Источник бесперебойного питания серии ИДП: экспериментальное исследование энергетических и спектральных характеристик

Валерий Климов

Юрий Карпиленко

Денис Овчинников

Сергей Овчинкин

Рассмотрены результаты экспериментального исследования энергетических (КПД, коэффициенты мощности) и спектральных (гармонический состав и коэффициенты искажения синусоидальности напряжения и тока) характеристик однофазного ИБП двойного преобразования энергии серии ИДП мощностью 3 кВА совместного производства ЗАО «Связь инжиниринг» и ЗАО «РУСЭЛТ».

Структура однофазного ИБП

В состав однофазного ИБП малой мощности входят силовые узлы: выпрямитель-корректор коэффициента мощности (В-ККМ), инвертор (ИНВ), преобразователь постоянного напряжения (ППН), зарядное устройство (ЗУ), обеспечивающие работу ИБП в сетевом и автономном режимах от аккумуляторной батареи (АБ) (рис. 1). Выпрямитель и корректор коэффициента мощности (В-ККМ) выполняют следующие функции [1]:

  • Осуществляют преобразование напряжения сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока, обеспечивая питание инвертора стабильным напряжением постоянного тока 700 В (350 В).
  • Обеспечивают потребление из сети входного тока, совпадающего по фазе с напряжением сети, и практически синусоидальной формы, вне зависимости от характера нагрузки ИБП, что позволяет иметь входной коэффициент мощности близким к единице.

Структурная схема ИДП: Вх.Ф — входной фильтр ЭМС; Вых.Ф — выходной фильтр ЭМС; В-ККМ — выпрямитель и корректор коэффициента мощности; ИНВ — ШИМ-инвертор; СФ — выходной силовой фильтр инвертора; ВР — выходное реле; ППН — повышающий преобразователь напряжения; АБ — аккумуляторная батарея; ЗУ — зарядное устройство; ВИП — вторичный источник питания; МК-СУ — микроконтроллерная система управления

Рис. 1. Структурная схема ИДП: Вх.Ф — входной фильтр ЭМС; Вых.Ф — выходной фильтр ЭМС; В-ККМ — выпрямитель и корректор коэффициента мощности; ИНВ — ШИМ-инвертор; СФ — выходной силовой фильтр инвертора; ВР — выходное реле; ППН — повышающий преобразователь напряжения; АБ — аккумуляторная батарея; ЗУ — зарядное устройство; ВИП — вторичный источник питания; МК-СУ — микроконтроллерная система управления

Входной/выходной фильтры ЭМС (Вх.Ф, Вых.Ф) обеспечивают подавление выбросов сетевого напряжения при переходных процессах и осуществляют фильтрацию высокочастотных коммутационных помех.

Высокочастотный ККМ выполнен по схеме повышающего преобразователя (бустера) с дифференциальным выходом и силовым дросселем, включенным во входную цепь переменного тока [2]. Силовой транзистор ККМ управляется сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Формирование ШИМ-сигнала осуществляет специализированная микросхема ККМ-контроллер. 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.

Высокий коэффициент передачи по напряжению повышающего преобразователя обеспечивает широкий диапазон допустимого входного напряжения, при котором на шине постоянного тока поддерживается напряжение 350 В и ИБП не переходит в автономный режим. Ниже будут приведены границы значений входного напряжения, при которых происходит переход ИБП в автономный режим, в зависимости от величины нагрузки.

Инвертор преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока. Блок ИНВ выполняется по полумостовой бестрансформаторной схеме на IGBT-транзисторах [3]. Силовые транзисторы управляются высокочастотными (19,2 кГц) ШИМ-сигналами с платы управления. Широтно-импульсная модуляция сигналов осуществляется по синусоидальному закону, что, в сочетании с быстродействующей системой управления инвертором, обеспечивает высокую точность выходного напряжения (1-2%). Синусоидальное выходное напряжение формируется из высокочастотных ШИМ-импульсов с помощью выходного СФ. Силовые IGBT-транзисторы инвертора выбирают из условия двойного запаса по току по сравнению с номинальной величиной тока нагрузки. Это позволяет иметь ток короткого замыкания ИНВ в пределах 150-200% и высокие перегрузочные способности ИБП, которые являются одним из важных потребительских показателей, т. к. позволяют оптимально выбирать номинальную мощность ИБП при подключении нагрузок, обладающих большими пусковыми токами, или при использовании ИБП в технологических процессах с кратковременными периодическими пиковыми нагрузками.

Преобразователь постоянного напряжения DC/DC обеспечивает повышение и стабилизацию напряжения АБ до уровня, необходимого для надежной работы инвертора в автономном режиме. Принципиальная схема ППН представляет собой двухтактный дифференциальный высокочастотный преобразователь на силовых транзисторах и высокочастотном трансформаторе, мощность которого с учетом потерь в ИНВ должна превышать выходную мощность ИБП [1]. 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 шины постоянного тока. К дифференциальной выходной обмотке высокочастотного трансформатора подключены диоды, обеспечивающие выпрямление и формирование на конденсаторах шины постоянного тока высоковольтного напряжения ±350 В относительно общей шины для питания инвертора в автономном режиме работы ИБП.

Вторичный источник питания формирует ряд низковольтных напряжений постоянного тока (5; 12; 15; 24 В) для обеспечения питанием различных цепей систем управления блоков силовой платы, платы управления и вентиляторов. Питание блока ВИП осуществляется от ЗУ при сетевом режиме или от батареи при автономном режиме. Принципиальная схема ВИП выполняется на однотактном высокочастотном преобразователе. Выход из строя ВИП приводит к общей неисправности ИБП и переключению нагрузки на «байпас» при сетевом режиме.

МК-СУ на DSP-микроконтроллере МС68НС908 обеспечивает необходимый алгоритм работы силовых узлов, тестирование состояния, мониторинг и управление. Плата дисплея содержит ряд светодиодов для индикации режимов работы ИБП и кнопки включения/выключения инвертора силовой платы. На АЦП-входы МК поступают следующие контрольные сигналы:

  • напряжение сети Uвх;
  • положительное и отрицательное напряжения шины постоянного тока U+, U-;
  • напряжение аккумуляторной батареи Uаб;
  • выходное напряжение инвертора Uвых;
  • выходной ток инвертора Iвых;
  • температура охладителя силовых транзисторов То.

Определение действующих значений напряжений и тока производится путем серии измерений мгновенных значений: для напряжений — 64 раза, для тока — 128 раз за период основной частоты 50 Гц, с последующим вычислением среднеквадратичных значений этих величин [4]. Автоподстройка частоты и фазы напряжения инвертора к напряжению сети производится по результатам измерения частоты и фазы Uвх, Uвых по окончании каждого периода (20 мс). За один период частота выходного напряжения ИНВ может быть увеличена или уменьшена на 0,01 Гц, что составляет максимальную скорость изменения частоты 0,5 Гц/с.

Проверка температурного режима, предназначенная для защиты силовых транзисторов от перегрева, осуществляется по показаниям температурного датчика 2 раза в секунду. При превышении +90 °С инвертор выключается, и ИБП переходит в режим «байпас».

Конструктивное исполнение ИБП

Конструктивное исполнение блока ИДП в виде мини-тауэра представляет собой прямоугольный металлический корпус, имеющий съемные боковые стенки, переднюю и заднюю панели. Размер блока со встроенными герметичными последовательно включенными шестью аккумуляторами емкостью 7-9 Ач составляет 195x455x330 мм. Внешний вид ИДП представлен на рис. 2.

Внешний вид ИДП-3

Рис. 2. Внешний вид ИДП-3

ИБП серии ИДП могут быть выполнены также в стандартном корпусе 2U для установки в 19-дюймовые телекоммуникационные шкафы (стойки) размером 87x440x400 мм. Аккумуляторы размещаются в отдельном аккумуляторном модуле такого же размера.

Пороги входного напряжения перехода из сетевого режима в автономный и возврата в сетевой

В таблице 1 приведены значения входного напряжения при переходе из сетевого режима в автономный при различных процентах нагрузки ИБП.

Таблица 1. Минимальные значения входного напряжения перехода ИБП из сетевого режима в автономный и возврата в сетевой режим

Величина нагрузки, % Значение напряжения перехода в автономный режим, В Значение напряжения возврата в сетевой режим, В
<40 120 185
40-50 135
50-60 147
60-70 160
70-80 170
>80 175

Энергетические показатели ИБП

Коэффициент полезного действия характеризует эффективность использования ИБП и является отношением выходной активной мощности, потребляемой нагрузкой, к входной активной мощности, потребляемой ИБП из сети. Значение КПД можно оценить через потери активной мощности в ИБП:

η = 1/(1+ΔР/Рвых).

Потери активной мощности (тепловые потери) в ИБП характеризуются рядом составляющих [5]:

ΔΡ = Pвхвых = ΔPхх+ΔPпп+ΔPдп,

где: ΔPхх — постоянная составляющая потерь (потери холостого хода ИБП), она не зависит от коэффициента нагрузки и определяется энергией, необходимой для обслуживания системы управления силовых узлов, питания вентиляторов охлаждения и других вспомогательных блоков. ИДП-3кВ-А имеет значение потери холостого хода ΔPхх = 60 Вт, что составляет 20% от общих потерь при номинальной нагрузке. ΔPпп — переменная составляющая потерь, она зависит от величины нагрузки ИБП:

ΔPпп = ΔP1+ΔP2+ΔP3+ΔP4,

где: ΔP1 — потери в силовой цепи выпрямителя; ΔP2 — потери в силовой цепи корректора коэффициента мощности (в сетевом режиме); ΔP3 — потери в силовой цепи преобразователя постоянного напряжения (в автономном режиме); ΔP4 — потери в силовой цепи инвертора и выходном силовом фильтре. ΔPдп — дополнительные потери на заряд АБ, являющиеся переменными во времени и зависящие от степени разряженности батареи и ее емкости. Наибольшие дополнительные потери возникают при форсированном заряде батареи.

