Лабораторная работа № 27-28

Тема: Изучение работы источников бесперебойного питания.

Цель: Изучение структурной схемы источника бесперебойного питания и ознакомление с его конструкцией. Сравнить экспериментальные данные с теоретическими и объяснить причины погрешностей. Выполнить необходимые измерения электрических параметров.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ:

Источник бесперебойного питания (ИБП), UPS (англ. Uninterruptible Power Supply) — вторичный источник электропитания, предназначенный для электропитания при кратковременном отключении основного источника электропитания, а также для защиты от существующих помех в сети с сохранением допустимых параметров для сети основного источника. Основная функция ИБП состоит в обеспечении непрерывности подачи электропитания переменного тока. ИБП также могут использоваться для улучшения качества источника электропитания, удерживая его характеристики в заданных пределах.

Существует три схемы построения ИБП:

· резервный — используется для питания персональных компьютеров или рабочих станций локальных вычислительных сетей. Практически все недорогие маломощные ИБП, предлагаемые на отечественном рынке, построены по резервной схеме. При выходе электропитания за нормированные значения напряжения или его отсутствии ИБП автоматически переключает подключённую нагрузку к питанию от аккумуляторов (с помощью простого инвертора). При появлении нормального напряжения ИБП снова переключает нагрузку на питание от сети. Недостатком данного вида ИБП является несинусоидальный выход и относительно длительное время переключения на питание от батарей. За счёт КПД около 99 % практически бесшумны и с минимальным тепловыделением. Не могут корректировать ни напряжение, ни частоту (VFD по классификации МЭК.)

· интерактивный — то же самое, что и резервный, но кроме того на входе присутствует ступенчатый стабилизатор напряжения, позволяя получить регулируемое выходное напряжение. (VI по классификации МЭК.) Инверторы некоторых моделей линейно-интерактивных ИБП выдают напряжение как прямоугольной или трапецеидальной формы, как у предыдущего варианта, так и синусоидальной формы. Время переключения меньше, чем в предыдущем варианте, так как осуществляется синхронизация инвертора с входным напряжением. КПД ниже, чем у резервных.

· оn-line или двойного преобразования (он-лайн, неавтономный режим) — используется для питания файловых серверов и рабочих станций локальных вычислительных сетей, а также любого другого оборудования, предъявляющего повышенные требования к качеству сетевого электропитания. Принцип работы состоит в двойном преобразовании (double conversion) рода тока. Сначала входное переменное напряжение преобразуется в постоянное, затем обратно в переменное напряжение с помощью обратного преобразователя (инвертора). Время переключения тождественно нулю. ИБП двойного преобразования имеют невысокий КПД (от 80 % до 94 %), из-за чего отличаются повышенным тепловыделением и уровнем шума. В отличие от двух предыдущих схем, способны корректировать не только напряжение, но и частоту (VFI по классификации МЭК).

Рисунок 1.1. Структура шифра источника бесперебойного питания

 

ХОД РАБОТЫ:

1. Рассмотрим источник бесперебойного питания ИБП5–48/36–4.2

Источник бесперебойного питания ИБП5–48/36–4.2 предназначен для электропитания напряжением постоянного тока оборудования предприятий электросвязи. Первичным источником для него является однофазная двухпроводная сеть промышленной частоты. Источник может работать как с аккумуляторной батареей, так и без неё. В состав источника входят два основных узла: силовой узел, в котором могут размещаться до четырёх выпрямительных модулей и узел управления, защиты и контроля. Источник конструктивно представляет собой единый блок, который имеет два варианта исполнения: блок с кожухом для размещения в телекоммуникационном шкафу стандарта 19 дюймов и блок в корпусе специальной конструкции шириной 600 мм для установки на аккумуляторном стеллаже. Охлаждение блока – принудительное воздушное от вентиляторов, установленных в выпрямительных модулях.

2. Технические характеристики источника ИБП5-48/36-4.2.

Источник обеспечивает заданные электрические параметры на выходе при следующих условиях окружающей среды: температура окружающего воздуха от +5°С до +40°С; влажность воздуха до 80% при +25°С; пониженное атмосферное давление до 60 кПа. ИБП5–48/36–4.2 имеет следующие выходные параметры:

· Выходное напряжение

o при работе от промышленной сети, В минус 54 ± 1%

o при работе от аккумуляторной батареи, В минус 48 ± 6

· Суммарный выходной ток четырёх выпрямительных модулей, А 36

· Максимальный выходной ток четырёх выпрямительных модулей при напряжении минус 48 В, А 42

· Диапазон регулирования выходного напряжения, В 46,5 … 57

· Коэффициент полезного действия не менее 0,9

· Коэффициент мощности не ниже 0,7.

