Телекомунікаційні системи та мережі. Том 1. Структура й основні функції.  /  Зміст  /  Розділ 13. Електроживлення телекомунікаційних систем зв’язку   /  Тема 13.5. Джерела безперебійного живлення (ДБЖ)

Зміст:

13.5.1. Основні типи ДБЖ

Відповідно до міжнародного стандарту IEC 62040-3, сучасні ДБЖ поділяються на три основні типи:

  • ДБЖ резервного типу — Passive Standby UPS (раніше називалися Off-Line UPS);
  • ДБЖ лінійно-інтерактивного типу — Line-Interactive UPS;
  • ДБЖ із подвійним перетворенням енергії — Double-Conversion UPS (раніше називалися On-Line UPS).

Загальна структура ДБЖ резервного типу, подана на рис. 13.5.1, містить вхідний фільтр (ВФ), зарядний пристрій (ЗП), інвертор (ІНВ), акумуляторну батарею (АБ), блок комутації (БК) і стабілізатор (СТ).

Рис. 13.5.1. Загальна структура ДБЖ резервного типу

У найбільш простих і дешевих моделях ДБЖ резервного типу стабілізатор відсутній. Інвертор, підключений паралельно мережному джерелу, діє як джерело резервного живлення.

За наявності мережної напруги відповідної якості, навантаження підключається комутатором до мережі через високочастотний вхідний фільтр ВФ і стабілізатор СТ. Як останній можуть бути використані ферорезонансний трансформатор або автотрансформатор з перемиканням відводів обмотки (рис. 13.5.2), що виконує функції дискретного регулятора (коректора) напруги. Ця функція забезпечує розширення діапазону зміни вхідної напруги, при якому не відбувається перемикання в акумуляторний режим.

Рис. 13.5.2. Підключення навантаження до мережі за допомогою автотрансформатора з перемиканням відводів обмотки

При відхиленні вхідної напруги вище за припустиме значення або відсутності напруги у мережі, навантаження перемикається на інвертор, вихідна напруга якого має прямокутну форму з регульованими паузами між додатними й від’ємними імпульсами (рис. 13.5.3). Це забезпечує стабілізацію діючого значення основної гармоніки вихідної напруги (50 Гц) при зміні напруги акумуляторної батареї. Таким чином, ДБЖ резервного типу являють собою комбінацію стабілізатора й інвертора, що комутуються за допомогою спеціального автомата введення резерву (на рис. 13.5.2 не відображено).

Рис. 13.5.3. Форма вихідної напруги інвертора ДБЖ резервного типу

Переваги ДБЖ резервного типу:

  • простота й низька вартість;
  • високий ККД у мережному режимі.

Недоліки:

  • затримка у часі перемикання навантаження з мережі на інвертор і навпаки;
  • несинусоїдальна вихідна напруга в автономному режимі;
  • ДБЖ не захищає навантаження від неприпустимих відхилень частоти й форми напруги мережі;
  • можливе виникнення небажаних перехідних процесів при перемиканнях з мережі на інвертор і навпаки;
  • нелінійне навантаження з високим крос-фактором викликає спотворення вхідного струму (відхилення від синусоїдальної форми) й знижує вхідний коефіцієнт потужності.

Типові значення потужностей ДБЖ резервного типу перебувають у межах 250—1500 Вт.

У табл. 13.5.1 наведено основні технічні характеристики деяких найбільш відомих ДБЖ резервного типу.

Таблиця 13.5.1 Технічні характеристики резервних ДБЖ

Модель
LIK
Back-UPS AVR
SmartLine / Smart-Vision
Back Pro / BNT
Виробник
Tenci-Techno
APC
NeuHaus / N-Power
Powerman / Powercom
Потужність, кВа
0,5; 1,0; 1,5
0,5
0,3; 0,45; 0,7; 1,0; 1,5
0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,4
Діапазон вхідної
напруги, В
220—27 %, +23 %
220 ± 27 %
220—23 %, + 30 %
220 ± 25 %
Точність вихідної напруги, В
220 ± 7 %
220—10 %, +6 %
220—14,5 %, +10 %
220 ± 10 %

На рис. 13.5.4 зображено структурну схему ДБЖ лінійно-інтерактивного типу. Тут, на відміну від резервних ДБЖ, є двоспрямований перетворювач напруги (ДПН), що виконує як функцію інвертора, так і функцію зарядного пристрою. За наявності напруги у мережі ДПН працює як випрямляч і здійснює заряд АБ. Завдяки двоспрямованій дії й синусоїдальній формі напруги, яка формується в режимі інвертора, ДПН взаємодіє з мережним джерелом, тобто має інтерактивний тип.

