Прецизионный стабилизатор напряжения с двойным преобразованием энергии

Валерий Климов

Юрий Карпиленко

Светлана Климова

Валерий Смирнов

Однофазный стабилизатор напряжения переменного тока 220 В, 50 Гц предназначен для поддержания стабильного напряжения питания нагрузок бытового и промышленного назначения при отклонениях сетевого напряжения по амплитуде и частоте в определенном диапазоне. Группой «РУСЭЛТ» разработана новая модель однофазного стабилизатора напряжения мощностью 1-3 кВ-А на основе двойного преобразования энергии, обеспечивающего высокую точность стабилизации и низкий коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения.

Отличительные особенности стабилизатора

Стабилизатор отличается от существующих типов стабилизаторов (ступенчатых корректоров напряжения, электромеханических и др.) следующими характеристиками:

• высокое значение коэффициента стабилизации;
• непрерывность регулирования с малым временем реакции;
• широкий диапазон допустимого изменения сетевого напряжения;
• высокое качество выходного напряжения при значительных искажениях входного напряжения, при линейной и нелинейной нагрузках;
• эффективная фильтрация высокочастотных сетевых помех и выбросов напряжения;
• отсутствие эмиссии высокочастотных гармоник тока в сеть при работе на нелинейную нагрузку.

Структура
и принцип работы стабилизатора

Принцип действия стабилизатора основан на использовании двойного преобразования энергии аналогично источникам бесперебойного питания в сетевом режиме [1]. Структура стабилизатора содержит следующие блоки: входной фильтр (ВФ), корректор коэффициента мощности — выпрямитель (ККМ-В), ШИМ-инвертор (ИНВ), вторичный источник питания (ВИП) и блок микроконтроллерного управления (БМКУ) (рис. 1).

Назначения блоков СДП:

• Входной сетевой фильтр (ВФ) обеспечивает подавление выбросов напряжения при переходных процессах в сети и осуществляет фильтрацию высокочастотных помех.
• Выпрямитель и корректор коэффициента мощности (ККМ-В) обеспечивают преобразование напряжения сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока, обеспечивая при этом практически синусоидальную форму тока, потребляемого из сети, совпадающую по фазе с входным напряжением. Это позволяет обеспечить величину входного коэффициента мощности стабилизатора близкой к единице.
• ШИМ-инвертор (ИНВ) преобразует напряжение постоянного тока в синусоидальное напряжение с частотой 50 Гц. Силовые транзисторы инвертора коммутируются с частотой 19,2 кГц, обеспечивая высокую надежность и точность формирования выходного напряжения.
• Вторичный источник питания (ВИП) обеспечивает напряжениями постоянного тока узлы и блоки
  СДП.
• Блок микроконтроллерного управления (БМКУ) обеспечивает необходимый алгоритм работы силовых блоков СДП, тестирование и мониторинг состояния сети и нагрузки. По функциональному назначению состав БМКУ разбит на следующие узлы:
  • центральный микроконтроллер (МК);
  • узел формирования ШИМ-сигналов для управления силовыми транзисторами инвертора;
  • узел согласования входных, выходных сигналов и сигналов индикации;
  • узел формирования сигналов по интерфейсу RS232;
  • вспомогательный источник питания цепей БМКУ.

В качестве МК использован микроконтроллер типа MC68RG908MR32 (Motorola), на входы которого поступают аналоговые и цифровые сигналы измерения электрических параметров системы и состояния узлов СДП.

МК обеспечивает:

• обработку аналоговой и цифровой информации о состоянии силовых блоков и режимах их работы;
• формирование сигналов управления силовыми блоками;
• формирование сигналов информации о состоянии системы на плату дисплея и RS-порт.

На рис. 2 представлена функциональная
схема силовой цепи стабилизатора.

Высокочастотный ККМ выполнен по схеме повышающего преобразователя (бустера) с диодным мостовым ключом и дифференциальным выходом. Силовой дроссель L₁ включен во входную цепь переменного тока [3].

