НИР черновик

На сегодняшний день невозможно представить жизнь человека без электричества. Жизнь большинства людей зависит от его наличия в сети. Без электричества невозможно существование современной медицины, поддержание общественного порядка, горячее и холодное водоснабжение. Если представить, что электрическая энергия неведомым образом перестала поступать во все электросети в мире, то жизнь исчезнет с поверхности Земли из-за многочисленных техногенных катастроф. Поэтому надёжность электроснабжения - один из жизненно важных аспектов существования общества.

Правила устройства электроустановок предусматривают три категории электроприёмников.

Электроприемники первой категории - электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения.

Из состава электроприемников первой категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров.

Электроприемники первой категории в нормальных режимах должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания.

Для электроснабжения особой группы электроприемников первой категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания.

В качестве третьего независимого источника питания для особой группы электроприемников и в качестве второго независимого источника питания для остальных электроприемников первой категории могут быть использованы местные электростанции, электростанции энергосистем (в частности, шины генераторного напряжения), предназначенные для этих целей агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные батареи и т.п.

Если резервированием электроснабжения нельзя обеспечить непрерывность технологического процесса или если резервирование электроснабжения экономически нецелесообразно, должно быть осуществлено технологическое резервирование, например, путем установки взаимно резервирующих технологических агрегатов, специальных устройств безаварийного останова технологического процесса, действующих при нарушении электроснабжения.

Электроснабжение электроприемников первой категории с особо сложным непрерывным технологическим процессом, требующим длительного времени на восстановление нормального режима, при наличии технико-экономических обоснований рекомендуется осуществлять от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, к которым предъявляются дополнительные требования, определяемые особенностями технологического процесса.

Электроприемники второй категории - электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

Электроприемники второй категории в нормальных режимах должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания.

Для электроприемников второй категории при нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады

Электроприемники третьей категории - все остальные электроприемники, не подпадающие под определения первой и второй категорий.

Для электроприемников третьей категории электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, не превышают 1 суток.

Согласно данных критериев, система радиационного контроля УИМ-3Д относится к особой группе потребителей первой категории, поскольку нарушение её электроснабжения влечёт за собой опасность для жизни и здоровья людей. Поэтому необходимо предусмотреть для неё третий независимый источник питания, в качестве которого лучше всего подходит источник бесперебойного питания.

История развития ИБП.

Основным элементом источников бесперебойного питания (далее - ИБП), без которого он просто не мог быть изобретён, является аккумулятор.

Точкой отсчёта истории аккумуляторов принято считать 1791 год. Тогда, работая в Болонском университете, Луиджи Гальвани открыл, что мышцы лягушки сокращаются при контакте с металлическими предметами. Этот феномен стал известен как «животное электричество» (позже теория «животного электричества» была опровергнута как неверная). Вдохновлённый этими исследованиями, Вольта инициировал проведение серии экспериментов с использованием цинка, свинца, олова и железа в качестве положительного электрода. Медь, серебро, золото и графит были использованы в качестве отрицательного электрода.

Следующим этапом в получении электричества было использование для этого электролиза. В 1800 году Вольта открыл, что можно генерировать постоянный поток электричества, используя определённые жидкости как проводники для обеспечения химической реакции между металлами электродов. Это привело к изобретению «элемента Вольты», известного нам теперь как гальванический элемент или электрическая батарея. Позже Вольта открыл, что электрическое напряжение можно увеличить, если гальванические элементы поместить друг над другом. Это изобретение было названо «Вольтов столб».

Новые открытия были сделаны, когда сер Хемфри Дэви, изобретатель безопасной шахтёрской лампы, установил самую большую и мощную на то время электрическую батарею в подвалах Королевского института в Лондоне. Он присоединил к батарее угольные электроды и получил с их помощью первый электрический свет. Как говорили свидетели, его электрическая дуговая лампа излучала «самое яркое свечение, когда-либо виденное».

Самое важное исследование Дэви было посвящено электрохимии. После экспериментов Гальвани и изобретения гальванического элемента, интерес к электричеству был всеобщим. В 1800 году Дэви начал исследования химических эффектов электричества. Вскоре он обнаружил, что если пропустить электрический ток через некоторые вещества, то они разлагаются. Позже этот процесс был назван электролизом. Производимое в электрической батарее электричество напрямую связанно с химической реакцией электродов с электролитом. Очевидно, Дэви понимал, что процессы, происходящие при электролизе и в гальваническом элементе, одни и те же.

