19972104.pdf
(
164 KB
)
Pobierz
В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА
К
ОМПЬЮТЕРЫ
И ТРЕХФАЗНАЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СЕТЬ
Владимир Капустин, Александр Лопухин
И
так, вы нажали кнопку POWER на своем компьютере
(сервере и т. п.). Масса книг и справочников расска
жет вам, что появится после этого на дисплее и как
работать с различными прикладными программами. Но
иногда происходит то, о чем в этих книгах не пишут: вдруг
на экране дисплея начало дрожать изображение, сбилась
программа, дисплей мигнул и компьютер стал снова загру
жаться или (самый тяжелый случай) экран компьютера по
гас и запахло паленой изоляцией.
В таких случаях легко выясняется, что причина кроется в
плохой силовой электрической сети. Вы обращаетесь за
консультацией, и обычно вам советуют купить источник
бесперебойного питания (ИБП) или сетевой фильтр. Но
иногда и это не помогает.
Решая задачу электропитания вычислительной системы,
состоящей из некоторого числа однофазных потребите
лей (компьютеров, разветвителей и др.), часто не учитыва
ют того, что система в целом подключена к трехфазной
электрической сети.
В случае если в трехфазную сеть включены однофазные
нагрузки (электрические лампы, компьютеры и т. д.), со
противления нагрузки в разных фазах могут оказаться не
одинаковыми. Фазные напряжения в классической трех
фазной сети также станут разными. Например, если две фа
зы мало нагружены, а третья сильно нагружена, то напря
жение в сильно нагруженной фазе будет намного ниже но
минального – 220 В (напряжение может оказаться недо
статочным для нормальной работы оборудования), а на
пряжение в недогруженных фазах будет намного больше
номинального (и подключенное к ним оборудование мо
жет выйти из строя). Описанное явление электрики назы
вают перекосом фаз.
Для того чтобы выровнять напряжения в трехфазной
электрической сети, в схему был введен еще один, так на
зываемый нейтральный провод, или просто «нейтраль»
(рис. 1).
По нейтральному проводу течет ток, компенсирующий
разность токов в отдельных фазах. Благодаря этому напря
жения в разных фазах выравниваются.
Теперь понятно, насколько опасным может быть обрыв
нейтрального провода. Этот вид неисправности немедлен
но приведет к перекосу фаз и повреждению однофазного
оборудования.
Значительная часть мощности трехфазной электричес
кой сети потребляется трехфазными нагрузками (элек
тродвигателями, печами и т. д.). Каждая из трехфазных на
грузок одинаково нагружает все три фазы сети. В случае ес
ли основную часть мощности сети потребляют однофаз
ные нагрузки, например в офисном здании, электрики ста
раются распределить нагрузку по фазам более или менее
равномерно. На рис. 2 приведена типичная осциллограмма
токов в трехфазной электрической сети, нагруженной
лампами или электродвигателями. Токи в линейных прово
дах отличаются не более, чем на 25%. Поэтому ток в нейт
ральном проводе невелик. Он составляет не более 20% от
среднего тока в линейных проводах.
В расчете на эту типичную картину нейтральный провод
обычно делают тоньше остальных проводов трехфазной
электрической сети. Например в трехфазном силовом ка
беле, рассчитанном на мощность сети около 70 кВА, ли
нейные провода имеют сечение 35 кв. мм, а нейтральный
Электрическая сеть. История
Сначала небольшой исторический экскурс. Начинались
электрические сети просто: был генератор и от него тяну
лись два провода, к которым желающие могли подключить
электрическую лампочку, мотор и тому подобные устрой
ства.
Многие, зная, что к их розетке подходят два силовых
провода, думают, что, с точки зрения подключения нагруз
ки, с тех пор ничего не изменилось.
На самом деле в 1891 году произошло событие, услож
нившее эту простую схему. Русский ученый ДоливоДобро
вольский изобрел трехпроводную трехфазную сеть. Пре
имущества трехфазной сети для энергетиков настолько ве
лики, что даже в обозримом будущем специалисты не ви
дят ей альтернативы.
Классическая трехпроводная трехфазная сеть создава
лась для подключения трехфазных нагрузок (в основном
электродвигателей) и идеально подходит для них. В случае
трехфазной нагрузки токи, потребляемые в каждой из фаз,
одинаковы. Поэтому все три фазных напряжения также
одинаковы.
104
2/97
(C) 1997 CTA Тел.: (095) 2340635 Факс: (095) 3303650 http://www.cta.ru
В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА
провод – 16 кв. мм. Это позволяет сэ
кономить много дорогой меди и
обычно не представляет опасности,
так как ток, протекающий через нейт
ральный провод, невелик.
С появлением компьютеров, имею
щих беcтрансформаторные импульс
ные блоки питания, положение силь
но ухудшилось. Чем же опасны для се
ти эти блоки питания?