Рисунок 1.2. Структурная схема источника ИБП5–48/36–4.2

3. Источник ИБП5–48/36–4.2 представляет собой систему бесперебойного питания на стороне постоянного тока с АБ, подключенной во всех режимах к нагрузке. Силовой узел содержит выпрямительные модули типа БП1…БП4, коммутирующую и защитную аппаратуру, выполняющую следующие функции:

· Автоматический выключатель QF1 совместно с варисторами RU1, RU2 защищает цепи электропитания переменного тока от перегрузок и коротких замыканий.

· Автоматический выключатель QF6 обеспечивает защиту аккумуляторной батареи от перегрузок и короткого замыкания.

· Автоматические выключатели QF2…QF5 обеспечивают защиту выходных цепей источника от перегрузок.

Микропроцессорный блок цифровой обработки выполняет следующие функции:

· непрерывное измерение и отображение на дисплее основных параметров устройства – суммарного выходного тока Iн, выходного напряжения Uн и тока разряда – заряда аккумуляторной батареи Iа;

· контроль технического состояния и его индикацию на передней панели узла управления;

· контроль ёмкости АБ;

· измерение и запоминание в энергозависимой памяти БЦО значений тока разряда батареи Iа в процессе тестирования, напряжения на нагрузке Uн и израсходованной ёмкости;

· коррекцию напряжения заряда АБ в зависимости от температуры окружающей среды;

· ограничение тока заряда АБ;

· отключение АБ при глубоком разряде;

· выдачу внешних сигналов неисправности через беспотенциальные контакты реле;

· ручную (с панели узла управления) корректировку текущего времени, даты и постоянных параметров, определяющих режимы работы источника и тестирования АБ;

· дистанционную (по интерфейсу RS–232C) корректировку текущего времени и даты.

4. Основные электрические характеристики выпрямительного модуля БП–500/48

Параметры		Значения
Входные	Напряжение сети, В	220 В +20%, –25%
	Частота сети, Гц	50 ± 2,5
Выходные	Номинальное напряжение, В	54
	Пределы регулировки напряжения, %	± 1
	Номинальный ток нагрузки, А	9
	Порог срабатывание защиты от перенапряжения, В	59

5. Выпрямительный модуль построен по схеме с бестрансформаторным входом и регулированием напряжения методом ШИМ. Силовая цепь состоит из следующих функциональных узлов: входного выпрямителя, собранного по однофазной мостовой схеме с емкостным сглаживающим фильтром на выходе, квазидвухтактного инвертора напряжения, выходного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой и LC – сглаживающего фильтра. Для исключения воздействия входных помех на источник, самого источника на сеть и потребителя на входе и выходе установлены фильтры помех.

Драйвер преобразователя постоянного напряжения формирует траекторию перемещения рабочей точки силовых ключей в области безопасной работы и создаёт необходимую мощность сигнала управления для гарантированного включения транзисторов.

Система управления обеспечивает:

· стабилизацию и регулировку выходного напряжения методом широтно–импульсной модуляции;

· ограничение тока нагрузки;

· задержку включения и плавный запуск;

· выключение при уходе напряжения сети переменного тока за допустимые пределы;

· защиту от повышения выходного напряжения;

· защиту при коротком замыкании на выходе;

· световую и дистанционную сигнализацию;

· коррекцию напряжения заряда аккумуляторной батареи в зависимости от температуры окружающей среды;

· контроль напряжения АБ и ее отключение при глубоком разряде;

· ограничение тока заряда батареи;

· отображение измеряемых параметров на цифровом дисплее и мониторе компьютера. \

Рисунок 1.3. Структурная схема модуля БП–500/48

Рисунок 1.4. Функциональная схема выпрямительного модуля

 

Схема включает следующие функциональные узлы: входной помехоподавляющий фильтр, входной низкочастотный выпрямитель (VD1…VD4) с емкостным сглаживающим фильтром (С4), резистор для ограничения пускового тока выпрямителя (R10), два однотактных транзисторных инвертора напряжения с ключами VT5 и VT6 с противофазным управлением, высокочастотные трансформаторы T1, T2 c дополнительными обмотками и диодами VD10, VD11 для питания схемы управления, двухполупериодный выпрямитель со средней точкой VD12, VD13, сглаживающий фильтр L1, С7 и выходной фильтр помех.

