Статические преобразователи в системах бесперебойного электропитания на основе МП

Статические преобразователи, известны еще с середины прошлого века, как два различных класса электроаппаратуры.

1. Как класс электрорадиоаппаратуры, подкласс - преобразователи напряжений мощностью не более нескольких десятков или сотен Ватт на транзисторных структурах в каскадах электропитания электронной аппаратуры;

2. Как класс силовой электротехнической аппаратуры, подкласс - преобразователи напряжений (в большей степени на тиристорных структурах) в системах с невысокими требованиями к форме выходных напряжений и к качеству электроэнергии в целом, как по входу, так и по выходу преобразователя.

И те, и другие СП имели различные и достаточно узкие сферы применения.

Сегодня, с появлением мощных силовых транзисторных структур и новых электромагнитных материалов, СП получили новый толчок в развитии и существенном расширении области их использования. Например, в большинстве судовых или корабельных систем электропитания, где ранее, в силу специфических требований, невозможно было обойтись без электромашинных преобразователей, силовых трансформаторов или автоматических переключателей сетей на основе электромеханических коммутационных аппаратов, теперь появилась возможность использовать СП с существенно меньшими массогабаритными показателями. При этом сохраняются или улучшаются такие параметры как бесшумность, износоустойчивость и надежность в работе. СП не требуют обслуживания в процессе эксплуатации, способны обеспечивать требуемое качество и разнообразие параметров электроэнергии на выходе при дистанционном и автоматическом (программном) управлении [1].

На рис.46…48 проиллюстрированы примеры прежних и новых подходов к решению задач силового преобразования электроэнергии с учетом требований гальванической развязки, получения разнообразных уровней напряжений, рода тока и частоты, переключений входных сетей для питания ответственных потребителей в системах бесперебойного электропитания, весьма актуальных для судовой аппаратуры.

Рисунок 46 Универсальность и уникальность схем на основе статических преобразователей. а) традиционные трансформаторные и трансформаторно-диодные схемы; б) традиционные схемы с электромашинными преобразователями; в) автоматические контакторные переключающие схемы; г) структура на основе СП; д) внутренняя структура СП

Из рисунка 46 видно, что, используя всего две базовые разновидности схем статического преобразования (AC/DC и DC/AC), можно получить большое разнообразие схем, для решения практически любых задач создания систем электропитания с любым набором выходных и входных характеристик при обеспечении управляемости и высокого качества электроэнергии. На рисунке 47 показана традиционная (на основе электромашинных преобразователей) структура судовой системы электропитания группы потребителей одной из технических систем. Рисунок 48 дает представление о сравнительных габаритных характеристиках такой системы и альтернативного варианта на основе СП, откуда видно, что удельные массогабаритные характеристики СП значительно лучше, а ряд свойств (управляемость, программируемость, быстродействие) делает их незаменимыми в некоторых современных КСУ ТС.

Рисунок 48 Вид альтернативных вариантов систем электропитания на основе электромашинных и статических преобразователей (в одинаковых масштабах)

Вместе с тем, из-за значительной продолжительности циклов проектирования и постройки судов, в эксплуатацию могут сдаваться объекты с системами, использующими морально устаревшие технические решения. Очевидным выходом является модернизация, требующая не только организационных усилий, но и соответствия квалификации специалистов судостроительной и смежных отраслей. Из рассмотренных примеров (рис.46…48) видно, что традиционный подход создания систем питания на основе ограниченного перечня компонентов с фиксированными параметрами, освоенных промышленностью в прежние годы, может быть модифицирован так, что системные требования будут указывать, какими должны быть СП в каждом конкретном случае для оптимизации системы. И с учетом «новейших возможностей» и гибкости в создании разнообразных модификаций СП, это становится возможным и более актуальным.

Специфическими свойствами современных СП являются:

- высокий КПД отдельных каскадов преобразования электроэнергии при малых габаритных размерах;

- возможность построения модульных многокаскадных многоканальных по входам и выходам преобразователей, в том числе с гальванической развязкой «вход – выход» и между каналами для типовых номиналов входных напряжений, принятых в отечественном судостроении – трехфазных трехпроводных сетей 380 В 50 Гц, двухпроводных сетей постоянного тока 22…28,5 В, 175…340 В, и типовыми параметрами выходных номинальных напряжений (380 В, 220 В, и частот (50 Гц, 400 Гц) или другими параметрами, при необходимости;

- дистанционное (и местное) управление

o включением и выключением выходных напряжений (и токов);

o параметрами выходных напряжений и токов (в специальных системах);

- наличие функции ограничения пусковых токов при включении входных напряжений и/или нагрузки;

- наличие функции самоконтроля и диагностики состояний;

- дистанционная и местная сигнализация о состоянии аппаратуры (норма, перегрузка, перегрев, ресурс), алгоритма (ПО), нагрузки (холостой ход, номинал) и изоляции между токоведущими частями, жилами выходных кабелей и корпусом («норма»/ «не норма»);

- наличие встроенного микроконтроллерного управления: стабилизацией выходных параметров, регулированием выходных параметров и параметров настройки, защитных отключений или ограничений, режимами функционирования;

- возможность встраивания устройств (или активизации функций) регистрации состояний и параметров СП;

- наличие портов последовательных каналов передачи данных и приема команд управления и настройки параметров (САN, MIL-STD-1553 или RS-485).

Использование таких СП позволяет создавать разнообразные и опти­мизированные системы электропи­тания для бортовой аппаратуры КСУ ТС.

В зависимости от целесообраз­ности минимизации та­ких парамет­ров, как суммарные по­тери электро­энергии в трактах пре­образования и доставки электро­энергии к потреби­телям, а также со­отношение массога­баритных харак­теристик аппаратуры питания и ка­бельных трасс, стратегия разработки систем питания может существенно изменяться (рисунок 49) от традици­онных решений с ис­поль­зованием систем централизован­ного питания, через промежуточные реше­ния, с применением агрегатов и при­боров питания, к модулям, кото­рые можно встраивать непосредст­венно в аппа­ратуру КСУ ТС.

Эволюция систем электропи­та­ния аппаратуры КСУ ТС от цен­трали­зованных к групповым или райониро­ванным связана с необ­хо­димостью устранения топологи­че­ски слабых мест и, следуя этому, мы приходим к распределенным систе­мам питания не только на ос­нове приборных агрега­тов беспе­ребой­ного питания, но и с исполь­зова­нием модульных СП, непо­средст­венно встраиваемых в ап­па­ра­туру локальных приборов СУ ТС. Это оптимально, поскольку первичные (основная и резервная) сети напря­же­нием 380 В 50 Гц присутствуют в распределительных щитах во всех ос­новных районах, ограниченных водонепроницае­мыми переборками.

Современные преобразователи электроэнергии, используемые в систе­мах бесперебойного электропитания имеют структуру, приведенную на рис..50.

В состав преобразователей входят:

- выпрямители;

- входные фильтры верхних и нижних частот;

- силовые инверторы на полупроводниковых ключевых элементах с изолированным затвором (IGBT);

- выходные трансформаторы;

- выходные фильтры;

- выходные выпрямители;

- схема управления (микроконтроллер).

Работа контроллера заключается в формировании ШИМ-сигналов управления силовыми ключами таким образом, чтобы на выходе преобразователя обеспечивались требуемые параметры качества электроэнергии, включая форму, состав гармоник, допустимые отклонения под нагрузкой. Это достигается наличием обратных связей по напряжениям и токам нагрузки.

В случае перегрузки по току выдается сигнал в линии связи дистанционной системой управления (ДУ) и модуль может быть отключен автоматически или по сигналу оператора.

Конкретные типы преобразователей обычно имеют только один из приведенных на схеме выходных каскадов – либо постоянного, либо переменного тока.

В ряде случаев необходимо обеспечивать параллельную работу подобных преобразователей с автоматическим распределением нагрузки.

Аналогичные технические решения применяются также в современных системах управления электроприводами переменного и постоянного токов. Особенностью подобных схем является работа силовых элементов в импульсном режиме, так как только он обеспечивает высокий КПД при минимальных массогабаритных показателях.