ИНВЕРТОРЫ В ИСТОЧНИКАХ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

INVERTERS IN UNINTERRUPTABLE POWER SUPPLY

Daniil Makarov

post-graduate student of the department of shipboard automated electric power systems of Admiral Makarov State University of Maritime and inland shipping,

Russia, Saint-Petersburg

Arseniy Makarov

post-graduate student of the department of electromotive and automatics of the vessels of Admiral Makarov State University of Maritime and inland shipping,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

Цель статьи заключается в рассмотрении технических особенностей трансформаторных и бестрансформаторных источников бесперебойного питания, применяемых на судах. В статье приведены схемы, достоинства и недостатки, показаны особенности выбора того или иного типа. На основании критериев, приведенных в статье, сделано сравнение трансформаторных и бестрансформаторных источников бесперебойного питания. В заключении даны рекомендации о выборе источника бесперебойного питания.

ABSTRUCT

The purpose of the article is to consider technical features of transformer and non-transformer uninterruptible power supplies used on ships. In the article the schemes, advantages and disadvantages are shown, features of a choice of the first or second type are shown. Based on the criteria given in the article, a comparison is made between transformer and non-transformer uninterruptible power supplies. In conclusion, recommendations for choosing an uninterruptible power supply are given.

Ключевые слова: инвертор, трансформаторный, бестрансформа­торный, выпрямитель.

Keywords: inverter, transformer, non-transformer, rectifier.

Источники бесперебойного питания (ИБП) применяются в качестве переходного ис­точника электроэнергии для обеспечения беспере­бойности электроснабжения технологиче­ского оборудования объектов безопасности мореплавания, в том числе для контроля состояния изоляции с целью обеспечения электро- и пожаробезопасности с момента исчезновения питания от основного источника электроэнергии до подключения резервного источника электроэнер­гии и принятия им на себя нагрузки, а также при временном, недопустимом ухудшении каче­ства электроэнергии питающей сети.

Преобладающим видом ИБП являются статические. Именно эти ИБП и рассматриваются далее.

Статические ИБП включают в себя три основных блока (рис. 1):

• полупроводниковый выпрямитель;
• аккумуляторная батарея (АБ);
• инвертор.

Рисунок 1. Структурная схема основных блоков ИБП

Инверторы обычно выполняют по следующим структурным схемам:

• мостовые с трансформаторным или бестрансформаторным выходом;
• полумостовые с трансформаторным или бестрансформаторным выходом.

В настоящее время мостовые схемы используют редко и только в агрегатах гарантированного питания («off-line» и «line-interactive») средней и большой мощности. Причиной этого является меньшее количество силовых ключей (JGBT - транзисторов) в полумостовых схемах и, как следствие, их меньшая стоимость при практически одинаковых характеристиках. Так как мостовые схемы используются редко произведем сравнение полумостовых схем с трансформаторным и бестрансформаторным выходом. Схемы этих инверторов с бестранс­форматорным и трансформаторным выходами приведены на рисунке 2.

Рисунок 2. Схемы однофазных инверторов с бестрансформаторным (а) и трансформаторным (б) выходами

Расположение и доступность

Бестрансформаторные ИБП имеют более гибкие возможности при размещении. Это особенно важно, когда ещё не определены будущие потребности заказчика. Бестрансформаторный ИБП обычно меньше по размерам и легче, чем трансформаторный ИБП той же мощности. Во многих случаях это позволяет расположить ИБП ближе к нагрузке. Однако площадь, занимаемую ИБП, необходимо оценивать с учётом зоны обслуживания. Трансформаторный ИБП с фронтальным доступом может требовать меньше места, чем ИБП без трансформатора, к которому необходим доступ со всех сторон. Применение бестрансформаторного ИБП совсем не означает, что невозможна установка трансформаторов в системе бесперебойного питания. Разработчик имеет возможность разместить трансформатор именно там, где это необходимо.

Надёжность

Трансформаторные ИБП по определению имеют более высокие показатели надёжности, благодаря тому, что в их конструкции содержится меньшее количество элементов. Бестрансформаторный ИБП обычно имеет большее количество элементов, следовательно, менее высокую надёжность.

Входной коэффициент несинусоидальности и коэффициент мощности

Тиристорный выпрямитель трансформаторного ИБП вырабатывает высшие гармоники тока. Коэффициент несинусоидальности составляет около 28 %. Эта величина может снижаться при установке пассивного фильтра [1].

Значение КНИ тока бестрансформаторного ИБП меньше 28 %. Это достигается применением бустера, который обеспечивает совпадение формы кривой тока и напряжения. В зависимости от модели КНИ тока может быть менее 8‑10 %.

Входной коэффициент мощности (КМ) бестрансформаторного ИБП выше по сравнению с трансформаторным ИБП. На входе трансформа­торного ИБП стоит тиристорный выпрямитель. Его коэффициент мощности около 0,8. С помощью пассивных фильтров это значение может быть увеличено до 0,98. Бестрансформаторные ИБП имеют схемы коррекции входного коэффициента мощности. За счёт этого входной коэффициент мощности бестрансформаторного ИБП выше, чем у транс­форматорного ИБП, при любой степени его загруженности (25, 50 или 100 %).

Подсистема АКБ

В трансформаторных ИБП, как правило, число 12-вольтовых блоков батарей не превышает 30 (максимально 32). В бестрансформаторных ИБП число этих блоков равно 40, поскольку установлены последовательно две линейки батарей. Данное конструктивное ограничение вызвано тем фактом, что на вход инвертора бестрансформаторного ИБП должно подаваться напряжение номиналом 480 В. Таким образом, комплект аккумуляторных батарей для трансформаторного ИБП обойдётся дешевле. Также необходимо учитывать, что чем меньше последовательно соединённых элементов в подсистеме АКБ, тем выше её надёжность.

В трансформаторных ИБП зарядное устройство совмещено с выпрямителем и обеспечивает большой зарядный ток. В случае применения батарей повышенной ёмкости необходимо, чтобы величина зарядного тока составляла 10‑20 % от ёмкости АКБ, выраженной в А-ч. Соблюдение данного правила, позволяет продлить срок службы аккуму­ляторных батарей, а также обеспечить быстрое восстановление времени автономной работы ИБП.

В бестрансформаторных ИБП зарядные устройства (2 шт.) являются отдельными блоками и имеют ограничение по току. Для батарей повышенной ёмкости могут потребоваться дополнительные зарядные устройства (ЗУ) или ИБП большей мощности.

Трансформаторные ИБП, по сравнению с бестрансформаторными, имеют более высокое значение зарядного тока. Следовательно, к трансформаторному ИБП можно подключить большее количество батарей и тем самым обеспечить увеличение времени автономной работы системы бесперебойного питания.

КПД системы

Применение трансформатора в ИБП понижает общий КПД устройства, однако в современных ИБП он с учётом применения современных алгоритмов управления инвертором может достигать 92‑93 % [2].

КПД бестрансформаторного ИБП, как правило, немного выше, чем у трансформаторного ИБП. Типичное значение составляет 93‑93,5 %. КПД можно повысить (также и для трансформаторных ИБП) за счёт использования так называемого эко-режима, при котором нагрузка подключается в обход схемы двойного преобразования.

Постоянная составляющая на выходе

Постоянная составляющая на выходе ИБП может повредить нагрузку. Одно из главных преимуществ применения трансформаторных ИБП в том, что исключается возможность появления постоянной составляющей на выходе устройства. В бестрансформаторных ИБП при возникновении короткого замыкания в элементе IGBT-инвертора на выходе появляется постоянная составляющая [3]. При этом ИБП должен переключиться на статический байпас.

Плавный старт и тест батарей

Трансформаторный ИБП оборудован управляемым тиристорным выпрямителем. Включение ИБП не вызовет перегрузки генератора или сети. Выпрямитель бестрансформаторного ИБП не может регулироваться.

Применение тиристорного выпрямителя даёт возможность тести­рования состояния аккумуляторных батарей без риска отключения нагрузки [4]. Поскольку тиристорный выпрямитель управляемый, можно искусственно создать напряжение постоянного тока на его выходе ниже напряжения АКБ. Если при тесте батареи дают отказ, инвертор питается от выпрямителя, что безопасно для нагрузки. Именно так проводится тест состояния АКБ. В бестрансформаторном ИБП батареи тестируются отключением выпрямителя и переходом инвертора на питание от батарей [5]. При отказе батарей существует риск, что выпря­митель не включится достаточно быстро. При этом ИБП должен перейти на байпас.

Заключение

Несмотря на наблюдаемую тенденцию к переходу на бестрансфор­маторные ИБП, при выборе источника необходимо взвесить все достоинства и недостатки трансформаторной и бестрансформаторной технологии. В общем случае бестрансформаторные ИБП чаще всего используются для питания серверной нагрузки, то есть нагрузки без пусковых токов. Для динамичной нагрузки лучшим выбором будет трансформаторный ИБП. Правильный выбор технологии возможен только после анализа всех электрических характеристик сети и питаемой нагрузки.

Список литературы:

1. Боярская Н.П., Довгун В.П., Шевченко Е.С., Егоров Д.Э. Широкополосные силовые фильтры гармоник // Ползуновский вестник. – 2013. - № 4 – 2. – 5 с.
2. Лосев Н.А. Отчет о научно-исследовательской работе. – СПб, 2007. – 149 с.
3. Harmonic distortions production of harmonics. – ABS, 2008. – 15 с.
4. User manual. Digital Energy uninterruptible power supply. – GE, 2015. – 24 с.
5. User manual. APC Smart – UPS 5000VA. – APC, 2016. – 30 с.