Главная Регистрация Статистика Контакты
   
 
Разделы
Автомобильные устройства Автоматические выключатели Стабилизаторы напряжения Источники питания Генераторы напряжения Маркировка компонентов Зарубежная схемотехника Радиотехника Вентиляция Оборудование Полезная информация Статьи и публикации
 
Последние материалы
Термопары

Ремонт посудомоечной машины

Реактор электрический

Электродвигатели на 220 и 380 вольт

Низковольтное оборудование и его применение

Роторные и диафрагменные насосы

Частотный преобразователь

 
Автоматические выключатели
Автоматический выключатель - УЗО.

Варианты применения УЗО в системах заземления.

Защита электропроводки в домах и квартирах.

Схемы распределительных щитов с использованием УЗО.

УЗО - Устройства защитного отключения.
 
Стабилизаторы напряжения
Выбор стабилизатора напряжения для коттеджа, дачи.

Принцип регулировки напряжения в стабилизаторах.

Стабилизатор напряжения Ресанта.

Регулировка напряжения в стабилизаторах.

Cхема питания ноутбука от автомобиля.
 
Зарубежная схемотехника
Регулируемые блоки питания и преобразователи.

Акустический выключатель.

Преобразователи напряжения.

Усилитель мощности на TDA2005.

Схема усилителя на 300 Ватт.
 
Полезная информация
Спутниковое телевидение и оборудование.

Подключение трехфазного двигателя в однофазную сеть.

Условные обозначения в электрических схемах (ГОСТ 7624-55).

Обозначения условные графические в схемах (ГОСТ 2.721-74). Часть I.

Обозначения условные графические в схемах (ГОСТ 2.721-74). Часть II.
 
 
» » Трехфазные ИБП: схемотехника и технические характеристики


Источники питания : Трехфазные ИБП: схемотехника и технические характеристики
28-06-2009, 18:05 просмотров: 14740

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.
alt
а) ИБП с АБ в цепи питания инвертора;
alt
б) ИБП с бустером в цепи питания инвертора;
alt
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.

alt

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

ПоказательНагрузка
ИБП, %
Тип выпрямителя
мостовой2-мостовоймостовой 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).

alt

Рис. 3. 6-ти 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.

alt

а) осциллограммы входного тока и напряжения без фильтра;

 

alt

б) график спектрального состава входного тока без фильтра;

 

alt

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

 

alt

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%.

alt

а) осциллограмма входного тока;

 

alt

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 alt = 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.

alt

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

Произв.Модель ИБПНомин.
мощн.,
кВА
Номин.
напряж.
АБ, В
Диапаз.
входн.
межфазн
напряж.,
В
Статичес.
точность,
%
Динам.
точн.,
%
Время
перех.
проц.,
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].

alt

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

ПараметрПроизв., модель ИБП
PowerwareMGELiebert
PW 9255PW 9390Gallaxy 3000NXa
Номинал. мощность, кВА 8, 10, 12, 15 40, 60, 80, 120, 160 10, 15, 20, 30 30, 40, 60, 80
Входной коэфф. мощности 0,99
Выходной коэфф. мощности 0,9 0,8
Коэфф. несинусоид. входного тока, % 5 3
Диапазон отклонен. входного напряж. без перехода ИБП в автономный режим при 100%-нагрузке, % -15, +10 -10, +15 ±15 -20, +25
Статич. точность выходн. напряж., % ±3 ±1
Динамич. точность выходн. напряж. при 100%-скачке нагрузки, % ±5 ±3 ±5
Время переход. 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.



 
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо зайти на сайт под своим именем.

Другие новости по теме:

  • Топологии источников бесперебойного питания переменного тока (ИБП)
  • Схемотехника и технические характеристики ИБП малой и средней мощности
  • Схемотехника однофазных корректоров коэффициента мощности
  • Отечественные однофазные ИБП
  • Многомодульный ИБП - современная тенденция развития систем бесперебойного


  • Комментарии (0)   Напечатать
     
    Информация
    Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.
     
     
     
     
    Авторизация
    Логин:
    Пароль:
     
     
    Генераторы напряжения
    Миниэлектростанция. Вопросы и ответы.

    Обеспечение длительного времени бесперебойного электроснабжения.

    Портативные бензиновые и дизельные генераторы.

    Построение дистанционной системы подачи топлива для дизель-генераторной установки.

    Стационарный дизельный генератор.
     
    Источники питания
    Коэффициент мощности однофазного бестрансформаторного импульсного источника питания.

    Многомодульный источник бесперебойного питания. Схемы, решения.

    Отечественные однофазные ИБП. Характеристики.

    Схемотехника однофазных корректоров коэффициента мощности.

    Схемотехника и технические характеристики ИБП малой и средней мощности.

    Трехфазные ИБП: схемотехника и технические характеристики.

    Топологии источников бесперебойного питания переменного тока (ИБП).
     
    Маркировка компонентов
    Резисторы. Цветовая маркировка.

    Резисторы. Кодовая маркировка.

    Кодовая маркировка электролитических конденсаторов.

    Кодовая маркировка конденсаторов.

    Конденсаторы. Допуски и температурный коэффициент.

    Корпуса компонентов для поверхностного монтажа.

    Сквозная нумерация наиболее популярных корпусов SMD.

    Индуктивность. Цветовая и кодовая кодировка.

    Транзисторы. Цветовая и кодовая кодировка.
     
    Наш опрос
    Каких материалов не хватает на сайте?

    Техническая документация
    Электрические схемы
    Справочная информация
    Я нашел то, что искал
    Мне без разницы
     
    Статистика
     
    Вся информация находится в свободном доступе и размещена не для коммерческого использования.
    Copyright © 2009 - «Электропортал»