Основы безопасного электропитания

Сбой электропитания может привести не только к приостановке работы, но и к потере ценной информации или даже к выходу из строя аппаратных средств. В одних случаях дело ограничивается только прямыми затратами на восстановление потерянной информации и поврежденного оборудования, в других — в потери входит также ущерб от простоя или снижения эффективности производственных или деловых процессов. Часто речь может идти об упущенной выгоде (незаключенные сделки или переход клиента к конкуренту) и даже о снижении стоимости акций компании.

Коротко остановимся на проблемах, связанных с электрической сетью. Известно, что на территории России ГОСТ 13109-87 определяет следующие параметры электрических сетей: напряжение 220В +- 10%; частота 50 Гц +- 1 Гц; коэффициент нелинейных искажений формы напряжения менее 8% (длительно) и менее 12% (кратковременно). Но гладко бывает только на бумаге. В реальной жизни меньше всего проблем возникает, пожалуй, только с частотой питающего напряжения. Длительное отключение напряжения (blackout) — это обычно следствие сбоя в работе линии электропитания. Оно может стать причиной неожиданного и потенциально опасного отключения всего электронного оборудования. Обычно это приводит к повреждению файлов, потере и искажению хранимых данных, к выходу аппаратуры из строя. Высоковольтные одиночные импульсы, или всплески (sрike), появляются в результате образования электрической дуги или при включении/выключении электрических нагрузок. Подобные искажения формы сигнала способны вывести из строя электронные схемы и повредить хранящиеся на компьютерах данные. Скачки перенапряжения (surge) в большинстве случаев вызваны резкими и значительными изменениями нагрузки на сеть и переключениями линий электропитания. В результате таких явлений может быть серьезно повреждено электронное оборудование. Провалы (sags) и снижение напряжения (brownout) в большинстве случаев происходят при запуске электродвигателей или из-за неисправности линий электропитания. Они становятся причиной сбоев в работе и внезапных отключений компьютеров, аппаратуры контроля технологических процессов и т. п. Кроме того, при частых снижениях напряжения оборудование преждевременно изнашивается. Электронный шум обычно порождается либо работой электрических машин, либо функционированием радиоустройств. Таким образом, его могут вызывать как лампы освещения или работающее промышленное оборудование, так и мощный радиопередатчик. Поскольку под воздействием сильного шума форма питающего напряжения обычно серьезно искажается, то это ведет, как правило, к аппаратным сбоям и ошибкам при выполнении программ.

Таким образом, можно сделать вывод, что применение различных устройств, поддерживающих требуемые параметры питающего напряжения (регуляторов, стабилизаторов, специальных сетевых фильтров) в большинстве случаев оправданно. Самую простейшую защиту по питанию обычно обеспечивают так называемые ограничители перенапряжений. Эти устройства предохраняют нагрузку от различного рода выбросов и всплесков питающего напряжения электросети, а также от радиочастотных шумов. Некоторые из таких приборов гарантируют максимальный рабочий ток до 10 A (при напряжении 220—240 В) и могут обеспечивать защиту в одном из трех режимов: фаза — нейтраль, фаза — земля и нейтраль — земля.

Более высокий уровень защиты обеспечивают устройства нормализации, которые надежно «очищают» питающее напряжение от всевозможных шумов и позволяют регулировать его в достаточно широком диапазоне. Некоторые модели в силах предотвратить даже кратковременные провалы в питающем напряжении. Мощность нагрузки, подключаемой к таким устройствам, может варьироваться (в зависимости от модели) от сотен до тысяч вольт-ампер. Если в приборах используется технология феррорезонансного преобразования, они могут обеспечивать полную развязку по частоте, не допуская проникновения высокочастотных шумов в цепи нагрузки. Феррорезонансный трансформатор к тому же хорошо защищает от скачков напряжения, а также всплесков и выбросов в питающей сети. Например, амплитуду случайного пика он может уменьшить в сотни раз.

Обеспечить же работу нагрузки при полном отключении электропитания может только устройство, называемое UРS (Uninterruрtible Рower Suррly), или ИБП (источник бесперебойного питания).

Схемы построения ИБП

Нарастающая потребность в качественном электропитании приводит к широкому использованию ИБП как единственного средства надежной защиты компьютерной, телекоммуникационной и другой техники от неполадок в системе электроснабжения. ИБП обычно выполняют следующие основные функции:

• выравнивание сравнительно малых и кратковременных выбросов напряжения;
• фильтрация питающего напряжения, снижение уровня шумов;
• обеспечение резервного электропитания нагрузки в течение некоторого времени после пропадания напряжения в сети;
• защита от перегрузки и короткого замыкания.

