Силовая электроника №4'2007

Источники бесперебойного питания. Новый подход к синтезу

Владимир Ланцов
Саркис Эраносян

Разработан оригинальный алгоритм работы интеллектуальной системы управления всеми приборами и узлами блока бесперебойного питания. Обоснован выбор структуры силового тракта системы бесперебойного питания в виде двух преобразующих устройств, имеющих гальваническую развязку выхода от входа. Предложен метод проектирование основных силовых устройств аппаратуры бесперебойного питания, основанный на принципе получения большой мощности основного силового блока с помощью использования нескольких типовых модулей. Унифицированные модули можно успешно оптимизировать поиском величины единичной мощности, которая создает максимальный КПД при минимальном объеме. Разработан перечень технических требований к узлам и блокам, а также к интеллектуальной системе управления всего комплекса системы бесперебойного питания.

Сети электропитания (электроснабжения), как отечественные, так и зарубежные, подвержены воздействию дестабилизирующих факторов и поэтому, как правило, не обеспечивают должного качества электроэнергии. Согласно данным, приведенным в [1], типовыми аномалиями электропитания в порядке частоты возникновения являются:

  1. пониженное напряжение;
  2. импульсные перенапряжения;
  3. различные электромагнитные помехи;
  4. несанкционированные отключения электропитания;
  5. повышенное напряжение.

Именно для решения актуальных проблем «плохих» сетей электропитания разрабатываются и успешно применяются источники бесперебойного питания (Uninterruptable Power Supply, UPS).

Классификация и характерные особенности UPS

В настоящее время за рубежом и в России выпускается большое количество источников бесперебойного питания (ИБП), структурно различающихся и имеющих параметры выходных мощностей, которые могут удовлетворить практически любого потребителя этих устройств. Использование систем бесперебойного обеспечения электропитания эксплуатируемой аппаратуры крупными банками, фирмами, исследовательскими центрами, а также другими предприятиями, применяющими компьютерную и сложную офисную технику, большие информационно-вычислительные комплексы, можно объяснить следующими причинами:

  1. Защита приборов от внезапных изменений параметров питающей сети, которые выходят за пределы допустимых значений. Эти параметры, как правило, приводятся в нормативных документах для всех применяемых в аппаратуре блоков и устройств.
  2. Защита всего комплекса аппаратуры при полном отключении питающей сети. Речь идет о подаче нормального электропитания от отдельного, резервного или синтезированного устройством бесперебойного питания сети. При этом минимальное время обеспечения резервным электропитанием должно быть всегда больше, чем необходимое (технологическое) время, которое позволяет в штатном режиме завершить работу всего вычислительного комплекса без сбоев и потерь оперативных данных.
  3. Обеспечение информационного запоминания, документирования как параметров ненормируемого отклонения питающей сети, так и перечня выполненных мер по устранению этих отклонений. Такой перечень обычно включает в себя аварийную сигнализацию возникновения проблем с электропитанием и оповещение о времени работы от резервного энергоснабжения.

Потери, связанные с повреждением электронной техники, в том числе и от некачественной сети, достаточно велики. Например, в Германии в 1994 году ущерб от выхода из строя устройств информационной техники оценивался примерно в 500 млн DM ежегодно, причем в последующие годы эти потери имели тенденцию непрерывного роста [2]. Затраты на оснащение электронной аппаратуры средствами защиты составляют примерно 1–3% от ее стоимости. В то же время величина ущерба, связанного с выходом аппаратуры из строя, включая такие события, как: потеря ценной информации, выход из строя приборов, возникновение пожара в помещениях и т. п., может существенно превышать эту стоимость. В связи с этим, например, некоторые страховые компании Европы отказываются страховать имущество на случай ущерба вследствие перенапряжений в электросети. Так что потребитель вынужден сам принимать существенные меры по оснащению комплексов электронной аппаратуры средствами защиты, в том числе применяя системы бесперебойного питания. По мнению некоторых специалистов, стоимость средств защиты техники от некачественного энергоснабжения может составить до 10% стоимости собственно оборудования [3]. Однако авторы статьи считают, что эта цифра является завышенной.

Все источники бесперебойного питания делятся на два основных типа: online и offline. Блоки обоих типов снабжены устройством быстрого переключения между сетевым питанием и питанием от инвертора, который формирует отдельную синтезированную электрическую сеть (СЭС). Различие между этими двумя типами систем бесперебойного питания состоит именно в пути, по которому в обычной ситуации течет электрический ток. Системы offline, называемые иногда standby, питают аппаратуру непосредственно от сети, а при возникновении проблем с электропитанием быстро переключаются на работу от аккумуляторной батареи. При этом батарея выполняет функцию первичного источника энергии, который осуществляет электропитание как инвертора, так и других устройств, обеспечивающих генерацию названной выше СЭС.