В 1802 году Вильям Крукшенк сконструировал первую электрическую батарею пригодную для массового производства. Крукшенк соединял квадратные медные пластины с пластинами из цинка такого же размера. Эти пластины помещались в длинный прямоугольный деревянный ящик, который герметизировался цементом. В нужном положении металлические пластины удерживались канавками в стенках ящика. Затем ящик заполнялся электролитом – рассолом или кислотой, разбавленной водой.

Третий метод производства электричества, открытый позже – электричество, получаемое посредством магнетизма. В 1820 году Андре-Мари Ампер (1775-1836) заметил, что проводники, через который проходит электрический ток, могут либо притягиваться друг к другу, либо отталкиваться.

В 1831 году Майкл Фарадей (1791-1867) продемонстрировал, что медный диск производит непрерывный поток электричества, если он вращается в сильном магнитном поле. Фарадей, который был ассистентом в исследовательской команде Деви, добился успеха в получении электрического тока, который был непрерывным всё то время, когда происходило движение между магнитом и катушкой из провода. Так был изобретён электрический генератор. Процесс взаимодействия между катушкой и магнитом оказался обратимым и это привело к изобретению электрического мотора. Вскоре после этого был создан трансформатор, который мог преобразовывать электричество до необходимого напряжения. В 1833 Фарадей установил основы электрохимии, открыв закон Фарадея, который определяет количество вещества, выделяемого или теряемого на электродах в зависимости от количества проходящего через них электричества.

В 1936 английский химик Джон Даниэль, работая в области исследования электрохимических батарей, разработал улучшенный гальванический элемент, который более устойчиво производил электричество, чем элемент Вольта. До той поры, все электрические батареи состояли из первичных электрических элементов, которые не могли быть заряжены повторно. В 1859 году французский физик Гастон Планте изобрёл первую перезаряжаемую батарею. Эта вторичная электрическая батарея была основана на химических процессах, происходящих между свинцом и кислотой. Такие аккумуляторные батареи до сих пор находят широкое применение.

В 1899 году швед Вальдемар Юнгнер изобрёл никель-кадмиевый аккумулятор, который использовал никель в качестве положительного электрода и кадмий для отрицательного. Двумя годами позже, Эдисон предложил альтернативную конструкцию, заменив кадмий железом. Из-за высокой стоимости используемых в никель-кадмиевых и никель-железных аккумуляторах материалов (по сравнению с сухими электрическими батареями или свинцовыми аккумуляторами), практическое использование этих типов аккумуляторных батарей имеет определённые ограничения. Значительно улучшило характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов изобретение в 1932 году немецкими учёными Шлехтом и Акерманом электродов, изготовленных прессованием из порошка. Это позволило увеличить рабочие токи никель-кадмиевых аккумуляторов и увеличило строк их службы. Герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы, используемые нами в настоящее время, были разработаны в 1947 году.

С первых же дней после открытия электричества, человечество стало зависимым от изобретения, поэтому появилась необходимость в создании приборов, которые бы поставляли энергию при отключения основного источника питания.

Если развитие сотовых телефонов можно было наблюдать в быту, то источники бесперебойного питания стали известны большинству населения только во время массовой компьютеризации. ИБП для персональных компьютеров служили для обеспечения безопасного выключения и сохранения данных при незапланированных отключениях электроэнергии, и время автономной работы составляло не больше 10-ти минут. Но история развития ИБП берёт своё начало гораздо раньше.

История создания источников бесперебойного питания насчитывает порядка ста лет. Впервые их разработку начала компания «Eaton Corporation», которая занялась проектировкой создания устройств данного типа с 1930 года, и продолжает развивать эту отрасль до сих пор. Первые источники бесперебойного питания появились в 40-х годах прошлого века, но не использовались обширно из-за нестабильности электрической системы. Наиболее известно ИБП стало во время Второй Мировой войны, и только определенному кругу людей, так как данные разработки были доступны лишь секретным войскам.

Только благодаря компании «Eaton Corporation» весь мир узнал об ИБП, чье использование начинается повсеместно с 50-х годов ХХ века. Разработчики представленной корпорации создали практически спасительный прибор для всего мира, так как многие промышленные предприятия стабильно работают лишь за счет ИБП.

Первые ИБП были внушительных размеров и предназначались исключительно для защиты от перепадов напряжения на фабриках и заводах, обеспечивающих производство жизненно важных препаратов. Они могли сохранять энергию не больше часа, чего хватало только на прекращение работы и своевременное отключение техники, но это считалось уникальным прорывом, так как резкое прекращение работы фабрик обычно приводило как к потере материала, так и к поломке приборов.

В дальнейшем, источники бесперебойного питания постоянно усовершенствовались. В их разработку включились многие компании со всего света, и, путем проб и ошибок, к концу прошлого века создали крупный промышленный источник бесперебойного питания, который мог работать до 5-ти часов - в то время это был настоящий прорыв всего человечества.

Конструкции ИБП.

Источники бесперебойного питания предназначены для защиты электрооборудования пользователя от неполадок в сети, включая искажение или пропадание напряжения сети, а также подавление высоковольтных импульсов и высокочастотных помех, поступающих из нее.

Структуры ИБП.

В соответствии с международным стандартом IEC 62040-3 современные ИБП разделяются на три основных типа:

– ИБП резервного типа — Passive Standby UPS (ранее назывался Off-Line

UPS);

– ИБП линейно-интерактивного типа — Line-Interactive UPS;

– ИБП с двойным преобразованием энергии (ИДП) — Double-Conversion

UPS (ранее назывался On-Line UPS).

ИБП резервного типа.

Структура ИБП резервного типа, представленная на рис. 1, содержит входной фильтр (далее - ВФ), зарядное устройство (далее - ЗУ), инвертор (далее - ИНВ), аккумуляторную батарею (далее - АБ), блок коммутации (далее - БК), стабилизатор (далее - СТ). ИНВ, выходное напряжение которого имеет прямоугольную форму с регулируемыми паузами между положительными и отрицательными импульсами (скважностью импульсов), обеспечивая стабилизацию действующего значения основной гармоники выходного напряжения частотой 50 Гц при изменении напряжения АБ, подключается параллельно сетевому источнику и действует как источник резервного питания. В качестве СТ можно использовать автотрансформатор с переключаемыми отводами обмотки, выполняющий функции дискретного корректора напряжения с точностью стабилизации выходного напряжения от 7 до 10%. Данная функция обеспечивает расширение диапазона входного напряжения до ±25%, при котором не происходит переключение в аккумуляторный режим.

При отклонении входного напряжения более допустимого или пропадании сети происходит переключение нагрузки на инвертор. Таким образом, ИБП резервного типа представляют собой комбинацию стабилизатора и инвертора, подключаемые к нагрузке с помощью БК.

Рисунок 1 - структурная схема ИБП резервного типа.

Достоинства ИБП резервного типа:

– простота и дешевизна;

– высокий КПД в сетевом режиме.

Недостатки:

– большое время переключения нагрузки с сети на инвертор, и наоборот (от 4 до 20 мс);

– несинусоидальное выходное напряжение в автономном режиме;

– ИБП не защищает нагрузку от недопустимых отклонений частоты и формы напряжения сети;

– возможно возникновение нежелательных переходных процессов выходного напряжения при переключениях с сети на инвертор и наоборот.

Наиболее распространенный диапазон мощностей ИБП резервного типа 250 - 1500 ВА.

ИБП линейно-интерактивного типа.

Топология линейно-интерактивного ИБП характеризуется присутствием двунаправленного преобразователя напряжения (далее - ДПН), выполняющего как функцию ИНВ, так и функцию ЗУ (рис. 2). При наличии сети ДПН работает как выпрямитель и осуществляет заряд АБ. Благодаря двунаправленному действию и синусоидальной форме напряжения, формируемого в режиме инвертора, ДПН взаимодействует с сетевым источником, то есть имеет интерактивное включение. Как и для резервных ИБП, в данном случае в качестве СТ для расширения диапазона входного напряжения без перехода на автономный режим обычно используется дискретный корректор напряжения. Статическая точность стабилизации и допустимый диапазон изменения входного напряжения в таких ИБП аналогичны резервным ИБП. В сетевом режиме возможна стабилизация выходного напряжения путем добавки или вычитания напряжения ДПН из сетевого напряжения. Такой принцип стабилизации получил название «Дельтапреобразование» и используется некоторыми производителями ИБП.

Рисунок 2 - Структурная схема ИБП линейно-интерактивного типа.

Достоинства ИБП линейно-интерактивного типа по сравнению с резервными ИБП:

– синусоидальная форма выходного напряжения в автономном режиме;

– совмещение функций ЗУ и ИНВ в одном узле.

Остальные недостатки, присущие резервным ИБП, распространяются и на ИБП линейно-интерактивного типа. В данных ИБП БК является наиболее ответственным узлом, поскольку именно от его работы зависит обеспечение надежности всего ИБП. Это связано с тем, что при переходе ИБП в автономный режим данный блок должен обеспечивать четкое переключение инвертора и сетевого источника, обладающего малым внутренним сопротивлением. В противном случае инвертор оказывается замкнутым накоротко и выходит из строя.

Наиболее распространенный диапазон мощностей ИБП линейно-интерактивного типа 500 - 3000 ВА.

ИБП с двойным преобразованием.

Структурная схема ИБП с двойным преобразованием энергии (далее - ИДП) приведена на рисунке 3. При такой структуре ИНВ включен последовательно в цепи сетевой источник - нагрузка. При наличии сетевого напряжения в допустимых пределах (величина, частота, искажение) питание нагрузки происходит по цепи выпрямитель-инвертор, где происходит преобразование напряжения переменного тока в постоянный, и наоборот, т.е. двойное преобразование энергии. В режиме перегрузки или выхода из строя какого-либо узла двойного преобразования нагрузка переключается напрямую к сети через БК цепи автоматического шунтирования. При пропадании сети или ее недопустимых отклонениях ИДП мгновенно переходит в автономный режим питания нагрузки энергией АБ. В сетевом режиме выпрямитель выполняет также функцию зарядного устройства батареи. Выпрямитель может выполняться управляемым (на тиристорах или IGBT-транзисторах) или неуправляемым (на диодах). Инверторы ИДП выполняются на IGBT-транзисторах, коммутируемых с частотой от 7,5 до 20 кГц и формирующих с помощью выходного фильтра синусоидальное напряжение 50 Гц.

Рисунок 3 - Структурная схема ИДП.

Основные достоинства ИДП по сравнению с резервными и линейно-интерактивными источниками следующие:

– обеспечение высокой точности стабилизации синусоидального выходного напряжения в сетевом и автономном режимах;

– обеспечение стабильной частоты выходного напряжения при отклонениях частоты сети;

– отсутствие переходных процессов при переключениях с сетевого режима

на автономный и наоборот;

– возможность исключить влияние нелинейной нагрузки на гармонический состав и форму входного тока;

– повышение надежности системы по обеспечению бесперебойного питания нагрузки за счет автоматического байпаса.

Наиболее распространенный диапазон мощностей ИДП от 1 до 400 кВА.

Рассмотренные топологии ИБП относятся к статическим системам бесперебойного питания, где поддержание выходного напряжения при отсутствии сети обеспечивается энергией АБ. В динамических системах бесперебойного питания используется кинетическая энергия вращающегося маховика, которая может достигать нескольких миллионов джоулей. Такие системы используются на мощности сотни, тысячи киловатт и содержат синхронный электрогенератор, механически связанный с ротором асинхронного двигателя, который выполняет роль маховика.

Система аккумулирует значительную кинетическую энергию и при отключении или кратковременном прекращении подачи электроэнергии осуществляет параметрическую стабилизацию выходного напряжения. При длительном отключении сетевого напряжения запускается дизельный двигатель, который поддерживает вращение маховика генератора через магнитное сцепление.

Однофазные ИБП

Основные структурные схемы однофазных ИБП с корректорами коэффициента мощности (далее - ККМ) приведены на рис. 4 и 5. В состав ИБП малой мощности входят силовые узлы: выпрямитель-корректор коэффициента мощности (далее - ККМ-В), ИНВ, преобразователь постоянного напряжения (далее - ППН), ЗУ, обеспечивающие работу ИБП в сетевом и автономном режимах ( рис. 4).

Рисунок 4 - Однофазный ИБП малой мощности.

ККМ-В выполняет следующие функции:

– осуществляет преобразование напряжения сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока, обеспечивая питание ИНВ стабильным напряжением постоянного тока 700 В (±350 В);

– обеспечивает потребление из сети входного тока, совпадающего по фазе с напряжением сети и имеющего практически синусоидальную форму независимо от характера нагрузки ИБП, благодаря чему входной коэффициент мощности близок к единице.

ВФ обеспечивает подавление выбросов сетевого напряжения при переходных процессах и осуществляют фильтрацию высокочастотных коммутационных помех.

Система управления ИБП обеспечивает необходимый алгоритм работы силовых узлов, тестирование состояния, мониторинг и управление. Плата дисплея содержит ряд светодиодов для индикации режимов работы ИБП и кнопки включения ИНВ силовой платы.

В некоторых моделях ИБП используются ЖК-дисплеи для отображения электрических параметров и состояния ИБП.

В составе ИБП возможно также наличие дополнительного ЗУ, обеспечивающего заряд внешней аккумуляторной батареи повышенной емкости.

