Рубрики
Составляющие силовой электроники

Источники бесперебойного питания: новый подход к синтезу. Часть 2

Источники бесперебойного питания: новый подход к синтезу. Часть 2 Саркис Эраносян Владимир Ланцов В первой части статьи [1] был представлен уникальный метод работы умственной системы

Источники бесперебойного питания: новый подход к синтезу. Часть 2 Саркис Эраносян
Владимир Ланцов

В первой части статьи [1] был представлен уникальный метод работы умственной системы управления всеми устройствами и узлами блока бесперебойного питания. Также был обусловлен выбор структуры силового тракта системы бесперебойного питания в виде 2-ух модифицирующих устройств, имеющих гальваническую развязку выхода от входа. Используя изложенные идеи и подходы, были проведены нужные исследования и расчеты, на базе которых разработаны и сконструированы все устройства и узлы системы бесперебойного питания. Рассмотрены практические схемы и силовых устройств источников питания. Проведена оценка времени работы системы бесперебойного питания от аккумуляторной батареи.

Короткое пояснение работы главных силовых узлов источников бесперебойного питания, разработанного в ЗАО «Электро-Петербург» опытнейшего эталона на мощность 1800 ВА.

Самым массивным силовым узлом источников питания является блок конвертора (КОН), который при работе системы бесперебойного питания в режиме on-line, по существу, должен «компенсировать» все утраты мощности по пути цепи преобразования энергии. При всем этом нужно учесть мощность всеохватывающей нагрузки (ВА), также коэффициенты мощности нагрузки, КПД инвертора и буферного фильтра, также все утраты мощности от входных сетевых клемм до входных клемм на блоке КОН. Разглядим особенности разработки этого блока тщательно.

Блок конвертора

Попробуем найти мощность 1-го (единичного) модуля конвертора последующим образом. Потому что данная выходная мощность источника бесперебойного питания приводится в вольт-амперах (ВА), а обычно приводимый в каталогах сosφ нагрузки при тестовых испытаниях 0,8, то выходная мощность источника питания будет Pном ≈ 1500 Вт. Если принять КПД двойного преобразования энергии системы конвертор–инвертор 0,78–0,82, то мощность, потребляемая от конвертора, составит ≈2000 Вт. В данном случае, с учетом вероятной краткосрочной работы источника питания на нагрузку 1,25 Pном (также обычно приводимую в каталогах), получим наивысшую мощность 2500 Вт. Отсюда следует, что мощность 1-го модуля конвертора ≈840 Вт, притом, что конвертор будет состоять из 3-х силовых модулей.

Схема силового модуля СМ1 показана на рис. 1. Как видно из рисунка, это схема квазирезонансного (КвРП) блока DC/DC, построенного на базе однотактного преобразователя типа «косой мост». При этом в каждом из силовых ключей применено параллельное соединение 2-ух высокочастотных MOSFET силовых транзисторов: VT1, VT2 и VT3, VT4. Это позволяет существенно понизить статические утраты в силовых ключах, которые определяют значительную часть мощности утрат в силовых транзисторах, потому что динамические утраты фактически отсутствуют изза формы тока через силовые транзисторы в виде полуволны, что типично для схемы КвРП. Силовой частотный трансформатор Т1 имеет нормируемую индуктивность рассеяния Lр (на схеме не обозначена), которая вместе с конденсатором C2 (Cр) сформировывает резонансную полуволну силового тока [2]. Дополнительный дроссель L1р, включенный во вторичную обмотку силового трансформатора фактически поочередно с индуктивностью рассеяния Lр, имеет отводы, которые могут употребляться для четкой подстройки полуволны резонансного тока под заданную продолжительность открытого состояния силового транзистора. Также с целью уменьшения утрат мощности практически параллельно включены два выпрямительных высокочастотных диодика VD3 и VD4. Схема их включения с питанием от отдельных обмоток силового трансформатора является хорошей по аспекту выравнивания токов через диоды. Для ослабления импульсного употребления тока модулем КОН от сетевого низкочастотного фильтра НФ (см. рис. 1 в первой части статьи [1]), на входе каждого силового модуля установлен буферный фильтр (Cо-L1-C1). Предохранители F1 и F2 созданы для исключения попадания высочайшего напряжения на систему управления конвертором (СУ кон.), которое может появиться при аварийном пробое перехода сток–затвор полевого силовых транзистора. Таковой пробой может вызвать пожар и является небезопасным для персонала, к примеру, в процессе опции узла силового модуля. Входное напряжение подается на клеммы Uо, а выходное снимается с клемм Eо. Силовой модуль управляется от общей схемы управления конвертором. На схеме (рис. 1) развернуто показаны сигналы для 1-го силового модуля (СМ1): напряжения управления U1 и U2, которые подаются на затворы силовых транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4 соответственно, сигнал от токового датчика IЗ1 и напряжение сигнала оборотной связи Eос.

