Содержание
Введение
1. Классификация ИБП
2. ИБП с двойнымпреобразованием энергии: схемотехника и технические характеристики
2.1Назначение и описание узлов силовой цепи ИБП
2.2Системные показатели ИБП
3.Примеры современных ИБП
Заключение
Список использованнойлитературы
Введение
Почти каждый, кто использует всвоей работе компьютеры, сталкивался с потерей информации в результатеотключения электропитания. Uninterruptable PowerSource (в русскоязычной литературе – ИБП, Источник Бесперебойного Питания) –это устройство, включаемое между источником питания (розеткой электросети) ипотребителем (компьютер, мини–АТС и т.п.), которое обеспечивает питаниепотребителя в случае пропадания напряжения основного источника, используя дляэтого энергию своих аккумуляторных батарей. В наиболее широком обобщении кисточникам бесперебойного питания можно отнести все, начиная от батарейки,питающей чип CMOS в вашем компьютере, до дизель – генератора мощностью внесколько сотен киловатт.
Общийалгоритм функционирования ИБП следующий – при пропадании напряжения сети ИБПавтоматически переключается на питание от аккумулятора, при восстановлениинапряжения сети автоматически переходит в режим заряда аккумулятора.
Подход к источникубесперебойного питания, как к «черному ящику», обладающему наборомизвестных полезных (или не полезных) свойств, позволяет, не углубляясь в егоэлектронную начинку, осмысленно использовать его положительные стороны длязащиты компьютеров или другого оборудования от сбоев электрической сети. Дляборьбы со сбоями электрической сети и создании систем бесперебойного питаниякроме ИБП используются и другие устройства: стабилизаторы напряжения, фильтры,дизельные генераторы.
/>1. Классификация ИБП
Первое и самое главноеназначение источника бесперебойного питания – обеспечить электропитаниекомпьютерной системы или другого оборудования в то время, когда электрическаясеть по каким–то причинам не может это делать. Во время такого сбояэлектрической сети ИБП питается сам и питает нагрузку за счет энергии,накопленной его аккумуляторной батареей. Каждый человек, сталкивающийся скомпьютерами, рано или поздно узнает о великолепной идее бесперебойного питаниякомпьютеров.
Несмотря на изобилие различныхсхемных решений, в индустрии UPS сложились некоторые типовые схемы построения(топологии) источников бесперебойного питания. Рассмотрим их более подробно.
«Разделять» ИБП можнопо разным признакам, в частности, по мощности (или сфере применения) и по типудействия (архитектуре/устройству). Оба этих метода тесно связаны друг с другом.По мощности ИБП делятся на
· Источники бесперебойного питания малой мощности (с полноймощностью 300, 450, 700, 1000, 1500 ВА, до 3000 ВА – включая и on–line);
· Малой и средней мощности (c полной мощностью 3–5 кВА);
· Средней мощности (с полной мощностью 5–10 кВА);
· Большой мощности (с полной мощностью 10–1000 кВА).
Исходя из принципа действияустройств, в литературе в настоящее время используется два типа классификацииисточников бесперебойного питания. Согласно первому типу, ИБП делятся на двекатегории: on–line и off–line, которые, в свою очередь, делятся на резервные илинейно–интерактивные.
Согласно второму типу, ИБПделятся на три категории: резервные (off–line или standby), линейно–интерактивные(line–interactive) и ИБП с двойным преобразованием напряжения (on–line).
Мы будем пользоваться вторымтипом классификации.
Рассмотрим для начала разницутипов ИБП. Источники резервного типа выполнены по схеме с коммутирующимустройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключениенагрузки непосредственно к внешней питающей сети, а в аварийном – переводит еена питание от аккумуляторных батарей. Достоинством ИБП такого типа можносчитать его простоту, недостатком – ненулевое время переключения на питание отаккумуляторов (около 4 мс).
/>
Рис.1Схема источникарезервного типа
Линейно–интерактивные ИБПвыполнены по схеме с коммутирующим устройством, дополненной стабилизаторомвходного напряжения на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками.Основное преимущество таких устройств – защита нагрузки от повышенного илипониженного напряжения без перехода в аварийный режим. Недостатком такихустройств также является ненулевое (около 4 мс) время переключения нааккумуляторы.
/>
Схемалинейно – интерактивного ИБП
ИБП с двойным преобразованиемнапряжения отличается тем, что в нем поступающее на вход переменное напряжениесначала преобразуется выпрямителем в постоянное, а затем – с помощью инвертора –снова в переменное. Аккумуляторная батарея постоянно подключена к выходувыпрямителя и входу инвертора и питает его в аварийном режиме. Таким образом,достигается достаточно высокая стабильность выходного напряжения независимо отколебаний напряжения на входе. Кроме того, эффективно подавляются помехи ивозмущения, которыми изобилует питающая сеть.
Практически, ИБП данного классапри подключении к сети переменного тока ведут себя как линейная нагрузка.Плюсом данной конструкции можно считать нулевое время переключения на питаниеот аккумуляторов, минусом – снижение КПД за счет потерь при двукратномпреобразовании напряжения.
