, имеют небольшую мощность (до 1 кВА) и применяются для обеспечения гарантированного электропитания персональных компьютеров (данная нагрузка не требовательна к форме входного напряжения и допускает значительные колебания напряжения) или другого оборудования, не требующего синусоидальной формы напряжения питания в регионах с хорошим качеством электрической сети.
Примечание.
Как правило, ИБП данного типа имеют функцию отключения нагрузки, которая составляет менее 10-15% от мощности ИБП через некоторый интервал времени. Поэтому питание модемов, сигнализации и другой нагрузки с малым потреблением без дополнительной мощной нагрузки, от таких ИБП невозможно.
Многие ИБП Off-Line или Standby не имеют принудительного охлаждения (вентиляторов). Это является положительным моментом, т.к. ИБП обладает низким уровнем шума (менее 35 дБА). С другой стороны, вследствие повышенной температуры внутри изделия (до 30-35 С и выше) при работе зарядного устройства или инвертора в сочетании с невысокими параметрами зарядного устройства и предельными режимами работы батареи (большие токи разряда) срок службы батарей может сократиться до 2-2,5 лет.
Линейно-интерактивный (Line-interactive) ИБП (Рис. 4.13. б)
Источник бесперебойного питания, выполненный по схеме с коммутирующим устройством (реле), дополненной стабилизатором с более широким диапазоном входного напряжения (бустером или AVR) на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками.
Основное преимущество линейно-интерактивного ИБП по сравнению с источником Off-Line или Standby заключается в следующем:
· ИБП данного типа способны обеспечить нормальное питание нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети (наиболее распространенный вид неполадок в отечественных линиях электроснабжения) без перехода в режим питания нагрузки от батарей;
· при работе от батарей в нагрузку выдается приближенное к синусоидальной или синусоидальное напряжение, что позволяет подключать практически любую нагрузку;
· в некоторых моделях используются более качественные фильтры помех, присутствует цепь байпас (прямое соединение нагрузки и входной сети при перегрузке или неполадках ИБП);
· улучшенные параметры зарядных устройств, определение времени работы от батарей, возможность подключения внешних батарей;
· более продвинутые возможности по локальному и удаленному мониторингу состояния ИБП и его отдельных компонентов, настройке режимов работы;
Недостатки:
· отсутствие стабилизации частоты, коррекции формы напряжения и некоторая зависимость выходного напряжения от входного, при работе от сети;
· недостаточная защита нагрузки в т.ч. от случайных входных воздействий по сравнению с on-line ИБП, т.к. нагрузка подключается непосредственно к внешней питающей сети;
· наличие переходных процессов при работе бустера (AVR) и переключения на работу от сети/батарей;
· ненулевое время переключения (2-4 мс) на питание от батарей;
· в отдельных моделях лишь приближенная к синусоидальной форма напряжения при работе от батарей
Как правило, для охлаждения инвертора и зарядного устройства используется активная система охлаждения (вентилятор). В зависимости от модели линейно-интерактивного ИБП скорость вращения вентилятора(ов) может меняться или быть постоянной.
По эффективности линейно-интерактивные ИБП занимают промежуточное положение между простыми и относительно дешевыми резервными источниками (Off-line) и высокоэффективными, но дорогостоящими ИБП с двойным преобразованием энергии (On-line).
Как правило, линейно-интерактивные ИБП применяют для обеспечения гарантированного питания персональных компьютеров, рабочих станций, файловых серверов, узлов локальных вычислительных сетей, офисного оборудования и иногда телекоммуникационного оборудования.
ИБП с двойным преобразованием энергии (On-line)
Источник бесперебойного питания, в котором поступающее на вход переменное сетевое напряжение сначала преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем с помощью инвертора снова в переменное. Аккумуляторная батарея постоянно подключена к выходу выпрямителя и входу инвертора и питает последний, когда напряжение во входной сети отсутствует или параметры сети отличаются от нормальных.
