Казачковський_аппч2

ги (1…300 В). Залежно від потужності вони можуть бути реалізовані у вигляді як мікросхеми для монтажу на платі, так і окремого блоку.

До складу мікросхем можуть входити:

силові ключі, драйвери та система керування (для малопотужних джерел);

драйвери та система керування (для більш потужних).

Окрім основних функцій стабілізації та керування ключами, в них передбачені захисти від короткого замикання та перегрівання, засоби для придушення шуму та радіозавад.

7.2. Джерела безперебійного живлення

Джерела безперебійного живлення (ДБЖ) призначені для електропостачання відповідальних споживачів, порушення роботи яких може призвести до значних матеріальних втрат (комп’ютери, мережне та телекомунікаційне обладнання, радіостанції, системи сигналізації та безпеки, аварійне освітлення, системи власних потреб електростанцій, системи автоматизації деяких технологічних процесів у металургії, нафтовій та газовій промисловості тощо). У разі виникнення проблем із електропостачанням вони забезпечують живлення навантаження протягом певного часу від резервного джерела (акумуляторних батарей).

ДБЖ класифікують за наступними ознаками.

1.Потужність:

малопотужні (0,25…3 кВА);

середньої потужності (3…40 кВА);

потужні (до 800 кВА).

2.Принцип дії:

пасивного типу, інші назви: резервні, Standby, Off-line (поза лінією);

активного типу, або On-line (на лінії);

лінійно-інтерактивні (Line-interactive).

3.Форма вихідної напруги:

синусоїдальна;

ступінчаста (з різним ступенем наближення до синусоїди).

Найбільш поширеними є два різновиди: пасивні та активні. Найдосконалішим є активне ДБЖ із подвійним перетворенням енергії,

узагальнена структура якого наведена на рис. 7.13. Воно складається з випрямляча В із коректором коефіцієнту потужності ККП, автономного інвертора напруги АІН, акумуляторної батареї АКБ, статичного СБ та ручного РБ байпасів (обхідних кіл живлення), синусного фільтра Ф. Фактично подібне ДБЖ є перетворювачем частоти з ланкою постійного струму та незмінною вихідною частотою. Схема може працювати в таких режимах:

режим подвійного перетворення (навантаження Н живиться від мережі через випрямляч та інвертор, акумулятор підзаряджається від кола постійного струму);

281

автономний режим (за відсутності або за недостатнього рівня напруги мережі живлення відбувається від попередньо зарядженого акумулятора через інвертор);

режим байпасу (у разі виходу з ладу елементів прямого кола живлення або їх перевантаження автоматично вмикається статичний байпас, під час ремонту або регламентних робіт використовують ручний байпас, які подають до навантаження напругу мережі);

зарядний режим (якщо навантаження вимкнено і наявна напруга в мережі, акумулятор заряджається через випрямляч).

Рис. 7.13. Структура ДБЖ із подвійним перетворенням

Випрямляч має бути розрахованим на повну потужність навантаження. Коректор коефіцієнту потужності стабілізує напругу ланки постійного струму та забезпечує синусоїдальність струму, споживаного ДБЖ із мережі. Інвертор – із синусоїдальною ШІМ. Фільтр придушує вищі гармоніки вихідної напруги інвертора. Статичний (тиристорний) байпас здатний перемикати живлення в нулі струму (це забезпечує відсутність перенапруг під час перемикання). У малопотужних ДБЖ байпас може не використовуватися. За потужностей до 10 кВА знайшли застосування лише схеми з однофазним входом та однофазним виходом. За більших потужностей для вирівнювання навантаження фаз мережі доцільне використання трифазних схем. У потужних ДБЖ для поліпшення форми вхідного струму можуть використовуватися 12-пульсні діодні, а також активні випрямлячі.

На рис. 7.14 поданий приклад силової схеми ДБЖ із подвійним перетворенням.

До входу схеми подається напруга мережі (клеми L та N). До клем +120 В та –120 В підключений акумулятор. Діоди VD1 та VD2 утворюють двопульсний випрямляч, дроселі L1, L2 з ключами Q1, Q2 – підвищувальні переривники, які виконують функції коректора коефіцієнту потужності та стабілізатора напруги (п. 5.3). Ланка постійного струму – зі спільною точкою. На позитивному півперіоді вхідної напруги працює верхня половина схеми, заряджаючи конденсатор С1 до напруги +400 В, на негативному – нижня, яка заряджає конденсатор С2 до напруги –400 В. Півмостовий інвертор із ШІМ на ключах Q3, Q4 (частота модуляції 20 кГц) перетворює постійну напругу на знакозмінну частоти 50 Гц (схема такого роду найбільш поширена в ДБЖ). Дросель L3 та конденсатор С3 утворюють вихідний синусний фільтр. Ключі Q5, Q6 – допоміжні.

