Інтелектуальні UPS (Джерела безперебійного харчування)

Реферат по курсу «Архітектура ЕОМ»

Виконавець: студент групи ІУ5-51 Виломова Е. А.

Московський державний технічний університет ім. Н. Е. Баумана

Москва, 2004

Вступ

Напевно, звичайний користувач і не підозрює, яким небезпекам він піддає свій комп'ютер, підключаючи його до звичайної мережі електроживлення. Здавалося, чого простіше: встромив штекер в розетку - і працюй на здоров'я. Проте в результаті не виходить ні роботи, ні здоров'я: скільки разів вам доводилося хапатися за серце при вигляді раптово гаснучого монітора, усвідомлюючи безповоротну втрату набирав протягом декількох годин тексту? І якби справа обмежувалася тільки зникненням напруги в електромережі, - "електричні демони" витончені і підступні, їх вигляду різноманітні, ім'я їм легіон: кидки напруги, електромагнітні наведення, грозові розряди ...

Типові збої в мережі електроживлення

Перенапруження (англ. surge) - підвищення напруги електромережі тривалістю не менше 0,008 с.

імпульсивний кидок напруги (spike) - миттєве значне підвищення напруги. Звичайно викликається ударом блискавки або трапляється в момент відновлення подачі напруги.

"Просідання" напруги (brownout) - падіння напруги більш ніж на 10%.

пропажа напруги (blackout) - повне відключення мережі електроживлення.

Електромагнітна перешкода (electromagnetic interference, EMI) може викликатися перемиканням навантаження, грозовим розрядом, роботою генераторів або іншими джерелами перешкод. Приводить до відхилення форми напруги від правильної синусоїди.

Радіочастотна перешкода (radiofrequency interference, RFI) - частковий випадок електромагнітної перешкоди.

Збої в мережі, як ми переконуємося, мають найрізноманітніші форми і види. Так що якщо у комп'ютера або принтера не перегорає блок живлення, це не означає, що ваша техніка не піддається постійним атакам з боку "електричних демонів ". Не варто покладатися тільки на нюх (гар) і зір (дим, згаслий монітор). Електромагнітні та радіочастотні перешкоди не менш небезпечні, ніж пропажа або стрибок напруги, оскільки призводять до відхилення форми напруги від правильної синусоїди, що викликає перекручення і помилки у файлах програм і даних.

Справитися з приборканням всіх "електричних демонів" здатні лише ДБЖ (UPS) -- джерела безперебійного живлення, мова про які піде нижче. Звичайно, мережеві фільтри зможуть захистити апаратне забезпечення комп'ютера від розрядів і перешкод, але впоратися з "просіданням" і повним зникненням напруги здатні тільки "джерела". Крім того, останні обов'язково оснащуються системою придушення розрядів і шумів, що робить їх універсальної захистом електронно-обчислювальної техніки.

Перше і саме головне призначення джерела безперебійного живлення - забезпечити електроживлення комп'ютерної системи або іншого обладнання в той час, коли електрична мережа з якихось причин не може це робити. Під час такого збою електричної мережі ИБП харчується сам і живить навантаження за рахунок енергії, накопиченої його акумуляторної батареї.

Кожен людина, що стикається з комп'ютерами, рано чи пізно дізнається про прекрасною ідеї безперебійного живлення комп'ютерів. Якщо ця людина має інженерне освіта та творчу жилку, він негайно починає винаходити "велосипед", придумуючи, як би можна було зробити таку штуку. Як правило, люди в цій ситуації вигадують одну й ту ж схему, яка їм здається найбільш природною і простий. Ця схема традиційно називається схемою з подвійним перетворенням енергії.

Класифікація ИБП

ИБП з подвійним перетворенням енергії (англ. - Double conversion UPS)

Основна ідея цієї схеми дійсно дуже проста. Комп'ютер живиться від мережі змінного струму. Значить на виході ДБЖ повинен видавати змінний струм. І на вході ИБП теж має споживати змінний струм, оскільки він харчується від тієї ж електричної мережі. Але всередині ДБЖ (десь всередині) повинне бути постійне напруга, тому що воно необхідне для живлення акумуляторної батареї.

Рис. 4. ДБЖ з подвійним перетворенням енергії.

Таким чином ми отримуємо нашу першу схему джерела безперебійного живлення. Вся потужність, споживана джерел безперервного живлення від мережі, спочатку перетворюється із змінного струму в постійна за допомогою випрямляча. Після цього в дію вступає перетворювач постійного струму в змінний - інвертор, що забезпечує на виході ДБЖ необхідне змінну напругу.

Аккумуляторная батарея, як їй і належить, знаходиться в ланцюгу постійного струму, між випрямлячем і інвертором. Якщо в мережі нормальне напруження, вихідного струму випрямляча вистачає для роботи інвертора і для підзарядки батареї.

