Новые технологии в мире систем бесперебойного питания

УДК 621.31

A.A. Котов, С.И. Королев, Ю.А. Шурыгин

Новые технологии в мире систем бесперебойного питания

Приводятся сведения о разработке систем бесперебойного электропитания (СБП). Все СБП делятся на системы: резервные (off-line), линейно-интерактивные (line-interactive) и системы с двойным преобразованием (on-line). Показано, что одной из разновидностей систем on-line являются системы с дельта-преобразованием, в которых регулированию подвергается только часть энергии. Регулирование осуществляется с помощью дополнительного инвертора, а суммирование выходного напряжения обеспечивается либо с использованием суммирования части напряжения (дельта), либо с помощью дросселя с обмоткой подмагничивания, либо с использованием уравнительных трансформаторов, либо путем геометрического суммирования основного и дополнительного напряжений.

Системы с дельта-преобразованием и использованием микропроцессорного управления обеспечивают максимальный КПД на выходе, нулевое время переключения с основной сети на резервную и наоборот, возможность прогнозирования аварийных ситуаций, меньше тепловыделения, увеличение входного коэффициента мощности.

Защита электропитания — важнейшая задача для многих государственных и деловых структур. И дело здесь не только в том, что это дорогостоящие энергопотребляющие устройства - будь то компьютерная, коммуникационная или иная офисная техника, а также различного рода промышленное оборудование: АСУ оборудования управления автомобильным, авиационным, железнодорожным транспортом, аппаратуры управления атомными и химическими производствами, ущерб от нарушения работы которых во время перебоев во внешней электросети трудно оценить. Убытки от простоя предприятия могут многократно превзойти средства, необходимые на закупку нового оборудования.

Чтобы избежать подобных издержек, необходимо своевременно позаботиться о безопасном энергоснабжении всех структур и подразделений предприятия. Существуют трехфазные системы бесперебойного питания (СБП) средней или большой мощности, способные защитить целиком всю сеть входного электропитания. Они стабилизируют работу всех электроприборов, не важно, промышленные ли это установки, расположенные в производственном корпусе, или сложная инфраструктура интеллектуального здания.

Еще в начале 1970-х годов компания Silcon Power Electronics производила традиционные трехфазные СБП с двойным преобразованием, затем перешла на архитектуру второго поколения с однократным преобразованием. Наконец, в конце 1990-х была разработана еще более эффективная технология дельта-преобразования. Собственно, физические принципы, на основе которых она реализована, были открыты в 80-е годы XX века. Однако для воплощения их в реальных устройствах понадобилось еще около двадцати лет развития компьютерных технологий.

В основе дельта-преобразования лежит метод постоянного контроля выходного тока с соответствующей коррекцией входного за счет плавной настройки дельта-трансформатора (рис. 1). Частота работы дельта-трансформатора составляет 16 кГц, поэтому на выходе СБП получается значение напряжения, близкое к идеальной синусоиде, а на входе ток потребляется с нулевым фазовым сдвигом (что соответствует коэффициенту мощности, равному 1) [1, 2].

Несмотря на кажущуюся сложность задачи, с ней справляется один дельта-контроллер, на котором основана вся работа системы. В зависимости от показаний датчиков, размещенных во множестве различных точек системы дельта-преобразования, и динамики изменения параметров контроллер меняет характеристики четырех управляемых транзисторов, попарно размещенных в каждом инверторе.

При возникновении как внешних, так и внутренних высокочастотных помех контроллер выравнивает ток и напряжение в соответствии с эталонными синусоидами, регулируя параметры входного дельта-трансформатора. Кстати, здесь заложено одно из радикальных отличий подобных систем от традиционных, которые без дополнительных устройств не могут отстраивать параметры питания в случае возникновения помехи не из внешней сети, а со стороны нагрузки.

Если же амплитуда входного напряжения падает, то за счет изменения характеристики управляющего напряжения на дельта-трансформаторе увеличивается входной ток системы, что приводит к возрастанию напряжения на выходе.