Источники бесперебойного питания: новый подход к синтезу. Часть 2

Блок управления конвертора (СУ кон.) состоит из последующих узлов:

  • модуля управления МУ;
  • формирователей импульсов управления Ф1, Ф2, Ф3 для силовых модулей СМ1, СМ2 и СМ3 соответственно;
  • устройств сдвига ?t для пуска Ф1 и Ф2;
  • усилителей мощности Разум1, Разум2, Разум3 с трансформаторными выходами для синтеза импульсов хорошей формы, которые поступают на затворы силовых транзисторов модулей СМ1, СМ2 и СМ3 соответственно;
  • усилителей защит по току перегрузки Iз1, Iз2, Iз3 — для силовых модулей СМ1, СМ2 и СМ3 соответственно;
  • усилителя сигнала оборотной связи УПТ и схемы сопряжения «Зад. Eо», которая получает команду от системы управления всего источника питания;
  • схемы защиты от перенапряжения «Защ. Eо» на выходных клеммах конвертора, также схемы сопряжения «Форм. Eо = 130 В», которая выдает сигнал в систему для подключения аккумуляторной батареи;
  • пороговый стабилизатор напряжения СН, с выхода которого питается контроллер МУ.

На вход «СУ кон.» поступает напряжение 20 В от 1-го из вспомогательных источников питания («Бл. ИВЭ», см. рис. 1 [1]). Не считая того, для выполнения метода работы конвертора в разных режимах работы системы бесперебойного питания «СУ кон.» соединена с системой управления источником питания шиной обмена данных.

Несколько слов об практических данных по схемотехнике и элементной базе, использованной в то время для опытнейшего эталона модуля конвертора источника питания.

Следует выделить, что разрабатываемый блок источника питания предполагалось выпускать как в промышленном выполнении, так и в варианте, имеющем приемку заказчика (Приемка 5). Ввиду этого использовались изделия электрической техники (ИЭТ) российского производства, в том числе и такие, которые в последнее время предполагалось выпускать с приемкой заказчика.

ИЭТ, применяемые в схеме силовой части СМ1 (рис. 1):

  • Силовые транзисторы VT1…VT4—КП809Б1: Uси.max = 500 В, Rси.отк = 0,6 Ом, Iс.max = 9,6 А, Ic(и)max = 35 А при τи = 60 мкс, Q ≥ 200; корпус КТ-43.
  • Диоды VD1, VD2—КД636Е, диодик Шоттки: Uобр. = 800 В, Imax = 30 А, Imax.имп. = 60 А, tвосст. < 80 нс; корпус ТО-220.
  • Диоды VD3, VD4 и VD5—КД636ЕС, пара диодов Шоттки с общим катодом Uобр. = 800 В, Imax = 2X15 А, Imax.имп. = 2X30 А, tвосст. < 80 нс; корпус ТО-220.

Сразу рассматривался вопрос о вероятном применении в качестве силовых одиночных диодов, также диодных сборок, разрабатываемых в СКТБ ЭС «Электроника» под управлением головного конструктора по ВЧ-диодам Д. М. Бондаря. Характеристики диодов и диодных сборок последующие: Uобр. = (600, 700, 800) В, Imax = 25 А, tвосст. < 100 нс, корпус КТ-43 (TO-218).

Раздельно стоял вопрос о типе резонансного конденсатора (C2). Это было обосновано «тяжелым» режимом работы этого компонента, в работе которого смешивается два самых напряженных параметра для конденсаторов: высочайшая частота работы и большая допустимая реактивная мощность [2]. Для рассматриваемого варианта квазирезонансного преобразователя резонансный глиняний конденсатор должен владеть последующими чертами.

  • допустимое рабочее напряжение 500 В;
  • рабочая частота до 300 кГц;
  • допустимая реактивная мощность 500 ВАР;
  • номинальное значение конденсатора выбирается из условия получения итогового значения Cр в границах 0,03–0,12 мкФ.