При работе с системой online питание в нормальном режиме сети осуществляется от инвертора, который, в свою очередь, потребляет энергию от стандартной действующей сети, при этом аккумуляторная батарея постоянно подзаряжается от сетевого напряжения. Для этого типа бесперебойного питания при возникновении аварии или неполадках в энергоснабжении аппаратура работает от отдельной СЭС на базе инвертора, который использует энергию, поступающую в этой ситуации только от аккумуляторной батареи. Отметим, что неполадки в сети могут иметь характер короткого замыкания, то есть значительного уменьшения импеданса на шинах электросети. Именно для этих случаев все же необходимо наличие переключателя, благодаря которому можно отключить сеть, находящуюся в аварийном состоянии, от выхода инвертора. Если этого не сделать, то ИБП будет пытаться поддерживать кроме «своей» аппаратуры любую другую, которая подключена к тому же фидеру сети. При отказе самого инвертора в системе online должна быть предусмотрена возможность переключения аппаратуры на работу непосредственно от сети, так называемый режим байпас (bypass).

Кроме этих двух типов бесперебойного питания, применяемых в «чистом» виде, существует много разновидностей, включая и «гибридные» конструкции. Для описания некоторых из них используется термин line-interactive, хотя не все производители ИБП вкладывают в него одинаковый смысл. Многие блоки типа line-interactive имеют специальные схемы, например voltage boost circuit, или источник питания с универсальным входом (ИВЭ-УВ) [4], включенный перед инвертором. Они позволяют выдерживать самые серьезные сбои сетевого напряжения без использования аккумуляторных батарей. Наличие подобных структур дает ИБП возможность регулировать выходное напряжение лучше, чем устройства системы online.

В публикациях по системам бесперебойного питания, а также среди производителей различных марок этих блоков существует неоднозначность в трактовке терминов и типов ИБП. Это зачастую приводит к трудностям сравнительной оценки параметров отдельных блоков бесперебойного питания, которые производят различные фирмы.

В связи с этим авторы предлагают использовать трактовку для «чистых» систем online и «чистых» систем offline, которая изложена выше; все другие, комбинированные типы относить к системам line-interactive.

В то же время для корректности сравнения параметров ИБП различных фирм-производителей необходимо пояснять действие каждого из них, например, «при выполнении функции в режиме работы», примечанием — либо online, либо offline. Таким образом, можно относительно адекватно выполнять процедуру сравнительного анализа многообразия блоков, который существует на мировом рынке источников бесперебойного питания.

Отметим еще одно важное обстоятельство, о котором надо помнить при выборе мощности ИБП, применяемого для защиты электронной аппаратуры от сбоев в сети. Обычно производитель и его офисные центры рекомендуют покупателю не скупиться при определении величины мощности выбираемого блока. Некоторые из них утверждают, что мощность (ВА) покупаемого блока должна почти вдвое превышать мощность в ваттах (ВТ) всех блоков защищаемой аппаратуры. Это не только рекламное стремление «навязать» клиенту блок ИБП большей мощности как более дорогой, но и в определенной степени трудность расчета его мощности, которая действительно необходима для нормального выполнения им защитных функций.

В основе этих рассуждений лежит зависимость отдаваемой блоком ИБП мощности, а, следовательно, и гарантии всех важных технических параметров, например величины его КПД, от характера комплексной нагрузки защищаемой электронной техники. Увеличение потребляемой мощности от источника первичной энергии, в нашем случае от ИБП, связано с коэффициентом мощности отдельных устройств, входящих в защищаемую аппаратуру.

Коэффициент мощности χ для периодических несинусоидальных функций, которые описывают процессы в выпрямительных устройствах с емкостным или индуктивным фильтром, а также в регулируемых выпрямителях с разной реакцией сглаживающего фильтра, определяется, по данным, приведенным в [5, 6, 7], путем вычисления следующих коэффициентов:

  1. Коэффициента синусоидальности или искажений формы — kи, который зависит, главным образом, от схемы выпрямителя, схемы регулирования и характера реакции нагрузки.
  2. Коэффициента сдвига первой гармоники потребляемого тока относительно питающего напряжения — cosφ1, который зависит от схемы регулятора и характера нагрузки.
  3. Коэффициента λ, определяющего длительность протекания тока в вентиле или регуляторе, который зависит от угла регулирования α в регулируемых выпрямителях, а в нерегулируемых схемах с емкостным входом фильтра — от угла отсечки θ.