Такая схема построения ИБП позволяет обеспечить практически идеальное питание нагрузки при любых неполадках в сети (включая фильтрацию высоковольтных импульсов) и характеризуется нулевым временем переключения на питание от батарей без возникновения переходных процессов на выходе устройства.
ИБП on-line, как правило, корректно работают с батареями (имеют возможность подключения внешних батарей), обладают широкими возможностями по мониторингу и управлению, имеют статический байпас.
В изделиях данного типа, как правило, используется активная система охлаждения в виде постоянно работающего вентилятора(ов) в зависимости от величины нагрузки и температуры. Это связано с тем, что при работе ИБП всегда происходит одно или два преобразования.
В ИБП on-line используется несколько типов реализации двойного преобразования.
Классическое двойное преобразование, когда выпрямитель после первого преобразования формирует шину постоянного тока с низким уровнем пульсаций и помех, к которой подключены батареи и инвертор. Достоинства – высокая степень защиты нагрузки практически от любых помех, долгий срок службы батарей. Недостатки – невысокий КПД порядка 85-90% (у лучших ИБП большой мощности до 93-94%), сложность реализации и как следствие, высокая стоимость. Некоторые ИБП вызывают гармоничесие искажения тока во входной электричесокй сети. В настоящее время данная технология двойного преобразования усовершенствована с точки зрения качественных характеристик и снижения потерь. В частности существуют ИБП с IGBT-выпрямителями, позволяющие снизить коэффициент нелинейных искажений на входе ниже 4% и обеспечить синусоидальную форму тока потребления.
Наиболее распространенным является применение в ИБП on-line дельта-преобразования, которое позволяет значительно упростить конструкцию, снизить себестоимость, получить КПД до 93-96%. Столь высокий КПД обеспечиваются при отсутствии отклонений и искажений напряжения в питающей сети, а также, если нагрузкаИБП близка к номинальной и является линейной. К недостаткам можно отнести потенциально меньшую степень защиты нагрузки по сравнению с использованием классического двойного преобразования. Также на практике для нелинейной нагрузки значения КПД могут приближаться к показателям ИБП с классическим двойным преобразование (82-90%). Однако при широком внедрении импульсных блоков питания с коррекцией коэффициента мощности нагрузка приобретает преимущественно активный характер, и тем самым создаются условия для проявления высоких энергетических характеристик. Другим достоинством ИБП с дельта-преобразованием является высокий коэффициент мощности самого устройства, близкий к 1, а также возможность выдерживать значительные перегрузки. Надо заметить, что в настоящее время эти технологии двойного преобразования достаточно усовершенствованы и почти все недостатки сведены к минимуму.
По реализации ИБП on-line делятся на трансформаторные и бестрансформаторные, использующие тиристорный или IGBT-выпрямитель. Рассмотрение или выбор ИБП по этим критериям не укладывается в рамки данного обзора.
ИБП on-line как изделия в целом или как отдельные модули ИБП могут работать параллельно образуя конфигурации необходимой мощности или получая резервирование N+1, N+2 и т.д. Существует 2 подхода к модульности и резервированию:
· на уровне модулей ИБП, как например в ИБП серии Symmetra компании АРС;
· на уровне изделий в целом, например по технологии Резервируемой Параллельной Архитектуры (Redundant Parallel Architecture™ или RPA™) компании General Electric, позволяющей наращивать мощность и осуществлять резервирование системы за счет установки дополнительных блоков ИБП.
ИБП on-line выпускаются мощностью от 500-700 ВА до сотен кВА и даже единиц МВА, с временем автономной работы от нескольких минут до нескольких часов и даже суток.
ИБП типа On-line применяют в тех случаях, когда по тем или иным причинам предъявляются повышенные требования к качеству электропитания нагрузки, надежности и резервирования каковой могут быть узлы локальных вычислительных сетей (сетевое оборудование, файловые серверы, рабочие станции, персональные компьютеры), оборудование вычислительных залов, центры обработки данных (ЦОД), системы управления технологическим процессом и технологическим оборудованием.