Защита от нестабильного напряжения с помощью источника бесперебойного питания

· перевод нагрузки с инвертора на байпас при удовлетворительном КЭ в питающей сети с целью снижения потерь электроэнергии в ИБП (econom mode - экономичный режим работы).

Байпас представляет собой комбинированное электронно-механическое устройство, состоящее из так называемого статического байпаса и ручного (механического) байпаса.

 Статический байпас представляет собой тиристорный (статический) ключ из встречно-паралельно включенных тиристоров. Управление ключом (включено/выключено) осуществляется от системы управления ИБП. Оно может производиться как вручную, так и автоматически. Автоматическое управление осуществляется при возникновении перегрузки и в экономичном режиме работы ИБП. При этом в обоих случаях напряжение инвертора синхронизировано с напряжением на входе цепи байпаса и с импульсами управления, что позволяет произвести перевод нагрузки с инвертора на байпас и обратно «без разрыва синусоиды».

Ручной (механический) байпас представляет собой механический выключатель нагрузки, шунтирующий статический байпас. Он предназначен для вывода ИБП из работы со снятием напряжения с элементов ИБП. При включенном ручном байпасе питание нагрузки осуществляется через цепь «вход байпаса - ручной байпас-выход ИБП». Остальные элементы схемы ИБП: выпрямитель, инвертор, АБ, статический байпас - на время включения ручного байпаса могут быть обесточены (отключены от питания и нагрузки) с целью ремонта, регулировок, осмотров и т.д. Об отключении АБ можно говорить с некоторой натяжкой, ибо, будучи в заряженном состоянии, АБ является мощным источником постоянного напряжения, представляющим опасность для обслуживающего персонала. По классификации «Межотраслевых правил по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации электроустановок» работы с АБ следует относить к виду работ с частичным снятием напряжения. При необходимости замены аккумуляторов АБ ИБП переводят на ручной байпас, специальным инструментом разъединяют АБ на отдельные аккумуляторы, после чего опасность поражения электрическим током устраняется.

При работе на байпасе, как статическом, так и ручном, ИБП не имеет возможности обеспечивать бесперебойное питание потребителей. Такие режимы должны сопровождаться административно-техническими мероприятиями для исключения нежелательных последствий для потребителей при отключении питания при работе на байпасе. Самая простая мера - проведение профилактических и ремонтных работ в нерабочее время потребителей.

Инвертор, управляемый микропроцессором, вырабатывает синусоидальное напряжение, поступающее на нагрузку. В мощных трехфазных ИБП инвертор также выполнен по трехфазной мостовой схеме. Для построения синусоиды в инверторе реализован принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Принцип его действия состоит в подаче импульсов переменной скважности через тиристоры на трансформатор, выполняющий одновременно роль фильтра, или непосредственно на LC-фильтр на выходе инвертора. В результате формируется синусоидальное напряжение с низким коэффициентом гармонических искажений: КU< 3%.

В современных ИБП двойного преобразования применяют схему зеркального преобразования. На рисунке изображены выпрямитель и инвертор ИБП, выполненные по схеме зеркального преобразования. В основу схемы положено применение мощных IGBT-транзисторов (Insulated Gate Bipolar Transistor - полевой биполярный транзистор с изолированным затвором). Смысл термина «зеркальное преобразование» состоит в том, что процессы выпрямления и инвертирования электроэнергии реализованы на одинаково выполненных преобразователях. Преимущества применения зеркального преобразования заключаются в обеспечении:

-отсутствия нелинейных искажений входного тока без дополнительных фильтров;

- коэффициента мощности ИБП, близкого к единице;

-реализации принципа ШИМ без выходного трансформатора и фильтра.

Это позволяет оптимизировать совместную работу ИБП с ДГУ, снизить массо-габаритные показатели. Недостатком зеркального преобразования является более низкий КПД (на 1...1,5%), чем у ИБП двойного преобразования с тиристорными преобразователями. Это ограничивает область применения ИБП с зеркальным преобразованием мощностью до 30...40 кВА. В мощных трехфазных ИБП двойного преобразования часто применяют комбинированные схемы преобразователей - тиристорный выпрямитель и инвертор на ЮВТ-транзисторах.

