Основные дестабилизирующие факторы, определяющие работу источника бесперебойного питания

УДК 621.319.4

ОСНОВНЫЕ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РАБОТУ ИСТОЧНИКОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

Емеличев А.А., аспирант,

ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,

г. Москва

Рассмотрены основные факторы, которые определяют работу источников бесперебойного питания (ИБП), электромагнитные отклонения в сет и их последствия.

Ключевые слова: вторичные источники питания, источники бесперебойного питания, стабилизаторы.

Стремительное развитие информационных технологий и бизнеса, функционирующего круглосуточно, предъявляют повышенные требования к электропитанию. Современный бизнес зависит не только от качественного электропитания, но и от его доступности. В таких сферах деятельности, как здравоохранение, банковский и телекоммуникационный бизнес, промышленность, сбои и пропадание напряжения могут стать причиной огромных потерь для коммерческой деятельности, нанести ущерб здоровью человека.

Управление электропитанием становится все более актуальным, особенно для потребителей в сфере информационных технологий, работающих 24\7. Благодаря добавлению модуля управления питанием в одной из энергетических компаний, удалось сэкономить более 2 млн долларов в год. В 2005 году объем продаж составил 5 млрд долларов, а к 2010 году прогнозируется 7,7 млрд долларов. [1]

Помимо колоссальной экономии средств, крайне важным моментом системы управления питанием является снижение экологического вреда окружающей природе.

Современные требования, предъявляемые к выпускаемой продукции — миниатюризация и снижение себестоимости — ведут к неизменным проблемам с охлаждением, а значит уменьшаются срок службы и КПД выпускаемой электронной продукции.

Крайне важным становится повышение качества питания, которое влияет и на стабильность работы системы в целом, и на надежность и срок службы изготавливаемой электроники.

Сегодня к качеству электрической энергии в широком смысле этого понятия предъявляются более высокие требования, чем ранее. Импульсные источники питания,

входящие в состав любых электронных средств, являются связующим звеном между потребителями (нагрузкой) и системой электроснабжения. Бурное развитие импульсных источников питания, работающих на высоких частотах преобразования и обладающих высокой экономичностью и улучшенными массогабаритными

показателями, обострило проблему электромагнитной совместимости между приборами.

Таблица 2

Электромагнитные отклонения в сетях электроснабжения

Вид сбоя электропитания Причина возникновения Возможные последствия

Пониженное напряжение, провалы напряжения • перегруженная сеть • неустойчивая работа системы регулирования напряжения сети • подключение потребителей, совокупная мощность которых сравнима с общей мощностью участка электрической сети • перегрузки блоков питания электронных приборов и уменьшение их ресурса • отключение оборудования при недостаточном для его работы напряжении • выход из строя электродвигателей • потери данных в компьютерах

Повышенное напряжение • недогруженная сеть • недостаточно эффективная работа системы регулирования • отключение мощных потребителей • выход из строя оборудования • аварийное отключение оборудования с потерей данных в компьютерах

В ысоковольтные импульсы • атмосферное электричество • включение и отключение мощных потребителей • запуск в эксплуатацию части энергосистемы после аварии • выход из строя чувствительного к качеству питания оборудования

Электрический шум • включение и отключение мощных потребителей • взаимное влияние электроприборов, работающих неподалеку • сбои при выполнении программ и передаче данных • нестабильное изображение на экранах мониторов и в видеосистемах

Полное отключение напряжения • срабатывание предохранителей при перегрузках • непрофессиональные действия персонала • аварии на линиях электропередач • потери данных в компьютерах • выход из строя жестких дисков на очень старых компьютерах

Г армонические искажения напряжения • в сети преобладает нелинейная нагрузка, оснащенная импульсными блоками питания

Нестабильная частота • сильная перегрузка энергосистемы в целом • потеря управления системой • перегрев трансформаторов • нестабильная частота -индикатор непр. работы

