Составные элементы комплексов энергозащиты информационных систем

   Содержание 
 
 
 
  Введение ……………………………………………………………………….2 
  Глава 1. Состав и основные функции комплексов энергозащиты ……….5 
  1.1. Системы бесперебойного электроснабжения …………………………5 
  1.2 Системы гарантированного электроснабжения ……………………..17 
  Глава 2. Составные элементы комплексов энергозащиты информационных систем ……………………………………………………………………………28 
  2.1 Источники бесперебойного питания …………………………………..28 
  2.2 Аккумуляторные батареи ИБП ………………………………………..40 
  2.3 Дизель - генераторные установки ……………………………………..48 
  2.4 Стабилизаторы напряжения ……………………………………………52 
  Заключение …………………………………………………………………..58 
  Глоссарий …………………………………………………………………….60 
  Список использованных источников ………………………………………62 
  Список сокращений ………………………………………………………….64 
  Приложение А Схема ИБП ………………………………………………….65 
  Приложение Б Схема заземления компьютерной техники………………. 66 
 
 
 
  Введение 
 
  Вопрос организации систем бесперебойного питания или автономного энергоснабжения становится для российских предприятий все более актуальным. Частые сбои в работе магистральных энергосетей, высокие тарифы на электричество и тепло, существенная стоимость подключения — вот далеко неполный перечень факторов, побуждающих компании в большей степени полагаться на собственные силы. Здесь на первый план выходит проблема правильного построения соответствующих систем, ведь даже небольшие ошибки при выборе их компонентов и при установке могут привести к серьезным техническим сбоям, влекущим за собой немалые финансовые потери. 
  Существенный рост энергопотребления, наблюдающийся в последние годы, постепенно становится одной из самых насущных проблем начала XXI века. Значительный "вклад" в развитие этой неприятной тенденции вносят энергозатратные информационные системы предприятий и организаций — разрастающиеся, усложняющиеся и, соответственно, требующие все больше и больше энергии. 
  В странах, где информационные технологии уже давно являются неотъемлемой частью бизнеса, а суммарная мощность таких решений, как центры обработки данных, превышает тысячи ГВт, вопросами их экономичности занимаются на самом высоком уровне. Так, недавно президент США Джордж Буш подписал законопроект, возлагающий на Агентство по защите окружающей среды обязанность разработать и предложить методики по снижению потребления электроэнергии дата-центрами. 
  В России власти пока не так сильно озабочены размерами потребляемой энергии информационных систем. Тем не менее, для всех российских владельцев больших "ИТ-хозяйств" проблемы энергоснабжения более чем актуальны. Но если в США на первый план выходит вопрос чрезмерного электропотребления — стоимость потребленных ИТ-системами киловатт там может легко перекрыть стоимость всех суперсовременных серверов и новейших инженерных систем, эти киловатты потребляющие, — то в России основная проблема — возможность получить требуемую мощность, ведь на всех электричества уже не хватает. 
  Таким образом, целью ВКР является рассмотрение основных аспектов применения энергосберегающих комплексов информационных систем. 
  Задачи ВКР: 
    1. Рассмотреть системы бесперебойного электроснабжения. 
    2. Изучить системы гарантированного электроснабжения. 
    3. Исследовать составные элементы комплексов энергозащиты информационных систем такие как: 
  - источники бесперебойного питания; 
  - аккумуляторные батареи ИБП; 
  - дизель-генераторные установки; 
  - стабилизаторы напряжения. 
 
  Основная часть 
 
 
  1глава Состав и основные функции комплексов энергозащиты 
 
 
  1.1 Системы бесперебойного электроснабжения 
 
 
 
  Что необходимо учитывать при расчете мощности и времени автономной работы при построении системы бесперебойного электропитания. 
  Во многих публикациях, проспектах и технических материалах компаний-производителей можно встретить термин «системы бесперебойного электропитания», под которым подразумеваются источники бесперебойного питания (ИБП). Термин «электропитание» в данном контексте употреблен неверно, так как, согласно определению, обеспечение потребителей электрической энергией называется «электроснабжение». В случае инфокоммуникационных систем потребителями являются технические средства и соответствующее оборудование, а их электроснабжение должно быть бесперебойным. К тому же само понятие «система электроснабжения» шире и включает в себя совокупность машин и аппаратов (электрических), линий (кабельных, воздушных), вспомогательного оборудования и помещений, где они установлены. Поэтому маленький настольный ИБП с подключенным к нему персональным компьютером вряд ли можно считать системой, но в то же время на основе ИБП малой мощности строятся так называемые распределенные системы бесперебойного электропитания. 
 
 
  Распределенные и централизованные системы бесперебойного электропитания 
  Какие же существуют системы бесперебойного электропитания и как их можно классифицировать? Система бесперебойного энергоснабжения строится в соответствии с одной из двух традиционных структур: распределенной (локальной) и централизованной. При распределенной системе системы бесперебойного электропитания (см. Рисунок 1) одно устройство или небольшая группа получают питание от отдельного (локального) источника бесперебойного питания. 
  Рисунок 1. Распределенная системы бесперебойного электропитания. 
 
 
  Распределенная система имеет следующие преимущества: 
  - система создается без переделки существующей электрической сети с использованием "розеточных" источников бесперебойного питания (т. е. включаемых непосредственно в розетку ИБП малой мощности); 
  - наращивание мощности и изменение конфигурации осуществляется достаточно просто; 
  - при отказе одного из источника бесперебойного питания отключается лишь незначительная часть системы, а последствия отказа устраняются обычной заменой поврежденного источника; 
  - для размещения ИБП не выделяются специальные помещения. 
  Недостатки распределенной системы состоят в следующем: 
  - установленная мощность источников бесперебойного питания используется неэффективно из-за невозможности обеспечения номинальной загрузки всех ИБП; 
  - время автономной работы всей системы не одинаково для всех нагрузок; 
  - при подключении дополнительной нагрузки или коротком замыкании в цепи нагрузки одного ИБП дает о себе знать недостаточная перегрузочная способность системы (этот недостаток не слишком существенен и проявляется редко); 
  - в случае использования резервных или линейно-интерактивных ИБП даже при сбалансированной симметричной нагрузке в нейтральном проводнике возникают токи, значения которых могут превосходить значения токов в фазных проводниках; это явление приводит к перегрузке нейтрального проводника и ухудшению электромагнитной совместимости. 
 
 
  Рисунок 2. Централизованная системы бесперебойного электропитания. 
 
 
  Централизованная система (см. Рисунок 2) строится на основе одного или несколько мощных ИБП. Перечислим преимущества централизованной структуры: 
  - эффективное использование установленной мощности ИБП и емкости батарей; 
  - устойчивость к перегрузкам; 
  - возможность увеличения времени автономной работы за счет отключения менее ответственных потребителей в соответствии с так называемым планом "деградации" системы; 
  - исключение перегрузки нейтрального проводника на участке от ввода до ИБП. 
 
 
  Недостатки централизованной системы: 
  - более высокая стоимость по сравнению с распределенной системой; 
  - вероятность общего отказа из-за неисправности распределительной сети бесперебойного электроснабжения или самого ИБП. 
  В чистом виде каждая из приведенных систем встречается достаточно редко. Типичными областями применения распределенной системы являются офисные здания, где в арендуемых помещениях размещаются организации сравнительно небольшого размера, а многочисленные персональные компьютеры функционируют в режиме независимых рабочих станций, зачастую без объединения их в локальную сеть. Использование для электроснабжения централизованной системы целесообразно, когда оборудование выполняет общую задачу и состоит из однотипных по назначению и надежности элементов (телекоммуникационные центры, издательские комплексы и т.п.). На практике часто строится двухуровневая система, которая представляет собой комбинацию централизованной и распределенной системы (см. Рисунок 3). 
  Рисунок 3. Двухуровневая системы бесперебойного электропитания. 
  Оптимизация установленной мощности ИБП и, соответственно, стоимости оборудования состоит в выделении наиболее ответственных потребителей, электроснабжение которых будет осуществляться от источников бесперебойного питания малой мощности (ИБП «второго уровня»), последовательно подключенных к централизованной системе. Двухуровневое резервирование предназначено для защиты файловых серверов и рабочих станций администраторов, коммуникационного оборудования, систем связи и др. от обесточивания вследствие аварий электрической сети внутри здания, вызванных локальными повреждениями, короткими замыканиями или перегрузками (в том числе подключенной к основному ИБП сети бесперебойного электроснабжения). 
  Появление нового класса ИБП «энергетических массивов» позволяет организовать электроснабжение в соответствии с централизованной схемой и разделить оборудование по функциональным и территориальным группам. Коммутационные центры, серверы и телекоммуникационное оборудование защищаются энергетическими массивами малой и средней мощности в масштабах телекоммуникационной (серверной) стойки или технологического помещения. Рабочие же станции защищаются по централизованной схеме в масштабах здания. 
 
 
  Расчет мощности ИБП для системы бесперебойного электропитания 
  Выбор конкретных моделей ИБП для проектируемой системы бесперебойного электропитания производится на основе расчета потребляемой мощности нагрузки и прогноза ее роста в будущем. 
  Для расчета мощности ИБП необходимы следующие расчетные и задаваемые параметры: 
  - мощность нагрузки; 
  - коэффициент мощности нагрузки; 
  - пусковые токи потребителей, мощность которых соизмерима с номинальной мощностью ИБП; 
  - время автономной работы ИБП; 
  - время заряда батарей; 
  - требования к надежности. 
  Как правило, в задании на проектирование обычно предоставляются следующие данные: 
  - мощность нагрузки; 
  - характер нагрузки; 
  - требуемое время автономной работы ИБП. 
  При расчете мощности ИБП следует помнить, что основными потребителями являются устройства с импульсными блоками питания, чье потребление характеризуется высоким крест фактором (отношением амплитудного значения тока к его действующему значению). Поэтому при выборе мощности ИБП по каталогу необходимо обращаться к значениям номинальной мощности, относящейся именно к нагрузке с импульсными блоками питания (Switch Mode Power Supply, SMPS). 
 
 
  Рисунок 4. Параллельный комплекс ИБП. 
 