Значение общего (системного) КПД ИДП-3кВА составляет 90% в сетевом режиме и диапазоне выходной мощности 50-100% от номинальной при полностью заряженных АБ.

На рис. 3 приведены зависимости КПД от величины нагрузки при различных значениях входного напряжения и зависимость тепловых потерь от степени загрузки ИДП-3кВ-А.

Зависимости КПД от величины нагрузки при разных значениях входного напряжения

Рис. 3. Зависимости КПД от величины нагрузки при разных значениях входного напряжения

Экспериментальные исследования зависимости входных коэффициентов мощности от величины нагрузки ИБП при различных значениях входного напряжения показали, что входной коэффициент мощности ИДП-3кВ-А составляет 0,99 при нагрузке 25-100% номинальной мощности.

Коэффициент передачи полной мощности в нагрузку (KS) — отношение предельно допустимой мощности нагрузки к номинальной полной мощности ИБП.

Ks = (Sвыхтах/Sном)· 100%·

KS коррелируется с понятием коэффициента снижения мощности Kd (derating factor), указывающим на процент величины активной составляющей мощности нагрузки, которую можно подключить к инвертору. Kd зависит от характера нагрузки. В таблице 2 приведены значения Ks при выходном коэффициенте мощности инвертора 0,8 и различных значениях коэффициентов мощности нагрузки.

Таблица 2. Зависимость коэффициента передачи мощности от характера нагрузки

Характер нагрузки Коэффициент мощности нагрузки Коэффициент передачи мощности, %
Индуктивный 0,7 88
0,75 94
0,8 100
0,85 100
0,9 100
Резистивный 1,0 100
Емкостной 0,95 94
0,9 87
0,85 80
0,8 74
0,75 68
0,7 62

При емкостном характере нагрузки ток конденсатора выходного фильтра суммируется с током емкостной составляющей нагрузки, что снижает предельно допустимую нагрузку на выходе инвертора. Реактивная составляющая мощности и высокочастотные гармонические составляющие мощности искажения на выходе преобразователя будут обмениваться между нагрузкой, выходным фильтром инвертора и емкостью фильтра звена постоянного тока. Замыкаясь в указанном контуре силовой цепи преобразователя, их величины будут зависеть от коэффициента мощности нагрузки. Причем выходной коэффициент мощности может отличаться от коэффициента мощности нагрузки. Значение KS достигает 100% при равенстве коэффициента мощности линейной нагрузки индуктивного характера выходному коэффициенту мощности ИБП.

Спектральные показатели ИБП

Коэффициент искажения синусоидальности характеризует степень отклонения формы периодической кривой тока или напряжения от синусоидальной формы:

где: I1 — действующее значение первой (основной) гармоники тока; In — действующее значение n-ой гармоники тока; n — порядок высшей гармоники тока.

На рис. 4 приведены осциллограммы входного и выходного напряжений и тока при нелинейном характере нагрузки с коэффициентом мощности 0,62 и полной мощностью 3 кВА. Спектральный анализ напряжений и токов показал следующее.

Осциллограммы напряжений и токов: а) на входе ИБП; б) на выходе ИБП при линейной нагрузке; в) на выходе ИБП при нелинейной нагрузке

Рис. 4. Осциллограммы напряжений и токов: а) на входе ИБП; б) на выходе ИБП при линейной нагрузке; в) на выходе ИБП при нелинейной нагрузке

Коэффициент искажения синусоидальности входного тока не превышает 3% при наличии незначительных величин высших гармоник тока порядка n = 2; 3; 5; 7, что отвечает требованиям стандарта [7].

Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения не превышает 4%, что соответствует требованиям стандарта [6]. При этом коэффициент искажения синусоидальности кривой выходного тока превышал 110% при коэффициенте амплитуды (крест-фактор) более 3.

Выводы

ИБП серии ИДП мощностью 3 кВА имеют следующие особенности:

  • высокий входной коэффициент мощности (0,99);
  • высокий КПД (90%);
  • повышенное значение выходного коэффициента мощности (0,8);
  • повышенное значение крест-фактора (4:1);
  • низкие значения коэффициентов искажения синусоидальности формы входного тока и выходного напряжения. I

Литература

  1. Климов В. Современные источники бесперебойного питания: классификация и структуры однофазных ИДП. Часть 1 // Электронные компоненты. 2008. № 6.
  2. Климов В., Климова С., Карпиленко Ю. Корректоры коэффициента мощности однофазных источников бесперебойного питания // Силовая электроника. 2009. № 2.
  3. Климов В. Частотно-энергетические параметры ШИМ-инверторов систем бесперебойного питания // Силовая электроника. 2009. № 4.
  4. Климов В., Зуенко В. Структура и алгоритмы функционирования системы управления ИБП серии ДПК // Силовая электроника. 2008. № 1.
  5. Климов В. Характеристики современных ИБП с двойным преобразованием. Часть 4 // Электронные компоненты. 2008. № 10.
  6. ГОСТ 13109-97. «Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
  7. ГОСТ Р 51317.3.2-2006. «Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний».
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2010_4_56.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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