Семь типовых проблем электропитания

Автор Сообщение
#1 / 20.11.2018 07:22
admin

Источник многих загадочных неисправностей оборудования, простоев, случаев повреждения программного обеспечения и данных, таится в неисправностях электропитания. Дополнительная проблема — отсутствие стандартного способа описания таких неисправностей. Настоящая статья посвящена наиболее распространенным типам отклонений параметров электропитания от нормы, их причинам, возможным последствиям для ответственного оборудования и способам защиты последнего. Используется и поясняется стандартизованная IEEE-терминология.

Введение

Наш мир с его высокими технологиями давно уже попал в глубокую зависимость от качества электроснабжения. В большинстве стран мира существуют общенациональные электросети, объединяющие всю совокупность генерирующих мощностей и нагрузок. Такая сеть обеспечивает работу бытовых электроприборов, систем освещения, отопления, холодильной техники, средств кондиционирования воздуха и транспорта, а также функционирование государственного аппарата, промышленности, финансовой сферы, торговли, медицинских услуг и коммунальных служб по всей стране. Без этой коммунальной услуги, современный мир просто не смог бы жить в своем нынешнем темпе. Сложные технологические усовершенствования прочно пустили корни в нашем быту и на работе, а с пришествием электронной торговли начался процесс непрерывной трансформации способа взаимодействия отдельных людей с остальным миром.

Но достижениям интеллектуальных технологий необходимо бесперебойное электропитание, параметры которого в точности соответствуют установленным стандартам. Последствия крупномасштабных инцидентов с электроснабжением могут быть весьма серьезны, о чем имеются документальные свидетельства. Недавно в США было проведено исследование, которое показало, что перебои электропитания обходятся производственным предприятиям и компаниям, занимающимся цифровым бизнесом, в 45,7 млрд. долл. в год. А совокупно по всем секторам экономики диапазон оценок составляет от 104 до 164 млрд. долл., не считая еще 15-24 млрд. долл. из-за других неисправностей электропитания. В сфере автоматизированного производства целые производственные линии могут выходить из-под контроля, создавая угрозы для персонала и отправляя в отходы огромные объемы материалов. Каждая минута простоя вычислительных систем крупной финансовой корпорации может стоить нескольких тысяч долларов, и это только невосполнимые потери, без учета многочасовых усилий по восстановлению в дальнейшем. Устранение повреждений программного обеспечения и данных, вызванных перебоями электроснабжения, могут требовать недель.

Причины многих проблем электропитания коренятся в недостатках сетей энергоснабжения. Тысячи километров воздушных линий электропередач ставят их функционирование в зависимость от погодных условий, — таких как ураганы, грозы, снег, обледенение и наводнения. Свою лепту вносят отказы оборудования, транспортные аварии и необходимые переключения больших мощностей. Кроме того, неисправности электропитания, оказывающие отрицательное влияние на работу современного высокотехнологического оборудования, могут возникать и по ряду местных причин, включая строительные работы, большие пусковые токи другого оборудования, неисправности распределительной аппаратуры и даже шумы и помехи в электросети.

Как выглядит электричество?

Электричество в настенной розетке является примером физического явления электромагнетизма. Это незаметный и «неограниченный» источник энергии, которая генерируется на электростанциях, преобразуется трансформаторами и доставляется потребителям за сотни километров в форме переменного тока. Понять, почему параметры качества простого питания переменного тока так важны для сложных систем, от которых зависит столь многое в нашей жизни, помогает визуализация электроэнергии с помощью осциллографа. В совершенном мире напряжение в электросети должно иметь форму гладкой и симметричной синусоиды, насчитывающей (в зависимости от принятого в конкретной местности стандарта) 50 либо 60 периодов на секундном отрезке, — такой как на экране осциллографа на рис. 1.

