В комплекс аппаратуры связи входят устройства, требующие для своей работы электрическую энергию переменного тока. Относительно низкая надежность промышленных сетей переменного тока и качество электрической энергии зачастую не удовлетворяющее требованиям ГОСТ 13109 не позволяют осуществлять электропитание компьютеров и серверов непосредственно от сети переменного тока. В этом случае обычно применяют устройства гарантированного или бесперебойного питания переменного тока. В настоящее время получили распространения два вида устройств, а именно так называемые off-line и on-line системы.
В нормальном режиме функционирования системы нагрузка получает питание от сети переменного тока через сглаживающий фильтр (переключатель коммутирующего устройства находится в положение 1), а выпрямительное устройство В обеспечивает непрерывный подзаряд (содержание) АБ. При отключении сети коммутирующее устройство переводит питание нагрузки на инвертор И (при этом имеет место коммутационный перерыв в подаче электропитания), который в свою очередь получает энергию от АБ. Причем в устройствах данного типа энергии АБ хватает чаще всего на 5... 7 минут работы инвертора, т. е. только на время, позволяющее корректно закончить работу на ПК без потери информации. В подобных устройствах выходное напряжение инвертора, как правило, имеет прямоугольную форму с меандром, обеспечивающим только частичное ослабление третьей и пятой гармоник. После восстановления сети нагрузка вновь переводится на сеть, а В обеспечивает заряд АБ и последующее ее содержание. Понятно, что данное УГП нельзя применять, если сеть имеет колебания напряжения, превышающие пределы, допустимые для питаемой аппаратуры. При плохом качестве сети происходят частые переключения нагрузки на работу от АБ, что резко уменьшает ее срок службы. Кроме того, серьезным недостатком системы of-line является то, что при переключении УГП с режима работы от батареи на режим работы от сети, на выходе УГП могут возникать скачки напряжения, которые могут вызвать сбой в работе питаемой аппаратуры. Достоинством данного УГП является его простота и, как следствие, низкая стоимость по сравнению с другими УГП переменного тока.
От многих недостатков системы off-line свободна система line-interactive, функциональная схема которой приведена на рисунке.
В УГП line-interactive в нормальном режиме работы нагрузка получает электроэнергию по основной цепи от сети переменного тока через помехоподавляющий фильтр и автотрансформатор. Параллельная цепь, содержащая выпрямитель, инвертор и аккумуляторную батарею, является резервной. При отключении или выходе за допустимые пределы, напряжения сети нагрузки автоматически подключается к резервной цепи. Время переключения с основной цепи на резервную составляет 5... 7 мс. После восстановления напряжения сети нагрузка бесперебойно получает питание от основной цепи, а выпрямитель обеспечивает заряд аккумуляторной батареи и последующее ее содержание. Блок управления контролирует форму и амплитуду напряжения сети. В случае, когда напряжение сети становится слишком низким или слишком высоким, блок анализа сети пытается скорректировать величину напряжения, переключая отводы автотрансформатора так, чтобы приблизить напряжение на выходе устройства к номинальному значению. Если напряжение становится настолько низким, что переключение отводов уже плохо помогает, то УГП переключается на работу от АБ. Если на вход УГП поступает напряжение искаженной формы, блок управления также переключает УГП на режим работы от батареи.
В нормальном режиме работы коэффициент полезного действия схем off-line и line-interactive примерно одинаковый и достигает 95... 97 %. Основным достоинством схемы line-interactive по сравнению со схемой off-line является больший срок службы АБ, так как этот УГП реже переходит на работу от АБ при том же качестве сети. К достоинствам схемы line-interactive следует также отнести безобрывность перехода из режима, работы от аккумуляторной батареи на сеть (при синхронизации инвертора с сетью), а также обеспечение синусоидального напряжения и широкого набора сервисных возможностей, а именно: регистрации параметров, дистанционного управления, поддержки протокола обмена информации, — все это при высоком КПД заметно расширяет область применения данного вида УГП.
Действительно бесперебойную, а не гарантированную подачу электрической энергии высокого качества обеспечивают схемы с двойным преобразованием электроэнергии или, как их еще называют, схемы on-line. Функциональная схема УБП типа «on-line» представлена на рисунке.
В нормальном режиме работы УБП питание нагрузки осуществляется от инвертора, который в свою очередь получает электроэнергию от сети переменного тока через выпрямительное устройство. Это выпрямительное устройство также обеспечивает непрерывный подзаряд АБ. В отличие от выпрямителей рассмотренных ранее УГП это, как правило, мощное устройств. Ведь выпрямитель этого УБП должен не только подзаряжать АБ, но прежде всего обеспечивать через инвертор питание нагрузки, т. е. должен быть рассчитан на выходной ток, равный сумме максимального зарядного тока АБ и тока, потребляемого инвертором при минимальном входном напряжении, т. е. в начале заряда батареи. Требуемая стабильность выходного напряжения выпрямителя определяется АБ при ее эксплуатации в режиме непрерывного подзаряда.
При пропадании сети переменного тока или уменьшении ее напряжения ниже границы диапазона допустимых входных напряжений выпрямителя (т, е. выпрямитель уже не может стабилизировать напряжение), напряжение постоянного тока на выходе выпрямителя уменьшается и становится ниже напряжения заряженной батареи УБП, в результате чего инвертор начинает работать от разряжающейся АБ. При отключении сети переменного тока питание нагрузки осуществляется попрежнему от инвертора, который в этом случае получает электроэнергию от разряжающейся батареи. Переход питания с сети на АБ происходит безобрывно и практически при отсутствии переходного процесса изменения выходного напряжения инвертора. Работа УБП от батареи продолжается некоторое время, определяемое емкостью аккумуляторной батареи и нагрузкой. После того, как батарея разрядится до напряжения примерно 1, 7 В на элемент, инвертор будет отключен автоматикой, защищающей батарею от недопустимо глубокого разряда. После восстановления напряжения сети выпрямитель заряжает аккумуляторную батарею и обеспечивает работу инвертора.
Для питания нагрузки в случае отключения инвертора из-за его длительной перегрузки или его повреждения в УБП предусмотрено автоматическое бесперебойное переключение нагрузки на питание по обходной цепи (байпас) непосредственно от сети переменного тока. Байпас — это специальная линия, которая позволяет в случае необходимости питать нагрузку непосредственно от сети. Для переключения на работу через байпас служит статический (т. е. не имеющий движущихся элементов) электронный переключатель, силовая часть которого обычно выполняется на тиристорах. Следует отметить, что в УБП малой мощности в качестве устройства переключения на практике достаточно часто применяются быстродействующие реле.
Инвертор УБП, помимо обеспечения электропитания нагрузки, должен обладать еще возможностью изменения частоты выходного напряжения с целью синхронизации ее с частотой сети переменного тока. Эта особенность используется в УБП каждый раз, когда происходит перевод нагрузки на сеть с помощью байпаса, так как эта операция обеспечивает бесперебойность питания нагрузки. Если быть более точным, то синхронизация инвертора должна происходить с частотой напряжения байпаса, так как байпас может получать электроэнергию от любого источника переменного тока, например АДЭС. Рассмотрим поведение инвертора при изменении частоты напряжения на байпасе. Для того чтобы УБП с двойным преобразованием имел выходное напряжение без скачков и разрывов на всех режимах работы, нужно обеспечить безобрывное переключение на статический байпас при выходе из строя инвертора или его перегрузке. Для этого необходимо, чтобы фаза и частота сетевого напряжения (т. е. напряжение в цепи байпаса) в момент переключения были такими же, как фаза и частота выходного напряжения инвертора. Но мы не можем управлять фазой и частотой сети, следовательно, должны добиться желаемой дели за счет настройки инвертора. Поэтому инвертор УБП с двойным преобразованием должен всегда быть синхронизован с сетью. Точнее говоря, должна быть достигнута синхронизация инвертора с линией статического байпаса, которая в общем случае может быть подключена к другой линии электроснабжения, чем вход выпрямителя УБП.
Посмотрим теперь, что произойдет с УБП,. если частота сети вдруг начнет- отличаться от стандартной (50 Гц). УБП имеет некоторые пределы допустимых изменений частоты сети. Скажем, минимальная допустимая частота равна 49 Гц, а максимальная допустимая частота — 51 Гц. Если частота в линии байпаса находится в пределах допустимого, то частота инвертора аккуратно следует за ней. Частота и фаза инвертора равны частоте и фазе в линии байпаса. Следовательно УБП в любой момент может переключиться на статический байпас, не испытывая импульсных нагрузок.
Если же частота в линии байпаса станет равной, например, 48 Гц, то частота инвертора не может следовать за ней. Блок управления просто разрешает инвертору УБП прекратить синхронизацию с линией байпаса и перейти на режим независимой работы. Частота инвертора становится равной 50 Гц и остается такой до тех пор, пока частота линии байпаса не вернется в допустимые для УБП пределы.
Во время независимой работы инвертора переключение УБП на статический байпас блокируется, поскольку при таком переключении возможны сильные фазовые и амплитудные искажения, которые могут нанести ущерб чувствительной нагрузке. Более того, переключение в отсутствие синхронизации опасно для самого УБП. Некоторые УБП имеют возможность настройки. пределов допустимых изменений частоты. Например, они могут быть настроены на допустимые колебания частоты 0,5, 1 или 2 Гц в каждую сторону.
Казалось бы, чем уже диапазон допустимых колебаний частоты, тем лучше для чувствительной нагрузки. На самом деле улучшение качества стабилизации частоты происходит за счет снижения общей надежности системы. Ведь если диапазон допустимых изменений частоты установлен меньше реального диапазона изменения частоты сети, то УБП большую часть времени работает без синхронизации инвертора с линией байпаса. Это снижает общую надежность системы, защищаемой с помощью УБП, поскольку во время независимой работы инвертора невозможно переключение на статический байпас.
В случае, когда УБП имеет возможность настройки диапазона допустимых изменений частоты, пользователь имеет возможность выбирать выгодный для себя компромисс. Он может установить очень узкий диапазон частот для чувствительной нагрузки, сознательно пойдя на некоторое снижение надежности, или расширить этот диапазон для получения максимальной надежности, если нагрузка не слишком чувствительна к изменениям частоты. Как мы выяснили, основное назначение статического байпаса — увеличение надежности УБП за счет организации резервного источника электроснабжения, который вступает в действие при выходе из строя инвертора. В рассмотренном случае таким источником является та же электрическая сеть, которая питает выпрямитель УБП, но это может быть любой другой независимый источник.
Выход из строя какой-либо из систем УБП случай в общем-то довольно маловероятный. Хорошие УБП с двойным преобразованием имеют среднее время наработки на отказ не менее 106 часов. Но статический байпас имеет еще одну функцию, которая используется буквально при каждом включении сильно нагруженного УБП. Инвертор естественно имеет ограничение по допустимой нагрузке. При постоянной нагрузке этой границей является номинальная мощность УБП (SН). Кратковременно инвертор способен выдерживать большие токи. Обычно допускается в течение нескольких миллисекунд 200%-ная перегрузка инвертора без его отключения и 10... 50%-ная перегрузка в течение нескольких секунд. Однако на практике встречаются случаи большей перегрузки за счет пусковых токов питаемой аппаратуры. В этом случае УБП для защиты своего инвертора от перегрузки переключается на работу через байпас. Через несколько секунд УБП снова переключается на работу от инвертора. Этот режим работы предохраняет инвертор от выхода из строя и увеличивает общую надежность системы.
УБП с двойным преобразованием имеют более широкий диапазон мощностей по сравнению с другими УБП, который изменяется от сотен ВА до сотен киловольт-ампер. При выходной мощности 10 кВА и выше УБП рассчитываются на работу от трехфазной сети переменного тока.
УБП с двойным преобразованием энергии имеют меньший КПД, по сравнению с устройствами других типов. Он составляет примерно 90 % при полной нагрузке. При уменьшении отдаваемой в нагрузку мощности КПД уменьшается. Например, при работе УБП с 50%-ной нагрузкой КПД может снижаться до 70 %. К положительным свойствам УБП с двойным преобразованием следует отнести хорошую защиту от шумов и импульсов напряжения, защиту от искажений формы кривой напряжения, возможность работы в сетях с нестабильной частотой, стабилизацию напряжения с высокой точностью и возможность наращивания емкости аккумуляторной батареи.
Используемая литература: Электропитание устройств и систем телекоммуникаций:
Учебное пособие для вузов / В. М. Бушуев, В. А. Демянский,
Л. Ф. Захаров и др. — М.: Горячая линия—Телеком, 2009. —
384 с.: ил.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com