Электропитание инфокоммуникационного оборудования. Учебное пособие

ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

ИВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ.

Внастоящее время деятельность ни одного подразделения, организации или предприятия связи не мыслима без обработки и передачи информации с помощью современных компьютерных технологий. Все увеличивающийся объем передаваемой и обрабатываемой информации предъявляет все более жесткие требования к качеству и надежности подачи электрической энергии переменного тока к отдельным элементам компьютерных сетей и узлов связи. Нормальное функционирование любой аппаратуры инфокоммуникационных систем не возможно без надежной и бесперебойной подачи электрической энергии требуемого качества. Род тока электрической энергии, значение уровней напряжения и ее качественные показатели диктуются самой аппаратурой и зависят от того на какой элементной базе она (аппаратура) построена, от ее архитектуры построения и многих других факторов.

Электропитание персональных компьютеров

Если рассматривать в качестве примера персональный компьютер (ПК), клиентское или серверное рабочее место в локальной компьютерной сети, то в этом случае для их нормальной работы требуется бесперебойная подача электрической энергии переменного тока, поскольку они имеют собственные источники питания - блоки питания (БП). Так БП (ATX - 360) современного ПК, подключаемый к однофазной сети переменного тока, должен обеспечивать на своѐм выходе номиналы напряжений постоянного тока, указанные на рис.1 (на рис. 1 также указаны максимальные значения токов по каждому из номиналов выходных напряжений).

Рис. 1. Условное обозначение БП ПК и его выходные параметры.

1

-ограничения пускового тока R1 (как правило, терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом - NTC);

-защиты БП от недопустимых перенапряжений (с помощью варисторов), возникающих в питающей сети в следствии как атмосферных явлений, так и в следствии коммутации мощных нагрузок, подключаемых к той же сети, что и БП (на рис.3 варистор F);

-защиты питающей сети (с помощью предохранителей) от недопустимых токовых перегрузок или коротких замыканий, возникающих при неисправности самого БП (на рис. 3 предохранитель FU).

Рис.3. Схема входного фильтра радиопомех.

Сетевой выпрямитель СВ содержит диодную сборку и конденсатор С достаточно большой ѐмкости (сотни микрофарад). СВ осуществляет преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока, постоянная составляющая напряжения которого близка к амплитудному значению напряжения питающей сети. При этом ток, потребляемый от сети, имеет форму узких импульсов (с длительностью, как правило, не превышающей 0,1…0,2 периода изменения напряжения сети) с большим пиковым значением. Коэффициент амплитуды (крест-фактор), представляющий собой отношение пикового значения тока к его действующему значению оказывается равным 2,0…3,5. На рис. 4 представлена модель СВ, выполненная в программе Micpo-Cap 6.2.

В модели источник питания представлен источником синусоидального напряжения V1, амплитудное значение напряжения которого - 310 В. Нагрузка представлена резистором R4 с сопротивлением 300 Ом. R2 является пусковым сопротивлением, которое закорачивается ключом S1 при достижении напряжения на выходе 200В.

3

Большое значение коэффициента амплитуды потребляемого тока и низкий коэффициент мощности приводит к необходимости увеличивать мощность источника питания и сечение проводников токораспределительной сети, с помощью которых БП подключается к источнику питания. Кроме того, при ограниченной мощности источника питания большое пиковое значение тока приводит к искажению формы кривой напряжения источника питания, что может приводить к сбою в работе других устройств, подключенных к тому же источнику питания (к нарушению электромагнитной совместимости оборудования в точках общего подключения). Поэтому в настоящее время в БП между выходом диодной сборки СВ и конденсатором С вводятся элементы коррекции коэффициента мощности (дроссель, транзистор, работающий в режиме переключения и диод). При соответствующем законе управления транзистором этого корректора коэффициента мощности (ККМ) удаѐтся обеспечить практически синусоидальный ток, потребляемый от источника питания при совпадении по фазе этого тока с напряжением источника питания, т.е. получить χ практически равным единице, а коэффициент амплитуды близкий к 2 . В случае применения ККМ среднее значение напряжения на его выходе обычно составляет порядка 400 В.

Регулируемый инвертор, подключаемый к выходу ККМ или к конденсатору С СВ, преобразует это относительно высокое напряжение постоянного тока в переменное напряжение прямоугольной формы (с частотой порядка 60 кГц) с регулируемой паузой на нуле. Далее это переменное напряжение выпрямляется с помощью высокочастотных выпрямителей, на выходе которых устанавливаются фильтры нижних частот, обеспечивающие требуемое значение размаха пульсаций по каждому из номиналов выходных напряжений БП. Стабилизация выходных напряжений БП осуществляется за счет изменения длительности паузы на нуле регулируемого инвертора в функции отклонения выходных напряжений +5 В и +12 В относительно их номинальных значений. Управление транзисторами регулируемого инвертора осуществляется ШИМконтроллером через усилители мощности (драйверы).