За счет того, что СБП с дельта-преобразованием преобразовывает только энергию, необходимую для компенсации отклонений входного напряжения от эталонной синусоиды, в системе используется весьма компактный дельта-инвертор, что позволяет снизить габариты и массу устройства. Кроме того, поскольку главный инвертор работает с полной расчетной нагрузкой только при переходе на питание от батарей или при значительных перегрузках, существенно повышается его надежность. Это становится немаловажно в моменты пикового возрастания мощности, потребляемой нагрузкой, например, в пусковом режиме. Обычные СБП с двойным преобразованием имеют запас, допускающий примерно 1-2 с работы при 50%-ной перегрузке и около 0,5 с - при 100%-ной. В устройствах с дельта-преобразованием за счет технологической схемы время работы при 100% -ной перегрузке физически ограничено только зарядом батарей. В реальности подобный режим работы считается неестественным или аварийным и отключается через 60 с по таймеру.

Система с дельта-преобразованием состоит из двух инверторов (дельта-инвертор — устройство 1 и основной инвертор — устройство 2), выполненных по специальной 4-квадрантной схеме и системы управления и регулирования. Оба инвертора соединены с общей батареей и в зависимости от состояния напряжения в магистрали принимают на себя функции или инвертора, или выпрямителя.

Так, например, если в магистрали происходит падение напряжения, то устройство 2 работает как инвертор, а устройство 1 — как выпрямитель. И наоборот, при увеличении напряжения устройство 1 берет на себя функции инвертора, а устройство 2 — выпрямителя. Данная система работает в режиме автоматического регулирования как выходного напряжения, так и входного коэффициента мощности.

В идеальных условиях, когда параметры электросети соответствуют требованиям качества питания нагрузки (напряжение и ток соответствуют номиналу, отсутствуют всевозможные провалы, выбросы, помехи и шум), электроэнергия полностью передается в нагрузку, а не преобразуется дважды, как в СБП с двойным преобразованием, в этом случае потерь на преобразование нет.

В реальной ситуации, когда параметры сети не идеальны, происходит традиционное двойное преобразование электроэнергии. Но система с дельта-преобразованием намного «умнее», чем классическая схема двойного преобразования, так как преобразует не всю энергию, а только ту часть, которую необходимо (примерно 20%, отсюда и название — дельта-преобразование). Так, например, при отклонениях входного напряжения на 15 % двойному преобразованию подвергнется только 15% электроэнергии. Если принять суммарные потери, как в традиционном СБП со схемой двойного преобразования, равными 10 %, то в системе с дельта-преобразованием энергопотери составят 0,15 х 10% = 1,5%.

Возникновение помех и искажений в электросети сравнивают с волнением на поверхности водоема. Идею дельта-преобразования формулируют так: чтобы водная поверхность была ровной и гладкой, не нужно трогать всю массу воды — от поверхности до самого дна, достаточно успокоить ее верхний слой. В соответствии с этим принципом работают СБП с дельта-преобразованием.

В случае аварии электросети основной инвертор получает энергию от аккумуляторной батареи, и схема работает по тому же принципу, что при классическом двойном преобразовании.

Таким образом, система с дельта-преобразованием работает в режиме On-line, как традиционная схема двойного преобразования, и имеет все присущие ей достоинства, но при этом обладает большей эффективностью.

Все эти особенности позволили не ставить на входе дополнительных фильтров и минимизировать реактивную мощность СБП, а при стыковке такого СБП с дизель-генераторной установкой (ДГУ) принимать коэффициент запаса по мощности ДГУ не более 1,3.

входного тока

Рынок СБП достаточно консервативен, и технологические новации на нем происходят относительно редко. Изобретение БЦсоп дельта-преобразования явилось настоящим прорывом. Новая технология позволила значительно улучшить практически все параметры трехфазных СБП: повысить КПД, обеспечить меньшее тепловыделение, более низкий уровень шума, меньшие вес и габариты, а также снизить затраты на инсталляцию и эксплуатационные расходы. При этом удалось сохранить главное достоинство онлайновых СБП с двойным преобразованием: строго синусоидальное выходное напряжение с постоянной амплитудой.

Главное достоинство СБП с дельта-преобразованием — высокий КПД. Однако достигается он при вполне определенных условиях — когда параметры напряжения сети соответствуют номинальным значениям, входной импеданс нагрузки имеет только активную составляющую, а сам СБП нагружен на полную мощность. При невыполнении этих условий повышается нагрузка на основной инвертор (ОИ) и дельта-инвертор (ДИ) или снижается эффективность использования входного трансформатора, что, так или иначе, ухудшает КПД. К тому же к эффекту приводит расширение диапазона входных напряжений для нормального режима работы. В итоге, имея преимущество по КПД (2-3 % ) в идеальных условиях, СБП с дельта-преобразованием проигрывают системам типа Оп-Ьше в условиях реальных.