 
  При расчете необходимой мощности ИБП, включаемых в параллельный комплекс (см. Рисунок 4), учитывается, что при возможном отказе одного ИБП мощность оставшихся должна соответствовать мощности нагрузки. Данное требование резервирования или избыточности можно представить формулой N + 1, где N количество ИБП, обеспечивающих продолжение работы системы бесперебойного электропитания при отказе одного из устройств. Эти же соображения необходимо иметь в виду при выборе количества модулей для ИБП класса «энергетический массив». 
  В простейшем случае N = 1, однако в нормальном режиме каждый из ИБП будет загружен не более чем на 50%. Со снижением нагрузки уменьшается коэффициент полезного действия ИБП и возможно появление нелинейных искажений на входе ИБП, а потому оптимальной представляется система из четырех ИБП, каждый из которых в нормальном режиме загружен не более чем на 75%. 
  Основной трудностью при расчетах параметров системы бесперебойного электропитания, является определение расчетной мощности нагрузки Sр. 
  Наиболее часто приходится сталкиваться с завышением или занижением мощности ИБП как при проектировании системы бесперебойного электропитания, так и при постановке задания. Недобросовестному проектировщику завышение мощности позволяет продать больше оборудования, увеличить таким образом оборот и, соответственно, прибыль за счет заказчика. Для ориентировочной проверки можно прибегнуть к оценке мощности системы бесперебойного электропитания на основании удельной мощности потребления инфокоммуникационного оборудования на единицу площади офисного помещения. Расчет Sр сопряжен с некоторыми трудностями, поскольку нормы проектирования не определяют удельные мощности нагрузок для средств информатики и телекоммуникаций. В ведомственных нормах проектирования ВСН 59-88 приводятся значения для терминальных устройств и больших ЭВМ (мэйнфреймов), что не подходит для компьютерных сетей и центров обработки данных. Для расчета мощности нагрузки компьютерной сети можно пользоваться удельным потреблением, выражаемым в ВА/м2, или единичной мощностью одного рабочего места (рабочей станции) [ВА]. В некоторых публикациях приводится значение 40 Вт/м2 для одного этажа и 30 Вт/м2 для нескольких этажей или всего здания. При санитарной норме 6 м2 на одно автоматизированное рабочее место получаем 240 и 180 Вт или, при коэффициенте мощности pf=0,7, 340 и 250 ВА. Приведенные значения достаточно точно соответствуют реальным. 
  В последнее время с выпуском рабочих станций и персональных компьютеров на базе Pentium 4 и мониторов с диагональю 19” наметился некоторый рост потребляемой мощности, но, скорее всего, это временное явление, поскольку мониторы на базе электроннолучевых трубок (ЭЛТ) постепенно вытесняются плоскими жидкокристаллическими (ЖК) мониторами. Для таких автоматизированных рабочих мест потребление не превысит 200 ВА. 
  Нередко ошибки допускает сам заказчик. При оценке потребности в мощностях системы бесперебойного электропитания необходимо знать мощности вновь устанавливаемых рабочих станций, серверов и активного сетевого оборудования. На практике потребляемая мощность не так уж редко определяется по каталожным данным блоков питания оборудования, что является грубой ошибкой. Эти данные приводятся на заводской табличке («шильдике») со стороны задних панелей инфокоммуникационного оборудования и характеризуют максимальную нагрузочную способность блока питания, но не действительную мощность потребления. Для реальной оценки мощности необходимо уточнить нагрузку по технической документации или провести замер с помощью, например, компактных измерителей тока, мощности и энергии, включаемых непосредственно в розетку, или электроизмерительных приборов (тестеров, мультиметров) с функциями измерения токов, напряжений и мощностей. 
  В простейшем случае при выборе ИБП для распределенной системы необходимо обеспечить соответствие мощности ИБП и подключаемого к нему оборудования с разумным запасом. 
  Расчет мощности нагрузки компьютерной сети требует учета коэффициента использования (Ки) для рабочих станций и персональных компьютеров. Он характеризует отношение числа одновременно работающих устройств к общему количеству установленных на объекте однотипных устройств. В нормативной документации таких сведений не приводится. Из опыта эксплуатации можно определить этот коэффициент для рабочих станций как 0,7–0,9 в пределах этажа и 0,4–0,6 для здания в целом. 
  Необходимо заметить, что коэффициент использования зависит от режима работы и назначения здания (министерство, офис крупной компании, бизнес-центр и т. д.). Коэффициент использования серверов и коммутационного оборудования близок к единице. Определение коэффициента использования на этапе составления технического задания – важный момент в совместной деятельности подрядчика и заказчика. При его завышении окажутся завышенными и мощность ИБП, и инвестиции в оборудование, а занижение приведет к дефициту мощности системы бесперебойного электропитания. 
  Итак, расчетную мощность можно определить двумя способами. 
  Sр = Sуд x Поф 
  (Sуд – удельная мощность, 30–40 Вт/м2; Поф – площадь офисных помещений, м2). 
  Этот способ следует применять, когда состав нагрузки точно не известен. 
  Sр = Sрс х Kи + Sо 
  (Sрс – мощность рабочей станции, 200–340 ВА; Sо – мощность активного сетевого оборудования и серверов, ВА). 
  Учитывать мощность принтеров, как правило, не требуется, поскольку обычно они включаются не в сеть системы бесперебойного электропитания, а в сеть общего назначения. 
  По расчетной мощности Sр выбирают мощность ИБП Sибп: 
  Sибп = Sр/N 
  В самом простом случае при установке одного ИБП N = 1 и Sибп = Sр. То же самое справедливо и при установке двух ИБП в параллельную систему, так как, согласно формуле N+1, оставшийся в работе ИБП должен обеспечить мощность нагрузки Sр. Для трех ИБП в параллельной системе N = 2, для четырех N = 3 и т. д. Шкала номинальных мощностей ИБП дискретная, следовательно, на практике берется ближайшее большее значение Sибп по каталогу. И наконец, выбирая мощность ИБП, надо ясно представлять перспективу развития системы бесперебойного электропитания, т. е. учитывать возможность роста мощностей нагрузки. Если это обстоятельство будет упущено, то в определенный момент проблема дефицита мощности встанет со всей остротой. 
  Возможной альтернативой защиты инвестиций является применение масштабируемых систем бесперебойного электропитания на основе параллельных комплексов и, разумеется, ИБП класса «энергетический массив» как наиболее приспособленных к масштабируемости (дабы на начальном этапе работы системы бесперебойного электропитания не образовывалась излишняя мощность, пока не все нагрузки включены или не произведена техническая модернизация средств информатизации). 
  Выбор защитно-коммутационного оборудования (автоматических выключателей, выключателей нагрузки, рубильников и предохранителей) для подключения ИБП должен производиться с учетом КПД, токов заряда батарей и установленной мощности ИБП Sибп. Номинальные значения защитно-коммутационного оборудования выбираются на основании установленной мощности, что позволяет в случае необходимости полностью нагрузить систему. Как известно, максимальный КПД для технологии двойного преобразования 0,93. Ток заряда батареи ИБП, для которой время автономной работы предусмотрено в пределах 10–15 мин, не превышает 10% номинального тока ИБП в режиме «на линии». Отсюда номинальный ток защитно-коммутационного оборудования для подключения ИБП имеет вид: 
  Iном. = (Sибп/h+ 0,1 Sибп)/3Uф, 
  где Uф – фазное напряжение. 
  Для автоматического выключателя выбирается ближайший больший номинал в соответствии с линейкой номинальных значений по каталогу. То же утверждение относится и к выбору сечения кабеля. Как правило, такие расчеты не делаются, если в инструкциях и рекомендациях по установке оборудования приводятся фирменные рекомендации по подключению. 
  Как рассчитать время автономной работы 
  Помимо мощности, система бесперебойного электропитания характеризуется временем автономной работы (run-time), т. е. временем работы ИБП от аккумуляторной батареи (АБ). 
  Данный показатель тесно связан с понятием отказоустойчивости и не должен быть меньше того срока, который необходим для включения или переключения на резервный (резервирующий) источник электроснабжения от внешней системы или от дизельной электростанции (ДЭС). При полном отключении основных и резервных источников электроснабжения время автономной работы позволяет завершить информационный процесс без потери информации: например, корректно остановить сервер. Эта функция возлагается преимущественно на ИБП второго уровня. 
  Поскольку процесс автоматизирован, на этапе инсталляции специального программного обеспечения (ПО) важно правильно выбрать время начала закрытия сервера. Рекомендуется, чтобы время автономной работы позволяло без дополнительного перезаряда батареи дважды произвести такое закрытие. 
  Основная логика работы ПО состоит в том, что время закрытия сервера не должно превышать время разряда батареи. Рекомендация относительно возможности остановки сервера дважды без перезаряда батареи дана исходя из того, что переход ИБП в автономный режим вследствие аварии может повториться из-за отказа резервного источника или повторения аварии. Момент остановки сервера зависит от ОС и параметров информационных процессов сервера. 
  Для центральных (основных) ИБП время автономной работы обычно составляет 10–20 мин, чего вполне достаточно для запуска резервной дизельной электростанции или завершения работы пользователей компьютерной сети. Альтернативой ДЭС может служить системы бесперебойного электропитания с более продолжительным временем автономной работы. Аккумуляторная батарея большой емкости значительно дороже, имеет длительное время заряда, однако может применяться в случае, когда по какой-либо причине установка резервной ДЭС невозможна. Если же ничто не препятствует установке дизельной электростанции, то следует учитывать финансовый аспект данной альтернативы. 
  При мощностях более 10 кВА применение системы бесперебойного электропитания с большим временем автономной работы (более 15–20 мин) становится экономически нецелесообразно. Кроме того, немаловажен и технический аспект, связанный с длительностью заряда батареи. Когда автономная работа становится более продолжительной, количество параллельных цепочек аккумуляторов возрастает, а ток заряда, соответственно, уменьшается. Если время автономной работы будет составлять несколько часов, то понадобится несколько дней, чтобы полностью зарядить батарею. 
  Как и при расчете мощности, выбирая время автономной работы для ИБП первого уровня, необходимо ясно представлять себе перспективы развития системы бесперебойного электропитания. Увеличение времени автономной работы возможно впоследствии путем увеличения емкости аккумуляторных батарей. Главное – заранее предусмотреть такую возможность при создании системы бесперебойного электропитания (включая соответствующие площади в электромашинных помещениях, необходимые запасы по сечениям питающих кабелей, коммутационной аппаратуры, комплектации ИБП и т. д.). И снова источники бесперебойного питания класса «энергетический массив» способны показать свое преимущество перед традиционными моноблочными ИБП, пусть даже и включенными в параллельный комплекс. 
 
 
  Выбирая время автономной работы ИБП первого уровня, руководствоваться следует другими соображениями, нежели вопросами корректного закрытия приложения на файловых серверах, как это было описано выше. В первую очередь необходимо обеспечить указанное в задании время автономной работы для расчетной мощности нагрузки, а не для мощности, равной номиналу выбранного ИБП. Например, пусть, согласно требованиям технического задания, время автономной работы не превышает 30 мин, и уровень резервирования соответствует N + 1. В результате расчета мощности нагрузки получено значение Sр = 9,3 кВА. 
  Для обеспечения резервирования N + 1 выбираем ИБП класса «энергетический массив» с модулем мощностью 4 кВА и линейкой мощностей 4, 8, 12, 16, 20 кВА. Таким образом, для питания нагрузки 9,3 кВА потребуется установить три модуля по 4 кВА в общей сложности на 12 кВА. Чтобы обеспечить резервирование (избыточность) по формуле N + 1, количество модулей массива следует увеличить на один. В итоге получаем 16 кВА (четыре модуля на 4 кВА). По специальным номограммам (таблицам) или программе-конфигуратору определяем время автономной работы для нагрузки 9,3 кВА. В результате потребуется восемь модулей батарей, что позволяет поддерживать автономную работу в течение 32 мин при нагрузке 9,3 кВА. Если же время автономной работы выбирать исходя из 12 кВА (мощность без резервирования N), то понадобится уже десять модулей, а для 16 кВА (полная установленная мощность с резервированием N + 1) то же время автономной работы в состоянии обеспечить только 14 модулей. 
 
  1.2 Системы   гарантированного   электроснабжения 
 
 
 
  Система гарантированного электроснабжения – это объединенный единой схемой набор устройств, предназначенных для обеспечения электропитания потребителя с заданными показателями качества и надежности. В общем случае   СГЭ предусматривает: 
  - осуществление электроснабжения оборудования компьютерной сети с   необходимыми показателями качества и надежности; 
  - разделение компьютерного и технологического оборудования   компьютерной и технологических нагрузок здания (освещение, лифты,   кондиционеры, вентиляция, отопление и т.п.); 
  - обеспечение замены или проведения ремонтно-восстановительных работ без перерыва питания нагрузки; 
  - сохранение работоспособности узлов и нагрузок при отказе одного или   нескольких узлов СГЭ; 
  - отсутствие влияния СГЭ на питающую сеть и работу других ее   потребителей. 
  Система гарантированного электроснабжения может дополнительно обеспечивать: 
  - управление системой в автоматическом и ручном режимах, в том числе дистанционное; 
  - наличие в системе средств мониторинга и статистики состояний узлов СГЭ, показателей качества электрической энергии; 
  - предотвращение несанкционированного доступа к информации по линиям сетевого питания. 
  Существует два основных способа построения выделенной сети электроснабжения оборудования компьютерных сетей. Оба они предполагают организацию питания компьютерного оборудования по пятипроводной радиально - магистральной схеме от выделенных фидеров отдельно от других нагрузок здания. 
  Их отличие заключается только в том, что в одном случае магистрали выделенной сети подключаются непосредственно к вводному распределительному устройству здания, а во втором случае выполняется подключение с полным гальваническим разделением от некомпьютерных нагрузок здания. Такая выделенная сеть электроснабжения не должна иметь гальванической связи с силовыми сетями здания или городской сети. 
  Гальваническое разделение может быть выполнено разными способами, но оно предусматривает в обязательном порядке создание дополнительного технологического контура заземления, который также гальванически не связан с другими контурами заземления здания. 
  Распределительные щиты для компьютерных и некомпьютерных нагрузок здания также выполняются раздельно с ограничением доступа к распределительным щитам компьютерных нагрузок. 
  Только выделенная сеть электроснабжения компьютерных нагрузок с гальваническим разделением в наиболее полном объеме позволяет гарантировать отсутствие влияния других нагрузок здания на работу компьютерного оборудования. 
  Рассмотрим более детально элементы, составляющие в общем случае структуру систем гарантированного энергоснабжения. 
 
 
  Заземление 
  В здании может быть пять независимых контуров заземления: 
  - контур повторного заземления на вводе в здание; 
  - защитное заземление технологического оборудования здания; 
  - независимый заземлитель молниезащиты; 
  - независимый контур заземления компьютерного оборудования; 
  - измерительный контур. 
  Контур повторного заземления на вводе в здание выполняется на практике достаточно часто, хотя и не регламентирован какими - либо нормативными документами. 
  Независимый контур компьютерного заземления является одним из важнейших   элементов СГЭ, который обеспечивает выравнивание потенциалов на корпусах компьютерного оборудования - он должен обладать минимальным активным и полным сопротивлением. 
  Некорректно выполненное заземление компьютерного оборудования может стать в одних случаях причиной низкочастотных колебаний напряжения, в других - радиочастотного излучения. В свою очередь, каждое из этих проявлений может стать причиной сбоев и неустойчивой работы компьютерного оборудования, колебаний растра мониторов и т.п. Наиболее распространенной причиной возникновения таких нежелательных режимов является наличие гальванической связи между различными контурами заземления в нескольких точках. Признаком наличия таких связей и общих контуров является ток в заземляющем проводнике компьютерного оборудования. 
  Как показывает опыт, полное отсутствие гальванической связи между контурами заземления технологического оборудования здания и компьютерного оборудования или наличие такой связи только в одной точке не сказывается отрицательным образом на работе компьютерного оборудования. Наличие гальванической связи любого из перечисленных с заземлителем молниезащиты недопустимо. 
  Наконец, пятый контур заземления - измерительный - предназначен для упрощения комплекса периодических измерений параметров первых четырех контуров заземления. 
  Грозозащита 
  Это комплекс мероприятий и средств, обеспечивающих защиту от высоковольтных импульсов. Можно выделить два вида устройств: молниеотводные установки (как пассивные так и активные) и ограничители напряжения. 
  Молниеотводные установки служат для предотвращения грозового разряда через конструкции и коммуникаций здания. 
  Ограничители напряжения обычно устанавливаются во входном распределительном устройстве здания, а иногда и во вторичных распределительных щитах. Возможна установка ограничителей напряжения непосредственно на линиях питания чувствительного оборудования в этажных щитах или непосредственно возле точек подключения оборудования. 
  Коммутация вводов и нагрузок 
  Аппаратура автоматического ввода резерва (АВР) является одним из важнейших элементов СГЭ. В соответствии с рекомендациями ПУЭ, в СГЭ взаимное резервирование источников переменного тока осуществляют при помощи АВР. 
  Длительность перерывов электропитания до 20 мс для оборудования компьютерных сетей гарантирует отсутствие каких-либо нарушений в его работе. Очевидно, что обычные АВР таким быстродействием не обладают, у них оно как минимум на порядок ниже. Поэтому для обеспечения непрерывности работы компьютерного и телекоммуникационного оборудования его питание осуществляют от АБП или от АВР через агрегат бесперебойного питания 
  В последние годы на рынке появились скоростные переключатели нагрузки, типичное время переключения которых составляет 5 мс. К числу таких устройств относятся серии STS (Static Transfer Switch) и XTS производства компании MGE UPS Systems. Ряд таких устройств представлен в диапазоне токов от 10 до 600 А. Использование скоростных АВР при наличии двух независимых источников позволяет осуществить их взаимное резервирование, при котором интервал перерыва питания не превысит предельного значения 20 мс. Основное назначение скоростных АВР - использование их в качестве составного элемента сложных резервированных СГЭ для повышения показателей надежности всей системы в целом. 
  Фильтры 
  По назначению различают четыре вида фильтров: 
  • фильтры питающего напряжения; 
  • фильтры, устанавливаемые непосредственно в последовательных линиях связи и компьютерной сети, как встроенные в АБП, так и автономные; 
  • фильтры ля предотвращения считывания информации по линиям сетевого питания; 
  • силовые фильтры гармоник тока. 
  Защитные фильтры питающего напряжения одновременно выполняют фильтрацию электромагнитных и радиочастотных помех. При этом величина подавления помех как в фазном, так и в нулевом проводе должна быть не менее 20дБ. При подавлении высоковольтных импульсов уровень пропускаемого напряжения не должен превышать 5%. Среди фильтров питающего напряжения особое место занимают фильтро-симметрирующие устройства (ФСУ). Это вид устройств может быть использован только для трехфазных нагрузок. При этом обязательным условием является наличие нейтрали наряду с фильтрацией гармонического состава напряжения ФСУ особенно эффективны при устранении не симметрии напряжений в трехфазной сети, которая для однофазных нагрузок проявляется в виде провалов, колебаний и перенапряжений. 
  Защитные фильтры для последовательных линий связи и компьютерной сети служат для защиты линий передачи данных и особенно удобны для защиты различного сетевого оборудования. например концентраторов, мультиплексоров и маршрутизаторов, а также последовательных портов компьютеров, терминальных и других периферийных устройств. Установка защитных устройств обязательна на обоих концах соединений при их длине более полутора метров. 
  Отдельно необходимо отметить фильтры типа ФП, применяемые в качестве элемента защиты информации по линиям сетевого питания. Эти фильтры устанавливаются непосредственно на вводах режимных помещений, например серверной или центра обработки данных. 
  Стабилизаторы переменного напряжения 
  В настоящее время стабилизаторы напряжения в составе СГЭ практически не используются. Потребитель, а зачастую и продавец АБП, вообще не видят в этом необходимости, если в составе СГЭ тем или иным образом предусмотрено использование АБП. Они считают достаточным применение в системе гарантированного электроснабжения АБП с максимально широким входным диапазоном. С этим можно согласиться, но только при одном условии - структура СГЭ и секционирование ее нагрузок должны быть такими, чтобы даже в случае короткого замыкания в одной из нагрузок АБП не переходил в режим байпаса. 
  Это условие связано с тем, что реальный входной диапазон АБП в режиме байпаса не превышает +10% уровня номинального напряжения. Именно при таком напряжении   на байпасном входе АБП, при его переходе в режим байпас, можно гарантировать нормальную работу нагрузок. Если по тем или иным причинам режим байпаса неизбежен, тогда на входе байпаса АБП необходимо установить стабилизатор напряжения, входной диапазон которого равен входному диапазону АБП или превышает его, причем характеристики стабилизатора напряжения должны обеспечивать его нормальную работу в режимах перегрузки АБП. 
  Входной диапазон байпаса не может превышать допустимого входного диапазона подключенных к нему нагрузок. Поскольку через байпас нагрузки подключены непосредственно к сети. ГОСТ 13109-97 регламентирует безопасный для них диапазон отклонения напряжения сети – +/- 10% от номинального значения сетевого напряжения. 
  Средства гальванической развязки 
  В структуре СГЭ гальваническая развязка предназначена для разделения компьютерных и других технологических нагрузок здания с целью исключения влияния последних на работу компьютерного оборудования. Полная гальваническая развязка предусматривает гальваническую развязку не только входных или выходных цепей АБП, но и цепей байпаса. В большинстве случаев она обеспечивается при помощи входного или выходного изолирующего трансформатора. В том случае, если основные цепи АБП оснащены средствами гальванической развязки на высокой или основной частоте сети, для обеспечения режима полной гальванической развязки необходимо предусмотреть дополнительный трансформатор в цепи байпаса. 
  В АБП с трехфазным входом и однофазным выходом для улучшения симметрии загрузки фаз в цепи байпаса необходимо использовать трансформатор с первичной обмоткой напряжением 380-400 В и вторичной обмоткой 220-230 В. 
  Если секционирование нагрузки АБП гарантирует, что для него режим байпаса невозможен, тогда использование трансформатора в цепи байпаса не является обязательным. 
  Другое предназначение гальванической развязки - предотвращение считывания информации по линиям сетевого питания. Трансформатор, предназначенный для работы на основной частоте сети, в сочетании с дополнительными специализированными фильтрами, например серии ФП, все же не дает 100%-ной гарантии предотвращения считывания информации. Наилучшее решение - использовать в качестве элемента гальванической развязки пары мотор-генератор, работающей совместно с АБП. 
  Электромеханическая связь АБП и нагрузки позволяет полностью предотвратить возможность считывания информации по линиям сетевого питания. 
  Средства горячей замены ИБП 
  Одним из важнейших требований к СГЭ является обеспечение непрерывности питания нагрузки даже в таких специфических условиях, как проведение ремонтно- восстановительных работ или замена оборудования. В случае СГЭ на основе одного или нескольких нерезервированных АБП их отключение производится при помощи внешнего байпасного модуля. Его использование является потенциально опасной операцией в отношении АБП. В случае, если напряжение инвертора АБП не синхронизировано с питающей сетью или ее напряжение выходит за пределы входного диапазона в режиме байпаса, переход АБП в этот режим невозможен. При включении цепи внешнего байпаса в таком режиме инвертор АБП, как правило, выходит из строя. Для предотвращения повреждения инвертора в цепях ручного байпаса должны быть предусмотрены необходимые цепи блокировки. 
  Генераторные установки 
  Увеличение аккумуляторного парка АБП при необходимости обеспечения продолжительного времени автономной работы СГЭ в силу целого ряда причин, в том числе экономических, может оказаться нецелесообразным. 
  В этом случае, а также при отсутствии второго независимого ввода для нагрузок первой категории или третьего независимого ввода для нагрузок особой группы первой категории, в состав СГЭ вводят автоматизированную генераторную установку. 
  В качестве двигателей в таких установках чаще всего используют дизель или турбину. Время восстановления питания для таких установок составляет от 8 до 30с. Очевидна необходимость совместного применения в составе СГЭ агрегат бесперебойного питания и генераторной установки. 
  Генератор такого автономного источника имеет ограниченную мощность, и в общем случае оптимальной для него является активная нагрузка. Уменьшение коэффициента мощности нагрузки приводит к снижению предельной мощности, которую способен отдать в нагрузку генератор. При емкостном характере нагрузки такое снижение может достигать 70%. Для индуктивного характера нагрузки снижение мощности незначительно и не превышает 15%. 
  Таким образом, при необходимости работы на реактивную нагрузку установленная мощность генераторной установки должна быть увеличена, поэтому ее минимизация является важной составляющей при проектировании СГЭ. 
  Другой аспект проблемы заключается в том , что искажения входного тока обычного АБП с шестиимпульсным выпрямителем без фильтра достигают 30% при 100%-ной нагрузке. Снижение нагрузки приводит к росту искажений в его входном токе. Так при 25% нагрузки коэффициент нелинейных искажений входного тока достигает 100%, что в свою очередь, может приводить к недопустимому уровню искажения напряжения генератора и стать причиной неудовлетворительной работы его систем возбуждения и регулирования частоты. С учетом этих особенностей необходимо укомплектовать генераторную установку необходимыми регуляторами напряжения и скорости, а также принять меры по снижению уровня искажений тока нагрузки генератора. Значительные искажения питающего напряжения могут стать причиной перехода АБП в автономный режим работы. 
  Для нормальной совместной работы АБП и автономного генератора, а также для уменьшения установленной мощности последнего необходимо предусмотреть включение в состав АБП опций, снижающих искажения во входном токе и повышающих его входной коэффициент мощности, или применять АБП, стандартный выпрямитель которого обеспечивает фильтрацию входного тока. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Фильтры гармоник тока 
  Для снижения искажений во входном токе АБП комплектуются пассивными LC-фильтрами. Обычно это 5-или (значительно чаще) 10%-ный компенсированный фильтр или некомпенсированный фильтр с контактором. Существенно реже используется некомпенсированный фильтр, из-за значительной емкостной составляющей в его входном сопротивлении. При использовании совместно с АБП пассивных фильтров необходим тщательный расчет реактивной мощности. Следует убедиться в каждом конкретном случае в том, что мощность генератора будет достаточной во всех режимах его работы, а уровень емкостной составляющей во входном сопротивлении не превышает допустимого. 
  АБП с двенадцатипульсным выпрямителем – одно из наиболее старых решений, обеспечивающих приемлемый уровень искажений входного тока АБП и его совместную работу с генератором. 
  В настоящее время все перечисленные решения устарели и не соответствуют стандарту IEC61000-3-4[1]. Некоторые производители АБП уже давно отказались от комплектации АБП двенадцатипульсным выпрямителем, поскольку его стоимость значительно превышает стоимость обычного шестимпульсного в комплекте с любым из пассивных или активных фильтров, при этом гармонический состав входного тока любого из таких выпрямителей лучше, чем у двенадцатиимпульсного выпрямителя. Затраты будут сопоставимы только в том случае, если для АБП потребуется полная гальваническая развязка. 
  Отдельно нужно отметить интерактивный АБП с дельта - преобразованием. Именно дельта - преобразователь выполняет в таких АБП функции устройства нормализации напряжения нагрузки в режиме работы от сети, а также активного фильтра входного тока, корректора входного коэффициента мощности, обеспечивая совместимость с генераторной установкой. 
  Несколько раньше появилась концепция ТНМ (Total Harmonic Management) предусматривающая активную фильтрацию гармоник входного тока АБП. Эта концепция получила свое дальнейшее развитие в моделях. АБП с IGBT-выпрямителями, которые наряду с фильтрацией гармоник входного тока корректируют входной коэффициент мощности, обеспечивая совместимость АБП с генераторной установкой. 
  Таким образом, наилучшую совместимость АБП и генератора, а также соответствие в полной мере стандарту IEC61000-3-4 во всем диапазоне нагрузок обеспечивают только АБП с активной фильтрацией гармоник входного тока. 
  Оборудование для утилизации тепла 
  Одной из важнейших проблем при построении СГЭ является обеспечение оптимальных температурных режимов эксплуатации АБП и его аккумуляторных батарей. Обычно предельная температура эксплуатации АБП составляет +40°С. В то же время рекомендованная среднесуточная рабочая температура АБП составляет +20°С. В настоящее время в АБП наиболее часто применяют необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Именно они накладывают наиболее существенные ограничения на рабочую температуру внутри АБП или шкафа с аккумуляторными батареями и определяют оптимальные   температурные режимы эксплуатации. Необходимо особо отметить, что эта температура в общем случае не соответствует температуре внутри помещения, в котором установлен АБП. Например, при попадании на поверхность АБП прямых солнечных лучей температура внутри него может существенно превысить предельные +40°С за счет нагрева поверхности корпуса. Но если даже температура не будет достигать предельного значения, она негативно сказывается на сроке службы аккумуляторных батарей. 
  Эксплуатация батарей при температуре +35°С уменьшает его в 3 раза. Таким образом, несоблюдение температурных режимов эксплуатации АБП может привести к увеличению эксплуатационных расходов за счет преждевременной замены комплекта аккумуляторных батарей. 
  Для АБП большой мощности существует и другой аспект этой проблемы, который   рассмотрим на примере серии АБП Silcon DP300E. Это оборудование рекламируется производителем, фирмой АРС, как серия наиболее экономичных АБП. За это свое качество АБП Silcon DP300E в технической прессе называют «зелеными». Именно высокий КПД этих АБП послужил критерием выбора для нашего примера. 
  АБП DP340E мощностью 40 кВА имеет габариты 1400 * 1000 * 800мм (1.12м). Ширина передней дверцы - 800мм. С учетом рекомендаций производителя и требований техники безопасности для обслуживающего персонала, помещение минимального размера для этого типа АБП имеет высоту 1900мм, ширину - 1000мм. длину - 2400мм (т.е. его объем составляет 4.56м). В автономном режиме работы АБП на полную нагрузку его рассеиваемая мощность составляет 1,8кВт. Приближенный теплотехнический расчет показывает, что в помещении с приведенными размерами и исходной температурой +20°С, температура поднимется до уровня отключения АБП по перегреву (+40°С) менее чем за 75 секунд. 
  Приведенный пример показывает, что без средств активного удаления тепла, как в режиме работы от сети, так и в автономном режиме работы, АБП не обеспечит заданное в спецификации минимальное время при работе на номинальную нагрузку. 
  Таким образом, наряду с АБП система утилизации тепла - одна из важнейших составных частей СГЭ, от работы которой не только зависит надежность работы СГЭ в целом, но и стоимость ее эксплуатации. 
 
 
 
 
 
Глава 2 Составные элементы комплексов энергозащиты информационных систем 
 
 
  2.1 Источники бесперебойного питания 
 
 
 
  Источники бесперебойного питания, согласно действующим стандартам, классифицируют по принципу действия на три основные группы: 
  1) Off-Line/Stand-By/back-up UPS; 
  2) Line-Interactive; 
  3) On-Line. 
  Источники бесперебойного питания типа Off-Line 
  Источники бесперебойного питания типа Off-Line стандартом определяются как пассивные, резервного действия (UPS-PSO). В нормальном режиме функционирования штатным питанием нагрузки является отфильтрованное напряжение первичной сети при допустимых отклонениях входного напряжения и частоты. В случае, когда параметры входного напряжения выходят за значения настроенных диапазонов, включается инвертор источника бесперебойного питания, обеспечивающий непрерывность питания нагрузки. Инвертор питается от аккумуляторов. 
  Это наиболее простые ИБП (рисунок 5), а значит, и самые дешевые. Источник бесперебойного питания состоит из двух параллельных ветвей: 
  • фильтр-нагрузка; 
  • выпрямитель-батарея-инвертор-нагрузка. 
 
 
Сеть к нагрузке 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Рисинок 5. Схема источника бесперебойного питания Stand-By типа 
 
 
  При нормальных характеристиках сети, напряжение в нагрузку поступает через фильтр, фильтрующий всевозможные помехи. Это, обычно, фильтр-ограничитель (surge suppressor), хотя может быть и фильтр-стабилизатор (line conditioner) либо их сочетание, а также статический переключатель. 
  Одновременно через выпрямитель подзаряжаются и аккумуляторы аккумуляторной батареи. При пропадании, завышении либо понижении входного напряжения, питание нагрузки электронным переключателем переключается на батарейное через инвертор (инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное). Переключатель обеспечивает время переключения от 2 до 15 мс. Отметим, что пропадание электроэнергии в ходе этого времени не оказывает сколь-нибудь заметного влияния на компьютерные системы, которые спокойно переносят отключение питания на 10-20мс. Учитывая, что почти у всей современной аппаратуры блоки питания импульсные, переключение совершается незаметно для пользователя. Источники бесперебойного питания такого типа могут поддержать работу персонального компьютера в ходе 5-10 мин. 
  Основные недостатки ИБП Off-Line 
  Главными недостатками ИБП off-line считают: 
  • плохая работа источников питания этого типа в сетях с низким качеством электрической сети: плохая защита от провалов напряжения (sags), превышений допустимого значения напряжения, изменений частоты и формы входного напряжения; 
  • невозможность своевременного восстановления емкости аккумуляторов при частых переключениях на батарейное питание; 
  • несинусоидальное выходное напряжение при питании от аккумуляторной батареи. 
  Итак, основное рекомендуемое использование источников бесперебойного питания off-line типа - устройство защиты нагрузки с импульсным блоком питания с редкими отклонениями в питающей сети. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Источники бесперебойного питания типа Line-Interactive 
  В источниках бесперебойного питания линейно-интерактивного типа (Line-Interactive, иногда Ferroresonant) сочетаются преимущества типа On-line с надежностью и эффективностью резервных (standby). В источниках бесперебойного питания этого типа в отличие от технологии Off-line в прямую цепь включен ступенчатый автоматический регулятор напряжения (booster), построенный на основе автотрансформатора (трансформатор с переключающимися обмотками). В некоторых моделях применяется сетевой стабилизатор напряжения. 
  Инвертор связан с нагрузкой. При работе он питает нагрузку параллельно стабилизированному (conditioned) переменному напряжению сети. Нагрузка подключается полностью лишь в том случае, когда входное напряжение электросети пропадает. 
 
 
 
 
Сеть                         к нагрузке 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Рисунок 6. Схем источника бесперебойного питания Line-Interactive типа 
 
 
  Из-за такого взаимодействия ("interaction") со входным сетевым напряжением данная архитектура и получила свое название. В определенном диапазоне изменения сетевого напряжения, выходное напряжение поддерживается в заданных границах за счет переключения обмоток трансформатора либо стабилизатором. Инвертор как правило работает при низком напряжении, регулирует выходное напряжение и подзарядку аккумуляторов до тех пор, пока не потребуется его включение для полного питания нагрузки при перебоях в электросети. Линейно-интерактивные источники бесперебойного питания нашли наиболее широкое применение в системах защиты компьютерных сетей. 
 
 
  Трансформатор, сделанный по специальной так называемой ferro-технологии, сглаживает скачки напряжения, при этом источник бесперебойного питания реже переключается на работу от аккумуляторной батареи, и следовательно повышается срок службы батареи. Обычно, эти источники бесперебойного питания оборудованы совершенными фильтрами, обеспечивающими защиту от помех различного происхождения. Типовое время переключения в режим питания от аккумуляторов или обратно составляет 2 мс. 
  Конструктивно трансформатор не имеет несколько дополнительных отводов во вторичной обмотке (это может быть автотрансформатор с единственной обмоткой), переключением отводов трансформатора при изменениях входного напряжения управляет контроллер (микропроцессор), поддерживая напряжение на выходе в требуемом диапазоне. Итак, Line-Interactive источник бесперебойного питания работает по принципу управляемого ЛАТРа и действительно реже переключается на батарейное питание при скачках входного напряжения. В этой схеме зарядное устройство конструктивно совмещено с преобразователем. 
  Одним из преимуществ ИБП такого типа является широкий диапазон допустимых входных напряжений. 
  В некоторых линейно-интерактивных моделях есть шунтовая цепь между входом первичной электросети и нагрузкой, такие ИБП называются шунтовыми линейно-интерактивными ИБП (UPS-LIB, Reversible + Bypass). В шунтовом режиме питаемая нагрузка не защищается. При работе с источниками на основе ferro-технологий нужно иметь в виду: 
  • высокое выходное сопротивление источников может угрожать безопасной работе приборов, препятствуя срабатыванию сетевых предохранителей; 
  • возможна нестабильная работа (паразитные колебания) при использовании источников для питания приборов с корректорами коэффициента мощности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Источники бесперебойного питания On-Line типа 
  Технология On-Line позволяет реализовать самый надежный тип источника бесперебойного питания. С выпрямителя (рисунок 7) напряжение сети поступает на преобразователь постоянного напряжения высокого уровня в низкое ПН1, а далее - на преобразователь постоянного напряжения в переменное выходное напряжение (ПН2). Преобразователь ПН2 - инвертор, питание на который поступает как от аккумуляторов, так и от сети через выпрямитель-преобразователь напряжения ПН1, подключенных параллельно: 
  • при нормальном входном переменном напряжении инвертор ПН2 питается от выпрямителя; 
  • при отклонениях в питающей электросети от нормы, входное напряжение для ПН2 снимается с аккумуляторной батареи. 
 
 
 
 
Сеть 
 
 
 
 
 
 
 
Bypass 
 
к нагрузке 
 
 
 
  Рисунок 7. Схем источника бесперебойного питания On-Line типа 
 
 
  В большинстве систем источников бесперебойного питания мощностью до 5 кВА вместо непрерывно подключенного аккумулятора, подключен резервный преобразователь постоянного тока (DC-DC converter), включающийся при сбоях сети и дублирующий шину постоянного тока от низковольтного аккумулятора. 
  Вывод: даже в случае незначительных отклонениях параметров входного напряжения от нормы On-Line устройства обеспечивают на выходе номинальное напряжение в области ±1-3%. Присутствие обходной цепи (bypass) позволяет подключать нагрузку прямо к силовой сети. Качество питания и надежность поставки электроэнергии, предоставляемое устройствами с архитектурой такого типа, существенно выше, чем у предыдущих. 
  Недостатки источников бесперебойного питания On-line типа: невысокий, по сравнению с ранее рассмотренными типами, КПД (85-90%) из-за двойного преобразования (по отношению к Standby и Line-Interactive) и высокая цена. Однако, уровень защиты нагрузки и стабильность выходных параметров ИБП - разумный компромисс между безопасностью, КПД и ценой устройства. Потери в ИБП мощностью в 4000ВА не превышают 380Вт и могут быть несоизмеримыми с той задачей, которую решает подобный источник питания. 
  Новые модификации источников бесперебойного питания 
  Сейчас имеется несколько новых модификаций источников бесперебойного питания: 
  • by-pass; 
  • triple-conversion; 
  • ferrups. 
  Первая модификация (by-pass) как и на рисунке 7 представляет собой дополнительный канал передачи электроэнергии в нагрузку, его наличие позволяет обеспечить высокую надежность устройства. Переключение в режим On-line производится автоматически при отклонении параметров выходной сети от нормы либо же в аварийных условиях работы. Таким образом, этот режим способствует увеличению надежности устройства. Вторая модификация (triple-conversion) содержит корректор коэффициента мощности. В третьей модификации (ferrups) применен феррорезонансный трансформатор, обеспечивающий высокие показатели надежности и широкий диапазон входных напряжений. 
  Новые подходы в построении источников бесперебойного питания основываются на использовании систем с резервируемым питанием, которые обладают более высокой надежностью выходной сети, так что неисправность одного из элементов не ведет к выходу из строя всей системы. Обычно, это модульные системы, сконструированные или по принципу повышения мощности нагрузки, или для повышения надежности системы, или используя оба принципа совместно. 
  Простейшая система имеет в структуре источника бесперебойного питания вспомогательный модуль, "изолированный в горячем дежурном режиме". Имеется несколько вариантов технических решений таких бесперебойников. 
  Первый вариант заключается в применении автоматического переключателя (рисунок 8). Входы одного либо более источников питания подключены к единой сети, а с нагрузкой соединяются через автоматический переключатель. Информация о состоянии работы установок, управляющие команды поступают по каналу связи объединяющему ИБП. 
Сеть 
 
 
 
линия 
 
связи 
 
 
 
 
 
к нагрузке 
 
 
 
  Рисунок 8. Параллельная схема с использованием автоматического переключателя 
 
 
  Второй вариант содержит "распределитель нагрузки" (рисунок 9), равномерно распределяющий нагрузку между отдельными источниками системы. 
 
 
 
 
 
 
Сеть 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
к нагрузке 
 
 
 
  Рисунок 9. Параллельная схема с использованием автоматического переключателя 
 
 
  Третий вариант осуществления параллельной структуры (рисунок 10) использует принцип двухуровневой системы. В этом способе один из модулей "ведущий" управляет распределением нагрузки между другими "ведомыми" модулями. 
Сеть 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
к нагрузке 
 
 
 
  Рисунок 10. Параллельная схема на основе двухуровневой системы Master-Slave 
 
 
  Четвертый вариант, с резервируемой параллельной архитектурой, выглядит наиболее перспективным. В такой схеме (рисунок 11) резервируются не только модули, но и связи между ними, причем при необходимости любой модуль может выполнять функции ведущего. Лишь для такой схемы характерно наращивание мощности, отсутствие шунтовых цепей, при этом гарантируется непрерывная защита нагрузки при помощи ИБП. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  Рисунок 11. Схема резервируемой параллельной системы 
 
 
  Основные технические характеристики источников бесперебойного питания 
  Форма питающего напряжения 
  Важное значение для нагрузки имеет именно эта характеристика источника бесперебойного питания. В режиме работы ИБП от аккумуляторных батарей на нагрузку может поступать выходное переменное напряжение близкое к прямоугольной форме (меандр[2]), из-за сглаживающих свойств фильтров, аппроксимированная синусоида и чистая синусоида. Самая близкая к синусоиде форма выходного напряжения получается применением широтно-импульсной модуляции. Получение синусоиды в качестве питающего напряжения характерно лишь для ИБП On-line и некоторых источников питания Line-Interactive. 
  Мощность 
  Полная либо выходная мощность (output power). Обозначается буквой S, единица измерения - VA или Вольт-Амперы. Является геометрической суммой активной и реактивной мощностей. Параметр рассчитывается как произведение действующих (среднеквадратических) значений тока и напряжения. Её значение указывается изготовителем источника питания. 
  Активная потребляемая нагрузкой мощность. Обозначается буквой P, единица измерения - ватт (Вт). В случаи отсутствия реактивной составляющей в сети, совпадает с полной мощностью. Определяется как произведение полной мощности на косинус угла φ, где φ - угол сдвига фаз векторов линейных напряжения и тока, т.е. P = S • cos(φ). Типичное значение cos(φ) для персональных компьютеров около 0,6-0,7. Эта величина именуется коэффициентом мощности. Очевидно, что для выбора требуемой мощности для источника бесперебойного питания, надо мощность нагрузки в ваттах разделить на величину cos(φ). 
  Реактивная - обозначается буквой Q и рассчитывается как произведение полной мощности S на синус угла φ (Q = S • sin(φ) ). Единица измерения - вольт-ампер реактивный (вар). Характеризует потери в питающих проводах за счет нагружающего их реактивного тока. При cos(φ) = 1 потери отсутствуют, вся мощность вырабатываемая источником питания поступает в нагрузку. Достигают этого за счет использования пассивных компенсирующих устройств или же активной коррекцией коэффициента мощности. 
  Диапазон входного питающего напряжения 
  Диапазон входного питающего напряжения (input voltage) - определяет пределы допустимых значений напряжения в сети, при которых источник бесперебойного питания еще способен поддерживать напряжение на выходе, не переключаясь на питание от аккумуляторов. Для некоторых моделей этот диапазон зависит от нагрузки. 
  К примеру, при 100% нагрузке диапазон входных напряжений может составлять 15-20% от номинального, при 50% нагрузке - этот диапазон составляет 20-27% от номинального, а при 30% нагрузке - 40% номинального. От этого параметра зависит срок службы аккумуляторов, чем шире диапазон, тем дольше прослужат аккумуляторы при прочих равных условиях. 
  Частота входного напряжения 
  Частота входного напряжения (input frequency) - характеризует диапазон отклонения частоты электросети. При нормальных условиях эксплуатации отклонение частоты от номинального значения как правило не превосходит 1 Гц. 
  Коэффициент искажения формы выходного напряжения 
  Коэффициент искажения формы выходного напряжения (total harmonic distortion - THD) характеризует отклонение формы выходного напряжения от синусоиды, измеряется в процентах. Маленькие значения коэффициента соответствуют форме выходного напряжения, приближающейся к синусоидальной. 
  Время переключения режимов 
  Время переключения режимов (transfer time) характеризует инерционность источника бесперебойного питания, для разных источников составляет приблизительно до 2-15 мс. 
  Допустимая нагрузка 
  Допустимая нагрузка (over load) характеризует устойчивость источника бесперебойного питания при перегрузках по мощности, измеряется в процентах по отношению к номинальной мощности. Определяет устойчивость ИБП к нестационарным перегрузкам. 
  Время автономной работы 
  Время автономной работы определяется емкостью аккумуляторной батареи и размером нагрузки. Для типовых источников бесперебойного питания небольшой мощности, питающих персональные компьютеры, оно составляет 5-10 мин. Это время рассчитано на то, чтобы пользователь мог закрыть все работающие приложения с сохранением информации и выключить ПК в нормальном режиме. 
  Крест-фактор 
  Крест-фактор (crest factor) - отношение пикового значения потребляемого тока к среднедействующему. Величина зависит от формы питающего напряжения. 
  Срок службы аккумуляторной батареи 
  Срок службы аккумуляторных батарей составляет 4-5 лет, но реальный сильно зависит от условий эксплуатации: частоты переключений в автономный режим, условий зарядки, окружающей среды. 
 
 
 
 
 
 
  Наличие холодного старта 
  Наличие холодного старта - это возможность включения источника бесперебойного питания при отсутствии напряжения в питающей сети. Такая функция полезна, когда необходимо срочно выполнить какие либо действия независимо от наличия напряжения в электросети. 
 
 
 
  2.2 Аккумуляторные батареи ИБП 
 
 
 
