Функциональные схемы ИБП

Для рассмотрения принципов работы и построения функциональных узлов рассмотрим варианты блок-схем ИБП типа on-line by-pass, поскольку именно такие ИБП имеют наилучшие показатели надежности и живучести. Первый вариант (соответствует источнику типа NetPro производства IMV) приведен на схеме рис. 7.6. Здесь, так же как и в предыдущих схемах, утолщенными линиями показано направление передачи энергии в основ­ном режиме работы ИБП.

Установленные во входной и выходной цепях фильтры предназначены для подавления высокочастотных помех и импульсов перенапряжения длительностью в единицы микросекунд и менее. В некоторых случаях состав этих фильтров входят ограничители напряжения, позволяющие выполнять ограничение амплитуды импульсных помех существенно большей длительности. Трансформатор TV служит для обеспечения гальва­нической развязки напряжений, действующих в схеме, от напряжения Е_с. Коэффициент трансформации TV равен единице, так как его выходное напряжение в режиме работы by-pass равно напряжению U_H. Цепь передачи энергии by-pass включается контактом S только при отсутствии выходного напряжения U_Hи при наличии напряжения сети Е_с, т. е. при отказе канала автономной передачи энергии через инвертор схемы ИБП. Выпрямитель, подключенный ко вторичной обмотке ТV, обычно выполняется в виде мостового выпрямителя с емкостным сглаживающим фильтром.

Рис. 7.6. Первый вариант блок-схемы ИБП типа on-line by-pass

Импульсный преобразователь ИПН служит для преобразования постоянного выходного напряжения выпрямителя в постоянное, являющееся входным для регулируемо­го инвертора, преобразующего постоянное напряжение в переменное U_Н = 220 В, 50 Гц.

С целью повышения КПД импульсного преобразователя постоянного напряжения (ИПН) его электропитание осуществляется от относительно высокого напряжения, равного выпрямленному напряжению Е. Однако применять аккумуляторы, которые осуществляют электропитание ИПН при снижении качества напряжения сети Е_с, на это же высокое напряжение нерационально по экономическим соображениям. Поэтому на выходе аккумуляторов включен умножитель напряжения, в качестве которого используется ИСН повышающего типа, его принципы изложены в гл. 4 (см. рис. 4.6) [1]. Зарядное устройство аккумуляторов работает от постоянного напряжения с выхода ИПН. Это отличает рассматриваемую блок-схему от структурной схемы рис. 7.3 и 7.4. Обычно в качестве зарядного устройства применяется ИСН понижающего типа (гл. 4, рис. 4.5[1 ]).

Инвертор представляет собой двухтактный мостовой или полумостовой импульсный преобразователь напряжения. Для получения синусоидального переменного напряжения из прямоугольного служат выходные CLC фильтры [1], выделяющие первую гармонику напряжения 50 Гц. Регулирование величины выходного напряжения инвертора тран­зисторы осуществляется при помощи ШИМ контроллера. Применение высокочастотных методов преобразования позволяет увеличить эффективную амплитуду основной гармоники выходного напряжения и снизить уровень более высокочастотных гармоник.

Управление переключением режимов работы ИБП и работой функциональных узлов осуществляется при помощи микропроцессора. Для выдачи сигналов диагностики и дистанционного управления в ИБП имеется разъем стандартного интерфейса типа RS-232. На передней панели устанавливаются светодиодные устройства индикации режимов работы и диагностики. Кроме того, возникновение аварийных ситуаций и изменений режимов работы ИБП вызывает появление предусмотренных звуковых сигналов тревоги. В наиболее современных моделях ИБП имеется программный режим самотестирования, в течение которого нагрузка питается от аккумуляторов. При успешном выполнении программы самотестирования источник переходит в режим работы от сети. Обычно самотестирование выполняется автоматически при включении, а также через каждые две недели.

Второй вариант ИБП on-line by-pass (соответствует ИБП серии OMNI компании TRIPP LITE) показан на блок-схеме рис. 7.7. Его основное отличие от предыдущих (рис. 7.6) заключается в том, что при возник­новении отклонений напряжения сети Е свыше допустимых норм происходит переключение отводов первичной обмотки w j, благодаря чему напряжение на входе инвертора приводится к заданным нормам. Здесь заряд аккумуляторов производится устройством, подключенным к одной из вторичных обмоток трансформатора TV. Зарядное устройство, в отличие от предыдущей схемы ИБП, питается от переменного напряжения одной из вторичных обмоток трансформатора TV и реализуется различ­ными и довольно простыми схемотехническими решениями. Схема управления реализована на специализированных микроконтроллерах. В остальном функциональные узлы ИБП не отличаются от рассмотренных в предыдущей схеме рис.7.6.

Рис.7.7. Второй вариант блок-схемы ИБП типа on-line by-pass

Практически все выпрямители переменного напряжения, которые используются в ИБП, имеют на своем выходе конденсаторный сглаживающий фильтр. Ток, потребляемый подобным выпрямителем, имеет существенно нелинейную импульсную форму [1, 2]. Это приводит к появлению значительной по величине реактивной составляющей полной мощности потерь, потребляемой ИБП от сети переменного напря­жения Е_с. В этом случае, даже если к выходу выпрямителя подключена активная нагрузка, коэффициент мощности ИБП уменьшается до значений cos j = 0,5...0,6, в то время как для реальной активной нагрузки он составляет 0,96...0,99. Это вызывает дополнительную нагрузку на сеть переменного напряжения Е_с, увеличивает энергопотребление ИБП и является его недостатком.

С целью устранения этого недостатка разработан ряд международных стандартов, в которых оговаривается требование введения в источники электропитания с потребляемой мощностью свыше 300 В-А, имеющих на входе выпрямитель с конденсаторным фильтром, специальных устройств корректоров мощности искажений (КМИ), предназначенных для увеличения коэффициента мощности cosj . Функциональное назначение КМИ заключается в том, что импульсная форма тока, потребляемого ИБП, преобразуется в синусоидальную. Это определяет включение КМИ на входе ИБП. Вместе с этим если мощность, потребляемая аппаратурой вычислительной техники превышает 300 ВА, то на входе источников ее электропитания также необходимо устанавливать КМИ. Таким образом, КМИ является функциональным узлом, который должен использоваться во многих источниках электропитания, имеющих входной выпрямитель с конденсаторным сглаживающим фильтром.

Принципиальная схема КМИ и упрощенные временные диаграммы его работы приведены на рис. 7.8, а, б. По существу происходящих в схеме процессов КМИ является повышающим импульсным стабили­затором постоянного напряжения.

Транзистор VT (см. схему рис.7.8, а) работает в импульсном режиме с высокой частотой преобразования f_пр , во много раз превышающей низ­кую частоту f_C переменного напряжения сети Е_с. В современных КМИ частота f_п равняется нескольким десяткам килогерц и используется в основном модуляция типа ШИМ. В этом случае можно считать, что за время периода Т =1/ f_пр изменения напряжения Е_с на входе КМИ будут пренебрежимо малы. На интервале открытого, состоянии VT электро­магнитная энергия тока выпрямителя, представляющего собой низко­частотную однополярную несглаженную полусинусоиду, накапливается в дросселе L. После запирания VT эта энергия вместе с энергией первичного источника Е_с передается в нагрузку Е_п. Функционирование КМИ обеспечивается только при ненулевых начальных условиях протекания импульсных токов через дроссель L.

Рис.7.8. Принципиальная схема корректора мощности искажений

Временные диаграммы рис.7.8, б показывают, что на протяжении полупериода Т= 1/f_с переменного напряжения сети Е_C происходят следующие процессы работы устройства. В начале показанного полу­периода, когда мгновенные значения переменного напряжения сети Е_C малы, длительность закрытого состояния транзистора VT относительно велика. По мере увеличения мгновенных значений напряжения сети Е_с длительность импульса r_rj уменьшается, достигая минимума при напряжении, равном

Е_{с макс}. Далее, по мере уменьшения мгновенных значений напряжения сети E_с, происходят обратные процессы.

Следовательно, по мере увеличения мгновенных значений переменного напряжения сети происходит уменьшение интервалов времени, когда выход выпрямителя VD_B подключается к выходу E_п, а при уменьшении длительность этих интервалов увеличивается. Если закон изменения временных параметров импульсов, управляющих работой транзистора VT, будет иметь синусоидальный характер вида

(7.1)

где - скважность управляющих импульсов.

В этом случае форма тока, потребляемого КМИ, будет синусоидальной, что показано на эпюре тока i_д, протекающего через диод VD временных диаграмм рис. 5.8, б. Конденсатор С схемы рис. 5.8, а предназначен для сглаживания высо­кочастотных пульсаций» обусловленных импульсной работой КМИ (час­тота f_пр ), и не влияет на низкочастотные процессы (частота f_с) работы устройства.