282

Вони відкриті в нормальному режимі та закриті після виникнення несправності ДБЖ (це відключає інвертор від других паралельно ввімкнених інверторів, які працюють на спільне навантаження. Перемикач К1 подає живлення до верхньої частини схеми від мережі (положення 1) або акумулятора (положення 2), К2, К3

– так само до нижньої частини.

Рис. 7.14. Силова схема ДБЖ із подвійним перетворенням Переваги ДБЖ із подвійним перетворенням:

некритичність до частоти живильної мережі;

найкраща форма та найвища якість стабілізації вихідної напруги;

на навантаження не впливають високочастотні завади та перенапруги з боку мережі;

можливість нарощування потужності та гарячого резервування шляхом паралельного з’єднання ДБЖ;

миттєве перемикання на батарейне живлення та назад.

Недоліки:

складність та велика вартість;

порівняно малий ККД внаслідок подвійного (і навіть потрійного за наявності ККП) перетворення енергії (не вище 93%).

Значно більший ККД (до 97%) мають активні ДБЖ із дельта-

перетворенням, у яких живлення відбувається через спеціальний трансформатор. Подвійному перетворенню в них піддається лише частина потужності (до 20%). ПЧ у таких джерелах – чотириквадрантні з активним вхідним випрямлячем. Залежно від знаку відхилення напруги в мережі ПЧ передає до вольтододатної обмотки напругу, пропорційну відхиленню напруги мережі від заданої, але зі зворотним знаком. Проте переваги таких схем помітні лише за достатньо непоганої якості напруги в мережі.

Пасивні ДБЖ (рис. 7.15) набагато простіші та дешевші порівняно з активними. Вони випускаються на потужність до 1,25 кВА. У нормальному режимі навантаження живиться від мережі через фільтр, а акумулятор підзаря-

283

джається через випрямляч. Їхній ККД завдяки цьому найвищий (до 98…99%). Лише у разі зникнення напруги мережі або його виходу за допустимі межі навантаження перемикається на живлення від акумулятора через АІН. Проте в таких ДБЖ відсутня стабілізація вихідної напруги, на навантаження можуть впливати перенапруги з боку мережі, мають місце паузи живлення (2…20 мс) під час перемикання від одного режиму до іншого, часті перемикання на батарейне живлення, форма напруги АІН із метою його спрощення та здешевлення часто прямокутна. Використовують такі схеми для живлення малопотужних менш відповідальних споживачів (окремі комп’ютери, робочі станції, офісне периферійне обладнання тощо).

Рис. 7.15. Пасивне ДБЖ

7.3. Квазірезонансні перетворювачі з м’якою комутацією

Розглядаючи процес комутації цілком керованих ключів, ми звичайно вважали його миттєвим, а характер зміни струму ключа та напруги на ньому – стрибкоподібним. Насправді ж як для їх відкривання, так і для закривання потрібен певний час. На початку відкривання ключа (одразу після отримання керуючого імпульсу) до нього прикладена напруга джерела живлення, а прямий струм швидко зростає внаслідок короткого замикання через ще відкритий зворотний діод (п. 1.2). Після зняття керуючого імпульсу внутрішній опір ключа та спад напруги на ньому зростають швидше, ніж знижується прямий струм (темп зміни останнього визначається індуктивністю навантаження). Таким чином, протягом значної частини процесу комутації до ключа прикладена висока напруга одночасно з протіканням через нього великого струму. Наслідком цього є

tk

підвищення втрат енергії в ключі Wk uidt на інтервалі комутації tk . Саме ці

0

втрати обмежують максимальну частоту перемикань ключів та унеможливлюють подальше поліпшення форми вихідного струму. Подібний спосіб перемикання ключів називають жорстким (hard switching). Він є найбільш поширеним, у тому числі в перетворювачах для електропривода. Певного зменшення комутаційних втрат досягають шляхом використання снаберів (п. 1.2), проте найбільшого ефекту можна досягти, якщо рознести у часі максимуми напруги та струму ключа за допомогою спеціальних резонансних LC-контурів таким чином, щоб процес комутації відбувався за нульових напруги або струму ключа. Ключі з такими контурами отримали назву резонансних або ключів із м’якою комутацією (soft switching), а перетворювачі з ними – квазірезонансних (на відміну від резонансних, де до резонансного контуру входить навантаження).