Коэффициент мощности выпрямительных узлов можно представить следующим образом:

Коэффициент искажений отражает гармонический состав первичного тока:

где I1(1) — эффективное значение первой (k = 1) гармоники первичного тока; I1(k) — эффективное значение k-й высшей (2, 3,...) гармоники первичного тока.

В общем случае расчет коэффициента мощности проводится на основе разложения периодически изменяющегося тока (и/или напряжения) в ряды Фурье. Вследствие того, что полученные тригонометрические ряды быстро сходятся, для практических целей достаточно взять 3–4 гармонические составляющие. Как показывает опыт, такое ограничение обуславливает погрешность в вычислениях kи и χ, не превышающую 5–7%.

В схемах ИБП часто применяются простые регулируемые входные выпрямители, как однофазные, так и трехфазные мостовые. При этом наилучший коэффициент мощности у трехфазной мостовой схемы: χ = 0,96. В работе [8] приведен пример значений коэффициента снижения мощности kd (derating factor), который показывает, какую часть величины активной мощности нагрузки можно подключать к инвертору блока ИБП. Он зависит от характера нагрузки. В табл. 1 для разных значений коэффициента мощности χ приведены величины коэффициента kd, при выходном коэффициенте мощности (0,8) инвертора блока бесперебойного питания с учетом различных типов нагрузок, подключенных к его выходу.

Таблица 1. Зависимость коэффициента снижения мощности при различной нагрузке
Зависимость коэффициента снижения мощности при различной нагрузке

Как видно из таблицы, если покупаемый блок системы бесперебойного питания предназначен для защиты только персональных компьютеров, имеющих большой входной емкостной фильтр и, соответственно, коэффициент мощности χ ≈ (0,7–075), то его предполагаемая мощность будет равна произведению суммарной потребляемой мощности всех компьютеров, помноженной на коэффициент 1,3. Таким образом, установленная мощность ИБП для описанного примера отнюдь не удвоенная мощность защищаемой аппаратуры. Тем самым подтверждается необоснованность предложений в ряде случаев клиентам для покупки более мощных (дорогих) ИБП.

Новый подход к синтезу систем бесперебойного электропитания

Попробуем рассмотреть сущность нового подхода к разработке ИБП с точки зрения потребителя систем бесперебойного питания. Сформулируем требования к новому блоку на основе параметров устройства бесперебойного питания мощностью 1,5–2 кВА. По мнению авторов, блоки такой мощности — одни из наиболее востребованных в этом секторе рынка. Предположим, что мы собираемся приобрести такой блок для небольшой фирмы или научно-исследовательской лаборатории, которая имеет малый офисный центр из 4–5 компьютеров, факса, ксерокса, 2–3 принтеров и одного сканера. Общее энергопотребление — около 2 кВт. Ей необходим недорогой ИБП для питания наиболее важных приборов с точки зрения непрерывности цикла получения и обработки информации. Это позволит значительно уменьшить риск потери важных данных, необходимых для успешного функционирования фирмы (лаборатории). Так как практически все электронные приборы, которые установлены в таких организациях, могут нормально функционировать при изменении сетевого напряжения в пределах ±10%, то декларируемая для систем типа online точность поддержания выходного напряжения ИБП 1–2% представляется, с точки зрения руководителей, избыточной. С другой стороны, для работы аппаратуры в ночное время, относительно спокойное в плане минимума аномалий питающего напряжения, имеет смысл по возможности долго обеспечивать электропитание приборов непосредственно от сети в режиме bypass. Таким образом удается значительно снизить энергопотребление в ночное и вечернее время. Если взять КПД ИБП в режиме bypass 0,97 (при электронной версии ключа), длительность работы 10 часов в день, то при мощности нагрузки, например 1,5 кВт, экономия потребляемой из сети энергии составит почти 98 кВт × ч в месяц, что составляет 7,5% от суммарного потребления. Отсюда видно, что только на сэкономленной энергии аппаратура может в этом случае «бесплатно» эксплуатироваться почти целый месяц в году.

С целью уменьшения вреда от динамических процессов при переходе от сети к резервному питанию необходимо уменьшать время перехода ИБП на работу от аккумуляторной батареи, обеспечив его величину не более длительности полупериода сетевого напряжения (10,0 млс). Кроме того, необходимо в системе бесперебойного питания иметь программное обеспечение, которое позволит управлять настройками и режимами ИБП с сервера защищаемой аппаратуры, а также в безопасном и оптимальном режиме производить отключение электронной техники. При этом возможно конфигурировать систему с режимом минимального потребления от ИБП, например, оставив на резервном питании один сервер, тем самым значительно увеличив время работы от аккумуляторной батареи важного для потребителя компьютера. Время работы от аккумуляторной батареи при работе на полную нагрузку должно быть не менее 10 мин. Большое эксплуатационное значение имеют и сервисные функции ИБП, такие как оповещение персонала о переходе системы на работу от аккумуляторной батареи, измерение и индикация выходных параметров блока, в том числе и оставшегося заряда в батарее, запоминание всех аварийных, нестационарных режимов работы и т. п.