Силовой транзистор ККМ VT₁ управляется сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Формирование ШИМ-сигнала с частотой 30 кГц осуществляет
специализированная микросхема ККМ-контроллера типа UC3854. На входы ККМ-контроллера поступают сигналы, пропорциональные входному напряжению (U_вх), входному току (i_вх)
напряжению на выходе ККМ (U_вых). Кроме этих сигналов, на микросхему ККМ-контроллера поступает сигнал управления (вкл/выкл) ККМ от центрального микроконтроллера БМКУ. Контроллер ККМ вырабатывает ШИМ-сигналы с различной скважностью на каждом полупериоде сетевого напряжения, что позволяет формировать входной ток необходимой формы и стабилизировать выходное напряжение.

За счет изменения соотношения времени открытого состояния транзистора VT₁, когда в дросселе L₁ запасается электромагнитная энергия, и времени
закрытого состояния транзистора, когда накопленная энергия через диоды VD₅, VD₆ (рис. 2) отдается в накопительные конденсаторы C₁, ККМ
обеспечивает форму входного тока, близкую к синусоидальной и совпадающую по фазе с входным напряжением (рис. 3). Сигнал ШИМ с контроллера поступает на затвор
IGBT-транзистора VT₁ через узел сопряжения (оптопару типа TLP250), обеспечивающий необходимое усиление сигнала и гальваническую развязку цепи управления и
силовой цепи транзистора. На накопительных конденсаторах шины постоянного тока С₁ формируется высоковольтное стабилизированное постоянное напряжение для питания
инвертора U_n = 760 В (±380 В). Величина емкости накопительных конденсаторов С₁ выбирается из расчета 470 мкФ на каждый 1 кВ-А выходной мощности инвертора для обеспечения достаточной энергии питания инвертора при скачках нагрузки и провалах сетевого напряжения.

Блок инвертора выполняется по полумостовой бестрансформаторной схеме на IGBT-транзисторах VT₂, VT₃ (рис. 2). Силовые транзисторы
управляются высокочастотными (19,2 кГц) ШИМ-сигналами с блока управления через оптопары (TLP250), которые изолируют силовые цепи от цепей управления. Синусоидальное
выходное напряжение формируется из высокочастотных ШИМ-импульсов с помощью выходного фильтра L₂, С₂ [4].

Конструктивное исполнение стабилизатора

Стабилизаторы СДП выполняются в трех модификациях: мини-тауэр, 19-дюймовые для размещения в телекоммуникационной стойке или шкафу, настенные. На рис. 4 приведен внешний вид стабилизатора телекоммуникационного исполнения, представляющий собой прямоугольный металлический корпус высотой 2U (88 мм) со съемной верхней крышкой и дополнительными уголками для крепления к профилю стойки. Охлаждение силовых блоков стабилизатора принудительное, с помощью вентиляторов, работающих в двухскоростном режиме.

На передней панели блока расположен светодиодный дисплей, отражающий режимы работы и состояние стабилизатора. При сетевом напряжении в пределах допустимого отклонения светятся два светодиода зеленого цвета, указывающие на наличие входного напряжения, работу инвертора и наличие выходного напряжения. Четыре светодиода зеленого цвета индикаторной линейки указывают приблизительное значение нагрузки СДП с шагом в 25%. Светодиод желтого цвета отражает режим перегрузки СДП, а светодиод красного цвета указывает на наличие аварийной ситуации.

Статические характеристики стабилизатора

• Статическая точность составляет ±1%. Широтно-импульсная модуляция сигналов управления транзисторами инвертора осуществляется по синусоидальному закону и в сочетании с быстродействующей системой управления инвертором обеспечивает высокую точность поддержания выходного напряжения.
• Диапазон входного напряжения, допустимый для работы стабилизатора, зависит от величины нагрузки и составляет:
• 160-290 В при нагрузке >75% (до 100%);
• 130-290 В при нагрузке >50% (до 75%);
• 110-290 В при нагрузке

Гистерезис по автоматическому включению
стабилизатора при восстановлении входного напряжения составляет 10 В.

