Однофазные бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные характеристики

Валерий Климов
Андрей Портнов
Владимир Коротков
Валерий Смирнов
Сергей Сыромятников
Роберт Бейм

Динамические характеристики являются важными потребительскими свойствами источников бесперебойного питания, отражающими их надежную работу при коммутации нагрузки, скачках сетевого напряжения, перегрузках и других возмущениях, возникающих в системе «сеть — источник питания — нагрузка». Данная работа посвящена результатам экспериментального исследования динамических режимов источников питания с двойным преобразованием энергии серии ДПК мощностью 1–3 кВ·А производства ЗАО «Энергетические технологии» [1]. Исследования проводились на электродинамической модели кафедры «Электроэнергетические системы» МЭИ. Для регистрации и обработки результатов экспериментов использовались программно-технический комплекс ПТК «Нева», разработанный НПФ «Энергосоюз», и регистратор качества электрической энергии «Парма РК1.01».

Функциональные особенности силовой цепи источника питания

Функциональная схема силовой цепи источника питания , в состав которой входит выпрямитель — корректор коэффициента мощности (В-ККМ), а также инвертор (ИНВ), приведена на рис. 1.

В-ККМ выполняет три функции:

• осуществляет преобразование напряжения сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока, обеспечивая питание инвертора стабильным напряжением постоянного тока 700 В;
• обеспечивает потребление из сети входного тока, совпадающего по фазе с напряжением сети и практически синусоидальной формы, вне зависимости от характера нагрузки источника питания, что позволяет иметь входной коэффициент мощности, близкий к единице;
• обеспечивает мягкий старт для уменьшения пускового входного тока источника питания.

Высокочастотный корректор коэффициента мощности (ККМ) в источнике питания выполнен по схеме повышающего преобразователя (бустера) с дифференциальным выходом на диодах VD1–VD4, емкостях С1, С2 и силовом дросселе L1, включенном во входную цепь переменного тока [2]. Силовой транзистор ККМ VT1 управляется сигналом с широтно-импульсной модуляцией (частота ШИМ 20–30 кГц) с помощью специализированной микросхемы типа UC 3854.

Инвертор (ИНВ) преобразует напряжение постоянного тока 700 В в синусоидальное напряжение 50 Гц 220 В. Блок инвертора выполняется по полумостовой бестрансформаторной схеме на IGBT-транзисторах VT2, VT3. Силовые транзисторы управляются высокочастотными ШИМ-сигналами (20 кГц). Широтноимпульсная модуляция сигналов осуществляется по синусоидальному закону, что обеспечивает высокую точность выходного напряжения. Синусоидальная форма выходного напряжения формируется из высокочастотных ШИМ-импульсов с помощью выходного фильтра L2, С3.

Преобразователь постоянного напряжения (ППН) (на рис. 1 не приведен) обеспечивает повышение и стабилизацию напряжения аккумуляторной батареи (АБ) до уровня, необходимого для надежной работы инвертора в автономном режиме. Принципиальная схема преобразователя напряжения представляет собой двухтактный дифференциальный высокочастотный преобразователь на двух группах параллельно включенных силовых транзисторов и высокочастотном трансформаторе, мощность которого с учетом потерь в инверторе должна превышать выходную мощность источника питания. Транзисторы управляются ШИМ-сигналами с микросхемы контроллера типа UC 3525, который в свою очередь получает сигналы разрешения работы с платы управления источником питания.

К дифференциальной выходной обмотке высокочастотного трансформатора подключены две группы диодов, обеспечивающие выпрямление и формирование на конденсаторах С1, С2 (рис. 1) высоковольтного напряжения постоянного тока +350, –350 В относительно общей шины для питания инвертора в автономном режиме работы источника питания.

Краткое описание используемого оборудования при проведении исследований

Электродинамическая модель (ЭДМ) может воспроизводить различные, в том числе аварийные режимы электроэнергетической системы, что позволяет проводить испытания натурных образцов оборудования в условиях, близких к реальным. На ЭДМ может быть воспроизведен широкий спектр различных возмущений: короткие замыкания и отключения фаз источника, сброс и наброс нагрузки, генерирование напряжения заданной формы.

Модернизированный программно-технический комплекс ПТК «Нева» позволяет задавать определенные режимы ЭДМ в соответствии со специальной программой «Управление экспериментом». В функции ПТК входят:

• мониторинг текущего режима энергообъекта;
• цифровое осциллографирование переходных процессов;
• управление коммутирующей аппаратурой по временному или логическому признаку;
• представление на экране монитора временных диаграмм и мгновенных значений спектральных характеристик исследуемого процесса;
• печать регистрируемых данных эксперимента.

