Главная Статьи Услуги Расценки Предложение работы Поиск работы Поиск мастера Форум Файлы Контакты
 
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ : Типы источников бесперебойного питания и их структура
 
   Добавлена admin в 2.9.05 17:29 (61231 просмотров)

По принципу устройства ИБП можно отнести к двум типам.

Первый тип — это источники бесперебойного питания с режимом работы off­line (off-line — дословно «вне линии»). Принцип работы этого типа ИБП заключа­ется в питании нагрузки от питающей сети и быстром переключении на внутрен­нюю резервную схему при отключении питания или отклонении напряжения за до­пустимый диапазон. Время переключения обычно составляет величину порядка 4... 12 мс, что вполне достаточно для большинства электроприемников с импульс­ными блоками питания.



Второй тип — это источники бесперебойного питания с режимом работы on­line (on-line — дословно «на линии»). Эти устройства постоянно питают нагрузку и не имеют времени переключения. Наряду с резервированием электроснабжения они предназначены для обеспечения КЭ при его нарушениях в питающей сети и фильтрации помех, приходящих из питающей сети.

Достаточно часто в литературе по источникам бесперебойного питания упоминаются источники бесперебойного питания с режимом работы line-interactive (line-interactive UPS). Принцип их работы в значительной степени схож с принци­пом работы off-line, за исключением наличия так называемого «бустера» — устрой­ства ступенчатой стабилизации напряжения посредством коммутации обмоток входного трансформатора и использования основной схемы для заряда и подзаряда батареи, что обеспечивает более быстрый выход устройства на рабочий режим при переходе на питание от АБ. При этом время переключения на работу от АБ сокра­щается до 2...4 мс.

В зависимости от знака и величины отклонения напряжения δU включается соответствующая комбинация «отпаек» (витков) трансформатора (рис. 3.1, а). Данное регулирование напряжения носит ступенчатый характер. Условные обозначения на рисунках и схемах здесь и далее соответствуют приложению 1. При отклонении напряжения U выше номинального значения бустер переключает отпайку в положе­ние - δU, снижая тем самым значение напряжения, поступающего в схему ИБП и далее к электроприемнику. При отклонении напряжения ниже номинального значе­ния бустер преключает отпайку в положение + δU. Такая схема бустера применяется редко, на смену ей пришла схема, аналогичная магнитному усилителю (рис. 3.1, б). В этой схеме имеются две встречно включенные обмотки, соответственно намагни­чивающие или размагничивающие сердечник бустера. Различие между ИБП off-line и line-interactive фактически стерлось, поскольку появились модели off-line с воз­можностью регулирования напряжения в нормальном режиме при помощи вве­денного в схему бустера. Единственно, что различает эти типы ИБП, — это форма выходного напряжения в автономном режиме. У ИБП типа off-line — это прямо­угольная форма и аппроксимация синусоиды ступеньками и трапецией, line-interac­tive имеет синусоидальное выходное напряжение.

 

 

Рис. 3.1. Бустер off-line (а) и line-interactive ИБП (б)

 

Для питания технических средств с импульсными блоками питания форма вы­ходного напряжения ИБП значения не имеет. На рис. 3.2 представлена структура ИБП типа off-line и line-interactive.

 

Рис. 3.2. Структура ИБП: а) ИБП типа off-line; б) ИБП типа line-interactive

 

В нормальном режиме ИБП пропускает питание на нагрузку, осуществляя по­давление высокочастотных помех и импульсов напряжения в LC-фильтре и ком­пенсируя отклонения напряжения бустером. Аккумуляторная батарея заряжается (подзаряжается) от зарядного устройства (выпрямителя). При отключении питания запускается инвертор, и переключатель переводит питание нагрузки на инвертор ИБП. Переключение осуществляется автоматически, и АБ будет питать нагрузку до момента восстановления напряжения на входе или до исчерпания её ёмкости. В схеме на рис. 3.2, б при запуске инвертора отключается вход ИБП от линии питания с целью исключения подачи обратного напряжения со стороны нагрузки в питаю­щую линию.

