Средства улучшения качества электропитания

Компьютеры, как и любое электронное оборудование, питающееся от сети переменного тока, подвергаются различным негативным воздействиям со стороны этой питающей сети. Стандартным требованием к питающей сети является напряжение питания 220 В с допустимыми отклонениями от — 15% до +10% от номинала (187−242 В) при частоте 50±1 Гц. К основным воздействующим факторам со стороны сети питания относятся следующие:

высоковольтные импульсные перенапряжения (грозовые, длительностью от долей до десятков микросекунд, и коммутационные, длительностью до десятков и сотен миллисекунд, причем грозовые перенапряжения могут достигать десятков киловольт, а коммутационные — единиц киловольт);

повышения напряжения выше 110% от номинала, кратковременные (на несколько периодов сети) или длительные, вызванные неполадками в сети (например, перекосом фаз);

кратковременные провалы (в течение нескольких периодов), вызванные подключением мощной нагрузки, и длительные понижения напряжения ниже 85% от номинального значения;

пропадание напряжение более, чем на два полупериода частоты;

радиочастотные шумы от воздействия мощных радиопередающих и иных устройств и помехи от импульсных блоков питания;

отклонение частоты питающей сети от номинала 50 Гц (или 60 Гц);

гармонические искажения питающего напряжения (отклонение формы от синусоидальной).

Степень воздействия питающей сети на аппаратуру различна. Эти факторы могут приводить к сбоям (импульсные помехи и провалы питающего напряжения), самопроизвольному отключению или перезапуску устройств и даже выходу их из строя под действием импульсных или длительных перенапряжений. Поскольку большинство блоков питания имеет импульсный преобразователь с бестрансформаторным входом, к отклонениям частоты или формы напряжения они обычно почти нечувствительны. Последствия от сбоев по питанию (не считая выхода из строя аппаратуры) могут быть весьма тяжелыми, например, потеря данных на диске мощного и ответственного сервера). Для защиты от воздействий сетевых возмущений применяется целый комплекс мер. Сетевой LC-фильтр задерживает высокочастотные помехи из сети и в сеть от импульсных блоков питания. Этот фильтр входит в состав практически любого блока питание, а также в сетевые колодки питания типа" Pilot" и им подобные. Ограничитель перенапряжений подавляет высоковольтные выбросы как относительно длинные коммутационные (до 10 мс), возникающие при переключениях мощных цепей, так и короткие — грозовые. Энергия импульсов перенапряжений поглощается полупроводниковым варистором. При хорошем подборе параметров варистор может спасать и от длительных значительных повышений напряжения сети, например из-за перекоса фаз. В этом случае варистор будет ограничивать напряжение, выделяя значительную мощность, что приведет к его пробою на короткое замыкание и отключению питания предохранителями токовой защиты (если они есть и рассчитаны на соответствующий ток). На рис. 8 приведена схема фильтра, комбинированная с ограничителем перенапряжений.

Одного варистора для полной защиты от перенапряжений недостаточно. Для приведенного однофазного фильтра не помешает еще пара варисторов (один между «нулем» и «землей», второй между фазой и «землей»).

Стабилизатор напряжения стабилизирует выходное напряжение при плавных изменениях входного. Современные варианты таких стабилизаторов, разработаны специально для питания компьютеров. Электронные устройства на активных компонентах не получили широкого распространения из-за приближения их цен к ценам на UPS.

От внезапного пропадания напряжения сети предохраняют источники бесперебойного питания — ИБП (UPS — Uninterruptible Power System). В их состав обязательно входят аккумуляторные батареи, выпрямитель входного напряжения и инвертор, обеспечивающий нагрузку напряжением переменного тока.

Источники бесперебойного питания различают по классам (режимам работы). Существуют блоки OFF-LINE (STAND-BY), LINE-INTERACTIVE и ON-LINE.

В OFF-LINE UPS (рис. 9) нагрузка в норме, получает питание от сети, выпрямитель обеспечивает подзарядку аккумулятора. При пропадании входного напряжения включается инвертор и нагрузка переключается на него за несколько миллисекунд. По восстановлении входного напряжения происходит обратное переключение, аккумулятор снова подзаряжается. К этому классу относятся, например, Back UPS фирмы АРС.

UPS LINE-INTERACTIVE работает аналогично OFF-LINE, но имеет дополнительную возможность ступенчатой стабилизации при длительных проседаниях входного напряжения с помощью бустера (обычно посредством перекоммутации первичных обмоток входного трансформатора). К этому классу относятся Smart и Matrix UPS фирмы АРС.

Рис. 9.

ON-LINE UPS (рис. 10) обладают наилучшими характеристиками, в них нагрузка получает питание всегда от инвертора. Инвертор получает просто явное напряжение от сетевого выпрямителя или аккумулятора, схема обеспечивает высокую стабильность выходного напряжения при питании как от сети, так и от аккумулятора. Для данной структуры естественна гальваническая развязка входа и выхода и отсутствие переходных процессов на выходе при переключении на резервное питание. К этому классу относятся UPS серии Prestige фирмы EXIDE.

