НИР-3 Шерстюк з-66

2. Eaton.

Китайский производитель с американским происхождением и вековой историей. Помимо электротехнической выпускает авиакосмическую, гидравлическую и транспортную продукцию.

ИБП Eaton Powerware 9130

Общие характеристики:

-полная мощность, 0,7 кВА;

-активная мощность 0,63 кВт;

-топология Online, двойное преобразование. Входные характеристики:

-однофазный вход;

-номинальное входное напряжение 220/230/240 В переменного тока;

-диапазон входного напряжения от 160 до 276 В;

-диапазон входной частоты от 45 до 65 Гц;

-номинальный входной ток 3 А.

Выходные характеристики:

-однофазный выход;

-номинальное выходное напряжение 220/230/240 В переменного тока;

-нестабильность выходного напряжения, не более ± 3%;

-выходная частота 50/60 ± 0.1 Гц;

-выходной коэффициент мощности 0.9;

-КПД в режиме работы от электросети не менее 79,5 %;

-напряжение на шине постоянного тока ............................24 В постоянного тока

-время автономной работы 19 минут при нагрузке 50%, 12 минут при нагрузке 75% (коэффициент мощности нагрузки 0,7);

Стоимость ИБП составляет 36 100 рублей.

В данной части были рассмотрены ИБП лучшего и типового производителей электротехнической продукции. Во всех случаях ИБП обеспечивают необходимую мощность, но время автономной работы является недостаточным.

4 Теоретическая часть

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

11

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.

Рисунок 1 - структурная схема ИБП резервного типа.

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.

Достоинства ИБП резервного типа:

–простота и дешевизна;

–высокий КПД в сетевом режиме. Недостатки:

12

–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.

13

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 линейноинтерактивного 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.

14

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.

16

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

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

ВИБП 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,

17

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 ШИМконтроллера 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.

18

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.

Если нагрузка продолжает оставаться в пределах 110—120% от номинальной, то по окончанию просчета заданного времени охлаждения (как правило, 2-4 мин.) МК выдает сигнал на повторное включение инвертора. При больших значениях перегрузки МК через определенное время выдаст сигнал переключения нагрузки на байпас, и повторное включение инвертора будет возможно лишь после снятия перегрузки.

Перегрузочные способности ИБП являются одним из важных потребительских показателей, так как позволяют оптимально выбирать номинальную мощность ИБП при подключении нагрузок, обладающих большими пусковыми токами или при использовании ИДП в технологических процессах с кратковременными периодическими пиковыми нагрузками.

ППН в ИБП малой мощности обеспечивает повышение и стабилизацию напряжения АБ до уровня, необходимого для надежной работы инвертора в автономном режиме. Принципиальная схема ППН представляет собой двухтактный дифференциальный ВЧ-преобразователь на силовых транзисторах и ВЧтрансформаторе, мощность которого с учетом потерь в инверторе должна превышать выходную мощность ИБП. Силовые транзисторы управляются сигналами (25-30 кГц) от специализированного ШИМ-контроллера, который в свою очередь получает сигналы разрешения работы с платы управления и сигнал обратной связи о величине высоковольтного напряжения питания инвертора. К дифференциальной выходной обмотке ВЧ-трансформатора подключены диоды, обеспечивающие выпрямление и формирование на конденсаторах С1, С2 (рис. 6) высоковольтного напряжения постоянного тока +350, –350 В относительно общей шины для питания инвертора в автономном режиме работы ИБП.

Зарядное устройство обеспечивает заряд АБ при работе ИБП в сетевом режиме. В качестве АБ используются последовательно включенные герметичные (необслуживаемые) свинцово-кислотные аккумуляторы. Максимальное выходное напряжение ЗУ устанавливается из условия 2,3 В/ячейка. ЗУ в ИБП малой мощности получает питание непосредственно от сети через собственный выпрямительный мост и сглаживающую емкость. Кроме заряда АБ, ЗУ обеспечивает питание вторичного источника питания (далее - ВИП) в сетевом режиме и питание обмотки управления реле К1 (рис. 6). Принципиальная схема ЗУ выполняется на однотактном ВЧ-преобразователе (30 кГц), содержащем транзистор, управляемый сигналом с микросхемы ШИМ-контроллера, и ВЧ-трансформатор. В ИБП средней мощности основное ЗУ подключено к шине стабильного высоковольтного

20