Рис. 13.5.4. Структура ДБЖ лінійно-інтерактивного типу

Як і у резервних ДБЖ, для розширення діапазону зміни вхідної напруги без переходу на автономний режим використовується дискретний коректор напруги як стабілізуючий вузол. У мережному режимі ДБЖ можлива додаткова стабілізація вихідної напруги шляхом додавання або віднімання надлишку вихідної напруги ДПН. Такий принцип стабілізації отримав назву «дельта-перетворення» і використовується багатьма виробниками ДБЖ.

Переваги ДБЖ лінійно-інтерактивного типу (порівняно з резервними ДБЖ):

  • синусоїдальна форма вихідної напруги в автономному режимі;
  • поєднання функцій ЗМ й ІНВ в одному вузлі.

Деякі недоліки, властиві резервним ДБЖ, характерні й для ДБЖ лінійно-інтерактивного типу. Блок комутації є найбільш відповідальним місцем обох типів ДБЖ, оскільки саме від його роботи залежить забезпечення надійності всього ДБЖ. Це пов’язано з тим, що при переході ДБЖ в автономний режим цей блок має забезпечувати чітке роз’єднання інвертора й мережного джерела з малим внутрішнім опором. При невиконанні цієї вимоги інвертор може виявитися замкненим накоротко й вийти з ладу.

Типові потужності ДБЖ лінійно-інтерактивного типу перебувають у межах 500—3000 Вт. У табл. 13.5.4 наведено основні технічні характеристики окремих моделей ДБЖ лінійно-інтерактивного типу.

Таблиця 13.5.4 Технічні характеристики лінійно-інтерактивних ДБЖ

Модель
Smart-UPS
PSI
PW5125
Real Smart / PC KIN
Виробник
APC
Liebert
Invensys
Powerman / Powercom
Потужність, кВт
0,42; 0,62; 0,7; 1,0; 1,4; 2,2
0,7; 1,0; 1,4; 2,2
1,0; 1,5; 2,2
0,7; 1,0; 1,5; 2,2
Діапазон вхідних
напруг, В
220—28 %,
+23 %
220—25 %,
+24 %
220—30 %,
+20 %
220—30 %,
+25 %
Точність вихідної напруги, В
220 ± 10 %
220—15 %,
+12 %
220—10 %,
+6 %
220 ± 10 %

Спрощену структурну схему ДБЖ з подвійним перетворенням енергії зображено на рис. 13.5.5. За цією схемою інвертор ввімкнено послідовно у мережне джерело — навантаження. При перебуванні мережної напруги в припустимих межах (величина, частота, спотворення синусоїдальної форми) живлення навантаження відбувається у напрямку випрямляч — інвертор, де відбувається перетворення напруги змінного струму в постійний і навпаки, тобто має місце подвійне перетворення енергії. У режимі перевантаження або виходу з ладу будь-якого вузла подвійного перетворення навантаження перемикається прямо до мережі через блок комутації (БК) кола автоматичного шунтування (BYPASS). При зникненні мережі або неприпустимих відхиленнях напруги ДБЖ миттєво переходить в автономний режим живлення навантаження енергією акумуляторної батареї. У мережному режимі випрямляч виконує також функцію зарядного пристрою батареї. Випрямляч може виконуватися керованим (на тиристорах або IGBT транзисторах) або некерованим (на діодах). Інвертори ДБЖ з подвійним перетворенням енергії складаються з IGBT-транзисторів, які комутуються з частотою 10—50 кГц, і вихідного фільтра, який забезпечує синусоїдальність напруги частоти 50 Гц.

Рис. 13.5.5. Структурна схема ДБЖ із подвійним перетворенням енергії

За розглянутою схемою будуються ДБЖ середньої й великої потужності (понад 30 кВт), у яких використовуються акумуляторні батареї з номінальною напругою, яка перебуває у межах 360—384 В. У ДБЖ меншої потужності використовуються деякі різновиди основної топології подвійного перетворення, наприклад використовуються додаткові силові блоки перетворення (рис. 13.5.6, 13.5.7).

Рис. 13.5.6. Структура ДБЖ із подвійним перетворенням і коректором коефіцієнта потужності для однофазних ДБЖ

Рис. 13.5.7. Структура ДБЖ із подвійним перетворенням і коректором коефіцієнта потужності для одно- і трифазних ДБЖ потужністю 6—30 кВт

Схема на рис. 13.5.6 використовується у однофазних ДБЖ потужністю до 3 кВА й містить блок коректора коефіцієнта потужності, поєднаного з некерованим випрямлячем (ККП-В), блок зарядного пристрою (ЗП), перетворювач постійної напруги (ППН). Функціональне призначення цих блоків є таким:

  • ККП-В забезпечує перетворення напруги мережі змінного струму в стабільну напругу постійного струму. Цим досягається практично синусоїдальна форма струму, яка споживається з мережі, що дозволяє мати вхідний коефіцієнт потужності близьким до одиниці;
  • ЗП формує необхідну напругу заряду акумуляторної батареї, номінальне значення якої обирається залежно від потужності ДБЖ і перебуває в межах від 36 до 96 В;
  • ППН забезпечує узгодження напруги батареї з високовольтною напругою живлення інвертора й розрахований на максимальну потужність навантаження.

Схема на рис. 13.21 використовується як у однофазних, так і у трифазних ДБЖ потужністю 6—30 кВт. Тут ППН виконує як функцію ККМ, так і функцію стабілізатора напруги живлення інвертора. Номінальне значення напруги батареї обирається в межах 120—288 В. На вхід ЗП може подаватися як мережна напруга, так і стабільна постійна напруга з виходу ППН.

Основні переваги ДБЖ з подвійним перетворенням енергії:

  • висока точність стабілізації синусоїдальної вихідної напруги в мережному й автономному режимах;
  • стабільна частота вихідної напруги при відхиленнях частоти мережі;
  • відсутність перехідних процесів при перемиканнях з мережного режиму на автономний і навпаки;
  • можливість виключити вплив нелінійного навантаження з високим крос-фактором на форму вхідного струму;
  • підвищена надійність системи щодо забезпечення безперебійного живлення навантаження за рахунок автоматичного шунтування.

У табл. 13.5.3—13.5.5 наведено основні технічні характеристики ряду моделей ДБЖ з подвійним перетворенням енергії.

Таблиця 13.5.3 Технічні характеристики трифазних ДБЖ

Модель
HL
UPS 7200
Borri 4000
Виробник
Astrid
Liebert
Invensys
Потужність, кВт
20, 25, 32, 40, 60, 80, 100, 125
30, 40, 60
20, 30, 40, 60, 80, 100, 120
Діапазон вхідних напруг, В
380 ± 10 %
380—15 %, +10 %
380—10 %, +15 %
Точність вихідної напруги, В
380 ± 1 %
380 ± 1 %
380 ± 1 %
Коефіцієнт потужності по входу
0,83
0,8
0,83
Коефіцієнт потужності по виходу
0,8
0,8
0,8

Таблиця 13.5.4 Технічні характеристики однофазних ДБЖ малої потужності

Модель
DPK
UPStation GXT
PW9120
ULTimate
Виробник
Tenci-Techno
Liebert
Invensys
Powercom
Потужність, кВт
1,0; 3,0
0,7; 1,0; 1,5
2,0; 3,0
0,7; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0
0,7; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0
Діапазон вхідних напруг, В
220—27 %, +25 %
220 ± 27 %
220—20 %, +27 %
220-27 %, +25 %
220-27 %, +25 %
Точність вихідної напруги, В
220 ± 3 %
220 ± 3 %
220 ± 3 %
220 ± 3 %
220 ± 2 %
Коефіцієнт потужності по входу
0,95
0,95
0,95
0,97
0,98
Коефіцієнт потужності по виходу
0,7
0,7
0,7
0,7
0,7

Таблиця 13.5.5 Технічні характеристики однофазних ДБЖ середньої потужності

Модель
DPK
UPStation GXT
PW9150
ONLine
Виробник
Tenci-Techno
Liebert
Invensys
Powercom
Потужність, кВт
6,0; 10,0
6,0; 10,0
8,0; 10,0; 12,0
7,5; 10,0; 15,0
Діапазон вхідної напруги, В
220—15 %, +25 %
220—15 %, +25 %
220—20 %, +25 %
220 ± 25 %
Точність вихідної напруги, В
220 ± 3 %
220 ± 3 %
220 ± 2 %
220 ± 1 %
Коефіцієнт потужності по входу
0,98
0,98
0,98
н/д
Коефіцієнт потужності по виходу
0,7
0,7
0,7
0,8