Дополнительно к этому многие модели ИБП под управлением специализированного ПО могут выполнять такие функции, как:

• автоматическое завершение работы (shutdown) при продолжительном отсутствии напряжения в сети, а также перезапуск оборудования при восстановлении сетевого питания;
• мониторинг и регистрация состояния ИБП (температура, уровень заряда батарей и т.п.);
• отображение уровня напряжения и частоты переменного тока в питающей электросети, выходного питающего напряжения и мощности, потребляемой нагрузкой;
• отслеживание аварийных ситуаций и выдача предупреждающих сигналов (звуковые сигналы, запуск внешних программ и т. п.).

Функционально ИБП практически всегда состоит из устройства подавления помех (surge suрressor), фильтра (filter), зарядного устройства (charger), батареи аккумуляторов (battery), автоматического переключателя (transfer switch) и одного или нескольких преобразователей напряжения — инверторов (inverter), которые также часто называют конверторами (converter).

Несмотря на изобилие различных схемных решений, в индустрии ИБП сложился ряд типовых схем построения (топологий) источников бесперебойного питания: резервная, линейно-интерактивная, феррорезонансная, с двойным преобразованием, с дельта-преобразованием.

Отличительная особенность первой схемы — наличие автоматического переключателя, коммутирующего нагрузку. Пока напряжение в сети находится в допустимых пределах, такой ИБП ничем не отличается от обыкновенного сетевого фильтра, поскольку никакой стабилизации напряжения не происходит. Преимущества резервной схемы заключаются в ее простоте и экономичности, а недостатки — в отсутствии стабилизации входного напряжения при работе в обычном режиме. ИБП, работающие по этой схеме, используют обычно для некритичных нагрузок: питания ПК или рабочих станций.

Линейно-интерактивная схема, благодаря значительному диапазону стабилизации напряжения, способна работать в нормальном режиме в таких условиях, когда ИБП, выполненный по резервной схеме, уже перешел бы на батарейное питание. Это делает данную схему наиболее пригодной для работы в электросети невысокого качества. Одно из основных отличий линейно-интерактивного ИБП состоит в наличии ступенчатого стабилизатора (бустера), построенного на основе автотрансформатора. В отличие от резервной, системы, работающие по данной схеме, способны выдерживать долговременные глубокие провалы и понижения входного сетевого напряжения (одна из наиболее распространенных неполадок в отечественных электросетях) без перехода на аккумуляторные батареи. Преимущества линейно-интерактивной схемы заключаются в простоте реализации и экономичности, а недостатки — в наличии некоторого времени переключения (около 4 мс) при переходе на аварийный режим. Подобные ИБП, как правило, используют для питания ПК, рабочих станций и файловых серверов локальных вычислительных сетей, офисного и другого оборудования, к которому не предъявляется повышенных требований.

Наличие феррорезонансного преобразования в третьей схеме позволяет гарантировать высокий уровень гальванической развязки, практически синусоидальную форму выходного напряжения, а также исключить большинство проблем с электропитанием (особенно импульсные помехи). Однако феррорезонансный стабилизатор сам по себе вносит заметные искажения и переходные процессы, которые в некоторых случаях могут оказаться опасными.

Основные преимущества ИБП, выполненного по схеме с двойным преобразованием, — это полная фильтрация и сглаживание любых колебаний входного напряжения и высоковольтных импульсов на входе ИБП и практически нулевое время переключения в аварийный режим без переходных процессов на выходе. К недостаткам рассматриваемой схемы относятся относительная сложность и более высокая стоимость, а также наличие дополнительных энергозатрат на двойное преобразование, снижающих общий кпд системы. Считается, что эта схема — одно из самых совершенных на сегодняшний день решений, позволяющих полностью защитить нагрузку от всех существующих неполадок электропитания. ИБП, работающие по схеме двойного преобразования, обычно используют для питания файловых серверов и рабочих станций ЛВС, а также любого другого оборудования, предъявляющего повышенные требования к качеству сетевого электропитания.

ИБП, выполненный по технологии с дельта-преобразованием, работает в режиме как схема с двойным преобразованием, но трансформирует не всю электроэнергию, а только ее «зашумленную» и нестабильную часть, которая и приводит к снижению качества питания.

Некоторые важные параметры

Форма выходного напряжения ИБП имеет особое значение только для некоторых типов оборудования. Дело в том, что практически на всех компьютерах устанавливаются импульсные блоки питания, которые генерируют сигнал с формой, весьма далекой от синусоидальной. Однако поскольку наличие высших гармоник может приводить к сбоям и выходу оборудования (например, измерительного или медицинского) из строя, в большинстве случаев полагают, что форма напряжения должна все-таки быть как можно ближе к синусоидальной. Показатель, характеризующий степень отличия формы напряжения или тока от идеальной синусоиды, называется коэффициентом нелинейных искажений. Его типовые значения: 0% — синусоида; 3% — форма, близкая к синусоидальной; 5% — форма, приближенная к синусоидальной (отклонения уже заметны на глаз); до 21% — сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы; 43% — сигнал прямоугольной формы.