Теперь мы можем более подробно сформулировать технические требования к приобретаемой или заказываемой у производителя системе бесперебойного питания. Обратимся к разработке алгоритма функционирования всей системы бесперебойного питания, а также ее отдельных устройств, с которой началось создание оригинального блока ИБП на мощность 1800 ВА в ЗАО «Электро-Петербург» под руководством одного из авторов.

Алгоритм работы и основные технические требования к системе управления и другим устройствам ИБП

Измерение эффективного напряжения (В.эфф.), как сетевого, так и выходного, выполняется следующим образом. Полупериод переменного напряжения разбивается на четыре равные части по 2,5 млс каждая (при частоте сети 50 Гц). В каждом интервале производится измерение (В.эфф.). Затем по полученному результату вычисляется прогнозируемое Uс.эфф1. Именно эта величина сравнивается в системе управления всего ИБП с задаваемым значением в алгоритме принятия решений о смене режима функционирования устройств, входящих в систему бесперебойного питания. При отклонении от нормированного диапазона изменения сети в 2 интервалах полупериода система должна обеспечивать переход на другой режим управления ИБП, при котором оно устраняется. Например, при возрастании напряжения сети больше 264 В система переходит на питание от инвертора, при этом выходное напряжение ИБП будет равно 220 В.

Важным элементом в структуре системы бесперебойного питания является конфигурация блока инвертора и отдельных устройств, которые выполняют функции стабилизации выходного напряжения ИБП. Наиболее часто применяется звено постоянного тока, например, регулируемый выпрямитель (РВ), выход которого подключе н к входу инвертора. При этом РВ обеспечивает стабилизацию входного напряжения инвертора, компенсируя изменения сетевого напряжения, а стабилизация выходного напряжения ИБП от других дестабилизирующих факторов осуществляется изменением коэффициента глубины модуляции μ в инверторе. Напомним, что при двухполярной ШИМ-модуляции, если инвертор построен по мостовой схеме, усредненное за период несущей частоты напряжение на нагрузке (Uн.ср) в диагонали моста в общем случае будет [9]:

где E — полное напряжение питания схемы моста; Δt1 — длительность импульса модуляции одной полярности, например отрицательной в нагрузке, а Δt2 — длительность импульса модуляции другой полярности, причем Δt1 > Δt2, τ — период несущей частоты ШИМ.

Если при постоянной несущей частоте изменять соотношение между Δt1 и Δt2 в соответствии с синусоидальным законом, то можно записать:

при этом среднее напряжения на нагрузке будет изменяться также по синусоидальному закону:

где Ω — круговая частота модулирующего сигнала (выходная частота инвертора), а μ — коэффициент, который показывает, в каких пределах изменяется длительность импульсов ШИМ (Δt1 и Δt2) в течение полупериода частоты модуляции, то есть переменного напряжения низкой частоты, которая формируется на выходе инвертора.

При полной модуляции (μ = 1) длительность импульсов Δt1 и Δt2 изменяется от 0 до τ.

В нашем случае предполагается использовать полумостовой инвертор, в диагонали которого включен силовой высокочастотный трансформатор. Регулирование длительности импульсов (ШИМ) происходит в каждом полупериоде несущей частоты, например 20 кГц, именно на эту частоту необходимо рассчитывать силовой трансформатор. Затем импульсы напряжения с вторичной обмотки силового трансформатора поступают на выпрямитель, на выходе которого формируется импульсная последовательность одной полярности. При этом ШИМ-модуляция длительности импульсов (Δt) происходит в каждом полупериоде высокой частоты работы инвертора. Отсюда следует, что несущей частотой импульсной последовательности на выходе выпрямителя уже является удвоенная частота инвертора, то есть в нашем примере это будет 40 кГц [1/(τ/2)]. Таким образом, среднее напряжение на нагрузке для предлагаемой схемы будет:

где Kтр.инв — коэффициент трансформации силового трансформатора инвертора (W2 / W1), приче м W1 и W2 — число витков первичной и вторичной обмотки силового трансформатора, соответственно, а μ = Δt / (τ/2).

