| Источник бесперебойного питания |
|
|
Страница 1 из 2
Источник бесперебойного питания
Во многих регионах сегодня часто практикуют плановые и внеплановые отключения электроэнергии на довольно длительный срок. В результате люди, привыкшие к информационному изобилию, на некоторое время оказываются в своеобразном вакууме, когда не только нет освещения, но и не работают телевизор, радиоприемник, компьютер. В таких случаях очень полезно иметь альтернативный источник энергии. Им может стать аккумуляторная батарея, если снабдить ее преобразователем постоянного напряжения в переменное (инвертором) и автоматикой, контролирующей исправность сети, степень заряженности батареи, а также своевременно переключающей нагрузку на питание от сети или батареи и управляющей подзарядкой последней.
В настоящее время в продаже имеются импортные источники бесперебойного питания (ИБП, по-английски UPS) производства различных фирм. Как правило, они предназначены для предотвращения сбоев компьютеров и потери хранящихся в них ценных данных в условиях ненадежного электроснабжения. Однако подобные ИБП рассчитаны на питание нагрузок активного или активно-емкостного характера, а емкости их аккумуляторной батареи хватает всего на несколько минут работы компьютера. Схема и конструкция доступных по цене импортных ИБП таковы, что их практически невозможно приспособить, например, для питания телевизора в течение нескольких часов. ИБП с необходимыми параметрами можно сделать самостоятельно. Такой прибор должен обеспечивать бесперебойное питание нагрузки мощностью до 300 Вт. Этого достаточно, чтобы "потянуть" любой телевизор, от переносного до "мастодонта" УЛПЦТ. В качестве резервного источника целесообразно воспользоваться автомобильной аккумуляторной батареей емкостью 55...60 А-ч, приобрести которую не составляет труда. Те же, у кого имеется легковой автомобиль, такой батареей уже располагают. Время непрерывного питания нагрузки от аккумуляторной батареи несложно подсчитать по формуле: T=kQU/P, где Т — время непрерывной работы, ч; к=0,8...0,9 — КПД инвертора; Q — емкость батареи, А-ч; U — напряжение батареи, В; Р — мощность нагрузки Вт. При указанных выше исходных данных оно составит немногим более двух часов, а с нагрузкой меньшей мощности соответственно увеличится. Например, компьютер обычной конфигурации с процессором Pentium 166MMX сможет работать от аккумуляторной батареи почти шесть часов. Желательно, чтобы форма выходного напряжения ИБП в любом режиме работы оставалась синусоидальной. Но чтобы достичь этого, пришлось бы пойти на заметное увеличение массы и стоимости прибора. Практика показала, что обычные бытовые электроприборы нормально работают и при питании импульсным напряжением прямоугольной формы, затраты на формирование которого значительно меньше. В случае крайней необходимости можно подключать нагрузку к ИБП через феррорезонансный стабилизатор, который, пропуская первую гармонику импульсного напряжения, подавит все остальные. Для защиты аккумуляторной батареи и элементов ИБП от перегрузок, особенно в стартовых режимах, нужна как быстродействующая электронная защита по току, так и более инерционная с помощью плавкой вставки. Разработанный с учетом изложенного, предлагаемый ИБП при напряжении питающей электросети в пределах 165...242 В работает как ступенчатый регулятор, поддерживая на выходе напряжение 220 В +10 %. В отличие от импортных приборов, большинство которых реагирует только на понижение напряжения, он автоматически переходит в режим питания нагрузки от аккумуляторной батареи при выходе напряжения в сети за указанные пределы в любую сторону. Процесс переключения занимает не более 20 мс, после чего на выходе ИБП появляется импульсное напряжение частотой 50 Гц, действующее значение которого поддерживается равным 220 В +10 %, пока в сети не восстановится нормальное напряжение или батарея не разрядится до 10,8 В. В последнем случае питание на грузки прекращается, так как для батареи опасна дальнейшая разрядка. Автоматический возврат в режим ступенчатого регулятора происходит спустя приблизительно секунду после восстановления нормального напряжения в сети. Схема ИБП изображена на рис. 1. При его разработке было решено использовать во всех режимах работы один и тот же трансформатор Т2. Это потребовало применить дополнительные коммутирующие цепи и более сложное устройство управления, но значительно улучшило массогабаритные показатели ИБП и уменьшило его стоимость.  Узел А1 через понижающий и развязывающий трансформатор Т1 постоянно контролирует напряжение в электрической сети, к которой подключена вилка ХР1. В зависимости от величины напряжения узел формирует сигнал СЕТЬ ИСПРАВНА и команды на включение реле К1 и К2. Далее через электронный выключатель — диодный мост VD7—VD10 с оптотиристором U1 в диагонали — сетевое напряжение поступает на последовательно соединенные обмотки IV и V или только на обмотку IV трансформатора Т2 (в зависимости от положения контактов реле К2). Узел А6 контролирует по падению напряжения на резисторе R12 зашунтированном диодом VD11, ток, протекающий через оптотиристор U1, и при его отсутствии формирует сигнал ТОКА НЕТ, необходимый для работы автоматики ИБП. На выходную розетку XS1, к которой подключают нагрузку, напряжение поступает с обмоток IV и V трансформатора Т2. Степень заряженности аккумуляторной батареи GB1 по ее напряжению контролирует узел A3. Обнаружив, что напряжение ниже 12,9 В, он, если сеть исправна, подает команду ЗАРЯДКА и отменяет ее после того, как в результате подзарядки напряжение возросло до 14,3 В. Если сеть неисправна и нагрузка питается от аккумуляторной батареи, узел A3 не допускает чрезмерной разрядки последней и при напряжении менее 10,8 В разрывает цепь обмотки реле К переводя ИБП в дежурный режим. Инвертор состоит из мощного двухтактного выходного каскада на полевых транзисторах VT3—VT9 и драйвера А5 формирующего импульсы, подаваемые на их затворы. В стоковые цепи каждой группы транзисторов включены соединенные последовательно половины обмоток I и III трансформатора Т2. Его обмотка II, диодный мост VD12—VD15 и транзистор VT9 предназначены для формирования пауз между импульсами выходного напряжения. При номинальном напряжении батареи GB1 (12,6 В) длительность паузы равна примерно половине длительности импульса, что соответствует минимуму третьей гармоники в спектре выходного напряжения инвертора. Действующее значение такого напряжения в 1,23 раза меньше амплитудного (у синусоиды это соотношение равно 1,41). В зависимости от степени заряженности батареи GB1 ее напряжение и пропорциональная ему амплитуда выходного напряжения изменяются на 30 %, однако действующее значение последнего за счет широтно-импульсной модуляции (ШИМ) поддерживается почти неизменным, что благоприятно сказывается на работе осветительных и электронагревательных приборов, в том числе нитей накала электронных ламп и кинескопов. Практика показала, что изменение в широких пределах амплитуды питающего напряжения практически не влияет на работу телевизоров и компьютеров, блоки питания которых снабжены, как правило, стабилизаторами напряжения. Цепь из диодов VD5 и VD6, стабилитрона VD4 резистора R8 и конденсатора СЗ служит для поглощения энергии, накопленной в индуктивностях рассеяния обмоток трансформатора Т2. Конденсатор С устраняет влияние индуктивности соединительных проводов на работу устройства. Фильтр L1C2 и цепь R11С5 ограничивают скорость нарастания напряжения на оптотиристоре U1, предотвращая его самопроизвольное открывание во время работы инвертора. Демпфирующие цепи R7C4 и R13C6 подавляют паразитные колебания в обмотках трансформатора Т2 возникающие на фронтах импульсов. Аккумуляторная батарея GB1 защищена от перегрузки плавкой вставкой FU1 (50 А), а сеть — FU2 (ЗА). В случае перегорания плавкой вставки FU1 диод VD1 создает путь для возврата в батарею GB1 энергии, накопленной в индуктивностях трансформатора Т2 и нагрузки. Прототип устройства зарядки аккумуляторной батареи описан в [1], но в отличие от него токоограничивающие конденсаторы С7—С14 перенесены во вторичную цепь трансформатора, что сняло проблему дополнительной коммутации первичной (сетевой) обмотки и позволило избежать паразитного резонанса в колебательном контуре, образованном этими конденсаторами с индуктивностью намагничивания трансформатора. Так как компактных бумажных конденсаторов необходимой емкости не нашлось, пришлось использовать оксидные. Появление на них напряжения обратной полярности предотвращают диоды моста VD12—VD15, при исправной сети свободные от своих основных функций. Для оксидных конденсаторов характерны повышенные потери, обусловленные тем, что одной из обкладок служит электролит со сравнительно большим активным объемным сопротивлением. Поэтому при повторении конструкции с конденсаторами, отличающимися от рекомендуемых, необходимо учитывать рекомендации, изложенные в [2 3], и характеристики конденсаторов используемого типа. В выпрямительный мост зарядного устройства кроме диодов VD16, VD17 входят оптотиристоры U2, U3, поэтому оно работает, когда через излучающие диоды последних протекает ток, и выключено в противном случае. Цепи управления зарядным устройством и другими узлами ИБП находятся в узле автоматики А4. Если прибор подключен к сети и напряжение в ней находится в пределах 165...242 В, после замыкания контактов выключателя SA2 "Вкл." узел А1 подаст команду на включение реле К1, замкнувшиеся контакты которого включат ИБП и последний перейдет в режим ступенчатого регулятора напряжения. Кнопка SB1 "Пуск" служит для пуска ИБП в отсутствие нормального напряжения в сети. После нажатия на эту кнопку на все узлы ИБП непосредственно от аккумуляторной батареи GB1 или через стабилизатор А2 поступает напряжение питания. Если напряжение аккумуляторной батареи выше 12,2 В, узел A3 через замкнутые контакты выключателя SA1 включит реле К1. Теперь кнопку SB1 можно отпустить. Выключив SA1 можно запретить работу ИБП при неисправной сети. Так поступают, если в резервном питании нет необходимости, например, когда все нагрузки отключены, а сам ИБП остается включенным в сеть, периодически подзаряжая аккумуляторную батарею. При исправной сети через излучающий диод оптотиристора U1 протекает ток и на розетку XS1 поступает напряжение. Работа инвертора заблокирована низким уровнем сигнала РАЗРЕШЕНИЕ, сформированным в узле автоматики А4. Если напряжение в сети ниже 195 В, по сигналу узла А1 срабатывает реле К2 и трансформатор Т2 превращается в автотрансформатор, повышающий напряжение на нагрузке в 1,2 раза. В результате оно остается равным 220 В +10 %. После выхода напряжения в сети за допустимые пределы нельзя включать инвертор ИБП, не дождавшись закрывания тиристора U1, которое произойдет не ранее, чем упадет почти до нуля ток, обусловленный энергией, накопленной в индуктивностях трансформатора 2 и нагрузки. Указанное обстоятельство делает невозможной обычную синхронизацию задающего генератора инвертора с напряжением в сети и вынуждает выбирать момент смены режима работы ИБП с учетом остаточной индукции в магнитопроводе трансформатора Т2 (магнитопроводы индуктивных элементов нагрузки находятся в аналогичных условиях). Об организации процесса переключения будет подробно рассказано в разделе, посвященном работе узла автоматики А4. Узел контроля напряжения в сети (А1) собран по схеме, изображенной на рис. 2. Напряжение, пропорциональное сетевому, поступает с обмотки II трансформатора Т (см. рис. 1) на выпрямительный мост VD19 и далее, превратившись в пульсирующее, на три идентичных компаратора, собранных на КМОП микросхемах DD1—DD3. Результат обработки выходных сигналов компараторов на микросхемах DD1 и DD2 — логический уровень на выходе параллельно соединенных элементов DD2.5, DD2.6. Высокий свидетельствует о том, что сетевое напряжение находится а пределах 165...242 В, низкий — вышло за них. В последнем случае конденсатор С24 быстро разряжается через диод VD29 и логический уровень на выходе триггера Шмитта из элементов DD4.1—DD4.3 становится низким, сообщая всем узлам ИБП, что условие СЕТЬ ИСПРАВНА не выполняется.  После восстановления в сети нормального напряжения и высокого логического уровня на выходах элементов DD2.5, DD2.6 диод VD29 закрывается, конденсатор С24 начинает медленно заряжаться через резистор R42 В результате с задержкой примерно в 1 с будет установлен высокий уровень сигнала СЕТЬ ИСПРАВНА. Задержка необходима, чтобы питание нагрузки ИБП от аккумуляторной батареи прекратилось лишь после окончания возможных переходных процессов в сети. Выходной сигнал элементов DD2.5, DD2.6 управляет также реле К1 (см. рис. 1) через ключ на транзисторе VT10. Чтобы в режиме ожидания не разряжать аккумуляторную батарею, микросхемы DD1 и DD2 узла А1 питаются непосредственно от сети через трансформатор Т1, диодный мост VD19, диод VD18 и стабилизатор на элементах R19, VD20. Порог срабатывания компаратора на микросхеме DD3 соответствует напряжению в сети 195 В. Если оно меньше, элемент DD5.1 замыкает цепь питания обмотки реле К2 и оно переключает обмотки трансформатора Т2 (см. рис. 1). Чтобы это происходило только при исправной сети, на один из входов элемента DD5.1 подан сигнал СЕТЬ ИСПРАВНА с выходов элементов DD4.2, DD4.3. Говоря о напряжении в сети, обычно имеют в виду его эффективное (действующее) значение, прямое измерение которого затруднительно. Форма переменного напряжения в сети достаточно близка к синусоидальной (коэффициент гармоник обычно не превышает 6 %), его амплитуда Um и действующее значение Uэфф, связаны между собой соотношением Uэфф=0,707Um. Поэтому достаточно следить за амплитудой. Сложность состоит в том, что синусоида достигает амплитудного значения кратковременно, а выходной сигнал компаратора должен быть непрерывным. Так как все три компаратора идентичны, разберем работу одного из них — на микросхеме DD1. Как только мгновенное значение напряжения превысит порог срабатывания триггера Шмитта на элементах DD1.1, DD1.2, он через диод VD24 разрядит конденсатор С20, что приведет к срабатыванию и второго триггера Шмитта на элементах DD1.3 и DD1.4. Однако, после уменьшения мгновенного значения напряжения до величины, меньшей порога отпускания первого триггера, второй останется сработавшим, пока конденсатор С20 не зарядится через резистор R32. Номиналы этих элементов выбраны таким образом, что задержка отпускания второго триггера немного больше 10 мс — половины периода сетевого напряжения. Поэтому, пока амплитуда контролируемого напряжения выше порога, разрядка конденсатора С20 повторяется в каждом полупериоде и напряжение на нем не успевает достичь порога отпускания второго триггера. На выходе элемента DD1.4 сохраняется постоянный высокий уровень. Он сменится низким, если амплитуда входного напряжения уменьшилась и в очередном полупериоде конденсатор С20 успел зарядиться. Характеристики цифровых микросхем серии К561, на которых собраны компараторы, достаточно стабильны [4]. В температурном диапазоне +15...35 'С, свойственном жилым помещениям, установленные пороги изменяются не более чем на 0,6 %, что для ИБП вполне достаточно. Стабилизатор напряжения +5 В (А2) предназначен для питания всех цифровых микросхем ИБП, за исключением DD1 и DD2. Его схема показана на рис. 3. Интегральный стабилизатор DA1 включен по стандартной схеме. Конденсаторы С27—С44 — блокировочные. Их устанавливают в непосредственной близости от выводов питания каждой из микросхем.  Узел контроля напряжения батареи (A3). Схема узла изображена на рис. 4. В качестве компараторов применены таймеры К1006ВИ1 (DA2 DA3). Резисторы R50—R58 задают их пороги срабатывания и отпускания. Конденсаторы С45 и С47 служат для подавления импульсных помех. Пока напряжение аккумулятора выше 10,8 В, открыт внутренний транзистор микросхемы DA2, коллектор которого соединен с выводом 7. Как только оно станет меньшим указанного, транзистор закроется и повторно откроется только после повышения напряжения батареи до 12,2 В.  Работа аналогичного компаратора на микросхеме DA3 разрешена только при высоком уровне поступающего на ее вход RS сигнала СЕТЬ ИСПРАВНА. Выходной сигнал компаратора включает и выключает устройство подзарядки аккумуляторной батареи. Пороги срабатывания и отпускания равны соответственно 12,9 и 14,3 В. Узел автоматики (А4). Чтобы после отключения сети инвертор ИБП включился в правильной фазе, необходимо знать направление остаточной индукции в магнитопроводе трансформатора Т2. Как известно, напряжение на обмотке трансформатора пропорционально скорости изменения магнитной индукции в его магнитопроводе. Поэтому ее можно измерить косвенно, проинтегрировав напряжение. Эту операцию выполняет интегрирующая цепь R59C49C50C51 (рис. 5). Диоды VD31, VD32 защищают оксидные конденсаторы С50, С51 от напряжения неправильной полярности.  Когда пропорциональное индукции напряжение на выходе интегрирующей цепи положительно, транзистор VT11 открыт, триггер DD6.1 установлен в состояние, соответствующее лог. 1 на его выводе 5. В противном случае транзисторы VT12 и VT13 будут открыты, а состояние триггера — противоположное. Таким образом, логический уровень на выходе триггера однозначно связан с направлением магнитного потока в магнитопроводе трансформатора Т2. После отключения сети триггер DD6.1 остается в состоянии, соответствующем остаточной индукции. Ключ на транзисторе VT14 формирует прямоугольные импульсы из сетевого напряжения, поступающего на его вход со вторичной обмотки трансформатора Т1 (см. рис. 1). Элемент DD7.1 сравнивает их фазу с фазой индукции. При совпадении высокий логический уровень на его выходе и такой же — сигнала СЕТЬ ИСПРАВНА устанавливают триггер режима DD6.2 через элемент DD8.1 в состояние, соответствующее работе ИБП от сети. В результате низкий уровень сигнала РАЗРЕШЕНИЕ запрещает работу инвертора. Одновременно логические элементы DD8.3, DD11.1, DD12.1 и DD12.2 формируют сигналы, включающие оптотиристор U1 электронного выключателя, а при высоком уровне сигнала ЗАРЯДКА — также оптотиристоры U2 и U3 (см. рис. 1). |
||||
| « Пред. | След. » |
|---|