DD8QKTng2yA.jpg

Рисунок 1. Синусоида на экране осциллографа
Как можно видеть, величина напряжения меняется по синусоиде от положительного высшего до отрицательного низшего значения 50 раз в секунду. Изменение амплитуды этой волны, ее формы, нарушение симметрии, изменение частоты, появление зубцов, впадин, ряби, отдельных импульсов или пропадание напряжения (каким бы кратковременным оно ни было) — все это различные виды отклонений параметров от нормы.

Производители электроэнергии и потребители на сегодняшний день не имеют единой терминологии для описания отклонений параметров электропитания от нормы. Например, «всплеском» могут называть и сравнительно продолжительное умеренное повышение напряжения, возникающее, например, при отключении мощной нагрузки, и импульс очень большой амплитуды, длящийся от нескольких микросекунд до миллисекунд (такие импульсы возникают при ударе молнии и коммутационных операциях с искрением и образованием дуги).

Стандарт IEEE Standard 1100-1999 устраняет разнобой в терминологии, исключая использование в технической и справочной документации множества распространенных терминов в области качества электропитания как избыточных и неточно соответствующих характеру описываемого явления. Еще один стандарт в этой области — IEEE Standard 1159-1995. Способность квалифицированно обсуждать вопросы качества электропитания, например, четко проводить различие между перебоем и колебательным переходным процессом, исключительно важна при принятии решения о закупке средств защиты от его неисправностей. Недостаток взаимного понимания может дорого обойтись — это лишние простои, дополнительные трудозатраты и даже поломки оборудования.

Отклонения параметров электропитания от нормы, описанные в стандартах IEEE, поделены в этой статье на семь категорий, по признаку формы напряжения:

1. Переходные процессы.
2. Перебои.

3. Провалы напряжения/ просадки напряжения.

4. Всплески напряжения/ перенапряжения.

5. Искажения формы напряжения.

6. Флуктуации напряжения.

7. Изменение частоты.

Ниже дается описание каждой категории с графиками напряжения, иллюстрирующими различия между видами отклонений параметров электропитания от нормы.

В рамках этого потенциально наиболее опасного вида отклонений параметров электропитания от нормы можно выделить две подкатегории:

1. Импульсные переходные процессы.
2. Колебательные переходные процессы.

Импульсные переходные процессы

Импульсный переходный процесс представляет собой внезапное резкое изменение напряжения или силы тока, которое может быть положительным или отрицательным по знаку. События этого типа можно далее классифицировать по продолжительности. Они могут протекать очень быстро (со временем нарастания от стационарного состояния до пика не более 5 наносекунд [нс]) или несколько медленнее (до 50 нс).

Примечание:

1000 нс = 1 мкс; 1000 мкс = 1 мс; 1000 мс = 1 с

На рис. 2 представлен пример импульсного переходного процесса, вызванного электростатическим разрядом (ЭСР).

ZynHjzTAEy4.jpg

Рисунок 2. импульсный переходный процесс
Именно импульсный переходный процесс чаще всего подразумевается под такими выражениями, как импульс напряжения, выброс тока и многие другие.

Причиной возникновения импульсных переходных процессов могут являться удары молнии, неисправности контура заземления, коммутация индуктивных нагрузок, срабатывания защитной автоматики в электросети. А их последствия могут лежать в диапазоне от потери (или повреждения) данных до физического повреждения оборудования. Из перечисленных случаев, наибольший ущерб, по всей вероятности, связан с ударами молнии.

Диагностика удара молнии не представляет сложности — грозу трудно не заметить. Выделение энергии в количестве, достаточном для освещения ночного неба, безусловно, представляет опасность для чувствительного оборудования. И не только в случае «прямого попадания». Опасны также и токи, наводимые порожденными молнией электромагнитными полями (см. рис. 3).

b7ImqebQoLw.jpg

Рисунок 3. Электромагнитное поле пораженное ударом молнии
В борьбе с импульсными переходными процессами, наибольший эффект дает устранение условий возникновения ЭСР и применение устройств подавления всплесков напряжения.

