Стабилизация параметров источников бесперебойного питания

УДК 621.319.4

СТАБИЛИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ИСТОЧНИКОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

Емеличев А.А., аспирант,

ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,

г. Москва

Рассмотрены основные причины дестабилизации в сети питания, указаны основные отличия источников бесперебойного питания (ИБП) от стабилизаторов, рассмотрено дальнейшее развитие источников питания и ИБП.

Ключевые слова: дестабилизирующие факторы в сети, источник

бесперебойного питания, стабилизаторы.

Все электрическое оборудование и приборы рассчитаны на работу в сети, удовлетворяющей требованиям определенного стандарта, вследствие чего любой производитель проектирует оборудование исходя из этих требований.

Стандарт бытового электропитания в России следующий: действующее

значение напряжения 220 В ± 5% (предельно ± 10%), частота 50 ± 0,2 Гц (предельно ±

0,4 Гц), коэффициент несинусоидальности: нормально до 8% и предельно — до 12% (Г0СТ13109—97).

Существует несколько ярко выраженных областей применения внешних AC/DC-источников вторичного электропитания (ИВЭП): телекоммуникации, компьютеры, промышленность и медицина. Наибольшее применение внешние AC/DC ИВЭП находят в мобильной телефонии, жидкокристаллических мониторах, ноутбуках и принтерах.[2]

Параметры электрической сети не являются стабильными по целому ряду объективных и субъективных причин, а иногда проблемы с электропитанием возникают непосредственно на вашем участке электросети. Отклонения величины или формы подаваемого напряжения принято называть искажениями или помехами. Эти искажения по-разному влияют на работу электроприборов и даже могут вывести оборудование из строя. Поскольку современное электронное оборудование достаточно дорого (и наиболее подвержено губительному воздействию помех по входному напряжению), возникает необходимость защитить это оборудование от подобного рода воздействий.

Стабилизация выходных параметров источника осуществляется применением широтно-импульсной модуляции управляющих сигналов, реализуемой микросхемами специального назначения.[5]

Все многообразие источников вторичного электропитания (ИВЭП) можно условно разделить на три группы: стандартные, модифицируемые стандартные и заказные [1].

Основные типы нагрузки и соответствующие им стабилизаторы напряжения

1. АКТИВНЫЕ НАГРУЗКИ.

У этого вида потребителей активная составляющая является основной, а вся энергия преобразуется в тепло. Для них полная мощность численно равна активной мощности или активной составляющей. Примеры - лампы накаливания, обогреватели, электроплиты, утюги и т.п. Если их указанная потребляемая мощность составляет 1 кВт, то их полная мощность будет составляет 1кВА. Для питания подойдет стабилизатор напряжения мощностью не менее 1 кВА.[8]

2. РЕАКТИВНЫЕ НАГРУЗКИ.

Они, в свою очередь, подразделяются на индуктивные и емкостные. Эти элементы нелинейных цепей не поглощают энергии, а лишь частично запасают ее в электрическом или магнитном поле с последующей отдачей в электрическую цепь. Для них обычно указывается активная мощность в Вт и коэффициент cosф. Чтобы подсчитать полную мощность в ВА, нужно активную мощность в Вт разделить на cosф. Если cosф не указан, для грубого расчета активную мощность можно разделить на 0,7. Пример - устройства, содержащие электродвигатель, например дрель. Если на ней написано ”700 Вт” и "costy = 0,6”, это означает, что на самом деле потребляемая данным электроинструментом полная мощность будет равна 700/0,6=1167 ВА. Для питания подойдет стабилизатор напряжения мощностью не менее(!) 1,2 кВА.

3. КОМБИНИРОВАННЫЕ НАГРУЗКИ.

Имеют как активную, так и реактивную составляющую потребления. К такого рода потребителям относятся приборы и оборудование, имеющее в своем составе, например, нагревательные элементы и электродвигатель. Полная мощность в таком случае, если имеет место одновременное потребление всех компонентов такого устройства, складывается из суммы активной и реактивной составляющей, приведенных в ВА. При этом обычно указывается лишь активная или полная мощность. Пример такой нагрузки - стиральная машина. В данном случае имеется реактивная

составляющая - электродвигатель, и активная - нагревательные тены.

