Классификация, структуры однофазных идп ИБП

Валерий Климов, к.т.н., технический директор, «Русэлт»

В работе рассматриваются вопросы построения современных ИБП: их топологии, структуры, функциональные особенности силовых узлов, статические и динамические характеристики. Работа состоит из нескольких частей. Часть первая посвящена топологиям ИБП, их классификации по конструктивному признаку, структурам однофазных источников с двойным преобразованием (ИДП).
В последующих частях работы будут рассмотрены:
- структуры трехфазных ИБП;
- многомодульные структуры ИБП;
- статические и динамические характеристики ИБП;
- особенности ИБП промышленного назначения.

Источники бесперебойного питания (ИБП) предназначены для защиты электрооборудования пользователя от неполадок в сети, включая искажение или пропадание напряжения сети, а также подавление высоковольтных импульсов и высокочастотных помех, поступающих из нее.


Топологии ИБП
В соответствии с международным стандартом IEC 62040-3 [1,2] современные ИБП разделяются на три основных типа:
·ИБП резервного типа – Passive Standby UPS (ранее назывался Off -Line UPS);
·ИБП линейно-интерактивного типа – Line-InteractiveUPS;
·ИБП с двойным преобразованием энергии (ИДП) – Double-ConversionUPS (ранее назывался On-LineUPS).
Топология ИБП резервного типа, представленная на рис.1а, содержит входной фильтр (ВФ), зарядное устройство (ЗУ), инвертор (ИНВ), аккумуляторную батарею (АБ), блок коммутации (БК), стабилизатор (СТ). В наиболее простых и дешевых моделях ИБП резервного типа стабилизатор отсутствует. Инвертор, выходное напряжение которого имеет прямоугольную форму с регулируемыми паузами между положительными и отрицательными импульсами, обеспечивая стабилизацию действующего значения основной гармоники выходного напряжения (50 Гц) при изменении напряжения АБ, подключается параллельно сетевому источнику и действует как источник резервного питания. В качестве СТ можно использовать автотрансформатор с переключаемыми отводами обмотки [3], выполняющий функции дискретного корректора напряжения с точностью стабилизации выходного напряжения (7–10)%. Данная функция обеспечивает расширение диапазона входного напряжения до ±25%, при котором не происходит переключение в аккумуляторный режим.
При отклонении входного напряжения более допустимого или пропадании сети происходит переключение нагрузки на инвертор. Таким образом, ИБП резервного типа представляют собой комбинацию стабилизатора и инвертора, подключаемые к нагрузке с помощью блока коммутации (БК).
Достоинства ИБП резервного типа:
·простота и дешевизна;
·высокий КПД в сетевом режиме.
Недостатки:
·конечное время переключения нагрузки с сети на инвертор, и наоборот (4–20 мс)
·несинусоидальное выходное напряжение в автономном режиме;
·ИБП не защищает нагрузку от недопустимых отклонений частоты и формы напряжения сети;
·возможно возникновение нежелательных переходных процессов выходного напряжения при переключениях с сети на инвертор, и наоборот;
·нелинейная нагрузка с высоким коэффициентом амплитуды (крест-фактор) вызывает искажение синусоидальности входного тока и снижает входной коэффициент мощности.
Наиболее распространенный диапазон мощностей ИБП резервного типа – 250–1500 ВА.
Топология линейно-интерактивного ИБП характеризуется присутствием двунаправленного преобразователя напряжения (ДПН), выполняющего как функцию инвертора, так и функцию зарядного устройства (см. рис. 1б). При наличии сети ДПН работает как выпрямитель и осуществляет заряд АБ. Благодаря двунаправленному действию и синусоидальной форме напряжения, формируемого в режиме инвертора, ДПН взаимодействует с сетевым источником, т.е. имеет интерактивное включение.
Как и для резервных ИБП, в данном случае в качестве стабилизирующего узла для расширения диапазона входного напряжения без перехода на автономный режим обычно используется дискретный корректор напряжения. Статическая точность стабилизации и допустимый диапазон изменения входного напряжения в таких ИБП аналогичны резервным ИБП. В сетевом режиме возможна стабилизация выходного напряжения путем добавки или вычитания напряжения ДПН из сетевого напряжения. Такой принцип стабилизации получил название «Дельта-преобразование» и используется некоторыми производителями ИБП [4].
Достоинства ИБП линейно-интерактивного типа по сравнению с резервными ИБП:
·синусоидальная форма выходного напряжения в автономном режиме;
·совмещение функций ЗУ и ИНВ в одном узле.
Остальные недостатки, присущие резервным ИБП, распространяются и на ИБП линейно-интерактивного типа. На наш взгляд, блок коммутации является наиболее ответственным местом данных ИБП, поскольку именно от его работы зависит обеспечение надежности всего ИБП. Это связано с тем, что при переходе ИБП в автономный режим данный блок должен обеспечивать четкое переключение инвертора и сетевого источника, обладающего малым внутренним сопротивлением. В противном случае инвертор оказывается замкнутым накоротко и выходит из строя.
Наиболее распространенный диапазон мощностей ИБП линейно-интерактивного типа – 500 – 3000 ВА.
Топология ИБП с двойным преобразованием энергии (ИДП) приведена на рис.1в. При такой структуре инвертор включен последовательно в цепи сетевой источник – нагрузка. При наличии сетевого напряжения в допустимых пределах (величина, частота, искажение) питание нагрузки происходит по цепи выпрямитель-инвертор, где происходит преобразование напряжения переменного тока в постоянный, и наоборот, т.е. двойное преобразование энергии. В режиме перегрузки или выхода из строя какого-либо узла двойного преобразования нагрузка переключается напрямую к сети через блок коммутации цепи автоматического шунтирования. При пропадании сети или ее недопустимых отклонениях ИДП мгновенно переходит в автономный режим питания нагрузки энергией АБ. В сетевом режиме выпрямитель выполняет также функцию зарядного устройства батареи. Выпрямитель может выполняться управляемым (на тиристорах или IGBT-транзисторах) или неуправляемым (на диодах). Инверторы ИДП выполняются на IGBT-транзисторах, коммутируемых с частотой 7,5–20 кГц и формирующих с помощью выходного фильтра синусоидальное напряжение 50 Гц. Особенности структурного построения силовых цепей однофазных и трехфазных моделей ИДП будут рассмотрены ниже.
Основные достоинства ИДП по сравнению с резервными и линейно-интерактивными источниками следующиие:


·обеспечение высокой точности стабилизации синусоидального выходного напряжения в сетевом и автономном режимах;
·обеспечение стабильной частоты выходного напряжения при отклонениях частоты сети;
·отсутствие переходных процессов при переключениях с сетевого режима на автономный, и наоборот;
·возможность исключить влияние нелинейной нагрузки на гармонический состав и форму входного тока;
·повышение надежности системы по обеспечению бесперебойного питания нагрузки за счет автоматического байпаса.
Современные модели ИДП выполняются в мощностном диапазоне 1 – 400 кВА и более.
Рассмотренные топологии ИБП относятся к статическим системам бесперебойного питания, где поддержание выходного напряжения при отсутствии сети обеспечивается энергией АБ. В динамических системах бесперебойного питания используется кинетическая энергия вращающегося маховика, которая может достигать нескольких миллионов джоулей [5]. Такие системы используются на мощности сотни, тысячи киловатт и содержат синхронный электрогенератор, механически связанный с ротором асинхронного двигателя, который выполняет роль маховика. Система аккумулирует значительную кинетическую энергию и при отключении или кратковременном прекращении подачи электроэнергии осуществляет параметрическую стабилизацию выходного напряжения. При длительном отключении сетевого напряжения запускается дизельный двигатель, который поддерживает вращение маховика генератора через магнитное сцепление.

Классификация статических ИБП по конструктивному исполнению
Введем следующую классификацию современных ИБП:
- ИБП в мономодульном исполнении (тауэр или 19-дюймовый корпус);
- ИБП в нестандартнои исполнении (например, в корпусе сетевого фильтра);
- ИБП в многомодульном исполнении;
- ИБП встраиваемые (например, в компьютер);
- ИБП промышленного назначения (EPS и блоки с повышенной степенью защиты).

Мономодульные ИБП имеют прямоугольный металлический корпус со съемными верхней и боковыми стенками, обеспечивающими удобство монтажа, размещение аккумуляторных батарей, доступ к узлам ИБП при необходимости их замены или ремонте.
Для установки однофазных ИБП в 19-дюймовые телекоммуникационные шкафы или стойки используются корпуса высотой 2U 88 мм для мощности 1–3 кВА или 3U 130 мм для мощности 6–10 кВА. Такие же конструктивы применяются для аккумуляторных модулей.
Среди производителей ИБП получил распространение следующий ряд номинальных мощностей [3],[4]:

- однофазные ИБП малой мощности: 1; 1,5; 2; 3 кВА;
- однофазные ИБП средней мощности: 6; 10; 15; 20 кВА;
- ИДП с трехфазным входом и однофазным выходом средней мощности:10; 15; 20; 30 кВА;
- трехфазные ИБП средней мощности: 10; 15; 20; 30; 40 кВА;
- трехфазные ИБП большой мощности: 60 кВА и более.
Многомодульные ИБП содержат несколько конструктивно законченных блоков одинаковой мощности, встраиваемые в общий системный корпус. Более подробно такие конструкции будут описаны в последующей части работы «Многомодульные структуры ИБП».
Встраиваемые структуры ИБП применительно к компьютеру могут иметь различные решения.Существуют гибридные конструкции, в которых электронные узлы ИБП интегрированы в импульсный блок питания компьютера. При этом блок с АБ вставляется в пятидюймовый отсек корпуса и имеет светодиодную индикацию заряда батарей. Известны также решения, когда электронные узлы ИБП вместе с АБ собраны в одном корпусе, устанавливаемом в пятидюймовом отсеке корпуса компьютера.
Одной из разновидностей встраиваемого ИБП является PCI-карта, устанавливаемая в свободный слот расширения. Примером такой конструкции является ИБП PowerCard производства компании GuardianOnBoard [6] мощностью 420 ВА/250 Вт. Используемая топология такого источника – ИБП резервного типа без стабилизации напряжения в сетевом режиме. PCI-карта, содержащая электронные узлы PowerCard, размещена в пластиковом кожухе размерами 130×25×215 мм. На торцевой стороне карты расположены три светодиода, сигнализирующие о состоянии ИБП, разъемы для подключения карты к сети, АБ, блоку питания компьютера и СОМ-порт. В качестве АБ используются никель-кадмиевые аккумуляторы производстваSanyo (16,8 В; 1,7 Ач), размещаемые в пластиковом корпусе размером 97×29×167 мм. Блок АБ располагается в любом свободном пространстве внутри корпуса компьютера. Время резерва при полной нагрузке составляет 2 мин.
ИБП промышленного назначения отличаются повышенной степенью защиты и надежностью силовых узлов системы. Одной из разновидностей таких систем бесперебойного питания являются EPS (EmergencyPowerSupply) – аварийные источники питания, особенности которых будут рассмотрены ниже.
Остановимся на особенностях схемотехники cиловых цепей современных ИДП.
Структуры однофазных источников с двойным преобразованием

Основные структурные схемы однофазных ИБП с корректорами коэффициента мощности (ККМ) приведены на рис. 2. В состав ИБП малой мощности входят силовые узлы: выпрямитель-корректор коэффициента мощности (ККМ-В), инвертор (ИН), преобразователь постоянного напряжения (ППН), зарядное устройство (ЗУ), обеспечивающие работу ИБП в сетевом и автономном режимах (см. рис. 2а). Выпрямитель и корректор коэффициента мощности (ККМ-В) выполняют следующие функции:


· осуществляют преобразование напряжения сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока, обеспечивая питание инвертора стабильным напряжением постоянного тока 700 В (±350 В);
· обеспечивают потребление из сети входного тока, совпадающего по фазе с напряжением сети и имеющего практически синусоидальную форму независимо от характера нагрузки ИБП, блашодяр чему входной коэффициент мощности близок к единице.


Входной фильтр (ВФ) обеспечивает подавление выбросов сетевого напряжения при переходных процессах и осуществляют фильтрацию высокочастотных коммутационных помех.
Система управления ИБП обеспечивает необходимый алгоритм работы силовых узлов, тестирование состояния, мониторинг и управление. Плата дисплея содержит ряд светодиодов для индикации режимов работы ИБП и кнопки включения инвертора силовой платы. В некоторых моделях ИБП используются ЖК-дисплеи для отображения электрических параметров и состояния ИБП.
В составе ИБП возможно также наличие дополнительного зарядного устройства, обеспечивающего заряд внешней аккумуляторной батареи повышенной емкости.
В ИБП средней мощности из состава силовой платы выделяют несколько силовых узлов, содержащих силовые дроссели, накопительные конденсаторы, плату коммутации (электронный байпас), плату зарядного устройства.
Структурная схема силовой цепи ИБП средней мощности (см. рис. 2б) отличается тем, что повышение напряжения АБ для питания инвертора осуществляется с помощью одного и того же преобразователя постоянного напряжения (ППН), который выполняет также функцию ККМ в сетевом режиме. Это позволяет повысить эффективность системы.
Рассмотрим более подробно некоторые особенности принципиальных схем силовой цепи однофазных ИБП. Функциональные схемы силовых цепей однофазных ИБП малой и средней мощности приведены на рис.3.