Инвертор входит в состав всех типов ИБП. Он представляет собой полупровод­никовый преобразователь постоянного напряжения АБ в переменное напряжение 220/380 В, поступающее на электроприемники (нагрузку). В современных ИБП ти­па line-interactive инвертор совмещает в себе функции как собственно инвертора, так и зарядного устройства.

В зависимости от модели ИБП инвертор формирует напряжение различной формы. Существуют упрощенные схемы инверторов, формирующие напряжение прямоугольной формы с бестоковыми паузами (рис. 3.3, а). Более совершенные схемы инверторов позволяют формировать напряжение, близкое к синусоидальной форме — аппроксимированное ступенями (рис. 3.3, б). Оба типа таких инверторов характерны для ИБП малой мощности и пригодны для работы с импульсными бло­ками питания. Инверторы ИБП типа line-interactive формируют напряжение сину­соидальной формы (рис. 3.3, в) с низким содержанием гармоник (как правило, ко­эффициент искажения  синусоидальности кривой напряжения КU < 3%). Такие инверторы пригодны для питания всех типов нагрузок — от импульсных блоков пита­ния до двигателей. Как правило, форма на­пряжения инвертора и КU указываются в каталожных данных ИБП.

Типичный диапазон мощностей ИБП типов off-line и line-interactive от 250 В А до3...5кВА.

Источники бесперебойного питания с режимом работы on-line выпускаются не­скольких типов (по принципам преобразо­вания энергии). Существуют четыре типа on-line ИБП:

- с одиночным преобразованием;

- с дельта-преобразованием;

- феррорезонансные ИБП;

- с двойным преобразованием.

 

Рис. 3.3. Форма выходного напряжения инверторов:

а) ступенчатая; б) аппроксимированная синусоида; в) синусоидальная

 

Принцип одиночного преобразования (single conversion) (рис. 3.4) заключается в следующем. В цепь между питающей сетью и нагрузкой включен дроссель, к выходу которого подключен инвертор. Инвертор в данной схеме является реверсивным и способен преобразовывать постоянное напряжение в переменное и наоборот. Поми­мо питания нагрузки в автономном режиме вторым назначением инвертора является регулирование напряжения на стороне нагрузки при отклонениях в питающей сети.

У ИБП данного типа КПД весьма высок и может достигать 96%. Од­нако имеются некоторые недостат­ки, например низкое значение входного коэффициента мощности (cosφ ≈ 0,6), при этом он меняется при изменении как напряжения се­ти, так и характера нагрузки.

 

Рис.3.4. ИБП одиночного преобразования (single conversion UPS)

 

Кро­ме того, при малых нагрузках дан­ные ИБП потребляют существен­ные  реактивные  токи,  соизмеримые с номинальным током установки. Среди современных ИБП последних моделей подобный тип не встречается, поскольку на смену ему пришла технология дельта-пре­образования, являющаяся развитием технологиии одиночного преобразования.

Принцип дельта-преобразования (delta conversion) основан на применении в схеме ИБП так называемого дельта-трансформатора (рис. 3.5). Дельта-трансформа­тор представляет собой дроссель с обмоткой подмагничивания, которая позволяет управлять током в основной обмотке (аналогично принципу магнитного усилите­ля). В ИБП применяются два постоянно работающих инвертора. Один служит для управления дельта-трансформатором и, соответственно, регулировки входного тока и компенсации некоторых помех. Его мощность составляет 20% от мощности вто­рого инвертора, работающего на нагрузку. Второй инвертор, мощность которого определяет мощность ИБП, формирует выходную синусоиду, обеспечивая коррек­цию отклонений формы входного напряжения, а также питает нагрузки от батарей при работе ИБП в автономном режиме. Благодаря такой схеме обеспечивается воз­можность плавной загрузки входной сети при переходе из автономного режима ра­боты от батарей к работе от сети (режим on-line), а также высокая перегрузочная способность — до 200% в течение 1 мин.

