Защита от нестабильного напряжения с помощью источника бесперебойного питания

 

 

 Министерство образования и науки РФ

 

ФГБОУ ВПО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине “Информационные технологии”

 

Тема: “Защита от нестабильного напряжения с помощью источника бесперебойного питания”

 

 

 

 

 

Руководитель:

 

 (подпись)

____________________

(оценка, дата)

 

Разработал:

Студент группы

________ (подпись)

____________________

(дата)

 

 

                                                   

 

                           Содержание

 

 

Введение……………………………………………………………………..

1. Классификация источников бесперебойного питания по мощности…..

2. Типы источников бесперебойного  питания и их структура…………..

Заключение…………………………………………………………………

Библиографический список…………………………………………………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Проблема и ее актуальность. В настоящее время наблюдается увеличение потребности в высокоскоростных центрах обработки данных, системах телекоммуникационной связи в реальном масштабе времени и применении систем с непрерывным автоматическим технологическим процессом. Рост потребности в таком оборудовании вместе с обеспечением большим количеством разнообразных возможностей выдвигает повышенные требования к источникам электропитания.

Невзирая на то, что при генерации электроэнергии, напряжение имеет отличные характеристики, в тот момент, когда электропитание достигает потребителя, его качество далеко от идеального. Большинство типов помех недопустимое, например, значительные провалы напряжения и колебания частоты, что может привести к непоправимым потерям, вызванным повреждением оборудования. Обычно же финансовые последствия этого могут быть существенными, влияя не только на текущую работу, но, что является серьезнее, и на развитие предприятия, которое понесло убытки.

При проектировании радиоэлектронной аппаратуры, одним из основных критериев экономичности является снижение потребляемой устройством мощности (в частности, применение новых технологий позволило сократить на несколько порядков потребление энергии бытовой аппаратурой, по сравнению, например с тем, что было десятки лет тому назад).

Источники бесперебойного питания (ИБП) предназначены для защиты электрооборудования пользователя от любых неполадок в сети, включая искажение или пропадание напряжения сети, а также подавления высоковольтных импульсов и высокочастотных помех, поступающих из сети.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Классификация источников бесперебойного питания по мощности

 

Существующая классификация ИБП производится по двум основным показателям - мощности и типу ИБП. Классификация ИБП по мощности носит отчасти условный характер и связана с исполнением (конструкцией) ИБП.

К маломощным ИБП принято относить устройства, предназначенные для не-посредственного подключения к защищаемому оборудованию и питающиеся от электрической сети через штепсельные розетки. Можно встретить даже название «розеточные ИБП». Данные устройства изготавливаются в настольном, реже - напольном исполнении, а также в исполнении, предназначенном для установки в стойку (rackmount, RM). Как правило, эти устройства выпускаются в диапазоне мощностей от 250 до 3000 ВА.

К ИБП средней мощности относятся устройства, питающие защищаемое оборудование от встроенного блока розеток либо подключаемые к групповой розеточной сети, выделенной для питания защищаемых электроприемников. К питающей сети эти ИБП подключаются кабелем от распределительного щита через защитно-коммутационный аппарат. Данные устройства изготавливаются в исполнении, пригодном для размещения как в специально приспособленных электромашинных помещениях, так и в технологических помещениях инфокоммуникационного оборудования, допускающих постоянное присутствие персонала. Как правило, эти устройства выпускаются в напольном исполнении или в исполнении RM. Типичный диапазон мощностей таких ИБП от 3 до 30 кВА.

К ИБП большой мощности принято относить устройства, подключаемые к питающей сети кабелем от распределительного щита через защитно-коммутационный аппарат и питающие защищаемое оборудование через выделенную групповую розеточную сеть. Данные ИБП имеют напольное исполнение для размещения в специально приспособленных электромашинных помещениях. Типичный диапазон мощностей таких ИБП охватывает значения от 10 до нескольких сотен кВА (известны модели мощностью до 800 кВА). Параллельные системы ИБП и энергетические массивы могут иметь мощности до нескольких тысяч кВА, но это уже характеристики системы, а не единичного ИБП или силового модуля энергетического массива.