Практически всегда нормируются минимальная и максимальная длительность имульсов ШИМ. Если применить привычный для формы двухполярного сигнала ШИМ-модуляции, который имеет паузу на нуле (после длительности импульса Δt до конца полупериода), то удобно использовать термин «коэффициент заполнения» γ [γ = Δt/(τ/2)]. При этом, как правило, нормируют минимальную и максимальную величину коэффициента заполнения: обычно принимают γmin = 0,05, а γmax = 0,96.

Это означает, что в процессе модуляции полупериода (10 млс) низкой частоты 50 Гц длительность импульса ШИМ изменяется от минимального значения до практически полного полупериода высокой (несущей) частоты ШИМ. Здесь надо отметить, что при коэффициенте глубины модуляции μ = (0,85–0,96) коэффициент нелинейных искажений (КНИ) в спектре выходного напряжения ИБП будет иметь минимальную величину.

Требования к структуре и техническим параметрам основных устройств и узлов ИБП

  1. Целесообразно между входным сетевым выпрямителем и инвертором установить регулируемый преобразователь DC/DC (КОН), гальванически развязанное выходное напряжение которого оптимизировано и адаптировано как к схеме инвертора, так и к номинальному напряжению аккумуляторной батареи (АБ). Причем система управления блока бесперебойного питания задает такой режим регулирования выходного напряжения узла КОН, при котором выходное напряжение ИБП остается в заданных пределах, а инвертор работает при постоянном коэффициенте μ = 0,85–0,96. В данном случае устанавливается режим контура обратной связи «Выход ИБП – Вход рег. КОН», причем поддержание выходного напряжения происходит до тех пор, пока напряжение на выходе КОН не уменьшится до такого значения, при котором начнет падать стабилизируемое выходное напряжения инвертора. После этого необходимо подключить АБ, от которой будет получать энергию инвертор (ИН), при этом устанавливается режим контура обратной связи «Выход ИБП – Вход рег.μ ИН». В процессе разряда аккумуляторной батареи выходное напряжение ИБП определенное время поддерживается в заданных пределах. Если в этом интервале времени будут восстановлены нормальные параметры сети, то произойдет выключение АБ, а выходное напряжение ИБП вновь стабилизируется по контуру обратной связи «Выход ИБП – Вход рег. КОН».
  2. Особенности работы других устройств и узлов будут рассмотрены после анализа схемы ИБП, которая представлена на рис. 1.
Схема источника бесперебойного питания

Как видно из рисунка, входное однофазное напряжение поступает через автоматический выключатель (АВ-1) и фильтр радиопомех (ФРП) на два направления использования сети. Одна линия основного пути преобразования энергии включает в себя сетевой выпрямитель (СВ), на выходе которого включен низкочастотный L-C-фильтр (НФ), который предназначен для увеличения коэффициента мощности сетевого выпрямителя. Выходное постоянное напряжение Uо порядка 300 В поступает на блок преобразователя DC/DC (КОН), который включает в себя три одинаковых силовых модуля (СМ1, СМ2, СМ3). Блоки включены параллельно по выходному напряжению и имеют одну схему управления. Напряжение Eо, гальванически развязанное от питающей сети, поступает на вход инвертора DC/AC (ИН). Первый вариант инвертора был построен на основе оригинальной идеи крупного специалиста по электроприводу к. т. н. Эпштейна В.И.. В дальнейшем по результатам испытаний опытного образца ИБП схема инвертора была переработана. Переменное выходное напряжение инвертора поступает на выход ИБП через буферный фильтр (БФ).

Блок набора аккумуляторных батарей (всего 12 шт.), которые включены последовательно, образуют единый аккумуляторный узел (АБ) с выходным напряжением 135–170 В. Выход АБ через измерительный датчик тока (LEM) поступает на электронный ключ (КАБ), который включает в себя силовой диод VD1 и мощный силовой транзистор VT1. Напряжение после ключа КАБ подается на вход инвертора.

Для обеспечения цепи заряда аккумуляторного блока и получения всех вспомогательных источников вторичного электропитания, которые необходимы для нормальной работы отдельных устройств и узлов системы ИБП, служит отдельный преобразователь DC/DC (УЗ, устройство заряда). Входное напряжение он получает от фильтра (НФ), то есть от напряжения Uо. После преобразования его выходное напряжение, гальванически развязанное от сети, в соответствие с функцией зарядного процесса может изменяться в пределах 120–180 В. Отметим, что это выходное напряжение блока УЗ через дроссель, диод и измерительный датчик тока (LEM) поступает на аккумуляторную батарею (АБ). В результате формируется оптимальная характеристика зарядного тока АБ. Одновременно выходное напряжение блока УЗ поступает на входы ряда преобразователей DC/DC отдельных источников питания (ИВЭ), которые конструктивно объединены в блоке БЛИВЭ.

