Организация электропитания СВТ

1.1. Общие вопросы организации электропитания СВТ

1.1.1. Параметры питающего напряжения

Основные понятия электрической сети Электростанции России объединены в федеральную энергосистему, являющуюся источником электрической энергии для всех ее потребителей. Передача и распределение электроэнергии осуществляется с помощью воздушных линий электропередачи, пересекающих всю страну. Для уменьшения потерь при передаче электроэнергии в линиях электропередач применяется очень высокое напряжение - десятки и (чаще) сотни киловольт. В силу своей экономичности при передаче энергии применяется изобретенная русским инженером М.О. Доливо-Добровольским трехфазная система переменного тока, при которой электроэнергия передается с помощью четырех проводов. Потребители электроэнергии рассчитаны на более низкие напряжения, чем напряжение в энергосистеме. Понижение напряжения производится в два этапа. Сначала на понижающей подстанции, являющейся частью энергосистемы, напряжение понижается до 6-10 кВ (киловольт). Дальнейшее понижение напряжение производится на трансформаторных подстанциях. После трансформаторной подстанции напряжение понижается до 220-380 В.В трех фазной сети используют следующие типы проводников: Линейный провод (L)–обеспечивает соединение потребителя с фазным выводом генератора. Рабочий ноль (нейтральный провод) (N) -проводник, обеспечивающий вместе с фазным проводником питание потребителя. Нейтральный провод в трехфазной системе переменного тока выполняет очень важную функцию. Он служит для выравнивания фазных напряжений во всех трех фазах при разных нагрузках фаз (или, как говорят электрики, - перекосе фаз). В случае обрыва нейтрального провода при неодинаковых нагрузках в фазах фазные напряжения будут различными. В фазах с большой нагрузкой (меньшим сопротивлением) напряжение будет ниже нормального, даже если эта фаза очень далека от перегрузки. В фазах с меньшей нагрузкой (большим сопротивлением) напряжения станет выше нормального. Кроме этого нейтральный провод обеспечивает эффективную компенсацию токов в разных фазах в случае синусоидальных токов в трехфазной электрической сети. Если в электрическую сеть включено много компьютеров, то форма кривой тока искажается и эффективность работы нейтрального провода резко снижается. При этом возможны опасные перегрузки нейтрального провода и искажения формы кривой напряжения. Ранее в России применялась четырехпроводная трехфазная электрическая сеть. Она еще называется электрической сетью с глухо-заземленной нейтралью. За этими словами скрывается вполне простой факт: нейтральный провод на подстанции заземлен и практически не только выполняет свою функцию " симметрирования" трехфазной сети, но и используется как защитное заземление. В настоящее время обычно применяется пяти-проводная электрическая сеть. В такой электрической сети имеется отдельный (пятый) провод заземления и нейтральный провод выполняет только одну функцию. Кстати сказать, все западные источники бесперебойного питания предназначены для использования именно с такой электрической сетью. Защитное заземление (PE) -проводник, обеспечивающий соединение не токоведущих частей корпуса потребителя с заземляющим устройством. В трех фазной сети различают следующие виды напряжений: Фазное напряжениеНапряжение между фазным (L) и рабочим нулевым (N) проводниками. Для сети 380/220 В - 220 В. Линейное напряжениеНапряжение между двумя фазными (L) проводниками. Для сети 380/220 В - 380 В. Рисунок 1 - Трехфазная система переменного токаПеременный электрический ток характеризуется также частотой. Номинальное стандартное значение частоты в России равно 50 Гц(Герц). В России требования к качеству электрической энергии стандартизованы. ГОСТ 23875-88 дает определения показателям качества электроэнергии, а ГОСТ 13109-87 устанавливает значения этих показателей. Этим стандартом установлены значения показателей в точках подключения потребителей электроэнергии. Для пользователя это означает, что он может требовать от энергоснабжающей организации, чтобы установленные нормы соблюдались не где-то в энергосистеме, а непосредственно в его розетке. Наиболее важные показатели качества электроэнергии - это отклонение напряжения от номинального значения, коэффициент несинусоидальности напряжения, отклонение частоты от 50 Гц. Согласно стандарту в течение не менее 95 % времени каждых суток фазное напряжение должно находиться в диапазоне 209-231 В(отклонение 5 %), частота в пределах 49.8-50.2 Гц, а коэффициент несинусоидальности не должен превышать 5 %. Остальные 5 или менее процентов времени каждых суток напряжение может изменяться от 198 до 242 В (отклонение 10 %), частота от 49.6 до 50.4 Гц, а коэффициент несинусоидальности должен быть не более 10 %. Допускаются также более сильные изменения частоты: от 49.5 Гц до 51 Гц, но общая длительность таких изменений не должна превышать 90 часов за год. Авариями электроснабженияназываются ситуации, когда показатели качества электроэнергии кратковременно выходят за установленные пределы. Частота может отклоняться на 5 Гц от номинального значения. Напряжение может снижаться до нуля. В дальнейшем показатели качества должны восстанавливаться. ЗаземлениеПри установке промышленного оборудования для предотвращения поражения электрическим током, применяется защитное заземление.