/>
ИБП сдвойным преобразованием/>
2.ИБП с двойным преобразованием энергии: схемотехника итехнические характеристики
Источникибесперебойного питания (ИБП) предназначены для защиты электрооборудованияпользователя от любых неполадок в сети, включая искажение или пропаданиенапряжения сети, а также подавления высоковольтных импульсов и высокочастотныхпомех, поступающих из сети.
ИБПс двойным преобразованием энергии обладает наиболее совершенной технологией пообеспечению качественной электроэнергией без перерывов в питании нагрузки припереходе с сетевого режима (питание нагрузки энергией сети) на автономный режим(питание нагрузки энергией аккумуляторной батареи), и наоборот. Обеспечиваясинусоидальную форму выходного напряжения, такие ИБП используются дляответственных потребителей электроэнергии, предъявляющих повышенные требованияк качеству электропитания (сетевое оборудование, файловые серверы, рабочиестанции, персональные компьютеры, оборудование вычислительных ителекоммуникационных залов, системы управления технологическим процессом ит.д.). Современные ИБП малой и средней мощности, в отличие от классическойсхемы «выпрямитель – инвертор», содержат в своей структуре корректоркоэффициента мощности, обеспечивающий входной коэффициент мощности, близкий кединице, и практически синусоидальную форму тока, потребляемого из сети.
Встречающийсяв последнее время термин «ИБП с тройным преобразованием» может ввестив заблуждение читателя о якобы новой топологии ИБП. На самом деле, речь идет одополнительном преобразовании нестабильного напряжения постоянного тока встабильное повышенное напряжение постоянного тока для питания инвертора,присутствующем в структурах ИБП с корректором коэффициента мощности. Всоответствии с международным стандартом, такие структуры также относятся к ИБПс двойным преобразованием энергии (Double–Conversion UPS).
Взависимости от состояния сети и величины нагрузки, ИБП c двойнымпреобразованием может работать в различных режимах: сетевом, автономном, Байпаси других.
Сетевойрежим – режим питания нагрузки энергиейсети. При наличии сетевого напряжения в пределах допустимого отклонения, инагрузки, не превышающей максимально допустимую, ИБП работает в сетевом режиме.При этом режиме осуществляется:
· фильтрация импульсных и высокочастотных сетевых помех;
· преобразование энергии переменного тока сети в энергиюпостоянного тока с помощью выпрямителя и схемы коррекции коэффициента мощности;
· преобразование с помощью инвертора энергии постоянного тока вэнергию переменного тока со стабильными параметрами;
· подзаряд АБ с помощью зарядного устройства.
Автономныйрежим – режим питания нагрузки энергиейаккумуляторной батареи. При отклонении параметров сетевого напряжения задопустимые пределы или при полном пропадании сети ИБП мгновенно переходит наавтономный режим питания нагрузки энергией аккумуляторной батареи (АБ) черезповышающий преобразователь DC/DC и инвертор. При восстановлении напряжения сетиИБП автоматически перейдет в сетевой режим.
РежимБайпас – питание нагрузки напрямую отсети. Если в сетевом режиме происходит перегрузка или перегрев ИБП, а также,если один из узлов ИБП выходит из строя, то нагрузка автоматическипереключается с выхода инвертора напрямую к сети. При снятии причин перехода вБайпас (перегрузки или перегрева) ИБП автоматически возвращается в нормальныйсетевой режим с двойным преобразованием энергии.
Отметим,что в режиме Байпас нагрузка не защищена от некачественного напряжения сети.
Режимзаряда батареи возникает при наличиесетевого напряжения. Зарядное устройство обеспечивает заряд аккумуляторнойбатареи, независимо от того, включен ли инвертор или присутствует режим Байпас.
Режимавтоматического перезапуска ИБП возникаетпри восстановлении сетевого напряжения, если до того ИБП работал в автономномрежиме и был автоматически отключен внутренним сигналом во избежаниенедопустимого разряда батареи. После появления входного напряжения ИБПавтоматически включится и перейдет на сетевой режим.
Режимхолодного старта обеспечивает включениеИБП для работы в автономном режиме при отсутствие сетевого напряжения путемнажатия на кнопку ВКЛ инвертора.
Средипроизводителей ИБП с двойным преобразованием энергии получил распространениеследующий ряд номинальных мощностей:
· однофазные ИБП малой мощности: 1; 1,5; 3 кВА;
· однофазные ИБП средней мощности: 6, 10, 15, 20 кВА;
· ИБП с трехфазным входом и однофазным выходом средней мощности: 10,15,20,30кВА;
· трехфазные ИБП средней мощности: 10, 15, 20, 30 кВА;
· трехфазные ИБП большой мощности: более 30 кВА.
Остановимсяна рассмотрении особенностей схемотехники силовых цепей современных однофазныхИБП малой и средней мощности, на примере ИБП, выпускаемых рядом зарубежных(Liebert, Invensys, Chloride, Riello) и отечественным (Энергетическиетехнологии) производителями.
Общепринятыепроизводителями структурные схемы силовой цепи ИБП представлены на рисунках 4 и5.
/>
Структурная схема ИБП малой мощности: ККМ–В – корректор коэффициентамощности – выпрямитель, ИНВ– инвертор, ППН – преобразователь постоянногонапряжения, ЗУ – зарядное устройство, ВИП – вторичный источник питания, АБ – аккумуляторнаябатарея, К1, К2 – реле блока коммутации.