Технология двойного преобразования отработана и успешно используется свыше двадцати лет, однако ей присущи принципиальные недостатки:

- ИБП является причиной гармонических искажений тока в электрической сети (до 30%) и, таким образом, - потенциально причиной нарушения работы другого оборудования, соединенного с электрической сетью; он имеет низкое значение входного коэффициента мощности (cosц);

- ИБП имеет значительные потери, так как принципом получения выходного переменного тока является первичное преобразование в энергию постоянного тока, а затем снова преобразование в энергию переменного тока; в процессе такого двойного преобразования обычно теряется до 10% энергии.

Первый недостаток устраняется за счет применения дополнительных устройств (входных фильтров, 12-импульсных выпрямителей, оптимизаторов-бустеров), а второй принципиально не устраним (у лучших образцов ИБП большой мощности КПД не превышает 93%). Современные ИБП двойного преобразования оборудуются так называемыми кондиционерами гармоник и устройствами коррекции коэффициента мощности (cosц). Эти устройства входят либо в базовый комплект ИБП, либо применяются опционально и позволяют снять проблему с внесением гармонических искажений (составляют не более 3%) и повысить коэффициент мощности до 0,98.

Поскольку в дальнейшем при рассмотрении систем бесперебойного электроснабжения мы будем ориентироваться в основном на ИБП двойного преобразования, то имеет смысл более подробно рассмотреть варианты исполнения схем ИБП данного типа. Существуют схемы ИБП 1:1, 3:1 и 3:3. Это означает:

· 1:1 - однофазный вход, однофазный выход;

· 3:1 - трехфазный вход, однофазный выход;

· 3:3 - трехфазный вход, трехфазный выход.

Схемы 1:1 и 3:1 целесообразно применять для мощностей нагрузки до 30 кВА, при этом симметрирование не требуется, и мощность инвертора используется рационально. Следует иметь в виду, что байпас в таких схемах является однофазным и при переходе ИБП с инвертора на байпас для входной сети ИБП 3:1 становится несимметричным устройством, подобно ИБП 1:1. Проектом должен быть предусмотрен режим работы на байпасе, т.е электрическая схема не должна подвергаться перегрузкам, и КЭ не должно выходить за установленные пределы при переходе ИБП на байпас. На рисунке приведена схема ИБП 3:1.

Особенностью данной схемы является наличие на входе конвертора 3:1. При его отсутствии ИБП имеет схему 1:1. Наличие конвертора не только превращает ИБП 1:1 в 3:1, но и позволяет осуществлять работу на байпасе в симметричном режиме.

Cхема ИБП по схеме 3:3. Здесь  имеется зарядное устройство  для оптимизации режима заряда аккумуляторной батареи и преобразователь постоянного тока - бустер (booster DC/DC), позволяющий облегчить работу выпрямителя за счет снижения глубины регулирования. Таким образом обеспечивается меньший уровень гармонических искажений входного тока. В некоторых случаях такую схему называют схемой с тройным преобразованием.

Принципиально нет предпосылок выделять такие схемы в отдельный тип ИБП, так как остается общим главный принцип - выпрямление тока с его последующим инвертированием. Разумеется, в звене постоянного тока могут присутствовать сглаживающие ёмкости, а в некоторых случаях - дроссель (на схемах не показаны). Источник работает по схеме 3:3 в любом режиме - при работе через инвертор (ре-жим on-line) и при работе на байпасе. По отношению к питающей сети работа в ре-жиме on-line является симметричной, тогда как работа на байпасе зависит от баланса нагрузок по фазам. Впрочем, сбалансированность нагрузок по фазам в первую очередь важна для рационального использования установленной мощности самого источника, а по отношению к питающей сети небаланс по фазам при работе на байпасе может проявить себя только при работе с ДГУ. Но в этом случае решающим будет не симметрия нагрузки, а её нелинейность.

В настоящее время для повышения эффективности (КПД) применяется комбинированная схема, суть функционирования которой заключается в следующем. Выделяется диапазон входного напряжения, как правило ±6... 10%, в котором ИБП работает в так называемом экономичном режиме (переходит на статический бай-пас), а при выходе входного напряжения из этого диапазона ИБП в течение 2...4 мс переходит в режим on-line. Созвучно с рекламным слоганом эту технологию можно характеризовать как «два в одном». При использовании ИБП в электросетях, имеющих показатели качества электроэнергии не ниже ГОСТ 13109-97, эта технология дает существенное снижение потерь электроэнергии за счет высокого коэффициента полезного действия в экономичном режиме. Все потери электроэнергии в этом режиме сводятся к потерям в проводниках и тиристорах статического байпаса. КПД при этом приближается к 98%.

Однако и у этой схемы имеются некоторые недостатки:

- при применении таких ИБП в качестве централизованных в двухуровневой схеме СБЭ диапазон напряжения, в котором осуществляется работа в экономичном режиме, должен быть меньше диапазона напряжения ИБП второго уровня до перехода на питание от батарей, чтобы не вызвать перехода ИБП второго уровня в автономный режим;

- при работе в экономичном режиме ИБП не защищает входную сеть от гармонических искажений тока, вызываемых нагрузкой с импульсными блоками питания. Как следствие, необходимо увеличение сечения нейтрального проводника на входе ИБП и значительное увеличение мощности ДГУ (по данным фирмы АРС, мощность ДГУ должна превышать расчетную мощность ИБП в 6...9 раз). При работе ИБП с ДГУ соизмеримой мощности следует средства-ми конфигурирования ИБП исключать экономичный режим работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      

 

 

 

 

 

 

 

 

       Заключение

 

Первое и самое главное назначение источника бесперебойного питания – обеспечить электропитание компьютерной системы или другого оборудования в то время, когда электрическая сеть по каким–то причинам не может это делать. Во время такого сбоя электрической сети ИБП питается сам и питает нагрузку за счет энергии, накопленной его аккумуляторной батареей. Каждый человек, сталкивающийся с компьютерами, рано или поздно узнает о великолепной идее бесперебойного питания компьютеров.

XXI век - век передовых технологий  и сложных устройств которые  работают благодаря электропитанию. Поэтому электрическое питание - это важная составляющая нашей  жизни, без которой труд человека  отнюдь не облегчится. На современном этапе развития источником бесперебойного питания называется система, предназначение которой является защита оборудования от резких перепадов и пропадания в электросети. Источник питания заботится о вашей бытовой технике - в момент выключения в результате пропадания напряжения в сети и стабилизирует напряжение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 Библиографический список

 

1. Авдеев В.Т. Функциональные устройства систем электропитания наземной РЭА[Текст] / В.В. Авдеев, В.Т. Костиков, А.М. Новожилов, В.И. Чистяков; Под ред. В.Г. Костикова. –М.: Радио и связь, 2000. –192 с.

          2. Головацкий В.А.Источники вторичного электропитания [Текст]/ В.А. Головацкий, Г.Н. Гулькович, Ю.И. Конев и др.; Под ред. Ю.И. Конева –М.: Радио и связь, 2000. –420 с.

3. Довнич В.И. Конструирование РЭА. Оценка и обеспечение тепловых  режимов[Текст]. Учеб. пособие / В. И. Довнич, Ю. Ф. Зиньковський. - К.: УМК ВО, 1990.

4. Костиков В.Г., Парфенов Е.М., Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование[Текст]: Учебник для вузов. – 2–е изд. –М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с.

5. Костиков В.Г., Никитин И.Е. Источники  электропитания высокого напряжения  РЭА.[Текст] –М.: Радио и связь, 2006. –200 с.

6. Найвельт Г.С. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры[Текст]: Справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; Под ред. Г.С. Найвельта. –М.: Радио и связь, 2005. –576 с.