Защитным заземлениемназывается преднамеренное соединение с землей металлических частей оборудования (обычно рамы, корпуса или защитного кожуха), нормально не находящихся под напряжением. Даже если произойдет повреждение электрической изоляции (и даже, если при этом не сработают защитные предохранители), то напряжение на заземленных частях оборудования будет безопасным, так как сопротивление заземления по стандарту не должно превышать 4 Ома. При организации локальных компьютерных сетей рекомендуется еще более низкое сопротивление «Электропитание средств вычислительной техники» Учебно-методический комплекс Романов В. П. 9

заземления - не более 0.5-1 Ома. Впрочем, в этом случае заземление главным образом служит для уменьшения помех, возникающих при работе различного оборудования. Для устройства заземления в грунте размещают металлические предметы с развитой поверхностью и надежно соединяют его с шиной заземления. Ранее в России для подключения бытовых и офисных приборов не применялось заземление. В быту и офисах использовались двухпроводные розетки, рассчитанные на напряжение до 250 В и ток до 6 А. Один из контактов в этой розетке соединен с линейным проводом трехфазной цепи (или, как говорят электрики с " фазой" ), а другой - с нейтралью. Исключение делалось только для мощной бытовой техники, типа кухонных плит и некоторых стиральных машин. Эти приборы подключались к специальной розетке с заземлением (которым часто служила " нейтраль" электрической цепи). С появлением персональных компьютеров и большого количества импортной офисной и бытовой техники, начала широко применяться розетка с расположенными в периферийной части розетки заземляющими контактами. Эта розетка рассчитана на напряжение до 250 В и ток до 10 А(иногда до 16 А). Обычно ее называют " компьютерной", " европейской" или " евророзеткой". В России в настоящее время применяется пятипроводная трехфазная сеть. В ней провод заземления и нейтраль отделены друг от друга. Пятипроводная сеть дороже (больше расходы на кабель и его прокладку), но более устойчива к помехам, особенно при работе компьютерного оборудования. В России имеется стандарт (ГОСТ Р 50628-93), определяющий требования к персональным компьютерам по устойчивости к электромагнитным помехам. Этому стандарту должны соответствовать все компьютеры, производимые или импортируемые в России. Компьютеры и периферийные устройства подразделяются на две группы в зависимости от устойчивости к помехам. Группу определяет производитель компьютера. После соответствующих испытаний и сертификации он имеет право объявить о соответствии его компьютера группе I или II ГОСТ Р 50628-93 по устойчивости к электромагнитным помехам. В таблице приведены параметры электрической сети, которые должны выдерживать компьютеры и периферийное оборудование в соответствии с этим стандартом. Таблица 1 Требования к качеству электрической сети. Вид внешней помехи	Группа
I	II
Электростатические разряды:
- контактные	2-4 кВ	4-6 кВ
- воздушные	2-4 кВ	4-8 кВ
Наносекундные импульсные помехи:
- в цепях питания	0.5 кВ	1 кВ
- в цепях ввода-вывода	0.5 кВ	0.5 кВ
Динамические изменения напряжения питания:
- провалы напряжения	154 В на 200 мс	154 В на 500 мс
- прерывания напряжения	0 В на 20 мс	0 В на 100 мс
- выбросы напряжения	264 В на 200 мс	264 В на 500 мс
Микросекундные импульсы большой энергии	500 В	1000 В
Радиочастотные электромагнитные поля	1 В/м	3 В/м

