1. Блок- схема on-line UPS
(ИБП с двойным преобразованием энергии)
На входе ИБП с двойным преобразованием
энергии (on-line UPS) (произносится "он-лайн Ю-Пи-Эс") находится блок защиты от высокого
напряжения. Его задача - защитить нагрузку и сам ИБП от высоковольтных
импульсов, возникающих при ударе молнии вблизи ЛЭП и отключать ИБП от сети в случае
длительного присутствия высокого напряжения на входе. Затем следует выпрямитель, функция которого
преобразовать переменный ток электрической сети в постоянный ток, которым можно снабжать
аккумуляторную батарею и инвертор.
Инвертор преобразует весь поступающий к нему поток мощности из напряжения постоянного тока в
напряжение переменного тока. Байпас (от английского "bypass" - проходящий мимо) это специальная
линия, которая позволяет при необходимости питать нагрузку напрямую от электрической сети. Для
переключения на работу через байпас служит статический (т.е. не имеющий движущихся элементов)
переключатель. Поэтому байпас часто называют статическим байпасом, хотя в некоторых небольших on-line
ИБП
он шунтируется механическим реле.
Происхождение названия "ИБП с двойным
преобразованием" вполне понятно - ИБП этого типа
дважды преобразуют весь поток мощности: сначала из переменного тока в постоянный ток, а потом
обратно. В результате этих преобразований на выходе ИБП с двойным
преобразованием появляется "новое" напряжение. Оно имеет постоянную величину
и лишено помех и искажений, которые, возможно, имелись в электрической сети.
Почему эти
ИБП
называются "on-line UPS" не совсем
очевидно. Английское "on-line" (буквальный перевод "на линии") означает нечто,
подключенное в данный момент к некоторой линии (исторически - к линии связи). Можно интерпретировать
название "on-line UPS", как
ИБП,
к которому всегда подключена аккумуляторная батарея.
Для on-line ИБП характерны
три режима работы.
2. On-line UPS: режим работы от сети,
через выпрямитель и инвертор
Если в сети есть "нормальное" напряжение, то вся мощность,
потребляемая нагрузкой, проходит через выпрямитель ИБП. Выпрямитель преобразует
напряжение электрической сети в стабилизированное напряжение постоянного тока. Оно используется для
зарядки аккумуляторной батареи и для питания
инвертора.
А инвертор преобразует напряжение постоянного тока в напряжение
переменного тока, которым и питается нагрузка.
Выпрямитель ИБП с двойным преобразованием
выдает стабилизированное напряжение постоянного тока. Т.е. независимо от величины напряжения переменного
тока на входе выпрямителя, напряжение постоянного тока на его выходе сохраняется постоянным. Естественно,
напряжение остается стабильным только если входное напряжение не выходит из некоторого диапазона
допустимых напряжений. Этот диапазон называется диапазоном входных напряжений ИБП.
Диапазон входных напряжений ИБП с двойным преобразованием
(on-line
UPS) не остается постоянным. Его величина (или вернее его нижняя граница) зависит не только от
конкретной модели ИБП, но и его нагрузки. Если on-line ИБП недогружен в 2-3 раза,
он способен работать от сети, даже если напряжение в сети не превышает 50-70% номинального.
Если напряжение электрической сети становится меньше нижней границы
или выше верхней границы диапазона входных напряжений, то выпрямитель уже не может поддерживать
заданное напряжение постоянного тока на своем выходе. Напряжение постоянного тока на выходе выпрямителя
уменьшается и становится ниже напряжения
заряженной аккумуляторной батареи
ИБП.
Никакого переключения не происходит. Просто инвертор начинает частично питаться от батареи , а батарея начинает разряжаться. При
дальнейшем уменьшении сетевого напряжения или если напряжение в сети пропадает совсем, инвертор начинает
полностью питаться от аккумуляторной батареи. Говорят, что
ИБП
перешел на режим работы от батареи.
П работе от аккумуляторной батареи, она является
единственным источником энергии для самого ИБП и его нагрузки. До тех
пор, пока не исчерпан заряд аккумуляторной батареи, нагрузка
снабжается стабилизированным напряжением переменного тока чистой синусоидальной формы. Частота
выходного напряжения тоже стабилизирована инвертором.
Работа ИБП от аккумуляторной батареи продолжается
некоторое время, определяемое зарядом батареи и нагрузкой. После того, как батарея разрядится до
напряжения примерно 1.7 В на элемент, инвертор ИБП будет отключен автоматикой, защищающей
батарею от необратимого переразряда.
Если напряжение на входе ИБП снова поднимется до
нормального, выпрямитель опять начнет
заряжать аккумуляторную батареюи питать
инвертор.
|
4. On-line UPS: режим работы через байпас.
Самые важные элементы ИБП с двойным преобразованием при
работе от сети постоянно находятся под нагрузкой. В случае выхода из строя инвертора, подача напряжения к
нагрузке могла бы прерваться и ИБП не только не выполнил бы
своего предназначения, как источника питания во время сбоя электрической сети, но даже сам из-за своей поломки
мог бы стать причиной потери данных в подключенных к нему компьютерах или отключения каких-либо подключенных к
нему важных устройств. Чтобы этого не происходило, в ИБП введена еще одна, резервная,
линия электроснабжения нагрузки - статический байпас.
При выходе из строя инвертора или его перегрузке, срабатывает переключатель
(размыкается линия "инвертор-нагрузка" и замыкается линия "байпас-нагрузка") и нагрузка
продолжает питаться от сети. Выпрямитель продолжает
заряжать аккумуляторную батарею, инвертор (если он
работоспособен) работает на холостом ходу.