Если человеку, выскочившая из пальца искра электростатического разряда особого вреда причинить не может, то системную плату компьютера такой разряд способен вывести из строя навеки. В вычислительных центрах, мастерских и иных помещениях, где люди контактируют с электроникой, необходимо принимать меры предотвращения ЭСР. Так, почти во всех грамотно устроенных ЦОДах применяется кондиционирование воздуха, включая поддержание на определенном уровне не только его температуры, но и влажности. При относительной влажности 40-55 % опасность возникновения ЭСР значительно уменьшается. О значении этого параметра можно судить по такому жизненному примеру: зимой, когда воздух в помещении очень сухой, достаточно немного пройтись по ковровому покрытию в одних носках, не отрывая ног от пола, чтобы при касании металлической дверной ручки, между нею и пальцами проскочила неожиданная искра. Еще одна мера, широко применяемая в местах работы с печатными платами, например, в небольших мастерских по ремонту компьютеров — антистатическое заземление. На рабочих местах устанавливаются заземляющие браслеты, антистатические коврики и настольные покрытия, персонал носит антистатическую обувь. Большая часть оборудования соединяется проводами с системой заземления здания. (Его основная задача состоит в защите от поражения людей электрическим током, но оно же может использоваться и как безопасный путь для стекания статических зарядов.)

Устройства подавления всплесков напряжения широко применяются уже многие годы. Их по-прежнему можно встретить и на сооружениях электросети, и на крупных производственных объектах или вычислительных центрах, и на малых предприятиях, и в домах; характеристики такого оборудования постоянно повышаются с совершенствованием технологии металлооксидных варисторов (МОВ). Металлооксидные варисторы (МОВ) обеспечивают последовательное подавление импульсных переходных процессов и вообще повышений напряжения различной продолжительности. Они могут применяться в сочетании с тепловыми защитными устройствами, включая автоматические предохранители, термисторы, а также с другими защитными компонентами, такими как газовые разрядники и тиристоры. В некоторых случаях, устройства подавления всплесков напряжения, встраиваются в электрооборудование, например, в блоки питания ПК. Однако чаще они используются в составе автономных устройств защиты или ИБП, обеспечивающих резервное питание от батарей в случае перебоев электроснабжения (или выхода параметров электросети за допустимые рамки).

Сочетание устройств подавления всплесков напряжения с ИБП — наиболее эффективный метод защиты электронного оборудования от отклонений параметров электропитания от нормы. При этом ввод электросети на объект оборудуется устройствами защиты из расчета энергии возможного импульса. Распределительные щиты и само защищаемое оборудование оснащается устройствами, которые ограничивают величину напряжения безопасным уровнем. Особое внимание необходимо уделять номинальному напряжению и рассеиваемой мощности таких устройств, а также обеспечению эффективности их совместного функционирования. Кроме того, существенное значение имеет безопасность выбранной схемы в случае отказа варистора. При всех своих достоинствах, эти компоненты теряют свойства со временем и могут быть выведены из строя импульсом напряжения, энергия которого превышает номинал. В случае отказа МОВ, схема должна обеспечивать отключение защищаемого оборудования от электросети прежде, чем его достигнет опасная аномалия питания.

Колебательные переходные процессы

Колебательный переходный процесс представляет собой внезапное отклонение показателей напряжения и/или силы тока от стабильного состояния в обе стороны с собственной частотой системы. Проще говоря, такой процесс состоит в быстром многократном нарастании и спаде напряжения. Обычно колебательные переходные процессы затухают в течение одного периода сетевого напряжения (самозатухающие колебания).

Переходные процессы этого рода, возникают при отключении индуктивной или емкостной нагрузки, такой как электродвигатель или конденсаторная батарея. Это результат сопротивления системы происходящим изменениям. При выключении работающего электродвигателя он превращается на какое-то время в генератор, выдающий в электросеть дополнительную энергию. Обладая значительной длиной, распределенной емкостью и индуктивностью, распределительная сеть работает при подключении к источнику напряжения или отключении от него как вибратор, в котором возникают быстро затухающие колебания.

При возникновении колебательных переходных процессов в находящейся под напряжением сети, обычно вследствие различных переключений в системе энергоснабжения, особенно при автоматическом подключении батарей конденсаторов, они могут оказывать весьма значительное отрицательное влияние на работу электронного оборудования. На рис. 4 представлен типичный низкочастотный колебательный переходный процесс, обусловленный подключением батареи конденсаторов.

XrYtkygteH4.jpg

Рисунок 4. Колебательный переходный процесс
Из проблем, связанных с переходными процессами при коммутации емкостных нагрузок, наиболее широко известно, срабатывание защиты электродвигателей с управляемой частотой вращения. Сравнительно низкочастотные колебательные переходные процессы приводят к повышению управляющего постоянного напряжения и автоматическому отключению по перенапряжению.

Распространенный способ решения этой проблемы — установка дросселей (фильтров), понижающих амплитуду колебаний до приемлемого уровня. Большинство двигателей с управляемой частотой вращения стандартно комплектуются такими фильтрами, которые могут устанавливаться перед двигателем либо в управляющей цепи постоянного тока.

Другое возможное решение — подключение батарей конденсаторов через статические выключатели, которые осуществляют переключение в момент прохождения синусоиды напряжения через нулевой уровень (см. рис. 5). Размах колебаний, вызванных подключением конденсатора, тем больше, чем выше мгновенное напряжение в момент коммутации. Статический выключатель решает проблему переходного процесса, отслеживая форму напряжения для выполнения переключения как можно ближе по времени к моменту перехода напряжения через ноль.

mhf4c4lhzOg.jpg

Рисунок 5. Переход напряжения через ноль
Конечно, применение ИБП и устройств защиты от перенапряжения также способствует уменьшению ущерба от колебательных переходных процессов, в особенности в отношении аппаратуры обработки данных, такой как объединенные в вычислительные сети компьютеры. Однако их защита не распространяется на переходные процессы, возникающие внутри защищаемой сети, минимизировать которые позволяет оснащение производственных станков, их систем управления и другого специализированного оборудования статическими выключателями и/или дроссельными устройствами.

Перебой электропитания определяется как полное отсутствие напряжения в сети или тока через нагрузку (см. рис. 6). Различают перебои:

малой длительности: 0,5–30 периодов;

средней длительности: от 30 периодов до 2 секунд;

большой длительности: от 2 секунд до 2 минут;

продолжительные: более 2 минут.

BLAHufs1p8c.jpg

Рисунок 6. Перебой электропитания малой длительности
Причины перебоев могут быть различны, но обычно речь идет о повреждении электросети того или иного рода, включая удар молнии, попадание в провода различных животных, падение деревьев, дорожно-транспортные происшествия, неблагоприятные погодные явления (сильный ветер, налипание снега и льда на провода ЛЭП и т.п.), отказе оборудования или срабатывании предохранителей. Хотя в инфраструктуре электросетей предусматриваются меры автоматического реагирования в подобных ситуациях, абсолютной защиты они не обеспечивают.

Один из наиболее частых источников перебоев питания в электросети — защитное оборудование, такое как автоматы повторного включения. Они определяют продолжительность большинства перебоев питания, в зависимости от характера неисправности. Автоматы повторного включения осуществляют мониторинг силы тока и при ее возрастании из-за короткого замыкания отключают напряжение. Спустя заданное время напряжение снова включается — с тем, чтобы попытаться выжечь замыкающий проводник (которым нередко оказывается ветка дерева или небольшое животное, оказавшееся в проводах).

Если у вас дома когда-либо пропадало все электричество (сразу и в лампочках и в розетках), а спустя несколько секунд, его подача возобновлялась, то это, скорее всего, и был перебой, связанный с работой автоматики повторного включения.

