Интеллектуальные UPS (Источники бесперебойного питания) (стр. 1 из 3)

Реферат по курсу «Архитектура ЭВМ»

Исполнитель: студент группы ИУ5-51 Выломова Е. А.

Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

Москва, 2004

Введение

Наверное, обычный пользователь и не подозревает, каким опасностям он подвергает свой компьютер, подключая его к обыкновенной сети электропитания. Казалось, чего проще: воткнул штекер в розетку - и работай на здоровье. Однако в результате не получается ни работы, ни здоровья: сколько раз вам приходилось хвататься за сердце при виде внезапно гаснущего монитора, осознавая безвозвратную потерю набиравшегося в течение нескольких часов текста? И если бы дело ограничивалось только пропаданием напряжения в электросети, - "электрические демоны" изощренны и коварны, их обличия разнообразны, имя им легион: броски напряжения, электромагнитные наводки, грозовые разряды...

Типичные сбои в сети электропитания

Перенапряжение (англ. surge) - повышение напряжения электросети продолжительностью не менее 0,008 с.

Импульсивный бросок напряжения (spike) - мгновенное значительное повышение напряжения. Обычно вызывается ударом молнии или случается в момент возобновления подачи напряжения.

"Проседание" напряжения (brownout) - падение напряжения более чем на 10%.

Пропадание напряжения (blackout) - полное отключение сети электропитания.

Электромагнитная помеха (electromagnetic interference, EMI) может вызываться переключением нагрузки, грозовым разрядом, работой генераторов либо другими источниками помех. Приводит к отклонению формы напряжения от правильной синусоиды.

Радиочастотная помеха (radiofrequency interference, RFI) - частичный случай электромагнитной помехи .

Сбои в сети, как мы убеждаемся, имеют самые различные формы и виды. Так что если у компьютера или принтера не перегорает блок питания, это не значит, что ваша техника не подвергается постоянным атакам со стороны "электрических демонов". Не стоит полагаться только на обоняние (гарь) и зрение (дым, погасший монитор). Электромагнитные и радиочастотные помехи не менее опасны, чем пропадание или скачок напряжения, поскольку приводят к отклонению формы напряжения от правильной синусоиды, что вызывает искажения и ошибки в файлах программ и данных.

Справиться с укрощением всех "электрических демонов" способны лишь ИБП (UPS) - источники бесперебойного питания, речь о которых пойдет ниже. Конечно, сетевые фильтры смогут защитить аппаратное обеспечение компьютера от разрядов и помех, но справиться с "проседанием" и полным пропаданием напряжения способны только "источники". Кроме того, последние обязательно оснащаются системой подавления разрядов и шумов, что делает их универсальной защитой электронно-вычислительной техники.

Первое и самое главное назначение источника бесперебойного питания - обеспечить электропитание компьютерной системы или другого оборудования в то время, когда электрическая сеть по каким-то причинам не может это делать. Во время такого сбоя электрической сети ИБП питается сам и питает нагрузку за счет энергии, накопленной его аккумуляторной батареей.

Каждый человек, сталкивающийся с компьютерами, рано или поздно узнает о великолепной идее бесперебойного питания компьютеров. Если этот человек имеет инженерное образование и творческую жилку, он немедленно начинает изобретать "велосипед", придумывая, как бы можно было сделать такую штуку. Как правило, люди в этой ситуации придумывают одну и ту же схему, которая им кажется наиболее естественной и простой. Эта схема традиционно называется схемой с двойным преобразованием энергии.

Классификация ИБП

ИБП с двойным преобразованием энергии (англ. – Double conversion UPS)

Основная идея этой схемы действительно очень проста. Компьютер питается от сети переменного тока. Значит на выходе ИБП должен выдавать переменный ток. И на входе ИБП тоже должен потреблять переменный ток, поскольку он питается от той же электрической сети. Но внутри ИБП (где-то в середке) должно быть постоянное напряжение, потому что оно необходимо для питания аккумуляторной батареи.

Рис. 4. ИБП с двойным преобразованием энергии.

Таким образом мы получаем нашу первую схему источника бесперебойного питания. Вся мощность, потребляемая ИБП от сети, сначала преобразуется из переменного тока в постоянный с помощью выпрямителя. После этого в действие вступает преобразователь постоянного тока в переменный - инвертор, обеспечивающий на выходе ИБП необходимое переменное напряжение.

Аккумуляторная батарея, как ей и положено, находится в цепи постоянного тока, между выпрямителем и инвертором. Если в сети нормальное напряжение, выходного тока выпрямителя хватает для работы инвертора и для подзаряда батареи.