Если причина работы через байпас - выход из строя инвертора, то этот
режим работы может продолжаться неопределенно долго, например, до окончания ремонта инвертора или выключения
ИБП. А если
ИБП
работает через байпас из-за перегрузки, то сразу после исчезновения перегрузки, ИБП переключается на нормальную
работу - через выпрямитель и инвертор.
Для того, чтобы переключение на работу через байпас происходило
незаметно для подключенного к ИБП оборудования, в момент переключения напряжение на выходе инвертора должно быть
близко к напряжению в линии байпаса (т.е. в электрической сети). Посмотрим, что будет, если синхронизации
не будет. Ниже приведена осциллограмма напряжения на инверторе и байпасе. Напряжение инвертора 220 В,
напряжение байпаса 199 В. Частота одинаковая - 50 Гц. Наблюдается небольшая разность фаз.
Если переключение с инвертора на байпас или обратно
произойдет в момент времени, отмеченный на осциллограмме, то нагрузка (и инвертор) испытает скачок
напряжения в 143 В, что может повредить оборудование, подключенное к UPS или инвертор.
Понятно, что на осциллограмме рассмотрен не самый плохой случай: если напряжения будут в противофазе,
то скачок при переключении может достигнуть 600 В.
Если инвертор on-line UPS будет синхронизован
с байпасом (как на осциллограмме ниже)
то скачок при переключении будет гораздо меньше. Но он будет, даже при идеальной синхронизации, если
величина напряжения на выходе инвертора и байпасе различаются.
Современные on-line UPS имеют определенную
логику синхронизации инвертора с байпасом (сетью). Синхронизация инвертора с электрической сетью
разрешена, если напряжение и частота сети находятся в некотором установленном диапазоне. Характерная
величина диапазона по частоте - ±2 Гц, по напряжению - ±15%. Если при такой настройке
on-line UPS, напряжение сети
становится меньше -15% (187 В при номинальном 220 В), переключение с инвертора на байпас запрещается.
Если частота электрической сети выходит за диапазон (скажем, составляет 47 Гц), - инвертор перестает
синхронизовываться с сетью, а питает нагрузку напряжением с частотой ровно 50 Гц, синхронизованное
со встроенным генератором инвертора. Переключение на байпас в этом случае также запрещается.
Это значит, что в случае перегрузки, переключения с инвертора на байпас не произойдет. Для
защиты инвертора ИБП с двойным преобразованием отключит нагрузку. Это сохранит сам
UPS
и предохранит подключенное к нему оборудование (например, компьютер) от большого скачка напряжения,
но, возможно, приведет к потере важных данных.
Поэтому в хороших ИБП с двойным
преобразованием энергии диапазон разрешенных (для синхронизации и переключения) частот и напряжений. Если
эта регулировка доступна, то пользователь или сервисный инженер имеет возможность
настроить UPS (ИБП) для достижения выгодного при данной конфигурации оборудования компромисса
между защитой и надежностью. Например, в on-line UPS
Powerware 9130 (Eaton) имеется возможность настроить нижний порог разрешенного напряжения в диапазоне
от -4 % до -20 % от номинального напряжения сети, а верхний порог - в диапазоне от +4 % до +20 %
от номинального напряжения сети. Если оборудование слабо чувствительно к скачкам при переключении,
а напряжение в электрической сети понижено, то выгодно расширить диапазон разрешенных для
переключения напряжений. Если on-line UPS питается от
генератора, а оборудование не чувствительно к изменению частоты, то выгодно расширить диапазон
разрешенных частот синхронизации. Обе этих позволяют
нарастить надежность on-line UPS и системы в целом
за счет способности отрабатывать перегрузки в более широком диапазоне напряжений и частот. Но это
повышение надежности достигается за счет ухудшения параметров электропитания нагрузки. Поэтому,
если нагрузка очень чувствительна к скачкам напряжения (или нестабильной частоте), то приходится
жертвовать надежностью для поддержания на нагрузке идеального напряжения и частоты и уменьшать
диапазоны напряжений и частот, в которых разрешено переключение.
Итак, основное назначение статического байпаса - это увеличение
надежности UPS и системы электропитания в целом за счет организации резервного источника
электроснабжения, который вступает в действие при выходе из строя инвертора. В рассмотренном
простейшем случае таким источником является та же электрическая сеть, которая питает выпрямитель
UPS.
(В больших UPS возможно подключение байпаса к другой электрической сети). Выход из строя
какой-либо из систем UPS - событие не слишком вероятное. Хорошие on-line UPS работают десятилетиями.
Но статический байпас имеет еще одну функцию, которая используется буквально при каждом включении
сильно нагруженного ИБП - защита инвертора от перегрузки. Кратковременно инвертор способен выдерживать
большие токи. Обычно допускается перегрузка около 50-150 % на несколько миллисекунд и около 10-50 %
на несколько секунд или десятков секунд.
Для многих типичных потребителей электроэнергии (компьютеров,
мониторов, электродвигателей) характерен большой стартовый ток, т.е. увеличенный ток, возникающий
при включении потребителя электроэнергии, в отличие от тока на установившемся режиме работы. Таким
образом, при включении потребителей, мощность которых составляет десятки процентов номинальной мощности
ИБП,
возможна перегрузка инвертора. Если перегрузка возникла, ИБП для предохранения своего инвертора от
перегрузки переключается на работу через байпас. Через несколько секунд ИБП снова переключается
на работу от инвертора. Этот режим работы предохраняет инвертор от выхода из строя и увеличивает
общую надежность системы, защищенной с помощью on-line UPS
|