Перебой электропитания, будь то малой, средней, большой длительности или продолжительный, способен повлечь за собой нарушения работы, повреждения и простои, не важно, идет ли речь о бытовом потребителе или промышленном. Пользователь домашнего компьютера или небольшое предприятие может утратить при обесточивании оборудования ценные данные или продукцию. Потери промышленного потребителя электроэнергии из-за перебоев в ее подаче, вероятно, окажутся более серьезными. Многие производственные процессы требуют постоянного движения определенных механических узлов. Их остановка может привести к повреждению оборудования, гибели продукции и издержкам, связанным с простоем, устранением его последствий и перезапуском производства. Например, в прядильном производстве из-за перебоя электропитания средней длительности процесс прядения может «разорваться», с превращением значительного количества сырья в отходы и возникновением продолжительного простоя. Для получения нити требуемого типа и качества необходима подача ровницы с определенной постоянной скоростью. После сбоя необходимо удалить из прядильной машины брак и заново заправить и натянуть нити. Нетрудно представить, сколько это требует времени и сил. Кроме того, чего-то стоит и загубленный материал. Решения для борьбы с перебоями отличаются разнообразием, как в эффективности, так и в цене. В первую очередь, необходимо принять меры к исключению или снижению риска возникновения неисправностей. Грамотное проектирование и надлежащее обслуживание коммунальных систем, безусловно, необходимы. Это относится и к собственным электросетям промышленных потребителей, которые зачастую бывают не менее масштабными и уязвимыми.

Следующим пунктом идет применение дополнительных методов проектирования и оснащения, позволяющих продолжать работу в отсутствие напряжения в электросети или возобновлять ее после либо, в процессе перебоя. Наиболее широко в этих целях применяются источники бесперебойного питания (ИБП) и генераторы, а также другие методы резервирования электрооборудования и накопления энергии. При отключении электросети, питание подается от этих альтернативных источников энергии. Иллюстрацией описанного подхода может служить ноутбук: во время работы от электросети часть получаемой из нее энергии запасается в его внутренней батарее для использования в автономном режиме. Благодаря последним достижениям в области коммутации переключение потребителя на резервный накопитель энергии занимает менее полупериода частоты питающего напряжения.

Термин «продолжительный перебой» относится к ситуации, когда характер неисправности не позволяет возобновить подачу энергии автоматически — необходимо вмешательство человека. Более часто применяемый термин «авария» менее точен. Он скорее применим к состоянию, когда некоторый компонент системы не функционирует надлежащим образом (см. IEEE Std 100-1992).

Если напряжение в сети отсутствует более двух минут, скорее всего, не будет ошибкой считать, что имеет место продолжительный перебой и вскоре прибудет аварийная бригада для ремонта линии.

Провал напряжения

Провал напряжения (рис. 7) представляет собой уменьшение амплитуды напряжения переменного тока, длящееся от 0,5 периода до 1 минуты, при сохранении номинальной частоты. В числе возможных причин — неисправности системы, а также большие пусковые токи некоторых нагрузок.

fjNsc0Qq50w.jpg

Рисунок 7. Провал напряжения
Провалы напряжения часто возникают из-за мощных нагрузок, например, при первом включении мощного кондиционера воздуха или как побочный эффект автоматических процедур устранения неисправностей в электросети. Так, на производственном объекте чаще всего это может быть включение мощного электродвигателя: в пусковом режиме, сила тока электрического двигателя нередко превышает номинальное значение тока в шесть и более раз. Такое резкое и значительное увеличение нагрузки на сеть, способно вызвать существенный провал напряжения на всем протяжении электрической сети. Представьте себе, что кто-то разом открыл все краны в доме, когда вы принимаете душ. Скорее всего, вода станет значительно холоднее, а ее напор резко уменьшится. Проблему можно решить установкой дополнительного нагревателя, специально для снабжения горячей водой душа. Аналогичное решение существует и для электросетей. Подача питания в нагрузку с высоким пусковым током по выделенной линии, возможно, наиболее эффективный выход из положения; однако он не всегда физически реализуем или экономически оправдан, в особенности, если таких нагрузок много. В числе других вариантов — применение устройств, разгружающих электрическую инфраструктуру в процессе пуска электродвигателя. Например, обеспечивающих пуск при пониженном напряжении: с использованием автотрансформаторов или переключателей конфигураций звезда / треугольник. Существуют также электронные устройства, уменьшающие провал напряжения в момент пуска электрического двигателя. В последнее время, в производственном оборудовании все шире применяются электродвигатели с управляемой частотой вращения. Они позволяют добиваться повышения эффективности и экономичности, и, кроме того, позволяют снизить пусковые токи.

