Abstract and keywords
Abstract (English):
For solution of the problem of increasing the efficiency of energy consumption of a group of personal computers, the method based on the system approach is presented. The interaction of both a separate switching power supply and the whole groups of power grids is studied. The results of modeling obtained in the Matlab + Simulink medium are given. The efficiency of the use of power correction factor in a single switching power supply is shown. The results of the studies are recommended to be used in organization of optimal interaction of computers with a power grid.

Keywords:
system approach, energy conservation, power correction factor, power grid, switching power supply
Text
Введение Источники питания являются неотъемлемой частью практически любой электронной системы. В настоящее время они сформировали масштабный рынок, растущий с огромной скоростью. На протяжении многих лет источники питания состояли из сложных комбинаций аналоговых и силовых полупроводниковых компонентов, и в последнее время степень их сложности выросла в связи с увеличением доли импульсных источников питания и вытеснения ими линейных. В последнее десятилетие многие российские компании, оснащенные компьютерной техникой и имеющие компьютерные сети численностью от 20-и до более чем тысячи персональных компьютеров (ПК), столкнулись с серьезной проблемой. Суть ее состоит в том, что сети электроснабжения 0,4 кВ в этом случае «заражены» высшими по отношению к промышленной частоте (50 Гц) гармониками [1]. Все страны на определенном этапе концентрации компьютерной техники сталкиваются с этой проблемой и вынуждены искать эффективные пути ее решения. Борьба с гармониками затруднена тем фактом, что нередко источником возмущений является оборудование, жизненно важное для предприятия. При электроснабжении группы ПК с использованием импульсных блоков питания можно столкнуться с проблемой негативного воздействия высших гармоник, которая приводит: - к искажению синусоидальности питающего напряжения; - дополнительным потерям в трансформаторах; - необоснованному срабатыванию предохранителей и автоматических выключателей; - ускоренному старению изоляции проводов и кабелей; - помехам в сетях телекоммуникаций. В случае, когда доля мощности нелинейных потребителей не превышает 10–15 %, каких-либо особенностей в эксплуатации системы электроснабжения не возникает. При превышении указанного предела возникают проблемы в эксплуатации, причины которых не являются очевидными. В здании, имеющем долю нелинейной нагрузки свыше 25 %, отдельные проблемы могут проявиться сразу [2]. Для решения задачи повышения эффективности использования электроэнергии нами предложен метод, основанный на системном подходе, который позволяет оптимизировать энергопотребление импульсных блоков питания ПК. Метод отражает характерную для современных информационных технологий тенденцию к «интеллектуализации нагрузок» (рис. 1) и предполагает несколько уровней управления энергопотреблением нелинейной нагрузки, первым из которых является использование специального устройства на основе оптического бесконтактного датчика присутствия (БДП) в рамках концепции «зеленого персонального компьютера» [3, 4]. «Зеленый персональный компьютер» Импульсный источник питания Рис. 1. Управление электропитанием при реализации концепции «зеленый персональный компьютер» Идея заключается в следующем – пока пользователь работает за ПК, перехода в режим пониженного энергопотребления не происходит. Если пользователь покидает свое рабочее место, то датчик срабатывает, сигнализируя о том, что пользователя нет перед ПК, и посылает сигнал о том, что необходимо перейти в режим пониженного энергопотребления. Таким образом, потребление энергии в отсутствие пользователя за ПК сводится к минимуму. Это, в свою очередь, ведет к уменьшению негативного воздействия импульсных блоков питания ПК на питающую сеть. На рис. 2 и 3 изображены графики потребления электроэнергии учебным ПК без и с использованием предлагаемого устройства. Из анализа графиков видно: применение устройства на основе оптического БДП позволяет сэкономить потребление электроэнергии во время простоя ПК, что существенно отразится на общем потреблении электроэнергии в целом. При этом исключается искажающее влияние ПК на питающую сеть во время простоев. Согласно результатам экспериментов, при использовании предлагаемого устройства экономия электроэнергии составляет 36 %. Для компьютерной сети всего образовательного учреждения «Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина», насчитывающей более 2 000 компьютеров, экономия составит около 260 кВт · ч за один учебный день. Вторым уровнем управления энергопотреблением в рамках концепции «зеленого персонального компьютера» является использование встроенных функций энергосбережения базовой системы ввода-вывода (БСВВ), микропрограммы, предназначенной для предоставления операционной системе интерфейса прикладного программирования, который, в свою очередь, предоставляет доступ к аппаратуре ПК и подключенным к нему устройствам. Рис. 2. График потребления электроэнергии учебным ПК без оптического БДП Рис. 3. График потребления электроэнергии учебным ПК с оптическим БДП Настройка БСВВ ПК в режим оптимального энергопотребления включает в себя различные состояния управлением электропитания. Перечислим наиболее значимые (глобальные состояния) системы в целом: - режим сна; - ждущий режим; - режим гибернации; - гибридный режим сна. Настраиваются режимы конкретным пользователем под свой рабочий график. Сочетание возможностей второго уровня с БПД дает дополнительную экономию электроэнергии в размере 6–8 %. Третий уровень связан с исследованием импульсного источника питания (ИИП) как электрической нагрузки. Импульсный источник питания для питания компьютера условно можно разделить на две части: 1) входной выпрямитель с емкостным фильтром; 2) инверторная часть с выходными выпрямительными цепями и фильтрами. Поскольку частота промежуточного преобразования в ИИП составляет 40 кГц и выше, а 40-я гармоника, учитываемая, согласно ГОСТ 13109-97, как максимальная при расчете коэффициента искажения синусоидальности кривой, равна 2 кГц, инверторной частью при рассмотрении взаимодействия ИИП с питающей сетью можно пренебречь. На рис. 4 приведены эпюры входного тока при моделировании работы ИИП без инверторной части. Анализ результатов моделирования свидетельствует о правомочности подобного допущения для анализа ИИП как электрической нагрузки. Изображенные эпюры соответствуют случаю, когда включен один ИИП (N = 1) с параметрами входного фильтра (Lвх = 1 мГн, RLвх = 0,05 Ом), емкостью конденсатора на выходе выпрямителя C = 330 мкФ и величиной нагрузки R = 180 Ом. Модель реализована в среде Matlab + Simulink [5]. Коэффициент искажения синусоидальности кривой сетевого напряжения, рассчитанный согласно ГОСТ 13109-97 по первым 40 гармоникам, равен КИСК = 0,88 %. Рис. 4. Напряжение сети и входной ток при N = 1 При увеличении числа подключаемых к сети ИИП до N = 10 происходит ухудшение качества кривой напряжения сети. На рис. 5 показан случай, когда происходит увеличение КИСК до уровня, превышающего допустимый, т. е. КИСК = 5,12 %. Улучшение последнего показателя возможно несколькими способами. Самый простой – это использование входных фильтров, но этот вариант приводит к увеличению массы и габаритов ИИП, а также к снижению КПД. Перспективным видится другой путь, связанный с использованием корректора коэффициента мощности (ККМ) [6], что составляет суть 3-го уровня управления. Данный способ преодолевает указанные выше недостатки, а некоторое усложнение схемотехнического решения, в век бурно прогрессирующей модульной электроники, не является существенным ограничением в его широком использовании. На рис. 6 показана модель импульсного источника питания с ККМ, реализованная в среде Matlab + Simulink. Рис. 5. Напряжение сети и входной ток при N = 10 Рис. 6. Модель импульсного источника питания с ККМ в среде Matlab + Simulink На рис. 7 представлены эпюры основной гармоники сетевого напряжения и входного тока ИИП с ККМ, полученные с помощью разработанной модели. Частота широтно-импульсного модулятора составляет 5 кГц, что, согласно вышеприведенным оценкам качества кривой, позволяет пренебречь влиянием сопутствующих высших гармоник на оценку КИС кривой сетевого напряжения, рассчитываемого согласно ГОСТ 13109-97. Введение в ранее описанный эксперимент с числом подключаемых к сети ИИП N = 10 всего одного источника питания с ККМ снижает КИСК с 5,12 до 4,65 %, а в случае двух подобных источников – до 4,17 %, что соответствует допустимому диапазону. Рис. 7. Эпюры основной гармоники сетевого напряжения и входного тока ИИП с ККМ Результаты серии численных экспериментов для количества ИИП выше N = 10 позволяют сделать предположение, что оптимальным соотношением между ИИП с ККМ и без него для надежного решения задачи 3-го уровня взаимодействия группы компьютеров с питающей сетью является отношение 20/80 (эмпирическое правило Парето). Заключение 1. Показана актуальность задачи взаимодействия группы компьютеров с питающей сетью, связанная с ростом количества офисной техники. Для решения поставленной задачи предложен метод, основанный на системном подходе, включающем три уровня управления энергопотреблением нелинейной нагрузки. 2. Два уровня – первый и второй – отражают характерную для современных информационных технологий тенденцию к «интеллектуализации нагрузок» и реализуются соответственно на основе оптического БДП и возможностей операционной системы компьютеров. На примере компьютерной сети Саратовского государственного технического университета им. Ю. А. Гагарина, насчитывающей более 2 000 компьютеров, показано, что экономия может достигать величины 260 кВт ч за один учебный день. 3. Для реализации 3-го уровня управления, связанного с уменьшением искажающего влияния источников питания на питающую сеть, предложено использовать ККМ. В среде Matlab + Simulink реализована модель ИИП с ККМ. 4. Проведены численные эксперименты взаимодействия с питающей сетью как отдельного ИИП, так и целых групп, при различных параметрах внутренних цепей ИИП. Полученные результаты позволяют сделать предположение, что оптимальным количественным отношением в группе между ИИП с ККМ и без него, обеспечивающим допустимый диапазон искажения качества питающего напряжения, является 20/80, что соответствует эмпирическому правилу Парето.
References