 

Рис.3.5. ИБП дельта-преобразования (delta conversion UPS)

 

При загрузке ИБП данного типа на 100% номинальной мощности коэффици­ент полезного действия составляет 96,5%. Однако высокие показатели данный тип ИБП обеспечивает при следующих условиях: отсутствии отклонений и иска­жений напряжения в питающей сети, нагрузке ИБП, близкой к номинальной и яв­ляющейся линейной. В реальных условиях показатели данного типа ИБП (КПД = 90,8...93,5%) приближаются к показателям ИБП с двойным преобразованием, рассмотренного ниже. Реальное достижение высоких заявленных значений КПД ИБП с дельта-преобразованием возможно при широком внедрении импульсных блоков питания с коррекцией коэффициента мощности. Это означает, что нагруз­ка приобретает преимущественно активный характер и создаются условия для проявления высоких энергетических характеристик ИБП. В последнее время коэффициент мощности новых блоков питания достиг значения 0,92...0,97. Дру­гим достоинством ИБП с дельта-преобразованием является высокий коэффициент мощности самого устройства, близкий к 1. Это облегчает совместную работу ИБП и ДГУ. На основе ИБП с дельта-преобразованием строятся мощные централизо­ванные СБЭ с избыточным резервированием. Естественно, возможны также схе­мы с единичными ИБП. Диапазон мощностей ИБП этого типа 10...480 кВА. Воз­можно параллельное объединение до 8 ИБП для работы на общую нагрузку в од­ной СБЭ. Данный тип ИБП является основной альтернативой типу ИБП с двой­ным преобразованием.

Феррорезонансные ИБП названы так по применяемому в них феррорезонансному трансформатору. В основу принципа его работы положен эффект феррорезонанса, применяемый в широко распространенных стабилизаторах напряжения. При нормальной работе трансформатор выполняет функции стабилизатора напряжения и сетевого фильтра. В случае потери питания феррорезонансный трансформатор обеспечивает нагрузку питанием за счет энергии, накопленной в его магнитной системе. Интервала времени длительностью 8... 16 мс достаточно для запуска ин­вертора, который уже за счет энергии аккумуляторной батареи продолжает поддер­живать нагрузку. Коэффициент полезного действия ИБП данного типа соответству­ет КПД систем двойного преобразования (не превышает 93%). Данный тип источ­ников бесперебойного питания широкого распространения не получил, хотя обес­печивает очень высокий уровень защиты от высоковольтных выбросов и высокий уровень защиты от электромагнитных шумов. Предел мощности ИБП данного типа не превышает 18 кВА.

Наиболее широко распространен тип ИБП двойного преобразования (double conversion UPS), представленный на рис. 3.6.

 

Рис. 3.6. ИБП двойного преобразования (double conversion UPS)

 

Зачастую в качестве синонима двойного преобразования употребляют on-line. Это не вполне верно, так как к группе ИБП типа on-line относятся и другие схемы ИБП. В ИБП этого типа вся потребляемая энергия поступает на выпрямитель и преобразуется в энергию постоянного тока, а затем инвертором — в энергию пере­менного тока. Выпрямитель — это полупроводниковый преобразователь. В трех­фазных ИБП средней и большой мощности — это регулируемый преобразователь, выполненный по мостовой 6-импульсной схеме (схеме Ларионова), на основе полу­проводниковых вентилей — тиристоров (рис. 3.7, а). Для улучшения энергетиче­ских характеристик выпрямителя (снижения искажений, вносимых в сеть при рабо­те преобразователя) применяют двухмостовые выпрямители, выполненные по 12-импульсной схеме (рис. 3.7, б). Выпрямители в такой схеме включены последо­вательно, они подключаются к питающей сети через трехобмоточный трансформа­тор. В современных ИБП выпрямитель непосредственно не работает на подзаряд АБ. Для зарядки АБ в схему ИБП введено специальное зарядное устройство — пре­образователь постоянного тока, оптимизирующее заряд АБ, управляя напряжением на АБ и зарядным током.

 

Рис. 3.7. Мостовая схема выпрямителя: а) 6-импульсная; б) 12-импульсная

 

Обязательным элементом схемы ИБП большой и средней мощности является байпас (by­pass) — устройство обходного пути (рис. 3.8, см. также рис.3.6). Это устройство предназначено для непосредственной связи входа и выхода ИБП, минуя схему резервирования питания.

