Средства улучшения качества электропитания

Компьютеры, как и любое электронное оборудование, питающееся от сети переменного тока, подвергаются различным негативным воздействиям со стороны питающей сети. Стандартным требованием к питающей сети является напряжение питания 220 В с допустимыми отклонениями от -15% до +10% от номинала (187-242 В) при частоте 50±1 Гц. К основным воздействующим факторам со стороны сети относятся следующие:

Высоковольтные импульсные всплески (перенапряжения) (Spike) — грозовые, длительностью от долей до десятков микросекунд, и коммутационные, длительностью до десятков и сотен миллисекунд. Грозовые перенапряжения могут достигать десятков киловольт, коммутационные - единиц киловольт. Последствия – потеря данных в памяти и на магнитных носителях, выгорание цепей СВТ.
Повышения напряжения (Surge) выше 110% от номинала, кратковременные (на несколько периодов сети) или длительные, вызванные неполадками в сети (например, перекосом фаз). Последствия – потеря данных в памяти, ошибки в данных на магнитных носителях, отключение СВТ.
Кратковременные провалы (sag) мгновенное 15-100% снижение напряжения питающей сети продолжительностью от единиц до десятков миллисекунд (в течение нескольких периодов), вызванные подключением мощной нагрузки.
Пониженное напряжение (brownout) — состояние сети переменного тока, напряжение ниже нормы (провалы напряжения). Продолжительность такого состояния менее секунды относят к провалам (sag). Вызывается включением мощного оборудования или перегрузкой сети, а иногда создаются производителями электроэнергии для снижения расхода энергии в часы пик. В результате исследований выяснено, что это состояние электрической сети создает большинство проблем (87%), воздействующих на компьютеры.
Полное отключение (blackout) — нулевое значение напряжения в течение более двух периодов. Может быть вызвано разрывами цепи, неисправностями распределительного щита или аварией на электростанции. Приводит к повреждению файлов, потере и искажению данных, выходу аппаратуры из строя.
Радиочастотные шумы от воздействия мощных радиопередающих и иных устройств и помехи от импульсных блоков питания.
Отклонение частоты питающей сети (frequency variation) от номинала 50 Гц (или 60 Гц) более чем на 3 Гц. Типовые последствия: блокировка клавиатуры, ошибки при выполнен и грамм, нарушение целостности данных и неисправности дисковой системы.
Гармонические искажения питающего напряжения (отклонение формы от синусоидальной).
Электромагнитные помехи или шумы (EMI — electromagnetic interference or noiыу) - нежелательные электрические шумы, присутствующие в электросети. Эти могут «просачиваться» и воздействовать на оборудование, которое даже не подключено к этой сети. Возникают в результате гальванических или иных наводок, источником которых служит различное электрооборудование электромоторы, реле, мощные широковещательные радиостанции, источники радиоволнового излучения и грозы. Обычно приводит к ошибкам или потери данных, блокировке клавиатуры и/или системы. Шумовые сигналы, действующие на значительных расстояниях, называются RFI (Radio Frequency Interference - радионаводки). Силовые кабели оборудования и зданий часто действуй антенны, принимая радионаводки (RFI) и преобразуя их в EMI.

Степень воздействия питающей сети на аппаратуру различна: эти факторы могут приводить к сбоям (импульсные помехи и провалы питающего напряжения), самопроизвольному отключению или перезапуску устройств и даже выходу их из строя под действием импульсных или длительных перенапряжений. Польку большинство блоков питания имеет импульсный преобразователь с трансформаторным входом, к отклонениям частоты или формы напряжения обычно почти нечувствительны. Последствия от сбоев по питанию (не считая выхода из строя аппаратуры) могут быть весьма тяжелыми - например, потеря данных на диске мощного и ответственного сервера. Для защиты от воздействий сетевых возмущений применяется целый комплекс мер.

Базовые технологии устройств защиты

Существует несколько базовых технологий и, соответственно, реализующих их типов устройств, которые способны защитить систему в критических режимах работы.

От внезапного пропадания напряжения сети предохраняют источники бесперебойного питания — ИБП (UPS — Uninterruptible Power System). В их состав обязательно входят аккумуляторные батареи, выпрямитель входного напряжения и инвертор, обеспечивающий нагрузку напряжением переменного тока.
Стабилизатор напряжения (электронный или феррорезонансный) стабилизирует выходное напряжение при плавных изменениях входного. Плохие динамические характеристики старых (например, применявшихся для питания телевизоров) феррорезонансных стабилизаторов при резком изменении напряжения и величины нагрузки ограничивают возможности их применения. Существуют и современные варианты таких стабилизаторов, разработанные специально для питания компьютеров. Электронные устройства на активных компонентах не получили широкого распространения из-за приближения их цен к ценам на UPS.