  Анатомия аккумулятора 
  Это вывод уже стал банальностью, но без электричества не было бы, ни отрасли телекоммуникаций, ни информатизации во всем ее нынешнем блеске, а также еще очень большого числа привычных нам вещей. Человечество знакомо с природным электричеством всю свою историю, однако всего лишь чуть более двух веков назад появился первый рукотворный элемент электропитания. Это случилось в марте 1800 года, когда итальянский физик Алессандро Вольта изобрел первую батарейку, получившую название "вольтов столб". Данное изобретение стало толчком к дальнейшему изучению электричества, что буквально в течение нескольких десятилетий привело к его практическому использованию. 
    С момента появления первого аккумулятора принципы его конструкции практически не изменились. Свинцово-кислотные аккумуляторы относятся к категории химических источников электрической энергии многократного использования. Они состоят из двух групп электродов с сепараторами между ними, электролита на основе серной кислоты и корпуса. Накопление электроэнергии в аккумуляторе происходит за счет химической реакции восстановления электродов при его зарядке от внешнего источника. При разряде аккумулятора происходят обратные процессы, благодаря чему он становится источником электрического тока. К достоинствам свинцово-кислотного аккумулятора относят его экономичность по сравнению с другими типами батарей и способность обеспечивать стабильность напряжения при изменении тока нагрузки и температуры окружающей среды. 
  За полтора столетия применения АКБ усилия изобретателей были направлены на совершенствование конструкций и химического состава электродов, а так же на снижение трудозатрат по обслуживанию батарей. С 1970 года стали выпускаться малообслуживаемые АКБ, в которых контроль состояния электролита можно производить раз в 2-3 года, и герметизированные батареи, относящиеся к классу необслуживаемых устройств. Эти аккумуляторы упростили жизнь техническому персоналу узлов связи и повысили надежность работы систем электропитания в целом. 
  Сегодня в ИБП применяются батареи типа VRLA (Valve Regulated Lead Acid), эта аббревиатура обозначает конструктивное исполнение аккумуляторов и переводится как Клапанно-Регулируемые Свинцово-Кислотные. Данный тип батарей часто называют герметизированными необслуживаемыми, в которых практически отсутствует выделение газов (водорода и кислорода), сопровождающих работу любого свинцово-кислотного аккумулятора. Благодаря особенностям конструкции, составу электролита и материалов из которых изготовлены электроды и сепараторы, молекулы газов вновь превращаются в молекулы воды и возвращаются в состав электролита. При нормальных условиях эксплуатации уровень рекомбинации газов превышает 97-99%. Оставшаяся часть газов скапливается внутри корпуса и при превышении определенного уровня давления через клапаны выпускается в атмосферу. По сравнению с классическими АКБ этот уровень выброса настолько мал, что позволяет эксплуатировать герметизированные батареи без систем принудительной вентиляции. 
  Особенностью батарей VRLA является нахождение электролита в связанном состоянии. В настоящее время наибольшее распространение получили два варианта реализации этого состояния. В батареях, созданных по технологии AGM (Absorbed Glass Material) для изготовления сепараторов применяется стекловолоконный пористый материал, который пропитывается электролитом. 
  Аккумуляторы технологии GEL используют гелеобразный электролит, который получается путем добавления силиконового наполнителя. Оба варианта связывания электролита имеют свои плюсы и минусы. Так батареи AGM обеспечивают лучшую рекомбинацию газов, выравнивание температурных неоднородностей внутри корпуса и имеют хорошие динамические характеристики процессов заряда-разряда. Гелиевые АКБ обладают меньшей эффективностью рекомбинации и более требовательны к условиям эксплуатации. Большая плотность электролита по сравнению с AGM снижает динамические характеристики ее работы и накладывает высокие требования к качеству зарядного устройства. 
  Гелиевым аккумуляторам в большей степени свойствен эффект термозаргона, когда при превышении тока заряда температура батареи начинает резко повышаться, что приводит к ее разрушению. Возникновение этого эффекта связывают с малой теплопроводностью гелиевого электролита. В тоже время аккумуляторы технологии GEL лучше переносят режим глубокого разряда и имеют многократно больший ресурс по числу циклов заряда-разряда. 
  Кроме способа связывания электролита, герметизированные АКБ различаются конструктивными вариантами изготовления электродов. Чаще всего они выполняются в виде плоских пластин, которые могут иметь разную толщину, структуру и состав активных материалов. От толщины и геометрии решетки электрода зависит срок службы батареи, число пластин определяет ее динамические характеристики, а состав активных материалов влияет на интенсивность выделения газов и эффективность их рекомбинации. Наряду с плоскими электродами в батареях GEL применяются трубчатые, обладающие большей поверхностью. Корпус герметизированного аккумулятора обычно изготавливается из ударопрочного термостойкого пластика ABS[3], так же выпускаются корпуса батарей пластика, который не поддерживает горение. 
  Ассоциация EUROBAT, объединяющая ведущих европейских производителей аккумуляторных батарей, предложила классификацию, включающую четыре категории АКБ, основанную, в первую очередь, на ожидаемой продолжительности их службы. В категорию высокой целостности (High Integrity) включаются аккумуляторы, которые служат более 10 лет и предназначены для использования в оборудовании на объектах, где необходимо поддержание высшего уровня безопасности. К таким объектам относятся телекоммуникационные центры, атомные электростанции, нефтеперекачивающие комплексы и т.п. 
  Аккумуляторы категории высокой производительности (High Performance) должны служить не менее 10 лет и требования к их характеристикам и надежности чуть ниже предыдущей категории. От пяти до восьми лет должны работать АКБ общего назначения (General Purpose) и от трех до пяти лет стандартные коммерческие (Standart Commercial). Последняя категория батарей наиболее часто применяется в стационарных установках и небольших ИБП. 
  Долговечность работы аккумуляторов оценивается числом возможных циклов заряда-разряда и зависит от конструктивного исполнения, условий ввода в эксплуатацию, условий эксплуатации. Так же на надежность и продолжительность работы очень сильно влияет соблюдение технологических процессов и качество исходного сырья при производстве батарей. 
  Основными характеристиками аккумуляторных батарей являются напряжение на клеммах и номинальная емкость заряда, измеряемая в Ампер-часах (Ач). Герметизированные свинцово-кислотный аккумуляторы обладают достаточно высокими удельными энергетическими характеристиками в расчете на единицу веса или объема (до 40 Втч/кг и 100 Втч/л). 
  Аккумуляторный буфер ИБП 
  Одной из важнейших частей источника бесперебойного питания является буфер аккумуляторных батарей. В зависимости от схемы построения ИБП к этому элементу предъявляются разные требования. В телекоммуникациях наибольшее распространение получили ИБП, которые строятся по принципу двойного преобразования и относятся к категории On-Line. 
  В этих источниках первичное напряжение, поступающее от внешней сети электроснабжения, выпрямляется и понижается до напряжения, необходимого для подзарядки аккумуляторных батарей. Затем постоянное напряжение поступает инвертор, который вновь формирует переменное напряжение с уже эталонными характеристиками. 
  В схеме On-Line между выпрямителем и инвертором всегда располагается аккумуляторный буфер, который не только служит источником питания при полном пропадании входного напряжения, но также позволяет компенсировать временные провалы. Для ИБП двойного преобразования необходимы аккумуляторы, которые способны выдерживать частые, а периодически и глубокие, циклы заряда-разряда. Герметизированные АКБ, особенно выполненные по технологии AGM, плохо переносят глубокий разряд. В них начинается необратимый процесс сульфатации пластин электродов, заметно снижающий ресурс работы батареи. Поэтому для нивелирования глубины разряда в составе аккумуляторного буфера рекомендуется использовать батареи емкостью, заметно превышающую расчетную. 
  Другой проблемой аккумуляторного буфера в ИБП может стать разбалансировка напряжений на его отдельных элементах. В этом случае начинается процесс взаимной перезарядки батарей, что в итоге приводит к полному выходу всей линейки аккумуляторов буфера из строя. Опасность этой проблемы связана с тем, что для самого агрегата ИБП работа буфера очень долго не претерпевает изменений – напряжение на клеммах батарейного буфера остается постоянным. Однако при пропадании первичного питания реальной емкости аккумуляторов может просто не хватить для работы в течение заданного времени. 
  Несмотря на статус необслуживаемой батареи герметизированные аккумуляторы, тем не менее, достаточно требовательны условиям своей эксплуатации. Опыт их применения в нашей стране показывает, что, несмотря на заявляемые производителями сроки службы своих изделий, при использовании АКБ в буферном режиме, реальная продолжительность их работы составляет всего 50-70% этого срока. Зачастую операторы связи, на чьих узлах устанавливаются ИБП, действуют по принципу "авось пронесет" и экономят на нормальной эксплуатации батарей. 
  В качестве одной из самых важных рекомендаций по эксплуатации своих изделий производители АКБ указывают на поддержание постоянной температуры 20 град. в помещении, где установлены батареи. Хорошо известно правило, что увеличение температуры на 10 град. приводит к сокращению срока службы аккумулятора в два раза. 
  Другим требованием, выполнение, которого продлевает жизнь АКБ, является точное поддержание рекомендованного напряжения заряда и его корректировки в зависимости от температуры. Для герметизированных батарей, работающих в буферном режиме, особую опасность представляет повышенное напряжение постоянного подзаряда. Это приводит к избыточному газообразованию, частому срабатыванию клапанов для стравливания лишнего давления и, как следствие, ускоренному высыханию электролита. Пониженное напряжение подзаряда порождает другую проблему – постепенную сульфатацию электродов. 
  Как свидетельствует опыт эксплуатации АКБ в составе ИБП, в буферном режиме быстро проявляются производственные дефекты батарей. При нарушении состава материала электродов и их плохой отливки может происходить преждевременная деградация положительных пластин. Этот дефект довольно быстро приводит аккумулятор в нерабочее состояние. 
  Производители аккумуляторов и их продукция 
  Американская компания C&D Technologies производит аккумуляторы с 20-х годов прошлого столетия и по праву считается одной из самых авторитетных в этой области. В части герметизированных батарей сегодня она предлагает две линейки продуктов, созданных с использованием технологии AGM. Это линейка DYNASTY, представленная батареями с расчетным сроком службы 10 лет, напряжением 6 и 12В с номинальной емкостью от 28 до 208Ач. Другая линейка батарей нового поколения msEndurII так же использует технологию AGM. Входящие в ее состав батареи имеют выходное напряжение 2В и заявляемый срок службы 20 лет. Емкость этих батарей составляет от 345 до 2038Ач. 
  Производство компании CSB Battery расположено на Тайване. Изначально эта компания выпускала необслуживаемые АКБ для ИБП АРС. Сейчас ее продукция расширилась и потеряла моновендорную ориентацию. Для работы в буферном режиме в составе ИБП предлагаются аккумуляторы нескольких серий из которых стоит популярные в России батареи линейки GP, ориентированные на срок службы от 3 до 5 лет и линейки GPL с заявляемым сроком службы более 10 лет. Обе серии имеют в своем составе батареи напряжением 6 и 12В, емкостью до 100Ач. 
  Так же следует упомянуть серии аккумуляторов MSJ, MSV и MU, которые включают батареи напряжением 2В и емкостью от 150 до 1500Ач. Они выполнены по технологии AGM и имеют заявляемый срок службы 15-20 лет. 
  Компания Delta поставляет свои аккумуляторы в Россию с 2003г., производство которых осуществляется на партнерских заводах, расположенных в Китае. Для использования в составе ИБП компания рекомендует серию батарей Delta HR. Эти аккумуляторы относятся к группе AGM и специально разрабатывались для работы в источниках бесперебойного питания. Аккумуляторы выпускаются напряжением 6 и 12 Вольт в диапазоне емкости от 4,5 до 100Ач. 
  Концерн EXIDE Technologies является одним из крупнейший в мире поставщик свинцово-кислотных аккумуляторов различного назначения. Сегодня EXIDE Technologies оценивает свою долю в общемировом производства свинцово-кислотных аккумуляторов более 30,5%. Концерн предлагает широкую номенклатуру аккумуляторов известных под торговыми марками Sonnenschein, Sprinter, Marathon, Absolyte, Tudor, Powerfit. Технологическое направление GEL представлено несколькими линейками торговой марки Sonnenschein. Аккумуляторы этих линеек отличаются конструктивным исполнением и рекомендованной областью применения. Большая часть АКБ Sonnenschein может использоваться в составе телекоммуникационных систем. Эти батареи выпускаются номинальной емкостью от 1,2 до 3500Ач. Батареи других торговых марок изготавливаются с применением технологии AGM. Их емкость лежит в диапазоне от 1,2 до 6000Ач, и срок службы анонсируется от 5 до 20 лет. Значительное число аккумуляторов этих торговых марок так же рекомендуются изготовителем для применения в составе ИБП. 
  Компания FIAMM является одним из самых известных производителей АКБ и владеет 12 заводами, расположенными в Италии, Германии, Франции, Австрии, США, Бразилии и других странах. Основные исследовательские и производственные подразделения фирмы находятся в Италии. 
  Для систем бесперебойного питания компания предлагает пять серий герметизированных аккумуляторов, изготавливаемых по технологии AGM, а так же серию гелиевых аккумуляторов с трубчатыми пластинами. Аккумуляторы серий FG, FGH, FGHL выпускаются на напряжение 6 и 12В, емкостью до 200Ач. Серия SP-ENERLITE представлена батареями емкостью от 26 до 200Ач с напряжением 12В. Аккумуляторы серии FLB-HIGHLITE разработаны на срок службы 10-12 лет по классификации EUROBAT. Эти батареи имеют напряжение 12В и емкость до 135Ач. Гелиевая технология представлена серией SMG, входящие в нее аккумуляторы обладают емкостью от 200 до 3000Ач при напряжении 2В. 
  Компания Oerlikon Stationary Batteries предлагает на отечественном рынке три серии аккумуляторов, которые могут быть использованы в составе ИБП. Это линейка Rackline, включающая батареи напряжением 12В и емкостью от 25 до 165Ач. Аккумуляторы серии Blockline обладают выходным напряжением 2, 4, 6 и 12В и емкостью от 39 до 467Ач. При этом незыблемым остается правило — чем выше выходное напряжение, тем ниже емкость АКБ. При необходимости получения большой емкости аккумуляторного буфера ИБП следует обратить внимание на батареи серии Towerline, которые имеют выходное напряжение 2В при диапазоне номинальной емкости от 552 до 2800Ач. 
  В портфеле продуктов российской компании SSK, которая выпускает аккумуляторы совместно с бельгийской фирмой SSKgroup, присутствуют батареи, предназначенные для использования в составе ИБП. Это аккумуляторы серии GM, включающую модели с выходным напряжением 2В и номинальной емкостью от 100 до 3000Ач, и серии OPzV[4], чьи батареи так же имеют выходное напряжение 2В и обладают емкостью от 200 до 3000Ач. 
  Серия GM выпускается по технологии AGM, а в батареях OPzV применяется технология GEL. Обе серии аккумуляторов разработаны на срок службы 15 лет. 
  Греческая компания Sunlight предлагает несколько линеек моделей аккумуляторов, разработанных для использования в составе ИБП. Батареи серии Sunlight SPa изготавливаются по технологии AGM с выходным напряжением 4, 6 и 12В с номинальной емкостью до 26Ач. Заявляемый срок их службы 5-7 лет. В аккумуляторах Sunlight SPb также используется технология AGM, но они обладают большим сроком службы, до 10 лет. Эти батареи выпускаются напряжением 6 и 12В емкостью от 33 до 200Ач. АКБ серии Sunlight STb отличаются фронтальным расположением клемм подключения и имеют заявляемый срок службы 10 лет. Они выпускаются по технологиям AGM и GEL, имеют выходное напряжение 12В и емкость от 50 до 150Ач. Аккумуляторы линейки Sunlight SVT так же изготавливаются с применением обеих технологий связывания электролита на выходное напряжение 2В и номинальную емкость от 50 до 3850Ач. Срок их службы составляет 12 лет. 
 
 
 
  2.3 Дизель - генераторные установки 
 
 
 
  Принцип работы и особенности дизель-генератора 
  При сжатии в дизельном двигателе топлива происходит возгорание последнего и энергия расширения воспламененных газов преобразуется в механическую энергию путем кривошипно-шатунного механизма, который вращает ротор электрогенератора. При работе ротор создает в статоре электромагнитное поле, которое преобразуется на выходе к потребителю из индукционного тока в переменный. 
  Основные части дизель-генератора: 
  • дизельный двигатель с системами бесперебойной работы: охлаждения, подачи воздуха и топлива; 
  • генератор (альтернатор) для производства переменного тока: асинхронный или синхронный; 
  • станина (рама) с креплениями для дизельного двигателя и генератора с защитными устройствами; 
  • автоматическая система контроля и управления дизель-генератором. 
  Двигатели для дизель-генераторов: 
  • с турбонаддувом, служащим для нагнетания воздуха в дизельный двигатель, используя выхлопные газы; 
  • с турбонаддувом, снабженным устройством для охлаждения нагнетаемого в двигатель воздуха; 
  • без турбонаддува. 
  Генераторы переменного тока 
  Генератор переменного тока преобразует механическую энергию в электрическую. Генераторы бывают асинхронные и синхронные. Дизель-генераторы различают на трехфазные и однофазные, при выборе потребители руководствуются распределением нагрузки или требуемой фазности. В трехфазных дизель-генераторах распределение нагрузки, обычно устанавливается на уровне 25%. 
  Виды дизель-генераторов 
  В соответствии с условиями, в которых будут эксплуатироваться дизель-генераторы, и требованиями заказчика дизель-генераторы различаются на следующие виды: 
  • шумопоглощающее исполнение; 
  • мобильное исполнение на базе полуприцепов, прицепов или самоходных шасси; 
  • стационарное исполнение; 
  • климатическое исполнение (северное, морское и тропическое). 
  Устройство дизель-генератора (дизельной электростанции): 
  • дизельный двигатель; 
  • топливная система; 
  • система шумоподавления; 
  • система выхлопа; 
  • электрогенератор; 
  • приборы системы контроля и автоматики (КИПиА); 
  Современные дизельные двигатели в дизельных электростанциях обычно оснащены турбонаддувом, который снижает расход топлива и повышает мощность двигателя. В камеру сгорания топлива воздух в таких дизельных двигателях нагнетается турбокомпрессором, который приводит в движение выхлопные газы самого двигателя. В зависимости от модификации дизельные двигатели с турбонаддувом могут комплектоваться системой охлаждения (воздушная, водяная) нагнетаемого турбокомпрессором воздуха. 
  Топливная система дизельного двигателя. 
  Основной топливный бак устанавливает на той же станине, что и электростанция. Для дизельных генераторов, служащих источником резервного или аварийного электропитания, основной топливный бак устанавливается отдельно и выше уровня точки подачи топлива в дизельный двигатель. В таких случаях топливо подается в двигатель с помощью дополнительного топливного насоса. 
  Режимы работы дизель-генераторной установки 
  Дизельные электростанции работают в двух режимах: резервном в случаи перебоев с электроснабжении и длительном. Выбор управления дизель-генератором зависит от его режима работы и может быть автоматическим или ручным, последний выбирают при длительной (постоянной) работе дизельной электростанции. При этом режиме необходим постоянный контроль давления масла в дизельном двигателе; температуры и уровня охлаждающей жидкости; числа оборотов генератора; и напряжения в электросети. 
  При резервном автоматическом режиме работы дизель-генераторной установки требуются дополнительные сложные системы контроля и управления электростанцией. 
  Продолжительность работы дизель-генераторной установки 
  Увеличение срока необслуживаемой бесперебойной работы дизельной электростанции достигается двумя способами: организация бесперебойной подачи топлива, масла и охлаждающей жидкости из хранилищ или же увеличение основных топливных и масляных баков дизельного двигателя. 
  Для передвижных дизель-генераторных установок продолжительность работы без обслуживания составляет от 4 до 8 часов. Автономные стационарные и резервные дизельные электростанции способны работать без дополнительного обслуживания до 24 часов. В случае если мощность установки превышает 60 кВт, то автоматическая подача топлива в дизельный двигатель осуществляется из внешних резервуаров. 
  Для более длительной бесперебойной необслуживаемой работе дизель-генераторной установки потребуется установка дорогостоящего дополнительного оборудования, эффект от использования которого не всегда экономически оправдан. 
  Выбор мощности дизель-электрической установки 
  При выборе дизель-генератора следует учитывать нагрузку на него всеми потребителями электроэнергии в сети. Так называемую активную нагрузку дают все бытовые приборы, которые преобразуют электрическую энергию в тепловую: обогреватели, электроплиты, утюги и т.п. Для определения мощности дизельного генератора в данном случае просто суммируется мощность всех вышеперечисленных электрических приборов плюс 10-20% от общей мощности потребления. 
  Если электроэнергия преобразуется не только в тепло, а и расходуется по другому назначению, то таких потребителей называют реактивными. Определяющей реактивность переменной принято считать cosφ, которая показывает, сколько электрической энергии преобразуется в тепловую. При подсчете реального потребления электроэнергии, мощность делят на переменную cosφ. 
  При расчете мощности дизельной электрической установки следует принимать во внимание пусковые токи. Все электродвигатели в момент включения потребляют в несколько раз больше энергии, чем при постоянной работе. Например, потребление электроэнергии у погружного насоса во время пуска увеличивается в 7-9 раз, нежели при работе в штатном режиме. И хотя пусковые токи кратковременны, они способны привести к аварийному отключению дизель-генератора или даже вывести его из строя. 
 
  2.4 Стабилизаторы напряжения 
 
 
 
  Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки. 
  По типу выходного напряжения стабилизаторы делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока. Как правило, тип питания (постоянный либо переменный ток) такой же, как и выходное напряжение, хотя возможны исключения. 
  Линейный стабилизатор 
  Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности Pрасс = (Uin — Uout) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, т. е. должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей. 
  В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся на два типа: 
  Последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой. 
  Параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке. 
  В зависимости от способа стабилизации: 
  Параметрический: в таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, имеющий большую крутизну. 
  Компенсационный: имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента. 
  Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне 
  [pic] 
  Применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке RL. Часто такая схема линейного стабилизатора применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов. 
  Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе 
  [pic] 
  Основными моментами, необходимыми для понимания работы этого стабилизатора, являются: 
  1) Напряжение Ube практически не зависит от величины тока, протекающего через p-n переход и для приборов на основе кремния приблизительно составляет 0,6В. В расчётах схем на биполярных транзисторах чаще всего используют именно такое значение, реже 0,7В. Это напряжение, необходимое для преодоления так называемого потенциального барьера p-n перехода, существующего между областями эмиттера и базы; 
  2) Напряжение Uz практически не зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон и равно напряжению стабилизации стабилитрона. 
  Но выходное напряжение Uout = Uz — Ube. То есть выходное напряжение Uout постоянно и не зависит от тока, протекающего по нагрузке. Можно сказать, что выходное напряжение не зависит от величины нагрузки RL. Изменения входного напряжения Uin, если оно несколько больше ожидаемого выходного напряжения Uout, также не приводят к изменениям выходного напряжения. Вариант объяснения работы этого стабилизатора, начинающийся с предположения об изменении выходного напряжения Uout с последующей компенсацией за счёт изменения тока, не даёт понимания откуда берётся первоначальное изменение Uout. На самом деле незначительные изменения Uout вызваны незначительными изменениями напряжений Ube=0,6В и Uz, вызванными изменениями протекающих через них токов. А причиной изменения токов является изменение величины нагрузки RL + изменение входного напряжения Uin. 
  Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя 
  [pic] 
  Часть выходного напряжения Uout снимаемая с потенциометра R2 сравнивается с опорным напряжением Uz на стабилитроне D1, разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя[1]. Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения Uout подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает. Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается. 
  Импульсный стабилизатор 
  В импульсном стабилизаторе ток от нестабилизированного внешнего источника подаётся на накопитель (обычно дроссель) короткими импульсами; при этом запасается энергия, которая затем высвобождается в нагрузку в виде электрической энергии, но уже с другим напряжением. Стабилизация осуществляется за счёт управления длительностью импульсов и пауз между ними — широтно-импульсной модуляции. Импульсный стабилизатор, по сравнению с линейным, обладает значительно более высоким КПД. Недостатком импульсного стабилизатора является наличие импульсных помех в выходном напряжении. 
  В отличие от линейного стабилизатора, импульсный стабилизатор может преобразовывать входное напряжение произвольным образом (зависит от схемы стабилизатора): 
  Понижающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда ниже входного и имеет ту же полярность. 
  Повышающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда выше входного и имеет ту же полярность. 
  Повышающе-понижающий стабилизатор: выходное напряжение стабилизировано, может быть как выше, так и ниже входного и имеет ту же полярность. Такой стабилизатор применяется в случаях, когда входное напряжение незначительно отличается от требуемого и может изменяться, принимая значение как выше, так и ниже необходимого. 
  Инвертирующий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение имеет обратную полярность относительно входного, абсолютное значение выходного напряжения может быть любым. 
  Стабилизаторы переменного напряжения 
  феррорезонансные стабилизаторы 
  Во времена СССР получили широкое распространение бытовые феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Обычно через них подключали телевизоры. В телевизорах первых поколений применялись сетевые блоки питания с линейными стабилизаторами напряжения (а в некоторые цепи и вовсе питались нестабилизированным напряжением), которые не всегда справлялись с колебаниями напряжения сети, особенно в сельской местности, что требовало предварительной стабилизации напряжения. С появлением телевизоров 4УПИЦТ и УСЦТ, имевших импульсные блоки питания, необходимость в дополнительной стабилизации напряжения сети отпала. 
  Феррорезонансный стабилизатор состоит из двух дросселей: с не насыщаемым сердечником (имеющим магнитный зазор) и насыщенным, а также конденсатора. Особенность ВАХ насыщенного дросселя в том, что напряжение на нём мало изменяется при изменении тока через него. Подбором параметров дросселей и конденсаторов можно обеспечить стабилизацию напряжения при изменении входного напряжения в достаточно широких пределах, но незначительное отклонение частоты питающей сети очень сильно влияло на характеристики стабилизатора. 
  Современные стабилизаторы 
  В настоящее время основными типами стабилизаторов являются: 
  - электродинамические сервоприводные (механические) 
  - статические (электронные переключаемые) 
  - компенсационные (электронные плавные) 
  Модели производятся как в однофазном (220/230В), так и трёхфазном (380/400В) исполнении, мощность их от нескольких сотен ватт до нескольких мегаватт. Трёхфазные модели выпускаются двух модификаций: с независимой регулировкой по каждой фазе или с регулировкой по среднефазному напряжению на входе стабилизатора. 
  Выпускаемые модели также различаются по допустимому диапазону изменения входного напряжения, который может быть, например, таким: ±15%, ±20%, ±25%, ±30%, -25%/+15%, -35%/+15% или -45%/+15%. Чем шире диапазон (особенно в отрицательную сторону), тем больше габариты стабилизатора и выше его стоимость при той же выходной мощности. 
  Важной характеристикой стабилизатора напряжения является его быстродействие, то есть чем выше быстродействие, тем быстрее стабилизатор отреагирует на изменения входного напряжения. Быстродействие это промежуток времени (миллисекунды) за которое стабилизатор способен изменить напряжение на один вольт. У разного типа стабилизаторов разная скорость быстродействия, например у электродинамических быстродействие 12...18мс/В, статические стабилизаторы обеспечат 2мс/В, а вот у электронных, компенсационного типа этот параметр 0,75мс/В. 
  Ещё одним важным параметром является точность стабилизации выходного напряжения. Согласно ГОСТ 13109-97[5] предельно допустимое отклонение напряжения питания ±10% от номинального. Точность современных стабилизаторов напряжения колеблется в диапазоне от 2% до 8%. Точности в 8% вполне хватает для обеспечения исправной работы абсолютного большинства бытовой и промышленной электротехники. Более жесткие требования (2-3%) обычно предъявляются для питания сложного оборудования (медицинское, высокотехнологичное и подобное). Важным потребительским параметром является способность сохранения заявленных параметров при перегрузках по мощности. 
 
 
 
  Заключение 
 
  Раньше системы гарантированного энергоснабжения устанавливали в основном банки. Руководители производств, полагавшие, что резервное энергоснабжение — излишняя предосторожность, изменили отношение к энергозащите и сегодня устанавливают энергозащитные комплексы. Это касается, например, пищевой промышленности, производителей табачных и кондитерских изделий, а также металлургов, химиков и машиностроителей. 
  Спрос на энергозащитную технику подогревает реконструкция предприятий. Чтобы быть эффективным, реконструированное производство оснащается современным точным оборудованием и становится весьма и весьма чувствительным к непостоянству тока из розетки. Технологические процессы контролируются компьютерными системами, и даже полусекундный провал напряжения в сети грозит сбоем и тоннами испорченного сырья. 
  Падение сетевого напряжения на 25% вызовет ошибки в памяти компьютера, искажение данных и, наконец, отключение оборудования. На изменения частоты плохо реагирует компьютерная сеть и коммуникационное оборудование. Кроме того, скачки напряжения способствуют пробоям изоляции и пожару. Микроволновые печи и радиотелефоны наводят высокочастотные шумы в силовой сети, что ведет ко все тем же неприятностям. 
  Сетевые фильтры и стабилизаторы напряжения помогают далеко не во всех ситуациях. Фильтры защищают от высокочастотного шума, стабилизаторы — от скачков напряжения, но эти устройства не в состоянии справиться с частотными колебаниями и ничем не помогут, если напряжение будет ниже нормы. 
  Создать полный комплекс энергозащиты без ИБП невозможно. Они спасают не только от полных провалов напряжения, но и от помех помельче — кратковременных (от 0,01 до 3 с) пропаданий тока и скачков напряжения и частоты. Точные автоматизированные и компьютеризированные производства при такой грязи в сети вынуждены использовать стабилизирующие и энергозащитные приборы уже в качестве постоянного штатного, а не запасного аварийного варианта. 
  В результате выполнения ВКР были решены следующие задачи: 
    1. Рассмотрены системы бесперебойного электроснабжения. 
    2. Изучены системы гарантированного электроснабжения. 
    3. Исследованы составные элементы комплексов энергозащиты информационных систем такие как: 
  - источники бесперебойного питания; 
  - аккумуляторные батареи ИБП; 
  - дизель-генераторные установки; 
  - стабилизаторы напряжения. 
 
 
 
  Глоссарий 
 
|№ п/п     |Понятие                               |Определение                                                                                     | 
|           |Система гарантированного             |объединенный единой схемой набор устройств, предназначенных для обеспечения электропитания     | 
|           |электроснабжения                     |потребителя с заданными показателями качества и надежности                                     | 
|           |Грозозащита                           |комплекс мероприятий и средств, обеспечивающих защиту от высоковольтных импульсов               | 
|           |Крест-фактор                         |отношение пикового значения потребляемого тока к среднедействующему                             | 
|           |Наличие холодного старта             |возможность включения источника бесперебойного питания при отсутствии напряжения в питающей     | 
|           |                                     |сети                                                                                           | 
|           |Стабилизатор напряжения               |преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в| 
|           |                                     |заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления       | 
|           |                                     |нагрузки                                                                                       | 
|           |Источник бесперебойного питания (ИБП)|устройство, предназначенное для защиты различного типа оборудования, требующего высокого       | 
|           |                                     |качества электроснабжения                                                                       | 
|           |ДГУ (дизель генераторная установка)   |дизель генератор или сварочный генератор бензиновый. ДГУ используется как резервный источник   | 
|           |                                     |питания, автоматически запускающийся в случае пропадания электрической энергии, получаемой от   | 
|           |                                     |основной сети.                                                                                 | 
|           |Заземление                           |устройство для электрического соединения с землёй аппаратов, машин, приборов и т.п.             | 
|           |Сетевые фильтры                       |устройства, способные подавлять помехи радиочастотного диапазона, наложенные на основную кривую| 
|           |                                     |питающего напряжения, ведущие к ошибкам в обработке и передаче данных                           | 
|           |Гальваническая развязка               |передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта между ними| 
|           |Фильтр гармоник тока                 |это фильтрокомпенсирующее устройство, состоящее из шкафа, однофазных реакторов и блоков         | 
|           |                                     |конденсаторов, расположенных внутри защитного ограждения                                       | 
|           |Оборудование для утилизации тепла     |основной элемент когенерационных установок на базе двигателей внутреннего сгорания.             | 
|           |Линейный стабилизатор                 |представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное)       | 
|           |                                     |напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя       | 
|           |Импульсный стабилизатор напряжения   |стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме, то есть     | 
|           |                                     |большую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, | 
|           |                                     |либо в режиме насыщения — с минимальным сопротивлением.                                         | 
|           |Феррорезонансный стабилизатор         |это очень простое устройство, которое состоит из двух и более катушек проволоки, намотанных на | 
|           |                                     |металлические стержни и одного или нескольких больших конденсаторов, и работает на основе       | 
|           |                                     |принципа феррорезонанса                                                                         | 
 
 
  Список использованных источников 
 
|           |А. Лоза, Энергозащитные комплексы для информационных систем                                                                             | 
|           |«Журнал сетевых решений/LAN» , № 11, 2003                                                                                               | 
|           |Д.П. Кучеров. Источники питания ПК и периферии. - СПб.: Наука и Техника, 2005                                                           | 
|           |Алексей Полунин. Аккумуляторы для ИБП                                                                                                   | 
|           |В.В. Китаев. Электропитание устройств связи. — М.: Связь, 1975                                                                           | 
|           |Костиков В.Г. Парфенов Е.М. Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для ВУЗов.| 
|           |— 2. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001.                                                                                               | 
|           |Штильман В. И. Микроэлектронные стабилизаторы напряжения. — Киев: Технiка, 1976.                                                         | 
|           |А. Шереметьев, Источники бесперебойного питания. – Компьютер Пресс. 1997. № 9.                                                           | 
|           |Богдан Бирук, Олег Лялько. Сети и телекоммуникации 3.2001 "Энергетика в связи"                                                           | 
|           |Гончаров, А. Источники бесперебойного электропитания для построения отказоустойчивых систем                                             | 
|           |Плоткин, И. Как продлить жизнь аккумуляторных батарей в источниках бесперебойного питания                                               | 
|           |Воробьев, А. Ю. Параметры ИБП и их сравнительный анализ                                                                                 | 
|           |Барсков, А. Г. ИБП:тенденции и новинки                                                                                                   | 
|           |Воробьев, А. Ю. Классификация источников бесперебойного питания                                                                         | 
|           |Кузькин, В. Системы бесперебойного электропитания постоянным током                                                                       | 
|           |Бушуев, В. М. Универсальное устройство бесперебойного электропитания                                                                     | 
|           |Плоткин, И. Унифицированный ряд источников бесперебойного питания промышленного и специального назначения                               | 
|           |Бушуев, В. М. Установки бесперебойного питания постоянным током для аппаратуры связи                                                     | 
|           |Жилкина, Н. ИБП в промышленном исполнении                                                                                               | 
|           |Резников, С. Системы бесперебойного питания на базе обратимых непосредственных циклоконвертеров                                         | 
|           |Ездаков, А. Защита энергоснабжения коммуникаций                                                                                         | 
|           |Кислый, В. Переключатели для источников бесперебойного питания                                                                           | 
|           |Очеретяный, С.В. Риски в системах электропитания                                                                                         | 
|           |Авдуевский, А. Заводи мотор. Дизель-генераторы как часть систем гарантированного электропитания                                         | 
|           |Денисов, О. Источники бесперебойного питания для персональных компьютеров                                                               | 
|           |Андрющенко, И.В. Резервирование в централизованных системах бесперебойного питания                                                       | 
|           |Местечкина, Г. Интеллектуальные источники питания                                                                                       | 
|           |Шеин, В. Ю. Автономные источники электроэнергии для удаленных объектов связи                                                             | 
|           |Кривандин, С. Источники питания для устройств и систем автоматизации зданий                                                             | 
|           |Чекстер, О. П. Источники электроэнергии для питания средств связи                                                                       | 
 
 
  Список сокращений 
 
  СГЭ – Система гарантированного энергоснабжения 
  ИБП – Источник бесперебойного питания 
  АВР – Аппаратура автоматического ввода резерва 
  ИТ – Информационные технологии 
  АБ – Аккумуляторные батареи 
  ДЭС – Дизельная электростанция 
  ПО – Программное обеспечение 
  Ки – Коэффициент использования 
  ПУЭ – Правила устройства электроустановок 
  АБП – Агрегат бесперебойного питания 
  ФСУ – Фильтро-симметирующее устройство 
 
 
 
  Приложения 
 
|А       |[pic]                                                                                                                                   | 
|         |Схема ИБП                                                                                                                               | 
|Б       |[pic]                                                                                                                                   | 
|         |Схема заземления компьютерной техники                                                                                                   | 
 
 
  ----------------------- 
[1] стандарт качества электропитания 
[2] мотив орнамента геометрического стиля, образуемый ломаной под прямым углом линией либо спиральными завитками 
[3] Антиблокировочная система 
[4] OPzV - элементы фирмы BАЕ относятся к силовым герметизированным необслуживаемым свинцово - кислотным батареям длительного срока службы с панцирными положительными пластинами и гелевым электролитом. 
[5] Стандарт устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии (КЭ) в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения 
 
----------------------- 
 
 
Фильтр 
 
Инвертор 
 
Батарея 
 
Выпря - митель 
 
 
 
Активный фильтр 
 
Трансформатор с переключаю-щимися обмотками 
 
Инвертор 
 
Батарея 
 
Выпря - митель 
 
Выпрямитель 
 
Преобразователь напряжения ПН2 
 
Преобразователь напряжения ПН1 
 
Переключатель 
 
Аккумуляторная батарея 
 
АП 
 
ИБП 2 
 
ИБП 1 
 
ИБП 2 
 
ИБП 1 
 
Распределитель нагрузки 
 
Slave 
2-й уровень ИБП 4 
 
 
Slave 
2-й уровень ИБП 3 
 
 
Slave 
2-й уровень ИБП 2 
 
1-й уровень (Master) ИБП 1 
 
Slave 
ИБП 
№ 5 
 
 
Slave 
ИБП 
№ 4 
 
 
Slave 
ИБП 
№ 3 
 
 
Slave 
ИБП 
№ 2 
 
ИБП 
Master 
№ 1