· однофазные ИБП малой мощности: 1; 1,5; 3 кВА;
· однофазные ИБП средней мощности: 6, 10, 15, 20 кВА;
· ИБП с трехфазным входом и однофазным выходом средней мощности: 10,15,20,30 кВА;
· трехфазные ИБП средней мощности: 10, 15, 20, 30 кВА;
· трехфазные ИБП большой мощности: более 30 кВА.
Остановимся на рассмотрении особенностей схемотехники силовых цепей современных однофазных ИБП малой и средней мощности, на примере ИБП, выпускаемых рядом зарубежных (Liebert, Invensys, Chloride, Riello) и отечественным (Энергетические технологии) производителями.
Общепринятые производителями структурные схемы силовой цепи ИБП представлены на рисунках 4 и 5.
Структурная схема ИБП малой мощности: ККМ–В – корректор коэффициента мощности – выпрямитель, ИНВ– инвертор, ППН – преобразователь постоянного напряжения, ЗУ – зарядное устройство, ВИП – вторичный источник питания, АБ – аккумуляторная батарея, К1, К2 – реле блока коммутации.
В состав ИБП малой мощности входит основной комплект плат, состоящий из силовой платы, плат входного и выходного фильтров, платы управления и платы дисплея.
Силовая плата содержит силовые узлы: ККМ–В, ИНВ, ППН, ЗУ (рис. 4), обеспечивающие работу ИБП в сетевом и автономном режимах.
Платы входного и выходного фильтров обеспечивают подавление выбросов сетевого напряжения при переходных процессах и осуществляют фильтрацию высокочастотных коммутационных помех.
Плата управления обеспечивает необходимый алгоритм работы силовой платы ИБП, тестирование состояния, мониторинг и управление ИБП. Плата управления стыкуется разъемами с силовой платой и с платой дисплея. Все цепи ПУ изолированы от высоковольтного напряжения, присутствующего на силовой плате. По функциональному назначению состав ПУ может быть разбит на следующие узлы:
· центральный микроконтроллер (МК);
· узел формирования ШИМ сигналов для управления силовыми транзисторами инвертора;
· узел согласования входных и выходных сигналов;
· узел согласования сигналов индикации и управления платой дисплея;
· узел формирования сигналов по интерфейсу RS–232;
· вспомогательный источник питания цепей ПУ.
В качестве центрального МК может быть использован микроконтроллер типа МС68НС711, на входы которого поступают аналоговые и цифровые сигналы измерения электрических параметров системы и состояния узлов ИБП.
МК обеспечивает:
· обработку аналоговой и цифровой информации о состоянии блоков силовой платы и режимов их работы;
· формирование сигналов управления блоками силовой платы;
· формирование сигналов информации о состоянии системы на плату дисплея и порт RS–232.
Помимо МК, наиболее ответственным узлом на плате управления является формирователь ШИМ–сигналов для управления транзисторами инвертора ИБП, реализованный на дискретных аналоговых элементах.
Плата дисплея содержит ряд светодиодов для индикации режимов работы ИБП и кнопки включения / выключения инвертора силовой платы. В некоторых моделях ИБП используются ЖК–дисплеи для отображения электрических параметров и состояния ИБП.
В составе ИБП возможно также наличие дополнительной платы зарядного устройства, обеспечивающей заряд внешней аккумуляторной батареи (АБ) повышенной емкости при работе ИБП в сетевом режиме.
Структурная схема силовой цепи ИБП средней мощности: ККМ – корректор коэффициента мощности, В – выпрямитель, ИНВ – инвертор, ЗУ – зарядное устройство, ВИП – вторичный источник питания, АБ – аккумуляторная батарея, БК – блок коммутации, ДЗУ – дополнительная плата зарядного устройства.
В ИБП средней мощности из состава силовой платы выделяют несколько силовых узлов, содержащих силовые дроссели, накопительные конденсаторы, плату коммутации (Байпас), плату зарядного устройства.
Структурная схема силовой цепи ИБП средней мощности отличается от ИБП малой мощности применением двухтактной схемы ККМ, статическим блоком коммутации, выполненным на тиристорах, и цепью подключения АБ с помощью тиристора (см. рис. 5).Принципиальной особенностью структуры ИБП средней мощности является то, что повышение напряжения аккумуляторной батареи (АБ) для питания инвертора осуществляется с помощью ККМ, исключая использование дополнительного преобразователя постоянного напряжения (ППН), по сравнению со структурой ИБП малой мощности. Это позволяет повысить общий К.П.Д. ИБП.
Рассмотрим более подробно некоторые особенности принципиальных схем узлов силовой цепи ИБП. Принципиальные схемы силовой цепи ИБП малой и средней мощности приведены на рисунках 6 и 7.
Принципиальная схема силовой цепи ИБП малой мощности
Принципиальная схема силовой цепи ИБП средней мощности
2.1 Назначение и описание узлов силовой цепи ИБП
1. Выпрямитель и корректор коэффициента мощности (ККМ–В) выполняет три функции:
· осуществляет преобразование напряжения сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока, обеспечивая питание инвертора стабильным напряжением постоянного тока 700 – 800 В;
· обеспечивает потребление из сети входного тока, совпадающего по фазе с напряжением сети, и практически синусоидальной формы, в независимости от характера нагрузки ИБП, что позволяет иметь входной коэффициент мощности близким к единице;
· обеспечивает мягкий старт для уменьшения пускового входного тока ИБП.
Схема управления силовым транзистором ККМ
Высокочастотный ККМ в ИБП малой мощности выполнен по схеме повышающего преобразователя (бустера) с дифференциальным выходом и силовым дросселем L1, включенным во входную цепь переменного тока. Силовой транзистор ККМ VT1 (см. рис. 6) управляется сигналом с широтно–импульсной модуляцией (ШИМ). Формирование ШИМ сигнала с частотой 20 кГц осуществляет специализированная микросхема ККМ контроллера типа UC3854. На входы ККМ контроллера поступают сигналы, пропорциональные входному напряжению (uвх), входному току (iвх), напряжению на выходе ККМ (Uвых), максимальным значениям тока транзистора (Imp) и входного тока (Im), номинальному выходному напряжения ККМ (Uном) (см. рис. 8). Кроме этих сигналов, на микросхему ККМ контроллера поступает напряжение питания (Uп=24 В), сигнал синхронизации (Uс) и сигнал управления (вкл/выкл) ККМ (Uвкл) от центрального микропроцессора платы управления ИБП. Контроллер ККМ вырабатывает ШИМ–сигналы с тактовой частотой 20 кГц и 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, когда в дросселе запасается электромагнитная энергия WL:
(1)
и времени закрытого состояния транзистора, когда накопленная энергия через диод VD5 (VD6 рис. 6) отдается в накопительный конденсатор, ККМ обеспечивает форму входного тока, близкую к синусоидальной, и совпадающей по фазе с входным напряжением. Сигнал ШИМ с контроллера поступает на затвор IGBT транзистора через узел сопряжения (оптопару типа TLP250), обеспечивающий необходимое усиление сигнала и гальваническую развязку цепи управления и силовой цепи транзистора (рис. 8). Питание узла сопряжения в ИБП малой мощности осуществляется от одной из обмоток высокочастотного трансформатора блока зарядного устройства с помощью диода VD1. В ИБП средней мощности питание узла сопряжения обеспечивает блок ВИП. На накопительных конденсаторах шины постоянного тока С1, С2 (см. рис. 6, 7) формируется высоковольтное стабилизированное постоянное напряжение для питания инвертора Uп =700 – 800 В.
Коэффициент передачи по напряжению повышающего преобразователя (бустера) в режиме непрерывного тока дросселя достигает значения 4. Это обеспечивает широкий диапазон допустимого входного напряжения, при котором ИБП не переходит в автономный режим. Значения допустимых отклонений входного напряжения (сети) и значения напряжений питания инвертора для различных моделей ИБП приведены в таблице №1.
Величина емкости накопительных конденсаторов С1= С2 выбирается из расчета 470 мкФ на каждый 1кВА выходной мощности инвертора для обеспечения достаточной энергии питания инвертора при скачках нагрузки и провалах сетевого напряжения.
Таблица 1. Допустимый диапазон входных напряжений и параметры цепей постоянного тока ИБП малой и средней мощности
|
Производитель |
Модель ИБП |
Номинал. Мощность кВА |
Напряжение АБ,В |
Входное напряжение, В |
Диапазон нагрузки, % |
Напряжение DC шины, В |
|
Invensys |
PW9120 |
1/1,5/3 |
36/48/96 |
160–276 |
66–100 |
н/д |
|
140–276 |
33–66 |
|||||
|
120–276 |
0–33 |
|||||
|
5/6 |
240 |
184–276 |
75–100 |
|||
|
160–276 |
50–75 |
|||||
|
140–276 |
25–50 |
|||||
|
120–276 |
0–25 |
|||||
|
PW9150 |
8/10/12/15 |
288 |
176–276 |
0–100 |
800 |
|
|
Liebert |
GXT–2U |
1/3 |
48/72 |
160–280 |
70–100 |
750 |
|
140–280 |
30–70 |
|||||
|
120–280 |
0–30 |
|||||
|
GXT |
6/10 |
240 |
187–276 |
90–100 |
750 |
|
|
163–276 |
30–90 |
|||||
|
122–276 |
0–30 |
|||||
|
Nfinity |
4/8/12/16 |
120 |
170–276 |
60–100 |
800 |
|
|
140–276 |
0–60 |
|||||
|
Hinet (3/1) |
10/15/20/30 |
384 |
300–480 |
0–100 |
750 |
|
|
Энергетические технологии |
ДПК |
1/3 |
36/96 |
160–300 |
70–100 |
700 |
|
140–300 |
50–70 |
|||||
|
120–300 |
0–50 |
|||||
|
6/10 |
240 |
176–276 |
0–100 |
760 |
||
|
ДПК (3/1) |
10/15/20 |
240 |
304–478 |
0–100 |