Всостав ИБП малой мощности входит основной комплект плат, состоящий из силовойплаты, плат входного и выходного фильтров, платы управления и платы дисплея.
Силоваяплата содержит силовые узлы: ККМ–В, ИНВ, ППН, ЗУ (рис. 4), обеспечивающиеработу ИБП в сетевом и автономном режимах.
Платывходного и выходного фильтров обеспечивают подавление выбросов сетевогонапряжения при переходных процессах и осуществляют фильтрацию высокочастотныхкоммутационных помех.
Платауправления обеспечивает необходимый алгоритм работы силовой платы ИБП,тестирование состояния, мониторинг и управление ИБП. Плата управления стыкуетсяразъемами с силовой платой и с платой дисплея. Все цепи ПУ изолированы отвысоковольтного напряжения, присутствующего на силовой плате. Пофункциональному назначению состав ПУ может быть разбит на следующие узлы:
· центральный микроконтроллер (МК);
· узел формирования ШИМ сигналов для управления силовымитранзисторами инвертора;
· узел согласования входных и выходных сигналов;
· узел согласования сигналов индикации и управления платой дисплея;
· узел формирования сигналов по интерфейсу RS–232;
· вспомогательный источник питания цепей ПУ.
Вкачестве центрального МК может быть использован микроконтроллер типа МС68НС711,на входы которого поступают аналоговые и цифровые сигналы измеренияэлектрических параметров системы и состояния узлов ИБП.
МКобеспечивает:
· обработку аналоговой и цифровой информации о состоянии блоковсиловой платы и режимов их работы;
· формирование сигналов управления блоками силовой платы;
· формирование сигналов информации о состоянии системы на платудисплея и порт RS–232.
ПомимоМК, наиболее ответственным узлом на плате управления является формирователь ШИМ–сигналовдля управления транзисторами инвертора ИБП, реализованный на дискретныханалоговых элементах.
Платадисплея содержит ряд светодиодов для индикации режимов работы ИБП и кнопкивключения / выключения инвертора силовой платы. В некоторых моделях ИБПиспользуются ЖК–дисплеи для отображения электрических параметров и состоянияИБП.
Всоставе ИБП возможно также наличие дополнительной платы зарядного устройства,обеспечивающей заряд внешней аккумуляторной батареи (АБ) повышенной емкости приработе ИБП в сетевом режиме.
/>
Структурная схема силовой цепи ИБП средней мощности: ККМ – корректоркоэффициента мощности, В – выпрямитель, ИНВ – инвертор, ЗУ – зарядноеустройство, ВИП – вторичный источник питания, АБ – аккумуляторная батарея, БК –блок коммутации, ДЗУ – дополнительная плата зарядного устройства.
ВИБП средней мощности из состава силовой платы выделяют несколько силовых узлов,содержащих силовые дроссели, накопительные конденсаторы, плату коммутации(Байпас), плату зарядного устройства.
Структурнаясхема силовой цепи ИБП средней мощности отличается от ИБП малой мощностиприменением двухтактной схемы ККМ, статическим блоком коммутации, выполненным натиристорах, и цепью подключения АБ с помощью тиристора (см. рис. 5).Принципиальнойособенностью структуры ИБП средней мощности является то, что повышениенапряжения аккумуляторной батареи (АБ) для питания инвертора осуществляется спомощью ККМ, исключая использование дополнительного преобразователя постоянногонапряжения (ППН), по сравнению со структурой ИБП малой мощности. Это позволяетповысить общий К.П.Д. ИБП.
Рассмотримболее подробно некоторые особенности принципиальных схем узлов силовой цепиИБП. Принципиальные схемы силовой цепи ИБП малой и средней мощности приведенына рисунках 6 и 7.
/>
Принципиальнаясхема силовой цепи ИБП малой мощности
/>
Принципиальнаясхема силовой цепи ИБП средней мощности 2.1 Назначение и описание узлов силовойцепи ИБП
1.Выпрямитель и корректор коэффициента мощности (ККМ–В) выполняет три функции:
· осуществляет преобразование напряжения сети переменного тока встабилизированное напряжение постоянного тока, обеспечивая питание инверторастабильным напряжением постоянного тока 700 – 800 В;
· обеспечивает потребление из сети входного тока, совпадающего пофазе с напряжением сети, и практически синусоидальной формы, в независимости отхарактера нагрузки ИБП, что позволяет иметь входной коэффициент мощностиблизким к единице;
· обеспечивает мягкий старт для уменьшения пускового входного токаИБП.
