Системы бесперебойного питания локальных вычиcлительных сетей

УДК 621.372

СИСТЕМЫ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

В.К. Душин, И.И. Саморуков, Н.Н. Теодорович, А.Н. Феоктистов

Рассмотрены основные причины возникновения нештатных ситуаций с электропитанием в вычислительных сетях; выполнен сравнительный анализ вариантов построения источников бесперебойного питания локальных вычислительных сетей.

In this paper we propose the estimation method of the error flow model parameters. We base on experimental properties for a set of noise and noise immunity properties of usable signal transformation facilities.

Известны результаты исследований, проведенных в США фирмами Ве11 ЬаЬ8 и 1ВМ, согласно которым каждый персональный компьютер подвергается воздействию 120 нештатных ситуаций в месяц, связанных с электропитанием. По данным Ве11 ЬаЬ8, в США наиболее часто встречаются следующие сбои питания:

провалы напряжения - кратковременные понижения напряжения, связанные с резким увеличением нагрузки в сети из-за включения мощных потребителей (промышленное оборудование, лифты и т.д.); является наиболее частой неполадкой в электрической сети, встречается в 87 % случаев;

высоковольтные импульсы - кратковременное, очень сильное увеличение напряжения, связанное с близким грозовым разрядом или включением напряжения на подстанции после аварии; составляет 7,4 % всех сбоев питания;

полное отключение напряжения - является следствием аварий, грозовых разрядов, сильных перегрузок электростанции; встречается в 4,7 % случаев;

слишком большое напряжение - кратковременное увеличение напряжения в сети, связанное с отключением мощных потребителей; встречается в 0,7 % случаев.

Наиболее частой неполадкой в электрической сети России, так же, как и в США, можно считать пониженное напряжение. Однако этот вид сбоя питания вовсе не доминирует, поскольку повышенное напряжение в сети встречается почти так же часто, как и пониженное. Причем для разных мест (городов, районов, предприятий) обычен определенный уровень напряжения в сети. Где-то оно может быть в основном пониженное, в других местах - в основном нормальное или повышенное. Этот уровень сохраняется примерно одинаковым все время. На его фоне происходят циклические изменения напряжения, связанные с изменением нагрузки в электрической сети. Самый короткий цикл изменения напряжения - дневной.

Изменение частоты само по себе не представляет существенной опасности для оборудования, оснащенного импульсным блоком питания, однако очень низкая частота обычно сопровождается сильными гармоническими искажениями, которые могут отрицательно повлиять на работу не только компьютера, но и большинства источников бесперебойного питания (ИБП). Кроме того, многие ИБП среднего класса воспринимают сильное понижение частоты как аварийный случай и начинают расходовать заряд батареи.

При работе импульсных блоков питания и других нелинейных нагрузок в перегруженной сети возникают искажения формы синусоидального напряжения. Эти искажения могут приводить к неполадкам в работе мониторов и чувствительного оборудования.

Источники бесперебойного питания характеризуются следующими показателями.

По входу:

питание ИБП (может быть однофазным или трехфазным);

рабочий диапазон величин входного напряжения;

рабочий диапазон частот входного напряжения; способность выдерживать импульсные напряжения на входе;

какой нагрузкой для электрической сети является ИБП: преимущественно линейной или преимущественно нелинейной.

По выходу:

ИБП имеет однофазный или трехфазный выход;

форма выходного напряжения: синусоидальная или ступенчатая;

выходная мощность;

способность выдерживать перегрузки;

характер защиты от перегрузок на выходе;

стабилизация выходного напряжение ИБП при его работе от сети: плавная, ступенчатая или отсутствует;

способность ослаблять шум и импульсы в сетевом напряжении;

способность исправлять форму сетевого напряжения;

наличие зависимости частоты выходного напряжения от частоты сети при работе ИБП от сети;

время работы при исчезновении сетевого напряжения;

наличие синхронизации выходного напряжения при переключении ИБП из режима работы от сети в режим работы от аккумулятора и обратно. По сервисным возможностям: виды звуковой и световой сигнализации ИБП: об уровне сетевого напряжения, о перегрузке на выходе, о режиме работы от аккумулятора, о разряде аккумулятора и т.д;

проводится ли самотестирование ИБП при его включении;

проверяется ли уровень заряда аккумуляторной батареи;

способность автоматического отключения защищаемой системы при исчезновении сетевого напряжения;

имеется ли возможность дистанционного управления ИБП и получения от него информации.

Кратко рассмотрим 4 основных типа источников бесперебойного питания, которые в настоящее время получили наибольшее распространение.

ИБП с переключением (англ. off-line UPS или standby UPS) (рис. 1).

В режиме работы от сети (нормальная работа) напряжение от входа ИБП поступает к нагрузке через фильтр импульсов и фильтр шумов. Часть

мощности поступает к выпрямителю. Батарея получает зарядный ток, если она разряжена, или поддерживается в заряженном состоянии под так называемым «плавающим» потенциалом. Когда блок анализа напряжения сочтет сетевое напряжение «неправильным» (этот критерий разный для различных моделей ИБП), то с помощью электронного переключателя ИБП переводится в режим работы от батареи. Нагрузку начинает питать инвертор, разряжая батарею.

Батарея поддерживает работу нагрузки в течение некоторого времени, которое зависит от потребляемой нагрузкой мощности, номинальной емкости батареи, ее возраста и степени заряда. После исчерпания заряда батареи блок управления ИБП, который следит за разрядом батареи, подает команду на отключение нагрузки. Если через некоторое время напряжение в сети становится нормальным, ИБП возвращается в режим работы от сети и начинает подзаряд батареи.

ИБП, взаимодействующий с сетью (англ. Line Interactive UPS) (рис. 2).

Рис. 2. ИБП, взаимодействующий с сетью

В режиме работы от электрической сети входное напряжение фильтруется от шумов и импульсов и поступает к нагрузке. Часть мощности расходуется на зарядку батареи ИБП или поддержание ее в заряженном состоянии.

Блок анализа сети контролирует форму и амплитуду напряжения сети. В случае, если напряжение сети становится слишком низким (например, ниже 195 В) или (для некоторых моделей) слишком высоким, блок анализа сети пытается скорректировать величину напряжения, переключая отводы автотрансформатора. Напряжение на выходе ИБП повышается или понижается, приближаясь к номинальному значению. Если напряжение становится настолько низким, что переключение отводов уже не помогает, то ИБП переклю-

чается на работу от батареи. Если на вход ИБП поступает напряжение искаженной формы, блок анализа сети также переключает ИБП на режим работы от батареи. Некоторые модели данных ИБП, при этом корректируют форму напряжения, не переключаясь на работу от батареи.

При переключении в режим работы от батареи, инвертор ИБП, постоянно подключенный к нагрузке, немедленно начинает вырабатывать переменное напряжение, синфазное напряжению сети. Сеть отключается от нагрузки отключате-лем, но остается под контролем блока анализа сети. Инвертор поддерживает напряжение на нагрузке в течение некоторого времени, зависящего от заряда батареи. Если сетевое напряжение за это время не становится нормальным, после разряда батареи ИБП отключает нагрузку.

Феррорезонансный ИБП (рис. 3).

Если напряжение в сети восстанавливается раньше исчерпания заряда батареи, то ИБП начинает подготовку к переключению на режим работы от сети.

Принцип работы данной схемы такой же, как и у ИБП с переключением.

ИБП с двойным преобразованием энергии

(рис. 4).

Выпрямитель этого ИБП - мощное устройство. Он не только подзаряжает батарею, но и снабжает непрерывно работающий инвертор постоянным напряжением. Байпас - это специальная линия, которая позволяет в случае необходимости питать нагрузку напрямую от электрической сети. Для переключения на работу через байпас служит статический (т.е. не имеющий движущихся элементов) переключатель. Поэтому такой байпас часто называют статическим байпасом.

Если в сети есть «нормальное» напряжение, то вся мощность, потребляемая нагрузкой, проходит

через выпрямитель, который преобразует переменное напряжение электрической сети в стабилизированное постоянное напряжение. Постоянное напряжение используется для заряда батареи и для питания инвертора. Инвертор преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, которым и питается нагрузка.

Если напряжение сети становится меньше нижней границы диапазона входных напряжений, то инвертор начинает питаться от батареи. Если напряжение на входе ИБП восстанавливается до нормального, то выпрямитель опять начинает заряжать батарею и питать инвертор. [2]

При выходе из строя или перегрузке инвертора, срабатывает статический переключатель (при этом размыкается линия «инвертор-нагрузка» и замыкается линия «байпас-нагрузка») и нагрузка продолжает питаться от сети.

Система бесперебойного питания может иметь одну из двух топологий:

1) централизованная система бесперебойного питания, которая подразумевает установку одного ИБП, поддерживающего работу всего оборудования в целом здании или, как минимум, на этаже здания;

2) распределенная система бесперебойного питания, состоящая из нескольких ИБП (они могут быть разных типов и иметь разные мощности), каждый из которых защищает отдельную единицу оборудования - чаще всего компьютер [1].

Таким образом, наиболее простой и распространенной является распределенная система бесперебойного питания, которая обладает следующими достоинствами:

каждый элемент компьютерной системы предприятия защищается отдельным ИБП, который подбирается по мощности и уровню защиты специально для этого элемента, что позволяет эффективно использовать средства, защищая с помощью бо-

лее дорогих ИБП более важные элементы компьютерной системы или элементы, находящиеся в более жестких условиях;

для простых компьютерных систем (например группы отдельных компьютеров или простой локальной сети) система бесперебойного питания очень проста в применении; каждый пользователь компьютера отвечает за работу своего ИБП, знает его состояние и может вовремя вызвать специалиста, если состояние ИБП вызывает опасения;

работоспособность системы бесперебойного питания можно обеспечивать за счет замены вышедших из строя ИБП на приборы, защищавшие менее важные элементы компьютерной системы;

ИБП небольшой мощности не требуют квалифицированного персонала для их установки;

не требуются специальные силовые сети для компьютеров; каждый из ИБП может быть подключен к обычной электрической сети;

отдельные компоненты системы бесперебойного питания могут в большинстве случаев подбираться независимо друг от друга; это значит, что

при изменении конфигурации компьютерной системы, добавлении к ней каких-то новых компонентов, каждый «старый» ИБП может оставаться соединенным с тем же компьютером или разветвителем, который он защищал, а для новых компонентов системы просто докупаются новые ИБП [2].

Задача подбора оборудования для распределенной системы бесперебойного питания упрощается тем, что любой ИБП можно подбирать, ориентируясь на один элемент компьютерной системы и условия его эксплуатации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Куличков А.В. Импульсные блоки питания для 1ВМ РС. - М.: ДМК. Сер. «Ремонт и сервис», 2000.

2. ГукМ.Ю. Аппаратные средства 1ВМ РС. -СПб.: ПИТЕР, 2000.

Поступила 01.11.2005 г.