Курсовая работа: Источник бесперебойного питания с двойным преобразованием

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

При напряжении U_п = 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

Производитель	Модель ИБП	Номинальная мощность, кВА	Статическая точность, %	Динамическая точность, %	Время восстановл., мс
Chloride	Synthesis Twin	6 – 20	±1	±5	5
Invensys	PW9120	1 – 3	±3	±7	н/д
	PW9150	8 – 15	±2	±5
Liebert	GXT	1 – 10	±3	±7	90
	Nfinity	4 – 16	±3	±7	96
	Hinet	10 – 30	±1	±5	30
Riello	MDM	10 – 20	±1	±5	10
Энергетические технологии	ДПК	1 – 3	±2	±5	10
		6; 10	±3	±7	20

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 ^o С). 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.

Перегрузочные способности ИБП являются одним из важных потребительских показателей, т.к. позволяют оптимально выбирать номинальную мощность ИБП при подключении нагрузок, обладающих большими пусковыми токами или при использовании ИБП в технологических процессах с кратковременными периодическими пиковыми нагрузками. В таблице №3 приведены характерные для современных ИБП малой и средней мощности перегрузочные показатели инвертора и режима Байпас.

3. Преобразователь DC/DC (ППН) в ИБП малой мощности обеспечивает повышение и стабилизацию напряжения аккумуляторной батареи (АБ) до уровня, необходимого для надежной работы инвертора в автономном режиме. Принципиальная схема ППН представляет собой двухтактный дифференциальный высокочастотный преобразователь на двух группах параллельно включенных силовых транзисторов и высокочастотном трансформаторе, мощность которого с учетом потерь в инверторе должна превышать выходную мощность ИБП. Транзисторы управляются сигналами (30 кГц) с микросхемы ШИМ контроллера типа UC3525, который в свою очередь получает сигналы разрешения работы с платы управления ИБП и сигнал о величине высоковольтного напряжения питания инвертора.

Таблица 2.Перегрузочные показатели ИБП

Производитель	Модель ИБП	Номинальная мощность, кВА	Инвертор		Байпас
			Перегрузка, %	Время перегрузки,с	Перегрузка, %	Время перегрузки, с
Invensys	PW9120	1 – 6	125	60	1000	0,02
			150	10
	PW9150	8 – 15	125	60
			150	10
Liebert	GXT	6 – 10	130	10	н/д	н/д
			200	0,16
	Nfinity	4 – 16	125	600
			150	20
			200	0,25
	Hinet	10 – 30	125	600	150	1800
			150	10	1000	0.1
			300	0,1
Riello	MDM	10 –20	125	600	н/д	н/д
			150	60
Энергетические технологии	ДПК	1 – 3	110	30	н/д	н/д
			130	10
			150	0,2
		6 – 10	130	600
			150	60

К дифференциальной выходной обмотке высокочастотного трансформатора подключены две группы диодов, обеспечивающие выпрямление и формирование на конденсаторах С1, С2 (рис. 6) высоковольтного напряжения постоянного тока +350, –350 В относительно общей шины для питания инвертора в автономном режиме работы ИБП.

4. Зарядное устройство (ЗУ) обеспечивает заряд АБ при работе ИБП в сетевом режиме. В качестве АБ используются последовательно включенные герметичные (необслуживаемые) свинцово–кислотные аккумуляторы. Максимальное выходное напряжение ЗУ устанавливается из условия 2, 3 В/ячейка. ЗУ в ИБП малой мощности получает питание непосредственно от сети через собственный выпрямительный мост и сглаживающую емкость. Кроме заряда батареи, ЗУ обеспечивает питание ВИП в сетевом режиме и питание обмотки управления реле К1 (рис. 6). Принципиальная схема ЗУ выполняется на однотактном высокочастотном преобразователе (30 кГц), содержащим силовой транзистор и высокочастотный трансформатор. Управление силовым транзистором осуществляется сигналом с микросхемы ШИМ контроллера типа UC3845.

В ИБП средней мощности основное зарядное устройство (ЗУ) подключено к шине стабильного высоковольтного напряжения постоянного тока и выполнено по схеме DC/DC преобразователя (рис. 5). ЗУ выполняется по схеме двухтактного дифференциального высокочастотного преобразователя с частотой коммутации силовых транзисторов 20–30 кГц. Использование стабильного высоковольтного напряжения 700–800 В с выходных шин ККМ позволяет получить высокий к.п.д. ЗУ. В ИБП мощностью 6 – 10 кВА такое зарядное устройство обеспечивает зарядный ток 3–4 А при номинальном напряжении АБ 240 В. При наличие дополнительной внешней аккумуляторной батареи (АБ) используется дополнительное зарядное устройство (ДЗУ), выполняемое по схеме AC/DC преобразователя и подключенное к сети.

5. Блок коммутации (Байпас) автоматически обеспечивает цепь подключения нагрузки непосредственно к сети при аномальных режимах работы ИБП (перегрузке, перегреве, выходе из строя одного из узлов ИБП). Двухпозиционное реле К2 в ИБП малой мощности (рис. 4) срабатывает от сигнала с платы управления и обеспечивает переключение выхода ИБП с инвертора на сеть (режим Байпас) и наоборот. Контакты входного реле К1 блока коммутации замыкаются при наличие напряжения с блока ЗУ при подключении ИБП к сети и сигнала разрешения от платы управления, который возникает, если подтверждается, что входное напряжение и другие системные параметры ИБП находятся в норме.

В ИБП средней мощности блок коммутации выполняется на тиристорах, осуществляющих по сигналу с платы управления переключение нагрузки с выхода инвертора на сеть и наоборот.

6. Вторичный источник питания (ВИП) формирует ряд низковольтных напряжений постоянного тока (5, 12, 15, 24 В) для обеспечения питанием различных цепей систем управления блоков силовой платы, питание платы управления и вентиляторов. Питание блока ВИП осуществляется от ЗУ при сетевом режиме или от батареи при автономном режиме.

Принципиальная схема ВИП выполняется на однотактном высокочастотном преобразователе. Выход из строя ВИП приводит к общей неисправности ИБП и переключение нагрузки на Байпас.

2.1 Системные показатели ИБП

В таблице №4 отражен ряд системных показателей ИБП малой мощности со средним временем резерва 6–8 мин. при 100% нагрузке за счет встроенных аккумуляторных батарей. Здесь приведены габариты корпусов ИБП, удельные мощности и энергетические показатели.

Удельная мощность определялась с учетом выходного коэффициента мощности K_pвых , номинальной выходной мощности S_вых и объема корпуса V:

(3)