Когда напряжение в сети становится таким маленьким, что выпрямитель уже не может обеспечить полноценную работу инвертора, аккумуляторная батарея заменяет выпрямитель и питает инвертор требующимся ему постоянным током. Инвертор, в свою очередь, продолжает, как ни в чем ни бывало, подавать напряжение к компьютеру.

Но замена выпрямителя батареей не совсем полноценна: батарея может питать инвертор только ограниченное время, которое зависит от накопленного ею заряда и мощности компьютерной системы. Как правило, это время исчисляется минутами или десятками минут.

Придуманная нами схема ИБП традиционно называется (по понятным теперь причинам) схемой с двойным преобразованием энергии. Она изображена на рис. 4. Эта схема (тоже традиционно) называется еще схемой on-line (он лайн). Этот английский, или, вернее, американский, термин плохо поддается переводу. Буквально on-line означает нечто, постоянно подключенное к сети.

Как мы увидим дальше, не только схема с двойным преобразованием энергии претендует на почетное в компьютерных кругах звание on-line. Поэтому в дальнейшем я постараюсь не злоупотреблять этим термином и буду называть ИБП по их характерным схемным отличиям.

Современные ИБП с двойным преобразованием энергии построены намного сложнее придуманной нами схемы. Подробнее о них мы поговорим в главе, посвященной этим устройствам.

Возможно вы уже заметили одно характерное свойство этой схемы ИБП, которое, в зависимости от точки зрения, можно считать недостатком или преимуществом. Речь идет о том, что наиболее важные части ИБП - выпрямитель и инвертор интенсивно работают даже тогда, когда в сети есть вполне нормальное напряжение, от которого мог бы питаться ваш компьютер. Это видимо приводит к уменьшению ресурса этих частей ИБП, усложнению схемы и бесполезному расходу энергии (ведь стопроцентного КПД не бывает).

-Не беда - скажем мы, и придумаем другую схему источника бесперебойного питания.

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

Попытаемся использовать приятные моменты, когда напряжение в электрической сети "нормальное" (не разбираясь сейчас, что это значит). В это время компьютер можно напрямую питать от электрической сети, не теряя энергию на два не нужных сейчас преобразования. А инвертор мы запустим в момент сбоя электрической сети (когда напряжение перестанет быть "нормальным"), и он будет работать от батареи.

Реализующая эту идею схема изображена на рис. 5.

Рис. 5. ИБП с переключением

Когда в сети нормальное напряжение, компьютер (или другая нагрузка ИБП) работает непосредственно от сети. В это время маломощный выпрямитель подзаряжает батарею ИБП. Если напряжение становится "ненормальным" или совсем исчезает, показанный на схеме переключатель срабатывает, включается инвертор, и ИБП начинает питать нагрузку от своей батареи.

ИБП с переключением имеет высокий КПД, поскольку при нормальной работе потребляет только энергию, необходимую для питания своей схемы и, если батарея разряжена, то для ее подзаряда.

О других преимуществах, а также о многочисленных недостатках, которые (как и все на свете) имеет ИБП с переключением, мы подробно поговорим в соответствующей главе.

Может быть самым серьезным из недостатков является то, что при переключении ИБП с режима работы от батареи на режим работы от сети, на выходе ИБП могут возникать скачки напряжения. При неблагоприятной фазе напряжения в момент переключения блок питания компьютера не сможет их погасить. В этом случае на чувствительных электронных компонентах компьютера возникают импульсные напряжения. Сами по себе они не опасны, но в сочетании с другими помехами в принципе могут быть причиной сбоя при работе компьютера.

У скачкообразного изменения напряжения несколько причин.

Во время работы от батареи, напряжение на выходе ИБП с переключением несинусоидальное (оно имеет вид чередующихся прямоугольным импульсов с паузами).

Во время переключения (которое занимает от 2 до 20 миллисекунд для разных моделей ИБП) на выходе ИБП отсутствует напряжение. Следовательно, имеется небольшой разрыв в напряжении, питающем компьютер.

Почти единственная функция ИБП с переключением - поддержание работы компьютера, когда в сети нет напряжения. Но он не может эффективно взаимодействовать с электрической сетью и следить за отсутствием искажений сетевого напряжения, а также регулировать напряжение, когда оно становится слишком маленьким или чересчур большим.

Нашим ответом на эту неприятность будет следующая схема. Она так и называется: ИБП, взаимодействующий с сетью (англ. - Line Interactive UPS).

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

Упрощенная блок-схема ИБП, взаимодействующего с сетью, представлена на рис. 6.

Если разобраться, она очень похожа на предшествующую схему. Переключатель переехал ближе к входу, инвертор этого ИБП постоянно подключен к нагрузке. Кроме того, в нашей новой схеме появился автотрансформатор. Честно говоря, он, как правило есть и в ИБП с переключением, но для ИБП, взаимодействующего с сетью, его наличие принципиально.