Как уже говорилось, одним из источников неприятностей для конечных пользователей являются стандартные процедуры автоматического устранения неисправностей в электросети. Не всегда эти неприятности принимают форму перебоя. Если неисправность удается быстро устранить, или она исчезает сама, дело может ограничиться просто провалом напряжения. Во многих случаях против провалов напряжения могут применяться те же средства, что и против перебоев: ИБП, генераторы и специальные приемы проектирования. Необходимо, однако, помнить, что некоторые отрицательные последствия этой неисправности проявляются только со временем (повреждение оборудования и данных, нарушения в производственных процессах).

Некоторые электрические компании предлагают своим клиентам дополнительную услугу анализа ситуации с провалами напряжения, но пока этот сервис находится лишь на начальной стадии развития. Анализ может проводиться с точки зрения допустимых и недопустимых условий работы оборудования. По мере проведения исследований и выявления слабых мест, информация собирается, анализируется и доводится до сведения производителей, которые могут использовать ее для совершенствования оборудования с точки зрения устойчивости к неблагоприятным условиям в электросетях.

Просадка напряжения

Просадка напряжения в сети (рис. 8) может вызываться теми же причинами, что и провалы, но действующими более продолжительное время. Раньше чаще применялся термин «пониженное напряжение», за которым лучше оставить только его другое значение: намеренное снижение напряжения в коммерческой электросети в периоды повышенного потребления. Просадка напряжения может вести к перегреву электродвигателей и отказу нелинейных нагрузок, таких как блоки питания компьютеров. Решается проблема аналогично, случаю с провалами напряжения. Практически важно, что применение для борьбы с этой неисправностью электропитания, ИБП с функцией корректировки напряжения сети без перехода на аккумуляторы обеспечивает более длительный срок службы батарей. Постоянная просадка напряжения может свидетельствовать о серьезной неисправности оборудования, неправильной конфигурации или о необходимости увеличить мощность подключения к электросети.

iCe8GpcN7e8.jpg

Рисунок 8. Просадка напряжения
Всплески напряжения (рисунок 9) является обратной формой просадки напряжения, увеличивая переменное напряжение общей длительностью от 0.5 циклов до 1 минуты. Для всплесков напряжения характерны высокий импеданс и внезапные (особенно большие и резкие) сокращения электрической нагрузки. Проявляются всплески напряжения чаще всего только на одной фазе в 3 -фазной системе электропитания.

MutVBnSYI_I.jpg

Рисунок 9. Всплеск напряжения
В числе возможных последствий — ошибки в данных, мерцание ламп освещения, пробой изоляции, повреждение полупроводниковых приборов. Для решения проблемы обычно применяются средства кондиционирования электропитания, ИБП и феррорезонансные стабилизаторы.

Как и в случае с провалами напряжения, причиняемые всплесками повреждения, часто, проявляются только со временем. Применение ИБП и/или средств кондиционирования электропитания с функцией мониторинга и регистрации, позволяет оценить и проанализировать, в каких случаях и как часто происходят различные отклонения параметров электропитания от нормы.

Перенапряжение

Перенапряжение (см. рис. 10) часто вызывается теми же причинами, что и всплески напряжения, но действующими более продолжительное время. Можно рассматривать это отклонение от нормы, как затянувшийся всплеск. Перенапряжения обычно возникают при снижении нагрузки в сетях, запитанных от трансформаторов с неправильно коммутированными отводами. Например, в местности с большой сезонной неравномерностью потребления электроэнергии, где пренебрегают своевременным переключением, и в зимний сезон напряжение снимается с тех же отводов трансформатора, что и в летний, притом, что летом. потребляется энергии значительно меньше, чем зимой. Перенапряжение может вызывать увеличение силы тока и срабатывание автоматических предохранителей, а также создавать повышенную нагрузку на оборудование и его перегрев.