Коли напругу в мережі стає таким маленьким, що випрямляч вже не може забезпечити повноцінну роботу інвертора, акумуляторна батарея замінює випрямляч і живить инвертор що вимагаються йому постійним струмом. Інвертор, в свою чергу, продовжує, як ні в чому не бувало, подавати напругу до комп'ютера.

Але заміна випрямляча батареєю не зовсім повноцінна: батарея може живити инвертор тільки обмежений час, що залежить від накопиченого нею заряду і потужності комп'ютерної системи. Як правило, це час обчислюється хвилинами або десятками хвилин.

Придумана нами схема ИБП традиційно називається (зі зрозумілих причин тепер) схемою з подвійним перетворенням енергії. Вона зображена на рис. 4. Ця схема (теж традиційно) називається ще схемою on-line (он лайн). Цей англійський, або, вірніше, американський, термін погано піддається перекладу. Буквально on-line означає щось, постійно підключений до мережі.

Як ми побачимо далі, не тільки схема з подвійним перетворенням енергії претендує на почесне в комп'ютерних колах звання on-line. Тому надалі я постараюся не зловживати цим терміном і буду називати ДБЖ за їх характерним схемним відмінностям.

Сучасні ДБЖ з подвійним перетворенням енергії побудовані набагато складніше придуманої нами схеми. Детальніше про них ми поговоримо в розділі, присвяченому цим пристроям.

Можливо ви вже помітили одна характерна властивість цієї схеми ДБЖ, яке, в залежно від точки зору, можна вважати недоліком чи перевагою. Мова йде про те, що найбільш важливі частини ИБП - випрямляч і инвертор інтенсивно працюють навіть тоді, коли в мережі є цілком нормальне напруження, від якого міг би харчуватися ваш комп'ютер. Це мабуть призводить до зменшення ресурсу цих частин ДБЖ, ускладнення схеми і марно витрачає енергії (адже стовідсоткового ККД не буває).

-Не біда - скажемо ми, і придумаємо іншу схему джерела безперебійного живлення.

ИБП з перемиканням (англ. - standby UPS або off-line UPS)

Спробуємо використовувати приємні моменти, коли напруга в електричній мережі "нормальний" (не розбираючись зараз, що це означає). У цей час комп'ютер можна безпосередньо живити від електричної мережі, не втрачаючи енергію на два не потрібних зараз перетворення. А инвертор ми запустимо в момент збою електричної мережі (коли напруга перестане бути "нормальним"), і він буде працювати від батареї.

що реалізує цю ідею схема зображена на рис. 5.

Рис. 5. ДБЖ з перемиканням

Коли в мережі нормальне напруження, комп'ютер (або інше навантаження ДБЖ) працює безпосередньо від мережі. У цей час малопотужний випрямляч заряджає батарею ДБЖ. Якщо напруга стає "ненормальним" або зовсім зникає, показаний на схемі перемикач спрацьовує, включається інвертор, і ИБП починає живити навантаження від своєї батареї.

ИБП з перемиканням має високий ККД, оскільки при нормальній роботі споживає тільки енергію, необхідну для живлення своєї схеми і, якщо батарея розряджена, то для її підзарядки.

Про інших перевагах, а також про численні недоліки, які (як і всі на світі) має ДБЖ з перемиканням, ми детально поговоримо у відповідній чолі.

Може бути самим серйозним з недоліків є те, що при перемиканні ДБЖ з режиму роботи від батареї на режим роботи від мережі, на виході ДБЖ можуть виникати перепади напруги. При несприятливій фазі напруги в момент переключення блок живлення комп'ютера не зможе їх погасити. У цьому випадку на чутливих електронних компонентах комп'ютера виникають імпульсні напруги. Самі по собі вони не є небезпечними, але у поєднанні з іншими перешкодами в принципі можуть бути причиною збою при роботі комп'ютера.

У стрибкоподібного зміни напруги кілька причин.

Під час роботи від батареї, напруга на виході ДБЖ з перемиканням несинусоїдальних (воно має вигляд чергуються прямокутним імпульсів з паузами).

Під час перемикання (яке займає від 2 до 20 мілісекунд для різних моделей ДБЖ) на виході ДБЖ відсутня напруга. Отже, є невеликий розрив у напрузі, що живить комп'ютер.

Майже єдина функція ДБЖ з перемиканням - підтримання роботи комп'ютера, коли в мережі немає напруги. Але він не може ефективно взаємодіяти з електричною мережею і стежити за відсутністю спотворень мережевої напруги, а також регулювати напругу, коли воно стає занадто маленьким або занадто великою.

Нашим відповіддю на цю неприємність буде наступна схема. Вона так і називається: ИБП, взаємодіє з мережею (англ. - Line Interactive UPS).

ИБП, що взаємодіє з мережею (англ. - Line Interactive UPS).

