Рубрики
Источники питания

Структура и методы функционирования системы управления источниками бесперебойного питания серии ДПК

Структура и методы функционирования системы управления источниками бесперебойного питания серии ДПК Валерий Климов Владимир Зуенко В статье рассмотрены вопросы построения и методы

Структура и методы функционирования системы управления источниками бесперебойного питания серии ДПК Валерий Климов
Владимир Зуенко

В статье рассмотрены вопросы построения и методы функционирования системы управления источниками бесперебойного питания серии ДПК на базе микроконтроллера MC68HC908MR32

Источник бесперебойного питания (ИБП) предназначен для надежной защиты электрического оборудования юзера от всех проблем в сети, включая искажение либо пропадание напряжения сети, также для угнетения высоковольтных импульсов и высокочастотных помех, поступающих из сети. Источник бесперебойного питания с двойным преобразованием энергии обладает более совершенной технологией по обеспечению высококачественной электроэнергией без перерывов в питании нагрузки при переходе с сетевого режима (питание нагрузки энергией сети) на автономный режим (питание нагрузки энергией аккумуляторной батареи), и напротив. Обеспечивая синусоидальную форму выходного напряжения, такие источники питания употребляются для ответственных потребителей электроэнергии, предъявляющих завышенные требования к качеству электропитания.

Обилие топологии и структурное построение источников бесперебойного питания рассмотрены в ряде работ [1, 2, 3]. Одним из примеров современных источников питания малой мощности (1–3 кВА) являются источники бесперебойного питания серии ДПК [4]. В состав силовой цепи источника бесперебойного питания входят блок реле, зарядное устройство (ЗУ), корректор коэффициента мощности (ККМ), преобразователь неизменного напряжения (ППН) и инвертор. Разглядим структуру и методы функционирования системы управления источником питания с внедрением микроконтроллера MC68HC908MR32 [5].

Режимы работы источника питания

Зависимо от состояния сети и величины нагрузки источник питания может работать в разных режимах: сетевом, автономном, байпас и других.

Сетевой режим — режим питания нагрузки энергией сети.

При наличии сетевого напряжения в границах допустимого отличия и нагрузки, не превосходящей очень допустимую, источник питания работает в сетевом режиме. При всем этом режиме осуществляется:

  • фильтрация импульсных и высокочастотных сетевых помех;
  • преобразование энергии переменного тока сети в энергию неизменного тока при помощи выпрямителя и схемы корректировки коэффициента мощности;
  • преобразование при помощи инвертора энергии неизменного тока в энергию переменного тока со размеренными параметрами;
  • подзарядка АБ при помощи зарядного устройства.

При перегрузке более 110% через определенное время источник питания перебегает в режим байпас (БП). При снятии перегрузки источник питания автоматом ворачивается в обычный сетевой режим с двойным преобразованием энергии.

Автономный режим — режим питания нагрузки энергией аккумуляторной батареи.

При отклонении характеристик сетевого напряжения за допустимые пределы либо при полном пропадании сети источник бесперебойного питания одномоментно перебегает на автономный режим питания нагрузки энергией аккумуляторной батареи (АБ) через повышающий DC/DC преобразователь напряжения и инвертор. При остаточной емкости АБ наименее 20% источник питания автоматом закончит работать для исключения недопустимого разряда АБ. При восстановлении напряжения сети источник питания автоматом перейдет в сетевой режим.

Режим байпас (БП) — режим питания нагрузки впрямую от сети.

Если при сетевом режиме происходит перегрузка либо перегрев источника питания, также если один из узлов источника питания выходит из строя, то нагрузка автоматом переключается с выхода инвертора впрямую к сети. При снятии обстоятельств перехода в БП (перегрузки либо перегрева) источник питания автоматом ворачивается в обычный сетевой режим с двойным преобразованием энергии.

Режим заряда батареи появляется при наличии сетевого напряжения и включенном источнике питания. Зарядное устройство будет обеспечивать заряд батареи независимо от того, включен ли инвертор либо находится режим БП.

Режим автоматического перезапуска источника питания появляется при восстановлении сетевого напряжения, если до того источник питания работал в автономном режиме и был автоматом отключен внутренним сигналом во избежание недопустимого разряда батареи. После возникновения входного напряжения источник бесперебойного питания автоматом включится и перейдет на сетевой режим.

Режим прохладного старта обеспечивает включение
источника питания для работы в автономном режиме при отсутствии сетевого напряжения методом прямого включения инвертора.

Обозначенные режимы работы источников питания появляются при соответственных сигналах управления от микроконтроллера платы управления.

Описание платы управления источником питания

Плата управления обеспечивает нужный метод работы cиловой платы источника питания, тестирование состояния узлов и мониторинг работы источника питания, выполняя три главные функции:

  • контроль и регулирование;
  • защиту;
  • сигнализацию.

По многофункциональному предназначению можно выделить последующие узлы и цепи в составе платы управления (рис. 1):

  • микроконтроллер (МК);
  • цепи измерения аналоговых сигналов (напряжение и частота сети, напряжение и частота инвертора, ток нагрузки, напряжения шины неизменного тока, напряжение АБ, температура источника питания);
  • блок формирования сигналов управления силовыми транзисторами инвертора (БФ ШИМ);
  • цепи формирования сигналов управления и оборотной связи преобразователя напряжения и ККМ (БФСУ);
  • цепи индикации и обработки нажатия кнопок управления платы монитора (ПД);
  • блок интерфейса RS-232 (БИ);
  • вспомогательный источник питания цепей платы управления и МК (ВИП).

Структура и методы функционирования системы управления источниками бесперебойного питания серии ДПК

Блок-схема узла формирования ШИМ-сигналов управления силовыми транзисторами инвертора приведена на рис. 2.

Структура и методы функционирования системы управления источниками бесперебойного питания серии ДПК

Опорная измененная синусоида, синхронизированная по частоте и фазе с сетевым напряжением (SINE PWM), формируется МК и поступает на сумматор — усилитель ошибки. На другой вход сумматора поступает сигнал оборотной связи, пропорциональный выходному напряжению инвертора (Uвых). Сигнал ошибки (Uош) поступает на один вход компаратора, на 2-ой вход которого подается пилообразное напряжение с интегратора (Uпил). Вход интегратора тактируется синхроимпульсами с частотой, равной частоте коммутации транзисторов инвертора 19,2 кГц (CLOCK). Сформированный ШИМ-сигнал (Uшим) поступает на блок формирования комплементарной пары сигналов ШИМ (БФС) для управления попеременно верхним (положительным PWM+) и нижним (отрицательным PWM–) транзисторными плечами инвертора. На 2-ой вход этого блока поступает сигнал запрета формирования ШИМ-сигналов (Uотк) при наличии аварии источника питания либо перегрузки инвертора. Цепь формирования сигнала запрета содержит блок формирования сигнала о превышении выходного тока (БФП), блок формирования сигнала отключения инвертора по перегрузке (БФО) и блок формирования сигнала запрета работы инвертора (БФЗ). На блок формирования сигнала запрета поступает также сигнал на отключение инвертора при неисправности в источнике питания (PWM.OFF), создаваемый МК.

На АЦП-входы МК поступают последующие аналоговые сигналы (рис. 3).

  1. Положительное и отрицательное напряжения шины неизменного тока (+BUS.V, -BUS.V).
  2. Напряжение батареи (BAT.V).
  3. Напряжение сети электропитания (LINE.V).
  4. Выходной ток инвертора (LOAD.C).
  5. Температура силовых транзисторов инвертора (TEMP).
  6. Выходное напряжение инвертора (INV.V).

Структура и методы функционирования системы управления источниками бесперебойного питания серии ДПК

На входы счетчиков МК поступают сигналы об изменении полярности напряжения питающей сети (LINE.ZERO) и напряжения инвертора (INV.ZERO), сформированные операционными усилителями (ОУ) цепей измерения. Методом подсчета количества импульсов за секунду определяется частота сети и инвертора, также делается автоподстройка частоты и фазы инвертора к частоте и фазе напряжения питающей сети.

На цифровые входы МК поступают последующие сигналы (рис. 3):

  1. Сигнал правильности подключения проводников фазы и нейтрали питающей электросети (L/N).
  2. Сигнал выключения инвертора с платы монитора (кнопка «Выкл») SW.OFF; сигнал включения инвертора с платы монитора (кнопка «Вкл») SW.ON.

МК сформировывает последующие сигналы управления (рис. 3):

  1. Вкл/выкл ЗУ (CHG.OFF).
  2. Вкл/выкл преобразователя напряжения (DC.OFF).
  3. Вкл/выкл ККМ (PFC.OFF).
  4. Сигнал управления входным реле (RLY1.ON).
  5. Сигнал отключения вторичного источника электропитания (для отключения источника питания в автономном режиме работы) SHUTDOWN.
  6. ШИМ-сигнал, преобразуемый интегратором на ОУ в аналоговый сигнал оборотной связи для схемы управления шиной неизменного тока (преобразователь напряжения и ККМ) BUS.VFB.
  7. Сигнал управления выходным реле (RLY2.ON).
  8. Сигнал включения зуммера (BUZ.ON).
  9. Сигнал запрета работы инвертора (PWM.OFF).

Структура микропрограммы МК

При включении питания микропрограмма производит первичную проверку узлов источников питания и инициализирует внутренние блоки МК для выполнения данных функций, после этого перебегает к выполнению процедур (подпрограмм) в основном цикле программки.

Вызов процедур, таких как измерение характеристик на аналоговых входах АЦП, формирование сигналов оборотной связи шины неизменного тока, ШИМ-сигналов управления силовыми транзисторами инвертора, требующих пуска через точно определенные промежутки времени, делается с помощью внутренних аппаратных прерываний, генерируемых встроенными таймерами МК. Обработка прерываний имеет наивысший ценность по отношению к главному циклу программки.

Подпрограммы обмена данными по RS-232 и индикации имеют меньший ценность и производятся в последнюю очередь. Другие подпрограммы вызываются при необходимости и производятся в основном рабочем цикле микропрограммы.

Разглядим методы контрольных операций, выполняемых МК.

Измерение действующих величин напряжения и тока

Определение действующих значений напряжений инвертора и сети, также тока нагрузки делается методом серии измерений их моментальных (амплитудных) значений: для напряжения — 64 раза за период, тока — 128 раз за период, с следующим вычислением среднеквадратических значений:

Структура и методы функционирования системы управления источниками бесперебойного питания серии ДПК

где N — число дискрет (выборок) измерения электронных величин за период основной частоты напряжения инвертора либо сети; n — текущий номер дискреты.

Автоподстройка частоты и фазы напряжения инвертора к напряжению сети

При нахождении частоты сетевого напряжения в спектре FНОМ ±4 Гц МК обеспечивает синфазную работу инвертора и сети. Соответствие частоты и фазы напряжения нужно при переходе из автономного режима инвертора в сетевой, также при переводе питания нагрузки с байпас на инвертор и назад.

Автоподстройка частоты и фазы напряжения инвертора делается по результатам измерения частоты и фазы напряжений инвертора и сети по окончании каждого периода выходного напряжения инвертора. За один период частота инвертора может быть увеличена либо уменьшена на 0,01 Гц, что составляет наивысшую скорость конфигурации частоты 0,5 Гц/с.

Проверка свойства входного напряжения

  1. Проверка на пониженное напряжение осуществляется каждые 4 мс на базе анализа суммы 16 последних измерений (1/4 периода) моментального значения сетевого напряжения за его период. Делается для оперативного реагирования на недопустимое понижение напряжения и служит основанием для переключения с сетевого режима работы источника питания в автономный режим.
  2. Проверка на чрезвычайно высочайшее секундное значение напряжения осуществляется 64 раза за период сетевого напряжения. При обнаружении моментального (амплитудного) значения более 420 В (что соответствует предсказуемому действующему значению 300 ±5 В) в течение 4 поочередных измерений делается перевод источника питания в автономный режим для защиты цепей ККМ от небезопасно высочайшего значения напряжения.
  3. Проверка действующего значения входного напряжения на разрешенный спектр работы в режиме БП осуществляется 1 раз за период. Допустимые значения напряжения могут быть установлены потребителем зависимо от нрава присоединенной нагрузки. Заводская установка соответствует ±15%.
  4. Проверка действующего значения входного напряжения на разрешенный спектр работы в сетевом режиме делается 1 раз за период. Входное напряжение сравнивается с таблицей постоянных значений, отражающих зависимость малого и наибольшего допустимого напряжения от величины текущей нагрузки:
  5. – при нагрузке наименее 50%: 118–300 В;

    – при нагрузке более 50%, но наименее 75%: 140–300 В;

    – при нагрузке более 75%: 160–300 В.

  6. Проверка частоты входного напряжения на нахождение в установленном спектре рабочих частот (46–54 Гц) осуществляется с интервалом 16 мс. При выходе частоты входного напряжения за данный спектр источник питания переключается на автономный режим работы.

Проверка напряжения шины неизменного тока

Эта проверка проводится каждые 16 мс. Если напряжение на положительной либо отрицательной шинах превосходит очень допустимое значение (440 В), то через определенное время, но менее чем через 4 с, произойдет отключение ККМ в сетевом режиме либо преобразователя напряжения в автономном режиме. Проверка создана для защиты электролитических конденсаторов шины неизменного тока (наибольшее паспортное напряжение 450 В).

Проверка напряжения АБ

Расчет текущего значения напряжения АБ делается каждые 32 мс методом вычисления среднего арифметического от суммы из 100 измерений напряжения, сделанных в интервале меж вызовами подпрограммы.

Структура и методы функционирования системы управления источниками бесперебойного питания серии ДПК

Дальше рассчитанное напряжение АБ проходит последующие проверки.

  1. Проверка на лишний заряд АБ делается в сетевом режиме работы. При напряжении ячейки АБ выше 2,4 В отключается зарядное устройство и источник питания перебегает в автономный режим работы. Индикаторы платы монитора говорят об аварийной ситуации.
  2. Проверка на малый уровень заряда АБ делается в автономном режиме работы. Напряжение АБ сравнивается со значением из таблицы, зависящим от текущей величины нагрузки источника питания (в интервале значений напряжения на ячейку от 1,92 до 1,78 В). При падении напряжения АБ ниже обозначенного значения источник питания оповещает потребителя о малом уровне заряда и дальнейшем выключении нагрузки — индикатор АБ начинает мигать, интервал меж звуковыми сигналами миниатюризируется в 2 раза.
  3. Проверка АБ для защиты от глубочайшего разряда делается в автономном режиме работы. Напряжение АБ сравнивается со значением из таблицы, зависящим от текущей величины нагрузки источника питания (в интервале значений напряжения на ячейку от 1,87 до 1,68 В). При падении напряжения АБ ниже данного значения источник питания немедля отключается.

Проверка критерий перехода с автономного на сетевой режим

Проверка осуществляется каждые 32 мс. Бесспорный переход разрешен при выполнении последующих критерий:

  • значение частоты сети снутри допуска отличия частот;
  • значение напряжения сети в поле рабочего спектра;
  • наличие синхронизации частот сети и выходного напряжения;
  • отсутствие лишнего заряда АБ.

Проверка температурного режима

Данная проверка создана для защиты силовых транзисторов инвертора от выхода из строя из-за перегрева, осуществляется по свидетельствам датчика температуры 2 раза за секунду. При превышении +90 °С инвертор выключается и источник питания перебегает в режим БП.

Защита от перегрузки

В системе управления источниками питания реализованы два метода защиты от перегрузки.

  1. Защита от долговременной перегрузки. Через определенное время перегрузки МК отключает инвертор (сигнал PWM.OFF), переключая питание нагрузки на цепь БП при работе в сетевом режиме или отключая нагрузку при работе в автономном режиме:
  2. – через 30 с, если выходная мощность добивается 110% номинальной мощности;

    – через 200 мс, если перегрузка более 130%;

    – немедля, если перегрузка более 150%.

  3. Повторяющаяся токовая защита при импульсной перегрузке (оценивается высочайшее значение тока за куцее время). Блок БФП независимо от МК сформировывает сигнал запрета импульсов управления IGBT инвертора (рис. 1). Выходное реле в данном случае остается включенным на нагрузку, если не появляются длительная перегрузка либо неисправность инвертора.

Контроль недлинного замыкания либо аварии инвертора

Этот вид контроля осуществляется каждые 16 мс проверкой действующего значения выходного напряжения и тока нагрузки.

  1. Если выходное напряжение понижается до 42 В в течение 4 периодов, то:
  2. – при значении выходного тока более 40% от номинального фиксируется КЗ на выходе, появляется сигнал PWM.OFF и инвертор выключается. Сразу выключаются ККМ либо преобразователь напряжения;

    – при значении тока, не превосходящем 40% от номинального, отключается ККМ и инвертор, при всем этом нагрузка переключается на БП в момент перехода выходного напряжения через нулевое значение.

  3. При повышении выходного напряжения до 264 В или его падении до 60 В в течение 4 периодов фиксируется катастрофа инвертора, отключается ККМ и инвертор, нагрузка переключается на БП.
  4. В случае понижения выходного напряжения на 28 В от номинала 220 В в течение 8 периодов:
  5. – при токе нагрузки выше 190% фиксируется перегрузка, отключается инвертор, нагрузка переключается на цепь БП;

    – при токе нагрузки менее 190% в течение следующих 16 периодов фиксируется катастрофа инвертора, делается его выключение и переключение нагрузки на цепь БП либо отключение нагрузки при автономной работе.

Оценка полной и активной мощности

МК анализирует значения полной и активной составляющей потребляемой мощности, фиксируя превышения предельных значений по каждой из составляющих. Вычисления текущих значений мощностей осуществляются по последующим выражениям:

Структура и методы функционирования системы управления источниками бесперебойного питания серии ДПК

где N — число дискрет измерения электронных величин за период основной частоты выходного напряжения инвертора; n — текущий номер дискреты.

Символ «+» в выражении для активной мощности принимается при совпадении символов моментальных значений тока и напряжения, а при их несовпадении принимается символ «–».

Значение N определяется частотой коммутации транзисторов ШИМ-инвертора Fk.

Период подборки может приниматься равным тройному значению периода коммутации транзисторов:

Структура и методы функционирования системы управления источниками бесперебойного питания серии ДПК

Так, если Fk = 19,2 кГц, то избираем период подборки Tn = 0,15625 мс, что соответствует N = 128 на периоде основной частоты выходного напряжения инвертора 50 Гц.

Вычисленные значения мощностей в процентах от номинальных мощностей сравниваются с табличными значениями (константами, записанными в ПЗУ МК), и при их превышении осуществляется защита инвертора от перегрузки переводом источников питания в режим БП [6].