Система управления режимами и сигналами всех узлов и устройств блока ИБП (СУ ИБП) создается с помощью центрального процессора и других необходимых узлов. В результате СУ ИБП должна состоять из следующих узлов:

  • Модуль микроконтроллера (МК) (центральный процессор).
  • Модуль аналоговой обработки сигналов.
  • Модуль датчиков напряжения.
  • Модуль контроля АБ.
  • Модуль контроля отдельных вспомогательных ИВЭ и управления ими.
  • Модуль задания режимов работы.
  • Подсистема органов управления и индикации.
  • Модуль обработки датчиков тока, в том числе измерения тока (LEM) АБ.
  • Узлы фазовой подстройки частоты на выходе ИБП (ФАПЧ) и узел модели инверторного блока.

Разработка блока ИБП, который является многофункциональным, технически насыщенным сложными силовыми узлами аппаратом, показывает, что на начальной стадии проекта требуется скрупулезная научно-исследовательская проработка всего комплекса вопросов и задач, которые неизбежно возникают при решении любой многовариантной технической проблемы. В рассматриваемом варианте были проведены исследования по следующим важным вопросам:

  1. Оптимизация структуры электрической схемы силового конвертора на выходную мощность 1,8–2,0 кВт, определение максимальной частоты преобразователя по критерию максимум КПД при минимуме объема с учетом технологичности изготовления.
  2. Выбор типа единичной аккумуляторной батареи и оптимального суммарного напряжения «высоковольтного» модуля батарейного блока. При этом оптимальность должна успешно сопрягаться с уровнем входного напряжения схемы инвертора, а с другой стороны, быть приемлемой для конвертора в части, например, получения его максимального КПД в основных рабочих режимах ИБП.
  3. Разработка детального алгоритма всех реально возможных режимов функционирования ИБП.
  4. При этом должна быть проработана последовательность взаимодействий всех блоков и узлов ИБП на уровне задаваемых сигналов и контроля важных параметров, с учетом действий обслуживающего персонала. С целью предоставления пользователю дополнительных возможностей снижения эксплуатационных затрат с учетом набора электронной техники необходимо ввести в алгоритм работы ИБП еще два режима задания выходного напряжения: один — 220 В ±5%, другой — 220 В ±8%.

  5. Разработка такой системы управления, которая максимально упростит все управляющие подсистемы основных силовых узлов ИБП. Она должна по возможности заменять аналоговые сигналы управления и контроля на цифровые, в том числе и по процедуре принятия системных решений, например из-за возникновения аварийных режимов в процессе работы ИБП. Система индикации и органы управления должны быть простыми, понятными и не перегружать оператора дополнительной информацией, избыточной для конкретных режимов работы ИБП.

Следует особо отметить следующее важное обстоятельство. Все силовые блоки управляются в режимах переходных состояний таким образом, чтобы обеспечить в процессе смены состояния щадящие, безопасные условия работы силовых электронных элементов, для этого:

  • Заряжать входной силовой фильтр НФ в два этапа. Вначале через балластный резистор происходит зарядка конденсатора фильтра, а затем включается, замыкая пусковой резистор, оптотиристор в оптимальном режиме, то есть при минимальном напряжении на аноде тиристора [10]. После этого управляющее напряжение на тиристор подается от обмоток силовых высокочастотных трансформаторов всех силовых блоков (СМ1, СМ2, СМ3, УЗ). Это позволяет пользователю в режиме проведения регламентных работ при необходимости проверять эти блоки автономно.
  • Осуществлять плавный подъе м выходного напряжения конвертора и инвертора.
  • Производить переключение статического ключа переменного тока сети СК только в моменты перехода сети через ноль, аналогично происходит переключение силового ключа аккумуляторной батареи КАБ, то есть в момент перехода напряжения на выходе инвертора через ноль.

Эти режимы формируются программным обеспечением системы управления ИБП, благодаря чему в определенные узлы строго в нужный момент времени подаются сигналы необходимой формы для выполнения заданной алгоритмом функции.