GIPHOMjTd4c.jpg

Рисунок 10. Перенапряжение
Поскольку перенапряжение представляет собой, по существу, постоянный всплеск напряжения, для защиты от него отлично подходят те же самые ИБП и оборудование кондиционирования электропитания. Однако если состояние перенапряжения сохраняется постоянно, необходимо выполнить определенные регулировки на понижающих трансформаторах местной электрической сети. Многие симптомы неисправности электроснабжения, являются общими и для всплесков напряжения и для перенапряжения. Поскольку, последняя неисправность электропитания, носит постоянный и долговременный характер, выделение тепла оборудованием сверх обычного (при нормальных условиях окружающей среды и рабочей нагрузке) может свидетельствовать о перенапряжении. Вред от повышенной электрической и тепловой нагрузки, бывает особенно значителен в условиях современного вычислительного центра с высокой плотностью размещения оборудования. Выделение тепла и его последствия в системах одноплатных серверов (отличающимися очень высокой плотностью компоновки) — предмет пристального внимания сообщества ИТ.

Искажения формы

Различают пять базовых типов искажений формы электрического напряжения:

1. Постоянная составляющая.
2. Гармонические искажения.

3. Некратные гармоники.

4. Периодические импульсные помехи.

5. Шум.

Постоянная составляющая

Постоянный ток часто появляется в распределительных сетях переменного тока из-за неисправности выпрямителей различных типов, широко применяемых в современном оборудовании. Постоянная составляющая может увеличивать электрическую нагрузку на устройства переменного тока, уже работающие на пределе паспортных возможностей. Одно из отрицательных последствий циркуляции постоянного тока — перегрев и насыщение сердечников трансформаторов. А насыщение ведет не только к дальнейшему перегреву, но и к снижению подаваемой на нагрузку мощности и возникновению дополнительных искажений формы напряжения, угрожающих стабильности работы электронного оборудования. График напряжения с постоянной составляющей приведен на рис. 11.

Y4hW1zbxJy8.jpg

рисунок 11. Постоянная составляющая
Для решения проблемы необходимо устранить ее причину. Применение модульного оборудования, ремонтируемого собственными силами пользователей, значительно упрощает и удешевляет задачу по сравнению со случаями, когда необходимо привлекать квалифицированных специалистов-ремонтников.

Гармонические искажения

Гармонические искажения (рис. 12) представляют собой наложенные колебания с частотами, кратными частоте напряжения сети. (Например, в 50-Гц сети третья гармоника имеет частоту 150 Гц: 3 X 50 = 150).

edRXc_aQAtE.jpg

Рисунок 12. Типичная форма напряжения с гармоническими искажениями
К симптомам данной неисправности относится перегрев трансформаторов, нейтральных проводников и распределительного оборудования, срабатывание автоматических предохранителей и потеря синхронизации, осуществляемой по моменту перехода напряжения через ноль. В прошлом, гармонические искажения представляли серьезную проблему эксплуатации оборудования ИТ — из-за особенностей работы применявшихся тогда импульсных блоков питания. Они представляли собой нелинейные нагрузки, потребляющие мощность лишь на гребне положительной и отрицательной полуволн синусоиды напряжения — вместо постоянного потребления на протяжении всего периода. Поскольку каждое окно потребления было слишком узким (менее 1/3 полупериода частоты напряжения сети), токи через подключенные к разным фазам блоки питания не компенсировали друг друга в нейтральном проводнике. Вместо этого они складывались, так что сила тока в нейтральном проводе достигала очень высоких значений — теоретически до 1,73 от максимума в фазном проводе. Перегрузка нейтрального проводника может вести к значительному перенапряжению по отдельным фазам, что угрожает серьезными повреждениями оборудования. Кроме того, гармонические искажения, вызванные включением нагрузок с импульсными блоками питания, потребляющих только на пиках напряжения, суммарная мощность которых, при их большом количестве, оказывается весьма высока, часто приводят к насыщению сердечников понижающих трансформаторов и их перегреву. Аналогичными особенностями эксплуатации страдают и электродвигатели с управляемой частотой вращения, электронные балласты люминесцентных ламп и ИБП устаревших конструкций. В числе распространенных методов решения проблемы — увеличение сечения нейтрального проводника, использование трансформаторов с запасом по потоку насыщения магнитопровода и установка фильтров гармоник.