1. Kusko A., Tompson M. Kachestvo energii v elektricheskih setyah. – M.: Dodeka-XXI, 2008. – 336 s.

2. Vysshie garmoniki v setyah elektrosnabzheniya 0,4 kV / O. Grigor'ev, V. Petuhov, V. Sokolov, I. Krasilov.// Centr elektromagnitnoy bezopasnosti. – 2005: http://www.tesla.ru/publications/index.php? subaction=showfull& id=1117384465&archive=&start_from=&ucat=6. – 12.12.2011.

3. Mykolenko D. A., Nechaev A. A., Taranov C. A. Koncepciya «zelenogo personal'nogo komp'yutera» // Issledovanie, razrabotka i primenenie vysokih tehnologiy v promyshlennosti: sb. nauch. tr. VI Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. – SPb.: Izd-vo politehn. un-ta, 2008. – S. 37.

4. Mykolenko D. A., Nechaev A. A. Ispol'zovanie opticheskogo beskontaktnogo datchika dlya energosberezheniya v personal'nom komp'yutere «vse v odnom» // Analiz, sintez i upravlenie v slozhnyh sistemah: sb. nauch. tr. – Saratov: SGTU, 2010. – S. 103–107.

5. Chernyh I. V. Modelirovanie elektrotehnicheskih ustroystv v MATLAB, SimPowerSystems i Simulink. – M.: Izd. dom «Piter», 2007. – 288 s.

6. Wu Keng C. Switch-mode power converters. Design and Analysis. – San Diego, California, USA: Elsevier Academic Press, 2006. – 392 p.