 

Рис. 3.8. Устройство обходного пути (байпас)

 

Байпас позволяет осуществ­лять следующие функции:

- включение/отключение ИБП при проведении ремонтов и регулировок без от­ключения питания электроприемников;

- перевод нагрузки с инвертора на байпас при возникновении перегрузок и ко­ротких замыканий на выходе источника бесперебойного питания;

- перевод нагрузки с инвертора на байпас при удовлетворительном КЭ в питаю­щей сети с целью снижения потерь электроэнергии в ИБП (econom mode — экономичный режим работы).

Байпас представляет собой комбинированное электронно-механическое устрой­ство, состоящее из так называемого статического байпаса и ручного (механическо­го) байпаса. Статический байпас представляет собой тиристорный (статический) ключ из встречно-паралельно включенных тиристоров. Управление ключом (вклю­чено/выключено) осуществляется от системы управления ИБП. Оно может произ­водиться как вручную, так и автоматически. Автоматическое управление осуществ­ляется при возникновении перегрузки и в экономичном режиме работы ИБП. При этом в обоих случаях напряжение инвертора синхронизировано с напряжением на входе цепи байпаса и с импульсами управления, что позволяет произвести перевод нагрузки с инвертора на байпас и обратно «без разрыва синусоиды».

Ручной (механический) байпас представляет собой механический выключатель нагрузки, шунтирующий статический байпас. Он предназначен для вывода ИБП из работы со снятием напряжения с элементов ИБП. При включенном ручном байпасе питание нагрузки осуществляется через цепь «вход байпаса-ручной байпас-выход ИБП» (рис. 3.8). Остальные элементы схемы ИБП: выпрямитель, инвертор, АБ, ста­тический байпас — на время включения ручного байпаса могут быть обесточены (отключены от питания и нагрузки) с целью ремонта, регулировок, осмотров и т.д. Об отключении АБ можно говорить с некоторой натяжкой, ибо, будучи в заряжен­ном состоянии, АБ является мощным источником постоянного напряжения, пред­ставляющим опасность для обслуживающего персонала. По классификации «Меж­отраслевых правил по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации элек­троустановок» работы с АБ следует относить к виду работ с частичным снятием на­пряжения. При необходимости замены аккумуляторов АБ ИБП переводят на руч­ной байпас, специальным инструментом разъединяют АБ на отдельные аккумуля­торы, после чего опасность поражения электрическим током устраняется.

При работе на байпасе, как статическом, так и ручном, ИБП не имеет возможно­сти обеспечивать бесперебойное питание потребителей. Такие режимы должны сопровождаться административно-техническими мероприятиями для исключения нежелательных последствий для потребителей при отключении питания при работе на байпасе. Самая простая мера — проведение профилактических и ремонтных ра­бот в нерабочее время потребителей.

Инвертор, управляемый микропроцессором, выраба­тывает синусоидальное на­пряжение, поступающее на нагрузку. В мощных трехфаз­ных ИБП инвертор также вы­полнен по трехфазной мосто­вой схеме (рис. 3.9). Для по­строения синусоиды в инвер­торе реализован принцип широтно-импульсной модуля­ции (ШИМ).

 

Рис. 3.9. Мостовая схеме инвертора

 

Принцип его действия состоит в подаче импульсов переменной скважности че­рез тиристоры на трансформатор, выполняющий одновременно роль фильтра, или непосредственно на LC-фильтр на выходе инвертора (на схеме рис. 3.9 не показан). В результате формируется синусоидальное напряжение (рис. 3.10) с низким коэф­фициентом гармонических искажений: КU< 3%.

 

Рис. 3.10. Принцип широтно-импульсной модуляции

 

В современных ИБП двойного преобразования применяют схему зеркального преобразования. На рис. 3.11 изображены выпрямитель и инвертор ИБП, выполнен­ные по схеме зеркального преобразования. В основу схемы положено применение мощных IGBT-транзисторов (Insulated Gate Bipolar Transistor — полевой биполяр­ный транзистор с изолированным затвором). Смысл термина «зеркальное преобра­зование» состоит в том, что процессы выпрямления и инвертирования электроэнер­гии реализованы на одинаково выполненных преобразователях. Преимущества применения зеркального преобразования заключаются в обеспечении:

- отсутствия нелинейных искажений входного тока без дополнительных фильт­ров;

- коэффициента мощности ИБП, близкого к единице;

- реализации принципа ШИМ без выходного трансформатора и фильтра.

 

Рис. 3.11. Зеркальное преобразование

 

Это позволяет оптимизировать совместную работу ИБП с ДГУ, снизить массо-габаритные показатели. Недостатком зеркального преобразования является более низкий КПД (на 1...1,5%), чем у ИБП двойного преобразования с тиристорными преобразователями. Это ограничивает область применения ИБП с зеркальным пре­образованием мощностью до 30...40 кВА. В мощных трехфазных ИБП двойного преобразования часто применяют комбинированные схемы преобразователей — тиристорный выпрямитель и инвертор на ЮВТ-транзисторах.

Технология двойного преобразования отработана и успешно используется свы­ше двадцати лет, однако ей присущи принципиальные недостатки:

- ИБП является причиной гармонических искажений тока в электрической сети (до 30%) и, таким образом, — потенциально причиной нарушения работы другого оборудования, соединенного с электрической сетью; он имеет низкое значение входного коэффициента мощности (coscp);

- ИБП имеет значительные потери, так как принципом получения выходного переменного тока является первичное преобразование в энергию постоянного тока, а затем снова преобразование в энергию переменного тока; в процессе такого двойного преобразования обычно теряется до 10% энергии.

Первый недостаток устраняется за счет применения дополнительных уст­ройств (входных фильтров, 12-импульсных выпрямителей, оптимизаторов-бусте­ров), а второй принципиально не устраним (у лучших образцов ИБП большой мощности КПД не превышает 93%). Современные ИБП двойного преобразования оборудуются так называемыми кондиционерами гармоник и устройствами кор­рекции коэффициента мощности (coscp). Эти устройства входят либо в базовый комплект ИБП, либо применяются опционально и позволяют снять проблему с внесением гармонических искажений (составляют не более 3%) и повысить коэф­фициент мощности до 0,98.

Поскольку в дальнейшем при рассмотрении систем бесперебойного электро­снабжения мы будем ориентироваться в основном на ИБП двойного преобразова­ния, то имеет смысл более подробно рассмотреть варианты исполнения схем ИБП данного типа. Существуют схемы ИБП 1:1, 3:1 и 3:3. Это означает:

-1:1 — однофазный вход, однофазный выход;

-3:1 — трехфазный вход, однофазный выход;

- 3:3 — трехфазный вход, трехфазный выход.

Схемы 1:1 и 3:1 целесообразно применять для мощностей нагрузки до 30 кВА, при этом симметрирование не требуется, и мощность инвертора используется ра­ционально. Следует иметь в виду, что байпас в таких схемах является однофазным и при переходе ИБП с инвертора на байпас для входной сети ИБП 3:1 становится несимметричным устройством, подобно ИБП 1:1. Проектом должен быть преду­смотрен режим работы на байпасе, т.е электрическая схема не должна подвергаться перегрузкам, и КЭ не должно выходить за установленные пределы при переходе ИБП на байпас. На рис. 3.12 приведена схема ИБП 3:1.

Особенностью данной схемы является наличие на входе конвертора 3:1. При его отсутствии ИБП имеет схему 1:1. Наличие конвертора не только превращает ИБП 1:1 в 3:1, но и позволяет осуществлять работу на байпасе в симметричном режиме.

На рис. 3.13 приведена схема ИБП по схеме 3:3. В отличие от схемы на рис. 3.12 здесь имеется зарядное устройство для оптимизации режима заряда аккумулятор­ной батареи и преобразователь постоянного тока — бустер (booster DC/DC), позво­ляющий облегчить работу выпрямителя за счет снижения глубины регулирования. Таким образом обеспечивается меньший уровень гармонических искажений вход­ного тока. В некоторых случаях такую схему называют схемой с тройным преобра­зованием.

 

Рис. 3.12. ИБП по схеме 3:1

 

Рис. 3.13. ИБП по схеме 3:3

 

Принципиально нет предпосылок выделять такие схемы в отдельный тип ИБП, так как остается общим главный принцип — выпрямление тока с его последующим инвертированием. Разумеется, в звене постоянного тока могут присутствовать сгла­живающие ёмкости, а в некоторых случаях — дроссель (на схемах не показаны). Источник работает по схеме 3:3 в любом режиме — при работе через инвертор (ре­жим on-line) и при работе на байпасе. По отношению к питающей сети работа в ре­жиме on-line является симметричной, тогда как работа на байпасе зависит от балан­са нагрузок по фазам. Впрочем, сбалансированность нагрузок по фазам в первую очередь важна для рационального использования установленной мощности самого источника, а по отношению к питающей сети небаланс по фазам при работе на бай­пасе может проявить себя только при работе с ДГУ. Но в этом случае решающим будет не симметрия нагрузки, а её нелинейность.

В настоящее время для повышения эффективности (КПД) применяется комби­нированная схема, суть функционирования которой заключается в следующем. Выделяется диапазон входного напряжения, как правило ±6... 10%, в котором ИБП работает в так называемом экономичном режиме (переходит на статический бай­пас), а при выходе входного напряжения из этого диапазона ИБП в течение 2...4 мс переходит в режим on-line. Созвучно с рекламным слоганом эту технологию можно характеризовать как «два в одном». При использовании ИБП в электросетях, имею­щих показатели качества электроэнергии не ниже ГОСТ 13109-97, эта технология дает существенное снижение потерь электроэнергии за счет высокого коэффициен­та полезного действия в экономичном режиме. Все потери электроэнергии в этом режиме сводятся к потерям в проводниках и тиристорах статического байпаса. КПД при этом приближается к 98%.

Однако и у этой схемы имеются некоторые недостатки:

- при применении таких ИБП в качестве централизованных в двухуровневой схеме СБЭ диапазон напряжения, в котором осуществляется работа в эконо­мичном режиме, должен быть меньше диапазона напряжения ИБП второго уровня до перехода на питание от батарей, чтобы не вызвать перехода ИБП второго уровня в автономный режим;

- при работе в экономичном режиме ИБП не защищает входную сеть от гармо­нических искажений тока, вызываемых нагрузкой с импульсными блоками питания. Как следствие, необходимо увеличение сечения нейтрального про­водника на входе ИБП и значительное увеличение мощности ДГУ (по данным фирмы АРС, мощность ДГУ должна превышать расчетную мощность ИБП в 6...9 раз). При работе ИБП с ДГУ соизмеримой мощности следует средства­ми конфигурирования ИБП исключать экономичный режим работы.

 

 
 

Родственные ссылки

MyArticles 0.0.4a for e-xoops: by E-Xoops.ru

Навигация
  Главная
Новости
  • Добавить новость
  • Архив
  • Тематика

  • Каталог расценок
    Поиск работы
  • Добавить резюме

  • Предложение работы
  • Добавить вакансию

  • Заявки
  • Добавить заявку

  • Обучение
    Статьи
  • Добавить статью

  • Услуги
  • Добавить предложение

  • Тендеры
    Архив веб ссылок
  • Добавить ссылку

  • Архив файлов
  • Добавить файл

  • Форум
    ЧаВо
    Опросы
    Наши партнеры
    Контакт
    Объявления
    Все статьи
  • версии для печати

  • Все файлы
  • Лента новостей

  •  

    Счетчики
     
    Rambler's Top100
    Яндекс цитирования
     

    Прайс-листы партнеров
      Продавец №1
    Продавец №2
     

    ЭЛЕКТРОННЫЕ КНИГИ
     
    Вход в магазин
    Партнерская программа
    Описание товара
     

    Реклама...
       

    Сейчас на сайте
       Гостей: 6
     Пользователей: 0
     Всего: 6

     Зарегистрировано: 158
     Последний: markovskiyz

     Вы гость здесь 
     <- регистрация ->
     

     Copyright © 2004 by Leonid Koshelev (email)    Designed by Pr48.Ru   Powered by RUNCMS 
    Каталог ссылок
    - Генерация страницы: 0.06 секунд -