Еще в 1970—80 годах некоторыми отечественными специалистами были проведены экспериментальные исследования по установлению реального функционирования электрической сети общепромышленного назначения -220 В/ -380 В с частотой 50 Гц. В документации на многие виды аппаратуры и некоторые импульсные источники питания указывалось (и в ряде случаев указывается в наши дни), что напряжение электрической сети общего назначения на зажимах у потребителя не должно выходить за границы ±10% от номинального значения. В действительности, в отдельные моменты времени напряжение сети значительно выходит за указанные значения. Было отмечено, что кратковременные перенапряжения и импульсные помехи имеют амплитуду 5—500 В и длительность от долей до десятков микросекунд. В отдельных случаях импульсные помехи могут достигать величины 1000 В и более с фронтами нарастания до 10 нс. Провалы напряжения могут составлять 15—30% и более от номинального напряжения при длительности от полупериода до 15—30 периодов промышленной частоты. Число сетевых импульсных помех зависит от характера производства. В частности, на одном из машиностроительных предприятий за сутки были зафиксированы следующие данные по помехам. Зафиксировано импульсных

помех с амплитудой более 5 В около 6400, из которых примерно 1000 имели амплитуду выше 100 В, причем средний период следования импульсов был порядка 25—27 с.

В настоящее время сети электропитания (электроснабжения) постоянно подвергаются воздействию дестабилизирующих факторов и поэтому не обеспечивают должного качества электроэнергии. Исследования, проведенные мировыми производителями электронной техники показали, что, например, компьютер в среднем сталкивается с отклонениями электропитания более 120 раз в месяц. В 75% случаев эти отклонения становятся причинами сбоев, а в 25% случаев они могут привести и приводят к более серьезным отказам и повреждениям техники.

Указанные отклонения и являются следствием таких явлений, как включения-выключения или работа в повторно-кратковременных режимах мощных потребителей типа станочного и штамповочного оборудования, лифтов, транспортеров, сварочного оборудования, срабатывания устройств аварийной защиты и т.д. Свою лепту вносят сами импульсные источники питания, если не приняты должные меры по обеспечению их электромагнитной совместимости. В этом контексте можно упомянуть коммерческие (бытовые) электронные и электротехнические устройства: персональные компьютеры, аудио-, теле- и видеотехнику, стиральные машины, кондиционеры, СВЧ-печи и т. п.

Перечислим типовые аномалии электропитания:

1) пониженное напряжение — до 87%;

2) повышенное напряжение — около 0,7%;

3) импульсные перенапряжения — 7,4%;

4) несанкционированные отключения электропитания — 4,7%.

Эти аномалии в сети электропитания считаются НЧ-помехами. В соответствии с ГОСТ Р 51317.2.5—2000 установлены категории и виды ЭМП, по которому все перечисленные выше аномалии в сетях электроснабжения в общем виде классифицируются как низкочастотные электромагнитные помехи (см. ниже).

Реальное положение дел с энергоснабжением констатируют и нормативные документы. Например, ГОСТ Р 51317.2.4—2000, ГОСТ Р 51317.2.5—2000, ГОСТ 13109—97 и другие вынуждены нормировать неблагоприятные для потребителей параметры низкочастотных помех для коммерческих и производственных зон с малым энергопотреблением, а также для производственных зон. В табл. 3 представлены уровни низкочастотных помех в виде установившихся отклонений и изменений напряжения, а также провалов напряжения и кратковременных перерывов в питании

Таблица 3

Уровни низкочастотных помех в виде установившихся отклонений и изменений напряжения, провалов напряжения и кратковременных перерывов

питания

Внцннкачастоткем знпрннтнпнй тин

?Д|ЫПр||М8||1|1|1ТС Отлети ня тнфюыми. Ьмвння т^иин, 91 ГЬанш нвпимн 10 до 99* 1^ с дмнлшиио,« Крашриниттирнлы 1ни1ии(>9И ицпм) (цттиинаыВг!