Сбои электропитания1. Провалы напряжения - кратковременные понижения напряжения, связанные с резким увеличением нагрузки в сети в связи с включением мощных потребителей, таких, как промышленное оборудование, лифты и т.д. Является наиболее частой неполадкой в электрической сети, встречается в 87 % случаев. 2. Высоковольтные импульсы - кратковременное (на наносекунды или единицы микросекунд) очень сильное увеличение напряжения, связанное с близким грозовым разрядом или включением напряжения на подстанции после аварии. Составляет 7.4 % всех сбоев питания. 3. Полное отключение напряжения согласно этому исследованию является следствием аварий, грозовых разрядов, сильных перегрузок электростанции. Встречается в 4.7 % случаев. 4. Слишком большое напряжение - кратковременное увеличение напряжения в сети, связанное с отключением мощных потребителей. Встречается в 0.7 % случаев. В России, и особенно в других странах СНГ, наблюдается вид сбоя питания совершенно неизвестный на Западе. Это нестабильная частота. Самым характерным примером являлась Грузия в 1992-1994 годах. Энергосистема Грузии в целом видимо была очень сильно перегружена. Поэтому частота в сети могла опускаться до 42 Гц. Само по себе изменение частоты не представляет существенной опасности для оборудования, оснащенного импульсным блоком питания, но 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 ИБПсреднего класса воспринимают сильное понижение частоты как аварийный случай и начинают расходовать заряд батареи. Батарея разряжается через несколько минут и вся работа на этом заканчивается. Еще одной отличительной особенностью России являются причины (и, соответственно, количество) полных отключений напряжения. Аварии и стихийные бедствия, являющиеся причинами полного отключения напряжения в развитых странах, случаются у нас примерно с такой же частотой, что и там. Но в России эти случайности не являются единственными, и даже главными, причинами полного исчезновения напряжения. Свое уверенное слово говорит человеческий фактор. Дело в недостатке знаний. Электрики, обслуживающие офисное здание с множеством компьютеров, обычно не имеют никакого представления о том, какие последствия имеет отключение напряжения для компьютеров и данных. Поэтому они ведут себя совершенно так же, как и 20 лет назад. При возникновении какой-либо проблемы с электропитанием на этаже (например, отключился автоматический выключатель - предохранитель), электрик начинает искать автоматический выключатель, отвечающий за зону, в которой возникла проблема. Ищет он, разумеется, не по схеме (это долго, да и схемы у него возможно, или, скорее всего, нет). Он просто последовательно отключает и тут же включает все автоматы на щитке и смотрит на результат. В момент, когда в нужном помещении появляется свет, он считает свою миссию законченной. Если нужный автомат окажется последним, то в течение минуты каждая электролампа и каждый компьютер на этаже подвергнутся кратковременному (менее секунды) отключению напряжения. Для освещения ничего страшного не происходит, люди обычно даже не успевают испугаться, оказавшись на мгновение в темноте. Но секундного отключения вполне достаточно для потери данных на компьютерах.

Особенно часто такие случаи бывают весной и осенью, когда заканчивается или начинается отопительный сезон. Если отопление уже отключили или еще не включили, и вдруг похолодало, то люди реагируют стандартно: они включают электрические подогреватели. Если электрическая сеть сильно нагружена, то подключение дополнительных (и мощных) потребителей может привести к срабатыванию «Электропитание средств вычислительной техники» Учебно-методический комплекс Романов В. П. 11