/>
Схемауправления силовым транзистором ККМ
ВысокочастотныйККМ в ИБП малой мощности выполнен по схеме повышающего преобразователя(бустера) с дифференциальным выходом и силовым дросселем L1, включенным вовходную цепь переменного тока. Силовой транзистор ККМ VT1 (см. рис. 6)управляется сигналом с широтно–импульсной модуляцией (ШИМ). Формирование ШИМсигнала с частотой 20 кГц осуществляет специализированная микросхема ККМконтроллера типа UC3854. На входы ККМ контроллера поступают сигналы,пропорциональные входному напряжению (uвх), входному току (iвх),напряжению на выходе ККМ (Uвых), максимальным значениям токатранзистора (Imp) и входного тока (Im), номинальному выходному напряжения ККМ(Uном) (см. рис. 8). Кроме этих сигналов, на микросхему ККМконтроллера поступает напряжение питания (Uп=24 В), сигналсинхронизации (Uс) и сигнал управления (вкл/выкл) ККМ (Uвкл)от центрального микропроцессора платы управления ИБП. Контроллер ККМвырабатывает ШИМ–сигналы с тактовой частотой 20 кГц и различной скважностью накаждом полупериоде сетевого напряжения, что позволяет формировать входной токнеобходимой формы и стабилизировать выходное напряжение.
Засчет изменения соотношения времени открытого состояния транзистора, когда вдросселе запасается электромагнитная энергия WL:
/>(1)
ивремени закрытого состояния транзистора, когда накопленная энергия через диодVD5 (VD6 рис. 6) отдается в накопительный конденсатор, ККМ обеспечивает формувходного тока, близкую к синусоидальной, и совпадающей по фазе с входнымнапряжением. Сигнал ШИМ с контроллера поступает на затвор IGBT транзисторачерез узел сопряжения (оптопару типа TLP250), обеспечивающий необходимоеусиление сигнала и гальваническую развязку цепи управления и силовой цепитранзистора (рис. 8). Питание узла сопряжения в ИБП малой мощностиосуществляется от одной из обмоток высокочастотного трансформатора блоказарядного устройства с помощью диода VD1. В ИБП средней мощности питание узласопряжения обеспечивает блок ВИП. На накопительных конденсаторах шиныпостоянного тока С1, С2 (см. рис. 6, 7) формируется высоковольтноестабилизированное постоянное напряжение для питания инвертора Uп=700 – 800 В.
Коэффициентпередачи по напряжению повышающего преобразователя (бустера) в режименепрерывного тока дросселя достигает значения 4. Это обеспечивает широкийдиапазон допустимого входного напряжения, при котором ИБП не переходит вавтономный режим. Значения допустимых отклонений входного напряжения (сети) изначения напряжений питания инвертора для различных моделей ИБП приведены втаблице №1.
Величинаемкости накопительных конденсаторов С1= С2 выбирается из расчета 470 мкФ накаждый 1кВА выходной мощности инвертора для обеспечения достаточной энергиипитания инвертора при скачках нагрузки и провалах сетевого напряжения.
Таблица 1.Допустимый диапазон входныхнапряжений и параметры цепей постоянного тока ИБП малой и средней мощностиПроизводитель
Модель
ИБП
Номинал.
Мощность кВА
Напряжение
АБ, В
Входное
напряжение, В
Диапазон
нагрузки, % Напряжение DC шины, В Invensys PW9120 1/1,5/3 36/48/96 160–276 66–100 н/д 140–276 33–66 120–276 0–33 5/6 240 184–276 75–100 160–276 50–75 140–276 25–50 120–276 0–25 PW9150 8/10/12/15 288 176–276 0–100 800 Liebert GXT–2U 1/3 48/72 160–280 70–100 750 140–280 30–70 120–280 0–30 GXT 6/10 240 187–276 90–100 750 163–276 30–90 122–276 0–30 Nfinity 4/8/12/16 120 170–276 60–100 800 140–276 0–60 Hinet (3/1) 10/15/20/30 384 300–480 0–100 750
Энергетические
технологии ДПК 1/3 36/96 160–300 70–100 700 140–300 50–70 120–300 0–50 6/10 240 176–276 0–100 760 ДПК (3/1) 10/15/20 240 304–478 0–100
Рассмотримна примере ИБП 3 кВА значение электрической энергии, запасаемой в накопительныхконденсаторах ККМ. Эквивалентная емкость последовательно включенныхконденсаторов составит:
Сэк= 0,5 ´ С1= 0,5 (470 мкФ/кВА ´ 3 кВА) =705 мкФ
Принапряжении Uп = 700 В имеем:
/>.(2)
Этаэнергия за период выходного напряжения Т = 0,02 сек может обеспечить мощностьнагрузки более 8,5 кВА. Значительный запас энергии питания инвертора и высокоебыстродействие его системы управления обеспечивают высокие динамическиесвойства ИБП. Значения динамических параметров: величина отклонения выходногонапряжения от номинального значения и время восстановления статической точностиподдержания выходного напряжения при 100% набросе (сбросе) нагрузки для ИБПмалой и средней мощности приведены в таблице №2.
Динамические показателиИБП малой и средней мощностиПроизводитель
Модель
ИБП
Номинальная
мощность,
кВА
Статическая
точность,
%
Динамическая
точность,
%
Время
восстановл.,
мс Chloride Synthesis Twin 6 – 20 ±1 ±5 5 Invensys PW9120 1 – 3 ±3 ±7 н/д PW9150 8 – 15 ±2 ±5 Liebert GXT 1 – 10 ±3 ±7 90 Nfinity 4 – 16 ±3 ±7 96 Hinet 10 – 30 ±1 ±5 30 Riello MDM 10 – 20 ±1 ±5 10
Энергетические
технологии ДПК 1 – 3 ±2 ±5 10 6; 10 ±3 ±7 20
Вотличие от ИБП малой мощности, в ИБП средней мощности выпрямитель выполняетсяна тиристорах VT1, VT2 (рис. 7), обеспечивающих включение выпрямителя посигналу с платы управления в режиме двойного преобразования и его отключение вавтономном режиме или неисправностях силовых элементов силовой цепи ИБП.
