Классификация устройств защиты
Самую простейшую защиту по питанию обеспечивают так называемые ограничители перенапряжения. Они способны предохранить нагрузку от различного рода выбросов и всплесков питающего напряжения. Подобные устройства выпускают, например, фирмы American Power Conversion (APC), TrippLite, Best Power Technology.
Более высокий уровень защиты обеспечивают устройства нормализации, которые “очищают” питающее напряжение от всевозможных шумов, и позволяют регулировать его в некотором диапазоне. Некоторые из них способны даже предотвратить даже кратковременные провалы в питающем напряжении. В том случае, если в данном устройстве используется технология феррорезонансного преобразования, они способны обеспечить полную развязку по частоте, не допуская проникновения ВЧ шумов в цепи нагрузки.
Большая часть “необъяснимых” повреждений системных, модемных, сетевых и т.п. плат зачастую является следствием импульсов высокого напряжения, попадающих в интерфейсный порт не по цепи питания, а по кабелям данных. Чтобы избежать подобных эффектов, необходимо использовать дополнительные устройства.
Обеспечить работу нагрузки при полном отключении электропитания (blackout) могут только устройства, называемые UPS (Uninterruptible Power Supply) или ИБП (источник бесперебойного питания). Функционально такое устройство почти всегда состоит из устройства подавления помех, зарядного устройства, батареи аккумуляторов (обычно свинцово-кислотных) и преобразователя напряжения. Две наиболее многочисленные группы ИБП составляют устройства, имеющие топологию on-line (постоянно включенные), и off-line или standby (резервные). Схема «классического» ИБП приведена на рисунке 1.
ИБП, относящиеся к последней группе, можно, в свою очередь, разделить на две подгруппы: standby hybrid UPS и standby-ferro UPS (гибридные и феррорезонансные). Существует еще подгруппа устройств, выполненных по топологии line – interactive (интерактивные ИБП), хотя чаще всего их относят к типу standby (или hybrid) UPS.
 |
Рисунок 1 Источник бесперебойного питания
Постоянно включенные ИБП (работающие в режиме on-line) обеспечивают электроснабжение подключенных устройств от батареи аккумуляторов через преобразователь напряжения независимо от состояния электросети, в то время как резервные UPS переходят на такой режим работы только при полном отключении питающего напряжения.
Для постоянно включенных ИБП, в рабочем режиме используется “ветка”, включающая в себя зарядное устройство, аккумуляторы и преобразователь. Таким образом, электропитание потребителей происходит от заведомо “чистого” источника и не зависит от “капризов” электросети. Зарядное устройство в этом случае должно быть достаточно мощным, что приводит, естественно, к большим габаритам самого ИБП. В случае выхода из строя какого-либо компонента рабочей ветки подобного ИБП питание потребителей осуществляется в резервном режиме непосредственно от сети по второй “ветке” через стабилизатор. Из-за высоких требований к компонентам (особенно аккумуляторам), классическая схема включения on-line на практике не используется. Вместо нее применяются различные схемы двойного и тройного преобразования напряжения: переменное - постоянное, постоянное – постоянное (с использованием широтно-импульсной модуляции), постоянное – переменное. В случае двойного преобразования, выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный. При этом зарядное устройство одновременно подзаряжает батарею аккумуляторов. Затем инвертор преобразует постоянный ток в переменный. В случае сбоя питания, инвертор питается постоянным током от батареи. В нормальном режиме работы аккумулятор в этом случае не разряжается. Это позволяет гарантировать коэффициент гармонических искажений не более 5% при падении напряжения на входе устройства даже на 50%.
Для резервных ИБП все выглядит с точностью до наоборот: “ветка” со стабилизатором является основной, а с аккумулятором – резервной. В качестве примера резервного ИБП можно привести модели серии Back-UPS фирмы АРС, или Patriot фирмы Best Power Technology (BPT).
Функциональная блок-схема, поясняющая принцип действия интерактивного ИБП приведена на рисунке 2
Рисунок 2 Интерактивный ИБП
Одним из основных отличий от классической топологии standby UPS является наличие узла Smart-Boost. Это позволяет при кратковременных провалах напряжения до 12% от номинального не переходить на питание от аккумуляторов, а “вытягивать” уровень выходного напряжения за счет входного. Преимущества такого решения особенно проявляются в “грязной” электросети, то есть там, где падение напряжения происходит очень часто. В этом случае обычный резервный ИБП работает практически только на аккумуляторах, которые сравнительно быстро разряжаются. Кстати говоря, в современных моделях ИБП Smart-Boost работает не только как стабилизатор, то есть не только увеличивает, но и уменьшает входное напряжение. Другое важное отличие от классической схемы это то, что преобразователь напряжения постоянно подключен к выходу ИБП. Таким образом, при размыкании переключателя на выходе уже присутствует соответствующее напряжение питания. Примеры: Fortress (BPT), Smart UPS (APC). Причем последние наиболее популярны.
Основным узлом феррорезонансных ИБП является феррорезонансный трансформатор, который имеет две первичные обмотки (рисунок 3). В нормальном режиме работы, напряжение от сети поступает через переключатель на одну из первичных обмоток трансформатора, а в случае сбоя питания от аккумулятора, через преобразователь на другую. В нормальном режиме работы трансформатор выполняет функции стабилизатора и сетевого фильтра. В случае сбоя в электросети, энергии, накопленной в магнитном поле трансформатора, хватает на питание нагрузки в течение 10-15 мс. За это время в работу включается инвертор, переключающий питание на резервный режим. Наличие феррорезонансного преобразования позволяет гарантировать высокий уровень гальванической развязки, практически синусоидальную форму выходного напряжения, а также исключить большинство “неприятностей” в электропитании (особенно импульсные помехи).
 |
Отдельная группа устройств - непрерываемые аккумуляторные системы UBS (Uninterruptible Battery System).
По сути, любая из этих систем это маленькая электростанция: Управляемый микропроцессором источник постоянного тока с приводом от двигателя (система “мотор-генератор”). При использовании UBS можно гарантировать надежное электропитание в течение часов, дней и даже недель, при этом не требуется замены дорогостоящих элементов (аккумуляторов).
Для локальных вычислительных систем большое значение имеет автоматический контроль состояния ИБП, подключенного к серверу. С этой целью в сетевые операционные системы включают специальные программы, а ИБП доукомплектовывается соответствующими платами контроля (UPS Monitoring Board). Для соединения с ИБП используется либо специальный интерфейс, либо стандартный последовательный интерфейс RS 232.
В заключение следует отметить, что европейский стандарт EN50091 Part 3 определяет такие категории ИБП, как пассивный резервный (Passive Standby), активный резервный (Active Standby) и постоянного действия (Continuous Operation). Активный ИБП отличается от пассивного наличием узла типа Smart-Boost. Кроме того, в активных ИБП нагрузка питается от UPS в случае сбоя по питанию только через инвертор. Ключевым элементом ИБП постоянного действия является питание нагрузки через инвертор, который, как правило, от нее гальванически развязан.
