Принципы работы ИБП и его схема

Все источники бесперебойного питания отличаются друг от друга схемой работы. В зависимости от этого выделяют 3 вида ИБП:

• Резервные – питание идет от первичной сети, для защиты от импульсов и помех применяются пассивные фильтры, а при отклонении показателей тока от допустимых устройство переключается в резервное питание

• Интерактивные – по конструктивным особенностям напоминают резервные ИБП, однако отличаются от них

• Двойного преобразования – входящий переменный ток преобразуется в постоянный, а затем, через инвертор, в переменный. Важный плюс (о нем позже) – постоянное включенные в цепь аккумуляторные батареи, позволяющие быстро переключаться на резервное питание

Все ИБП из нашего модельного ряда относятся к последнему типу – это источники с двойным преобразованием энергии (ещё их называют on-line).

Они выполняют защиту электрооборудования от разнообразных сетевых неполадок, включая  искажение или пропадание входного напряжения, а также подавления сетевых высоковольтных импульсов и высокочастотных помех.

• Однофазные ИБП ИДП-1: 1, 2, 3, 6, 10, 15, 20 кВА

• Трехфазные ИБП ИДП-2: 10, 15, 20, 30, 40, 60 кВА

• Трехфазные ИБП ИДП-3: 10, 15, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 250 кВА.

• Трехфазные ИБП ИДП-4: 10, 15, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 300, 400 кВА.

Маломощностные однофазные модели ИДП-1 используются  для бытового и технологического оборудования. Трехфазные модели ИДП-2, ИДП-3, ИДП-4 предназначены для бесперебойной подачи электроэнергии как бытовых, так и промышленных потребителей. Это технологические системы, системы жизнеобеспечения, телекоммуникационные сети и т.

д.

К моделям источников для трехфазных сетей (для питания оборудования большой мощности) относится, например, ИБП 20 кВа с входным коэффициентом мощности свыше 0,98. Или модель ИБП 80 кВа, у которой мощностный входной коэффициент составляет 0,99.

Купить ибп с двойным преобразованием

Главные отличия

Главная особенность источников серии ИДП-1, ИДП-2, ИДП-3 – отсутствие силового трансформатора. В отличие от них источник бесперебойного питания ИДП-4 представляет классическую схему двойного преобразования с выходным трансформатором.

Помимо отсутствия трансформатора источники с двухконтурной (двойной) структурой преобразования оснащены корректором коэффициента мощности, IGBT-модулями, а для работы инвертора применяется современная методика пространственно-векторного управления.

Основные преимущества ИБП online-типа

Принцип действия источников двойного преобразования – входящий переменный ток преобразовывается в постоянный, а затем в переменный, с помощью инвертора.

Это наиболее эффективная технология энергообеспечения, так как в ней не подразумевается перерывов в питании нагрузки при переходе с сетевого режима (питание нагрузки энергией сети) на автономный режим (питание нагрузки энергией аккумуляторной батареи) и наоборот. 

ИБП двойного (on-line) преобразования позволяет моментально переходить на режим резервного электропитания позволяют постоянно включенные в цепь аккумуляторные батареи. Другими словами, время переключения на работу от аккумуляторов в таких источниках равно 0.

Степень защиты обеспечения электроэнергией у онлайн-ИБП – практически 100%, причем вне зависимости от того, в каких режимах работает сам источник (от сети или от АКБ). Именно поэтому такие источники устанавливаются на ответственных потребителях электроэнергии с повышенными требованиями по качеству электропитания (файловые серверы, ЦОД, системы управления, медицинское оборудование и т.д.)

Схема

Схема ИБП онлайн-типа следующая:

Подводя итог, можно сказать, что ИБП онлайн-типа являются на сегодняшний день наиболее надежными и технологичными источниками питания. Эти устройства можно применять для защиты любых нагрузок в сети. И даже несмотря на то, что такие источники являются достаточно сложным оборудованием, которое, к тому же, генерирует дополнительное тепло и шум в процессе работы, значение этих недостатков все равно меньше, чем описанных выше преимуществ. 

Вам может быть интересно

ИБП 1 кВА ИДП-1-1/1-1-220-Д

Стоечный ибп ИБП 6 кВА ИДП-1-1/1-6-220-Т

ИБП 10 кВА ИДП-1-1/1-10-220-А

ИБП 20 кВА ИДП-2-3/3-20-380-Д

схемотехника и технические характеристики — Публикации — Энергетические Технологии

Главная — Статьи — Публикации — Трехфазные ИБП: схемотехника и технические характеристики

Настоящая статья является продолжением цикла публикаций о системах бесперебойного питания переменного тока (ЭК №7 2003, №4 2004, №6 2004). Рассматриваются особенности построения и схемотехнические решения трехфазных ИБП.

Приводятся технические характеристики ИБП ряда известных мировых производителей.

Источники бесперебойного питания (ИБП) предназначены для защиты электрооборудования пользователя от нештатных ситуаций, возникающих в питающей сети, включая искажение или пропадание напряжения, а также для подавления импульсных помех. Разнообразные топологии ИБП были рассмотрены в работе [1].

Наиболее распространены ИБП с двойным преобразованием энергии, обеспечивающие переход с сетевого режима на автономный (питание нагрузки энергией аккумуляторной батареи) без прерывания питания. Такие ИБП обеспечивают синусоидальную форму и симметрию трехфазного выходного напряжения, и обычно используются в приложениях, предъявляющих повышенные требования к качеству электропитания.

Вопросам проектирования и исследования трехфазных ИБП посвящен ряд публикаций, например [2, 3], рассматривающих, в основном, классическую структуру построения ИБП с двойным преобразованием энергии. Появление новых электронных компонентов, привело к появлению новых технологий построения ИБП. Варианты схемотехнических решения силовых узлов современных трехфазных ИБП средней и большой мощности (10 кВА:400 кВА) можно разделить на три группы (см. рис. 1):

• ИБП с аккумуляторной батареей (АБ) в буфере цепи питания инвертора;
• ИБП с бустером (повышающим преобразователем) в цепи питания инвертора;
• ИБП с входным ШИМ-преобразователем и уравнителем (<балансировщиком>) в цепи питания инвертора.

а) ИБП с АБ в цепи питания инвертора;

б) ИБП с бустером в цепи питания инвертора;

в) ИБП с входным ШИМ-преобразователем

Рис. 1. Структурные схемы трехфазных ИБП

ИБП с АБ в буфере цепи питания инвертора

Классическая структура ИБП с АБ в цепи питания инвертора, представленная на рисунке 1а, содержит мостовой управляемый тиристорный выпрямитель (УВ), высоковольтную аккумуляторную батарею (АБ), трехфазный мостовой инвертор напряжения (ИН) на IGBT-транзисторах, трехфазный выходной трансформатор (ТР) с обмотками, включенными по схеме треугольник-звезда и выходной фильтр (Ф).

Система управления выпрямителем УВ в статическом режиме поддерживает напряжение на его выходе с высокой точностью при допустимом диапазоне изменения входного напряжения ±15% от номинального значения. В случае выхода напряжения за указанные пределы ИБП переходит в автономный режим работы. Выходное напряжения УВ регулируется изменением угла отпирания тиристоров и является функцией нескольких параметров, в том числе и зарядного тока АБ. В общем виде структурная схема многоконтурной системы регулирования показана на рисунке 2.

Рис. 2. Структурная схема системы регулирования напряжения на выходе УВ

Для исключения значительных бросков тока через сглаживающий конденсатор, подключенный к выходу УВ, применяется мягкий пуск — плавное (в течение 10-30 с после подачи входного напряжения на ИБП) увеличение выходного напряжения. Значение емкости сглаживающего конденсатора выбирается так, чтобы величина пульсаций выходного напряжения не превышала 1%.

Выполнения этого требования влечет за собой значительное искажение формы входного тока, коэффициент искажения синусоидальности которого составляет 33%, что в свою очередь приводит к уменьшению коэффициента мощности до 0,8 [3]. С уменьшением нагрузки эти показатели еще более ухудшаются (см. табл. 1).