ВысокочастотныйККМ в ИБП средней мощности выполняется по дифференциальной схеме повышающегопреобразователя на двух силовых транзисторах VT3, VT4 c использованием двухдросселей L1, L2, включенных в цепи постоянного тока (рис. 7). Каждыйтранзистор управляется от собственного ККМ контроллера типа UC3854,функционирующего аналогично ККМ контроллеру в структуре ИБП малой мощности. Спомощью транзистора положительного бустера (VT3) обеспечивается повышение истабилизация напряжения на положительной шине в течение одного полупериодасетевого напряжения, а с помощью транзистора отрицательного бустера (VT4) втечение другого полупериода происходит повышение и стабилизация выходного напряженияККМ на отрицательной шине относительно общей шины.
Аккумуляторнаябатарея (АБ) в ИБП средней мощности подключается на вход ККМ через тиристор VT7(рис. 7), что обеспечивает разделение цепи заряда АБ от ЗУ в сетевом режимеработы ИБП и мгновенное подключение АБ на вход ККМ в автономном режиме.Номинальные напряжения аккумуляторных батарей для различных моделей ИБПприведены в таблице № 1.
Снижениеноминального напряжения АБ до 120 В в ИБП средней мощности на примере моделиNfinity (Liebert) достигается дополнительной коммутацией в силовой цепи ККМ спомощью двухпозиционных реле К1, К2, К3 (рис. 9). Указанные реле переключаютсясигналами с блока управления ИБП. В сетевом режиме контакты реле находятся вположении 1, подключая силовые транзисторы на вход выпрямителя аналогично схемеККМ на рис. 7.
АБимеет общую точку подключения минуса батареи к общей шине (нейтрали сети). Вавтономном режиме контакты реле находятся в положении 2 и реле К1 подключаетплюс батареи к силовому транзистору VT1положительного бустера ККМ, а реле К2,К3 подключают соответственно плюс и минус АБ к силовому транзистору VT2отрицательного бустера ККМ.
/>
Схема ККМ спониженным значением напряжения АБ
Дополнительныйвыпрямительный мост, выполненный на тиристорах VT8, VT9, VT10, VT11 (рис. 7),используется при трехфазном входе ИБП средней мощности.
2.Инвертор (ИНВ) преобразует напряжение постоянного тока в синусоидальноенапряжение 50 Гц.
Блокинвертора выполняется по полумостовой бестрансформаторной схеме на IGBTтранзисторах VT2, VT3 в ИБП малой мощности (рис. 6) и VT5, VT6 в ИБП среднеймощности (рис. 7). Силовые транзисторы управляются высокочастотными (20 кГц)ШИМ сигналами с платы управления через оптопары (TLP250), которые изолируютсиловые цепи от цепей управления. Широтно–импульсная модуляция сигналовосуществляется по синусоидальному закону, что обеспечивает c помощьюбыстродействующей системы управления инвертором высокую точность выходногонапряжения. Синусоидальное выходное напряжение формируется из высокочастотныхШИМ импульсов с помощью выходного фильтра L2, С3 (рис. 6), L3, C3 (рис. 7).
Какправило, силовые IGBT транзисторы инвертора выбирают из условия тройного запасапо току по сравнению с номинальной величиной тока нагрузки. Это позволяет иметьвысокие перегрузочные способности ИБП и ток короткого замыкания инвертора впределах 150–200%. Термозащита силовых транзисторов реализуется с помощью сигналас релейного датчика температуры (80–90 oС). Указанный сигналпоступает на центральный микроконтроллер (МК) платы управления. МК подсчитываетвремя, в течение которого транзисторы не выйдут из строя из–за перегрева, послечего выдает сигнал на отключение инвертора и переключение нагрузки на Байпас.Затем МК просчитывает время охлаждения транзисторов, чтобы не дать возможностивключения инвертора сразу после окончания первой перегрузки. Если нагрузкапродолжает оставаться в пределах 110–120% от номинальной, то по окончаниюпросчета заданного времени охлаждения (2–4 мин.) МК выдает сигнал на повторноевключение инвертора и т.д. При больших значениях перегрузки МК черезопределенное время выдаст сигнал переключения нагрузки на Байпас и повторноевключение инвертора будет возможно лишь после снятия перегрузки.
Перегрузочныеспособности ИБП являются одним из важных потребительских показателей, т.к.позволяют оптимально выбирать номинальную мощность ИБП при подключениинагрузок, обладающих большими пусковыми токами или при использовании ИБП втехнологических процессах с кратковременными периодическими пиковыминагрузками. В таблице №3 приведены характерные для современных ИБП малой исредней мощности перегрузочные показатели инвертора и режима Байпас.
3.Преобразователь DC/DC (ППН) в ИБП малой мощности обеспечивает повышение истабилизацию напряжения аккумуляторной батареи (АБ) до уровня, необходимого длянадежной работы инвертора в автономном режиме. Принципиальная схема ППНпредставляет собой двухтактный дифференциальный высокочастотный преобразовательна двух группах параллельно включенных силовых транзисторов и высокочастотномтрансформаторе, мощность которого с учетом потерь в инверторе должна превышатьвыходную мощность ИБП. Транзисторы управляются сигналами (30 кГц) с микросхемыШИМ контроллера типа UC3525, который в свою очередь получает сигналы разрешенияработы с платы управления ИБП и сигнал о величине высоковольтного напряженияпитания инвертора.
Таблица 2.Перегрузочные показатели ИБППроизводитель Модель ИБП
Номинальная
мощность,
кВА Инвертор Байпас
Перегрузка,
%
Время
перегрузки, с
Перегрузка,
%
Время
перегрузки,
с Invensys PW9120 1 – 6 125 60 1000 0,02 150 10 PW9150 8 – 15 125 60 150 10 Liebert GXT 6 – 10 130 10 н/д н/д 200 0,16 Nfinity 4 – 16 125 600 150 20 200 0,25 Hinet 10 – 30 125 600 150 1800 150 10 1000 0.1 300 0,1 Riello MDM 10 –20 125 600 н/д н/д 150 60
Энергетические
технологии ДПК 1 – 3 110 30 н/д н/д 130 10 150 0,2 6 – 10 130 600 150 60
Кдифференциальной выходной обмотке высокочастотного трансформатора подключеныдве группы диодов, обеспечивающие выпрямление и формирование на конденсаторахС1, С2 (рис. 6) высоковольтного напряжения постоянного тока +350, –350 Вотносительно общей шины для питания инвертора в автономном режиме работы ИБП.
4.Зарядное устройство (ЗУ) обеспечивает заряд АБ при работе ИБП в сетевом режиме.В качестве АБ используются последовательно включенные герметичные(необслуживаемые) свинцово–кислотные аккумуляторы. Максимальное выходноенапряжение ЗУ устанавливается из условия 2, 3 В/ячейка. ЗУ в ИБП малой мощностиполучает питание непосредственно от сети через собственный выпрямительный мости сглаживающую емкость. Кроме заряда батареи, ЗУ обеспечивает питание ВИП всетевом режиме и питание обмотки управления реле К1 (рис. 6). Принципиальнаясхема ЗУ выполняется на однотактном высокочастотном преобразователе (30 кГц),содержащим силовой транзистор и высокочастотный трансформатор. Управлениесиловым транзистором осуществляется сигналом с микросхемы ШИМ контроллера типаUC3845.
ВИБП средней мощности основное зарядное устройство (ЗУ) подключено к шинестабильного высоковольтного напряжения постоянного тока и выполнено по схемеDC/DC преобразователя (рис. 5). ЗУ выполняется по схеме двухтактногодифференциального высокочастотного преобразователя с частотой коммутациисиловых транзисторов 20–30 кГц. Использование стабильного высоковольтногонапряжения 700–800 В с выходных шин ККМ позволяет получить высокий к.п.д. ЗУ. ВИБП мощностью 6 – 10 кВА такое зарядное устройство обеспечивает зарядный ток 3–4А при номинальном напряжении АБ 240 В. При наличие дополнительной внешнейаккумуляторной батареи (АБ) используется дополнительное зарядное устройство(ДЗУ), выполняемое по схеме AC/DC преобразователя и подключенное к сети.
5.Блок коммутации (Байпас) автоматически обеспечивает цепь подключения нагрузкинепосредственно к сети при аномальных режимах работы ИБП (перегрузке,перегреве, выходе из строя одного из узлов ИБП). Двухпозиционное реле К2 в ИБПмалой мощности (рис. 4) срабатывает от сигнала с платы управления иобеспечивает переключение выхода ИБП с инвертора на сеть (режим Байпас) инаоборот. Контакты входного реле К1 блока коммутации замыкаются при наличиенапряжения с блока ЗУ при подключении ИБП к сети и сигнала разрешения от платыуправления, который возникает, если подтверждается, что входное напряжение идругие системные параметры ИБП находятся в норме.
ВИБП средней мощности блок коммутации выполняется на тиристорах, осуществляющихпо сигналу с платы управления переключение нагрузки с выхода инвертора на сетьи наоборот.
6.Вторичный источник питания (ВИП) формирует ряд низковольтных напряженийпостоянного тока (5, 12, 15, 24 В) для обеспечения питанием различных цепейсистем управления блоков силовой платы, питание платы управления ивентиляторов. Питание блока ВИП осуществляется от ЗУ при сетевом режиме или отбатареи при автономном режиме.
Принципиальнаясхема ВИП выполняется на однотактном высокочастотном преобразователе. Выход изстроя ВИП приводит к общей неисправности ИБП и переключение нагрузки на Байпас. 2.1 Системные показатели ИБП
Втаблице №4 отражен ряд системных показателей ИБП малой мощности со среднимвременем резерва 6–8 мин. при 100% нагрузке за счет встроенных аккумуляторныхбатарей. Здесь приведены габариты корпусов ИБП, удельные мощности иэнергетические показатели.