Линейные и нелинейные
нагрузки
Если мы подключим к источнику
синусоидального переменного на
пряжения (например, к сети или к
ИБП с синусоидальным выходным на
пряжением) сопротивление, емкость,
индуктивность или любое сочетание
этих нагрузок, зависимость тока в це
пи от времени тоже будет иметь фор
му синусоиды (рис. 3). Такие нагрузки
(потребители электроэнергии) назы
ваются линейными.
Если к источнику синусоидального
напряжения подключить компьютер,
то зависимость тока, потребляемого
компьютером, от времени будет
иметь вид, показанный на рис. 4.
На рисунке хорошо видно, что
компьютер потребляет ток только в
моменты, когда напряжение близко к
своему максимуму, и не потребляет
ток при низком напряжении.
Нагрузки, у которых при синусои
дальном питающем напряжении фор
ма кривой потребляемого тока замет
но отличается от синусоидальной, на
зывают нелинейными. К ним относят
ся и компьютеры.
Такую форму тока можно полу
чить, если искусственно соединить
несколько синусоид, имеющих крат
ные частоты, – гармоник. Гармоники
нумеруют по мере роста их частот.
Первая гармоника имеет частоту
50 Гц, вторая – 100 Гц, третья – 150 Гц
и так далее. Разложенный на гармо
ники сигнал обычно представляют в
виде спектра – графика, где по верти
кали показана амплитуда гармоники
(обычно в процентах от действующе
го значения всего сигнала), а по гори
зонтали ее номер, причем первую гар
монику обычно не показывают. На
рис. 5 показан такой график для по
требляемого компьютером тока.
Как видно из этого графика, гармо
ники имеют только нечетные номера.
Рис. 1. Четырехпроводная трехфазная сеть
Рис. 2. Осцилограмма токов в трехфазной сети
Рис. 3. Напряжение и ток линейной нагрузки
105
2/97
(C) 1997 CTA Тел.: (095) 2340635 Факс: (095) 3303650 http://www.cta.ru
В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА
Кроме того, по мере роста частоты
(номера гармоники) их интенсив
ность падает. Наибольшую интенсив
ность имеет третья гармоника.
Гармоники и трехфазная сеть
Чем плохо наличие гармоник?
Оказывается, что великолепный ме
ханизм компенсации дисбаланса то
ков, на котором построена четырех
проводная трехфазная электрическая
сеть, очень плохо работает с несину
соидальными токами. На рис. 6 пока
зана осциллограмма для несинусои
дальных токов в трехфазной электри
ческой сети.
Действующие значения токов в
каждой из фаз одинаковы. Несмотря
на это, ток в нейтральном проводе не
равен нулю, как можно было бы ожи
дать. Его амплитуда примерно равна
амплитуде токов в линейных прово
дах, а действующее значение сущес
твенно превышает действующее зна
чение токов в линейных проводах.
Вспомним теперь, что нейтраль
ный провод может иметь намного
меньшее сечение, чем линейные
провода. Если трехфазная сеть нагру
жена «компьютерными» потребите
лями хотя бы на 50%, то налицо опас
ная перегрузка нейтрального прово
да. Опасно также то, что этой пере
грузки никто не заметит. На нее не
реагирует ни один прибор защиты.
Ведь на нейтральном проводе не ус
танавливают измерительных прибо
ров. Нейтральный провод по прави
лам техники безопасности запреще
но защищать плавкими или автома
тическими предохранителями.
Перечислим наиболее очевидные
следствия перегрузки нейтрали.
Повышенное тепловыделение в
нейтральном проводе и его обрыв
,
возможен даже пожар.
Искажение формы кривой напря
жения.
Искажение формы напряже
ния в силовой сети чаще вызывается
не перегрузкой линейного провода,
как многие ошибочно думают, а пере
грузкой более тонкого нейтрального
провода. Характерным признаком ис
кажений является плоская вершина
синусоиды напряжения. Характерное
следствие – искажение изображения
на мониторах.
Большое падение напряжения на
нейтральном проводе.
При значи
Рис. 4. Ток импульсного блока питания
Рис. 5. Спектр тока импульсного блока питания
Рис. 6. Осциллограмма для несинусоидальных токов в трехфазной сети
106
2/97
(C) 1997 CTA Тел.: (095) 2340635 Факс: (095) 3303650 http://www.cta.ru
В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА
тельных токах в нейтральном прово
де малого сечения падение напряже
ния на нейтрали может быть доволь
но велико. Его амплитуда при этом
может достигать десятков вольт.
Посмотрим на характерную схему
подключения компьютеров в здании
(рис. 7). Мало какие предприятия го
товы вкладывать большие деньги в ор
ганизацию хорошего заземления. За
земление в большинстве случаев сво
дится просто к подключению «земли»
(то есть третьего провода «компь
ютерной» розетки) к нейтрали в сило
вом щите.
На рисунке показан наиболее часто
встречающийся в жизни случай, когда
предприятие занимает несколько эта
жей здания и на каждом этаже есть от
дельный щиток со своей «землей». Для
простоты ограничимся двумя этажа
ми (двумя силовыми щитками), каж
дый со своей «землей».
