Прецизионный стабилизатор напряжения с двойным преобразованием энергии серии СДП



Главной задачей источника бесперебойного питания 220 В, 50 Гц является поддержание стабильного напряжения во время перебоев в сети по амплитуде и частоте в определенном диапазоне. Специалисты группы компаний «РУСЭЛТ» разработали новую модель однофазного стабилизатора напряжения мощностью 1–3 кВА на основе двойного преобразования энергии. Данный источник с двойным преобразованием обеспечивает высокое качество стабилизации.

От других типов стабилизаторов ИПБ двойного преобразования отличается высоким значением коэффициента стабилизации, непрерывностью регулирования с малым временем реакции, широким диапазоном допустимого изменения напряжения в сети, высоким качеством выходного напряжения при больших искажениях входного напряжения, эффективной фильтрацией сетевых помех, отсутствием эмиссии высокочастотных гармоник тока в сеть при работе на нелинейную нагрузку.

Структура и принцип работы источника бесперебойного питания.

Принцип действия ИПБ аналогичен работе стабилизатора в сетевом режиме и основывается на использовании двойного преобразования энергии. Источник с двойным преобразованием состоит из нескольких блоков: входного фильтра (ВФ), корректора коэффициента мощности — выпрямителя (ККМ-В), вторичного источника питания (ВИП) и блока микроконтроллерного управления (БМКУ) (рис. 1).

блок микроконтроллерного управления (БМКУ)

Данные блоки выполняют следующие задачи:

• Входной сетевой фильтр (ВФ) подавляет выброс напряжения во время переходных процессов в сети и фильтрует высокочастотные помехи.

• Корректор коэффициента мощности — выпрямитель преобразовывают напряжение сети переменного тока в стабилизованное напряжение постоянного тока.

• Вторичный источник питания (ВИП) служит для обеспечения напряжением постоянного тока узлы и блоки СДП.

• Блок микроконтроллерного управления (БМКУ) создает нужный алгоритм работы cиловых блоков СДП, выполняет тестирование и мониторинг состояния сети и нагрузки.

В свою очередь блок микроконтроллерного управления делится на следующие функциональные узлы:

-МК – центральный микроконтроллер;
- узел, формирующий ШИМ-сигналы для управления силовыми транзисторами инвертора;
- узел, согласующий входные, выходные сигналы и сигналы индикации;
- узел, формирующий сигналы по интерфейсу RS 232;
- вспомогательный источник питания цепей БКМУ.

В качестве центрального микроконтроллера в ИПБ двойного преобразования используется МК типа MC68НС908MR32 (Motorola). На его входы поступают аналоговые и цифровые сигналы измерения электрических параметров системы и состояния узлов СДП.

Центральный микроконтроллер выполняет следующие функции:

• обрабатывает аналоговый и цифровой сигналы, получая информацию о состоянии силовых блоков и режимах их работы;


• формирует сигналы управления силовыми блоками;


• формирует сигналы информации о состоянии системы на плату дисплея и RS-порт.

На рис. 2 показана схема работы силовой цепи ИПБ двойного преобразования.

функциональная схема силовой цепи стабилизатора

ККМ высокой частоты изготавливается так же, как и повышающий преобразователь с диодным мостовым ключом и дифференциальным выходом. Силовой дроссель L1 включается во входную цепь переменного тока [3].


Силовой транзистор ККМ VT1 управляется при помощи сигнала, имеющего широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). ШИМ-сигнал частотой 30 кГц формируется специальной микросхемой ККМ-контроллера типа UC 3854. На его входы поступают пропорциональные входному напряжению, входному току и напряжению на выходе ККМ сигналы. Кроме того, на ККМ-контрллер поступает и сигнал управления (вкл/выкл) от центрального микроконтроллера БМКУ.

ШИМ-сигналы имеют различную скважность на каждом полупериоде сетевого напряжения. Это позволяет формировать входной ток нужной формы и стабилизировать выходное напряжение. В дросселе L1 накапливается электромагнитная энергия, а затем она через диоды VD5, VD6 (рис. 2) поступает в накопительные конденсаторы C1. Благодаря этому ККМ обеспечивает форму входного тока, близкую к синусоидальной, и по фазе совпадающую со входным напряжением (рис. 3).

ШИМ-сигнал поступает с контроллера на затвор IGBT-транзистора VT1 через узел сопряжения, который обеспечивает необходимое усиление сигнала, гальваническую развязку цепи управления и силовой цепи транзистора. Высоковольтное стабилизированное постоянное напряжение для питания инвертора Uп = 760 В (±380 В) формируется на накопительных конденсаторах шины постоянного тока С1. При этом величина емкости С1 рассчитывается так: 470 мкФ на 1 кВА выходной мощности инвертора – таким образом обеспечивается достаточно энергии питания инвертора во время скачков в сети.

график

Блок инвертора выполнен по полумостовой бестрансформаторной схеме на IGBTтранзисторах VT2, VT3 (рис. 2). Управление транзисторов происходит при помощи высокочастотных (19,2 кГц) ШИМ-сигналов, которые поступают с блока управления через оптопары (TLP 250). Из высокочастотных ШИМ-сигналов при помощи выходного фильтра L2, С2 формируется синусоидальное выходное напряжение. [4].

Конструктивное исполнение ИПБ двойного преобразования

внешний вид стабилизатора телекоммуникационного исполнения

Источник с двойным преобразованием может быть представлен в трех модификациях: мини-тауэр, 19- дюймовый, который размещается в телекоммуникационной стойке или шкафу, и настенный. Рис. 4 показывает, как выглядит ИПБ двойного преобразования для размещения в телекоммуникационной стойке. Он представляет собой прямоугольник с металлическим корпусом высотой 2U (88 мм), верхняя крышка которого снимается. Кроме того, у данного вида источника с двойным преобразованием имеются дополнительные уголки для крепления к профилю стойки. Силовые блоки данного стабилизатора охлаждаются в принудительном режиме, с помощью двух вентиляторов.

Передняя панель ИПБ оснащена светодиодным дисплеем, на котором отражаются режим работы стабилизатора и его состояние. Светодиоды зеленого цвета срабатывают при сетевом напряжении в пределах допустимого отклонения – они указывают на наличие входного и выходного напряжения и работу инвертора. Кроме того, зеленые светодиоды

указывают приблизительное значение нагрузки СДП с шагом в 25%. Желтый светодиод зажигается при перегрузке СДП, а красный означает аварийную ситуацию.

Статические характеристики ИПБ двойного преобразования

• Статическая точность – ±1%. Широтно-импульсная модуляция сигналов управления транзисторами инвертора происходит в соответствие с синусоидальным законом. Вместе с быстродействующей системой управления инвертором она обеспечивает высокую точность поддержания выходного напряжения.
• Диапазон входного напряжения, являющийся максимально допустимым для работы источника с двойным преобразованием, зависит от величины нагрузки и составляет:
– 160–290 В при нагрузке >75% (до 100%);
– 130–290 В при нагрузке >50% (до 75%);
– 110–290 В при нагрузке<50%.
Источник с двойным преобразованием имеет гистерезис по автоматическому включению стабилизатора после восстановления входного напряжения 10 В.
• Отклонение частоты входного напряжения, являющееся максимально допустимым, равно 45–55 Гц при условии обеспечения точности поддержания частоты выходного напряжения 50 Гц ±0,5%.
• Входной коэффициент мощности равен 0,98. Данное значение обеспечивает ККМ формой входного тока, которая близка к синусоидальной и совпадает по фазе со входным напряжением.
• Выходной коэффициент мощности составляет 0,7. Данное значение соответствует номинальной активной мощности на выходе стабилизатора: 700 Вт — для СДП 1 кВА; 1400 Вт — для СДП 2 кВА; 2100 Вт — для СДП 3 кВА.
• Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения имеет следующие значения: при линейной нагрузке не более 3%; при нелинейной нагрузке не более 5%.

Если входное напряжение имеет существенно несинусоидальную форму (коэффициент искажения 36–41%), то выходное напряжение СДП будет иметь синусоидальную форму с коэффициентом, равным 1–2%. Данное обстоятельство важно учитывать, если СДП питается от дизель-генераторной установки (ДГУ) небольшой мощности, и если напряжение ДГУ имеет значительные искажения от синусоидальной формы.

• Максимально допустимый коэффициент колебаний тока нагрузки имеет значение 3/1, тем самым обеспечивается возможность использования СДП во время существенно нелинейных нагрузок.
• Эффективность источника с двойным преобразованием: при нагрузке в 100% КПД прибора составляет не менее 90%; потери на холостом ходу равны 30 Вт для СДП 1 кВА и 45 Вт для СДП 2, 3 кВА.

Динамические характеристики источника с двойным преобразованием.

Исследования работы стабилизатора, которые проводились во время скачков входного напряжения, показали, что именно СДП обеспечивает почти мгновенную реакцию на перепады напряжения, при этом стабильность выходного напряжения остается
в пределах статической точности ±1%. В случае если произошел скачок линейной нагрузки до 100%, выходное напряжение снижается на 3,5% от величины установившегося значения. До исходного уровня напряжение восстанавливается за

60 мс. Если произошел скачкообразный сброс 100% линейной нагрузки, то выходное напряжение увеличивается на 4%. Напряжение возвращается к ранее установленному значению за 100 мс (рис. 5).

процесс сброса нагрузки

ИПБ двойного преобразования: способность выдерживать перегрузки и электронная защита.
У современных инверторов на IGBT-транзисторах с ШИМ-регулированием достаточно высокие перегрузочные характеристики и значения токов короткого замыкания – они могут достигать 200% номинального выходного тока. Если перегрузка не превышает

105% номинальной мощности, то СДП может работать в инверторном режиме довольно долго. Чтобы разбираться в перегрузочных свойствах СДП, нужно изучить вопрос ограничения тока инвертора в режиме перегрузки. Так, если ток нагрузки превышает номинальное значение, инвертор переходит в режим генератора тока, при этом он ограничивает максимальное значение тока на определенной величине Iогр.

график 2 Для того, чтобы искажение синусоидальности выходного напряжения не превышало 5%, порог ограничения максимального значения выходного тока должен быть в 1,5 раза больше амплитудной величины номинального тока инвертора при линейной нагрузке. Рис. 6 показывает осциллограмму тока короткого замыкания на выходе стабилизатора. Во время короткого замыкания защита инвертора сработает через 0,12 с.

Термозащита силовых транзисторов происходит с помощью сигнала, поступающего с релейного температурного датчика (+80 °С). После поступления сигнала на МК блока управления, МК просчитывает время работы транзистора до полного перегрева и подает сигнал на отключение инвертора. После чего МК рассчитывает время, за которое транзисторы охладятся, тем самым не допуская включения инвертора сразу после того, как первая перегрузка закончится. Если нагрузка остается 110–120% от номинальной, то после того как МК закончит расчет времени охлаждения, раздается сигнал на вторичное отключение инвертора и т. д. Если перегрузка значительная, то через 0,2 с МК подаст сигнал отключения. В этом случае инвертор включится только после того, как перегрузка закончится.

← Назад к списку новостей

Регистрация продукции
Сертификаты
Каталоги
Видео
Фотогаллерея
Презентации