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 [7]. Силовой транзистор ККМ VT1 (см. рис. 3а) управляется сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Формирование ШИМ-сигнала осуществляет специализированная микросхема ККМ контроллера типа UC 3854. На входы ККМ-контроллера поступают сигналы, пропорциональные входному напряжению и току, напряжению на выходе ККМ, сигнал синхронизации и сигнал управления (вкл./выкл.) ККМ от микроконтроллера платы управления.

В отличие от ИБП малой мощности, в ИБП средней мощности выпрямитель выполняется на тиристорах VT1, VT2 (см. рис. 3б), обеспечивающих включение выпрямителя по сигналу с платы управления в сетевом режиме и его отключение в автономном режиме или неисправностях силовых элементов цепи ИБП. Высокочастотный ККМ выполняется по двухтактной схеме повышающего преобразователя на двух силовых транзисторах VT3, VT4 c использованием двух дросселей L1, L2, включенных в цепи выпрямленного тока. ШИМ- управление транзисторами VT3, VT4 обеспечивает повышение и стабилизацию выходного напряжения ККМ на положительной и отрицательной шинах постоянного тока. Каждый транзистор управляется от собственного ШИМ-контроллера или сигналами, сформированными на плате управления. Высокий коэффициент передачи по напряжению повышающего преобразователя (бустера) в режиме непрерывного тока дросселя обеспечивает широкий диапазон допустимого входного напряжения, при котором ИБП не переходит в автономный режим. Значения допустимых отклонений входного напряжения и значения напряжений питания инвертора для различных моделей ИБП приведены в табл. 1.
Таблица 1. Допустимый диапазон входных напряжений и параметры
цепей постоянного тока ИБП малой и средней мощности


АБ в ИБП средней мощности подключается на вход ККМ через тиристор VT7 (см. рис. 3б), что обеспечивает разделение цепи заряда АБ от ЗУ в сетевом режиме работы от выхода выпрямителя и мгновенное подключение АБ на вход ККМ в автономном режиме. Дополнительный выпрямительный мост, выполненный на тиристорах VT8, VT9, VT10, VT11, используется при трехфазном входе ИБП с однофазным выходом.




Инвертор преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока. Блок инвертора выполняется по полумостовой бестрансформаторной схеме на IGBT-транзисторах VT2, VT3 в ИБП малой мощности (см. рис. 3а) и VT5, VT6 в ИБП средней мощности (см. рис. 3б). Силовые транзисторы управляются высокочастотными (19,2 кГц) ШИМ-сигналами с платы управления. Широтно-импульсная модуляция сигналов осуществляется по синусоидальному закону, что обеспечивает высокую точность выходного напряжения c помощью быстродействующей системы управления инвертором. Синусоидальное выходное напряжение формируется из высокочастотных ШИМ-импульсов с помощью выходного фильтра L2, С3 (см. рис. 3а), L3, C3 (см. рис. 3б). Как правило, силовые IGBT-транзисторы инвертора выбирают из условия двойного запаса по току по сравнению с номинальной величиной тока нагрузки. Это позволяет иметь высокие перегрузочные способности ИБП и ток короткого замыкания инвертора в пределах 150...200%. Термозащита силовых транзисторов реализуется с помощью сигнала с релейного датчика температуры (80...90^oС). Указанный сигнал поступает на центральный микроконтроллер (МК) платы управления. МК подсчитывает время, в течение которого транзисторы не выйдут из строя из-за перегрева, после чего выдает сигнал на отключение инвертора и переключение нагрузки на байпас. Затем МК просчитывает время охлаждения транзисторов, чтобы не дать включиться инвертору сразу после окончания первой перегрузки. Если нагрузка продолжает оставаться в пределах 110...120% от номинальной, то по окончанию просчета заданного времени охлаждения (2–4 мин.) МК выдает сигнал на повторное включение инвертора и т.д. При больших значениях перегрузки МК через определенное время выдаст сигнал переключения нагрузки на байпас, и повторное включение инвертора будет возможно лишь после снятия перегрузки. Перегрузочные способности ИБП являются одним из важных потребительских показателей, т.к. позволяют оптимально выбирать номинальную мощность ИБП при подключении нагрузок, обладающих большими пусковыми токами или при использовании ИДП в технологических процессах с кратковременными периодическими пиковыми нагрузками. Более подробно эти вопросы будут рассмотрены в последующей части работы «Характеристики ИБП».




