Курсовая работа: Назначение источников бесперебойного питания

--PAGE_BREAK--Наиболее широко распространен тип ИБП двойного преобразования (double conversion UPS), представленный на рисунке.
Зачастую в качестве синонима двойного преобразования употребляют on-line. Это не вполне верно, так как к группе ИБП типа on-line относятся и другие схемы ИБП. В ИБП этого типа вся потребляемая энергия поступает на выпрямитель и преобразуется в энергию постоянного тока, а затем инвертором — в энергию пере­менного тока. Выпрямитель — это полупроводниковый преобразователь. В трех­фазных ИБП средней и большой мощности — это регулируемый преобразователь, выполненный по мостовой 6-импульсной схеме (схеме Ларионова), на основе полу­проводниковых вентилей — тиристоров. Для улучшения энергетиче­ских характеристик выпрямителя (снижения искажений, вносимых в сеть при рабо­те преобразователя) применяют двухмостовые выпрямители, выполненные по 12-импульсной схеме. Выпрямители в такой схеме включены последо­вательно, они подключаются к питающей сети через трехобмоточный трансформа­тор. В современных ИБП выпрямитель непосредственно не работает на подзаряд АБ. Для зарядки АБ в схему ИБП введено специальное зарядное устройство — пре­образователь постоянного тока, оптимизирующее заряд АБ, управляя напряжением на АБ и зарядным током.
Обязательным элементом схемы ИБП большой и средней мощности является байпас (by­pass) — устройство обходного пути. Это устройство предназначено для непосредственной связи входа и выхода ИБП, минуя схему резервирования питания.
Байпас позволяет осуществ­лять следующие функции:
·                     включение/отключение ИБП при проведении ремонтов и регулировок без от­ключения питания электроприемников;
·                     перевод нагрузки с инвертора на байпас при возникновении перегрузок и ко­ротких замыканий на выходе источника бесперебойного питания;
·                     перевод нагрузки с инвертора на байпас при удовлетворительном КЭ в питаю­щей сети с целью снижения потерь электроэнергии в ИБП (econom mode — экономичный режим работы).[5]
Байпас представляет собой комбинированное электронно-механическое устрой­ство, состоящее из так называемого статического байпаса и ручного (механическо­го) байпаса. Статический байпас представляет собой тиристорный (статический) ключ из встречно-паралельно включенных тиристоров. Управление ключом (вклю­чено/выключено) осуществляется от системы управления ИБП. Оно может произ­водиться как вручную, так и автоматически. Автоматическое управление осуществ­ляется при возникновении перегрузки и в экономичном режиме работы ИБП. При этом в обоих случаях напряжение инвертора синхронизировано с напряжением на входе цепи байпаса и с импульсами управления, что позволяет произвести перевод нагрузки с инвертора на байпас и обратно «без разрыва синусоиды».
Ручной (механический) байпас представляет собой механический выключатель нагрузки, шунтирующий статический байпас. Он предназначен для вывода ИБП из работы со снятием напряжения с элементов ИБП. При включенном ручном байпасе питание нагрузки осуществляется через цепь «вход байпаса-ручной байпас-выход ИБП». Остальные элементы схемы ИБП: выпрямитель, инвертор, АБ, ста­тический байпас — на время включения ручного байпаса могут быть обесточены (отключены от питания и нагрузки) с целью ремонта, регулировок, осмотров и т.д. Об отключении АБ можно говорить с некоторой натяжкой, ибо, будучи в заряжен­ном состоянии, АБ является мощным источником постоянного напряжения, пред­ставляющим опасность для обслуживающего персонала. По классификации «Меж­отраслевых правил по охране труда (правила безопасности) при эксплуатации элек­троустановок» работы с АБ следует относить к виду работ с частичным снятием на­пряжения. При необходимости замены аккумуляторов АБ ИБП переводят на руч­ной байпас, специальным инструментом разъединяют АБ на отдельные аккумуля­торы, после чего опасность поражения электрическим током устраняется.
При работе на байпасе, как статическом, так и ручном, ИБП не имеет возможно­сти обеспечивать бесперебойное питание потребителей. Такие режимы должны сопровождаться административно-техническими мероприятиями для исключения нежелательных последствий для потребителей при отключении питания при работе на байпасе. Самая простая мера — проведение профилактических и ремонтных ра­бот в нерабочее время потребителей.
Инвертор, управляемый микропроцессором, выраба­тывает синусоидальное на­пряжение, поступающее на нагрузку. В мощных трехфаз­ных ИБП инвертор также вы­полнен по трехфазной мосто­вой схеме. Для по­строения синусоиды в инвер­торе реализован принцип широтно-импульсной модуля­ции (ШИМ).
Принцип его действия состоит в подаче импульсов переменной скважности че­рез тиристоры на трансформатор, выполняющий одновременно роль фильтра, или непосредственно на LC-фильтр на выходе инвертора. В результате формируется синусоидальное напряжение с низким коэф­фициентом гармонических искажений: КU< 3%. [6]
В современных ИБП двойного преобразования применяют схему зеркального преобразования. На рисунке изображены выпрямитель и инвертор ИБП, выполнен­ные по схеме зеркального преобразования. В основу схемы положено применение мощных IGBT-транзисторов (Insulated Gate Bipolar Transistor — полевой биполяр­ный транзистор с изолированным затвором). Смысл термина «зеркальное преобра­зование» состоит в том, что процессы выпрямления и инвертирования электроэнер­гии реализованы на одинаково выполненных преобразователях. Преимущества применения зеркального преобразования заключаются в обеспечении:
·                     отсутствия нелинейных искажений входного тока без дополнительных фильт­ров;
·                     коэффициента мощности ИБП, близкого к единице;
·                     реализации принципа ШИМ без выходного трансформатора и фильтра.
Это позволяет оптимизировать совместную работу ИБП с ДГУ, снизить массо-габаритные показатели. Недостатком зеркального преобразования является более низкий КПД (на 1...1,5%), чем у ИБП двойного преобразования с тиристорными преобразователями. Это ограничивает область применения ИБП с зеркальным пре­образованием мощностью до 30...40 кВА. В мощных трехфазных ИБП двойного преобразования часто применяют комбинированные схемы преобразователей — тиристорный выпрямитель и инвертор на ЮВТ-транзисторах.
Технология двойного преобразования отработана и успешно используется свы­ше двадцати лет, однако ей присущи принципиальные недостатки:
·                     ИБП является причиной гармонических искажений тока в электрической сети (до 30%) и, таким образом, — потенциально причиной нарушения работы другого оборудования, соединенного с электрической сетью; он имеет низкое значение входного коэффициента мощности (cosφ);
·                     ИБП имеет значительные потери, так как принципом получения выходного переменного тока является первичное преобразование в энергию постоянного тока, а затем снова преобразование в энергию переменного тока; в процессе такого двойного преобразования обычно теряется до 10% энергии.
Первый недостаток устраняется за счет применения дополнительных уст­ройств (входных фильтров, 12-импульсных выпрямителей, оптимизаторов-бусте­ров), а второй принципиально не устраним (у лучших образцов ИБП большой мощности КПД не превышает 93%). Современные ИБП двойного преобразования оборудуются так называемыми кондиционерами гармоник и устройствами кор­рекции коэффициента мощности (cosφ). Эти устройства входят либо в базовый комплект ИБП, либо применяются опционально и позволяют снять проблему с внесением гармонических искажений (составляют не более 3%) и повысить коэф­фициент мощности до 0,98.
Поскольку в дальнейшем при рассмотрении систем бесперебойного электро­снабжения мы будем ориентироваться в основном на ИБП двойного преобразова­ния, то имеет смысл более подробно рассмотреть варианты исполнения схем ИБП данного типа. Существуют схемы ИБП 1:1, 3:1 и 3:3. Это означает:
·                     1:1 — однофазный вход, однофазный выход;
·                     3:1 — трехфазный вход, однофазный выход;
·                     3:3 — трехфазный вход, трехфазный выход.[7]
Схемы 1:1 и 3:1 целесообразно применять для мощностей нагрузки до 30 кВА, при этом симметрирование не требуется, и мощность инвертора используется ра­ционально. Следует иметь в виду, что байпас в таких схемах является однофазным и при переходе ИБП с инвертора на байпас для входной сети ИБП 3:1 становится несимметричным устройством, подобно ИБП 1:1. Проектом должен быть преду­смотрен режим работы на байпасе, т.е электрическая схема не должна подвергаться перегрузкам, и КЭ не должно выходить за установленные пределы при переходе ИБП на байпас. На рисунке приведена схема ИБП 3:1.
Особенностью данной схемы является наличие на входе конвертора 3:1. При его отсутствии ИБП имеет схему 1:1. Наличие конвертора не только превращает ИБП 1:1 в 3:1, но и позволяет осуществлять работу на байпасе в симметричном режиме.
Cхема ИБП по схеме 3:3. Здесь имеется зарядное устройство для оптимизации режима заряда аккумулятор­ной батареи и преобразователь постоянного тока — бустер (booster DC/DC), позво­ляющий облегчить работу выпрямителя за счет снижения глубины регулирования. Таким образом обеспечивается меньший уровень гармонических искажений вход­ного тока. В некоторых случаях такую схему называют схемой с тройным преобра­зованием.
Принципиально нет предпосылок выделять такие схемы в отдельный тип ИБП, так как остается общим главный принцип — выпрямление тока с его последующим инвертированием. Разумеется, в звене постоянного тока могут присутствовать сгла­живающие ёмкости, а в некоторых случаях — дроссель (на схемах не показаны). Источник работает по схеме 3:3 в любом режиме — при работе через инвертор (ре­жим on-line) и при работе на байпасе. По отношению к питающей сети работа в ре­жиме on-line является симметричной, тогда как работа на байпасе зависит от балан­са нагрузок по фазам. Впрочем, сбалансированность нагрузок по фазам в первую очередь важна для рационального использования установленной мощности самого источника, а по отношению к питающей сети небаланс по фазам при работе на бай­пасе может проявить себя только при работе с ДГУ. Но в этом случае решающим будет не симметрия нагрузки, а её нелинейность.
В настоящее время для повышения эффективности (КПД) применяется комби­нированная схема, суть функционирования которой заключается в следующем. Выделяется диапазон входного напряжения, как правило ±6… 10%, в котором ИБП работает в так называемом экономичном режиме (переходит на статический бай­пас), а при выходе входного напряжения из этого диапазона ИБП в течение 2...4 мс переходит в режим on-line. Созвучно с рекламным слоганом эту технологию можно характеризовать как «два в одном». При использовании ИБП в электросетях, имею­щих показатели качества электроэнергии не ниже ГОСТ 13109-97, эта технология дает существенное снижение потерь электроэнергии за счет высокого коэффициен­та полезного действия в экономичном режиме. Все потери электроэнергии в этом режиме сводятся к потерям в проводниках и тиристорах статического байпаса. КПД при этом приближается к 98%.
Однако и у этой схемы имеются некоторые недостатки:
·                     при применении таких ИБП в качестве централизованных в двухуровневой схеме СБЭ диапазон напряжения, в котором осуществляется работа в эконо­мичном режиме, должен быть меньше диапазона напряжения ИБП второго уровня до перехода на питание от батарей, чтобы не вызвать перехода ИБП второго уровня в автономный режим;
·                     при работе в экономичном режиме ИБП не защищает входную сеть от гармо­нических искажений тока, вызываемых нагрузкой с импульсными блоками питания. Как следствие, необходимо увеличение сечения нейтрального про­водника на входе ИБП и значительное увеличение мощности ДГУ (по данным фирмы АРС, мощность ДГУ должна превышать расчетную мощность ИБП в 6...9 раз). При работе ИБП с ДГУ соизмеримой мощности следует средства­ми конфигурирования ИБП исключать экономичный режим работы.[8]

Глава 3. Технические характеристики источников бесперебойного питания
До настоящего времени в Российской Федерации действует ГОСТ 27699-88 (Стан­дарт СЭВ 5874-87) «Системы бесперебойного питания приемников переменного тока. Общие технические условия». Так как основным назначением СБЭ является электроснабжение инфокоммуникационного оборудования, требования к ИБП на­ряду с рекомендациями стандарта определяются следующими факторами:
·                     характеристиками блоков питания оборудования;
·                     обеспечением надежности электроснабжения при некритичных авариях и не­исправностях в самой СБЭ;
·                     обеспечением электромагнитной совместимости.[9]
Области нормального функционирования и области отказов и сбоев импульсных блоков питания в зависимости от напряжения и време­ни нарушения электроснабжения.
Требования ГОСТ 27699-88 представлены в таблице, которая может помочь в выборе ИБП. Некоторые ячейки в таблице не заполнены. Это означает, что стан­дарт не регламентирует данный параметр, а при выборе ИБП следует руководство­ваться техническими условиями на защищаемое оборудование. Масса и габариты устройств должны быть приняты во внимание при разработке строительного зада­ния на размещение ИБП, определении пригодности монтажных проемов и нагру­зочной способности перекрытий. КПД имеет смысл сравнивать при выборе ИБП одинакового типа. Количество параллельно работающих ИБП важно при выборе оборудования для создания отказоустойчивой системы электроснабжения.
Характеристики ИБП по ГОСТ 27699-88
Показатель
Значение, %
Стабилизация напряжения
±5
Стабилизация частоты
±2
Гармонические искажения
5
Фильтрация ВЧ-импульсов
—
ВХОДНОЙ cosφ
—
Гальваническая развязка
—
Колебания напряжения на входе
-15...+10
Колебания частоты на входе
±2
Перегрузочная способность (в течение 15 мин)
110
Количество агрегатов, работающих параллельно
—
На практике производители ИБП предоставляют достаточно большой объем технических характеристик выпускаемой продукции. В таблице приводятся наиме­нования и необходимые комментарии к характеристикам ИБП.
Характеристики ИБП
Характеристика
Описание
Общие данные
Номинальная выходная мощность ИБП (кВА)
Номинальная мощность ИБП без учета КПД и заряда АБ
Номинальная выходная мощность одного модуля ИБП (кВА)
Номинальная мощность одного модуля энергетического массива
Количество ИБП, включаемых на параллельную работу
Максимальное количество ИБП, включаемое параллельно
Схема ИБП
Число фаз вход/выход (1:1; 3:1; 3:3)
Количество модулей, включаемых на параллельную работу
Максимальное количество модулей в устройстве или в группе
КПД при нагрузке 100% в режиме on-line (%)
Как правило, указывается для работы на активную нагрузку
    продолжение
--PAGE_BREAK--