За форму напряжения в ИБП отвечают преобразователи. Как правило, они могут генерировать напряжение трех основных форм: квадратную волну, аппроксимированную синусоиду и чистую синусоиду. Обычно самые дешевые модели на выходе дают напряжение прямоугольной формы, которое, даже пройдя через фильтр, очень слабо напоминает синусоиду. В более дорогих устройствах для формирования выходного напряжения используется ступенчатая аппроксимация синусоиды. После фильтра предельное амплитудное значение напряжения обычно равно пиковому значению синусоидального сигнала. Однако наиболее близкую к синусоиде форму выходного напряжения дает широтно-импульсная модуляция.

Полная мощность ИБП выражается обычно в вольт-амперах (ВА) и вычисляется как геометрическая сумма активной и реактивной мощностей. Потребляемая же нагрузкой активная мощность выражается в ваттах (Вт). Для определения необходимой мощности в ВА нужно мощность нагрузки, выраженную в ваттах, разделить на коэффициент мощности (обычно 0,7).

Диапазон входного напряжения определяется минимальным и максимальным допустимыми значениями напряжения в сети, при которых ИБП еще способен поддерживать номинальное значение напряжения на выходе, не переключаясь на питание от батареи. Этот параметр особенно важен при длительном отклонении значения входного напряжения от номинала: чем шире диапазон, тем дольше прослужат батареи.

Время автономной работы обычно определяется не только емкостью батарей, но и величиной нагрузки, причем от последней оно зависит нелинейно. Как правило, имеются специальные таблицы, с помощью которых с той или иной степенью точности можно определить, сколь долго продлится работа конкретного ИБП при нагрузке известной мощности. Обычно запас по мощности делают не менее 25—30%. В таком случае время работы от аккумуляторов должно составлять несколько минут.

Большинство свинцово-кислотных герметичных батарей, обычно применяемых в ИБП, имеют срок службы до 5 лет (при соблюдении рекомендуемых режимов эксплуатации). В реальной жизни срок их службы может быть существенно меньше. Чтобы не ускорять выход батареи из строя, лучше избегать ее эксплуатации при повышенной температуре и влажности окружающей среды, а также не допускать глубоких разрядов батареи.

Комплексные системы защиты

Практика свидетельствует, что, к сожалению, не существует панацеи от всех неприятностей, связанных со сбоями в электропитании. Именно поэтому данному вопросу уделяется самое пристальное внимание. При реализации различных проектов разрабатываются системы обеспечения бесперебойного питания или системы защиты электропитания, которые становятся неотъемлемой составляющей любой компьютерной системы и являются, как правило, составной частью стратегии планирования системы в целом. Обычно проблемы электропитания рассматриваются в рамках единого проекта наряду со многими другими подсистемами здания, поскольку они требуют вложения значительных средств и увязки с силовой электропроводкой, коммуникационным электрооборудованием и аппаратурой кондиционирования воздуха.

Для обеспечения электропитания с повышенной надежностью часто используют ИБП, в конструкции которых предусмотрено избыточное резервирование основных модулей, или параллельное включение нескольких устройств. Для синхронизации параллельной работы нескольких источников на общую нагрузку применяются специальные аппаратные средства. В частности, при построении подобных устройств реализуется модульный принцип, когда входящие в состав устройства блоки поддерживают избыточность типа N+1. Таким образом, при выходе из строя одного блока оставшиеся выполняют его функции. Такая схема не только увеличивает надежность, но и позволяет легко нарастить возможности всей системы электропитания. Обычно для этих целей используются также дополнительные батареи аккумуляторов, что обеспечивает бесперебойную работу оборудования в течение длительного срока или увеличивает ток нагрузки во время краткосрочных отключений. Наращивая число батарей, можно довести срок функционирования подключенного к ИБП оборудования до нескольких часов.

Немаловажный фактор — и средства взаимодействия ИБП с серверами, работающими под управлением различных ОС. При исчерпании ресурсов батарей ИБП или в иной нештатной ситуации эта связь позволит корректно завершить работу программ на всех имеющихся платформах.

Вообще говоря, существуют три основные концепции построения системы защиты электропитания: централизованная, распределенная и комбинированная. Последняя считается в настоящее время не только самой популярной, но и самой надежной. Обычно такая схема включает один или несколько мощных ИБП или даже мотор-генераторов, питающих все здание, системы охраны и пожарной безопасности, а также несколько ИБП малой и средней мощности, защищающих особо ответственное и дорогостоящее оборудование: серверы, активное сетевое оборудование, системы видеонаблюдения и т. п.

Где найти информацию о ведущих производителях ИБП