Для работы в условиях сильных колебаний питающего напряжения хорошую защиту обеспечат только UPS классов ON-LINE или LINE-INTERACTIVE. От класса, мощности устройства и емкости батарей, определяющей время автономной работы при максимальной нагрузке,.

Рис .10.

существенно зависит цена UPS. При пропадании сетевого напряжения UPS переключается на резервное питание и обычно подает звуковой сигнал. Для защиты данных компьютера UPS должен иметь возможность передать сигнал о грядущем отключении питания. Сигнал может подаваться аппаратным прерыванием через специальную плату сопряжения с PC или разъем PS/2 Mouse (как варианты у Smart UPS), через СОМ-порт или встроенный в UPS адаптер ЛВС. Два последних варианта более универсальны и обеспечивают двунаправленный обмен развернутой управляющей и диагностической информацией. При восстановлении питания происходит обратное переключение, и батареи подзаряжаются. Если питание не восстановилось за время работы батарей, UPS отключается, а его повторное включение после подачи напряжения может быть ручным или автоматическим. Аккумуляторные батареи требуют периодической тренировки — циклов заряда и разряда. Если UPS питает устройство от сети, напряжение в которой никогда не пропадает, это может привести к потере работоспособности батарей.

Наиболее совершенные модели имеют встроенные средства автоматического запуска тестовых и профилактических процедур, при которых нагрузка на некоторое время переключается на питание от батарей. Некоторые UPS выполняют эту процедуру по команде от модуля программной поддержки, исполняемого на защищаемом компьютере. В этом случае UPS должен соединяться с компьютером специальным интерфейсным кабелем. Современные модели UPS имеют в своем составе микроконтроллер, который в совокупности со специализированным ПО серверов и станций, поставляемым для конкретных моделей, может предоставлять широкий спектр услуг в зависимости от интерфейса связи UPS с системой:

Телеметрия. Информация о состоянии питающей сети, батареи и других узлов, температуре внутри UPS, величине нагрузки и т. д. передается в систему сбора, обработки и отображения информации. Система может прогнозировать время работы от батарей и соответственно корректировать задержку закрытия сервера.

Телеуправление.

Двунаправленный интерфейс с UPS обеспечивает подачу управляющих команд — отключение, запуск диагностических тестов и т. д.

Планирование включения и выключения. Администратор может задать график работы сервера, указывая время включения и отключения питания на каждый день недели. При наступлении времени отключения программа посылает предупреждение всем клиентам, через некоторое время инициирует закрытие сервера и программирует UPS на отключение питания через определенный интервал времени и повторное включение в заданное время. После отключения по команде UPS переходит в режим ожидания и своим внутренним таймером отсчитывает время до включения. В заданное время UPS включает питание нагрузки, сервер автоматически загружается, и следующее запланированное отключение произойдет по инициативе программы, работающей на сервере.

электропитание защитное заземление напряжение.

Рис. 11.

Возможности взаимодействия по сети оператора с UPS определяются его ПО. Популярный PowerChute для Smart UPS фирмы АРС, Onli-Net Basic для UPS фирмы EXIDE обеспечивают вышеперечисленные функции для различных ОС, они вполне удовлетворительны для систем с одним UPS. В системах с более сложным питанием желательно использовать сетевые варианты ПО, обеспечивающие централизованное управление сетями UPS. Для UPS фирмы EXIDE — это OnliNet Network, OnliNet NVX и др. Диалог UPS с программным модулем возможен, естественно, только при связи компьютера и UPS двунаправленным интерфейсом. Наиболее распространенный вариант связи — через СОМ-порт. Многие модели UPS имеют разъем DB9, который обычно и используется интерфейсом RS-232. Однако зачастую назначение его контактов сильно отличается от стандартного. На рис. 11 приведены схемы кабелей подключения UPS Fiskars и Smart UPS фирмы АРС к СОМ-порту. Некоторую специфику защиты от пропадания питания имеет коммуникационное оборудование. Для обеспечения бесперебойности работы сети все коммуникационные устройства, естественно, должны иметь бесперебойное питание. Для таких элементов сети, как хабы, концентраторы, маршрутизаторы и т. д., обычно невозможно запустить программную поддержку конкретного UPS. В этом случае питающий их UPS должен обеспечить резервное питание на время до аварийного закрытия сервера, для того чтобы можно было успеть корректно завершить работу приложений. Весьма полезным свойством внутреннего ПО UPS (или специального адаптера, подключающего один или несколько UPS с интерфейсом RS-232 к среде передачи локальной сети) является поддержка протокола SNMP. Это обеспечивает централизованное управление UPS, питающих коммуникационное оборудование.