Спрощена блок-схема ИБП, що взаємодіє з мережею, представлена на рис. 6.

Якщо розібратися, вона дуже схожа на попередню схему. Перемикач переїхав ближче до входу, інвертор цього ДБЖ постійно підключений до навантаження. Крім того, в нашої нової схеми з'явився автотрансформатор. Чесно кажучи, він, як правило є і в ДБЖ з перемиканням, але для ИБП, що взаємодіє з мережею, його наявність принципово.

У цього автотрансформатора є додаткові відводи, до яких може бути підключена навантаження при роботі джерел безперервного живлення від мережі. У результаті напруга на виході ИБП іноді стає не таким, як на вході. За допомогою автотрансформатора з відводами ИБП регулює напругу (збільшує вихідну напругу, коли напруга на вході мало і зменшує напругу на виході, якщо вхідна напруга занадто підвищилося).

Рис. 6. ДБЖ, синхронізовані з мережею.

Взаємодіючі з мережею ДБЖ постійно стежить за напругою: його величиною і формою. Для цього управління ИБП, що взаємодіє з мережею, доручено мікропроцесору. Зазвичай мікропроцесор навантажують безліччю додаткових функцій, не пов'язаних безпосередньо зі спостереженням за мережею і управлінням, і деякі з цих ИБП стають досить "розумними": Вони можуть реєструвати напругу в електричної мережі, стежать за часом і частотою, запам'ятовують свої аварійні повідомлення, включаються за розкладом і т.д.

Працює ИБП, що взаємодіє з мережею, приблизно так само, як і ДБЖ з перемиканням. Коли в мережі "нормальний" напругу, він живить навантаження від мережі. Якщо напруга відсутній або викривленими, то инвертор миттєво починає живити навантаження, розряджаючи батарею, а вхідний перемикач ИБП розмикається.

Якщо напругу в мережі є, але помітно менше (або більше) норми, то взаємодіє з мережею ИБП перемикає відводи автотрансформатора і регулює напругу, не перемикаючись на батарею.

Як і ДБЖ з перемиканням, ИБП, що взаємодіє з мережею, має високий ККД і деякі інші переваги.

Принциповим, але не найважливішим, недоліком цієї схеми (як і ДБЖ з перемиканням) є розрив електроживлення в момент перемикання на роботу від батареї і назад. Цей розрив є наслідком використання механічних перемикачів. Час їх спрацьовування досить мало (кілька мілісекунд), але відмінно від нуля.

Як було б здорово, якби всередині ИБП в час, поки що спрацьовує перемикач, напруга на навантаженні підтримувалося б який-небудь дуже розумною штукою. Ця штука була винайдена американцем Джозефом Солой в 1938 році, і називається ферорезонансний трансформатором.

ферорезонансний ДБЖ (англ. - Ferroresonant UPS)

ферорезонансний ДБЖ в якійсь мірі є різновидом ИБП, що взаємодіють з мережею. Тим не менше його зазвичай виділяють в окрему групу ДБЖ. Справа в тому, що в схему цього ИБП введений елемент, принципово змінює його роботу, і дав назва цьому приладу.

Це ферорезонансний трансформатор. Він включений у схему ферорезонансний ИБП замість автотрансформатора з відводами у схемі ИБП, що взаємодіє з мережею.

Коротко кажучи, його функції полягають у наступному. Він стабілізує напругу на виході ДБЖ. Це дозволяє працювати в широкому діапазоні мережевих напруг без переключення на батарею. Немає ніяких перемикань і всередині самого ИБП (ферорезонансний трансформатор регулює напругу, не потребуючи перемиканні відводів).

Рис. 7. Ферорезонансний ДБЖ.

ферорезонансний трансформатор має значну індуктивність. Під час роботи джерел безперервного живлення від мережі в магнітному полі трансформатора накопичується велика енергія, яка живить навантаження під час перемикання на роботу від батареї. Тому вихідна напруга ферорезонансний ДБЖ не має розриву в момент зникнення напруги в електричній мережі. Ця властивість дає можливість виробникам ферорезонансний ИБП цілком обгрунтовано рекламувати їх, як on-line ДБЖ.

Крім відсутність розриву напруги і плавного регулювання напруги, ферорезонансний ДБЖ має й інші властивості, характерні для ДБЖ з подвійним перетворенням енергії.

програмно забезпечення для монітоpінга UPS

Існує два види монітоpних інтеpфейсов UPS, не рахуючи упpавленія чеpез SNMP-адаптерів -- "Dumb Interface" (в теpмінах American Power Conversion - "simple signalling scheme ") і" Smart Interface "(" smart signalling scheme "). Рассмотpім їх більш

подpобно.

Dumb Interface

Це стару і пpімітівний тип інтеpфейса, пpедоставляющій лише cамую мінімальну КВАЛІФІКАЦІЙНА про стан UPS. Він має тpі сигнальних лінії: