Системы бесперебойного электропитания

Системы бесперебойного электропитания делятся по форме выходного напряжения:

Устройства бесперебойного питания (УБП) постоянного тока на 24 В, 48 В, 60 В.

Источники бесперебойного питания (ИБП) переменного тока 220 В, 230 В, 240 В, 50 Гц.

В зарубежной литературе принято обозначение UPS (uninterrupting power system).

В настоящее время применяются три типа архитектуры построения систем электропитания (СЭП): централизованная, децентрализованная и смешанная.

В централизованной системе электропитания создается единый комплекс, который обеспечивает гарантированное электропитание для наиболее важных устройств. Остальное оборудование, менее зависящее от неполадок в сети, питается непосредственно от сети. Для гарантированного электропитания используется дизель-генераторы (ДГ), аккумуляторные батареи (АБ), резервные модули. Централизованные ИБП переменного тока с модульной архитектурой обеспечивают мощность от 7,5 до 500 кВт. Применяются в банках, крупных фирмах.

Преимущества - более низкая стоимость оборудования и эксплуатации. Недостатки - необходимость создания двух сетей: гарантированного и негарантированного электропитания; для установки мощных ИБП требуются отдельные помещения; возможна паразитная связь отдельных устройств через общий ИБП. .

В децентрализованной системе электропитания каждое устройство снабжается энергией от своего ИБП.

Применяется на мощности от 250 Вт до 6 кВт.

Недостаток – большая стоимость и низкая эффективность, так как каждый ИБП рассчитывается на пиковую мощность, в 4-5 раз превышающую среднюю. Общая стоимость их значительно выше, чем одного в централизованной системе. Рекомендуется для организации, не имеющих постоянного расположения аппаратуры, с удаленными пользователями.

Достоинство – меньшая паразитная связь пользователей.

На практике наибольшее распространение получили смешанные системы, занимающие промежуточное положение между двумя основными. В состав такой СЭП входит один централизованный ЦИБП, используемый для защиты основной части нагрузки, и нескольких маломощных ИБП, устанавливаемых в особо ответственных местах. Позволяет наиболее эффективно использовать мощность ЦИБП и батарей, и распределять энергию по потребителям без переделки структуры СЭП.

ИБП переменного тока:

Существует три разновидности:

1) Резервные (off-line или standby);

2) Интерактивные (line-interactive);

3) Постоянно включенные (on-line);

Структурная схема ИБП резервного типа изображена на рис. 2.6.9.

Рис. 2.6.9

ФРП - фильтр радиопомех; БВ – буферный выпрямитель.

В нормальном режиме питание нагрузки осуществляется напрямую от электросети через фильтр подавления помех ФРП. В это время аккумуляторная батарея заряжается (или подзаряжается) через буферный выпрямитель (БВ). В случае пропадания напряжения в электросети переключение в режим резервного питания от АБ осуществляется автоматически.

Достоинство – простота реализации, невысокая стоимость.

Недостаток – задержка при переходе на батарейное питание. Применяются на мощности P=0.25-2 кВт для гарантированного электропитания серверов, маршрутизаторов. При частом переключении аккумуляторные батареи не успевают подзаряжаться и срок службы батарей снижается.

Линейно-интерактивные появились для снижения частоты перехода на питание от аккумуляторных батарей за счет включения дополнительного стабилизатора переменного напряжения.

Рис. 2.6.10

Они позволяют ИБП при кратковременных “провалах” напряжения не переходить на питание от аккумуляторов, а “вытягивать” уровень U_вых за счет усиления входного напряжения. Различают два вида таких ИБП – со ступенчатой формой аппроксимации sin напряжений и с непрерывным гармоническим колебанием (чистая синусоида).

Регулировка U_вх осуществляется либо с помощью автотрансформатора с переключаемыми отводами или феррорезонансных стабилизаторов.

Схемы управления анализирует U_вх и, если оно выходит за допустимые пределы, предпринимается попытка скомпенсировать его, например переключая отводы автотрансформатора (рис. 2.6.11). Резервная батарея подключается лишь в том случае, когда U_вх больше (или меньше) 220 В на 20 %. Автотрансформатор выполняет роль дополнительного сетевого фильтра, подавляющего импульсные и ВЧ помехи.

Достоинство – реже переход на аварийный режим, больше срок службы АБ.

Недостаток – задержка при переключении на резерв. Применяются на мощности P= 0,3 - 10 кВА.

Резерв часто бывает обратимый, то есть в нормальном режиме работы на заряд батарей, а в аварийном на разряд.

Другая разновидность Line interactive - c феррорезонансным стабилизатором (ФСН) изображена на рис. 2.6.11.

Рис. 2.6.11

Еще одной разновидностью Line interactive являются гибридные схемы (рис. 2.6.12). U_п = 280-300 В, инвертор 2 повышает напряжение АБ до U_посновного инвертора. Может быть “горячий” и “холодный” резерв.

Рис. 2.6.12

Четвертой разновидностью Line interactive является ИБП с дельта преобразованием, изображенная на рис. 2.6.13.

Рис. 2.6.13

В нормальном режиме нагрузка связана с внешней электрической сетью через трансформатор (Т). В ИБП с дельта-преобразованием он имеет дополнительную обмотку, на которую с дельта-инвертора подключается корректирующее напряжение, пропорциональное отклонениям входного напряжения от sin формы, но противоположное по фазе. Таким образом восстанавливается sin форма и устраняется фазовый сдвиг между током и напряжениям.

Структурная схема ИБП постоянно-включенного или с двойным преобразованием приведена на рис. 2.6.14.

Рис. 2.6.14.

Инвертор работает постоянно и непрерывно синхронизируется с основной сетью, что обеспечивает мгновенный переход на резервное питание без скачков фазы и искажения формы выходного напряжения.

Для повышения надежности предусмотрен режим bypass, позволяющий замкнуть вход ИБП через ФРП с выходом (при перегрузке или возникновении неисправности в БВ или инверторе, а также при и заряде батарей).

Недостатки - более высокие сложность и стоимость, более низкий КПД. Выполняются на мощности от 3 до 5000 кВА.

Достоинства - выше качество электроэнергии, возможно параллельное соединения для наращивания мощности.

Обязательным элементом схемы ИБП большой и средней мощности является байпас (bypass)- устройство обходного пути (рис. 2.6.15).

Рис. 2.6.15

Оно предназначено для непосредственной связи входа и выхода ИБП, минуя схему резервирования.

Байпас позволяет осуществить следующие функции:

- включение/отключение ИБП при проведении ремонтов и регулировок без отключения питания электроприемников;

- перевод нагрузки с инвертора на байпас при возникновении перегрузок и коротких замыканий на выходе ИБП;

- перевод нагрузки с инвертора на байпас при удовлетворительном качестве электроэнергии с целью снижения потерь в ИБП;

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

Статический байпас - тиристорный ключ, состоящий из встречно-параллельно включенных тиристоров, управление которым осуществляется от системы управления ИБП. Напряжение инвертора синхронизировано с напряжениям на входе цепи байпаса и с импульсным управлением., что позволяет произвести перевод нагрузки с инвертора на байпас и обратно “без разрыва синусоиды”.

Ручной байпас представляет собой механический выключатель, шунтирующий статический байпас. 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.

Инвертор входит в состав всех типов ИБП. Он преобразует постоянное напряжение АБ в переменное 220/380 В. Часто он может выполнять также роль зарядного устройства. В зависимости от модели ИБП инвертор формирует напряжение различной формы. Самые простые вырабатывают напряжение прямоугольной формы с бестоковыми паузами (рис. 2.6.16, а). Более совершенные схемы инверторов позволяют формировать напряжение, близкое к синусоиде, так называемое ступенчатое квазисинусоидное напряжение (рис. 2.6.16, б). Такую форму имеет выходное напряжения инвертора ИАТ 1000-2 (Р = 1000 ВА). Оно формируется путем сложения сигналов U1, U2, U3 и т.д., вырабатываемых однотипными модулями, соединенными по выходу последовательно. Коэффициент нелинейных искажений этого инвертора КНИ=10 %.

Рис. 2.6.16

Более совершенные инверторы формируют напряжение синусоидальной формы с низким содержанием гармоник с КНИ < 3%. Для этого используется метод ШИМ (рис. 2.6.16, в).

Путем регулирования относительной длительности импульсов , где - период несущей частоты, можно поддерживать стабильным действующее значение напряжения U. А изменяя g по программе , можно формировать напряжение

.

Применение ШИМ позволяет реализовать быстродействующую систему регулирования напряжения, так как время задержки воздействия сигнала со схемы управления на силовые транзисторы инвертора близко к , а

.

Заключение

Наиболее перспективным направлением усовершенствования средств вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры является повышение частоты преобразования электрической энергии. В настоящее время реализованы источники с частотой преобразования порядка единиц мегагерц. Однако их широкое применение и дальнейшее развитие ограничиваются рядом технологических трудностей и несовершенством элементной базы.

Более быстродействующими должны быть транзисторы и выпрямительные диоды высокочастотных преобразователей. В этом плане перспективными оказываются полевые транзисторы с малым падением напряжения сток — исток в открытом состоянии.

Диоды с барьером Шотки по своему быстродействию удовлетворяют условиям работы в высокочастотных источниках, но из-за небольшого допустимого обратного напряжения они используются только в низковольтных выпрямителях. Современные высоковольтные диоды имеют время восстановления обратного сопротивления порядка 0,5-1,0 мкс, что ограничивает возможные значения частоты преобразования в высоковольтных источниках десятками килогерц.

Значительному ускорению разработок новых источников электропитания способствует применение ЭВМ при их проектировании.

В последнее время появились программы, позволяющие моделировать как нормальные, так и аварийные процессы в функциональных узлах источников, а также проектировать ИВЭП.