Жилые, вшимрчалий н проивсдотаенныв гоны с л.алыь энергопотребление* 10 3 С 0,0 <0,4

Промышленные зоны 10 10 <2 <¿0

В табл. 4 приведены результаты измерений амплитуды, длительности и частоты возникновения провалов напряжения и кратковременных перерывов питания, вызванных переключениями в сетях электроснабжения или отказами оборудования с учетом ГОСТ Р 51317.4.4—99 [1].

Таблица 4

Результаты измерений амплитуды, длительности и частоты возникновения

провалов напряжения и кратковременных перерывов питания

Антпуда фомлаа. Кмитчч! файлов мрити, Щ1 иии(| нити п«р»рт« мтн ятя при цмтимчя

* Цши От 10 до 100 мс От 100 ао 500 не От 500 н* до маню 1 с От 1 I ДО НИИ!» Дс

От 19 до 30 61 66 12 6

Ог 30 да 60 а 34 4 1

От ¿С до 100 2 17 : 2

100 0 12 24 £

Рассмотрим установленные в ГОСТ Р 51317.2.5—2000 уровни

электромагнитных помех, которые представляют собой апериодические колебательные переходные процессы в сетях электроснабжения (табл. 5). Уровни напряжения (перенапряжения) приведены для холостого хода, что характерно для систем электроснабжения с малым энергопотреблением для различных классов размещения ТС (потребителей) [1].

Таблица 5

Уровни электромагнитных помех в виде апериодических колебательных переходных процессов в сетях электроснабжения

Трон мшонсппи нацукпшн дмрнщннн мрюдши ПИИ

Наппцкщнн ЛЬнроснсундоаи ддмгмтост Мипинсунцюя Плитмьшкт

Жилые ПОиеЩйНМЯ в сельской местности и в городе 2 <В [•] 2 еВ М 0,5 еВ [••] Помэсн отсутствуют

Помещения производственного назнснания на промышленных объектах Смолин Шйргспатрйбленийи 2 кВ 1 кВ(..| 2 кВ 1*1; 1 кВ [*•) Пом«н отсутствуют

Помещения производственного назначения на предприятиях тяжелой промышленности и т. п. 2*В[*];1 *В[**] 4 кВ [•]; 2 кВ [*»J 0..5 ил0(( |порт ал«тропнтання переменного ТОЩ.1

♦ - порт электропитания переменного rata. ++ - порт ввода-вывода сигналов.

Из табл. 5 видно, что величины перенапряжений в сети электропитания пере менного тока могут достигать больших значений — от 1 до 4 кВ (на холостом ходу источника перенапряжений). Это требует применения эффективных защитных устройств и элементов-подавителей перенапряжений на входе импульсного источника питания. Строго говоря, нормативные документы трактуют эти перенапряжения как высокочастотные кондуктивные апериодические колебательные помехи. Однако приводя этот материал в данной статье, авторы исходили из желания разделить (для удобства изложения) основные аномалии (или помехи) в электропитании и помехи, создаваемые самим импульсным источником питания.

Особый вид аномалии создают бытовые и промышленные силовые устройства, питающиеся выпрямленным током, а также ТС с фазовым управлением потребляемой мощностью. Речь идет об искажении формы кривой потребляемого тока, а следовательно, и формы сетевого напряжения.

Развитие рынка источников бесперебойного питания обусловлено потребностями ИТ-отрасли. [3]

В настоящее время существенный «вклад» в эту аномалию вносят АС/ОС-преобразователи (из-за наличия в них фильтрующих конденсаторов с большой емкостью на выходе сетевого выпрямителя). Образующиеся при этом гармоники также попадают в категорию низкочастотных электромагнитных помех. В нормативных документах, в частности, в отечественных ГОСТ Р 51417.2.5—2000 и ГОСТ 13109—97, даны допустимые уровни электромагнитной совместимости по содержанию разных гармоник в различных зонах потребителей. В табл. 6 приведены уровни электромагнитной совместимости для основных гармоник напряжения в системах электроснабжения (по отношению к величине напряжения основной частоты), а также значения коэффициента искажений синусоидальности кривой сетевого напряжения Кнс в различных зонах [1].

Основные усилия разработчиков направлены на дальнейшее снижение стоимости продукции.

Таблица 6

Уровни электромагнитной совместимости для основных гармоник и коэффициента несинусоидальности Кнс кривой сетевого напряжения в различных зонах

Урони ЭМС  % н вялтн« наспим ооюдиои чоаом дня пуням

Порядок г yiMN

їнічіуіімаїїиішТС к* * Ниелшег^иинин (» tpoTiHj» 3] Ht WIK ив нрмянмн |нряпи»3) Чипни^и WEH

5 7 11 Э 9 15 2 4 6-10

Жилые. [Оиыврчеаснс зоны и производственные зоны С MOJUM энергопотреблением 0 ó 5 3,5 5 is 0,3 2 1 0,5

Промышленный зоны 10 В 7 5 ó IS 2 і 1

Оптимальное развитие индустрии источников питания идет по пути стандартизации устройств, что при очень больших объемах производства позволяет использовать высокую технологию при невысоких затратах.

Новое время требует от многих разработчиков нового мышления: необходимо помнить, что источники питания - это нечто большее, чем сочетание мощных полупроводниковых приборов и схемотехники. Значительный прогресс в технологии средств электропитания произойдет тогда, когда конструирование будет проходить на системном уровне. Например, при разработке низковольтных регуляторов большого тока можно регулировать цену модуля питания, однако при этом все равно сохраняется проблема «токового» распределения, которая может увеличить стоимость. Унифицированные модули питания можно успешно оптимизировать поиском величины единичной мощности, которая создает максимальный КПД при минимальном объеме.[4]

Применение перспективных методов конструирования функциональной аппаратуры (функциональная интеграция, оптимальная теплопередача, системная интеграция и т.п.), определяет совершенствование устройств электропитания. Значительным толчком в их развитии может послужить функциональная интеграция, т.е. создание однокристальных модулей с возможностью поверхностного монтажа.

Рынок преобразователей электроэнергии демонстрирует наибольшие изменения характеристик именно в данном классе устройств. [2]

Существует необходимость в значительном улучшении параметров некоторых компонентов. Самые сложные проблемы связаны с электромагнитными компонентами, а именно с улучшением терморегулирования и снижением потерь в материале сердечника.

Развитие электроники и повышение сложности электронных устройств привели

к необходимости повышения эффективности их проектирования.[5] Возможно, скоро станет доступным применение высокотемпературной сверхпроводимости, что должно повлиять на параметры электромагнитных компонентов. Потребители испытывают большую потребность в усовершенствованных высокотемпературных конденсаторах в миниатюрных корпусах: необходимы более низкое эквивалентное последовательное сопротивление и наработка на отказ свыше 20 тыс. часов при 105°С. Многие технологии перспективных средств вторичного электропитания существуют сегодня либо в индустрии энергетики, либо в других подотраслях электронной индустрии. Требования по выходному напряжению будут соответствовать развитию технологии ИС. С ростом КПД, который медленно будет стремиться к значениям свыше 90%, проблемы теплоотвода упростятся, но все-таки сохранят свою значимость.

Литература

1. Лукин А. Современный рынок источников питания — новая стратегия,

проблемы, парадоксы.//Электронные компоненты, 1997. Вып.5—6.

2. Лукин А., А. Лазученков. //Источники вторичного электропитания. Рынок на пороге XXI века// Электроника для ТЭК.

3. «Рынок источников бесперебойного питания». Интернет-издание http://www.cnews.ru/.

4. Ланцов В. Источники бесперебойного питания. Новый подход к синтезу // Силовая электроника. 2007. № 4.

5. Прянишников В.А. Электроника. СПб., 1998. 388 с.