Устройства бесперебойного электропитания

Схема электроснабжения предприятия связи рисунка 1.5 обеспечивает бесперебойность электропитания, является классической и широко распространена. Эти же функции выполняют и другие устройства, которые успешно развиваются, выделены в отдельный класс и называются устройствами бесперебойного электропитания (УБП) или источниками бесперебойного электропитания (ИБП) [8].

Современная аппаратура связи крайне чувствительна к качеству энергии сети. Низкое качество проявляется в следующем:

- пропадании сети на время от десятков мс до 30сек ,

- кратковременные провалы и выбросы длительностью от десятков нс до

сотен мкс глубиной до 40%,

- отклонение напряжения от номинала до 10%,

- отклонение частоты сети от номинала до 0,5Гц.

Требования к качеству сетевого напряжения определены в [19], где отклонения сети от номинального значения составляют 10% и 5%, а отклонения частоты 0,2 Гц и 0,4 Гц. Для аппаратуры связи обычно требуется нестабильность не хуже 2% [16]

УБП предназначены для повышения качества электроснабжения. Хотя они и дороги ( цена энергии улучшенного качества возрастает на порядок и более), но спрос на УБП постоянно растёт.

Все УБП делятся на централизованные и децентрализованные.

Централизованные. Достоинством является полная независимость всех потребителей технического здания (узел связи, штаб армии, управление гидрометеослужбы, банк, центр управления полётами и пр.) от состояния и качества внешней питающей сети, закрытость и сохранность локальных компьютерных сетей, полная защита данных. Недостаток - высокая стоимость монтажа и электроэнергии, поскольку от УБП питаются и кондиционеры, кофеварки, освещение, насосы для подкачки воды и пр.

Децентрализованные.Достоинства:простота установки; избирательный уровень защиты; легко и быстро переконфигурировать (наращивать). Недостаток: невысокая надёжность системы в целом из-за большого количества оборудования, повышенный расход электроэнергии, увеличенная стоимость.

УБП (зарубежная аббревиатура UPS – Uninterruptable Power Supply) стали широко известны как маломощные “бесперебойники” для персональных компьютеров, то есть как элементы децентрализованных СЭП, но по мере увеличения выходной мощности они перерастают в централизованные.

Классифицировать УБП можно в соответствии с международным стандартом IEC 62040-3(или европейским EN 50091), где источники бесперебойного питания классифицируются по зависимости выходного напряжения от сетевого питания, форме кривой выходного напряжения, а также его допустимых отклонений. Эта трёхступенчатая и не очень прозрачная, на наш взгляд, система присвоения каждому УБП своего кода, мало пригодна для понимания сущности работы УБП. Поэтому воспользуемся упрощенной классификацией, которая представлена на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 – Классификация УБП

Рассмотрим структурные схемы этих УБП

УБП постоянного тока

Буферная схема - это основная схема УБП. Здесь, АБ постоянно подключена к выходу (нагрузке), как показано на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 – Буферная схема УБП

Достоинства: Высокая надёжность. АБ участвует в сглаживании пульсаций выпрямленного напряжения.

Недостатки: импульсные нагрузки и перегрузки по току сокращают срок службы АБ.

Эта схема получила наиболее широкое распространение на предприятиях связи.

УБП с отделённой от нагрузки АБ. Схема УБП приведена на рисунке 1.9

Рисунок 1.9 – Схема УБП с отделённой АБ

На рисунке обозначено:

S1 – быстродействующий ключ ( транзистор или тиристор),

К – контактор – мощный ключ высокой надёжности, но малого

быстродействия,

ВС – выпрямитель содержания АБ.

В нормальном (штатном) режиме ключи S1 и К разомкнуты. Выпрямители ВУ работают на нагрузку, а ВС поддерживает АБ в рабочем состоянии. При пропадании сети включаются оба ключа, но первым замыкается быстродействующий ключ, а затем срабатывает контактор, принимая на себя всю нагрузку. Ключ S1 выключается.

Достоинства: импульсная нагрузка и перегрузка не влияет на АБ, поэтому её срок службы больше, чем в буферной схеме.

Недостатки: АБ не участвует в сглаживании пульсаций, поэтому осложняется электромагнитная совместимость.

Схему используют только в сочетании со стабилизатором выходного напряжения.

Безаккумуляторные УБП.Эти УБПнаиболее экономичны и надёжны, но в них предъявляются повышенные требования к надёжности электроснабжения и возможно применение при наличии не менее трёх независимых источников, один из которых – резервная электростанция. ДГУ запускается при нарушении питания от одного из двух независимых источников. Здесь в работе всегда оба ВУ, загруженные на 50%. Схема безаккумуляторного УБП приведена на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 – Схема безаккумуляторного УБП

Достоинства: простота построения, высокая надёжность. Каждое ВУ работает с 50% нагрузкой. Фильтр общий.

Недостатки: Использование такого УБП требует тщательного технико-экономического обоснования.

УБП переменного тока

В зависимости от принципа действия их делят на два класса:

– с гальванической связью первичной сети и нагрузки (off-line)

– с гальванической развязкой сети и нагрузки (on-line)

В УБП первого класса АБ подключается лишь на время выхода параметров сети за допустимые границы.

В УБП второго класса АБ постоянно подключена к нагрузке через инвертор (буферный режим).

Рассмотрим типовые структурные схемы УБП этих классов.

На рисунке 1.11 приведена обобщённая схема УБП первого класса(off-line).

Рисунок 1.11 – Схема УБП первого класса

На рисунке обозначено:

Ф1 – фильтр для защиты от промышленных помех и перенапряжений от грозовых разрядов,

Ф2 – ФНЧ для улучшения гармонического состава сетевого напряжения,

В – выпрямитель, построенный по классической схеме или с бестрансформаторным входом.

И – инвертор с гармоническим выходным напряжением,

Кл – ключ, который при выходе сети за допустимые пределы подключает нагрузку к инвертору.

УБП первого класса наиболее просты, относительно дешевы, так как нет стабилизации. КПД порядка 97…99% . Это наиболее массовый тип УБП.

УБП второго класса имеют более высокие электрические показатели. Они безопаснее, поскольку нет гальванической связи сети и нагрузки, выше стабильность, но схема сложнее и стоимость больше, чем УБП первого класса. Основная схема УБП второго класса приведена на рисунке 1.12.

Рисунок 1.12 – Схема УБП второго класса

В этой схеме АБ постоянно подключена к нагрузке (буферный режим), поэтому качество выходного напряжения выше, чем в УБП первого класса, хотя КПД ниже.

В последние годы появилось много новых модификаций УБП [27,29,30], но все они в той или иной степени относятся к одному из двух классов. Например, такие УБП [8]:

1) line-interactive – это УБП первого класса, но добавлен ступенчатый (грубый) стабилизатор сетевого напряжения (например, автотрансформатор с переключением витков), иногда его называют бустером.

2) by-pass – это УБП второго класса с параллельным (обводным) каналом сети. Параллельный канал позволяет производить ремонт УБП в “горячем” режиме (рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 – Схема УБП с параллельным каналом

3) ferrUPS – это УБП второго класса, на входе которого установлен феррорезонансный стабилизатор. Он хорошо защищает от промышленных помех, имеет существенно более высокую надёжность и высокое качество выходного напряжения.

4) triple-conversion – это УБП второго класса с дополнительным стабилизирующим ШИМ–конвертором (тройное преобразование напряжения). Его схема приведена на рисунке 1.14.

Рисунок 1.14 – Схема УБП с тройным преобразованием

Тройное преобразование может показаться бессмысленным, но выполнить стабилизированный инвертор сложнее, чем стабилизированный конвертор. Несмотря на усложнение схемы, получается выигрыш по КПД. Обычно на входе устанавливают ККМ – корректор коэффициента мощности ( корректор входного импеданса – КВИ), который обеспечивает нулевой фазовый сдвиг между напряжением и потребляемым от сети током при гармонической форме последнего.

5) УБП с дельта-преобразованием.

Этот УБП второго класса, фактически, обеспечивает вольтодобавку на переменном токе, а вольтодобавочные схемы имеют высокое значение КПД. Структурная схема УБП с дельта-преобразованием приведена на рисунке 1.15.

Рисунок 1.15 – Структурная схема УБП с дельта-преобразованием

Инверторы выполнены по специальной, четырёхквадрантной схеме. Они, в зависимости от состояния магистрали, принимают на себя функции инвертора или выпрямителя.

Если входное напряжение ниже минимально допустимого значения, то 2 работает как инвертор, добавляя недостающую часть напряжения к входному, а 1 работает как выпрямитель. Если входное напряжение выше максимально допустимого значения, то 2 работает как выпрямитель, а 1 работает как инвертор и, в дельта-трансформаторе, эта часть напряжения вычитается из входного. Преобразуется только часть электроэнергии, которая необходима для получения на нагрузке качественных параметров. Так, при отклонении +15% двойному преобразованию подвергается только 15% энергии, поэтому общие потери меньше, а КПД получается высоким.

При отсутствии сети основной инвертор (2) питается от АБ и схема работает как обычная с двойным преобразованием.

Достоинства: высокий КПД (до 97%) в широком диапазоне нагрузок; коэффициент мощности 0,95… 1; не создаёт обратной помехи в сеть.

В настоящее время использование трёх последних типов УБП – главные направления в их развитии.

Таким образом, УБП представляет собой полную электропитающую установку, собранную в одном шкафу, которая содержит:

– устройства ввода переменного тока (1 или 2),

– рабочие выпрямители,

– выпрямители содержания,

– устройства защиты АБ от коротких замыканий и глубоких разрядов,

– устройства контроля и автоматики.

УБП выпускаются как отечественной, так и зарубежной промышленностью на широкий диапазон мощностей ( сотни киловатт) [10,26].