Основные режимы работы ИБП

  1. Режим готовности к пуску (ГП). Предшествует всем режимам работы. Запускается автоматически после включения тумблера в СУ ИБП, когда происходит подача питания на систему управления. Задача ГП — анализ готовности блока к работе:
    • самодиагностика СУ ИБП;
    • диагностика состояния АБ, которая включает в себя измерение стартового напряжения на клеммах; если стартовое напряжение Uабi ≤ 144 В, то команда «Пуск» запрещается, включается световой сигнал «режим заряда» (РЗ), при этом включается блок УЗ, который формирует заданную зарядную характеристику АБ;
    • контроль сетевого напряжения (режим квантования);
    • выдача сигнала (светового) о готовности ИБП к пуску, если сетевое напряжение находится в пределах 220 В ±20%;
    • задание режима работы ИБП: режим — «ОС», режим — «А», режим — «Б».
  2. Режим рабочего пуска (РП). Позволяет осуществить пуск ИБП для работы в заданном (оператором) режиме стабилизации выходного напряжения:
    • включается конвертор КОН;
    • аналоговый ключ управления цепью обратной связи (КАМ) соединяется с выходом модели;
    • инвертор ИН включается на модель;
    • измеряется напряжение U~м, которое поступает от выходного трансформатора модели (эквивалентное выходному 220 В);
    • плавно выключается ИН;
    • ключ КАМ переключается на U~вых (выходное напряжения ИБП);
    • включается транзисторный коммутатор (ТКИ) на выходе инвертора;
    • включается ИН;
    • выходное напряжение должно быть в пределах выбранного режима.
  3. Режим нормального функционирования (РН) ИБП. Приведен в табл. 2 в зависимости от состояния сети.
  4. Таблица 2. Описание режимов нормального функционирования ИБП
    Описание режимов нормального функционирования ИБП
  5. Режим рабочего отключения (РО). Надо признать, что до сих пор есть специалисты, которые считают излишним серьезное рассмотрение всех аспектов процедуры отключения электронной системы или такого сложного прибора, как ИБП. Практика показывает, что не контролируемый специальным алгоритмом процесс отключения прибора от источника энергии содержит много опасных моментов, которые приводят порой к выходу из строя основных силовых электронных компонентов. Чаще всего дефект обнаруживается только после попытки повторного включения прибора. В связи с этим процедура рабочего отключения должна быть конкретной и безопасной для всех элементов ИБП. Система отключения силовых узлов ИБП при работе токовых защит силовых ключей должна быть построена таким образом, чтобы при регулярном ее срабатывании, например за определенное время (свидетельство необратимого аварийного события), она могла запускать алгоритм отключения и в аварийных режимах работы системы бесперебойного питания.

Рассмотрим этот режим, как следствие действия персонала:

  • нажимается кнопка «Стоп»;
  • снимается сигнал включения СК в точке перехода сети через ноль;
  • снимается сигнал включения транзисторного коммутатора ТКИ в режиме перехода выходного напряжения ИБП через «ноль»;
  • снижается коэффициент модуляции μ до нуля;
  • снимается сигнал дистанционного управления конвертора, что приводит к его выключению.

Аналогичная процедура выключения узлов ИБП запускается также и после режима нормальной работы РН, например, в результате разряда АБ ниже критического напряжения, когда выходное напряжение блока создавалось путе м работы инвертора от АБ.

Кроме рассмотренных основных режимов работы ИБП есть еще два:

  1. режим заряда аккумуляторной батареи (РЗ);
  2. режим проведения регламентных работ (РР).

Алгоритм работы системы управления (СУ) ИБП (применительно к перечню основных рабочих режимов ИБП)