В ИБП средней мощности из состава силовой платы выделяют несколько силовых узлов, содержащих силовые дроссели, накопительные конденсаторы, плату коммутации (электронный байпас), плату ЗУ.

Структурная схема силовой цепи ИБП средней мощности (рис. 5) отличается тем, что повышение напряжения АБ для питания инвертора осуществляется с помощью одного и того же преобразователя постоянного напряжения (ППН), который выполняет также функцию ККМ в сетевом режиме. Это позволяет повысить эффективность системы.

Рисунок 5 - однофазный ИБП средней мощности.

Рассмотрим более подробно некоторые особенности принципиальных схем силовой цепи однофазных ИБП.

Функциональные схемы силовых цепей однофазных ИБП малой и средней мощности приведены на рис. 6 и 7.

Высокочастотный ККМ в ИБП малой мощности выполнен по схеме повышающего преобразователя (бустера) с дифференциальным выходом и силовым дросселем L1, включенным во входную цепь переменного тока. Силовой транзистор ККМ VT1 (рис. 6) управляется сигналом с широтно-импульсной модуляцией (далее - ШИМ). Формирование ШИМ-сигнала осуществляет специализированная микросхема ККМ-контроллера. На входы ККМ-контроллера поступают сигналы, пропорциональные входному напряжению и току, напряжению на выходе ККМ, сигнал синхронизации и сигнал управления (вкл./выкл.) ККМ от микроконтроллера платы управления.

Рисунок 6 - однофазный ИБП малой мощности.

В отличие от ИБП малой мощности, в ИБП средней мощности выпрямитель выполняется на тиристорах VS1, VS2 (см. рис. 7), обеспечивающих включение выпрямителя по сигналу с платы управления в сетевом режиме и его отключение в автономном режиме или неисправностях силовых элементов цепи ИБП.

Высокочастотный ККМ выполняется по двухтактной схеме повышающего преобразователя на двух силовых транзисторах VT1, VT2 c использованием двух дросселей L1, L2, включенных в цепи выпрямленного тока.

ШИМ-управление транзисторами VT1, VT2 обеспечивает повышение и стабилизацию выходного напряжения ККМ на положительной и отрицательной шинах постоянного тока. Каждый транзистор управляется от собственного ШИМ-контроллера или сигналами, сформированными на плате управления. Высокий коэффициент передачи по напряжению повышающего преобразователя (бустера) в режиме непрерывного тока дросселя обеспечивает широкий диапазон допустимого входного напряжения, при котором ИБП не переходит в автономный режим.

АБ в ИБП средней мощности подключается на вход ККМ через тиристор VS3 (рис. 7), что обеспечивает разделение цепи заряда АБ от ЗУ в сетевом режиме работы от выхода выпрямителя и мгновенное подключение АБ на вход ККМ в автономном режиме.

Рисунок 7 - однофазный ИБП средней мощности.

Дополнительный выпрямительный мост, выполненный на тиристорах VS4, VS5, VS6, VS7, используется при трехфазном входе ИБП с однофазным выходом.

ИНВ преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока. Блок ИНВ выполняется по полумостовой бестрансформаторной схеме на IGBT-транзисторах VT2, VT3 в ИБП малой мощности (рис. 6) и VT3, VT4 в ИБП средней мощности (рис. 7). Силовые транзисторы управляются высокочастотными (19,2 кГц) ШИМ-сигналами с платы управления.

Широтно-импульсная модуляция сигналов осуществляется по синусоидальному закону, что обеспечивает высокую точность выходного напряжения c помощью быстродействующей системы управления инвертором.

Синусоидальное выходное напряжение формируется из высокочастотных ШИМ-импульсов с помощью выходного фильтра L2, С3 (рис. 6), L3, C3 (рис.7).

Как правило, силовые IGBT-транзисторы инвертора выбирают из условия двойного запаса по току по сравнению с номинальной величиной тока нагрузки. Это позволяет иметь высокие перегрузочные способности ИБП и ток короткого замыкания инвертора в пределах 150—200%. Термозащита силовых транзисторов реализуется с помощью сигнала с релейного датчика температуры (80 - 90°С). Указанный сигнал поступает на центральный микроконтроллер (далее - МК) платы управления. МК подсчитывает время, в течение которого транзисторы не выйдут из строя из-за перегрева, после чего выдает сигнал на отключение инвертора и переключение нагрузки на байпас. Затем МК просчитывает время охлаждения транзисторов, чтобы не дать включиться инвертору сразу после окончания первой перегрузки.