Системы бесперебойного электропитания на стороне переменного тока

По принципу действия ИБП (источники бесперебойногопитания) можно отнести к двум типам.

Первый тип – это источники бесперебойного питания с режимом работы off-line ( off – line – дословно «вне линии» ). Принцип работы этого типа ИБП заключается в питании нагрузки от питающей сети и 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 on-line ( on-line – дословно «на линии» ). Эти устройства постоянно питают нагрузку и не имеют времени переключения. Наряду с резервированием электроснабжения они предназначены для обеспечения необходимого качества электроэнергии при его нарушениях в питающей сети и фильтрации помех, приходящих из питающей сети.

Достаточно часто в литературе по источникам бесперебойного питания упоминаются ИБП с режимом работы line-interactive (line-interactive UPS). Принцип их действия в значительной степени похож на принцип действия 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 аккумуляторных батарей (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 «отводов» (витков) трансформатора (рисунок 14.8,а), поэтому регулирование напряжения носит ступенчатый характер.

Рисунок 14.8 - Бустер off-line (а), и line-interactive ИБП (б)

При отклонении напряжения U выше номинального значения бустер переключает отвод в положение - δU, снижая тем самым значение напряжения, поступающего в схему ИБП и далее к электроприемнику. При отклонении напряжения ниже номинального значения бустер переключает отвод в положение + δU. Такая схема бустера применяется редко, на смену ей пришла схема, аналогичная фмагнитному усилителю (рисунок 14.8,б). В этой схеме имеются две встречно включенные обмотки, соответственно намагничивающие сердечник бустера. Различие между ИБП off-line и line-interactive фактически стерлось, поскольку появились модели off-line с возможностью регулирования напряжения в номинальном 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.

Для питания технических средств с импульсными блоками питания форма выходного напряжения ИБП значения не имеет. На рисунке 14.9 представлена структура ИБП типа оff-line и line-interactive.

Рисунок 14.9 - Структура ИБП: а) off-line; б) line-interactive

В нормальном режиме ИБП пропускает сеть 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 сети запускается инвертор, и переключатель переводит нагрузку на инвертор ИБП. Переключение осуществляется автоматически и АБ будет питать нагрузку до момента восстановления напряжения на входе или до исчерпания ёмкости. В схеме на рисунке 9,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. Применяются упрощенные схемы инверторов, формирующие напряжение прямоугольной формы с бестоковыми паузами (рисунок 14.10, а) и более совершенные схемы с синусоидальным напряжением или близким к синусоидальной форме – аппроксимированное ступенями (рисунок 14.10, б).

Рисунок 14.10 - Формы выходного напряжения инверторов: а) ступенчатая;

б) аппроксимированная синусоида; в) синусоидальная

Такие инверторы характерны для ИБП малой мощности и пригодны для работы с импульсными блоками питания. Инверторы ИБП типа line-interactive формируют напряжение синусоидальной формы (рис.1.3,в) с низким содержанием гармоник (как правило, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения ). Такие инверторы пригодны для питания всех типов нагрузок – от импульсных блоков питания до двигателей. Как правило, форма напряжения инвертора и указываются в паспортных данных ИБП.

Типичный диапазон мощностей ИБП типов off-line и line-interactive от 250 ВА до 3…5 кВА.

Источники бесперебойного питания с режимом работы on-line выпускаются нескольких типов (по способам преобразования энергии).

Различают четыре типа on-line ИБП:

- с одиночным преобразованием;

- с дельта преобразованием;

- феррорезонансные ИБП;

- с двойным преобразованием.

Принцип одиночного преобразования (single conversion) (рисунок 1.11) 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.

Рисунок 14.11- 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 технологии одиночного преобразования.

Принцип дельта преобразования (delta conversion) основан на применении в схеме ИБП так называемого дельта трансформатора (рисунок 1.12).

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 то есть регулировки входного тока и компенсации некоторых видов помех. Его мощность составляет около 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 течении 1 минуты. 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. 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 полезного действия новых блоков питания достигает значений 0,92…0,97. Другим достоинством ИБП с дельта преобразованием является высокий коэффициент мощности самого устройства, близкий к единице.

Рисунок 14.12 - ИБП с дельта преобразованием (delta conversion UPS)

Это облегчает совместную работу ИБП и двигатель-генераторную установку (ДГУ). На основе ИБП с дельта преобразованием строятся мощные централизованные системы бесперебойного электроснабжения (СБЭ) с избыточным резервированием. Естественно, возможны также схемы с одиночными ИБП. Диапазон мощностей ИБП этого типа находится в пределах 10…480 кВА. Возможно параллельное объединение до 8 ИБП для работы на общую нагрузку в одной СБЭ. Данный тип ИБП является основной альтернативой ИБП с двойным преобразованием.

Феррорезонансные ИБП названы так, по применяемому в них феррорезонансному трансформатору. В основу его работы положен эффект феррорезонанса, применяемый в стабилизаторах переменного напряжения. При нормальной работе трансформатор выполняет функции стабилизатора напряжения и сетевого фильтра. В случае “провала” сети феррорезонансный трансформатор обеспечивает нагрузку питанием за счет энергии, накопленной в его магнитной системе. Интервала времени длительностью 8…16 мс достаточно для запуска инвертора, который за счет энергии аккумуляторной батареи продолжает питать 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 рисунке 14.13.

Рисунок 14.13 - ИБП двойного преобразования (double conversion UPS)

Обычно в качестве синонима двойного преобразования употребляют термин on-line. Это не совсем верно, так как к группе ИБП типа on-line относятся и другие схемы.

В ИБП этого типа вся потребляемая энергия поступает на выпрямитель и преобразуется в энергию постоянного тока, а затем инвертором – в энергию переменного тока.