284

Розрізняють резонансні ключі з комутацією в нулі струму та в нулі напруги. Схеми на рис. 7.16,а забезпечують вмикання та вимикання за нульового струму, схеми рис. 7.16,б – за нульової напруги [36]. Двополюсні схемі (ті, що ліворуч) прямо замінюють звичайні ключі з жорсткою комутацією, триполюсні (ті, що праворуч) вмикають так, що нижня клема з’єднана зі спільною точкою джерела або навантаження.

Рис. 7.16. Резонансні ключі

А) Перетворювачі з комутацією в нулі струму

Практично будь-яка схема з уже розглянутих у розділах 2 та 3 може бути реалізована за допомогою резонансних ключів. Розглянемо роботу послідовного переривника з комутацією за нуля струму (рис. 7.17). Оскільки індуктивність дроселя Lk набагато менша за індуктивність навантаження, струм навантажен-

ня протягом процесу комутації можна вважати незмінним. Окрім того, діоди та ключі вважатимемо ідеальними, а конденсатори та дроселі – такими, що не мають активного опору.

Слід звернути увагу на схожість схеми рис. 7.17,а та схеми штучної комутації тиристора (рис.2.55,а). Коли ключ VT1 вимкнено, комутуючий конденсатор заряджений до напруги джерела U d із полярністю, вказаною на

рис. 7.17,а, а струм навантаження замикається діодом VD2. Після отримання ключем керуючого імпульсу uк (момент часу t1 ) його струм зростає, поступово

перебираючи на себе струм діода VD2. З моменту t2 , коли струм ключа сягне струму навантаження I н , діод VD2 закривається і починається коливне перезарядження конденсатора через ключ та дросель Lk . У момент t3 напруга на конденсаторі сягне U d , а його струм – нуля і почнеться перезарядження у зворотному напрямі. Згодом, у момент t4 впаде до нуля і струм ключа, після чого він

закриється, а струм перезарядження конденсатора надалі протікатиме діодом VD1. Після цього моменту напругу керування з ключа знімають (як видно, закривання ключа відбувається за нульового струму і тому практично не супроводжується втратами у ньому). На момент t5 зворотне перезарядження конден-

сатора завершується, а діод VD1 закривається. Протягом інтервалу t5 …t6 конденсатор дозаряджається до напруги U d через джерело та навантаження, після чого відкривається діод VD2, яким і тече надалі струм навантаження. Почина-

285

ється інтервал t0 , протягом якого напруга на навантаженні дорівнює нулю. У момент t7 знову відкривають транзистор і починається новий цикл комутації.

а

T

uк

t

iLk

Рис. 7.17. Послідовний переривник із комутацією в нулі струму

Як видно, після відкривання транзистора його струм внаслідок наявності дроселя зростає поступово (інтервал t1 … t2 ), а напруга, прикладена до нього,

впаде раніше, ніж зросте струм. Закривання ж ключа взагалі відбувається в момент, коли струм відсутній (момент t4 ). Тому втрати в ключі як під час відкри-

вання, так і в процесі закривання значно менші, ніж за жорсткої комутації. Тривалість провідного стану ключа t1 … t4 приблизно дорівнює півперіоду переза-

рядження резонансного LC-контуру і не може бути змінена за незмінних пара-

286

Коли головний ключ VT1 закрито, конденсатор заряджений від джерела через діод та навантаження до напруги U d із полярністю, позначеною на

рис. 7.18,а, а струм навантаження замикається через діод VD4. У момент часу t1 (рис. 7.18,б) до затвору головного ключа подається напруга керування uк1 , він відкривається, перебираючи на себе до моменту t2 струм навантаження від діо-

287

Коли напруга на конденРис. 7.19. Підвищувальний переривник саторі починає змінювати знак із м’якою комутацією в нулі струму (момент t4 ), відкривається діод VD3 і струм навантаження поступово перехо-

дить до допоміжного ключа, збільшуючи його струм. Коли в процесі перезарядження струми обох ключів знижуються до нуля (момент t6 ), замість них відк-

риваються діоди VD1 та VD2. Зворотне перезарядження конденсатора відбувається тепер двома контурами: “ Ck – L1 – VD1” та “Ck – L2 – VD2” і закінчуєть-

ся в момент t7 із закриттям обох діодів. Остаточно напруга на конденсаторі встановлюється в момент t8 після його дозарядження від джерела через наван-

таження та діод VD3. Саме в цей момент знову відкривається діод VD4 і напруга з навантаження знімається. У момент t9 знову відкривається головний ключ,

і починається новий період ШІМ. Таким чином, у схемі рис. 7.18 головний ключ у будь-який момент може бути відкритий позитивним потенціалом на своєму затворі та закритий приблизно через півперіод резонансного перезарядження після відкривання допоміжного ключа. Слід зауважити, що допоміжний ключ у розглянутій схемі також комутується за нульового струму.

