Рубрики
Оборудование

Организация параллельной работы источников питания переменного тока

Организация параллельной работы источников питания переменного тока Валерий Климов В статье анализируются принципы организации параллельной работы ИБП с двойным преобразованием энергии

Организация параллельной работы источников питания переменного тока Валерий Климов

В статье анализируются принципы организации параллельной работы ИБП с двойным преобразованием энергии. Параллельная работа ИБП по принципу N + X позволяет повысить нагрузочную способность системы и ее надежность. Рассмотрены методы распределенного управления параллельно включенными ИБП. Демократический метод децентрализованного принципа параллельной работы описан на примере моделей однофазовых ИБП мощностью 6–20 кВА.

Рассредотачивание тока нагрузки меж ИБП

Для того чтоб два либо более ИБП с двойным преобразованием энергии, включенные на общую нагрузку, были загружены в одинаковой мере, нужно синхронизировать их выходные напряжения по частоте, исходной фазе и амплитуде. Поддержание амплитудного и, как следствие, действующего значения выходного напряжения в современных ИБП обеспечивается с высочайшей точностью (±1%) этого параметра и в меньшей степени оказывает влияние на дисбаланс рассредотачивания общей мощности меж параллельно включенными источниками бесперебойного питания. В значимой степени равномерное рассредотачивание мощности нагрузки меж ИБП находится в зависимости от фазовых углов выходных напряжений, что в свою очередь определяется не синхронностью выходных частот ИБП. Различие всего в 1 электронный градус меж фазами напряжений на выходе 2-ух ИБП может привести к дисбалансу рассредотачивания потребляемой мощности до 50%. Если выходное напряжение 1-го ИБП двигается вперед по фазе, то он воспринимает на себя огромную часть мощности общей для 2-ух ИБП нагрузки. При равенстве амплитуд выходного напряжения это значит возрастание тока, потребляемого от этого ИБП. Чтоб сбалансировать уровень энергии меж 2-мя ИБП, нужно уменьшить частоту выходного напряжения опережающего по фазе ИБП. В современных устройствах эта корректировка может осуществляться со скоростью 0,1–1,0 Гц/с. Разглядим вероятные методы организации параллельной работы ИБП.

Централизованный принцип

Централизованный принцип представляет собой подчиненное управление ведущим ИБП нескольких ведомых, выходные частоты которых синхронизируются ведущим по выделенному интерфейсу параллельной работы (принцип Master/Slaves). При всем этом различают подчинение неизменное либо переменное во времени.

Неизменное подчинение характеризуется тем, что один из ИБП назначается повсевременно ведущим и отсутствует его резервирование. При выходе его из строя вся система оказывается неработоспособной [1]. Таковой метод управления может быть применен только для наращивания мощности системы. Другим примером повсевременно подчиненного управления несколькими силовыми модулями ИБП для организации их параллельной работы является многомодульный принцип построения ИБП с выделенным модулем системного управления [2]. Последний предназначен для получения, обработки инфы о состоянии и режиме работы силовых модулей, их синхронизации и аварийного отключения. Для увеличения надежности системы может быть внедрение основного и запасного модулей системного управления, образующих спаренную систему управления. При выходе из строя основного модуля управления запасный воспринимает на себя стопроцентно либо отчасти функции управления системой.

Переменное во времени подчинение — это приоритетный метод управления, когда ведущему ИБП присваивается высший ранг и он производит синхронизацию ведомых ИБП, аналогично неизменному подчинению. Но при выходе его из строя маркер приоритета передается последующему назначенному по рангу ИБП и т. д. Таковой метод отыскал обширное применение при организации параллельного включения трехфазных ИБП.

Децентрализованный принцип

Децентрализованный (распределенный) принцип организации параллельной работы ИБП более надежен для построения резервируемой системы бесперебойного питания.

В данном случае все абоненты (ИБП) являются возможными контроллерами канала обмена информацией либо производят саморегулирование по адаптивному принципу при отсутствии межмодульного интерфейса.

Адаптивный принцип

Адаптивный метод управления инверторами обеспечивает синхронизацию 2-ух ИБП при отсутствии дополнительных интерфейсных каналов связи меж ними. Каждый ИБП смотрит только за своим состоянием и по мере надобности корректирует свою частоту. Таковой принцип избавляет необходимость идентификации определенного отказавшего ИБП на уровне системы и не просит внедрения межмодульного интерфейса. Каждый ИБП выслеживает собственное выходное напряжение так, чтоб его фаза совпадала с фазой другого ИБП. В случае неожиданных конфигураций нагрузки оба ИБП испытают воздействие вероятной непостоянности и выполнят корректировку частоты. Аспектом подстройки частоты может являться символ приращения выходной мощности ИБП. Метод управления инвертором с внедрением цифрового сигнального микропроцессора (DSP) состоит в том, что отслеживаются конфигурации выходного напряжения и тока относительно данных их прошлых замеров. Опрос осуществляется с частотой 3 кГц [6]. Данные о напряжении и токе сохраняются за последние 5 тактов опроса. Усредненные значения на этих 5 тактах Uвых, Iвых сравниваются с текущими значениями Un, In. На основании этой инфы микроконтроллер вычисляет приращения dU = Un – Uвых, dI = In – Iвых. Величина и символ произведения dUdI, представляющего изменение потребляемой мощности, определяют, должен ли ИБП продолжить работу в обычном режиме, скорректировать выходную частоту либо быть отключенным из-за неисправности.

Исправный ИБП при изменяющейся нагрузке, анализируя знаки dU, dI, определяет, что символ произведения dUdI всегда отрицательный. Вправду, с повышением нагрузки Un миниатюризируется, In растет и, как следует, dUdI ≤ 0. С уменьшением нагрузки dU возрастает, dI миниатюризируется и, как следует, dUdI ≤ 0. Таким макаром, ИБП регистрирует отрицательные значения произведения dUdI, что свидетельствует о его обычном функционировании. Если произведение dUdI по модулю возрастает, то ИБП принимает это так, что фаза его выходного напряжения опережает фазу другого ИБП, и система управления уменьшит частоту инвертора, чтоб скомпенсировать эту разницу.

В случае неисправности ИБП значения dU, dI будут иметь один символ и произведение dUdI становится положительным независимо от величины нагрузки. В данном случае ИБП выключает собственный инвертор и при помощи автоматического выключателя дополнительного шкафа коммутации отключается от общей шины нагрузки.

Адаптивный метод управления может обеспечить синхронизацию только 2-ух ИБП при способности балансировки выходных токов ИБП в границах 4%.

Демократический принцип

Другой реализацией децентрализованного метода организации параллельной работы ИБП является демократический принцип [3]. При таком методе каждый ИБП остается активным в регулировании собственного выходного тока, корректируя его таким макаром, чтоб приблизить к среднему значению Iср = Iн / n, где Iн — ток нагрузки, n = N + X — общее число параллельно включенных ИБП, N — малое количество ИБП, нужных для функционирования системы по мощностным показателям, Х — количество запасных ИБП.

Разглядим более тщательно реализацию демократического принципа на примере организации параллельной работы однофазовых ИБП с двойным преобразованием энергии в спектре мощностей каждого ИБП от 6 до 20 кВА [4]. Примерами таких моделей ИБП являются GXT (Liebert), ИДП («Элекромаш») и др.

Многофункциональная схема ИБП приведена на рис. 1. В состав силовой цепи ИБП входят: сетевой фильтр (СФ), выпрямитель (В), бустер (Б) — повышающий преобразователь неизменного напряжения, ШИМ-инвертор (И), фильтр высших гармоник (ФВГ), блок реле (БР), тиристоры цепи байпас (ТБ), выходной фильтр (ВФ), выходное реле (ВР), зарядное устройство (ЗУ), аккумуляторная батарея (АБ), тиристор подключения АБ (ТА), реле подключения АБ (РА). Сетевой и выходной фильтры обеспечивают угнетение выбросов сетевого напряжения при переходных процессах и производят фильтрацию высокочастотных коммутационных помех. ШИМ-инвертор питается высоковольтным напряжением неизменного тока (700 В) с выхода бустера и производится по полумостовой бестрансформаторной схеме на IGBT-транзисторах. Силовые транзисторы управляются высокочастотными (19,2 кГц) ШИМ-сигналами с платы управления. Широтно-импульсная модуляция сигналов осуществляется по синусоидальному закону, что обеспечивает c помощью быстродействующей системы управления инвертором высшую точность выходного напряжения. Синусоидальное выходное напряжение 50 Гц формируется из высокочастотных ШИМ-импульсов при помощи L – С фильтра высших гармоник (ФВГ). Блок реле (БР) и тиристоры цепи байпас (ТБ) производят автоматическое переключение нагрузки впрямую в сеть в случае перегрузки, перегрева либо выхода из строя 1-го из узлов ИБП. Тиристор подключения АБ (ТА) и реле подключения АБ (РА) обеспечивают подключение АБ на вход бустера в автономном режиме работы ИБП.

Организация параллельной работы источников питания переменного тока

Плата управления (ПУ) обеспечивает нужный метод работы узлов силовой платы, тестирование состояния, мониторинг и управление ИБП. Все цепи платы управления изолированы от высоковольтного напряжения, присутствующего на силовой плате. Внутрисистемная шина (ВШ) производит связь меж платой управления (ПУ) и узлами силовой платы ИБП. Сигналы с платы управления поступают также на плату монитора (ПД), RS-232 интерфейс и плату параллельной работы ИБП (ППР). Плата монитора содержит ряд светодиодов для индикации режимов работы ИБП и кнопки включения/выключения инвертора силовой платы. В неких моделях ИБП употребляются ЖК-дисплеи для отображения электронных характеристик и состояния ИБП.

Разглядим более тщательно состав и функциональное предназначение плат управления и параллельной работы ИБП.

Плата управления ИБП обеспечивает:

  • нужный метод работы силовых каскадов ИБП (выпрямителя, бустера, инвертора, статического байпаса, блока реле, зарядного устройства) в разных режимах работы (сетевом, автономном, байпасе, режиме прохладного старта);
  • обработку и анализ аналоговых сигналов измерения электронных характеристик системы;
  • связь с компьютером по RS-232 интерфейсу и обмен информацией с SNMP-адаптером;
  • компанию обмена данными по CAN-интерфейсу с другими ИБП при их параллельной работе;
  • вывод на плату монитора сигналов инфы о режиме работы ИБП, степени его загрузки, разряженности аккумуляторной батареи (АБ) и вероятном аварийном состоянии ИБП.

Для выполнения обозначенных функций плата управления (ПУ) содержит основной микроконтроллер (МК1), вспомогательный микроконтроллер (МК2) и аналоговую часть — обвязку для сопряжения входов/выходов основного микроконтроллера (масштабирование, преобразование) с измерительными цепями и цепями управления силовых каскадов ИБП. В качестве микроконтроллера МК1 избран цифровой сигнальный микропроцессор (DSP) TMS320LF2406A (Texas Instruments) [6], сочетающий высшую эффективность, широкий диапазон выполняемых функций и довольно низкую цена. Он обладает системой команд, рассчитанных на решение задач управления в реальном масштабе времени, и массивным набором устройств перифирии и интерфейсов (CAN, SCI, SPI), нацеленных на работу в распределенных системах управления, каков является система бесперебойного питания с параллельной работой ИБП.

Другими различительными признаками избранного микроконтроллера (МК1) являются:

  1. Наличие 2-ух модулей управления событиями (менеджеры событий), любой из которых имеет:
    • два 16-разрядных таймера общего предназначения;
    • восемь 16-разрядных каналов сопоставления / ШИМ;
    • три модуля захвата наружных событий для ввода и временной «оцифровки» импульсных сигналов;
    • блок синхронизации пуска АЦП по периоду ШИМ.
  2. Наличие 10-разрядного 16-канального АЦП с наименьшим временем преобразования 0,5 мкс на один канал, включая время подборки.
  3. Обеспечение до 40 личных программируемых портов ввода/вывода.
  4. 5 входов наружных запросов прерываний.
  5. Низкое потребление энергии при источнике питания 3,3 В.

Наличие интегрированных модулей генераторов повторяющихся сигналов ШИМ обеспечивает современные методы конкретного управления IGBT-транзисторами инвертора и бустера ИБП. МК1 решает основную задачку формирования метода управления силовыми каскадами ИБП и обеспечения параллельной работы нескольких ИБП на общую нагрузку. На входы МК1 поступают сигналы напряжений и токов разных узлов силовой цепи ИБП (таблица 1, рис. 2).

Организация параллельной работы источников питания переменного тока
Таблица 1
Организация параллельной работы источников питания переменного тока

В таблице 2 приведены выходные сигналы управления узлами ИБП.

Таблица 2
Организация параллельной работы источников питания переменного тока

Наличие интегрированного на кристалле МК1 периферийного устройства — контроллера CAN-интерфейса — позволяет соединить несколько систем управления ИБП в локальную сеть для организации обмена информацией при параллельной работе ИБП. Ведущий на этот момент CAN-контроллер (HOST) может обмениваться с ведомыми CAN-контроллерами других ИБП по межмодульному интерфейсу. СAN-интерфейс обеспечивает пересылку данных с высочайшей скоростью (до 1 мбит/с), надежный контроль достоверности передачи инфы за счет быстродействующей умственной системы обнаружения ошибок. Аппаратная реализация протокола обмена дает возможность работать с содержимым «почтовых ящиков» без осложнений событий прохождения инфы по физическим каналам связи.

В таблице 3 приведены наименования интерфейсных сигналов системы.

Таблица 3
Организация параллельной работы источников питания переменного тока

В качестве вспомогательного процессора МК2 избран MC68HC908MR32 (Motorola) [7]. МК2 решает задачки индикации на экране ИБП его режимов работы, состояния загрузки, остаточной емкости аккумуляторной батареи, аварийного состоянии ИБП. Не считая этого, МК2 производит контроль работы вентиляторов, обмен информацией по RS-232 интерфейсу с ПК либо с SNMP-адаптером, оперативное управление включением и выключением инвертора. Обмен информацией меж МК1 и МК2 осуществляется по поочередному коммуникационному интерфейсу SCI, обеспечивающему скоростную асинхронную связь.

Мультиплексный канал информационного обмена

В качестве физической среды передачи сигналов по общей шине мультиплексного канала информационного обмена меж ИБП употребляется многожильный тонкий кабель с волновым сопротивлением 120 Ом [5]. Для исключения отражения сигнала в шине нужно обеспечить согласование значений эквивалентного нагрузочного сопротивления шины и соответственного волнового сопротивления кабеля. Рекомендуемая длина интерфейсного кабеля для подключения 2-ух портов мультиплексного канала информационного обмена ИБП не должна превосходить 3 м.

Общая шина состоит из 4 двухпроводных каналов: 3-х цифровых и 1-го аналогового. По цифровым каналам передаются сигналы: HOST — ценность (захват магистрали), SYN — синхронизация и CAN — прием/передача данных о состоянии ИБП (рис. 3).

Организация параллельной работы источников питания переменного тока

По аналоговому каналу осуществляется передача с трансформаторов тока (ТТ) сигналов, пропорциональных выходным токам (In) каждого ИБП. Выходные обмотки ТТ и их нагрузочные сопротивления Rт подключены через ограничительные сопротивления Ro к двухпроводной обшей шине аналогового канала межмодульного интерфейса (рис. 4). На общей шине появляется напряжение, пропорциональное среднему значению выходных токов ИБП (Iср).

Организация параллельной работы источников питания переменного тока

где k1 — коэффициент пропорциональности; n — число параллельно включенных ИБП.

Организация параллельной работы источников питания переменного тока

Напряжение Uош поступает на соответственный вход АЦП МК1 через аналоговый модуль формирования сигнала AVR.I (Iср) на плате управления каждого ИБП (рис. 4). На другой вход АЦП МК1 приходит сигнал LOAD.I, пропорциональный выходному току данного ИБП (In). В итоге сопоставления In и Iср МК1 воспринимает решение об изменении частоты инвертора, что сдвигает фазу выходного напряжения и сглаживает ток ИБП (In) до значения Iср. Погрешность измерения и разброс характеристик частей цепей обработки и масштабирования сигналов In, Iср определяют вероятную точность рассредотачивания нагрузки меж ИБП при параллельной работе, которая добивается 4–6%. Рекомендуемое количество параллельно включаемых ИБП не должно превосходить 4.

Плата интерфейса параллельной работы ИБП является согласующим устройством, связывающим общую шину мультиплексного канала с МК1 платы управления. Плата параллельной работы (ППР) обеспечивает:

  • гальваническую развязку абонентов от полосы передачи инфы — общей шины (ОШ) за счет использования оптронных пар;
  • согласование уровней сигналов, передаваемых и принимаемых из ОШ.

Многофункциональная схема ППР приведена на рис. 5. ППР содержит четыре формирователя интерфейсных сигналов мультиплексного канала.

Организация параллельной работы источников питания переменного тока

CAN-приемо-передатчик (типа SN65HVD230) обеспечивает согласование абонента с ОШ по уровню сигнала и вносимому сопротивлению и обеспечивает обмен данными меж ОШ и МК1 ИБП. Цифровой формирователь сигналов синхронизации SYN передает в ОШ синхроимпульсы чтения и передачи данных. Формирователь сигналов захвата магистрали в данный период времени HOST обеспечивает ценность 1-го из ИБП по обмену инфы с другими ИБП. Аналоговый формирователь сигналов, пропорциональных выходному току ИБП (O/P I), содержит реле подключения канала к ОШ и L-C фильтр для помехозащищенности канала. При начальном включении системы подключение к ОШ трансформатора тока еще одного ИБП происходит при помощи реле по сигналу PAR RLY, вырабатываемому МК1 при условии синхронизации выходной частоты данного ИБП с другими ИБП.

Включение параллельной системы ИБП осуществляется последовательным включением каждого ИБП сетевым автоматом в режим байпас. Когда последний ИБП после самотестирования войдет в этот режим, ИБП попеременно переводятся в инверторный режим. После выполнения критерий синхронизации ИБП МК1 сформировывает сигнал включения выходного реле (ВР), подключающего ИБП к шине нагрузки (рис. 3). После выхода всех ИБП в инверторный режим подключается нагрузка. Наличие выходного реле в каждом устройстве позволяет отключить его в случае неисправности от общей шины нагрузки, обеспечивая тем работоспособность всей системы с остальными ИБП.