Создание компактного конденсатора с такими параметрами без преувеличения является мировой неувязкой. Эту задачку, по воззрению создателей, искрометно удалось решить выдающемуся спецу по разработке конденсаторов Владлену Павловичу Смирнову. В итоге проведенной работы он получил бывалые эталоны глиняних конденсаторов 0,033 мкФ и 0,06 мкФ. Тесты этих конденсаторов в составе силовых модулей конвертора стопроцентно подтвердили их соответствие данным техническим характеристикам. А именно, при наивысшем импульсном напряжении на конденсаторе 170 В, частоте повторения 125 кГц, с учетом формы импульса, наибольшее значение реактивной мощности составило около 400 ВАР для конденсатора 0,06 мкФ. При всем этом общее значение емкости резонансного конденсатора C2 было 0,087 мкФ, другими словами он был образован параллельным соединением конденсаторов 0,027 и 0,06 мкФ. Выходное напряжение Eо в режиме испытаний силового модуля конвертора составило 140 В при токе нагрузки Iн = 7,6 А, что соответствует выходной мощности модуля 1064 Вт.

На рис. 2 приведены бывалые эталоны глиняних конденсаторов для КвРП. Небольшой конденсатор имеет емкость 0,037 мкФ, размер 16 — 12 мм, толщину 3,4 мм. Большой конденсатор имеет емкость 0,065 мкФ, размер 24 — 16 мм, толщину 3,4 мм.

Источники бесперебойного питания: новый подход к синтезу. Часть 2

Любопытно отметить, что если применить в качестве резонансного конденсатора частотный полипропиленовый конденсатор типа К78-2 с напряжением 630 В и емкостью 0,022 мкФ, то их необходимо для нашего варианта 4 штуки, чтоб получить суммарную емкость 0,088 мкФ. При всем этом допустимая переменная составляющая для этого конденсатора на частоте 100 кГц будет 189 В.

Общий вес таковой конденсаторной сборки составит 80 г, а размер 1-го конденсатора21 — 11 — 21 мм (без учета утрат объема при монтаже на интегральную схему). Обычный расчет большого соотношения сборки 4 полипропиленовых конденсаторов и сборки 2-ух плоских глиняних конденсаторов обосновывает, что резонансный конденсатор на глиняной базе будет на порядок меньше.

В системе управления конвертором можно выделить узел модуля управления (МУ), который обеспечивает главные регулировочные функции всего блока конвертора — в том числе формирование закона ЧИМ-регулирования для стабилизации выходных значений напряжения Eо, задаваемых системой управления источника питания в согласовании с текущим методом работы системы бесперебойного питания. В качестве основного контроллера МУ была применена функциональная микросхема КН1055ЕУ5(М2021), которая была разработана на ТОО «Микромодуль» под управлением профессионального головного конструктора В. П. Слынько Эта микросхема производит ЧИМ-преобразование для однотактного режима, имеет узел защиты от пониженного значения источника питания, усилитель сигнала рассогласования, плавный запуск до данной частоты регулирования, усилитель защиты от перегрузки по току, формирователь продолжительности выходного импульса, систему дистанционного включения-выключения и формирователь внутреннего опорного напряжения. Наибольшая рабочая частота преобразования — 1,5 МГц, микросхема выпускалась в 24-выводном планарном корпусе типа 5122.24-1.

После определения основной структуры электронной схемы силового модуля конвертора в согласовании с советами первой части статьи [1] нужно провести оптимизацию наибольшей частоты работы квазирезонансного преобразователя по аспекту: максимум КПД при минимуме объема силового модуля. Для проведения нужных расчетов характеристик силового модуля при вариациях частоты работы нужно создать метод сквозного расчета режимов КвРП, подобного тому, который был приведен в книжке [3] применительно к расчету узлов однотактных прямоходовых преобразователей с ШИМ-модуляцией работы силового главного элемента.

Стоит отметить, что расчет режимов работы силовых узлов КвРП более непростой по сопоставлению с различными методиками расчетов преобразователей с ШИМ. Не углубляясь в детали, отметим только одно существенное событие. Выходное напряжение силового модуля E0 является сложной функцией от:

  • U0 — входного напряжения КвРП;
  • Tпр.f — текущего значения периода работы силового ключа;
  • Ктр — коэффициента трансформации силового трансформатора;
  • Iн — тока нагрузки на выходе модуля;
  • Cр — емкости резонансного конденсатора;
  • Tр — периода частоты квазирезонансного процесса;
  • Δt, cosπk1, sinπk1, где Δt — интервал времени от начала протекания резонансного тока до нулевого значения тока во вторичной обмотке трансформатора, а k1 = Δt/(Tр/2).

Как следует, нереально, задав только наивысшую частоту работы КвРП, найти все расчетные характеристики, потому что значения Cр и Tр зависят, в том числе, и от Tпр.f. Потому расчет характеристик КвРП содержит итерационную функцию: сначала исходя из приближенных формул задаем Ктр, Tр, Δt и определяем значение Cр, после чего уточняются значения всех расчетных характеристик при минимизации емкости Cр. Когда достигнуто данное значение Eо при требуемой наибольшей частоте преобразования, можно по подходящим формулам инженерной методики расчета режимов работы силовых частей КвРП найти КПД и объем силового модуля. Варьируя частоту преобразования, можно отыскать ее наилучшее значение, которое определяется данным аспектом: максимум КПД при минимуме объема КвРП. Необходимо подчеркнуть, что невзирая на сложную расчетную функцию поиска хорошей частоты преобразования, сам принцип квазире зонансного процесса позволяет упростить расчеты. Практически, утраты мощности в КвРП, которые связаны с частотой преобразования, определяются только потерями в силовом трансформаторе и динамическими потерями в коммутирующем диодике VD5 на рис. 1. Не считая этого, характеристики выходного LC-фильтра, в главном, определяются при более низкой частоте, которая имеет место при самом большом входном напряжении U0 и номинальном токе нагрузки. Эти происшествия позволяют существенно упростить функцию поиска хорошей (наибольшей) частоты КвРП. Для рассмотренного варианта силового модуля была получена лучшая (наибольшая частота) преобразования 125 кГц. При всем этом силовой трансформатор имел последующие характеристики:

  • Сердечник ПК20 — 16.
  • Феррит 2500НМС1.
  • Суммарные утраты мощности Р∑пот. = 12 Вт.
  • W1 = 44-4 — 0,63 мм, W2 = 33-2 провода типа лицендрат 500 — 0,05 мм, Ls1 = 16,1 мкГн.

КПД силового модуля:

  • η = 0,92 в режиме U0 = 250 В, Eо = 140 В, Iн = 7,6 А;
  • η = 0,91 в режиме U0 = 250 В, Eо = 155 В, Iн = 6,5 А.

Блок инвертора

Силовые транзисторы инвертора работают в томном режиме, который обоснован большенными импульсными токами стока (до 20 А при критической нагрузке), отсюда огромные динамические утраты, которые затрудняют получение высочайшего КПД. В связи с этим лучше выстроить инверторный блок из нескольких отдельных силовых инверторных модулей. Каждый таковой модуль, который назовем МИ, может быть оптимизирован по максимуму КПД и минимуму объема модуля инвертора. Не считая этого, в предстоящем можно по мере надобности увеличивать выходную мощность инвертора на этой базе.

Мощность всего инверторного блока найдем так же, как определяли мощность конвертора:

  • принимаем КПД инвертора 0,82 и получаем, что мощность на выходе инвертора Pин составит 1500/0,82 ≈ 1800 Вт;
  • если блок инвертора будет состоять из 3-х модулей, то мощность 1-го МИ составит 600 Вт.

Потому что каждый МИ построен по полумостовой схеме с трансформаторным выходом, объединение 3-х модулей можно выполнить, соединив выходные вторичные обмотки от каждого силового трансформатора модуля поочередно.

Схема модуля МИ1 представлена на рис. 3. Как видно из рисунка, входное напряжение с выхода конвертора Eо поступает на конденсаторы C4 и C5. Полумостовая схема преобразователя имеет два схожих силовых плеча. Каждое плечо имеет дроссель (L1, L2) для понижения утрат при включении силовых транзисторных ключей [(VT1, VT2) и (VT3, VT4)] и RCD-цепи, предназначение которых — понизить утраты при выключении силовых ключей. Не считая того, в каждом плече включен токовый трансформатор (ТТ1 и ТТ2), вторичные обмотки которых сформировывают сигналы моментальной защиты по току (Iзи1 и Iзи2), также интегральной защиты от недлинного замыкания в нагрузке Iз.кз. В диагонали полумоста включен частотный силовой трансформатор Тр.с, вторичная обмотка которого является силовым выходом модуля инвертора МИ1. Силовые ключи преобразователя получают сигналы на входах управления (UУ1МИ1 и UУ2МИ2), которые представляют собой импульсы, модулированные по продолжительности (ШИМ). При неизменной несущей частоте работы полумостового преобразователя 20 кГц меняется соотношение меж импульсами управления UУ1ми1 и UУ2МИ2 в согласовании с синусоидальным законом. Задание управляющих импульсов и глубины модуляции μ происходит от сигналов центрального микропроцессора системы управления источником питания.

Источники бесперебойного питания: новый подход к синтезу. Часть 2

Представим некие практические данные по элементной базе, использованной в то время для опытнейшего эталона модуля инвертора.

Силовые транзисторы VT1…VT4 — КП813А1: Uси.max = 200 В, Rси.отк = 0,12 Ом, Iс.max = 22 А, Ic(и)max = 88 А при τи = 80 мкс, Q ≥ 200; корпус КТ-43.