6

Питание ШИМконтроллера и дежурное питание (SB) осуществляется от маломощного преобразователя.

Контрольные вопросы.

1.Как зависят масса и габариты БП от значения частоты работы регулируемого инвертора?

2.Почему с увеличением ѐмкости конденсатора на выходе СВ (для БП без ККМ) уменьшается коэффициент мощности χ БП?

3.Как зависит значение коэффициента гармоник (THD) потребляемого от источника питания тока от величины ѐмкости конденсатора на выходе СВ (для БП без ККМ)?

4.Что такое крест-фактор тока потребляемого БП от источника питания и от чего зависит его значение (для БП без ККМ)?

5.Как связана полная мощность, потребляемая БП источника питания с еѐ составляющими (активная, реактивная и мощность искажения)?

6.Какие элементы фильтра радиопомех рис.3 обеспечивают ослабление синфазных помех (помех распространяющихся между любым из токонесущих проводников и землѐй, т.е. между L и PE или N иPE) проникающих из сети в БП?

7.Какие элементы фильтра радиопомех рис.3 обеспечивают ослабление дифференциальных помех (помех распространяющихся между токонесущими проводниками, т.е. между L и N ) проникающих из сети в БП?

8.Для чего на входе БП устанавливается резистор с отрицательным температурным коэффициентом?

9.На какое рабочее напряжение должен выбираться варистор, устанавли-

ваемый на входе БП?

10. Из каких соображений следует выбирать плавкий предохранитель, устанавливаемый на входе БП?

Источники бесперебойного электропитания и организация электропитания компьютерных сетей

Надежность работы ПК зависит не только от надежности работы его блока питания, но, прежде всего, от надежности подачи электрической энергии переменного тока к БП. Если действующее значение напряжения питающей сети не выходит за пределы UC= 160…260 В (номинальное значение

7

этого напряжения – 220 В), то БП, не имеющий в своем составе корректора коэффициента мощности (ККМ), т.е. выполненный по схеме рис.2, обеспечивает нормальную работу ПК (если БП содержит ККМ, то его нормальная работа может обеспечиваться при больших пределах изменения UC).

Однако если напряжение сети будет иметь провал, т.е. полностью исчезать или его значение будет падать ниже 160 В (для БП без ККМ) в течение времени более чем 20…40 мс, то в этом случае будет иметь так называемое жесткое выключение ПК, которое грозит в лучшем случае потерей данных в КЭШ памяти, а может приводить и к разрушению файловой системы жесткого диска, если этот провал совпадет с моментом переноса данных на жесткий диск. Максимальная длительность провала напряжения сети (при которой будет сохраняться нормальная работа ПК) зависит от значения энергии, запасенной конденсатором С сетевого выпрямителя БП (СВ на рис.2) перед провалом напряжения и значением мощности, потребляемой регулируемым инвертором от этого конденсатора.

Так при мощности, потребляемой от конденсатора сетевого выпрямителя БП ПК, Рвых = 300 Вт и емкости С, установленной на выходе этого СВ в 220 мкФ, допустимая длительность понижения напряжения на выходе СВ

Тогда как в соответствии с ГОСТ 13109 на качество электрической энергии в точках общего присоединения потребителей длительность провала напряжения составляет 30 с. Что касается недопустимых выбросов напряжения, проникающих в компьютер из сети переменного тока или сетевых линий передачи данных, то они способны вывести из строя материнскую плату или модем.

Относительно низкая надежность промышленных сетей переменного тока и качество электрической энергии зачастую не удовлетворяющее требованиям ГОСТ 13109 не позволяют осуществлять электропитание компьютеров, серверов и вычислительных комплексов непосредственно от сети переменного тока. Даже при электроснабжении предприятий телекоммуникаций от нескольких независимых друг от друга источников электрической энергии с применением устройств автоматического включения резерва (АВР), элек-

8

тропитание компьютерных сетей непосредственно от сети недопустимо, так как время срабатывания АВР в лучшем случае составляет десятые доли секунды.

По данным исследовательской лаборатории AT&T Bell Lab, компании IBM и фирмы АРС [1] приблизительное число перебоев в энергоснабжении достаточно серьезных для того, чтобы вызвать отказы ИТ-систем, составило для среднестатистического объекта примерно 15 случаев в год.

-90% перебоев энергоснабжения продолжались менее 5 минут. Следовательно 10% были продолжительнее чем 5 минут.

-99% перебоев энергоснабжения продолжались менее 1 часа. Следовательно в 1% случаев продолжительность перебоев в энергоснабжении превышала 1 час.

-Совокупное время перебоев энергоснабжения составило примерно 100 минут в год.

Считается, что приведенные выше данные также верны для Западной Ев-

ропы. Действительно фирма Siemens предлагает при расчете надежности систем электропитания принимать за норму для крупных городов 1-о отключение в год продолжительностью в 1 час. Эту норму естественно можно принимать и для российских электрических сетей общего пользования.

Рис.6. Основные причины потерь данных в компьютерных сетях.

9