 

 

 

 

 

2. Типы источников бесперебойного питания и их структура

 

Исходя из принципа действия устройств, в литературе в настоящее время используется два типа классификации источников бесперебойного питания. Согласно первому типу, ИБП делятся на две категории: on–line и off–line, которые, в свою очередь, делятся на резервные и линейно–интерактивные.

Согласно второму типу, ИБП делятся на три категории: резервные (off–line или standby), линейно–интерактивные (line–interactive) и ИБП типа on–line.

   - Источники резервного типа выполнены по схеме с коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей сети, а в аварийном – переводит ее на питание от аккумуляторных батарей. Достоинством ИБП такого типа можно считать его простоту, недостатком – ненулевое время переключения на питание от аккумуляторов (около 4 мс).

                                                            

 

Рисунок 1 - Схема источника резервного типа

 

-Линейно–интерактивные ИБП выполнены по схеме с коммутирующим устройством, дополненной стабилизатором входного напряжения на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками. Основное преимущество таких устройств – защита нагрузки от повышенного или пониженного напряжения без перехода в аварийный режим. Недостатком таких устройств также является ненулевое (около 4 мс) время переключения на аккумуляторы.

                                               

 

Рисунок 2 - Схема линейно – интерактивного ИБП

-Источники бесперебойного питания с режимом работы on-line выпускаются нескольких типов (по принципам преобразования энергии). Существуют четыре типа on-line ИБП:

1. с одиночным преобразованием;

2. с дельта-преобразованием;

3. феррорезонансные ИБП;

4. с двойным преобразованием.

    1.Принцип одиночного преобразования (single conversion) заключается в следующем. В цепь между питающей сетью и нагрузкой включен дроссель, к выходу которого подключен инвертор. Инвертор в данной схеме является реверсивным и способен преобразовывать постоянное напряжение в переменное и наоборот. Помимо питания нагрузки в автономном режиме вторым назначением инвертора является регулирование напряжения на стороне нагрузки при отклонениях в питающей сети.

У ИБП данного типа КПД весьма высок и может достигать 96%. Однако имеются некоторые недостатки, например низкое значение входного коэффициента мощности (cosц ? 0,6), при этом он меняется при изменении как напряжения сети, так и характера нагрузки. Кроме того, при малых нагрузках данные ИБП потребляют существенные реактивные токи, соизмеримые с номинальным током установки. Среди современных ИБП последних моделей подобный тип не встречается, поскольку на смену ему пришла технология дельта-преобразования, являющаяся развитием технологии одиночного преобразования.

    2.Принцип дельта-преобразования (delta conversion) основан на применении в схеме ИБП так называемого дельта-трансформатора. Дельта-трансформа-тор представляет собой дроссель с обмоткой подмагничивания, которая позволяет управлять током в основной обмотке (аналогично принципу магнитного усилителя). В ИБП применяются два постоянно работающих инвертора. Один служит для управления дельта-трансформатором и, соответственно, регулировки входного тока и компенсации некоторых помех. Его мощность составляет 20% от мощности вто-рого инвертора, работающего на нагрузку. Второй инвертор, мощность которого определяет мощность ИБП, формирует выходную синусоиду, обеспечивая коррекцию отклонений формы входного напряжения, а также питает нагрузки от батарей при работе ИБП в автономном режиме. Благодаря такой схеме обеспечивается возможность плавной загрузки входной сети при переходе из автономного режима работы от батарей к работе от сети (режим on-line), а также высокая перегрузочная способность - до 200% в течение 1 мин. При загрузке ИБП данного типа на 100% номинальной мощности коэффициент полезного действия составляет 96,5%. Однако высокие показатели данный тип ИБП обеспечивает при следующих условиях: отсутствии отклонений и искажений напряжения в питающей сети, нагрузке ИБП, близкой к номинальной и являющейся линейной. В реальных условиях показатели данного типа ИБП (КПД = 90,8...93,5%) приближаются к показателям ИБП с двойным преобразованием, рассмотренного ниже. Реальное достижение высоких заявленных значений КПД ИБП с дельта-преобразованием возможно при широком внедрении импульсных блоков питания с коррекцией коэффициента мощности. Это означает, что нагрузка приобретает преимущественно активный характер и создаются условия для проявления высоких энергетических характеристик ИБП. В последнее время коэффициент мощности новых блоков питания достиг значения 0,92...0,97. Другим достоинством ИБП с дельта-преобразованием является высокий коэффициент мощности самого устройства, близкий к 1. Это облегчает совместную работу ИБП и ДГУ. На основе ИБП с дельта-преобразованием строятся мощные централизованные СБЭ с избыточным резервированием. Естественно, возможны также схемы с единичными ИБП. Диапазон мощностей ИБП этого типа 10...480 кВА. Возможно параллельное объединение до 8 ИБП для работы на общую нагрузку в одной СБЭ.

