Топологии источников бесперебойного питания переменного тока (ИБП)

В соответствии с международным стандартом IEC 62040-3 [1,2] современные ИБП разделяются на три основных типа:

• ИБП резервного типа - Passive Standby UPS (ранее назывался Off-Line UPS);
• ИБП линейно-интерактивного типа - Line-Interactive UPS;
• ИБП с двойным преобразованием энергии - Double-Conversion UPS (ранее назывался On-Line UPS).

Общая структура ИБП резервного типа, представленная на рисунке 1, содержит входной фильтр (ВФ), зарядное устройство (ЗУ), инвертор (ИНВ), аккумуляторную батарею (АБ), блок коммутации (БК), регулирующий стабилизатор (СТ).

Рис.1 Общая структура ИБП резервного типа

В наиболее простых и дешевых моделях ИБП резервного типа стабилизатор отсутствует. Инвертор подключен параллельно сетевому источнику и действует как источник резервного питания.

При наличие сетевого напряжения соответствующего качества нагрузка подключается коммутатором к сети через высокочастотный входной фильтр ВФ и стабилизатор СТ. В качестве последнего могут быть использованы феррорезонансный трансформатор или автотрансформатор с переключаемыми отводами обмотки [3] (см. рис.2), выполняющий функции дискретного регулятора (корректора) напряжения. Данная функция обеспечивает расширение диапазона входного напряжения, при котором не происходит переключение в аккумуляторный режим.

Рис.2 Подключение нагрузки к сети через автотрансформатор с переключаемыми отводами обмотки

При отклонении входного напряжения более допустимого или пропадании сети происходит переключение нагрузки на инвертор, выходное напряжение которого имеет прямоугольную форму с регулируемыми паузами между положительными и отрицательными импульсами (см. рис.3). Это обеспечивает стабилизацию действующего значения основной гармоники выходного напряжения (50 Гц) при изменении напряжения аккумуляторной батареи. Таким образом, ИБП резервного типа представляют собой комбинацию стабилизатора и инвертора, коммутируемых с помощью автомата ввода резерва (АВР).

Рис.3 Форма выходного напряжения инвертора ИБП резервного типа

Достоинства ИБП резервного типа:

• простота и дешевизна;
• высокий КПД в сетевом режиме.

Недостатки:

• конечное время переключения нагрузки с сети на инвертор и наоборот;
• несинусоидальное выходное напряжение в автономном режиме;
• ИБП не защищает нагрузку от недопустимых отклонений частоты и формы напряжения сети;
• возможно возникновение нежелательных переходных процессов выходного напряжения при переключениях с сети на инвертор и наоборот;
• нелинейная нагрузка с высоким крест-фактором вызывает искажения входного тока от синусоидальной формы и снижает входной коэффициент мощности.

Наиболее распространенный диапазон мощностей ИБП резервного типа: 250 - 1500 ВА.

На рисунке 4 приведена структура линейно-интерактивного ИБП. Здесь, в отличие от резервных ИБП, присутствует двунаправленный преобразователь напряжения (ДПН), выполняющий как функцию инвертора, так и функцию зарядного устройства. При наличии сети ДПН работает как выпрямитель и осуществляет заряд АБ. Благодаря двунаправленному действию и синусоидальной форме напряжения, формируемого в режиме инвертора, ДПН взаимодействует с сетевым источником, т.е. имеет интерактивное включение.

Рис.4 Структура линейно-интерактивного ИБП

Как и для резервных ИБП, в данном случае в качестве стабилизирующего узла для расширения диапазона входного напряжения без перехода на автономный режим обычно используется дискретный корректор напряжения. В сетевом режиме ИБП возможна дополнительная стабилизация выходного напряжения путем добавки или вычитания выходного напряжения ДПН. Такой принцип стабилизации получил название "Дельта-преобразование" и используется многими производителями ИБП [4].

Достоинства ИБП линейно-интерактивного типа (в отличие от резервных ИБП):

• синусоидальная форма выходного напряжения в автономном режиме;
• совмещение функций ЗУ и ИНВ в одном узле.

Остальные недостатки, присущие резервным ИБП, распространяются и на ИБП линейно-интерактивного типа. На наш взгляд, блок коммутации является наиболее ответственным местом данных ИБП, поскольку именно от его работы зависит обеспечение надежности всего ИБП. Это связано с тем, что при переходе ИБП в автономный режим этот блок должен обеспечивать четкое рассоединение инвертора и сетевого источника, обладающего малым внутренним сопротивлением. В противном случае инвертор оказывается замкнутым накоротко и выходит из строя.

Топология ИБП с двойным преобразованием энергии в общем виде приведена на рисунке 5. По этой топологии инвертор включен последовательно в цепи сетевой источник - нагрузка. При наличие сетевого напряжения в допустимых пределах (величина, частота, искажение синусоидальной формы) питание нагрузки происходит по цепи выпрямитель - инвертор, где происходит преобразование напряжения переменного тока в постоянный и наоборот, т.е. двойное преобразование энергии. В режиме перегрузки или выхода из строя какого-либо узла двойного преобразования нагрузка переключается напрямую к сети через блок коммутации цепи автоматического шунтирования (BYPASS). При пропадании сети или ее недопустимых отклонениях ИБП мгновенно переходит в автономный режим питания нагрузки энергией аккумуляторной батареи. В сетевом режиме выпрямитель выполняет также функцию зарядного устройства батареи. Выпрямитель может выполняться управляемым (на тиристорах или IGBT транзисторах) или неуправляемым (на диодах). Инверторы ИБП с двойным преобразованием энергии выполняются на IGBT транзисторах, коммутируемых с частотой 10 - 50 кГц, и формирующих с помощью выходного фильтра синусоидальное напряжение 50 Гц.

Рис.5 Топология ИБП с двойным преобразованием энергии

По рассмотренной топологии выполняются ИБП средней и большой мощности (более 30 кВА), имеющие номинальные значения напряжения батареи в пределах 360 - 384 В. ИБП меньшей мощности используются определенные разновидности основной топологии двойного преобразования - за счет дополнительных силовых блоков преобразования (см. рис. 6, 7).

Рис.6 Структура ИБП с двойным преобразованием и корректором коэффициента мощности для однофазных ИБП малой мощности

Рис.7 Структура ИБП с двойным преобразованием и корректором коэффициента мощности для одно- и трехфазных ИБП средней мощности

Структура на рисунке 6 используется для однофазных ИБП мощностью до 3 кВА и содержит блок корректора коэффициента мощности, совмещенный с неуправляемым выпрямителем (ККМ-В), блок зарядного устройства (ЗУ), преобразователь постоянного напряжения (ППН). Функциональное назначение этих блоков следующее:

• ККМ-В обеспечивает преобразование напряжения сети переменного тока в стабильное напряжение постоянного тока. Этим достигается практически синусоидальная форма тока, потребляемого из сети, что позволяет иметь входной коэффициент мощности близким к единице;
• ЗУ формирует необходимую величину напряжения заряда аккумуляторной батареи, номинальное значение напряжения которой выбирается, в зависимости от мощности ИБП, от 36 до 96 В;
• ППН обеспечивает согласование напряжения батареи с высоковольтным напряжением питания инвертора и рассчитан на максимальную мощность нагрузки.

Структура на рисунке 7 используется как для однофазных, так и для трехфазных ИБП мощностью 6 - 30 кВА. Здесь ППН выполняет как функцию ККМ, так и функцию стабилизатора напряжения питания инвертора. Номинальное значение напряжения батареи выбирается в пределах 120 - 288 В. Вход ЗУ может питаться как сетевым напряжением, так и стабильным постоянным напряжением с выхода ППН.

Основные достоинства ИБП с двойным преобразованием энергии:

• обеспечение высокой точности стабилизации синусоидального выходного напряжения в сетевом и автономном режимах;
• обеспечение стабильной частоты выходного напряжения при отклонениях частоты сети;
• отсутствие переходных процессов при переключениях с сетевого режима на автономный и наоборот;
• возможность исключить влияние нелинейной нагрузки с высоким крест-фактором на форму входного тока;
• повышение надежности системы по обеспечению бесперебойного питания нагрузки за счет автоматического шунтирования.

Климов В.П., Портнов А.А., Зуенко В.В.

Литература.

1. IEC 62040-3 (1999-03) Uninterruptible power systems (UPS) - part 3: Method of specifying the performance and test requirements
2. UPS topologies and standards, MGE UPS Systems, MGE 0248 UK1-11/99.
3. Вагапов Ю.Ф., Белянин И.В.,Шахов А.В. О стандарте МЭК на агрегаты бесперебойного питания, Электротехника, №3, 2000г.
4. Дельта-преобразование: ИБП, дружественный к электросети, Connect, №11, 2000г.

Статья опубликована в журнале "Электронные компоненты" N7 за 2003 год.