Помехоподавляющие фильтры установлены на входе и выходе БП–500/48 для снижения уровня обратной помехи (наводимой в первичную сеть самим модулем) и защиты от коммутационных помех в сети (при воздействиях типа грозового разряда, техногенной аварии или др.). При воздействиях со стороны нагрузки, например, подключение АБ, также создаётся помеха. Кроме того, сам модуль, имеющий в составе полупроводниковые приборы, которые переключают токи и напряжения с высокими скоростями создает помехи.

Они оказывают влияние не только на работу аппаратуры связи, но и на работоспособность самих выпрямительных модулей, так как их схемы управления содержат аналоговые и импульсные преобразователи сигналов, конструктивно расположенные в непосредственной близости от силовых цепей. Принципиальные схемы входного и выходного помехоподавляющих фильтров приведены на рисунках 1.5 и 1.6 соответственно.

Для повышения степени фильтрации помех, распространяемых по проводам все цепи питания соединены с корпусом прибора (землей) через конденсаторы C1, С3, C4, C6, С7, С9 на рисунке 1.5 и конденсаторы C1…С3, С5…C9 на рисунке 1.6.

Рисунок 1.5. Принципиальная схема входного помехоподавляющего фильтра

Рисунок 1.6. Принципиальная схема выходного помехоподавляющего фильтра

Дроссели L1, L2, L3 (рисунок 1.5) и L1, L2 (рисунок 1.6) благодаря встречному включению обмоток и наличию конденсаторов C2, С5, С8 (рисунок 1.5) и C4 (рисунок 1.6) снижают дифференциальную составляющую помехи. Другие конденсаторы предназначены для подавления синфазной составляющей. Подключение этих конденсаторов непосредственно в точке соединения элементов позволяет подавлять обе составляющие помехи.

6. Контроллер UC3846N

Транзисторный инвертор напряжения (рисунок 1.4) состоит из двух прямоходовых однотактных преобразователей (T1, VT5 и T2, VT6), работающих в противофазе. На затворы транзисторов VT5 и VT6 от схемы управления поступают управляющие импульсы X1, X2 определенной длительности. Во время открытого состояния одного из транзисторов VT5(VT6) к первичной обмотке трансформатора Т1(T2) прикладывается напряжение источника питания, равное U_ПР (рисунок 1.4). При этом к закрытому транзистору прикладывается напряжение, равное 2U_ПР (рисунок 1.7). Для управления силовыми ключами методом ШИМ используется контроллер UC3846N, функциональная схема которого представлена на рисунке 1.8.

Рисунок 1.7. Алгоритм управления силовыми ключами

Рисунок 1.8. Функциональная схема контроллера UС3846N

7. Перечислим основные неполадки, которые возникают в сетях электропитания:

· исчезновение напряжения (Power Failure) - отсутствие напряжения более одного периода (20мс)

· провал напряжения (Power Sag) - внезапное понижение напряжения ниже 90% от номинального значения (207 В)

· перенапряжение (Power Surge, Over Voltage) - внезапное повышение напряжения выше 110% от номинального значения (253 В)

· электромагнитные помехи (Electrical Line Noise) - возникновение в сети высокочастотных импульсных помех

· высоковольтные импульсы напряжения (High Voltage Spikes) - появление в сети короткого (10-50мкс) высоковольтного импульса напряжением до 6000 В

· отклонения частоты (Frequency Variations) - отклонение частоты напряжения за пределы диапазона (50 ± 0.2) Гц

· несинусоидальность напряжения (Harmonic Distortion), характеризующееся коэффициентом искажения синусоидальной кривой

 

Ход работы:

Выполнить измерения в контрольных точках заданных преподавателем и сравнить полученные результаты измерений с паспортными характеристиками устройства.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Что такое ИБП? Какие виды ИБП существуют?

2. Как расшифровать название ИБП?

3. Зачем нужны помехоподавляющие фильтры установлены на входе и выходе БП–500/48?

4. Что такое Power Sag?

5. Что защищает цепи электропитания переменного тока ИБП5-48/36-4.2 от перегрузок и коротких замыканий.