Простейшими устройствами для подавления выбросов напряжения являются:

фильтры-ограничители (surge suppressor/protector);

сетевые фильтры (line conditioner).

Первые обычно реализуются схемой, содержащей металл-оксидные варисторы, конденсаторы и индуктивности, вторые строятся на базе трансформатора, сглаживающего флуктуации входного напряжения.

На устройства подавления выбросов напряжения и сетевые фильтры возложена функция защиты подключенного оборудования, и имеются элементы подавления помех, распространяющихся по сети. Эти функции реализуются типовыми элементами. К ним относятся:

Сетевой LC-фильтр задерживает высокочастотные помехи из сети и в сеть от импульсных блоков питания. Этот фильтр входит в состав практически любого блока питание, а также в сетевые колодки питания типа «Pilot» и им подобные.
Ограничитель перенапряжений (Surge Protector) подавляет высоковольтные выбросы как относительно длинные коммутационные (до 10 мс), возникающие при переключениях мощных цепей, так и короткие — грозовые. Энергия импульсов перенапряжений поглощается полупроводниковым варистором. При хорошем подборе параметров варистор может спасать и от длительных значительных повышений напряжения сети, например из-за перекоса фаз. В этом случае варистор будет ограничивать напряжение, выделяя значительную мощность, что приведет к его пробою на короткое замыкание и отключению питания предохранителями токовой защиты (если они есть и рассчитаны на соответствующий ток).

На рисунке приведена схема фильтра, комбинированная с ограничителем напряжений.

Строго говоря, одного варистора для полной защиты от перенапряжений недостаточно. Для приведенного однофазного фильтра не помешает еще пара варисторов — один между «нулем» и «землей», второй между фазой и «землей», но из экономии их обычно не устанавливают.

В схеме фильтра разрядники по месту включения предшествуют всем другим видам зашиты и являются элементами первичной защиты. Естественным требованием, непосредственно возникающим при этом, есть согласование уровней защиты, т.е. для каждого уровня помехи включается своя защита (см. рис.).

Рис. Схема подавителя высокочастотных импульсов и эпюры,

поясняющие действие элементов подавления

Подавление высокочастотных помех

Для подавления высокочастотных помех с дискретным спектром, имеющих место в источниках питания импульсного типа, в преобразователях частоты, источниках бесперебойного питания характерно применение специальных конденсаторов, так называемых Х- и У-конденсаторов.

Наличие емкостного характера входного и выходного полных сопротивлений является обязательным условием для фильтров. При выполнении этого условия вход и выход фильтра начинаются с конденсатора. Такой подход ослабляет влияние подводящих линий или нагрузки на уровень действующих помех. Конденсаторы, обозначаемые на схеме Сх (см.рис) эффективны для подавления синфазных помех, подключаются между сетевыми проводами, рассчитываются на рабочее напряжение порядка 1,2 кВ. Конденсаторы CY, подключаемые между сетевыми проводами, средняя точка которых соединяется с корпусом устройства, эффективны для подавления дифференциальной помехи. Они обладают ограниченной емкостью и повышенной электрической и механической надежностью. Ограничение емкости обеспечивает малое значение тока, проходящего через конденсатор при переменном напряжении, и уменьшает заряд на конденсаторе до уровня, который не опасен при постоянном напряжении.

Рис. Принципиальная схема ВЧ-фильтра

Подавление электромагнитных помех

Эффективным средством подавления электромагнитных помех (RFI/EMI) также являются индуктивные фильтры. Для улучшения массогабаритных характеристик высокочастотные дроссели фильтров выполняют на сердечниках из термостабильных высокочастотных марок ферритовых материалов.

К ним можно отнести никель-цинковые ферриты марок 20ВН З0ВН, 50ВН, характеризуемые высокой добротностью на частотах дс 150 МГц, малыми значениями постоянной гистерезиса и относительного коэффициента магнитной проницаемости при длительном воздействии повышенных температур и при длительном хранении при относительной влажности до 85%. Применение же более низкочастотных материалов снижает эффективность фильтра из-за уменьшения магнитной проницаемости, а также ухудшения добротности, подавляющего контура.

Рис. Фильтр-ограничитель с варистором

Средства улучшения качества электропитания