Видно, что токи, протекающие по
нейтрали, создают разность потенци
алов между «землями» этажей (щит
ков).
Если компьютеры соединены в ло
кальную сеть, то эта помеха приложе
на фактически между сетевыми плата
ми компьютеров, расположенных на
разных этажах. В результате происхо
дят не только сбои при передаче ин
формации, но и выход из строя
компьютеров или их узлов.
Как бороться с этим неприятным
явлением? Естественно, вам может
прийти в голову «оригинальная»
мысль – надо провести «землю» по
всему зданию от щитка на первом эта
же. Но по правилам электробезопас
ности в каждом силовом щитке нейт
ральный провод положено заземлять
(соединять с корпусом щитка). Поэто
му придется применять общие мето
ды борьбы с перегрузкой нейтрально
го провода.
Рис. 7. «Заземление» компьютерной сети с помощью нейтрального провода
Рис. 8. Разделительный трансформатор
Методы борьбы
с перегрузкой нейтрали
Самый простой путь – применение
понижающего разделительного тран
сформатора. На рис. 8 показан транс
форматор, вход которого подключен
к линейному напряжению (380 В). На
выходе трансформатор имеет напря
жение 220 В. Как следует из рисунка,
ток в нейтраль не идет, так как вход
ная обмотка трансформатора не име
Рис. 9. Выпрямитель трехфазного источника бесперебойного питания
107
2/97
(C) 1997 CTA Тел.: (095) 2340635 Факс: (095) 3303650 http://www.cta.ru
В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА
а линейное напряжение и, как видно
из рисунка, нейтраль вовсе не нагру
жается (рис. 9).
Трехфазный ИБП не только разгру
жает нейтральный провод. Он также
уменьшает искажения формы кривой
тока за счет ликвидации всех гармо
ник, кратных 3. Исчезает не только
наиболее мощная третья гармоника,
но и девятая и пятнадцатая гармоники
(рис. 10).
Кроме того, применение трехфаз
ного ИБП автоматически решает во
прос равномерного распределения
нагрузки по фазам.
Некоторые трехфазные ИБП сред
ней мощности имеют однофазный
выход. Но даже ИБП с трехфазным
входом и однофазным выходом поз
воляет разгрузить нейтраль, как пока
зано на рис. 11.
Мощные трехфазные ИБП, как пра
вило, позволяют применять на своем входе 12импульс
ный выпрямитель, который еще более снижает уровень от
даваемых в сеть гармоник, ликвидируя пятую гармонику, и
понижают требуемую мощность дизельгенератора, пита
ющего ИБП, если он есть в системе бесперебойного пита
ния.
Перечислим основные преимущества применения трех
фазных ИБП с двойным преобразованием энергии.
1.
Разгрузка нейтрали и равномерное распределение мощ
ности по фазам.
2.
Высшая степень защиты оборудования и возможность
повышения надежности путем горячего резервирова
ния.
3.
Стабилизация напряжения (хороший ИБП стабилизиру
ет напряжение с погрешностью около 1%).
4.
Фильтрация гармонических иска
жений и шумов (системы с двой
ным преобразованием являются
практически идеальными сетевыми
фильтрами).
5.
Фильтрация коротких высоковоль
тных импульсов (они могут возни
кать изза коротких замыканий,
ударов молнии рядом с линией
электропередачи и т. п.) и относи
тельно более длинных импульсов,
связанных с включением или от
ключением мощных нагрузок, пи
тающихся от этой же подстанции.
6.
Снижение необходимой мощности
дизельгенератора для работы в
системе.
Рис. 10. Спектр входного тока трехфазного ИБП с двойным преобразованием энергии
ет с ней контакта. Поэтому при использовании нейтраль
ных проводов в качестве заземления помеха между «земля
ми» не возникает.
Помимо всего прочего, это частично решит проблему
равномерного распределения нагрузки по фазам, так как
оборудование, подключенное к трансформатору, нагружа
ет не одну фазу, а две, причем одинаково.
Еще лучше, если этот трансформатор выполняет функ
ции стабилизатора напряжения или источника беспере
бойного питания (ИБП).
Наиболее радикальным способом решения проблемы
является применение ИБП с трехфазным входом и с двой
ным преобразованием энергии (online). Так как практи
чески все такие ИБП имеют на входе как минимум шести
импульсный выпрямитель, то они выпрямляют не фазное,
Рис. 11. Разгрузка нейтрального провода с помощью ИБП с трехфазным входом
и однофазным выходом
108
2/97
(C) 1997 CTA Тел.: (095) 2340635 Факс: (095) 3303650 http://www.cta.ru
Plik z chomika:
TirNaNog
Inne pliki z tego folderu:
19972007.pdf
(86 KB)
19972012.pdf
(176 KB)
19972016.pdf
(95 KB)
19972014.pdf
(130 KB)
19972018.pdf
(128 KB)
Inne foldery tego chomika:
1
3
4
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin