Рубрики
Силовые разъемы

Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства

Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства Валерий Климов Андрей Портнов Владимир Коротков Валерий Смирнов

Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства Валерий Климов
Андрей Портнов
Владимир Коротков
Валерий Смирнов
Сергей Сыромятников
Роберт Бейм

В статье приведены результаты экспериментального исследования динамических режимов и гармонического состава входных и выходных токов и напряжений российских однофазовых бесперебойных источников питания (ИБП) серии ДПК мощностью 1–3 кВА. Рассмотрены результаты испытаний при работе бесперебойных источников питания на нелинейную, двигательную и статическую линейную нагрузки.

Динамические свойства являются необходимыми потребительскими качествами источников бесперебойного питания, отражающими их надежную работу при коммутации нагрузки, скачках сетевого напряжения, перегрузках и других возмущениях, возникающих в системе «сеть — источник питания — нагрузка». Данная работа посвящена результатам экспериментального исследования динамических режимов источников питания с двойным преобразованием энергии серии ДПК мощностью 1–3 кВ·А производства ЗАО «Энергетические технологии» [1]. Исследования проводились на электродинамической модели кафедры «Электроэнергетические системы» МЭИ. Для регистрации и обработки результатов тестов использовались программно-технический комплекс ПТК «Нева», разработанный НПФ «Энергосоюз», и регистратор свойства электронной энергии «Парма РК1.01».

Многофункциональные особенности силовой цепи источника питания

Многофункциональная схема силовой цепи источника питания , в состав которой заходит выпрямитель — корректор коэффициента мощности (В-ККМ), также инвертор (ИНВ), приведена на рис. 1.

Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства

В-ККМ делает три функции:

  • производит преобразование напряжения сети переменного тока в стабилизированное напряжение неизменного тока, обеспечивая питание инвертора размеренным напряжением неизменного тока 700 В;
  • обеспечивает потребление из сети входного тока, совпадающего по фазе с напряжением сети и фактически синусоидальной формы, вне зависимости от нрава нагрузки источника питания, что позволяет иметь входной коэффициент мощности, близкий к единице;
  • обеспечивает мягенький старт для уменьшения пускового входного тока источника питания.

Частотный корректор коэффициента мощности (ККМ) в источнике питания выполнен по схеме повышающего преобразователя (бустера) с дифференциальным выходом на диодиках VD1–VD4, емкостях С1, С2 и силовом дросселе L1, включенном во входную цепь переменного тока [2]. Силовой транзистор ККМ VT1 управляется сигналом с широтно-импульсной модуляцией (частота ШИМ 20–30 кГц) при помощи спец микросхемы типа UC 3854.

Инвертор (ИНВ) конвертирует напряжение неизменного тока 700 В в синусоидальное напряжение 50 Гц 220 В. Блок инвертора производится по полумостовой бестрансформаторной схеме на IGBT-транзисторах VT2, VT3. Силовые транзисторы управляются высокочастотными ШИМ-сигналами (20 кГц). Широтноимпульсная модуляция сигналов осуществляется по синусоидальному закону, что обеспечивает высшую точность выходного напряжения. Синусоидальная форма выходного напряжения формируется из высокочастотных ШИМ-импульсов при помощи выходного фильтра L2, С3.

Преобразователь неизменного напряжения (ППН) (на рис. 1 не приведен) обеспечивает увеличение и стабилизацию напряжения аккумуляторной батареи (АБ) до уровня, нужного для надежной работы инвертора в автономном режиме. Принципная схема преобразователя напряжения представляет собой двухтактный дифференциальный частотный преобразователь на 2-ух группах параллельно включенных силовых транзисторов и высокочастотном трансформаторе, мощность которого с учетом утрат в инверторе должна превосходить выходную мощность источника питания. Транзисторы управляются ШИМ-сигналами с микросхемы контроллера типа UC 3525, который в свою очередь получает сигналы разрешения работы с платы управления источником питания.

К дифференциальной выходной обмотке частотного трансформатора подключены две группы диодов, обеспечивающие выпрямление и формирование на конденсаторах С1, С2 (рис. 1) высоковольтного напряжения неизменного тока +350, –350 В относительно общей шины для питания инвертора в автономном режиме работы источника питания.

Короткое описание применяемого оборудования при проведении исследовательских работ

Электродинамическая модель (ЭДМ) может воспроизводить разные, в том числе аварийные режимы электроэнергетической системы, что позволяет проводить тесты натурных образцов оборудования в критериях, близких к реальным. На ЭДМ может быть воспроизведен широкий диапазон разных возмущений: недлинные замыкания и отключения фаз источника, сброс и наброс нагрузки, генерирование напряжения данной формы.