• Допустимое отклонение частоты входного напряжения составляет 45-55 Гц при обеспечении точности поддержания частоты выходного напряжения 50 Гц ±0,5%.
• Входной коэффициент мощности составляет 0,98, что обеспечивается с помощью ККМ формой входного тока, близкой к синусоидальной и совпадающей по фазе с входным напряжением.
• Выходной коэффициент мощности составляет 0,7, что соответствует номинальной активной мощности на выходе стабилизатора: 700 Вт — для СДП 1 кВ-А; 1400 Вт — для СДП 2 кВ-А; 2100 Вт — для СДП 3 кВ-А.
• Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения: при линейной нагрузке — не более 3%; при нелинейной нагрузке — не более 5%

При существенно несинусоидальной форме входного напряжения, соответствующей коэффициенту искажения синусоидальности 36-41% (прямоугольное напряжение со
значительным коэффициентом третьей гармоники), выходное напряжение СДП имеет синусоидальную форму К_{и вых} = 1-2%. Это обстоятельство особо важно при питании СДП от дизель-генераторной установки (ДГУ) малой мощности, когда напряжение ДГУ имеет значительные искажения от синусоидальной формы.

• Допустимый коэффициент амплитуды тока нагрузки (крест-фактор) достигает значения 3/1, что обеспечивает возможность использования СДП при существенно нелинейных нагрузках.
• Эффективность стабилизатора: КПД при 100% нагрузки составляет не менее 90%; потери на холостом ходу составляют 30 Вт для СДП 1 кВ-А и 45 Вт для СДП 2, 3 кВ-А.

Динамические характеристики стабилизатора

При исследовании поведения стабилизатора при скачках входного напряжения было отмечено, что СДП обеспечивает практически мгновенную реакцию на возмущения, и стабильность выходного напряжения остается в пределах статической точности ±1% [2].

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. При скачкообразном сбросе 100% линейной нагрузки зарегистрировано увеличение выход ного напряжения на 4% и возврат к установившемуся значению в течение 100 мс (рис. 5).

Перегрузочная способность и электронная защита

Современные инверторы на IGBT-транзисторах с ШИМ-регулированием обладают достаточно высокими перегрузочными характеристиками и значениями токов короткого
замыкания (I_кз), достигающими 200% номинального выходного тока. При перегрузках, не превышающих 105% номинальной мощности, СДП может продолжительное время
работать в инверторном режиме. Вопрос ограничения тока инвертора в режиме перегрузки является важным обстоятельством для понимания перегрузочных свойств СДП. При росте тока
нагрузки свыше номинального значения инвертор переходит в режим генератора тока, ограничивая максимальное значение тока на определенной величине I_огр. Чтобы
искажение синусоидальности выходного напряжения не превышало 5%, необходимо устанавливать порог ограничения максимального (амплитудного) значения выходного тока в 1,5 раза больше амплитудной величины номинального тока инвертора при линейной нагрузке. На рис. 6 приведена осциллограмма тока короткого замыкания на выходе стабилизатора. Электронная защита по отключению инвертора при коротком замыкании срабатывает через 0,12 с.

Термозащита силовых транзисторов реализуется с помощью сигнала с релейного датчика температуры (+80 °С). Указанный сигнал поступает на центральный микроконтроллер (МК) блока управления. МК подсчитывает время, в течение которого транзисторы не выйдут из строя из-за перегрева, после чего выдает сигнал на отключение инвертора. Затем МК просчитывает время охлаждения транзисторов, чтобы не допустить включения инвертора сразу после окончания первой перегрузки. Если нагрузка продолжает оставаться в пределах 110-120% от номинальной, то по окончании просчета заданного времени охлаждения МК выдает сигнал на повторное включение инвертора и т. д. При больших значениях перегрузки МК через 0,2 с выдаст сигнал отключения нагрузки, повторное включение инвертора будет возможно лишь после снятия перегрузки.

Литература

1. Климов В. Современные источники бесперебойного питания: классификация и структуры однофазных ИДП. Часть 1 // Электронные компоненты. 2008. №6.
2. Климов В. Характеристики современных ИБП с двойным преобразованием. Часть 4 // Электронные компоненты. 2008. №10.
3. Климов В., Климова С., Карпиленко Ю. Корректоры коэффициента мощности однофазных источников бесперебойного питания // Силовая Электроника. 2009. №3.
4. Климов В. Частотно-энергетические параметры ШИМ-инверторов систем бесперебойного питания // Силовая Электроника.
   2009. №4.