Рассмотрим более подробно некоторые особенности принципиальных схем узлов силовой цепи ИБП. Принципиальные схемы силовой цепи ИБП малой и средней мощности приведены на рисунках 6 и 7.

Принципиальная схема силовой цепи ИБП малой мощности

Принципиальная схема силовой цепи ИБП средней мощности

2.1 Назначение и описание узлов силовой цепи ИБП

1. Выпрямитель и корректор коэффициента мощности (ККМ–В) выполняет три функции:

·                   осуществляет преобразование напряжения сети переменного тока в стабилизированное напряжение постоянного тока, обеспечивая питание инвертора стабильным напряжением постоянного тока 700 – 800 В;

·                   обеспечивает потребление из сети входного тока, совпадающего по фазе с напряжением сети, и практически синусоидальной формы, в независимости от характера нагрузки ИБП, что позволяет иметь входной коэффициент мощности близким к единице;

·                   обеспечивает мягкий старт для уменьшения пускового входного тока ИБП.

Схема управления силовым транзистором ККМ

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. Силовой транзистор ККМ VT1 (см. рис. 6) управляется сигналом с широтно–импульсной модуляцией (ШИМ). Формирование ШИМ сигнала с частотой 20 кГц осуществляет специализированная микросхема ККМ контроллера типа UC3854. На входы ККМ контроллера поступают сигналы, пропорциональные входному напряжению (uвх), входному току (iвх), напряжению на выходе ККМ (Uвых), максимальным значениям тока транзистора (Imp) и входного тока (Im), номинальному выходному напряжения ККМ (Uном) (см. рис. 8). Кроме этих сигналов, на микросхему ККМ контроллера поступает напряжение питания (Uп=24 В), сигнал синхронизации (Uс) и сигнал управления (вкл/выкл) ККМ (Uвкл) от центрального микропроцессора платы управления ИБП. Контроллер ККМ вырабатывает ШИМ–сигналы с тактовой частотой 20 кГц и различной скважностью на каждом полупериоде сетевого напряжения, что позволяет формировать входной ток необходимой формы и стабилизировать выходное напряжение.

За счет изменения соотношения времени открытого состояния транзистора, когда в дросселе запасается электромагнитная энергия WL:

(1)

и времени закрытого состояния транзистора, когда накопленная энергия через диод VD5 (VD6 рис. 6) отдается в накопительный конденсатор, ККМ обеспечивает форму входного тока, близкую к синусоидальной, и совпадающей по фазе с входным напряжением. Сигнал ШИМ с контроллера поступает на затвор IGBT транзистора через узел сопряжения (оптопару типа TLP250), обеспечивающий необходимое усиление сигнала и гальваническую развязку цепи управления и силовой цепи транзистора (рис. 8). Питание узла сопряжения в ИБП малой мощности осуществляется от одной из обмоток высокочастотного трансформатора блока зарядного устройства с помощью диода VD1. В ИБП средней мощности питание узла сопряжения обеспечивает блок ВИП. На накопительных конденсаторах шины постоянного тока С1, С2 (см. рис. 6, 7) формируется высоковольтное стабилизированное постоянное напряжение для питания инвертора Uп =700 – 800 В.

Коэффициент передачи по напряжению повышающего преобразователя (бустера) в режиме непрерывного тока дросселя достигает значения 4. Это обеспечивает широкий диапазон допустимого входного напряжения, при котором ИБП не переходит в автономный режим. Значения допустимых отклонений входного напряжения (сети) и значения напряжений питания инвертора для различных моделей ИБП приведены в таблице №1.

Величина емкости накопительных конденсаторов С1= С2 выбирается из расчета 470 мкФ на каждый 1кВА выходной мощности инвертора для обеспечения достаточной энергии питания инвертора при скачках нагрузки и провалах сетевого напряжения.

