КИПиА

Промышленная автоматизация

ИБП

Источники бесперебойного питания

Источники бесперебойного питания.

Источники бесперебойного питания.

Общие сведения об источниках бесперебойного питания

В комплексных системах гарантированного электропитания в качестве источников ЭЭ кроме дизельных электростанций используются также так называемые источники бесперебойного питания (ИБП) переменного и постоянного тока.

ИБП предназначены для электропитания нагрузки, функционирование которой, во-первых, возможно только при высоком качестве и «чистоте» ЭЭ, а, во-вторых, не допускает прерывания питающего электрического тока. Такая нагрузка называется критичной. К ней в основном относятся устройства со сложным электронным оборудованием.

В любой ИБП входит (как обязательная составная часть) аккумуляторная батарея (АБ) – автономный источник ЭЭ постоянного тока.

ИБП относятся к вторичным источникам ЭЭ. Они в общем случае преобразуют ЭЭ внешней электросети с относительно низким ее качеством (или ЭЭ аккумуляторной батареи) в ЭЭ высокого качества или другого вида тока.

Для ИБП характерны следующие два режима работы:

·                                           нормальный – нагрузка питается за счет энергии электросети, а АБ находится в режиме подзарядки;

·                                           аварийный (автономный) – нагрузка питается за счет энергии

ИБП переменного тока.

ИБП данного типа предназначены для электропитания потребителей (нагрузки) переменного тока. На наш взгляд ИБП, производимые американской компанией Liebert, являются наиболее предпочтительными для применения в КСГЭП. Эта компания общепризнанно является мировым лидером в производстве ИБП, выполненных по наиболее совершенной технологии On-Line, позволяющей полностью защитить критичную нагрузку по цепи питания от любых неполадок во внешней электросети.

Диапазоны мощностей ИБП компании Liebert, работающих в режиме On-Line: от 700 ВА до 800 кВА.

On-Line – это технология или схема построения ИБП, характерная наличием двойного преобразования входного напряжения и постоянно работающего инвертора.

В нормальном режиме работы входное переменное напряжение (Uвх) внешней электросети выпрямляется (рис. 25), а затем с помощью инвертора снова преобразуется в переменное (Uвых.), подводимое к нагрузке.

Рис. 25. ИБП по схеме ON-Line)

При исчезновении входного напряжения инвертор, постоянно подключенный к АБ, мгновенно переходит на питание от нее, продолжая питать нагрузку переменным током без разрыва синусоиды выходного напряжения, без искажения ее формы и при отсутствии каких-либо переходных (коммутационных) процессов.

Таким образом, ИБП питает нагрузку идеально отфильтрованным, стабильным (по величине и частоте) напряжением синусоидальной формы в любом режиме работы: нормальном – при питании от внешней электросети или аварийном (автономном) – при питании за счет энергии встроенной аккумуляторной батареи.

Двойное преобразование входного напряжения в системе On-Line полностью защищает выход ИБП (и, следовательно, его нагрузку) от любых помех со стороны входа – питающей электросети. Это хорошо иллюстрируется вышеприведенной таблицей (см. последний столбец).

Все ИБП типа On-Line оснащены байпасом (bypass) – устройством обхода схемы двойного преобразования напряжения и питания нагрузки напрямую напряжением внешней электросети (в некоторых ИБП – через фильтр). Различают автоматический и ручной переход в режим байпаса. Автоматический – срабатывает при перегрузке ИБП или при неисправности в его узлах, ручной переход в режим байпаса используется при техническом обслуживании.

Наличие режима байпаса расширяет функциональные возможности ИБП, повышает надежность электропитания нагрузки.

Все ИБП производства компании Liebert выполнены на основе полупроводниковой электронной техники.

Рис. 26. Схема силовых цепей ИБП серии AP 4300

На рис. 26 для примера приведена схема силовой электроцепи ИБП серии АР 4300, мощностью 10 кВА. Трехфазное напряжение (380 В, 50 Гц) внешней электросети подводится к низкочастотному (50 Гц) 3-х фазному выпрямителю 1. Выпрямленное и сглаженное напряжение преобразуется вспомогательным инвертором 2 в переменное напряжение прямоугольной формы с частотою 17 кГц. Последнее через трансформатор Тр подается на однофазный высокочастотный выпрямитель 3, к выходу которого подключен 3-х фазный инвертор 4. С его помощью строго постоянное напряжение на выходе выпрямителя 3 преобразуется в трехфазное переменное напряжение частотою 50 Гц, которым питается критичная нагрузка. Между всеми устройствами (1, 2, 3, 4) и на выходе имеются индуктивно-емкостные фильтры (на рис. 26 – не изображены).

Управление транзисторами обоих инверторов осуществляется с помощью специальных задающих генераторов (на схеме не показаны). Причем транзисторы выходного трехфазного инвертора управляются с использованием ШИМ (широтно-импульсного модулятора), обеспечивающего получение почти чисто синусоидальной формы выходного напряжения. Стабильность величины этого напряжения и его частоты достигается за счет высокой стабильности частоты управляющих сигналов задающих генераторов. На схеме показано место подключения к силовой цепи аккумуляторной батареи. Зарядное устройство, подзаряжающее АБ при нормальной работе ИБП, на схеме не изображено.

Дополнительные особенности ИБП типа On-Line производства Liebert-Hiross

Микропроцессорное управление и диагностика.

Защита нагрузки от статических разрядов, разрядов атмосферного электричества и импульсных помех в соответствии со стандартом EN 500 82-1.

Защита нагрузки от высокочастотных гармоник и переходных процессов со стороны внешней электросети в соответствии со стандартом EN 55022-А.

Возможность нормальной работы в широком диапазоне изменения выходного напряжения без перехода на питание от АБ за счет наличия на входе ИБП плавного стабилизатора напряжения (для примера, в ИБП модели АР 4300 этот диапазон составляет от –18% до +26% от напряжения 380 В).

Вход/выход ИБП гальванически развязаны с помощью изолирующего трансформатора в основной цепи (см. рис. 26 – трансформатор Тр).

Использование передовых технологий продления срока службы АБ, а именно: технологии температурной компенсации зарядного тока АБ и технологии виртуальной батареи.

Возможность наращивания времени автономной работы путем подключения внешних блоков АБ. Например, ИБП модели АР 4300 с встроенной АБ может работать автономно 12 … 19 минут, а с внешними АБ – до 3,5 — 4,5 часов.

Повышенная перегрузочная способность, высокая надежность. Так ИБП модели АР 4300 может работать с нагрузками: 110% — 1 час, 125% — 10 мин., 150% — 1 мин., 200% — 5 с.

Расширенные коммуникационные возможности, надежное программное обеспечение.

Низкий уровень акустических шумов (у АР 4300 – менее 56 …58 dB).

Другие типы ИБП переменного тока

При локальном (отдельном) применении компьютеров и относящихся к ним вспомогательных электронных устройств используются ИБП небольшой мощности. Они выполняются как по схеме On-Line, так и по другим – упрощенным – схемам, а именно: по схемам Off-Line и Line-Interactive.

Рис. 27. ИБП по схеме Off-Line

ИБП типа Off-Line также имеет в своем составе инвертор (рис. 27). Однако последний вступает в работу от АБ только при исчезновении напряжения внешней электросети. Особенность схемы Off-Line – наличие автоматического переключателя, коммутирующего цепь питания нагрузки.

Рис. 28. ИБПпосхеме Line Interactive

Достоинства схемы – простота и экономичность: недостаток – нет стабилизации входного напряжения при работе в нормальном режиме и относительная затянутость (- 4 мс) процесса переключения в аварийный режим работы (от АБ).

ИБП типа Line-Interactive по схеме подобны ИБП типа Off-Line. Отличие лишь в том, что на входе имеется ступенчатый стабилизатор (бустер), построенный на основе автотрансформатора (рис. 28). Вследствие этого ИБП способен выдерживать длительные глубокие «просадки» входного сетевого напряжения без перехода на АБ. Достоинства и недостатки те же, что и у схемы Off-Line.

ИБП типа Off-Line и типа Line-Interactive используют, как правило, для питания персональных компьютеров, малых сетевых узлов, рабочих станций периферийных устройств.

ИБП постоянного тока.

ИБП данного типа предназначены для электропитания потребителей (нагрузки) постоянного тока. Поэтому их еще называют системами электропитания постоянного тока.

ИБП постоянного тока (системы электропитания постоянного тока) находят применение в телекоммуникационной и телеметрической технике, в системах мобильной телефонной связи, радио- и космической связи, в медицинском оборудовании, устройствах сигнализации, защиты и т.п.

В настоящее время одним из конкурентоспособных производителей и поставщиком ИБП постоянного тока является норвежская компания Tellus Emi AS. Продукция этой компании удовлетворяет самым строгим требованиям, предъявляемым в настоящее время к силовому электрооборудованию.

В общем случае обязательными структурными элементами ИБП постоянного тока являются: выпрямитель, аккумуляторная батарея (АБ) и устройство управления и распределения ЭЭ.

Рис. 29. Структурная блок-схема ИБП постоянного тока

Выпрямители ИБП фирмы Tellus Emi AS комплектуются (рис. 29) из отдельных унифицированных выпрямительных модулей (УВМ), каждый из которых имеет собственное устройство управления и контроля. Несколько таких модулей, включенных параллельно в конфигурацию N + 1, подсоединенные к их выходу АБ и модуль распределения нагрузки МРН образуют совместно с общим модулем управления и контроля МУК законченную систему электропитания постоянного тока – ИБП постоянного тока.

В нормальном режиме работы, т.е. при исправной электросети переменного тока выпрямительный блок ИБП осуществляет электропитание потребителей постоянного тока и подзаряд АБ. При исчезновении напряжения в электросети бесперебойное электропитание потребителей продолжается за счет АБ без какого-либо прерывания тока нагрузки.

Модульный принцип конструкции ИБП позволяет путем выбора различных сочетаний модулей и АБ реализовать систему электропитания с любыми выходными параметрами и характеристиками.

Фирма Tellus Emi AS производит ИБП постоянного тока в двух вариантах исполнения:

·                                           В виде стоек (шкафов) на мощности от 500 Вт до сотен кВт с встроенными АБ (серия SKB);

·                                           В настенном исполнении на мощности от 500 Вт до 4,5 кВт с внешними АБ (серия ASL).

Особенности этих ИБП:

Выходное напряжение: 12, 24, 36, 48, 60, 110 В (SKB); 12, 24, 36, 48 В (ESL).

Ток нагрузки: 10 …1000 А (SKB); 6 … 60 В (ESL).

Стабильность выходного напряжения в статическом и динамическом режимах — + 0,5%.

Пульсация напряжения – менее 50 мВ. КПД – более 88 …90%.

Работоспособность ИБП сохраняется в диапазоне температур – 20 … + 45 о С.

 

ИБП управляются и контролируются микропроцессорным модулем.

Возможность наращивания всех элементов структуры ИБП путем параллельного подключения других блоков для увеличения зарядного тока АБ, количества выходов для нагрузки, емкости АБ.

Ниже представлен внешний вид стоечного и настенного вариантов ИБП постоянного тока фирмы Tellus Emi AS.