4. ПУСКОВЫЕ НАГРУЗКИ.

Наличие высоких (пусковых и т.п.) токов потребления устройства или прибора. Примером такого рода устройств является любой электродвигатель, который в момент включения потребляет энергии в несколько раз больше, чем в штатном режиме.

В данном случае, когда в состав нагрузки входит электродвигатель, который является основным потребителем в данном устройстве (например, стиральная машина, холодильник и т.п.), во избежание перегрузки стабилизатора в момент включения устройства его паспортную потребляемую мощность необходимо умножить на три.

Функциональные отличия стабилизаторов напряжения от классических ИБП (источников бесперебойного питания).

Стабилизаторы напряжения дополняют большинство систем электропитания, выполненных на базе ИБП:

• данные ИБП не обладают или обладают в незначительной степени (как опция) функцией стабилизации напряжения;

• многие ИБП понижение напряжения в электросети до значения порядка 190 В расценивают как пропадание напряжения и начинают питать нагрузку от аккумуляторных батарей (АБ) ИБП;

• длительная работа (или постоянный переход на питание) от АБ ИБП в условиях пониженного или повышенного напряжения в электросети, приводит к преждевременному выходу из строя АБ.

Помимо этого, стабилизаторы напряжения обладают фильтрующими возможностями, что позволит дополнительно ослабить помехи электросети, т.к. не все модели ИБП обладают в достаточной степени возможностью отфильтровать сетевые помехи.

Блоки питания компьютеров

Блок питания является «слабым местом» любого компьютера. Это вызвано, прежде всего, тем, что точно диагностировать неполадки с ним в процессе штатной эксплуатации весьма затруднительно (за исключением случая его полного отказа). Как правило, о его проблемах мы узнаем косвенным образом, например, по неожиданным зависаниям компьютера, синим экранам Windows или произвольным перезагрузкам. Редко удается достоверно увязать эти явления с проблемами блока питания. Как правило, сначала мы меняем материнскую плату, затем оперативную память и только потом вспоминаем про источник питания.

Одна из самых важнейших задач в проектировании и создании электропривода -его силовое управление. [7]

Ресурс работы блока питания может достигать пяти-семи лет. Срок его службы можно продлить путем минимизации количества циклов включения/выключения, а также регулярными (раз в год-полтора) очистками от скопившейся внутри пыли. Кроме того, не рекомендуется использовать его на пределе — у блока питания всегда должен оставаться запас по мощности. В блоке питания формируются все используемые в компьютере номиналы напряжений. Точность их формирования и стабильность являются гарантией надежности и бесперебойной работы всей системы в целом. Как правило, блок питания имеет один разъем для подключения к внешней сети и кнопку выключения. Это обусловлено тем, что АТХ-стандартом предполагается постоянная подача питающего напряжения на материнскую плату.

Для каждого типа корпусов характерны свои значения мощности блоков питания: ATX-корпуса desktop и micro-tower, как правило, используют слабые блоки питания (до 300 Вт). Их вполне достаточно для питания минимального набора устройств, которыми зачастую ограничивается конфигурация офисных рабочих станций.

Разработан оригинальный алгоритм работы интеллектуальной системы управления ИБП. [4]

Типы современных ИБП

Офф-лайновые (резервные) ИБП. Эти ИБП служат для резервирования источника основного электроснабжения (электросети) на случай аварии (отключения или понижения/повышения напряжения выше установленной величины). Если это происходит, срабатывает переключатель, и нагрузка переходит на резервное питание от инвертора, питающегося от батарей. В штатном режиме питание нагрузки осуществляется напрямую от электросети, как правило, через помехоподавляющий фильтр. Хотя в тексте стандарта упоминается только переключатель на резервное питание, тем не менее, нормативные документы допускают наличие узлов, осуществляющих фильтрацию и регулирование выходного напряжения ИБП. [9]

Линейно-интерактивные ИБП. Принцип работы интерактивного источника бесперебойного питания (ИБП) полностью идентичен резервному, за исключением ступенчатой стабилизации выходного напряжения посредством коммутации обмоток автотрансформатора. Интерактивный ИБП используется для питания персональных компьютеров, рабочих станций и файловых серверов локальных вычислительных сетей,

офисного и другого оборудования, критичного к неполадкам в электросети. В целом линейно-интерактивные ИБП обеспечивают приемлемый уровень защиты электропитания и служат дешевой альтернативой более сложным системам, предназначенным для работы с чувствительной к неполадкам в электросети нагрузкой.