Регистратор показателей качества электрической энергии «Парма РК1.01» дает возможность получать усредненные за 3 с значения гармонических составляющих напряжения до 40-й гармоники включительно и коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения К_и. Эти характеристики входят в показатели качества электрической энергии питания электропотребителей общего назначения [3].

В статье рассматриваются результаты испытаний при работе источника питания на однофазную нелинейную, двигательную и статическую линейную нагрузки.

Однофазная эталонная нелинейная нагрузка (ЭНН) имитировалась с помощью диодного моста, нагруженного на параллельно соединенные емкость и резистор (рис. 2).

Дополнительный резистор R_s, служащий для ограничения бросков тока заряда емкости, может быть включен как со стороны переменного, так и постоянного тока выпрямительного моста. Коэффициент мощности ЭНН принимается равным 0,7, то есть 70% полной мощности S должно рассеяться в виде активной мощности на резисторах R_s и R₁.

Величина R_s выбирается из условия рассеяния активной мощности, равной 4% общей полной мощности ЭНН, а R₁ (нагрузочный резистор) — 66% полной мощности S (В·А).

Расчетные соотношения для выбора элементов ЭНН следующие [5]:

где U — действующее номинальное значение выходного напряжения источника питания (В).

В качестве двигательной нагрузки использовался компрессор холодильного агрегата с пиковой мощностью при включении 1700 В·А.

В качестве линейных нагрузок использовались лампы накаливания и нагревательные приборы.

Перечень исследуемых динамических характеристик источника питания

1. Изменение рабочего режима источника питания.

• Переход с сетевого режима на АБ (питание от аккумуляторных батарей).
• Переход с АБ на сетевой режим.
• Переход с режима двойного преобразования энергии (ДПЭ) на режим байпас.

При этих исследованиях определяются предельные значения входного напряжения при смене режимов работы источника питания в зависимости от величины нагрузки и гистерезис входного напряжения по возврату из автономного режима в сетевой.

• Ступенчатое изменение (наброс/сброс) линейной нагрузки.
• Ступенчатое изменение нелинейной нагрузки.
• Включение источника питания на двигательную нагрузку.

При этих исследованиях определяются провалы и всплески мгновенных значений выходного напряжения и тока и время возврата в установившийся режим работы источника питания после скачков нагрузки.

• Перегрузочные возможности инвертора.
• Условия перехода на байпас.
• Эффективность электронной защиты для отключения источника питания при значительных перегрузках и коротком замыкании.

Указанный перечень динамических характеристик отражает общие требования к источникам питания, изложенные в стандартах [4, 5].

Результаты экспериментальных исследований

1. Исследование диапазона изменения входного напряжения, при котором источник питания серии ДПК сохраняет сетевой режим двойного преобразования энергии без перехода на АБ, показало, что полученные результаты соответствуют уровню показателей передовых производителей источников питания.

В таблице 1 приведены полученные результаты измерений при значениях нагрузки 30%, 70% и 100% номинальной величины.

Гистерезис входного напряжения по возврату из аккумуляторного режима в сетевой составил 13–17 В. Исследование источников питания при повышенных входных напряжениях до 275 В показало устойчивую работу при 100%-ной нагрузке без перехода на АБ во всем диапазоне нагрузок.

2. Результаты исследования переходных процессов при скачках нагрузки приведены на рисунках 2–5. Анализ данных показывает, что при скачке линейной нагрузки до 100% выходное напряжение снижается на 3,5% от величины установившегося значения и затем восстанавливается до исходного уровня за 60 мс (рис. 3). Отметим, что статическая точность стабилизации источников питания составляет ±2%.

При скачкообразном сбросе 100% линейной нагрузки зарегистрировано увеличение выходного напряжения на 4% и возврат к установившемуся значению в течение 100 мс (рис. 4).

На рис. 5 приведены осциллограммы выходного напряжения и тока при включении двигательной нагрузки, при которой суммарная мощность составила 150% номинальной мощности источника питания. В связи с перегрузкой источника питания через 0,24 с автоматически перешел в режим байпас, а затем, при окончании режима пуска двигателя, вновь перешел в режим двойного преобразования. При этом видно, что переход из режима двойного преобразования в байпас и наоборот происходит мгновенно, без искажений кривых напряжения и тока.

На рис. 6 приведены осциллограммы выходного напряжения и тока ДПК-3 при включении нелинейной нагрузки, коэффициент амплитуды (крест-фактор) которой равен 2,84, а полная мощность составляла 1800 В·А. Первоначальный всплеск тока превысил в 2,4 раза пиковое значение тока в установившемся режиме. При этом выходное напряжение снизилось на 9% от установившегося значения и затем восстановилось до исходного уровня в течение 40 мс.

3. Исследования поведения источника питания при скачках входного напряжения показало, что источник питания обеспечивает практически мгновенную реакцию на возмущения, и стабильность выходного напряжения остается в пределах статической точности ±2%.
4. Перегрузочные способности инвертора источника питания можно характеризовать следующими показателями. При превышении нагрузки более 10% от номинальной величины инвертор продолжает работу в течение 30 с, а затем источник питания переходит на байпас. В случае увеличения нагрузки до 150% инвертор продолжает работать 0,2 с до перехода на байпас. Процесс перехода на байпас и возврат в режим двойного преобразования был приведен на рис. 5.

Эффективность электронной защиты инвертора проверялась при автономной работе источника питания путем включения двигательной нагрузки с превышением 150% номинальной нагрузки (пуск двигателя). Через 0,22 с после включения двигателя источник питания был отключен с помощью электронной защиты от перегрузки (рис. 7). Эксперимент подтвердил паспортные данные о перегрузочной способности инвертора (200 мс) и надежность срабатывания электронной защиты источника питания .

5. Исследование гармонического состава выходного напряжения и тока при линейной и нелинейной нагрузках показало, что коэффициент искажения синусоидальной формы выходного напряжения не превышает допустимые значения [3] при любом характере нагрузки, как в сетевом, так и в автономном режимах. В таблице 2 приведен гармонический состав выходного напряжения источника питания ДПК-1, данные получены с помощью регистратора показателей качества электрической энергии «Парма РК1.01» в сетевом и автономном режимах работы источника питания при линейной нагрузке мощностью 390 В·А (230 Вт) и нелинейной нагрузке мощностью 216 В·А (207 Вт).

В таблице 3 приведены результаты испытаний ДПК-3 на состав высших гармоник в выходном напряжении и токе при нелинейной нагрузке типа ЭНН мощностью 1800 В·А.

Как следует из анализа гармонического состава выходного напряжения, при использовании источника питания серии ДПК мы имеем напряжение с незначительным коэффициентом искажения синусоидальности К_и = 3,8% при существенно нелинейной нагрузке и при допустимом содержании высших гармоник выходного напряжения инвертора 10% [3].

6. Влияние коэффициента искажения синусоидальности входного напряжения на гармонический состав выходного напряжения было исследовано на ЭДМ при входном напряжении от источника со значительным искажением синусоидальности кривой напряжения (рис. 8). Эксперимент показал полную работоспособность источника питания при такой форме входного напряжения в сетевом режиме с сохранением всех паспортных данных по предельному значению входного напряжения синусоидальной формы. С помощью регистратора показателей качества электрической энергии «Парма РК1.01» были произведены замеры гармонического состава напряжений на входе и выходе источника питания (таблица 4).

Как видно из результатов эксперимента, при существенно несинусоидальной форме входного напряжения (с коэффициентом искажения синусоидальности 36–41%) имеем на выходе источника питания серии ДПК практически синусоидальную форму напряжения (К_и = 0,6–1%) и надежную работу источника питания в сетевом режиме в диапазоне входного напряжения, соответствующего паспортным данным для синусоидальной формы входного напряжения. Это обстоятельство особо важно при питании источника питания от дизель-генераторной установки (ДГУ) малой мощности, когда напряжение ДГУ имеет значительные искажения от синусоидальной формы.

Выводы

1. При включении источника питания серии ДПК на нелинейную нагрузку динамические характеристики обеспечивают высокую степень стабильности выходного напряжения при низком коэффициенте искажения его синусоидальности.
2. Источники питания серии ДПК надежно защищают нагрузку от разнообразных возмущений в сети, в том числе от сильно искаженного высшими гармониками входного напряжения.
3. Источники питания серии ДПК защищают сеть от влияния высших гармоник, присутствующих в токе нелинейных нагрузок.

Литература

1. Климов В. П. Источники бесперебойного питания серии ДПК малой мощности // Электрическое питание. 2006. № 1.
2. Климов В., Климова С., Портнов А. ИБП с двойным преобразованием энергии малой и средней мощности: схемотехника и технические характеристики // Электронные компоненты. 2004. № 6.
3. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
4. ГОСТ 27699-88. Системы бесперебойного питания приемников переменного тока. Общие технические условия.
5. International Standard IEC 62040-3.1999, Uninterruptible Power Systems (UPS), part 3: Method of Specifying the Performance and Test Requirements.