автоматического предохранителя. Такой цикл включений и отключений может в некоторых организациях повторяться по несколько раз в день. Отметим еще один вид искажений электропитания - речь идет об искажениях формы синусоиды, связанных с работой компьютеров и других нелинейных нагрузок. При работе импульсных блоков питания в сильно перегруженной сети могут возникать искажения формы синусоидального напряжения. Это может выражаться в срезании вершины синусоиды и появлении гармоник - колебаний кратных частот. Эти искажения могут приводить к неполадкам в работе другого чувствительного оборудования, например измерительных приборов или видеоаппаратуры. Искажения формы кривой напряжения усугубляются специфическими свойствами трехфазной электрической сети, изначально предназначенной для работы только с синусоидальными напряжениями и токами. Таблица 2 Виды сбоев электропитания Вид сбоя электропитания	Причина возникновения	Возможные следствия
Пониженное напряжение, провалы напряжения	Перегруженная сеть, неустойчивая работа системы регулировнаия напряжения сети, подключение потребителей, мощность которых сравнима с 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 работы системы регулирования, отключение мощных потребителей	Выход из строя оборудования. Аварийное отключение оборудования с потерей данных в компьютерах.
Высоковольтные импульсы	Атмосферное электричество, включение и отключение мощных потребителей, запуск в эксплуатацию части энергосистемы после аварии.	Выход из строя чувствительного оборудования.
Электрический шум	Включение и отключение мощных потребителей. Взаимное влияние работающих неподалеку электроприборов.	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. На очень старых компьютерах - выход из строя жестких дисков.
Гармонические искажения напряжения	Значительную долю нагрузки сети составляют нелинейные потребители, оснащенные импульсными блоками питания (компьютеры, коммуникационное оборудование). Неправильно спроектирована электрическая сеть, работающая с нелинейными нагрузками, перегружен нейтральный провод.	Помехи при работе чувствительного оборудования (радио и телевизионные системы, измерительные комплексы и т.д.)
Нестабильная частота	Сильная перегрузка энергосистемы в целом. Потеря управления системой.	Перегрев трансформаторов. Для компьютеров само по себе изменение частоты не страшно. Нестабильная частота является лучшим индикатором неправильной работы энергосистемы или ее существенной части.

ПерегрузкиПерегрузки (т.е. ситуации, когда ток в сети выше номинального или предельно допустимого для участка электрической сети) могут происходить на разных уровнях системы электроснабжения. Соответственно разные и последствия. Локальная перегрузка - это перегрузка сети на участке от потребителей до ближайшего автоматического предохранителя. Перегрузки на участке сети могут вызывать срабатывание этого предохранителя и, следовательно, локальное отключение напряжения. Местная перегрузка возникает, если перегружена вся линия от потребителей до понижающего трансформатора. Происходит снижение напряжения в сети. При сильных перегрузках и выходе из строя локальных систем защиты, возможно срабатывание системы защиты подстанции, также сопровождаемое временным полным отключением напряжения. Это отключение распространяется на всех потребителей, питаемых от этого трансформатора. Общая перегрузка возникает, если перегружена вся энергосистема или существенная ее часть. В этом случае, помимо снижения напряжения может происходить и уменьшение частоты синусоидального напряжения. При глубоких общих перегрузках возможно срабатывание защиты на электростанции и отключение напряжения в системе в целом. Совершенно особенным случаем перегрузки является временная перегрузка, связанная со стартовыми токами, возникающими при запуске почти любого оборудования (особенно это характерно для СВТ и других устройств содержащих источники питания). Стартовый ток может превышать номинальный ток потребления электрического прибора в единицы, десятки и (к счастью очень редко) в сотни раз. В зависимости от величины стартового тока, временная перегрузка может распространиться на больший или меньший участок сети. Чаще всего включение оборудования вызывает местные перегрузки, но известны случаи, когда включение одного очень мощного агрегата вызывает перегрузку энергосистемы целой страны.

Схемы включения СВТ в электрическую цепь.