Силовой трансформатор Тр.с выполнен на феррите 2000НМ1 Р∑пот. = 12 Вт, сердечник 3 — К40 — 25 — 11 обмотки W1 = 21-7 — 0,72 мм, W2 = 32-5 — 0,72 мм, КПД силового модуля инвертора η = 0,9 в режиме Eо = 160 В, Pн.инв = 540 Вт.

Схема объединения силовых трансформаторов 3-х модулей инверторов, модуля выпрямителя, также модуля транзисторного коммутатора низкочастотных полуволн напряжения представлена на рис. 4.

Источники бесперебойного питания: новый подход к синтезу. Часть 2

Как видно из рисунка, сумма напряжений вторичных обмоток от 3-х силовых трансформаторов силовых модулей инвертора МИ1, МИ2 и МИ3 подается на вход модуля выпрямителя (U∑ин), который выполнен на элементах (V1.1, V1.2), (V2.1, V2.2), (V3.1, V3.2), (V4.1, V4.2). Дальше это напряжение, состоящее из прямоугольных импульсов ШИМ, продолжительность которых меняется по синусоидальному закону, сглаживается фильтром высочайшей частоты (40 кГц) L1–C2. В итоге на выходе модуля выпрямителя (Uвых.мв) появляется последовательность полуволн: диаграмма «а» на рис. 4. Передача (коммутация) этих полуволн на выходные клеммы транзисторного коммутатора импульсов (ТКИ), другими словами формирование полупериодов выходного переменного напряжения, происходит последующим образом. К примеру, 1-ая полуволна поступает на выход ТКИ, когда включены электрические ключи VT3 иVT2, таким макаром формируется положительный полупериод переменного напряжения Uвых.ин (диаграмма «б» на рис. 4). Дальше 2-ая полуволна подается на выходные клеммы ТКИ, когда включены электрические ключи VT1 и VT4. Таким макаром формируется отрицательный полупериод переменного выходного напряжения (диаграмма «б» на рис. 4). После чего процесс коммутации силовых ключей циклически повторяется.

Система управления всеми узлами и блоками инвертора, также 3-мя модулями МИ1…МИ3 реализована в отдельном блоке, именуемом модулем управления инвертором и коммутатором (МУИК). Благодаря этому устройству производятся последующие функции:

  • обработка и согласование импульса управления ШИМ-модуляции (от микропроцессора центральной системы управления) для передачи его на усилители мощности с трансформаторным выходом и далее на затворы силовых транзисторов первого плеча полумоста МИ1, МИ2, МИ3;
  • формирование подобных импульсов управления от других усилителей мощности с трансформаторным выходом на затворы силовых транзисторов второго плеча полумоста МИ1, МИ2, МИ3;
  • обработка и согласование импульса управления по специальной (низкочастотной — 50 Гц) циклограмме (от микропроцессора центральной системы управления) для передачи его на усилитель мощности с целью отпирания-запирания силового транзистора-коммутатора VT1;
  • формирование подобных импульсов управления для передачи их на другие усилители мощности для отпирания-запирания силовых транзисторов-коммутаторов VT2, VT3, VT4;
  • обработка и согласование импульсов защит от перегрузок по току как силовых транзисторов модулей МИ1, МИ2, МИ3, так и диодов модуля выпрямителя, также силовых транзисторов модуля ТКИ. При этом принятие решения о полной блокировке текущих сигналов управления осуществляется от микропроцессора центральной системы управления после обработки аварийных сигналов от соответственных датчиков (токовые трансформаторы).

Не считая обрисованных узлов на схеме рис. 4 еще есть несколько устройств:

  • трансформатор тока ТТ1, который предназначен для подачи сигнала тока выпрямителя (Iмв) на модуль управления инвертором и коммутатором (МУИК);
  • трансформатор тока ТТ2, который предназначен для подачи сигнала переменного тока коммутатора ТКИ на субмодуль токовой защиты (СМТЗ) электрических ключей ТКИ; выход СМТЗ сформировывает сигнал на МУИК;
  • параллельно каждому силовому транзистору ТКИ установлена демпфирующая цепь, к примеру, C3, R5, R6 на силовом транзисторе VT1;
  • низкочастотный фильтр образован элементами C7, L2, C8;
  • в качестве силовых выпрямительных диодов использованы массивные диодные сборки (V1…V4).

Модуль управления МУИК сформировывает управляющие импульсы (Uу.vt1, U

    у.vt2

, Uу.vt3, Uу.vt4) для силовых транзисторов ТКИ. На вход блока МУИК подается вспомогательное напряжение от узла «Бл. ИВЭ» (рис. 1. [1]). Не считая того, этот модуль управления связан шиной обмена данных с системой управления СУ источника питания, которая обеспечивает задающими сигналами все узлы, входящие в МУИК, сформировывает импульсы для силовых ключей ТКИ и делает другие функции, которые заданы методом работы МВ, ТКИ, в том числе и при нестационарных либо аварийных режимах источника питания.

Следует выделить, что импульсы управления, поступающие на затворы силовых транзисторов инверторов, имеют лучшую форму: сходу после положительного импульса отпирания следует мощнейший запирающий импульс, при этом к моменту еще одного включения силового транзистора отрицательное напряжение на затворе понижается до 1,5–2,0 В.

Импульсы управления, поступающие на управляющие входы массивных силовых транзисторов ТКИ, также имеют лучшую форму. В данном случае практически использован аналог схемы управления IGBT-модулем, который употребляет два разнополярных источника питания с общей точкой. Исключительно в нашем варианте применены источники питания +5 В и –5 В, потому что в качестве силовых массивных транзисторных модулей использованы бывалые эталоны АООТ «Искра» — 600 В, 35 А (аналог модуля компании THOMSON ESM4045DV).

Блок аккумуляторной батареи

Разглядим главные вопросы по выбору компонент «высоковольтной» аккумуляторной батареи (АБ). Как ранее говорилось в первой части статьи, номинальное напряжение АБ выбирается из условия рационального значения ее для полумостового инвертора, также для выбора характеристик его частей, в том числе и с целью рационального использования наилучших полевых силовых транзисторов, имеющих наименьшую величину сопротивления канала сток–исток в открытом состоянии Rси.отк.. В связи с этими советами была образована аккумуляторная секция («Акк. С») для опытнейшего эталона источника питания, которая представляла собой последовательное соединение 12 аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12 В. В качестве единичного аккума была использована свинцовая герметизированная батарея типа 6СГ-15.

Стоит отметить, что в процессе разработки системы бесперебойного питания по вопросам выбора и режимов внедрения аккумов консультировал ведущий спец аккумуляторной компании «РИГЕЛЬ» к. х. н. В. В. Жданов, что позволило отыскать лучший метод заряда «высоковольтной» аккумуляторной секции.

Наибольшее значение напряжения «Акк. С» находится в границах Uакк.с = (167…170) В, мало допустимое напряжение при разряде будет Uакк.с = (132…135) В. В 1-ые 3–4 минутки разряда напряжение «Акк. С» понижается до Uакк.с = (155…160) В, таким макаром мы можем найти средневзвешенное напряжение заряженной батареи как Uср.АБ = (160 + 135)/2 ≈ 148 В.

Проведем оценку вероятного времени работы блока источника питания при пропадании сетевого напряжения. Мощность на выходе 1500 Вт, КПД преобразования от «Акк. С» до выхода источника питания с учетом электрического ключа в цепи питания батареи η = 0,8, означает, потребляемая мощность от батареи составит 1875 Вт. Сейчас можно получить номинальный ток разряда батареи In.раз = 1875/148 = 12,67 А. Отсюда получим стартовую энергию (Wст) в аккумуляторной секции с учетом номинального тока заряженной батареи In = 15 А:

Источники бесперебойного питания: новый подход к синтезу. Часть 2

Согласно 20-часовой разрядной характеристике аккума видно, что через один час ток разряда равен 7 А, другими словами напряжение на «Акк. С» понижается до 132 В, при этом оно задано нами с припасом по сопоставлению с мало допустимой величиной (для батареи 6СГ-15 это 10,5 В).

Таким макаром, можно найти остаточную энергию (Wост) в разряженной батарее:

Источники бесперебойного питания: новый подход к синтезу. Часть 2

Зная стартовую энергию в «Акк. С» и остаточную, можно получить реальное значение энергии (Wр), которая может быть «отобрана» от аккумуляторной секции в процессе работы источника питания при пропадании сетевого напряжения:

Источники бесперебойного питания: новый подход к синтезу. Часть 2

Время работы источника питания от аккумуляторной секции можно вычислять по формуле:

Источники бесперебойного питания: новый подход к синтезу. Часть 2

где kим — коэффициент «импульсности» тока употребления блока инвертора от «Акк. С».

В номинальном режиме работы: при Uср.АБ = 148 В; In.раз = 12,67 А; kим = 1,3; tибп = 0,54 ч ≈ 30 мин.