  1. Режим ГП:
    • после подачи питания на схему управления все выходные сигналы в неактивном состоянии, на индикаторах ничего нет;
    • самодиагностика СУ ИБП, индикация (звуковая и цифровая) в случае неисправности;
    • выдача дистанционного сигнала управления (ДУ) на ЗУ и АБ для обеспечения бесперебойного питания СУ ИБП и вспомогательного электропитания (ИВЭ), которые необходимы для всех узлов ИБП;
    • диагностика АБ, индикация (звуковая и цифровая) в случае неисправности или нарушения регламента обслуживания, перевод УЗ при необходимости в режим заряда (РЗ); при этом происходит индикация: «заряд АБ», «текущая емкость АБ», контроль окончания заряда (постоянный);
    • задание предыдущего режима работы с индикацией, контроль смены режима работы (постоянный);
    • сброс триггеров защиты инвертора, проверка состояния всех входных логических сигналов от узлов и блоков, индикация (звуковая и цифровая) в случае неисправности;
    • контроль сетевого напряжения и выдача звукового сигнала, а также индикация различных состояний готовности к пуску:
      1. «все в порядке» — однократный звуковой сигнал, «ГП» постоянно горит, пуск разрешен;
      2. «заряд» — однократный звуковой сигнал, «ГП» мигает, пуск разрешен на риск пользователя, переход в режим «все в порядке» по окончании заряда АБ;
      3. «сеть не норма» — постоянный звуковой сигнал, индикация аварии с цифровым кодом — запрет пуска.
  2. Режим пуска РП (при нажатии кнопки «Пуск»):
    • гашение индикатора «ГП», индикация «Работа»;
    • выдача сигналов включения контакторов (на рис.1 не показаны) КОН и СК, проверка срабатывания контакторов;
    • выдача на конвертор уставки Eо = 131 В (блокировка УПТ конвертора), выдача сигнала включения ДУ на конвертор, проверка сигнала исправности КОН, а также проверка сигнала Eо > 130 В;
    • плавный пуск (цифровое управление силовыми транзисторами от центрального процессора) инвертора в фазе с сетью (включен узел ФАПЧ), замыкание аналогового ключа модели (КАМ) на цепь стабилизации напряжения выхода модели КАМ/ U~м, разблокировка УПТ конвертора.
  3. Режим нормального функционирования РН:
    • если сеть в пределах работы режима СК, то переход на СК в нуле напряжения фазы:
      1. выдача сигнала ограничения тока инвертора;
      2. выдача сигнала включения ДУ на СК, проверка включения СК;
    • если сеть выходит за пределы работы режима СК, то переход на инвертор:
      1. снятие сигнала включения ДУ на СК, проверка выключения СК;
      2. снятие сигнала ограничения тока инвертора;
      3. переход аналогового ключа на стабилизацию напряжения выхода ИБП — КАМ / U~вых;
      4. выдача сигнала включения ДУ на транзисторный коммутатор инвертора ТКИ;
      5. плавный пуск инвертора при максимальном коэффициенте модуляции μ;
    • если сеть выходит за пределы Uc ≥ 265 В или Eо < 130 В, то происходит переход на питание от АБ:
      1. снимается сигнал заряда АБ;
      2. перевод конвертора в режим стабилизации Eо = 131 В, а затем его выключение (снятие сигнала включения ДУ на КОН) при Uc ≥ 265 В;
      3. отключение контакторов при Uc ≥ 265 В;
      4. выдача сигнала включения ДУ на электронный ключ КАБ, проверка включения КАБ;
      5. индикация «АБ» и расче тного времени работы ИБП со звуковой сигнализацией;
    • если сеть появляется, то синхронизация с сетью и переход на конвертор:
      1. выключение КАБ, проверка выключения КАБ;
      2. перевод конвертора в режим стабилизации выхода ИБП — КАМ / U~вых;
      3. гашение «АБ» и времени работы ИБП;
      4. выдача сигнала заряда АБ при необходимости.
  4. Режим отключения РО (при нажатии кнопки «Стоп»):
    • плавное выключение инвертора;
    • выключения СК;
    • выключение КОН;
    • выключение КАБ;
    • выключение контакторов;
    • переход в режим ГП.

Заключение

На основе изложенных идей, исследований и расчетов были практически разработаны и сконструированы все устройства и узлы системы бесперебойного питания. Затем был спроектирован и изготовлен опытный образец блока ИБП, после настройки которого проведены комплексные испытания ИБП с целью подтверждения основных электрических параметров системы бесперебойного питания.

Особенности практической реализации поставленных при разработке ИБП задач и результаты проведенных испытаний опытного образца авторы рассмотрят в следующей публикации.

(Продолжение следует)

Литература

  1. Ланцов В., Эраносян С. Электромагнитная совместимость импульсных источников питания: проблемы и пути их решения. Часть 1 // Силовая электроника. 2006. № 4.
  2. UPS. Результаты тестирования // UPS and downs. LAN Magazine, ноябрь 1994.
  3. Лопухин А. А., Желбаков И. Н. Системы бесперебойного питания. www.pereboev.net/docs/info/info02.pdf
  4. Ланцов В., Эраносян С. Импульсные источники вторичного электропитания с универсальным входом // Современная электроника. 2007. № 7.
  5. Атабеков Г. И. Теоретические основы электротехники. Ч. 1. Линейные электрические цепи. М.: Энергия, 1964.
  6. Ситник Н. Х. Силовая полупроводниковая техника. М.: Энергия, 1968.
  7. Пихута А. В. Эффективность использования первичного источника тока линейными и ключевыми стабилизаторами // Вопросы радиоэлектроники. Сер. «Общетехническая». Вып. 11. 1969.
  8. Климов В., Москалев А. Коэффициент мощности и нагрузочная характеристика ШИМ-инвертора в системах бесперебойного питания // Силовая электроника. 2007. № 3.
  9. Мануковский Ю. Н., Пузаков А. В. Широкорегулируемые автономные транзисторные преобразователи частоты. Кишинев: Штиница, 1990.
  10. Эраносян С. А. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями. Л.: Энергоатомиздат, 1991.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2007_04_49.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо