1.4. Компоненты и схемы построения систем БП с АКБ

Основными компонентами ИБП 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 характеристики систем БП.

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

Выпрямительно-зарядные устройства служат для преобразования переменного тока в постоянный для электропитания аппаратуры постоянным током (в ИБП постоянного тока), а также заряда АКБ. Эти устройства могут быть встроенными или реализованы в виде отдельных блоков. Могут быть рассчитаны на одно- или трехфазное входное напряжение. Современные ВЗУ как правило импульсные. В системах БП постоянного тока ВЗУ могут использоваться также и для питания нагрузки, но в зависимости от конфигурации может в качестве отдельного узла присутствовать так называемый выпрямитель содержания.

Инверторы преобразуют энергию постоянного тока, накопленную в АКБ, в энергию переменного тока. Постоянное напряжение АКБ (или групп АКБ) при этом преобразуется в переменное напряжение 220 В и частотой 50Гц, выход может быть однофазным или трехфазным. 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 задаче получения нескольких питающих напряжений от одной батареи (батарейной группы).

АКБ служат для накопления электроэнергии при работе ИБП от сети, с целью последующей отдачи при перерывах или провалах входного напряжения. Являются перезаряжаемым химическим источником тока. В зависимости от конструкции, используемых химических реакций, могут иметь различные номинальные напряжения, емкость, требования к условиям эксплуатации. В паспорте производители также приводят разрядные характеристики, по которым можно

рассчитать время автономной работы ИБП в зависимости от нагрузки, температуры окружающей среды.

Устройства контроля и управления осуществляют переключения режимов работы ИБП. В зависимости от задачи и схемы построения ИБП могут использовать 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 систем БП переменного и постоянного тока отличаются. В составе системы электропитания предприятия или отдельного объекта могут присутствовать обе разновидности ИБП. Необходимость определяется характером оборудования. Также будет различаться набор и взаимодействие основных компонентов.

Например, в составе узла связи может присутствовать аппаратура систем передачи, которая работает от источника постоянного тока напряжением 48 или 60В, вычислительная сеть, радиопередатчики и др. оборудование, которое подключается к сети переменного тока 220В. В этом случае бесперебойное питание можно организовать только на стороне переменного тока, но можно использовать ИБП постоянного тока для электропитания для оборудования ВОСП и др.

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

Применение систем БП переменного тока для большинства схем электропитания объектов в целом более универсально в проектировании, построении и эксплуатации.

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

1.4.1. Системы бесперебойного питания переменного тока

Различают следующие основные конфигурации систем и источников бесперебойного питания переменного тока:

1. С переключателем (offline⁷) – рис. 4.

2. Линейно-интерактивная (line interactive⁸) – рис. 5.

3. С гальванической развязкой цепей (online⁹)– рис. 6.

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

1. 3. 1. 1. ИБП с переключением

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

Рис. 4. Функциональная схема ИБП 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 – АБ 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. ИБП такой конфигурации имеют мощность до 3 кВА, в

⁷ В режиме работы от сети – отключен

⁸ Содержит схему переключения режимов, как бы следующую входным параметрам

⁹ Всегда включен, время переключения режимов пренебрежительно мало, можно считать нулевым

них используются простые инверторы с прямоугольной формой выходного напряжения.

Эта система в большинстве случаев¹⁰ не предусматривает отключение АКБ при достижении минимально допустимого уровня напряжения на элементе АКБ, и имеет время переключения до 18 мс. Наиболее массовое применение находит в качестве индивидуальных ИБП 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 ИБП с переключением – поддержание работы компьютера, когда в сети нет напряжения. Но он 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 ИБП непригодны.

Линейно-интерактивные ИБП

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

В нормальном режиме работы аппаратуры получает питание через помехоподавляющий фильтр (ФП), устройство коррекции (УК), ключ S1 находится в разомкнутом положении. УК представляет собой автотрансформатор с отводами, которые переключаются механическими контактами, либо электронными ключами, регулируя тем самым выходное напряжение. УК выполняется иногда в виде

¹⁰ ИБП такой конфигурации для компьютерной техники, использующие встроенные герметичные АКБ оснащаются интерфейсом и ПО, которое при снижении напряжения АКБ производит штатное отключение. Поэлементный контроль невозможен в принципе, поскольку в них как правило используются простые АКБ без контроллеров.

феррорезонансного стабилизатора. Аварийный режим совпадает со структурой ИБП с переключением (offline типа).

Микропроцессорное устройство управления данного типа ИБП постоянно следит за напряжением: его величиной и формой. Обычно микропроцессор нагружают множеством дополнительных функций, не связанных непосредственно со слежением за сетью и управлением, и некоторые из этих ИБП получают широкий набор дополнительных функций. Они могут регистрировать напряжение в электрической сети, следят за временем и частотой, запоминают свои аварийные сообщения, включаются по расписанию и т.д.

Этот тип ИБП 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 ИБП, что позволяет использовать его для различных нагрузок.

Работает линейно-интерактивный ИБП, примерно так же, как и ИБП с переключением. Когда напряжение в сети соответствует заданным параметрам, нагрузка питается от сети. Если напряжение отсутствует, то на нагрузку мгновенно поступает напряжение с выхода инвертора, разряжая батарею, а входной переключатель ИБП размыкается.

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

1. 3. 1. 1. Online ИБП с гальванической развязкой цепей

В данной схеме отсутствует гальваническая связь, что упрощает выполнение техники безопасности. В нормальном режиме аппаратура получает питание через фильтр помех, выпрямитель, инвертор напряжения и статический переключатель. В данной структуре повышено качество питающего напряжения (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, называется обходным путем, то есть байпасом. Статический переключатель включает в себя электронные ключи (выполненные на транзисторах или паре встречно-параллельных тиристоров, а также контакторов).

В составе ИБП 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. Соответственно мощность, подаваемая в нагрузку, непрерывно поступает через инвертор.

В стандартных условиях вся мощность, подаваемая в нагрузку, проходит через выпрямитель/зарядное устройство и инвертор, которые выполняют двойное преобразование (переменный/постоянный/переменный ток), откуда и название. Восстановление и регулирование напряжения выполняются непрерывно.

Режим резервного питания от батареи работает следующим образом:

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

• ИБП продолжает работать от батареи до истечения времени разрядки батареи или до восстановления нормального режима питания от сети, что вызывает переключение нагрузки обратно на вход переменного тока (нормальный режим).

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

• сбой в работе ИБП,

• токи нагрузки во время переходных процессов (броски тока при запуске или

сбое),

• перегрузки,

• истечение времени работы от батареи.

Наличие статического байпаса предполагает идентичность входной и

выходной частот, т.е. этот байпас не может использоваться для преобразования частоты. При разности уровней напряжения требуется трансформатор байпаса.

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

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

Преимуществами ИБП 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 ИБП является более высокая цена, несколько более низкий КПД (до 94%) в сравнении с другими рассмотренными схемами. Также как правило требуется использование системы принудительного охлаждения.

 

В целом данная конфигурация является самой совершенной с точки зрения защищенности нагрузки, возможностей регулирования и уровней 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 ИБП с двойным преобразованием используются почти исключительно для работы с высокой номинальной мощностью.

 

1. Системы с дельта преобразованием

 

 

Рис. 7. Функциональная схема ИБП с дельта преобразованием

 

При понижении питающего напряжения U₁ дельта-инвертор работает как выпрямитель, основной инвертор напряжения выполняет функции инвертора. При повышении напряжения U₁ наоборот, блок основного инвертора напряжения работает как выпрямитель, а блок дельта-инвертора как инвертор. То есть

преобразователи в структуре являются обратимыми устройствами и они оказывают воздействие на входной трансформатор. Особенностью данной схемы является тот факт, что процессу преобразования подвергается только та часть электрической энергии, которую необходимо преобразовать для получения на нагрузке качественных параметров.

Достоинством данной системы является высокое качество питающего напряжения и высокий КПД. За счет высокого КПД система с дельта- преобразованием имеет высокую производительность, соответственно при ее эксплуатации происходит существенная экономия 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 зарядки системы батарей.

 

ИБП с топологией «дельта-преобразования» обеспечивает те же выходные характеристики, что и ИБП с топологией двойного преобразования. Тем не менее, входные характеристики у них зачастую различаются.

Топология «дельта-преобразования» online обеспечивает динамически регулируемый вход с коррекцией коэффициента мощности без использования блока фильтров, характерного для традиционных решений. Самое значительное преимущество – существенное снижение потерь энергии. Регулирование входной мощности также делает ИБП совместимыми со всеми генераторными, упрощается монтаж (количество проводов) и снижаются требования к необходимой избыточной мощности генератора.

 

 

 

1. 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 системы БП постоянного тока:

• буферная система электропитания;

• буферная система электропитания с вольтодобавочным конвертором;

• буферная система с конвертором;

• система с отделенной от нагрузки АБ;

1. Буферная система электропитании

 

В нормальном режиме работы СЭП на аппаратуру подается стабилизированное напряжение от ВУ, параллельно выходу которых подключена АКБ, содержащаяся в режиме постоянного подзаряда. При таком включении используются как фильтрующие свойства батареи, обладающей малым внутренним сопротивлением, так и ее стабилизирующие свойства, особенно проявляющиеся при импульсном характере нагрузки. Поэтому преимуществом буферных систем электропитания является использование сглаживающих и стабилизирующих свойств АКБ, что улучшает качество электропитания аппаратуры. Недостатком данной системы является снижение срока службы АКБ вследствие импульсных воздействий со стороны нагрузки во время работы ВУ.

При перерывах в электроснабжении переменным током, а также при отключении ВУ вследствие появления неисправности, т.е. в аварийном режиме, питание аппаратуры принимает на себя АКБ. В процессе разряда батареи происходит снижение уровня напряжения питания, поэтому в данной СЭП по мере необходимости устанавливаются дополнительные стабилизирующие устройства¹¹.

¹¹ Современное оборудование имеет широкий диапазон рабочих напряжений и не требует стабилизирующих устройств. При включении в конфигурацию микропроцессорного блока контроля заряда/разряда и фильтров пульсаций может быть вполне экономичным решением для некоторых объектов

1. Буферная система электропитания с вольтодобавочным конвертором

 

При применении вольтодобавочного конвертора (ВДК) с плавным регулированием выходом напряжения на шинах питания аппаратуры можно поддерживать стабильным¹². Существует два способа подключения ВДК. Вход ВДК подключается параллельно АКБ, а выход – в разрез между батареей и нагрузкой (рис. 9 а), либо между батареей и буферным выпрямительным устройством (рис. 9 б). В первом варианте выход ВДК подключен к полупроводниковому диоду VD, падение напряжения на котором составляет около 1В, что снижает коэффициент полезного действия (КПД) системы, поскольку диод выбирается из расчета суммарного тока нагрузки. Функциональное назначение диода – обеспечить непрерывное протекание тока в момент срабатывания контактора К1. Во втором варианте выход ВДК коммутируется контактором К2. Наличие двух контакторов снижает надежность системы. Построение ВДК по схеме с преобразованием электрической энергии повышает КПД системы. Широтно-импульсный способ регулирования напряжения позволяет плавно увеличивать уровень выходного напряжения по мере снижения напряжения АКБ. При разряде АКБ ВДК добавляет недостающую долю напряжения для обеспечения постоянства напряжения на нагрузке.

В нормальном режиме контакторы К1, К3 разомкнуты, а К2 – замкнут, элементы АБ поддерживаются в нормальном состоянии от ВУ. Одновременно обеспечивается питание основного оборудования от выпрямителя. В аварийном режиме замыкаются контакторы К1, К3, размыкается контактор К2 и выход ВДК соединяется последовательно с АБ, вход ВДК при этом подключается к АКБ.

¹² Смысл использования ВДК – поддержание стабильного выходного напряжения, особенно в случае использования АКБ с большим разбросом между максимальным и минимальным напряжениями на клеммах. Позволяет максимально использовать энергию АКБ, но для современного оборудования нет жестких требований, и эта конфигурация является морально устаревшей

1.3.1.7. Буферная система электропитания с конвертором

Рис. 10. Функциональная система буферной системы БП постоянного тока с конвертором

Конвертор предназначен для плавного регулирования (либо стабилизации) напряжения питания (U₀) аппаратуры связи и компенсации изменения напряжения на АКБ в процессе ее разряда. Отсутствие контакторов в «такой системе повышает ее надежность.

Поскольку конвертор рассчитывается на полную мощность нагрузки, то это увеличивает материальные затраты и эксплуатационные расходы. Использование такой системы оправдывается при более высоких требованиях к качеству электропитания аппаратуры связи, чем требования к выпрямителю содержания АКБ.

1. 3. 1. 1. Система с отделенной от нагрузки АКБ

Рис. 11. Система с отделенной от нагрузки АКБ

 

В нормальном режиме работы питание аппаратуры обеспечивается за счет ВУ. АКБ подзаряжается от дополнительного выпрямителя содержания (ВС).

Устройство управления и контроля (УУК) контролирует напряжение на нагрузке. При его снижении ниже допустимой нормы срабатывает электронный ключ ЭК (тиристорный или транзисторный), а затем контактор К1. Преимуществом этой системы является отсутствие влияния импульсной нагрузки на работу АКБ. К недостаткам можно отнести: низкий КПД основного выпрямителя (ВУ) за счет больших габаритных размеров сглаживающих фильтров и дополнительного выпрямителя (ВС).

Данная конфигурация является наиболее эффективной с точки зрения обеспечения наиболее благоприятных условий эксплуатации батарей, соответственно увеличения их срока службы.