Для питания средств вычислительной техники применяется электрическая сеть с переменным напряжением 220В. Данное напряжение при воздействии на человека вызывает протекание электрического тока опасного для жизни человека. В тоже время любой бытовой электроприбор, включенный в электрическую сеть в результате своей работы, создает вокруг себя вредное для здоровья человека электромагнитное поле (ЭМП) как низкой (50 Гц) так и высокой (40-80кГц) частоты. На человека, находящегося вблизи работающего бытового электроприбора, воздействует как электрическая, так и магнитная составляющая ЭМП. Вокруг многих незаземленных бытовых электроприборов, а особенно компьютера, за которым человек, как правило, работает по многу часов кряду, уровень ЭМП в разы, а иногда и на порядок превышает допустимые значения. По данным Центра электромагнитной безопасности наиболее чувствительны к воздействию ЭМП являются нервная, иммунная, эндокринная и половая системы человека. Биологический эффект ЭМП в условиях длительного воздействия имеет свойство накапливаться. В результате возможно развитие отдаленных последствий, включая дегенеративные процессы центральной нервной системы, рак крови, опухоли мозга, гормональные заболевания. Следовательно, схема подключения СВТ к электрической сети должна выполнять следующие взаимосвязанные функции:

1. Безусловную защиту персонала, работающего с СВТ, от поражения электрическим током;

2. Безусловную защиту персонала, работающего с СВТ, от вредного воздействия ЭМП;

«Электропитание средств вычислительной техники» Учебно-методический комплекс Романов В. П. 13

3. Защиту СВТ и других потребителей от взаимных помех.

4. Обеспечить электрическое питание СВТ.

Подключение блока питания компьютера и основных видов СВТ выполняется по схеме, представленной на рисунке 1. Рисунок 2 - Типовая схема подключения СВТ к питающей сети

Рисунок 3 - Электрическая схема неправильно подключенной розетки1 - фазные провода сети; цифрой 2 - совмещенный нулевой рабочий и защитный проводник; 3 - фазный проводник, подключенный к розетке; 4 - нулевой рабочий проводник; 5-трехпо-люсная розетка; 6 - полюс розетки, к которому присоединен нулевой рабочий проводник; 7 - проводник, соединяющий заземляющий полюс 8 розетки и полюс розетки, к которому присоединен нулевой рабочий проводник; 9 - полюс розетки, к которому подсоединен фазный проводки.

Источники питания СВТ

1.2.1. Классификация источников питания СВТ

В зависимости от характера преобразования энергии, в источнике питания выполняемого при получении на его выходе требуемого напряжения источники питания подразделяются на:

Первичные источники питания;

Вторичные источники питания.

В первичных источниках питания осуществляется преобразование не электрических видов энергии (химической, механической, световой и т.д.) в электрическую энергию. Примером первичных источников являются:

Химические источники тока (ХИТ);

Генераторы различных видов;

Солнечные батареи;

Термогенераторы;

Топливные элементы и тд.

Во вторичных источниках питания (ВИП) осуществляется преобразование электрической энергии с одними характеристиками в электрическую энергию с другими характеристиками. Вторичных источниках питания в зависимости от характера производимых преобразований электрической энергии свою очередь подразделяются на:

ВИП без преобразования частоты;

ВИП с преобразованием частоты.

Химические источники тока и их характеристики

Общие сведенияНаибольшее применение для питания СВТ нашли химические источники тока (ХИТ). В ХИТ осуществляется преобразование химической энергии в электрическую энергию. Прямое преобразование химической энергии в электрическую основано на токообразующих реакциях. Устройство ХИТ однотипно. Это корпус, удерживающий электролит с ионной проводимостью, и два контактирующих с ним токоотвода с электронной проводимостью. Токоотводы должны быть выполнены из разнородных материалов (например, разных металлов) и обладать высокой степенью химической чистоты для предотвращения паразитных побочных реакций. В зависимости от характера протекания токообразующей реакции ХИТ подразделяются на: «Электропитание средств вычислительной техники» Учебно-методический комплекс Романов В. П. 18

первичные ХИТ;

вторичные ХИТ.

Работа первичных ХИТоснована на необратимых токообразующих реакциях, и поэтому они рассчитаны, как правило, на однократное использование. Такие ХИТ называют гальваническими элементами. Протекающие во вторичных ХИТтокообразующие реакции являются обратимы-ми и поэтому обеспечивают многократное использование. Такие ХИТ называют аккумуляторами. Прогресс техники в целом и в создании ХИТ расширяет возможности их применения. Они широко используются как в качестве малогабаритных транспортабельных, так и стационарных резервных источников электропитания СВТ. Принципы работы ХИТ.Поддержание этого тока во внешней цепи в течение длительного времени обеспечивается происходящей внутри элемента электрохимической (токообразующей) реакцией. Физики и химики объяснили причины и условия прохождения этой реакции, исходя из сложившихся традиций. Физическое объяснение токообразования, как результата действия контактной разности потенциалов. С точки зрения химии в элементе происходит растворение, т. е. окисление материала одного из электродов и восстановление (отложение слоя) другого. Совместное действие обоих электродов приводит к тому, что между ними возникает ЭДС, равная: ξ =(φ +) – (φ _) где: φ + — потенциал положительного электрода; φ _— потенциал отрицательного электрода. Последняя формула позволяет понять, почему электроды должны быть выполнены из разных материалов — только такое сочетание дает ненулевую ЭДС. Обычно элементы классифицируют по участвующим в реакции веществам, т. е. по электролиту и электродам - по так называемой электрохимической системе. Важнейшим для практики параметром элементов является, внутреннее сопротивление r. Оно зависит от электропроводности электролита, геометрии электродов (т. е. от формы, размеров, взаимного расстояния), а также от целого ряда физических явлений, таких как, например, контактные, переходные, поляризация. Обычное значение r лежит в пределах единиц—десятков ом Взаимная связь между двумя описанными параметрами определяется законом Ома для полной цепи: E=I*(RH+ r), где: E - ЭДС элемента; I — ток во внешней цепи; RH - сопротивление нагрузки; г — внутреннее сопротивление элемента. Устройство ХИТГальванические элементы и батареи В настоящее время в качестве первичных ХИТ для питания СВТ различного назначения используются следующие электромеханические системы: -марганцево-цинковые с солевым, хлоридным или щелочным электролитом и с воздушной деполяризацией; -никель-цинковая с щелочным электролитом; -ртутно-цинковая, ртутно-индиевая и ртутно-кадмиевая с щелочным электролитом; -серебряно-цинковая с щелочным электролитом; -литиевые с различными, в том числе органическими электролитами. «Электропитание средств вычислительной техники» Учебно-методический комплекс Романов В. П. 19

Конструкции всех элементов и батарей сводятся к двум: цилиндрической и прямоугольной. По рекомендации МЭК цилиндрические элементы и батареи имеют в обозначении: одну букву, определяющую электрохимическую систему (L — алкалическая, S - серебряно-цинковая, М или N - ртутно-цинковая и т. д.); букву R (от английского Ring - круг), определяющую форму элемента; число (от 03 до 600), условно определяющее размеры элемента. Прямоугольные и квадратные элементы и батареи (в частности, галетного типа) имеют в обозначении: одну букву F (от английского F1а1 - плоский), определяющую форму элемента; одну букву, определяющую электрохимическую систему, как у цилиндрических элементов. Аккумуляторы Аккумуляторы широко применяются для питания различной радиотехнической аппаратуры. По сравнению с гальваническими элементами аккумуляторы имеют больший срок службы, обладают большим постоянством напряжения, допускают более сильные разрядные токи, более экономичны. Аккумуляторы подразделяют на: -кислотные –щелочные

ВИП без преобразования частоты.ВИП без преобразования частоты исторически появились раньше и широко использовались на начальном этапе развития СВТ, в настоящее время их применение ограничено. Структурная схема ВИП без преобразования частоты представлена на рисунок9. И содержит следующие основные элементы:

Сетевой трансформатор TV1- во-первых, обеспечивает преобразование сетевого напряжения (~220В, 50Гц) до нужной величины, во-вторых, обеспечивает гальваническую развязку сети и оборудования СВТ, обеспечивая тем самым выполнение требований электробезопасности;

Выпрямитель– преобразует поступающее на вход переменное напряжение частотой 50Гц в однонаправленное пульсирующее напряжение, которое уже содержит как переменную так и постоянную составляющую;

Фильтр– обеспечивает выделение постоянной составляющей однонаправленного пульсирующего напряжения и подавление (ослабление) до заданного уровня переменной составляющей.

⇐ Предыдущая 1 2 34