Модернизированный программно-технический комплекс ПТК «Нева» позволяет задавать определенные режимы ЭДМ в согласовании со специальной программкой «Управление экспериментом». В функции ПТК входят:

  • мониторинг текущего режима энергообъекта;
  • цифровое осциллографирование переходных процессов;
  • управление коммутирующей аппаратурой по временному либо логическому признаку;
  • представление на дисплее монитора временных диаграмм и моментальных значений спектральных черт исследуемого процесса;
  • печать регистрируемых данных опыта.

Регистратор характеристик свойства электронной энергии «Парма РК1.01» дает возможность получать усредненные за 3 с значения гармонических составляющих напряжения до 40-й гармоники включительно и коэффициент преломления синусоидальности кривой напряжения Ки. Эти свойства входят в характеристики свойства электронной энергии питания электропотребителей общего предназначения [3].

В статье рассматриваются результаты испытаний при работе источника питания на однофазовую нелинейную, двигательную и статическую линейную нагрузки.

Однофазовая эталонная нелинейная нагрузка (ЭНН) имитировалась при помощи диодного моста, нагруженного на параллельно соединенные емкость и резистор (рис. 2).

Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства

Дополнительный резистор Rs, служащий для ограничения бросков тока заряда емкости, может быть включен как со стороны переменного, так и неизменного тока выпрямительного моста. Коэффициент мощности ЭНН принимается равным 0,7, другими словами 70% полной мощности S должно рассеяться в виде активной мощности на резисторах Rs и R1.

Величина Rs выбирается из условия рассеяния активной мощности, равной 4% общей полной мощности ЭНН, а R1 (нагрузочный резистор) — 66% полной мощности S (В·А).

Расчетные соотношения для выбора частей ЭНН последующие [5]:

Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства

где U — действующее номинальное значение выходного напряжения источника питания (В).

В качестве двигательной нагрузки употреблялся компрессор холодильного агрегата с пиковой мощностью при включении 1700 В·А.

В качестве линейных нагрузок использовались лампы накаливания и нагревательные приборы.

Список исследуемых динамических черт источника питания

  1. Изменение рабочего режима источника питания.
    • Переход с сетевого режима на АБ (питание от аккумуляторных батарей).
    • Переход с АБ на сетевой режим.
    • Переход с режима двойного преобразования энергии (ДПЭ) на режим байпас.

    При этих исследовательских работах определяются предельные значения входного напряжения при смене режимов работы источника питания зависимо от величины нагрузки и гистерезис входного напряжения по возврату из автономного режима в сетевой.

  2. Отклонение выходного напряжения от установившегося значения при переходных процессах.
    • Ступенчатое изменение (наброс/сброс) линейной нагрузки.
    • Ступенчатое изменение нелинейной нагрузки.
    • Включение источника питания на двигательную нагрузку.

    При этих исследовательских работах определяются провалы и всплески моментальных значений выходного напряжения и тока и время возврата в установившийся режим работы источника питания после скачков нагрузки.

  3. Реакция источника питания на скачки входного напряжения.
  4. Перегрузочные и защитные возможности источника питания.
    • Перегрузочные способности инвертора.
    • Условия перехода на байпас.
    • Эффективность электрической защиты для отключения источника питания при значимых перегрузках и маленьком замыкании.
  5. Гармонический состав выходного напряжения и тока в переходных и установившихся процессах.
  6. Воздействие коэффициента преломления синусоидальности входного напряжения на гармонический состав выходного напряжения.

Обозначенный список динамических черт отражает общие требования к источникам питания, изложенные в эталонах [4, 5].

Результаты экспериментальных исследовательских работ

  1. Исследование спектра конфигурации входного напряжения, при котором источник питания серии ДПК сохраняет сетевой режим двойного преобразования энергии без перехода на АБ, показало, что приобретенные результаты соответствуют уровню характеристик передовых производителей источников питания.

В таблице 1 приведены приобретенные результаты измерений при значениях нагрузки 30%, 70% и 100% номинальной величины.

Таблица 1
Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства

Гистерезис входного напряжения по возврату из аккумуляторного режима в сетевой составил 13–17 В. Исследование источников питания при завышенных входных напряжениях до 275 В показало устойчивую работу при 100%-ной нагрузке без перехода на АБ во всем спектре нагрузок.

  1. Результаты исследования переходных процессов при скачках нагрузки приведены на рисунках 2–5. Анализ данных указывает, что при скачке линейной нагрузки до 100% выходное напряжение понижается на 3,5% от величины установившегося значения и потом восстанавливается до начального уровня за 60 мс (рис. 3). Отметим, что статическая точность стабилизации источников питания составляет ±2%.

Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства

При скачкообразном сбросе 100% линейной нагрузки записанно повышение выходного напряжения на 4% и возврат к установившемуся значению в течение 100 мс (рис. 4).

Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства

На рис. 5 приведены осциллограммы выходного напряжения и тока при включении двигательной нагрузки, при которой суммарная мощность составила 150% номинальной мощности источника питания. В связи с перегрузкой источника питания через 0,24 с автоматом перебежал в режим байпас, а потом, при окончании режима запуска мотора, вновь перебежал в режим двойного преобразования. При всем этом видно, что переход из режима двойного преобразования в байпас и напротив происходит одномоментно, без искажений кривых напряжения и тока.

Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства

На рис. 6 приведены осциллограммы выходного напряжения и тока ДПК-3 при включении нелинейной нагрузки, коэффициент амплитуды (крест-фактор) которой равен 2,84, а полная мощность составляла 1800 В·А. Начальный всплеск тока превысил в 2,4 раза пиковое значение тока в установившемся режиме. При всем этом выходное напряжение снизилось на 9% от установившегося значения и потом восстановилось до начального уровня в течение 40 мс.

Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства

  1. Исследования поведения источника питания при скачках входного напряжения показало, что источник питания обеспечивает фактически секундную реакцию на возмущения, и стабильность выходного напряжения остается в границах статической точности ±2%.
  2. Перегрузочные возможности инвертора источника питания можно охарактеризовывать последующими показателями. При превышении нагрузки более 10% от номинальной величины инвертор продолжает работу в течение 30 с, а потом источник питания перебегает на байпас. В случае роста нагрузки до 150% инвертор продолжает работать 0,2 с до перехода на байпас. Процесс перехода на байпас и возврат в режим двойного преобразования был приведен на рис. 5.

Эффективность электрической защиты инвертора проверялась при автономной работе источника питания методом включения двигательной нагрузки с превышением 150% номинальной нагрузки (запуск мотора). Через 0,22 с после включения мотора источник питания был отключен при помощи электрической защиты от перегрузки (рис. 7). Опыт подтвердил паспортные данные о перегрузочной возможности инвертора (200 мс) и надежность срабатывания электрической защиты источника питания .

Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства

  1. Исследование гармонического состава выходного напряжения и тока при линейной и нелинейной нагрузках показало, что коэффициент преломления синусоидальной формы выходного напряжения не превосходит допустимые значения [3] при любом нраве нагрузки, как в сетевом, так и в автономном режимах. В таблице 2 приведен гармонический состав выходного напряжения источника питания ДПК-1, данные получены при помощи регистратора характеристик свойства электронной энергии «Парма РК1.01» в сетевом и автономном режимах работы источника питания при линейной нагрузке мощностью 390 В·А (230 Вт) и нелинейной нагрузке мощностью 216 В·А (207 Вт).

Таблица 2
Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства

В таблице 3 приведены результаты испытаний ДПК-3 на состав высших гармоник в выходном напряжении и токе при нелинейной нагрузке типа ЭНН мощностью 1800 В·А.

Таблица 3
Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства

Как надо из анализа гармонического состава выходного напряжения, при использовании источника питания серии ДПК мы имеем напряжение с малозначительным коэффициентом преломления синусоидальности Ки = 3,8% при значительно нелинейной нагрузке и при допустимом содержании высших гармоник выходного напряжения инвертора 10% [3].

  1. Воздействие коэффициента преломления синусоидальности входного напряжения на гармонический состав выходного напряжения было изучено на ЭДМ при входном напряжении от источника со значимым искажением синусоидальности кривой напряжения (рис. 8). Опыт показал полную работоспособность источника питания при таковой форме входного напряжения в сетевом режиме с сохранением всех паспортных данных по предельному значению входного напряжения синусоидальной формы. При помощи регистратора характеристик свойства электронной энергии «Парма РК1.01» были произведены замеры гармонического состава напряжений на входе и выходе источника питания (таблица 4).

Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства
Таблица 4
Однофазовые бесперебойные источники питания серии ДПК: динамические и спектральные свойства

Как видно из результатов опыта, при значительно несинусоидальной форме входного напряжения (с коэффициентом преломления синусоидальности 36–41%) имеем на выходе источника питания серии ДПК фактически синусоидальную форму напряжения (Ки = 0,6–1%) и надежную работу источника питания в сетевом режиме в спектре входного напряжения, соответственного паспортным данным для синусоидальной формы входного напряжения. Это событие особо принципиально при питании источника питания от дизель-генераторной установки (ДГУ) малой мощности, когда напряжение ДГУ имеет значимые преломления от синусоидальной формы.

Выводы

  1. При включении источника питания серии ДПК на нелинейную нагрузку динамические свойства обеспечивают высшую степень стабильности выходного напряжения при низком коэффициенте преломления его синусоидальности.
  2. Источники питания серии ДПК накрепко защищают нагрузку от различных возмущений в сети, в том числе от очень искаженного высшими гармониками входного напряжения.
  3. Источники питания серии ДПК защищают сеть от воздействия высших гармоник, присутствующих в токе нелинейных нагрузок.