Джерело безперебійного живлення (ДБЖ, UPS) з подвійним перетворенням (on-line)

На малюнку представлена блок-схема ДБЖ з подвійним перетворенням енергії (on line).

Рис. 17. ДБЖ з подвійним перетворенням енергії
На вході ДБЖ з подвійним перетворенням енергії знаходиться випрямляч. На відміну від випрямлячів розглянутих нами раніше типи ДБЖ — це потужний пристрій. Адже випрямляч повинен не тільки заряджати батарею ДБЖ, але, перш за все, забезпечувати інвертор ДБЖ постійною напругою.
Інвертор перетворює весь потік потужності напруги постійного струму в напругу змінного струму.
Байпас — це спеціальна лінія, яка дозволяє у разі необхідності живити навантаження безпосередньо від електричної мережі. Для перемикання на роботу через байпас служить статичний (тобто не має рухомих елементів) перемикач. Тому цей байпас часто називають статичним байпасом.
ДБЖ з подвійним перетворенням енергії може працювати в трьох режимах.
Робота від мережі
Якщо в мережі є «нормальне» напруга, то вся потужність, споживана навантаженням, проходить через випрямляч ДБЖ. Випрямляч перетворює напруга електричної мережі в стабілізовану напругу постійного струму. Воно використовується для заряду батареї і для живлення інвертора.
Інвертор перетворює напругу постійного струму в напругу змінного струму, яким і харчується навантаження.
Робота від батареї
Випрямляч ДБЖ з подвійним перетворенням видає стабілізовану напругу постійного струму. Тобто незалежно від величини напруги змінного струму на вході випрямляча напруга постійного струму на його виході зберігається постійним. Природно, напруга залишається стабільним тільки якщо вхідна напруга не виходить з деякого діапазону допустимих напружень. Цей діапазон називається діапазоном вхідних напруг ІБЖ.
Діапазон вхідних напруг ІБЖ з подвійним перетворенням не залишається постійним. Його величина (або, вірніше, його нижня межа) залежить не тільки від конкретної моделі ДБЖ, але і його навантаження.
Якщо напруга мережі стає менше нижньої межі діапазону вхідних напруг (тобто випрямляч вже не може стабілізувати напругу), напруга постійного струму на виході випрямляча зменшується і стає нижче напруги зарядженої батареї ДБЖ. Ніякого перемикання не відбувається. Просто інвертор починає частково живитися від батареї, а батарея починає розряджатися. При подальшому зменшенні напруги або якщо напруга пропадає зовсім, інвертор починає повністю живитися від батареї. Кажуть, що ДБЖ перейшов на режим роботи від батареї.
Робота ДБЖ від батареї триває деякий час, обумовлений зарядом батареї і навантаженням. Після того, як батарея розрядиться до напруги приблизно 1.7 В на елемент, інвертор ДБЖ буде відключений автоматикою, що захищає батарею від безповоротного перерозряду.
Якщо напруга на вході ДБЖ знову підніметься до нормального, випрямляч знову почне заряджати батарею і живити інвертор.
Режим роботи через статичний байпас.
Основні елементи ДБЖ з подвійним перетворенням при роботі від мережі постійно знаходяться під навантаженням. Якби ДБЖ з подвійним перетворенням був побудований за схемою, придуманої нами у другій главі, то він мав би низьку надійність. Адже при виході з ладу інвертора, подача напруги на навантаженні перервався б і ДБЖ не тільки не виконав би свого призначення, але навіть сам з-за своєї поломки міг би стати причиною втрати даних в комп'ютерах підключених до нього або відключення яких-небудь підключених до нього важливих пристроїв.
Для того, щоб цього не відбувалося, ДБЖ введена ще одна лінія електропостачання навантаження — статичний байпас.
При виході з ладу інвертора або його перевантаження, спрацьовує перемикач (розмикається лінія «інвертор-навантаження» і замикається лінія «байпас-навантаження») і навантаження продовжує харчуватися від мережі.
На жаль не всі ДБЖ з перемиканням мають статичний байпас. На мій погляд такі ДБЖ взагалі не слід використовувати, оскільки вони не надійні.
Розглянемо тепер роботу окремих елементів ІБЖ.
Випрямляч
Випрямляч ДБЖ з подвійним перетворенням повинен мати потужність, достатню для двох його основних функцій. Його максимальний вихідний струм повинен бути не менше суми максимального вхідного струму інвертора і максимального зарядного струму батареї.
Для правильного заряду батареї випрямляч повинен дуже точно (з точністю не гірше 1%) підтримувати напругу плаваючого заряду на батареї.
Іноді в ДБЖ з подвійним перетворенням енергії застосовують регульовані тиристорні випрямлячі.
В деяких випадках в ДБЖ встановлені пасивні (діодні) випрямлячі, а для точного регулювання напруги на акумуляторної батареї використовується перетворювач напруги постійного струму. Іноді ДБЖ, побудовані за такою схемою їх виробники називають ДБЖ з потрійним перетворенням.
Інвертор, синхронізація з мережею і перемикання на статичний байпас.
Інвертор ДБЖ з подвійним перетворенням енергії має можливість зміни вихідної частоти інвертора для синхронізації вихідної напруги інвертора з мережею.
Ця функція використовується в ДБЖ з подвійним перетворенням постійно і просто необхідна для перемикання ДБЖ на статичний байпас. Розглянемо це перемикання дещо детальніше.
Для того, щоб ДБЖ з подвійним перетворенням мав безперервне вихідна напруга без стрибків і розривів на всіх режимах роботи, потрібно забезпечити гладке перемикання на статичний байпас при виході з ладу інвертора або його перевантаження.
Для цього необхідно, щоб фаза і частота напруги (тобто напруги в ланцюзі байпаса) в момент перемикання були такими ж, як фаза і частота вихідної напруги інвертора.
Але ми не можемо управляти фазою та частотою мережі, отже ми повинні домогтися бажаної мети за рахунок налаштування інвертора. Ми не можемо, як в ДБЖ, взаємодіючим з мережею, підлаштувати фазу і частоту інвертора перед перемиканням. Адже ми, на жаль, не знаємо, в який момент інвертор вийде з ладу або зазнає перевантаження.
Тому інвертор ДБЖ з подвійним перетворенням повинен завжди бути сінхронізовано з мережею. Точніше кажучи, повинна бути досягнута синхронізації інвертора з лінією статичного байпаса, яка в загальному випадку може бути підключена до іншої лінії електропостачання, ніж вхід випрямляча ДБЖ.
Подивимося тепер, що станеться з ДБЖ з подвійним перетворенням енергії, якщо частота мережі раптом почне відрізнятися від стандартної (50 Гц).
ДБЖ з подвійним перетворенням має деякі межі допустимих змін частоти мережі (ця характеристика зазначена в паспорті або описі). Скажімо мінімальна допустима частота дорівнює 49 Гц, а максимальна допустима частота — 51 Гц (тобто межі допустимих змін частоти дорівнюють ± 2%)
Якщо частота в лінії байпаса знаходиться в межах допустимого, то частота інвертора акуратно слід за нею. Частота і фаза інвертора рівні частоті і фазі в лінії байпаса. Отже ДБЖ в будь-який момент (при виході з ладу інвертора або його перевантаженні) може переключитися на статичний байпас, не відчуваючи імпульсних навантажень.
Якщо ж частота в лінії байпаса стане рівною 48 Гц, то частота інвертора не може слідувати за нею, щоб не живити навантаження напругою з частотою, сильно відрізняється від номінальної.
Як ми вже знаємо, ДБЖ, які взаємодіють з мережею, в цьому випадку переходять на режим роботи від батареї, а після вичерпання заряду батареї відключаються.
ДБЖ з подвійним перетворенням енергії відпрацьовують цю ситуацію набагато краще. Блок управління просто дозволяє інвертору ДБЖ припинити синхронізацію з лінією байпасу і перейти на режим незалежної роботи. Частота інвертора стає рівною рівно 50 Гц і залишається такою до тих пір, поки частота лінії байпаса не повернеться в межі допустимого.
Під час незалежної роботи інвертора, перемикання ДБЖ на статичний байпас блокується, оскільки при такому перемиканні можливі сильні фазові і амплітудні спотворення, які можуть завдати шкоди чутливій навантаженні. Більш того, перемикання в відсутність синхронізації небезпечно для самого ІБЖ.
Деякі ДБЖ мають можливість настройки меж допустимих змін частоти. Наприклад, вони можуть бути налаштовані на допустимі коливання частоти 0.5, 1 або 2 Герца в кожну сторону.
Здавалося б, що вже діапазон допустимих коливань частоти, тим краще для чутливої навантаження. Насправді поліпшення якості стабілізації частоти відбувається за рахунок загальної надійності системи. Адже якщо діапазон допустимих змін частоти встановлено менше реального діапазону зміни частоти мережі в місці установки ДБЖ, то ДБЖ більшу частину часу працює без синхронізації інвертора з лінією байпаса. Це знижує загальну надійність системи, що захищається за допомогою ДБЖ, оскільки під час незалежної роботи інвертора неможливо перемикання на статичний байпас.
У разі якщо ДБЖ має можливість налаштування діапазону допустимих змін частоти, користувач має можливість вибирати вигідний для себе компроміс. Він може встановити дуже вузький діапазон частот для чутливої навантаження, свідомо пішовши на деяке зниження надійності системи, або розширити цей діапазон для отримання максимальної надійності, якщо навантаження не дуже чутлива до змін частоти.
Як ми з'ясували, основне призначення статичного байпаса — це збільшення надійності ДБЖ і комп'ютерної системи в цілому за рахунок організації резервного джерела електропостачання, який вступає в дію при виході з ладу інвертора. У розглянутому найпростішому випадку таким джерелом є та ж електрична мережа, яка живить випрямляч ДБЖ. (Зауважимо в дужках, що це не єдиний можливий джерело).
Вихід з ладу будь-якої з систем ДБЖ річ, загалом-то, досить малоймовірна. Хороші ДБЖ з подвійним перетворенням мають середній час напрацювання на відмову до 10 років. Але статичний байпас має ще одну функцію, яка використовується буквально при кожному включенні сильно навантаженого ДБЖ.
Інвертор природно має обмеження по припустимою навантаженні. При постійної навантаженні цією межею є номінальна потужність ДБЖ. Короткочасно інвертор здатний витримувати великі струми. Зазвичай допускається перевантаження близько 50-150% на кілька мілісекунд і близько 10-50% на кілька секунд або десятків секунд.
Практично будь-якому споживачеві електроенергії відоме таке явище, як стартовий струм. Під цим розуміється струм, що виникає при включенні споживача електроенергії на відміну від струму на сталому режимі роботи.
Для комп'ютерів і інших часто живляться від ДБЖ пристроїв характерний досить великий стартовий струм. При кожному включенні комп'ютера споживає у кілька разів більший струм, ніж після запуску (як ми побачимо далі, стартовий струм легко може перевищити номінальний струм в 10 разів).
Таким чином при запуску споживачів, потужність яких становить хоча б 10% номінальної потужності ДБЖ, можливе перевантаження інвертора. Якщо перевантаження виникла, ДБЖ для оберігання свого інвертора від перевантаження перемикається на роботу через байпас. Через кілька секунд ДБЖ знову перемикається на роботу від інвертора. Цей режим роботи оберігає інвертор від виходу з ладу і збільшує загальну надійність комп'ютерної системи, захищеної з допомогою ДБЖ з подвійним перетворенням енергії.
Інші елементи ДБЖ з подвійним перетворенням
Порівняємо ще раз схеми ДБЖ з подвійним перетворенням і взаємодіє з мережею. У ДБЖ з подвійним перетворенням відсутні (хоча і не у всіх моделей) деякі елементи: фільтри шумів і імпульсів. В ДБЖ цього типу імпульси і шуми фільтруються в результаті випрямлення напруги змінного струму: на виході випрямляча є схеми придушення пульсацій напруги, що виконують роль фільтрів.
У процесі другого перетворення енергії шуми і імпульси ще раз зменшуються і навантаження живиться чистим синусоїдальною напругою.
Тому відсутність у схемі фільтрів можна вважати свого роду фокусом: всередині ДБЖ є елементи, що виконують ці функції, але називаються по іншому. Крім того, в деяких ДБЖ з подвійним перетворенням енергії встановлені варисторного шунти.
Блок управління ДБЖ з подвійним перетворенням енергії не аналізує стану електричної мережі (ви бачите, що на блок-схемі немає відповідної стрілки). В цьому немає необхідності, адже нам не потрібно управляти перемиканням (або, вірніше, переходом) ДБЖ з подвійним перетворенням на роботу від батареї — цей перехід відбувається або, вірніше, відбувається без участі керуючої електроніки.
Немає необхідності проводити аналіз форми напруги змінного струму на вході ДБЖ: випрямляч ДБЖ з подвійним перетворенням енергії може харчуватися напругою змінного струму практично будь-якої форми — все одно на виході випрямляча буде стабілізовану напругу постійного струму, а на виході інвертора — чиста синусоїда.
Завдання блоку управління — регулювати напругу на виході випрямляча, напруга на виході інвертора (як і в інших, розглянутих раніше ДБЖ) і не пропустити момент, коли знадобиться зробити перемикання на роботу через статичний байпас.
Батарея
Батарея ДБЖ з подвійним перетворенням не має ніяких відмінностей від батарей ДБЖ інших типів.