Отметим некие особенности построения аккумуляторной секции:

  • от каждой клеммы единичной батареи (ячейки) через развязывающие резисторы поступают сигналы в систему управления источником питания, которая обеспечивает измерение напряжения ячеек, также напряжения Uакк.с;
  • при достижении напряжения хоть какой из ячеек Uя = 14,1 В в процессе заряда «Акк. С» от блока заряда УЗ (рис. 1. [1]) системой СУ источника питания формируется сигнал о переходе на другой уровень тока (ток «дозаряда» — 0,06 А);
  • при разряде хоть какой из ячеек до величины Uя = 11,0 В в процессе разряда «Акк. С», система СУ источника питания сформировывает сигнал выключения КАБ (электрический ключ питания от батареи рис. 1 [1]), в итоге чего батарея отключается;
  • при включении источника питания в этом случае, если напряжение Uакк.с < 162 В, то система СУ источника питания сформировывает сигнал для блока УЗ, который начинает процесс заряда «Акк. С» по данному закону конфигурации зарядного тока;
  • силовые трассы: одна исходящая от УЗ и другая от «Акк. С» до КАБ, которые проходят через датчик тока «ДТ LEM» (рис. 1. [1]), выполнены таким макаром, что они были ориентированы встречно. В итоге этого один из сигналов от «ДТ LEM» употребляется для формирования системой СУ источника питания хорошей зарядной свойства батареи, а другой сигнал от датчика тока применяется для формирования системой СУ источника питания расчетных значений tибп, как предсказуемого времени работы блока источника питания при работе его от батареи, также текущего состояния скопленной либо остаточной энергии в аккумуляторной батарее.

Зарядное устройство УЗ и блок «БЛ. ИВЭ»

Опишем главные технические характеристики зарядного устройства УЗ и блока вспомогательных источников питания «Бл. ИВЭ» (рис. 1 [1])

Зарядное устройство должно:

  • обеспечивать энергией заряд–подзаряд «Акк. С» в полном согласовании с параметрами зарядного процесса, который описан в технических критериях на единичную батарею. В нашем случае это заряд в два шага. На первом нужный уровень зарядного тока I1.зар = 3,0 А, а на втором шаге — ток «дозаряда» I2.зар ≤ 0,08 А;
  • обеспечивать первичным электропитанием Бл. ИВЭ, который состоит из набора модулей питания (МП), созданных для обеспечения вспомогательным питанием всех узлов и блоков источника питания.

Расчетная выходная суммарная мощность блока УЗ составляет 250 Вт, при всем этом его выходное напряжение с учетом всех режимов работы будет изменяться в границах Uвых.уз = (135…175) В.

Конкретно с учетом такового спектра конфигурации входного неизменного напряжения разрабатывались отдельные МП. С целью унификации схемных решений и конструктивов были разработаны модули питания на выходную мощность от 10 до 30 Вт. При всем этом номенклатура выходных напряжений обхватывала спектр: 5, ±12, ±15, 20, 24 В. Все модули имеют схожую схемную структуру, в базе которой применен квазирезонансный однотактный преобразователь (DC/DC) с одним силовым транзистором, содержащий унифицированный модуль управления (МУ), аналогичный примененному в схеме СМ1 (рис. 1). Наибольшая рабочая частота лежит в границах 150–200 кГц, при всем этом КПД модулей составляет 0,8–0,87. Типовая схема модуля питания приведена на рис. 5.

Источники бесперебойного питания: новый подход к синтезу. Часть 2

Схема блока УЗ построена аналогично структуре силового модуля (рис. 1). Очевидно, ввиду наименьшей (вчетверо) выходной мощности УЗ, в схеме изменена компонентная база. А именно, нет необходимости в параллельном соединении силовых транзисторов и диодов, упрощается схема управления, на выходе блока устанавливается дроссель и диодик, а система оборотной связи должна обеспечивать режим стабилизатора данного уровня зарядного тока. При всем этом режимы уровней стабилизации зарядного тока передаются по шине обмена данных, которые регулируются центральным микропроцессором системы СУ источника питания.

Система управления СУ источников питания

Основная цель этой статьи — разглядеть принципы построения и особенности разработки силовых устройств, входящих в источник питания. Конкретно характеристики силовых блоков определяют главные энерго и массо-габаритные характеристики системы бесперебойного питания: КПД и удельную объемную характеристику. Что касается системы управления, то, не умаляя значимости ее характеристик, можно отметить последующее. До того как приступить к ее проектированию, нужно составить подробный метод функционирования СУ источника питания во всех без исключения режимах работы блока бесперебойного питания. Позволим для себя аналогию с известным афоризмом, который отражает взаимодействие отраслевой технической науки и прикладной арифметики: «Математика — это мельница, что вы в нее загрузите, то она и переработает». Отсюда следует особенная значимость формулировки списка задач, которые должна решать система управления высочайшего уровня. Непременно, исходя из убеждений надежности работы источника питания принципиально, чтоб было высочайшим качество компонентной базы, также программных товаров, которые будут использованы и разработаны в процессе синтеза СУ источника питания. При разработке системы управления нет мелочей. Нужно сделать СУ источника питания не только лишь хорошей по составу отдельных узлов, да и предугадать некий ресурсный припас для выполнения дополнительных функций, которые могут появляться как в процессе разработки силовых блоков системы бесперебойного питания, так и по результатам испытаний опытнейшего эталона источника питания. Это в особенности принципиально, потому что синтез и отработка всех узлов и устройств, в том числе и СУ источника питания, производится в параллельном режиме проектирования источника питания. Отсюда следует, что конкретно на главном разработчике системы управления держится вся нить связей и взаимодействий, которая обеспечит в перспективе, после отработки СУ источника питания, правильное и неотказное функционирование источника питания.