За последнее десятилетие конструкция блоков питания оборудования ИТ значительно усовершенствована на базе ряда международных стандартов. В частности, устранена опасность возникновения описанных выше отрицательных последствий для электрической инфраструктуры из-за гармонических искажений при эксплуатации оборудования ИТ значительной суммарной мощности. Новые блоки питания имеют скорректированный коэффициент мощности и работают как линейные, не создающие гармонических искажений нагрузки.

Некратные гармоники

Некратные гармоники (рис. 13) обычно проникают в сеть из таких устройств, как преобразователи частоты напряжения, индукционные электродвигатели и электродуговые аппараты. Один из наиболее опасных источников некратных гармоник — частотные инвертеры (устройства управления мощными электродвигателями, используемыми в прокатных станах, цементных печах и горнодобывающем оборудовании). Они могут преобразовывать частоту сетевого напряжения 50 Гц. в более высокую или более низкую.

Наиболее заметный признак появления некратных гармоник — мерцание экранов дисплеев и ламп накаливания, а также возможный перегрев электрооборудования и помехи связи.

CoKZIjxi3nk.jpg

Рисунок 13. Наложение некратных гармоник
Для борьбы с этой неисправностью электропитания применяются фильтры, ИБП и кондиционеры электропитания.

Периодическая импульсная помеха

Периодическая импульсная помеха (рис. 14) представляет собой периодическое отклонение величины напряжения от нормы, вызываемое нормальной работой таких устройств, как блоки управления электродвигателей с управляемой частотой вращения, электронные регуляторы яркости освещения и сварочные аппараты. От импульсного переходного процесса данная неисправность отличается тем, что проявляется по несколько раз за каждый полупериод напряжения (и это позволяет отнести ее к категории искажений формы напряжения). В числе обычных последствий периодической импульсной помехи — «зависание» компьютерных систем, потери данных и сбои при их передаче по локальным линиям связи.

ePnzf8QRaS4.jpg

Рисунок 14. Периодическая импульсная помеха
Одно из возможных решений проблемы — разнесение источников помехи и чувствительного к ней оборудования. Если этот простой способ по каким-либо причинам не подходит, можно рекомендовать использовать ИБП и фильтры.

Шум

Шум (рис. 15) представляет собой нежелательные отклонения электрических параметров от нормы, имеющие случайный характер и небольшую амплитуду. Он порождается различными электронными устройствами, схемами управления, сварочными аппаратами, импульсными блоками питания, радиопередатчиками и т.п. Некачественная система заземление делает сеть более уязвимой для шума. В числе возможных отрицательных последствий его появления — ошибки в данных, отклонение функционирования оборудования от нормы, выход со временем из строя различных компонентов, поломки жестких дисков и искажения изображения на экранах мониторов.

qKdRAT-w9Ko.jpg

Рисунок 15. Шум
Существуют различные методы борьбы с шумом; но нередко требуемого результата удается достичь только комплексным применением ряда мер. Вот лишь некоторые из них:

• Развязка от сети через ИБП.

• Развязка от сети через разделительный экранированный трансформатор.

• Разнесение источников шума и чувствительного к нему оборудования.

• Установка фильтров.

• Экранирование электрических кабелей.

Повреждение данных — одно из наиболее распространенных отрицательных последствий наличия шума в сети питания. Электромагнитные и радиочастотные помехи могут создавать наводки (наведенные токи и напряжения) в системах

Сообщения: 463