На сегодняшний день тенденции в развитии импульсных источников, изложенные в [3], сохранились.

ИБП с двойным преобразованием напряжения, Принцип работы он-лайн источника бесперебойного питания (ИБП) построен на двойном преобразовании напряжения: входное напряжение трансформируется в постоянное при помощи выпрямителя, а затем обратно в переменное при помощи обратного преобразователя (инвертора).

Он-лайн ИБП используется для питания файловых серверов и рабочих станций локальных вычислительных сетей, а также любого другого оборудования, предъявляющего повышенные требования к качеству сетевого электропитания. Считается, что схема он-лайн является самым совершенным на сегодняшний день решением, позволяющим полностью защитить нагрузку от всех существующих неполадок электропитания.

Эволюция: БП= БП+ИБП. Недавно был сконструирован блок питания, также выполняющий роль ИБП.

Блоки питания имеют мощность 200, 250 и 300 Вт для настольных персональных компьютеров. Реализовав ряд решений, специалистам удалось уменьшить в несколько раз компоненты, отвечающие за снабжение компьютера энергией, благодаря чему появилась возможность разместить в корпусе устройства дополнительный аккумулятор. В случае прекращения подачи тока, он позволит нормально функционировать компьютеру в течение нескольких секунд. За это время специальное программное обеспечение, поставляемое в комплекте с устройством, обеспечивает сохранение всех открытых документов, после чего переводит ПК в режим глубокого сна. Энергии встроенного аккумулятора хватит на поддержание работы десктопа в режиме гибернации нескольких часов (точный срок зависит от уровня энергопотребления компонентов ПК).

В России и в мире существует и продолжает совершенствоваться цивилизованный рынок и производство источников питания, и его основные параметры, тенденции и перспективы развития во многом совпадают с аналогичными в развитых странах мира. Индустрия источников питания движется в сторону

производства стандартных приборов и отсюда вытекает необходимость унификации разъемов питания (USB, ETHERNET) для большинства устройств.

Изменение материала катодов, необходимое для улучшения эксплуатационных характеристик, приводит к увеличению разброса параметров и требует повышения уровня интеллектуальности электронных схем контроля заряда и разряда [6]

Источник должен работать от напряжения любой формы и даже от переменного или постоянного напряжения с одного и того же источника и обеспечивать низкие искажения, малое время установления и высокий КПД

Мощность проектируемой системы питания должна быть масштабируемой, надежной и управляемой.

Литература

1. Larry Gilbert. Future Power: Standart or Custom?//IEEE, 1993, pp. 100-104.

2. Лукин А. Современный рынок источников питания Электронные компоненты,

1997. Вып. 5—6.

3. Donald T. Staffiere. Power in the Yeare 2000.//IEEE, 1995, pp. 6—11.

4. Владимир Ланцов// Источники бесперебойного питания. Новый подход к

синтезу // Силовая электроника. 2007. № 4.

5. Кучеров. Д.П. //Источники питания ПК и периферии. СПб.: Наука и Техника, 2005. 365 с.

6. Машурян Э. Оправдают ли ожидания новые источники питания. // Электронные компоненты. 2006. № 6. С. 24—24.

7. Томилин А.Н. Мир электричества. М.: Дрофа, 2004. 304 с.

8. Шрайбер Герман. 300 схем источников питания. Выпрямители. Импульсные источники питания. Линейные стабилизаторы и преобразователи. М.: Изд-во ДМК, 2000. С. 154—154.

9. IT-рынки. Бестселлеры: компьютеры и периферия. СК Пресс. Осень 2001.