На всех шагах сотворения системы бесперебойного питания от разработки основной идеологии построения до разработки метода функционирования и проведения исследований в процессе макетирования отдельных узлов воспринимал активное роль управляющий компьютерной группы — исключительнно одоренный спец по вычислительной технике и программированию В. О. Цыпкин В нем органично смешивалось хорошее познание новейшей элементной базы с желанием и рвением вдуматься в суть работы современных высокочастотных преобразовательных систем. Эти свойства позволяли оперативно решать многие текущие технические трудности в силовых блоках методом некого усложнения программки для системы управления центрального микропроцессора СУ источника питания. К примеру, когда управляющий разработки всей системы бесперебойного питания показал, что аппаратная реализация функций формирования импульсов для модуля инвертора — задачка не только лишь непростая, да и связанная с рядом запросов сигналов от системы управления, то было принято решение, чтоб вся система задания ШИМ-модулированных импульсов для инвертора была реализована в СУ источника питания. Аналогично решались и вопросы формирования аналоговых сигналов для режима плавного пуска (подъема и понижения напряжения) на выходе силовых блоков инвертора и конвертора. Потому конкретно оптимизация программного обеспечения, также введение дополнительных функций, реализованных в структуре СУ источника питания, привело к тому, что были существенно облегчены локальные системы управления силовыми модулями инвертора и транзисторного коммутатора.

Облегченная структура СУ источника питания приведена на рис. 6.

Источники бесперебойного питания: новый подход к синтезу. Часть 2

На рисунке в прямоугольнике, где приведена система органов управления, индикации и сигнализации, размещение частей условное, а элементы, которые изображены снутри пунктирной полосы, в обычном режиме защищены крышкой. Отметим некие особенности компонентной базы СУ источника питания.

В качестве центрального микропроцессора применен микроконтроллер 80C196MD компании Intel.

Это контроллер [4] из семейства 16-разрядных быстродействующих ИС высочайшей степени интеграции, нацеленных на решение задач управления процессами в реальном масштабе времени. Наибольшая тактовая частота 16 МГц, арифметическое логическое устройство (АЛУ) делает 2 млн операций за секунду при выполнении простых операций, ПЗУ содержит 16 кбайт в 8-разрядных ячейках памяти. Периферийные устройства микроконтроллера могут делать последующие функции:

  • устройства ввода и вывода данных;
  • устройства ввода и вывода отдельных дискретных сигналов («включено–выключено»);
  • устройства ввода и вывода аналоговых сигналов;
  • устройства обмена данными с другими микроконтроллерами;
  • устройства приема и обслуживания запросов прерывания;
  • устройства контроля корректности функционирования микроконтроллера.

Общее потребление микроконтроллера — менее 75 мА на частоте 16 МГц. В число устройств перифирии котроллера заходит также 14-канальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Плата микроконтроллера сформировывает управляющие сигналы в согласовании с методом работы блока источника питания, который приведен в первой части статьи [1]. Не считая того, микроконтроллер задает малый импульс управления транзисторами инвертора — 1 мкс и наибольший импульс— 23,5 мкс. Также происходит формирование защитных интервалов времени для полумостового преобразователя инвертора — 1,5 мкс в полупериоде высочайшей частоты 25 мкс, а для силовых транзисторов коммутатора—22 мкс в полупериоде низкой частоты 10 мс. На плате микроконтроллера применены микросхемы серий 1533, 555, RTS6581 компании Seiko Epson, 561 и др.

В плате согласования входных аналоговых сигналов с АЦП МК применены микросхемы серий 1401УД2, 140УД17, 140УД6, 590, также транзисторные оптроны типа АОТ101 и микросхема 140ЕН6 для получения напряжения ±9 В.

Результаты проведенных испытаний макетного эталона разработанного источника питания, также их анализ и выводы подвергнутся рассмотрению в последующей публикации.

(Окончание следует)