Трехфазные ИБП: схемотехника и технические характеристики

Настоящая статья является продолжением цикла публикаций о системах бесперебойного питания переменного тока (ЭК №7 2003, №4 2004, №6 2004). Рассматриваются особенности построения и схемотехнические решения трехфазных ИБП. Приводятся технические характеристики ИБП ряда известных мировых производителей.

Источники бесперебойного питания (ИБП) предназначены для защиты электрооборудования пользователя от нештатных ситуаций, возникающих в питающей сети, включая искажение или пропадание напряжения, а также для подавления импульсных помех. Разнообразные топологии ИБП были рассмотрены в работе [1].

Наиболее распространены ИБП с двойным преобразованием энергии, обеспечивающие переход с сетевого режима на автономный (питание нагрузки энергией аккумуляторной батареи) без прерывания питания. Такие ИБП обеспечивают синусоидальную форму и симметрию трехфазного выходного напряжения, и обычно используются в приложениях, предъявляющих повышенные требования к качеству электропитания.

Вопросам проектирования и исследования трехфазных ИБП посвящен ряд публикаций, например [2, 3], рассматривающих, в основном, классическую структуру построения ИБП с двойным преобразованием энергии. Появление новых электронных компонентов, привело к появлению новых технологий построения ИБП. Варианты схемотехнических решения силовых узлов современных трехфазных ИБП средней и большой мощности (10 кВА:400 кВА) можно разделить на три группы (см. рис. 1):

• ИБП с аккумуляторной батареей (АБ) в буфере цепи питания инвертора;
• ИБП с бустером (повышающим преобразователем) в цепи питания инвертора;
• ИБП с входным ШИМ-преобразователем и уравнителем (<балансировщиком>) в цепи питания инвертора.

а) ИБП с АБ в цепи питания инвертора;

б) ИБП с бустером в цепи питания инвертора;

в) ИБП с входным ШИМ-преобразователем

Рис. 1. Структурные схемы трехфазных ИБП

ИБП с АБ в буфере цепи питания инвертора

Классическая структура ИБП с АБ в цепи питания инвертора, представленная на рисунке 1а, содержит мостовой управляемый тиристорный выпрямитель (УВ), высоковольтную аккумуляторную батарею (АБ), трехфазный мостовой инвертор напряжения (ИН) на IGBT-транзисторах, трехфазный выходной трансформатор (ТР) с обмотками, включенными по схеме треугольник-звезда и выходной фильтр (Ф).

Система управления выпрямителем УВ в статическом режиме поддерживает напряжение на его выходе с высокой точностью при допустимом диапазоне изменения входного напряжения ±15% от номинального значения. В случае выхода напряжения за указанные пределы ИБП переходит в автономный режим работы. Выходное напряжения УВ регулируется изменением угла отпирания тиристоров и является функцией нескольких параметров, в том числе и зарядного тока АБ. В общем виде структурная схема многоконтурной системы регулирования показана на рисунке 2.

Рис. 2. Структурная схема системы регулирования напряжения на выходе УВ

Для исключения значительных бросков тока через сглаживающий конденсатор, подключенный к выходу УВ, применяется мягкий пуск - плавное (в течение 10-30 с после подачи входного напряжения на ИБП) увеличение выходного напряжения. Значение емкости сглаживающего конденсатора выбирается так, чтобы величина пульсаций выходного напряжения не превышала 1%.

Выполнения этого требования влечет за собой значительное искажение формы входного тока, коэффициент искажения синусоидальности которого составляет 33%, что в свою очередь приводит к уменьшению коэффициента мощности до 0,8 [3]. С уменьшением нагрузки эти показатели еще более ухудшаются (см. табл. 1).