Активні снабери, подібні до зображеного на схемі рис. 7.18, можуть використовуватися у складі будь-який перетворювачів (мостових, паралельних тощо). Для прикладу на рис. 7.19 зображений підвищувальний переривник із м’якою комутацією в нулі струму [39].

Б) Перетворювачі з комутацією в нулі напруги

Силовий ключ у подібному перетворювачі зашунтований комутуючим конденсатором (рис. 7.20). Коли ключ відкритий, ним, дроселем та джерелом живлення тече струм навантаження, а конденсатор розряджений. Одразу після зняття з затвору позитивного потенціалу (момент часу t1 ) ключ закриється, по-

чнеться зарядження конденсатора колом “джерело живлення – Ck – Lk – наван-

таження – джерело”, внаслідок чого напруга на ключі поступово зростатиме. Коли напруга на конденсаторі сягне рівня напруги джерела (момент часу t2 ),

напруга на навантаженні впаде до нуля і відкриється діод VD2. Після цього струм навантаження замикатиметься цим діодом, а зарядний струм конденсатора (тепер уже коливний) тектиме не навантаженням, а діодом VD2. На момент t3 конденсатор зарядиться до максимальної напруги (приблизно 2U d ), після

чого струм змінить знак і почнеться його розрядження тим самим колом. Коли

288

Рис. 7.20. Послідовний переривник із комутацією в нулі напруги

Таким чином, тривалість відкритого стану ключа можна змінювати, а тривалість паузи незмінна та близька до періоду коливань резонансного контуру. Тому в цій схемі регулювання середньої напруги на навантаженні також можливе лише за допомогою ЧІМ.

289

Унаслідок того, що відкривання ключа відбувається за нульової напруги на ньому, а напруга після закривання зростає повільно, втрати в ключі під час комутації зменшуються.

М’яка комутація в нулі напруги більш доцільна для польових транзисторів (вони мають більші втрати під час вмикання внаслідок більшої вихідної ємності), а комутація в нулі струму – для IGBT-транзисторів (у них більші втрати вимикання). Хоча перетворювачі з м’якою комутацією набагато дорожчі порівняно зі звичайними, вони вже набули поширення в таких пристроях, як імпульсні джерела живлення, активні коректори коефіцієнту потужності, зарядні пристрої. Їх використання дозволяє завдяки зменшеним комутаційним втратам значно збільшити частоту перемикань (в кілька разів та вище) і ККД (до 98% за потужності близько 10 кВт), зменшити габарити дроселів та трансформаторів, поліпшити якість вихідних напруги та струму. Не виключено, що дійде черга і до електроприводів (насамперед високоточних та глибокорегульованих).

Контрольні запитання

1.З чим пов’язана необхідність використання імпульсних джерел живлення постійного струму?

2.Чи можна на виході інвертувального переривника отримати напругу, більшу від вхідної?

3.Чому в зворотноходовій схемі рис. 7.4,б відсутній зворотний діод?

4.У чому переваги двотактних схем ІДЖ перед однотактними?

5.З якою метою в низьковольтних DC-DC перетворювачах використовують синхронні транзистори?

6.Який різновид джерел безперебійного живлення забезпечує найбільш надійне та якісне живлення навантаження?

7.До якого класу належать силові перетворювачі ДБЖ?

8.Чому ККД пасивних ДБЖ найбільший?

9.З якою метою в ДБЖ використовують активні випрямлячі?

10.Завдяки чому в схемі рис. 7.14, яка живиться від мережі 220 В, отримано постійну напругу 400 В?

11.Завдяки чому в перетворювачах із м’якою комутацією можливе збільшення частоти перемикань ключів?

Відповіді:

1: з відсутністю джерела, здатного забезпечити необхідні параметри та якість живлення; 2: так; 3: тому що енергія, накопичена в індуктивних елементах, передається після закривання ключа до навантаження; 4: кращі використання трансформатора та масогабаритні показники; 5: з метою зменшення спаду напруги та підвищення ККД; 6: ДБЖ із подвійним перетворенням енергії; 7: до перетворювачів частоти; 8: тому що більшу частину робочого часу навантаження живиться безпосередньо від мережі; 9: для забезпечення синусоїдальної форми споживаного з мережі струму; 10: завдяки наявності підвищувального переривника; 11: внаслідок зменшення комутаційних втрат.

290