Данный тип ИБП является основной альтернативой типу ИБП с двойным преобразованием.

    3.Феррорезонансные ИБП названы так по применяемому в них феррорезонансному трансформатору. В основу принципа его работы положен эффект феррорезонанса, применяемый в широко распространенных стабилизаторах напряжения. При нормальной работе трансформатор выполняет функции стабилизатора напряжения и сетевого фильтра. В случае потери питания феррорезонансный трансформатор обеспечивает нагрузку питанием за счет энергии, накопленной в его магнитной системе. Интервала времени длительностью 8... 16 мс достаточно для запуска инвертора, который уже за счет энергии аккумуляторной батареи продолжает поддерживать нагрузку. Коэффициент полезного действия ИБП данного типа соответствует КПД систем двойного преобразования (не превышает 93%). Данный тип источников бесперебойного питания широкого распространения не получил, хотя обеспечивает очень высокий уровень защиты от высоковольтных выбросов и высокий уровень защиты от электромагнитных шумов. Предел мощности ИБП данного типа не превышает 18 кВА.

   4.Наиболее широко распространен тип ИБП двойного преобразования (double conversion UPS)

ИБП с двойным преобразованием напряжения отличается тем, что в нем поступающее на вход переменное напряжение сначала преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем – с помощью инвертора – снова в переменное. Аккумуляторная батарея постоянно подключена к выходу выпрямителя и входу инвертора и питает его в аварийном режиме. Таким образом, достигается достаточно высокая стабильность выходного напряжения независимо от колебаний напряжения на входе. Кроме того, эффективно подавляются помехи и возмущения, которыми изобилует питающая сеть.

Практически, ИБП данного класса при подключении к сети переменного тока ведут себя как линейная нагрузка. Плюсом данной конструкции можно считать нулевое время переключения на питание от аккумуляторов, минусом – снижение КПД за счет потерь при двукратном преобразовании напряжения.

ИБП с двойным преобразованием энергии обладает наиболее совершенной технологией по обеспечению качественной электроэнергией без перерывов в питании нагрузки при переходе с сетевого режима (питание нагрузки энергией сети) на автономный режим (питание нагрузки энергией аккумуляторной батареи), и наоборот. Обеспечивая синусоидальную форму выходного напряжения, такие ИБП используются для ответственных потребителей электроэнергии, предъявляющих повышенные требования к качеству электропитания (сетевое оборудование, файловые серверы, рабочие станции, персональные компьютеры, оборудование вычислительных и телекоммуникационных залов, системы управления технологическим процессом и т.д.). Современные ИБП малой и средней мощности, в отличие от классической схемы "выпрямитель – инвертор", содержат в своей структуре корректор коэффициента мощности, обеспечивающий входной коэффициент мощности, близкий к единице, и практически синусоидальную форму тока, потребляемого из сети.

 

                                                    

 

Рисунок 3 - ИБП с двойным преобразованием

 

          Обязательным элементом схемы ИБП большой и средней мощности является байпас (by-pass) - устройство обходного пути. Это устройство предназначено для непосредственной связи входа и выхода ИБП, минуя схему резервирования питания.

Байпас позволяет осуществлять следующие функции:

· включение/отключение ИБП при проведении ремонтов и регулировок без отключения питания электроприемников;

· перевод нагрузки с инвертора на байпас при возникновении перегрузок и коротких замыканий на выходе источника бесперебойного питания;