Удельнаямощность определялась с учетом выходного коэффициента мощности Kpвых,номинальной выходной мощности Sвых и объема корпуса V:
/>(3)
Энергетическийкоэффициент, определяющий соотношение потребляемой полной мощности из сети имощности, отдаваемой в нагрузку, находится по выражению:
Kэ= η´Kpвых
где:η – К.П.Д. ИБП, Kpвых – входной коэффициент мощности ИБП.
Системные показатели ИБП малой мощностиПроизводитель
Модель
ИБП
Мощность,
кВА
Габариты,
мм
Удельная
мощность, Вт/дм3
Энергетический
коэффициент Сhloride Active 1 145´405´225 52,5 н/д 3 200´405´350 74 Invensys PW9120 1 155´410´240 46 0,85 3 215´470´365 57 Liebert GXT–2U 1 89´546´432 34 0,85 3 89´615´432 89
Энергетические
технологии ДПК 1 145´390´220 57 0,82 3 200´450´340 69 0,85
Какследует из сравнения структурного построения и технических характеристик ИБПмалой и средней мощности разных производителей, они во многом схожи ипредставляют собой ИБП с неуправляемым выпрямителем, встроенным активнымкорректором мощности и полумостовым бестрансформаторным инвертором. Такие ИБПобладают высоким энергетическим коэффициентом по сравнению со структурами ИБПпредыдущего поколения, основанных на управляемых тиристорных выпрямителях имостовых инверторах, энергетический коэффициент которых не превышает 0,7. Засчет применения в своей структуре ККМ современные ИБП имеют также низкийкоэффициент искажения синусоидальности входного тока, что обеспечивает хорошуюэлектромагнитную совместимость ИБП с другими нагрузками, подключенными к общейсети. Совокупность указанных свойств определяет использование ИБП для обеспечениякачественной бесперебойной электроэнергией критичных нагрузок.
Выборпользователем рассмотренных моделей ИБП должен определяться, в первую очередь,показателем цена/качество и надежным сервисным обслуживанием.
3. Примерысовременных ИБП
Liebert NX (10–1200 кВА)
Система электропитания с двойнымпреобразованием напряжения, обеспечивает исключительное качество и надежностьпитания цепей нагрузки, превосходит аналоги по параметрам, надежности иокупаемости капиталовложений.
/>
Liebert NX
источникбесперебойный питание энергия
Характеристики модели:
Система Liebert NX – ИБП новогопоколения с двойным преобразованием и цифровым управлением, работающая в режиме«True On–Line». Имеет нулевое время переключения в режим работы отбатарей, обеспечивают 100% защиту и максимально гарантированное выходноеэлектропитание.
ИБП серии Liebert NXобеспечивают оптимальное сочетание:
· надежности
· удобства эксплуатации
· соответствие современным требованиям
· относительно невысокую стоимость в самом широком диапазонеприменений
Устанавливаются в видеодиночного модуля или параллельной системы '1+N' с возможностью расширения до 6модулей.
Преимущества:
· Максимальная защита и надежность
· Сокращение капитальных затрат и расходов на электроэнергию
· Широкий диапазон типов нагрузок
· Низкий уровень помех
· Масштабируемость по мощности
· Работа в самых сложных условиях эксплуатации
· Адаптация к специфическим требованиям Возможность работы с двумянезависимыми источниками входного напряжения
Максимальная защита и надежностьобусловлены:
Оснащением двумя идентичными иполностью резервированными платами блоков электропитания схем управления.Каждый из них запитан по входу от источников постоянного и переменногонапряжения. Даже в случае отсутствия напряжения от одного из этих источниковили отказа одного из блоков питания система Liebert NX может продолжатьнормально функционировать. Эта особенность значительно повышает надежностьсистемы.
Высокоэффективной системойохлаждения наиболее ответственных компонентов и избыточными вентиляторами(опция)
Более широким диапазономвходного напряжения и частоты (От 305В до 477 В; от 40 Гц до 72 Гц)
Цифровое управление обеспечиваетвысокое быстродействие, надежность и точность регулирования при снижениистоимости компонентов.
Работа в конфигурации«двойная шина синхронизации нагрузки» способствует дальнейшемуповышению надежности электропитания.
Высокая перегрузочнаяспособность
110 % в течение 1 часа,
125 % – в течение 10 минут
150 % – в течение 1 минуты.
/>Liebert Hinet(10–30 кBA)
Масштабируемый ИБП с двойнымпреобразованием напряжения для питания 1–но или 3–х фазной нагрузки, сгенерацией собственного стабилизированного синусоидального напряжения.
/>
LiebertHinet
ИБП Hinet фирмы Liebertпредназначен для обеспечения нагрузки стабилизированным питанием в всемдиапазоне номинальных нагрузок и при любом состоянии питания на входе.Сконструирован в стальной раме со съемными панелями.
ИБП Hinet работает по принципудействительной «он–лайн» технологии с двойным преобразованием.Питание, обеспечиваемое ИБП свободно от любых колебаний напряжения и частотыили отклонений на входе, или отклонений, вызванных шумами. ИБП также генерируетсобственное стабилизированное синусоидальное напряжение для питания критичныхсистем.
Имеет встроенный байпас, которыйиспользуется в качестве альтернативного способа питания нагрузки в случаеперегрузки или выхода ИБП из строя. Дополнительный внутренний ручной байпас,используется при проведении работ по профилактическому техническомуобслуживанию или тестированию ИБП без прекращения подачи питания к нагрузке.
Преимущества:
Действительно «он–лайн»конструкция с двойным преобразованием напряжения
Трехфазный вход, 1–но или 3–хфазный выход
Масштабируемая номинальнаямощность (только для моделей с 3–х фазным выходом)
Поддерживает нагрузку с пик–фактором3:1 без ухудшения характеристик
Изолирующие трансформаторы ифильтры гармонических искажений
Статический байпас и байпас дляпроведения технического обслуживания
Масштабируемые внутренние ивнешние батареи
Режим экономии энергии
Низкий уровень акустическогошума
Компактность
Улучшенный мониторинг иуправление.
/>Liebert UPStation GXT2 (700 BA – 6000 BA)
ИБП c двойным преобразованиемнапряжения для цепей питания критичного оборудования, универсальнойконструкцией напольного и стоечного 19" исполнения (2U вертикали),подключением неограниченного числа внешних батарей.
/>
LiebertUPStation GXT2
UPStation GXT2 – надежный,высокоэффективный «on–line» источник бесперебойного питания (ИБП) сдвойным преобразованием входного напряжения, внутренними батареями,размещаемыми в одном компактном корпусе – небольшой шкаф высотой 2U.Характеризуется легкостью обслуживания, имея батареи, которые пользовательможет заменить самостоятельно
UPStation GXT2 обладает всемифункциями для защиты от провалов, выбросов, всплесков, перебоев, сильногопонижения напряжения, а так же шумов, колебаний частоты и искажений формыволны. Обеспечивает коррекцию коэффициента мощности, преобразование частоты,имеет внутренние батареи с возможностью подключения неограниченного числавнешних батарей и ручной байпас.
Питание чувствительного кпомехам электронного оборудования производится переменным током идеальнойсинусоидальной формы.
Преимущества:
Технология on–line с двойнымпреобразованием
Работа в стойке или вконфигурации «tower»
Высота всего 2U ( мощностью до3000 ВА, включая батарею);
Возможность значительногоувеличения времени автономной работы от батареи за счет внешних батарейныхшкафов 2U «Plug and Play»;
Совместимость с программнымобеспечением Multilink фирмы Liebert (входит в комплект вместе с кабелем);
Совместимость с Intellislot SNMPWEB картой;
Возможность конфигурированияпользователем выходных параметров и сигналов тревоги;
Возможность быстрой заменыбатарей;
Широкий диапазон входного напряжениядо 115 В в зависимости от нагрузки;
Привлекательный внешний вид
Заключение
ИБП с двойным преобразованиемпреобразуют поступающее на вход переменное напряжение в постоянное, а затемпостоянное напряжение снова преобразуют в переменное. Такое двойноепреобразование позволяет практически полностью оградить нагрузку от любыхнеполадок и искажений во внешней сети. Как и в двух других типах UPS,аккумуляторная батарея включается в работу тоже только в аварийном режиме, ноона постоянно подключена ко входу инвертора, в результате обеспечиваетсяпрактически нулевое время переключения.
К положительным свойствам ИБП сдвойным преобразованием следует отнести следующие.
· Хорошая защита от шумов и наносекундных импульсов.
· Очень хорошая защита от искажений формы кривой напряжения имикросекундных импульсов.
· Возможность работы в сетях с нестабильной частотой.
· Самая лучшая плавная стабилизация напряжения с высокой точностью.
· Возможность наращивания батареи практически для всех моделей ИБП.
Как и для других ИБП, недостаткиИБП с двойным преобразованием вытекают из особенностей силовой схемы ИБП (и, ксожалению, вряд ли могут быть отделены от преимуществ). Более высокая цена, посравнению с другими типами ИБП (кроме феррорезонансного). Повышенноетепловыделение, по сравнению с другими типами ИБП (кроме феррорезонансного).
Список использованной литературы
1. Источники вторичного электропитания / В.А. Головацкий, Г.Н. Гулькович,Ю.И. Конев и др.; Под ред. Ю.И. Конева –М.: Радио и связь, 2000. –420 с.
2. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С.Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; Под ред. Г.С. Найвельта. –М.: Радиои связь, 2005. –576 с.
3. Костиков В.Г., Никитин И.Е. Источники электропитания высокого напряженияРЭА. –М.: Радио и связь, 2006. –200 с.
4. Костиков В.Г., Парфенов Е.М., Шахнов В.А. Источники электропитанияэлектронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов. – 2–еизд. –М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с.
5. Функциональные устройства систем электропитания наземной РЭА / В.В.Авдеев, В.Т. Костиков, А.М. Новожилов, В.И. Чистяков; Под ред. В.Г. Костикова.–М.: Радио и связь, 2000. –192 с.
6. http://at–systems.ru/quest/ups–quest/ups–quest.shtml
7. http://www.m–volt.ru/support/articles/article9.html
8. http://www.ask–r.ru/info/library/ups_without_secret_1.htm