  Таблица 1.  Допустимый диапазон входных напряжений и параметры цепей постоянного тока ИБП малой и средней мощности

Рассмотрим на примере ИБП 3 кВА значение электрической энергии, запасаемой в накопительных конденсаторах ККМ. Эквивалентная емкость последовательно включенных конденсаторов составит:

Сэк = 0,5 ´ С1= 0,5 (470 мкФ/кВА ´ 3 кВА) = 705 мкФ

При напряжении Uп = 700 В имеем:

.(2)

Эта энергия за период выходного напряжения Т = 0,02 сек может обеспечить мощность нагрузки более 8,5 кВА. Значительный запас энергии питания инвертора и высокое быстродействие его системы управления обеспечивают высокие динамические свойства ИБП. Значения динамических параметров: величина отклонения выходного напряжения от номинального значения и время восстановления статической точности поддержания выходного напряжения при 100% набросе (сбросе) нагрузки для ИБП малой и средней мощности приведены в таблице №2.

Динамические показатели ИБП малой и средней мощности

В отличие от ИБП малой мощности, в ИБП средней мощности выпрямитель выполняется на тиристорах VT1, VT2 (рис. 7), обеспечивающих включение выпрямителя по сигналу с платы управления в режиме двойного преобразования и его отключение в автономном режиме или неисправностях силовых элементов силовой цепи ИБП.

Высокочастотный ККМ в ИБП средней мощности выполняется по дифференциальной схеме повышающего преобразователя на двух силовых транзисторах VT3, VT4 c использованием двух дросселей L1, L2, включенных в цепи постоянного тока (рис. 7). Каждый транзистор управляется от собственного ККМ контроллера типа UC3854, функционирующего аналогично ККМ контроллеру в структуре ИБП малой мощности. С помощью транзистора положительного бустера (VT3) обеспечивается повышение и стабилизация напряжения на положительной шине в течение одного полупериода сетевого напряжения, а с помощью транзистора отрицательного бустера (VT4) в течение другого полупериода происходит повышение и стабилизация выходного напряжения ККМ на отрицательной шине относительно общей шины.

Аккумуляторная батарея (АБ) в ИБП средней мощности подключается на вход ККМ через тиристор VT7 (рис. 7), что обеспечивает разделение цепи заряда АБ от ЗУ в сетевом режиме работы ИБП и мгновенное подключение АБ на вход ККМ в автономном режиме. Номинальные напряжения аккумуляторных батарей для различных моделей ИБП приведены в таблице № 1.

Снижение номинального напряжения АБ до 120 В в ИБП средней мощности на примере модели Nfinity (Liebert) достигается дополнительной коммутацией в силовой цепи ККМ с помощью двухпозиционных реле К1, К2, К3 (рис. 9). Указанные реле переключаются сигналами с блока управления ИБП. В сетевом режиме контакты реле находятся в положении 1, подключая силовые транзисторы на вход выпрямителя аналогично схеме ККМ на рис. 7.

АБ имеет общую точку подключения минуса батареи к общей шине (нейтрали сети). В автономном режиме контакты реле находятся в положении 2 и реле К1 подключает плюс батареи к силовому транзистору VT1положительного бустера ККМ, а реле К2, К3 подключают соответственно плюс и минус АБ к силовому транзистору VT2 отрицательного бустера ККМ.

Схема ККМ с пониженным значением напряжения АБ

Дополнительный выпрямительный мост, выполненный на тиристорах VT8, VT9, VT10, VT11 (рис. 7), используется при трехфазном входе ИБП средней мощности.

2. Инвертор (ИНВ) преобразует напряжение постоянного тока в синусоидальное напряжение 50 Гц.

Блок инвертора выполняется по полумостовой бестрансформаторной схеме на IGBT транзисторах VT2, VT3 в ИБП малой мощности (рис. 6) и VT5, VT6 в ИБП средней мощности (рис. 7). Силовые транзисторы управляются высокочастотными (20 кГц) ШИМ сигналами с платы управления через оптопары (TLP250), которые изолируют силовые цепи от цепей управления. Широтно–импульсная модуляция сигналов осуществляется по синусоидальному закону, что обеспечивает c помощью быстродействующей системы управления инвертором высокую точность выходного напряжения. Синусоидальное выходное напряжение формируется из высокочастотных ШИМ импульсов с помощью выходного фильтра L2, С3 (рис. 6), L3, C3 (рис. 7).

Как правило, силовые IGBT транзисторы инвертора выбирают из условия тройного 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 возможности включения инвертора 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.

Страницы: 1, 2, 3