По той же самой причине не всегда удается получить обещаемый поставщиками подобных агрегатов выигрыш при выборе генераторной установки. Рекомендуемый коэффициент запаса мощности ДГУ 1,3...1,5 можно взять за основу лишь в том случае, если нагрузка является чисто линейной. На практике это бывает крайне редко и поэтому правильнее закладывать в расчеты коэффициент 1,5...1,8 — точно такой же, как при использовании СБП с двойным преобразованием, снабженных относительно экономичным корректирующим ПЕШ-фильтром.

Следует отметить, что СБП с дельта-преобразованием отличаются более высокой сложностью по сравнению с системами типа Оп-Ьше, так как для обеспечения двунаправленной работы основного инвертора в них применяются устройства четырехквадрантного типа. Это сказывается на стоимости и надежности агрегата. Кроме того, в нормальном режиме основной и дельта-инвертор должны работать синхронно с сетью. Переход СБП из автономного режима в нормальный происходит лишь после восстановления синхронизации двух инверторов с сетевым напряжением. Сбой любого элемента системы в этом случае может стать причиной повреждения целой группы блоков. Процесс синхронизации особенно усложняется при параллельной работе нескольких СБП.

Подводя итог, можно констатировать, что СБП с дельта-преобразованием более пригодны для использования в странах с относительно хорошим качеством электросети.

В условиях, характерных для большинства регионов России и стран СНГ, они проигрывают системам с двойным преобразованием напряжения по эффективности.

Разработка СБП с дельта-преобразованием проводилась в НИИ автоматики и электромеханики при ТУСУРе [3, 4]. Идея СБП с дельта-преобразованием основана на параллельной работе промышленной сети и регулируемого инвертора, выполняющего роль дельта-инвертора. Включение в цепь источника промышленной сети и регулируемого дельта-инвертора дополнительных уравнительных трансформаторов открывает новые эксплуатационные возможности в системе электропитания.

Это, во-первых, повышение КПД, исключение аварийных режимов в самой системе электропитания при коммутации источников переменного тока [2], во-вторых, обеспечение стабилизации выходного напряжения у потребителя при широком изменении напряжения промышленной сети. Применение микропроцессорного управления позволяет прогнозировать возникновение аварийных ситуаций на выходе системы электропитания и принимать меры для ликвидации аварийного режима, предотвращая развитие аварийной ситуации путем реконфигурации системы электропитания [5]. Причем реконфигурация системы электропитания происходит как при резком изменении контролируемого параметра, так и при достижении граничных параметров, не допуская выхода из строя электротехнического оборудования, системы электропитания [5].

В номинальном режиме напряжение на выходе промышленной сети дельта-инверто-ра равно номинальному (рис. 2). От источников и 02 потребляется одинаковый ток, поэтому ампервитки силовых уравнительных трансформаторов ТА1 и ТА2 равны между собой и взаимно компенсируются за счет встречного включения вторичных обмоток, осуществляющих электрическую связь между уравнительными трансформаторами.

Дельта-инвертор

Рис. 2. Функциональная схема системы бесперебойного электропитания

Если напряжение промышленной сети увеличится, то изменится соотношение токов, потребляемых от источников 61, 02, и суммарные ампервитки уравнительных трансформаторов ТА1 и ТА2 будут отличаться от нуля и на их обмотках возникнет напряжение разбаланса, определяемое разностью токов вторичных обмоток, которое вычитается из напряжения промышленной сети и складывается с напряжением дельта-инвертора в2. Напряжение у потребителя переменного тока равно полусумме нерегулируемого и регулируемо-

го источников, поэтому оно увеличивается на величину, равную половине отклонения напряжения промышленной сети от номинального. Напряжение от потребителя переменного тока поступает на вход системы управления, и оно сравнивается с напряжением источника опорного напряжения вЗ на элементе сравнения. Так как напряжение у потребителя превышает заданное, но на выходе элемента сравнения возникает напряжение рассогласования, которое поступает на вход дельта-инвертора и уменьшает его выходное напряжение.

На выходе элемента сравнения возникает сигнал рассогласования, который воздействует на регулятор выходного напряжения до тех пор, пока напряжение на нагрузке не станет равным номинальному с заданной точностью (на рис. 2 регулятор и узлы схемы управления не показаны). При уменьшении выходного напряжения промышленной сети процессы регулирования протекают аналогично, но при этом выходное напряжение дельта-инвертора увеличивается до уровня, определяемого допустимым отклонением напряжения АС/ потребителя, а это произойдет при отклонении напряжения промышленной сети на величину ЗЛЕ/ , так как

U

N

= UN±AU

и система бесперебойного электропитания работает в трех режимах:

1) пока выходное напряжение промышленной сети не превышает номинального значения, система бесперебойного электропитания работает от промышленной сети в линейно-интерактивном режиме;

2) как только напряжение промышленной сети становится больше, чем номинальное, но при этом находится в диапазоне изменения выходного напряжения промышленной сети от номинального до утроенной величины допустимого отклонения напряжения потребителя ±ЗДU , то система бесперебойного электролитания работает в режиме дельта-преобразования;

3) при превышении выходного напряжения дельта-инвертора более АС/ система бесперебойного электропитания работает как СБП с двойным преобразованием (on-line), источником питания в этом режиме является аккумулятор G3 (см. рис. 2).

В предлагаемом устройстве при отклонениях входного напряжения на 15 % двойному преобразованию подвергается только 5% электроэнергии. Если суммарные потери как в традиционной СБП со схемой двойного преобразования равны 10%, то в системе с предлагаемым дельта-преобразованием энергопотери составят 0,05 • 10 % = 0,5 %.

Технология дельта-преобразования может быть использована при построении СБП, когда в качестве резервного канала используются источники с низким уровнем нестабильности, т.к. устройства альтернативной энергетики — малые ГЭС, паро-, газо-, ветроэлектрогене-раторы [7].

Источники переменного тока, у которых возможна параллельная работа, должны иметь равенство амплитуд, частот и фаз. В реальности, подводимые основные и резервные сети отличаются по частоте и не связаны между собой и фазы их напряжений относительно друг друга постоянно изменяются. Для получения изменения фазы напряжений резервной сети формируют одну дополнительную систему трехфазных напряжений Uau , Ubu , Ucu , фазы которой относительно резервной сети и амплитуды определяются фазами и амплитудами напряжений основной и резервной сетей. Сумма напряжений резервной и дополнительной сетей (cosa • С/лдкс РЕЗ + ^выхдоп)> гДе — максимальный фазовый сдвиг между фазным

напряжением резервной и дополнительной сетей, совпадает по фазе с основной сетью. Из полученных напряжений, определяемых разностью максимально допустимых напряжений основной и резервной сетей, формируют управляющие сигналы, находящиеся в фазе с указанными напряжениями, и подают на цепи управления ключевых элементов дельта-инвер-тора, формирующего дополнительную систему напряжений Uau , Ubu , . Амплитуды напряжений дополнительной системы определяют путем получения постоянного напряжения, пропорционального сумме напряжений резервной (стабилизированного) и дополнительной сети, и сравнения его с опорным Uou, получения управляющего сигнала и подачи его по цепи управления ключевых элементов выпрямителя. Применение резервного напряжения с амплитудой cos а • t/мдкс осн обусловлено тем, что фазовый сдвиг между напряжением резервной сети и дополнительной в этом случае не будет превышать 90 градусов и, следовательно, энергия, потребляемая от выпрямителя, будет не меньше энергии, возвращаемой из резервной сети через обратные диоды инвертора в конденсаторы выпрямителя. В этом случае не нужно иметь обратный инвертор или осуществлять сброс энергии через выпрямитель в резервную сеть, что приведет к повышению надежности и КПД устройства.

В соответствии с вышесказанным на рис. 3 приведены системы напряжений, раскрывающие суть предлагаемого устройства. С помощью дельта-инвертора формируется дополнительная система Uau , Ubu , Ucu , фазы и амплитуды которой определяются фазами и амплитудами основной и резервной сетей. Геометрическая сумма напряжений резервной и дополнительной сетей \Um ^ + £/ВЬ1Х доп| совпадает по фазе с основной сетью, т.е. формируется «мнимая» основная сеть.

1)си ^^ ^^ иьи

Рис. 3. Фазовый сдвиг между фазными напряжениями основной и резервной сетей

При аварии в основной сети указанную сумму напряжений подают на потребителей переменного тока, после чего фазу дополнительной системы напряжения изменяют до совпадения с фазой резервной сети со скоростью, определяемой допустимым отклонением мгновенной частоты напряжений, подаваемых на потребители переменного тока, а амплитуду суммарных напряжений уменьшают до номинальной величины путем уменьшения до нуля выходного напряжения дельта-инвертора.

Время перехода потребителей с момента отключения основной сети до момента перехода на питание от резервной сети как раз и определяет время работы дельта-инвертора.

Предложенное устройство бесперебойного электропитания обеспечивает повышение надежности и КПД за счет уменьшения количества формируемых дополнительных систем напряжений, исключения циркуляции мощности в контуре: резервная сеть — обратные диоды инвертора - обратный инвертор - резервная сеть, уменьшения количества силовых ключевых элементов и упрощения схемы управления, а также обеспечивается высокое качество электрической энергии.

Литература

1. Ездаков A.A. Silcon трехфазные СБП средней и большой мощности / A.A. Ездаков // Сети и системы связи. - 2002. - №11. - С. 56-59.

2. Королев С.И. Система бесперебойного электропитания аппаратуры химических производств / С.И. Королев, Г.И. Цветков / Исследование специальных электрических машин и мапгановентильных систем : сб. статей. - Томск : ТПИ, 1987. - С. 75-81.

3. А. с. 1683471 СССР, МКИ Н 02 J 9/06. Система бесперебойного электропитания / А.Г. Азаров, С.И. Королев, В.В. Полонский, Г.И. Цветков (СССР). - № 4283224/07; заявл. 19.06.1987; опубл. 08.06.1997. - 11 с.

4. Пат. 2043686 РФ, МПК Н 02 J 9/06. Система бесперебойного электропитания / А.Г. Азаров, С.И. Королев, В.В. Полонский, Г.И. Цветков (РФ). - № 4476281/07; заявл. 19.08.1988; опубл. 10.09.1995. - 8 с.

5. Пат. 2212747 РФ, МПК7 Н 02 J 9/06. Система бесперебойного электропитания / A.B. Гусельников, С.И. Королев, A.B. Кудин, Г.Н. Цветкова (РФ). - № 2001120840/09; заявл. 26.07.2001; опубл. 20.09.2003, Бюл. № 26. - 11 с.

6. Пат. 2133542 РФ, МПК6 Н 02 J 9/04 / Н 02 J 9/06. Способ управления системой бесперебойного электропитания в аварийных режимах / А.Н. Барковский, С.И. Королев, Г.П. Казьмин, H.A. Молдаван (РФ). - № 98103602/09; заявл. 18.02.1998; опубл. 20.07.1999. -9 с.

7. А. с. 1198648 СССР, МКИ4 Н 02 J 9/00. Способ бесперебойного электропитания потребителей переменного тока и устройств для его осуществления / С.И. Королев, Ю.А. Мордвинов (СССР). № 3758612/24-07; заявл. 25.06.1984; опубл. 15.12.1985, Бюл. № 46. - 20 с.

Котов Андрей Александрович

Аспирант кафедры компьютерных систем в управлении и проектировании ТУСУРа,

директор ООО *СГЭП»

Тел.: 8 903 952 19 99

Эл. почта: kaa@ms.tusur.ru

Королев Станислав Иванович

Канд. техн. наук, ст. науч. сотр., науч. рук. ООО «СГЭП»

Тел.: (3822) 41 83 15

Эл. почта: koroll943@yandex.ru

Шурыгин Юрий Алексеевич

Д-р. техн. наук, профессор, директор НИИ АЭМ при ТУСУРе Тел.: (3822) 55 62 88

А.А. Kotov

New technologies in the UPS world

The article contains information about development of uninterruptible power systems (UPS). All UPS are divided into the following systems: off-line, line-interactive and on-line. One of the modifications of on-line systems showed to be systems with delta-conversion, in which only a part of the power is subjected to conversion. Regulation is realized by using of an additional inverter and summation of the output voltage can be provided by the following means:

1. summation of a part of voltage (delta);

2. by the instrumentality of using a choke with excitation winding;

3. by the instrumentality of using equalizing transformers;

4. by means of geometrical summation of the main and additional voltages.

Systems with delta-conversion and microbased control provide: maximum coefficient of efficiency on output; zero time needed for main/additional electric network switching; prediction alarm conditions; reducing of heat release; increasing of the input power factor.