Всі силові елементи ДБЖ з подвійним перетворенням енергії працюють під навантаженням весь час, поки ДБЖ включений (на відміну, наприклад, від інвертора і випрямляча ДБЖ з перемиканням, які простоюють, поки ДБЖ працює від мережі). Тому всі напівпровідники та інші силові елементи ДБЖ з подвійним перетворенням розраховані на тривалу роботу з повним навантаженням. Це дозволяє, не вносячи значних змін в ДБЖ, підключати до нього додаткові акумулятори для збільшення тривалості роботи від батареї.
Більшість ДБЖ з подвійним перетворенням мають таку можливість.
Індикація і управління
Органи індикації і управління ДБЖ з подвійним перетворенням не мають принципових відмінностей від панелей управління інших ДБЖ.
Стандартний набір включає клавіші включення і виключення приладу, індикатори мережі, заряду батарей і навантаження (для деяких моделей).
Характеристики ДБЖ з подвійним перетворенням енергії
Потужність
ДБЖ з подвійним перетворенням мають найбільш широкий діапазон потужностей порівняно з іншими ДБЖ.
Мінімальна потужність — 500-700 ВА для різних серій невеликих ДБЖ.
Схема ДБЖ з подвійним перетворенням дозволяє створювати пристрої дуже великої потужності. Зазвичай максимальна потужність одиничного ДБЖ обмежується величиною близько 300-500 кВА. Але можливо нарощування потужності ДБЖ за рахунок паралельної роботи декількох модулів на одну навантаження.
Починаючи з потужності близько 10 кВА ДБЖ зазвичай призначені для роботи з трифазним вхідною напругою. Тому все, що пов'язано з ДБЖ середньої і великої потужності, що розглядається у розділі «Трифазні [ДБЖ38».
Коефіцієнт корисної дії
ДБЖ з подвійним перетворенням енергії мають не дуже високий ККД, в порівнянні з ДБЖ інших типів. Тим не менш, їх ККД досить великий. Він становить приблизно 90% при повній або близькій до повної потужності. При зменшенні потужності ККД зменшується.
На приблизно 50% потужності ККД може становити близько 70%.
Виходячи з ККД можна оцінити максимальне тепловиділення ДБЖ. Воно приблизно дорівнює 10% від номінальної потужності ДБЖ. Тепловиділення ДБЖ повинна враховуватися при розрахунку теплового режиму приміщення, де встановлені ДБЖ. Детальніше це розглянуто в главі «Трифазні ДБЖ», оскільки тепловий режим критичний саме для великих ДБЖ.
Наведена вище величина ККД не враховує використання частини вхідної потужності для заряду батареї. Тому для того, щоб навіть приблизно визначити максимальний вхідний струм ДБЖ, величини ККД не достатньо. Треба дивитися більш детальні технічні характеристики ДБЖ, а для точного розрахунку максимального вхідного струму, потрібно розраховувати цю величину, виходячи їх ємності батареї, встановленої в ДБЖ.
Час роботи від батареї
ИБП небольшой мощности (до 1 кВА) имеют время работы от батареи при полной нагрузке примерно 5-15 минут. Но почти для всех ИБП большей мощности фирма производитель обычно предусматривает возможность наращивания емкости батареи по сравнению со стандартной.
ИБП средней и большой мощности (более 10-30 кВА) часто не имеют «стандартной» батареи. Батарея для них подбирается, исходя из требований заказчика. Наиболее распространенными вариантами являются батареи на 3-5 минут автономной работы — для сопряжения ИБП с дизельным генератором и батарея на 10-30 минут — для автономной работы ИБП.
Переваги ДБЖ з подвійним перетворенням
До позитивних властивостей ДБЖ з подвійним перетворенням слід віднести наступні.
• Хороший захист від шумів і наносекундних імпульсів.
• Дуже хороша захист від спотворення форми кривої напруги і мікросекундний імпульсів.
• Можливість роботи в мережах з нестабільною частотою.
• Найкраща плавна стабілізація напруги з високою точністю.
• Можливість нарощування батареї практично для всіх моделей ДБЖ.
Недоліки ДБЖ з подвійним перетворенням
Як і для інших ДБЖlink text недоліки ДБЖ з подвійним перетворенням випливають з особливостей силової схеми ДБЖ (і, на жаль, навряд чи можуть бути відокремлені від переваг).
• Більш висока ціна, в порівнянні з іншими типами ДБЖ (крім феррорезонансного).
• Підвищене тепловиділення, порівняно з іншими типами ДБЖ (крім феррорезонансного).link text