Таблица №1 Входной коэффициент мощности и коэффициент несинусоидальности входного тока
в зависимости от типа выпрямителя ИБП и степени его загрузки

Показа­тель	Наг­рузка ИБП, %	Тип выпрямителя
		мос­то­вой	2-мос­то­вой	мос­то­вой с филь­тром 5-ой гар­мо­ни­ки	ШИМ- пре­обра­зо- ва­тель
Входной коэф­фициент мощ­ности	25	0,65	0,7	0,9	0,98
	50	0,7	0.78	0,97	0,98
	75	0,75	0,8	0,95	0,99
	100	0,8	0,85	0,93	0,99
Коэф­фициент несинусо­идаль­ности входного тока, %	25	60	25	20	6
	50	50	16	15	5
	75	38	12	10	4
	100	33	10	5	3

Наиболее существенными высокочастотными гармониками во входном токе ИБП являются пятая и седьмая (250 Гц и 350 Гц). Широко распространенным методом снижения высокочастотных гармоник входного тока ИБП является применение пассивного фильтра для них на входе ИБП (см. рис. 3).

Рис. 3. 6-полупериодный мостовой выпрямитель с фильтром 5-ой гармоники

Параметры продольных и поперечных ветвей фильтра L1, L2, C2 выбираются из условия получения резонансной частоты, равной частоте пятой гармоники. Такая настройка фильтра позволяет уменьшить коэффициент искажения синусоидальности входного тока и повысить коэффициент мощности. На рисунке 4 приведены осциллограммы и спектральный состав входного тока ИБП номинальной мощностью 120 кВА с мостовым выпрямителем на нагрузке, составляющей 25% номинальной мощности. Измерения произведены с использованием универсального прибора Industrial Scope Meter Fluke 123 и токовых клещей Tektronix А600.

а) осциллограммы входного тока и напряжения без фильтра;

б) график спектрального состава входного тока без фильтра;

в) осциллограммы входного тока и напряжения ИБП с фильтром пятой гармоники;

г) график спектрального состава входного тока ИБП с фильтром пятой гармоники

Рис. 4. Форма входного напряжения и тока ИБП с 6-ти полупериодным выпрямителем, гармонический состав входного тока

При использовании фильтра, коэффициент пятой гармоники входного тока снижается с 63% до 16%, а коэффициент искажения синусоидальности уменьшается с 60% до 25%. С увеличением нагрузки эти коэффициенты уменьшаются. Следует отметить, что при работе на холостом ходу или на малых нагрузках входной коэффициент мощности ИБП с фильтром 5-ой гармоники может принимать отрицательные значения, так как входное сопротивление УВ приобретает емкостной характер. Это обстоятельство может неблагоприятно сказываться на работе дизель-генератора ограниченной мощности в системах бесперебойного питания. Для исключения указанного недостатка используют компенсированные фильтры и фильтры с коммутаторами в поперечных ветвях [4].

Для снижения высокочастотных составляющих входного тока также возможно использовать 12-полупериодный выпрямитель, состоящий из двух мостовых трехфазных выпрямителей, выходы которых включены параллельно. Входные напряжения одноименных фаз этого выпрямителя сдвинуты на 30? за счет применения, например, трехфазного входного трансформатора с двумя комплектами вторичных обмоток, один из которых включен по схеме звезда, а другой - треугольник. Коэффициент искажения синусоидальности входного тока уменьшается до 10%, а входной коэффициент мощности ИБП увеличивается до 0,9 (см. таблицу 1). Как видно из спектрального графика ( рис. 5б), в составе входного тока в этом случае имеется только 11-ая гармоника с коэффициентом 6,6%.

а) осциллограмма входного тока;

б) график спектрального состава входного тока

Рис. 5 Форма входного тока ИБП с 12-ти полупериодным выпрямителем, гармонический состав водного тока

Для улучшения гармонического состава входных токов и увеличения коэффициента мощности возможно использование в выпрямителях IGBT-транзисторов вместо тиристоров. Высокочастотное ШИМ-управление транзисторами обеспечивает входной ток ИБП, приближенный по форме к синусоиде. Примером ИБП с таким выпрямителем является модель PW 9340 (80-130 кВА) производства POWERWARE, обеспечивающая коэффициент несинусоидальности входного тока не более 4% и входной коэффициент мощности 0,99 [5].

Трехфазный выходной инвертор напряжения ИБП представляет собой мостовую схему, созданную с использованием IGBT-транзисторах с ШИМ-управлением по синусоидальному закону. На выходе инвертора генерируются высокочастотные прямоугольные импульсы переменной ширины и постоянной амплитуды, равной напряжению АБ. Номинальные значения напряжений АБ в классических схемах трехфазных ИБП составляют 384-480 В. Так как выходное напряжение инвертора не может превышать входное, то для увеличения амплитуды линейного выходного напряжения до значения  = 537 В к выходу инвертора подключается повышающий трансформатор, индуктивности рассеяния обмоток которого и конденсаторы, подключенные к вторичным обмоткам, образуют выходной фильтр, обеспечивающий фильтрацию высокочастотных составляющих ШИМ (7,5 кГц:15 кГц) в выходном напряжении ИБП.

Применение DSP-процессоров для управления транзисторами инвертора позволяет реализовать алгоритм пространственно-векторной модуляции, благодаря которому коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения не превышает 3% при линейной нагрузке и 5% при нелинейной нагрузке. Стабилизация выходного напряжения ИБП в диапазоне изменения симметричной нагрузки 0-100% обеспечивается с точностью ±1%. Современные трехфазные ИБП позволяют работать на несимметричной трехфазной нагрузке. При полностью несбалансированной нагрузке статическая точность стабилизации выходного напряжения нагруженной фазы составляет ±5%.

Следует отметить, что наличие выходного трансформатора в классической схеме ИБП не может обеспечить полной гальванической развязки нагрузки с сетью, т.к. при переходе в режим байпас входная и выходная нейтрали объединяются.

Для ИБП, соответствующих классической схеме (см. рис. 1а), характерны повышенные массогабаритные показатели. Тем не менее, ИБП мощностью более 100 кВА в настоящее время производятся преимущественно по классической схеме, т.к. в этом диапазоне мощностей они обладают наиболее высокими показателями надежности. Последнее обусловлено меньшим числом силовых узлов преобразования энергии по сравнению с бестрансформаторными структурами с бустером или реверсивным ШИМ-преобразователем, а также меньшими перенапряжениями, возникающими при коммутации токов (достигающих сотен ампер) силовыми транзисторными модулями инвертора.

ИБП с бустером в цепи питания инвертора

Международная электротехническая комиссия (МЭК) и европейская организация по стандартизации в электротехнике приняли стандарты IEC 1000-3-2 (EN 61000-3-2) и IEC 1000-3.3 (EN 61000-3-3), устанавливающие ограничения на величину гармонических составляющих входного тока электрооборудования. Уменьшение этих составляющих возможно за счет применение активной коррекции коэффициента мощности. Их отличительной особенностью является отсутствие трансформатора, использование неуправляемого выпрямителя и наличие бустера-корректора коэффициента мощности (БС) в силовой цепи ИБП (см. рис. 1б). Функциональная схема подобного ИБП приведена на рисунке 6.

Рис. 6. Функциональная схема ИБП с бустером в цепи питания инвертора

Аккумуляторная батарея, как правило, состоит из двух секций со средней точкой, соединенной с нейтральным проводом. Каждая секция АБ подключается к соответствующей выходной шине выпрямителя через тиристоры VD1 и VD2, которые закрыты в сетевом режиме работы, когда осуществляется заряд АБ. Зарядные устройства подключены к шинам стабильного напряжения постоянного тока на выходе бустера, что позволяет получить к.п.д. ЗУ вплоть до 96%...99%.

Номинальное напряжение аккумуляторных батарей различных моделей для бестрансформаторных ИБП приведено в таблице 2.

Таблица №2. Технические характеристики трехфазных ИБП с бустером

Произ­во­ди­тель	Модель ИБП	Номи­наль­ная мощ­ность, кВА	Номи­наль­ное напря­жение АБ, В	Диапа­зон входного меж­фаз­ного напря­жения, В	Ста­ти­чес­кая точ­ность, %	Дина­ми­чес­кая точ­ность, %	Время пере­ход­ного про­цес­са, мс
Powerware	PW 9305	7,5-80	576	279-484	±1	±3	н/д
Liebert	Hinet	10-30	384	300-480		±5	30
Riello	Multi Dialog	10-80	576	320-480		±5	10

Двухплечевой бустер - повышающий преобразователь напряжения постоянного тока - состоит из IGBT-транзисторов VT1, VT2, диодов VD3, VD4, дросселей L1, L2 и накопительных конденсаторов С1, С2. Преобразователь осуществляет следующие функции:

• стабилизирует напряжение питания инвертора на уровне, необходимом для формирования номинальной величины выходного напряжения 220/380 В;
• обеспечивает балансировку напряжений положительной и отрицательной шин постоянного тока относительно нейтрали, что исключает появление постоянной составляющей в выходном напряжении;
• осуществляет активную коррекцию входного коэффициента мощности ИБП за счет формирования входного тока, приближенного по форме к синусоиде с начальной фазой, совпадающей с фазой входного напряжения.

Эти функции реализуются с помощью применения определенных алгоритмов ШИМ для управления транзисторами VT1, VT2 реализуемых контроллерами типа UC 3854 [6]. При этом входной коэффициент мощности ИБП повышается до 0,95. Коэффициент передачи напряжения повышающего преобразователя (бустера) в режиме непрерывного тока дросселей L1, L2 достигает 4 [7]. Это обеспечивает более широкий диапазон допустимого входного напряжения, при котором ИБП не переходит в автономный режим, по сравнению с классической структурой ИБП (см.таблицу 2) [5, 8, 9]. Кроме того, в автономном режиме работы по мере разряда АБ бустер обеспечивает стабильное напряжение на шинах постоянного тока питания инвертора.

Частота ШИМ, используемая для управления IGBT-транзисторами трехфазного мостового инвертора, составляет 15 кГц:30 кГц и подавляется L3C3-фильтрами на выходе ИБП, с помощью которых формируется синусоидальное напряжение частотой 50 Гц. Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения при линейной нагрузке составляет менее 2%, а при нелинейной нагрузке не превышает 5%.

Величина емкости накопительных конденсаторов С1, С2, запасенная энергия которых, используется для питания инвертора при набросе нагрузки, или кратковременных пропаданиях сетевого напряжения, выбирается исходя из расчета 360 мкФ:660 мкФ на 1 кВА выходной мощности инвертора. Запасенная в конденсаторах энергия обеспечивает высокие динамические показатели ИБП (см. таблицу 2).

ИБП с входным ШИМ-преобразователем

Стремление увеличить коэффициент мощности в широком диапазоне изменения нагрузки и улучшить динамические характеристики ИБП с одной стороны, и появление доступных для широкого применения высоковольтных быстродействующих силовых IGBT-модулей с другой стороны, привело к появлению структуры ИБП с двунаправленным мостовым ШИМ-преобразователем (см. рис. 1в).

Функциональная схема указанного ИБП приведена на рисунке 7. Входной трехфазный ШИМ-преобразователь реализован на IGBT-транзисторах VT1:VT6, фазных дросселях Lа,Lв,Lс и накопительных конденсаторах С1, С2 [10].

Рис. 7. Функциональная схема ИБП с входным ШИМ-преобразователем

Такой ШИМ-преобразователь имеет следующие особенности:

• высокое значения входного коэффициента мощности (0,99) в широком диапазоне изменения нагрузки;
• регулирование напряжения постоянного тока на шинах питания инвертора;
• двунаправленная передача энергии - из сети в нагрузку и в обратном направлении, что улучшает динамические свойства ИБП.

Эти свойства реализуются за счет применения ШИМ-управления транзисторами преобразователя с частотой коммутации 7,5 кГц...15 кГц. Входной ток при этом имеет практически синусоидальную форму и совпадает по фазе с входным напряжением.

Балансировщик напряжений, состоящий из транзисторов VT7, VT8 и индуктивности L1 (см. рис. 7), представляет собой устройство, обеспечивающее балансировку дифференциального напряжения постоянного тока. Симметрирование напряжений на шинах постоянного тока питания инвертора необходимо для исключения постоянной составляющей в выходном напряжении. Кроме того, БН уменьшает пульсации тока в накопительных конденсаторах С1, С2.

Схема преобразователя напряжения для АБ основана на транзисторах VT9, VT10, диодах VD1, VD2 и индуктивности L2. Преобразователь имеет два назначения:

• зарядное устройство в сетевом режиме работы ИБП;
• бустер цепи АБ в автономном режиме работы ИБП.

При работе в режиме зарядного устройства транзистор VT10 закрыт, а транзистор VT9 коммутируется с высокой частотой, что обеспечивает необходимое напряжение заряда АБ. При переходе ИБП в автономный режим DC/DC-конвертор выполняет функцию бустера, обеспечивая стабильное повышенное напряжение шин постоянного тока при разряде АБ. При этом транзистор VT9 закрыт, а транзистор VT10 переключается с частотой в 2:4 раза меньшей, чем транзистор VT9 при работе в режиме зарядного устройства.

Трехфазный инвертор аналогичен мостовому инвертору в структуре ИБП с бустером (см. рис. 6) и имеет на выходе LC-фильтр, выделяющий основную гармонику 50 Гц из высокочастотного выходного ШИМ-напряжения инвертора. В таблице 3 приведены основные технические характеристики ИБП с ШИМ-преобразователем ряда производителей [11-14].

Таблица №3. Технические характеристики ИБП с входным ШИМ-преобразователем

Параметр	Производитель, модель ИБП
	Powerware		MGE	Liebert
	PW 9255	PW 9390	Gallaxy 3000	NXa
Номи­наль­ная мощ­ность, кВА	8, 10, 12, 15	40, 60, 80, 120, 160	10, 15, 20, 30	30, 40, 60, 80
Вход­ной коэф­фи­ци­ент мощ­ности	0,99
Выход­ной коэф­фи­ци­ент мощ­ности	0,9		0,8
Коэф­фи­ци­ент несину­сои­даль­нос­ти вход­ного тока, %	5		3
Диапа­зон откло­не­ний вход­но­го нап­ря­же­ния без пе­ре­хо­да ИБП в ав­то­ном­ный ре­жим при 100%-наг­руз­ке, %	-15, +10	-10, +15	±15	-20, +25
Стати­чес­кая точ­ность выход­ного напря­же­ния, %	±3	±1
Дина­ми­чес­кая точ­ность выход­ного напря­жения при 100% скачке наг­руз­ки, %	±5		±3	±5
Время пере­ход­но­го про­цес­са при 100% скачке наг­руз­ки, мс	3	1	20	н/д
КПД при 100% наг­руз­ки, %	91	92-94	89	89,4 - 90,5

К особенностям ИБП с ШИМ-преобразователем можно отнести:

• большое количество силовых IGBT-транзисторов в силовой цепи и возникновение на закрытых транзисторах значительных коммутационных напряжений;
• сложную схему управления транзисторами ШИМ-преобразователя, требующую информации не только о величине токов и напряжений, но и об их фазовом сдвиге.

В заключение следует отметить, что при выборе модели ИБП пользователь должен принимать в расчет как наличие необходимых потребительских свойств, соотношение цена/качество, но и надежность, и удобство, и стоимость сервисного обслуживания ИБП.

Климов В.П., Москалев А.Д.

Литература

1. Климов В.П., Портнов А.А., Зуенко В.В. Топологии источников бесперебойного питания переменного тока (ИБП), Электронные компоненты, №7, 2003.
2. Полупроводниковые выпрямители. М.: Энергия, 1967.
3. Статические агрегаты бесперебойного питания. М.: Энергоатомиздат, 1992.
4. Климов В.П., Москалев А.Д. Способы подавления гармоник в системах электропитания, Практическая силовая электроника, №6, 2003.
5. www.powerware.com
6. Климов В., Климова C.Р., Портнов А.А. ИБП с двойным преобразованием энергии малой и средней мощности: схемотехника и технические характеристики, Электронные компоненты, №6, 2004.
7. Моин В.С., Лаптев Н.Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергия, 1972.
8. www.liebert-hiross.ru
9. www.riello-ups.com
10. Овчинников Д.А., Костров М.Ю., Лукин А.В., Малышков Г.М. Трехфазный выпрямитель с корректором коэффициента мощности, Практическая силовая электроника, №6, 2002.
11. Техническая спецификация Galaxy 3000, MGE UPS Systems, MGE 033/UKO-01/2000.
12. Новая серия ИБП Powerware 9390, Электрическое питание, №3, 2004.
13. Новая серия ИБП Powerware 9355, Электрическое питание, №4, 2004.
14. ИБП Liebert NXa мощностью от 30 до 80 кВА. Технические характеристики, ENP Liebert NXa UPS, 2003.

Статья опубликована в журнале "Электронные компоненты" N6 за 2005 год.