Преобразователь DC/DC (ППН) в ИБП малой мощности обеспечивает повышение и стабилизацию напряжения АБ до уровня, необходимого для надежной работы инвертора в автономном режиме. Принципиальная схема ППН представляет собой двухтактный дифференциальный ВЧ-преобразователь на силовых транзисторах и ВЧ-трансформаторе, мощность которого с учетом потерь в инверторе должна превышать выходную мощность ИБП. Силовые транзисторы управляются сигналами (25–30 кГц) от специализированного ШИМ-контроллера типа UC 3525, который в свою очередь получает сигналы разрешения работы с платы управления и сигнал обратной связи о величине высоковольтного напряжения питания инвертора. К дифференциальной выходной обмотке ВЧ-трансформатора подключены диоды, обеспечивающие выпрямление и формирование на конденсаторах С1, С2 ( рис.3а) высоковольтного напряжения постоянного тока +350, –350 В относительно общей шины для питания инвертора в автономном режиме работы ИБП.




Зарядное устройство обеспечивает заряд АБ при работе ИБП в сетевом режиме. В качестве АБ используются последовательно включенные герметичные (необслуживаемые) свинцово-кислотные аккумуляторы. Максимальное выходное напряжение ЗУ устанавливается из условия 2,3 В/ячейка. ЗУ в ИБП малой мощности получает питание непосредственно от сети через собственный выпрямительный мост и сглаживающую емкость. Кроме заряда АБ, ЗУ обеспечивает питание ВИП в сетевом режиме и питание обмотки управления реле К1 (см. рис. 3а). Принципиальная схема ЗУ выполняется на однотактном ВЧ-преобразователе (30 кГц), содержащим транзистор, управляемый сигналом с микросхемы ШИМ-контроллера типа UC 3845, и ВЧ-трансформатор. В ИБП средней мощности основное ЗУ подключено к шине стабильного высоковольтного напряжения постоянного тока и выполнено по схеме DC/DC-преобразователя (см. рис. 3б). ЗУ выполняется по схеме двухтактного дифференциального ВЧ-преобразователя с частотой коммутации силовых транзисторов 20–30 кГц. Использование стабильного высоковольтного напряжения 700 В с выходных шин ККМ-бустера позволяет получить высокий КПД ЗУ. В ИДП мощностью 6...10 кВА такое зарядное устройство обеспечивает зарядный ток 3...4 А при номинальном напряжении АБ 240 В. При наличии внешней АБ повышенной емкости используется дополнительное зарядное устройство (ДЗУ), выполняемое по схеме AC/DC-преобразователя и подключенное к сети.




Блок коммутации (байпас) автоматически обеспечивает цепь подключения нагрузки непосредственно к сети при аномальных режимах работы ИБП (перегрузке, перегреве, выходе из строя одного из узлов). Двухпозиционное реле К2 в ИБП малой мощности (см. рис. 3а) срабатывает от сигнала с платы управления и обеспечивает переключение выхода ИДП с инвертора на сеть (режим байпас), и наоборот. Контакты входного реле К1 блока коммутации замыкаются при наличии напряжения с блока ЗУ при подключении ИБП к сети и сигнала разрешения от платы управления, который возникает при подтверждении того, что входное напряжение и другие системные параметры ИБП находятся в норме. В ИБП средней мощности блок коммутации обычно выполняется гибридным – на тиристорах и силовом реле, осуществляющих переключение нагрузки с выхода инвертора на сеть, и наоборот, по сигналу с платы управления.
Вторичный источник питания (ВИП) формирует ряд низковольтных напряжений постоянного тока (5, 12, 15, 24 В) для обеспечения питанием различных цепей систем управления блоков силовой платы, питание платы управления и вентиляторов. Питание блока ВИП осуществляется от ЗУ при сетевом режиме или от батареи при автономном режиме. Принципиальная схема ВИП выполняется на однотактном ВЧ-преобразователе. Выход из строя ВИП приводит к общей неисправности ИБП и переключение нагрузки на байпас.

Литература 1. IEC 62040-3 (1999-03) Uninterruptible power systems (UPS) – part 3: Method of specifying the performance and test requirements.
2. UPS topologies and standards, MGE UPS Systems, MGE 0248 UK1-11/99.
3. Климов В.П., Портнов А.А., Зуенко В.В. Топологии источников бесперебойного питания переменного тока (ИБП), Электронные компоненты, №7, 2003.
4. Дельта-преобразование: ИБП, дружественный к электросети, Connect, №11, 2000г.
5. Мир ИБП, 1995.
6. Обзор Powercard-ИБП с интерфейсом PCI, www.sdteam.com
7. Климов В.П., Федосеев В.И. Схемотехника однофазных корректоров коэффициента мощности, Практическая силовая электроника, 2002 г., вып. 8.