Компоненты и схемы построения систем бесперебойного питания с АКБ

Основными компонентами систем бесперебойного питания с АКБ являются фильтры помех, выпрямительно–зарядные устройства (ВЗУ), инверторы, конверторы, АКБ, устройства контроля и управления. Их параметры, взаимодействие и схемы включения зависят от схем построения и характеристик СБП.

Фильтры помех включаются на входе СБП и служат для их защиты от импульсных помех, гармонических искажений и радиопомех. Необходимость такой защиты определяется устойчивостью схемы управления СБП к такого рода помехам. Современные СБП, особенно мощные и с широким набором сервисных функций, включают в себя программно-аппаратные компоненты с возможностью программирования режимов работы и взаимодействия с удаленными системами мониторинга. Под воздействием помех могут возникнуть сбои в работе отдельных компонентов и системы в целом. Помимо защиты самой СБП, фильтры на входе могут служить в качестве барьера для попадания в сеть высокочастотных помех от импульсных устройств в составе СБП. Фильтры помех могут быть встроенными в СБП, так и представлять собой отдельные устройства.

В СБП постоянного тока выпрямительно-зарядные устройства служат для преобразования переменного тока в постоянный для электропитания аппаратуры, а также заряда АКБ. Эти устройства могут быть встроенными или реализованы в виде отдельных блоков, применяются при одно- или трехфазном входном напряжении. Современные ВЗУ, как правило, импульсные. В СБП постоянного тока ВЗУ могут используются для питания нагрузки, но в некоторых конфигурациях в качестве отдельного узла может использоваться так называемый выпрямитель содержания.

Инверторы преобразуют энергию постоянного тока, накопленную в АКБ, в энергию однофазного или трехфазного переменного тока. Важной характеристикой инвертора является форма выходного напряжения. Простые инверторы на выходе обеспечивают напряжение прямоугольной формы или ступенчато аппроксимированную синусоиду. Более сложные устройства – напряжение синусоидальной формы. Инверторы могут быть двустороннего действия, то есть осуществлять функции ВЗУ в определенных схемотехнических конфигурациях.

Конверторы служат для преобразования постоянного тока в постоянный с другим напряжением. Такая необходимость возникает при необходимости получения нескольких питающих напряжений от одной батареи (батарейной группы).

АКБ служат для накопления электроэнергии при работе СБП от сети с целью последующей отдачи при перерывах или провалах входного напряжения. В зависимости от конструкции могут иметь различные номинальные напряжения, емкость, требования к условиям эксплуатации.

Устройства контроля и управления осуществляют переключения режимов работы СБП, используя механические или электронные ключи. Современные устройства переключения строятся на основе мощных IGBT транзисторов. В задачи устройства управления могут входить такие, как мониторинг с возможностью удаленного управления, программирование режимов, управление запуском резервного генератора и др.

Схемы построения СБП переменного и постоянного тока отличаются. В составе системы электропитания предприятия или отдельного объекта могут присутствовать обе разновидности СБП. В зависимости от состава оборудования. Также будет различаться набор и взаимодействие основных компонентов.

Например, в состав узла связи может входить аппаратура систем передачи, работающая от источника постоянного тока напряжением 48 или 60 В, а также вычислительная сеть, радиопередатчики и другое оборудование, подключаемое к сети переменного тока. В этом случае бесперебойное питание можно организовать только на стороне переменного тока, и дополнительно использовать СБП постоянного тока для электропитания оборудования ВОСП и др.

Целесообразность использования смешанных конфигураций определяется требованиями к надежности, соотношениями мощности оборудования, питание которого осуществляется от сетей переменного и постоянного тока, нормативными документами, условиями эксплуатации, стоимостью и др.

СБП переменного тока чаще применяются в схемах электропитания объектов, они более универсальны в проектировании, построении и эксплуатации.

Использование отдельных компонентов и узлов для обеспечения всех требуемых параметров электропитания объекта в некотором смысле стирает грань между однозначным отнесением той или иной системы к системам бесперебойного питания переменного или постоянного тока. Больше принято говорить о «системе бесперебойного питания предприятия» или «системе электропитания предприятия», где СБП (постоянного и переменного тока, комбинированные) рассматриваются как подсистемы.

1.6.1. Системы бесперебойного питания переменного тока

Различают следующие основные конфигурации систем бесперебойного питания переменного тока:

1). С переключателем (offline¹) – рис. 4.

2). Линейно-интерактивная (line interactive²) – рис. 5.

3). С гальванической развязкой цепей (online³)– рис. 6.

4). С дельта-преобразованием (online) – рис. 7.

1.6.1.1. СБП с переключением

Эти устройства также называют параллельными, «Stand by» или VFD (voltage frequency dependant)

Рис. 4. Функциональная схема СБП переменного тока с переключением

В нормальном режиме работы питание осуществляется через фильтры помех ФП1 и ФП2. ФП1 защищает от бросков высокого напряжения, возникающих при воздействии молний и переходных процессов при коротких замыканиях. ФП2 улучшает гармонический состав напряжения (обеспечивает фильтрацию высокочастотных помех). В нормальном режиме АКБ подзаряжается от выпрямителя. При прекращении подачи электроэнергии от основного источника напряжения переменного тока U1 аппаратура получает питание от резервного источника энергии – АКБ через инвертор напряжения. Переключатель S1 в этом режиме переходит в нижнее положение.

Данная конфигурация является достаточно простой и экономичной. К ее достоинствам следует отнести высокий КПД, достаточно длительный срок службы батареи и невысокую цену. СБП такой конфигурации имеют мощность до 3 кВА, в них используются простые инверторы с прямоугольной формой выходного напряжения.

Эта система в большинстве случаев¹ не предусматривает отключение АКБ при достижении минимально допустимого значения напряжения на элементе АКБ, и имеет время переключения до 18 мс. Наиболее массовое применение находит в качестве индивидуальных СБП для защиты рабочих станций и серверов локальных сетей предприятий. В ряде моделей предусматриваются интерфейсы RS 232 для связи с защищаемым компьютером, в комплекте со специальным ПО для штатной остановки рабочей станции или сервера в автоматическом режиме в случае длительного перерыва в подаче электроэнергии. Основная функция СБП с переключением – поддержание работы компьютера, когда в сети нет напряжения. Но такая система не может эффективно взаимодействовать с электрической сетью и следить за отсутствием искажений сетевого напряжения, а также регулировать напряжение.

Для обеспечения бесперебойного питания аппаратуры, не допускающей перерывов даже на 10-18 мс и требовательной к форме выходного напряжения эти СБП непригодны.

1.6.1.2. Линейно-интерактивные СБП

 

Рис. 5. Функциональная схема линейно-интерактивного СБП переменного тока

В нормальном режиме работы оборудование получает питание через помехоподавляющий фильтр (ФП), устройство коррекции (УК), ключ S1, находящийся в разомкнутом положении. УК представляет собой трансформатор с отводами, которые переключаются механическими контактами либо электронными ключами, регулируя тем самым выходное напряжение. УК выполняется иногда в виде феррорезонансного стабилизатора. Аварийный режим совпадает со структурой СБП с переключением (offline типа).

Микропроцессорное устройство управления данного типа СБП контролирует величину и форму напряжения. Кроме того, микропроцессоры СБП часто выполняет и ряд дополнительных функций, не связанных непосредственно со слежением за сетью и управлением. Они могут регистрировать напряжение в электрической сети, следит за временем и частотой, запоминать свои аварийные сообщения, включаться по расписанию и т.д.

Этот тип СБП как и рассмотренный ранее offline, имеет высокий КПД, поскольку при нормальной работе потребляет только энергию, необходимую для питания своей схемы и, если батарея разряжена, то для ее подзаряда.

Синусоидальное напряжение на выходе СБП позволяет использовать его для различных нагрузок.

Линейно-интерактивный СБП работает примерно так же, как и СБП с переключением. Когда напряжение во внешней сети соответствует заданным параметрам, нагрузка питается от сети. Если напряжение во внешней сети отсутствует, то с выхода инвертора на нагрузку мгновенно поступает напряжение, разряжая аккумуляторную батарею, а входной переключатель СБП размыкается.

Отличительным недостатком этой схемы (как и СБП с переключением) является разрыв электропитания в момент переключения на работу от батареи и обратно, вследствие использования механических или электронных переключателей. Хотя время их срабатывания довольно мало (несколько миллисекунд), но все же отлично от нуля.

1.6.1.3. Online СБП с гальванической развязкой цепей

 

Рис. 6. Функциональная схема СБП «online» типа

В данной схеме отсутствует гальваническая связь, что повышает ее электробезопасность. В нормальном режиме оборудование получает питание через фильтр помех, выпрямитель, инвертор напряжения и статический переключатель. Качество питающего напряжения при такой схеме выше за счет стабилизации методом широтно-импульсного преобразования в звене инвертора напряжения. Аварийная цепь обеспечивает резервирование основной цепи. Дополнительная цепь, коммутируемая ключом S1, в случае выхода из строя преобразователей или при глубоком разряде АБ выполняет роль байпаса. Статический переключатель включает в себя электронные ключи, выполненные на транзисторах или паре встречно-параллельных тиристоров, а также контакторов.

В составе СБП двойного преобразования может присутствовать выходной согласующий трансформатор. Его использование улучшает параметры согласования с нагрузкой, однако увеличивает габариты и стоимость.

Инвертор в данной конфигурации подключен последовательно между входом переменного тока и нагрузкой, что позволяет обеспечить непрерывность передачи мощности к потребителю.

В стандартных условиях вся мощность, передаваемая на нагрузку, проходит через выпрямитель/зарядное устройство и инвертор. Эти устройства выполняют двойное преобразование (переменный/постоянный/переменный) тока. Восстановление и регулирование напряжения выполняются непрерывно.

Режим резервного питания от аккумуляторной батареи работает следующим образом:

– В случае, если входное переменное напряжение выходит за установленные пределы или пропадает питание от сети включаются инвертор и батарея для обеспечения непрерывной подачи питания к нагрузке.

– СБП продолжает работать от батареи до ее разряда или до восстановления нормального режима питания от сети, что вызывает переключение нагрузки обратно на вход переменного тока (нормальный режим).

СБП этого типа включают в себя статический байпас (иногда называемый статическим переключателем), который обеспечивает бесперебойное переключение нагрузки от инвертора в питающую сеть и обратно. Нагрузка переключается на статический байпас в следующих случаях:

– сбой в работе СБП,

– колебания токов нагрузки во время переходных процессов (броски тока при запуске или сбое),

– перегрузка,

– разряд батареи.

Статический байпас обеспечивает одинаковую частоту переменного тока на входе и выходе и не предполагает ее преобразование. Для разности уровней напряжения требуется установка трансформатора байпаса.

СБП синхронизирован с входом байпаса переменного тока, что обеспечивает бесперебойное переключение нагрузки от инвертора на линию байпаса.

В СБП также имеется еще один байпас, часто именуемый сервисным, который используется при обслуживании (задействуется вручную).

Преимуществами СБП данного типа являются:

– Полное восстановление выходной мощности, поступающей как из сети, так и от батареи.

– Полная изоляция нагрузки от системы электроснабжения и ее помех.

– Очень широкий диапазон рабочего входного напряжения при высокой точности регулирования выходного напряжения.

– Независимость входной и выходной частот (поскольку выходное напряжение синтезируется), дающая выходную частоту в пределах строгих допусков. Возможность функционирования в качестве частотного преобразователя (если таковой запланирован) путем отключения статического переключателя.

– Гораздо большая производительность в установившихся и переходных условиях работы.

– Мгновенное переключение в режим питания от батареи при сбое питания от сети.

– Бесперебойное переключение нагрузки на байпас (режим байпаса).

– Ручной байпас (как правило, стандартный) для упрощения обслуживания.

Недостатком данной системы СБП является более высокая цена, несколько более низкий КПД (до 94%) в сравнении с другими рассмотренными схемами. Кроме того, как правило, требуется использование системы принудительного охлаждения.

В целом данная конфигурация является самой совершенной с точки зрения защищенности нагрузки, возможностей регулирования и уровня производительности. Она значительно повышает независимость напряжения и частоты на выходе от входных напряжения и частоты.

По мнению экспертов, это фактически единственная конфигурация, подходящая для систем средней и высокой мощности (от 10 кВА и выше).

Поэтому СБП с двойным преобразованием используются за редким исключением для работы с высокой номинальной мощностью.

1.6.1.4. Системы с дельта преобразованием

 

В этой схеме при понижении питающего напряжения U1 дельта-инвертор работает как выпрямитель, а основной инвертор напряжения выполняет функции инвертора. И наоборот при повышении напряжения U1 блок основного инвертора напряжения работает как выпрямитель, а блок дельта-инвертора как инвертор. То есть преобразователи являются обратимыми устройствами, оказывая воздействие на входной трансформатор. Особенностью данной схемы является то, что процессу преобразования подвергается только та часть электрической энергии, которую необходимо преобразовать для получения качественных параметров электропитания на выходе.

Достоинством данной системы является высокое качество питающего напряжения и высокий КПД. За счет высокого КПД система с дельта-преобразованием имеет отличную производительность, что снижает эксплуатационные расходы за счет существенной экономии электроэнергии и средств.

В 2–х инверторной топологии дельта-преобразователь выполняет две функции. Первая – функция контроля характеристик входной мощности. Этот активный входной каскад потребляет синусоидальную мощность, сводя к минимуму гармоники, выдаваемые в сеть. Это обеспечивает оптимальную совместимость питающей энергосети и системы генератора, снижая нагрев и износ в системе распределения электроэнергии. Второй функцией дельта-преобразователя является контроль входного тока с целью регулирования процесса заряда аккумуляторных батарей.

СБП с дельта-преобразованием обеспечивает те же выходные характеристики, что и СБП с двойным преобразованием. Однако входные характеристики у них чаще всего различаются.

Топология «дельта-преобразования» online обеспечивает динамически регулируемый вход с коррекцией коэффициента мощности без использования блока фильтров, характерного для традиционных решений. Основное преимущество – существенное снижение потерь энергии. Регулирование входной мощности позволяет совмещать СБП со всеми генераторными системами, упрощает монтаж (количество проводов) и снижает требования к избыточной мощности генератора.

1.6.2. Системы бесперебойного питания постоянного тока

Системы бесперебойного питания постоянного тока применяются преимущественно в телекоммуникациях и системах автоматики.

Номиналы питающих напряжений оборудования, как правило, составляют 24, 40 и 60 В.

Различают следующие основные СБП постоянного тока:

– буферная система электропитания;

– буферная система электропитания с вольтодобавочным конвертором;

– буферная система с конвертором;

– система с отделенной от нагрузки АКБ.

1.6.2.1. Буферная система электропитании