Таблица №1 Входной коэффициент мощности и коэффициент несинусоидальности входного тока
в зависимости от типа выпрямителя ИБП и степени его загрузки

Показа­тель	Наг­рузка ИБП, %	Тип выпрямителя
		мос­то­вой	2-мос­то­вой	мос­то­вой с филь­тром 5-ой гар­мо­ни­ки	ШИМ- пре­обра­зо- ва­тель
Входной коэф­фициент мощ­ности	25	0,65	0,7	0,9	0,98
	50	0,7	0.78	0,97	0,98
	75	0,75	0,8	0,95	0,99
	100	0,8	0,85	0,93	0,99
Коэф­фициент несинусо­идаль­ности входного тока, %	25	60	25	20	6
	50	50	16	15	5
	75	38	12	10	4
	100	33	10	5	3

Наиболее существенными высокочастотными гармониками во входном токе ИБП являются пятая и седьмая (250 Гц и 350 Гц). Широко распространенным методом снижения высокочастотных гармоник входного тока ИБП является применение пассивного фильтра для них на входе ИБП (см. рис. 3).

Рис. 3. 6-полупериодный мостовой выпрямитель с фильтром 5-ой гармоники

Параметры продольных и поперечных ветвей фильтра L1, L2, C2 выбираются из условия получения резонансной частоты, равной частоте пятой гармоники. Такая настройка фильтра позволяет уменьшить коэффициент искажения синусоидальности входного тока и повысить коэффициент мощности. На рисунке 4 приведены осциллограммы и спектральный состав входного тока ИБП номинальной мощностью 120 кВА с мостовым выпрямителем на нагрузке, составляющей 25% номинальной мощности. Измерения произведены с использованием универсального прибора Industrial Scope Meter Fluke 123 и токовых клещей Tektronix А600.

а) осциллограммы входного тока и напряжения без фильтра;

б) график спектрального состава входного тока без фильтра;

в) осциллограммы входного тока и напряжения ИБП с фильтром пятой гармоники;

г) график спектрального состава входного тока ИБП с фильтром пятой гармоники

Рис. 4. Форма входного напряжения и тока ИБП с 6-ти полупериодным выпрямителем, гармонический состав входного тока

При использовании фильтра, коэффициент пятой гармоники входного тока снижается с 63% до 16%, а коэффициент искажения синусоидальности уменьшается с 60% до 25%. С увеличением нагрузки эти коэффициенты уменьшаются. Следует отметить, что при работе на холостом ходу или на малых нагрузках входной коэффициент мощности ИБП с фильтром 5-ой гармоники может принимать отрицательные значения, так как входное сопротивление УВ приобретает емкостной характер. Это обстоятельство может неблагоприятно сказываться на работе дизель-генератора ограниченной мощности в системах бесперебойного питания. Для исключения указанного недостатка используют компенсированные фильтры и фильтры с коммутаторами в поперечных ветвях [4].

Для снижения высокочастотных составляющих входного тока также возможно использовать 12-полупериодный выпрямитель, состоящий из двух мостовых трехфазных выпрямителей, выходы которых включены параллельно. Входные напряжения одноименных фаз этого выпрямителя сдвинуты на 30? за счет применения, например, трехфазного входного трансформатора с двумя комплектами вторичных обмоток, один из которых включен по схеме звезда, а другой — треугольник. Коэффициент искажения синусоидальности входного тока уменьшается до 10%, а входной коэффициент мощности ИБП увеличивается до 0,9 (см. таблицу 1). Как видно из спектрального графика ( рис. 5б), в составе входного тока в этом случае имеется только 11-ая гармоника с коэффициентом 6,6%.

а) осциллограмма входного тока;

б) график спектрального состава входного тока

Рис. 5 Форма входного тока ИБП с 12-ти полупериодным выпрямителем, гармонический состав водного тока

Для улучшения гармонического состава входных токов и увеличения коэффициента мощности возможно использование в выпрямителях IGBT-транзисторов вместо тиристоров. Высокочастотное ШИМ-управление транзисторами обеспечивает входной ток ИБП, приближенный по форме к синусоиде. Примером ИБП с таким выпрямителем является модель PW 9340 (80-130 кВА) производства POWERWARE, обеспечивающая коэффициент несинусоидальности входного тока не более 4% и входной коэффициент мощности 0,99 [5].

Трехфазный выходной инвертор напряжения ИБП представляет собой мостовую схему, созданную с использованием IGBT-транзисторах с ШИМ-управлением по синусоидальному закону. На выходе инвертора генерируются высокочастотные прямоугольные импульсы переменной ширины и постоянной амплитуды, равной напряжению АБ. Номинальные значения напряжений АБ в классических схемах трехфазных ИБП составляют 384-480 В. Так как выходное напряжение инвертора не может превышать входное, то для увеличения амплитуды линейного выходного напряжения до значения  = 537 В к выходу инвертора подключается повышающий трансформатор, индуктивности рассеяния обмоток которого и конденсаторы, подключенные к вторичным обмоткам, образуют выходной фильтр, обеспечивающий фильтрацию высокочастотных составляющих ШИМ (7,5 кГц:15 кГц) в выходном напряжении ИБП.

Применение DSP-процессоров для управления транзисторами инвертора позволяет реализовать алгоритм пространственно-векторной модуляции, благодаря которому коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения не превышает 3% при линейной нагрузке и 5% при нелинейной нагрузке. Стабилизация выходного напряжения ИБП в диапазоне изменения симметричной нагрузки 0-100% обеспечивается с точностью ±1%. Современные трехфазные ИБП позволяют работать на несимметричной трехфазной нагрузке. При полностью несбалансированной нагрузке статическая точность стабилизации выходного напряжения нагруженной фазы составляет ±5%.

Следует отметить, что наличие выходного трансформатора в классической схеме ИБП не может обеспечить полной гальванической развязки нагрузки с сетью, т.к. при переходе в режим байпас входная и выходная нейтрали объединяются.

Для ИБП, соответствующих классической схеме (см. рис. 1а), характерны повышенные массогабаритные показатели. Тем не менее, ИБП мощностью более 100 кВА в настоящее время производятся преимущественно по классической схеме, т. к. в этом диапазоне мощностей они обладают наиболее высокими показателями надежности. Последнее обусловлено меньшим числом силовых узлов преобразования энергии по сравнению с бестрансформаторными структурами с бустером или реверсивным ШИМ-преобразователем, а также меньшими перенапряжениями, возникающими при коммутации токов (достигающих сотен ампер) силовыми транзисторными модулями инвертора.

ИБП с бустером в цепи питания инвертора

Международная электротехническая комиссия (МЭК) и европейская организация по стандартизации в электротехнике приняли стандарты IEC 1000-3-2 (EN 61000-3-2) и IEC 1000-3.3 (EN 61000-3-3), устанавливающие ограничения на величину гармонических составляющих входного тока электрооборудования. Уменьшение этих составляющих возможно за счет применение активной коррекции коэффициента мощности. Их отличительной особенностью является отсутствие трансформатора, использование неуправляемого выпрямителя и наличие бустера-корректора коэффициента мощности (БС) в силовой цепи ИБП (см. рис. 1б). Функциональная схема подобного ИБП приведена на рисунке 6.

Рис. 6. Функциональная схема ИБП с бустером в цепи питания инвертора

Аккумуляторная батарея, как правило, состоит из двух секций со средней точкой, соединенной с нейтральным проводом. Каждая секция АБ подключается к соответствующей выходной шине выпрямителя через тиристоры VD1 и VD2, которые закрыты в сетевом режиме работы, когда осуществляется заряд АБ. Зарядные устройства подключены к шинам стабильного напряжения постоянного тока на выходе бустера, что позволяет получить к.п.д. ЗУ вплоть до 96%…99%.

Номинальное напряжение аккумуляторных батарей различных моделей для бестрансформаторных ИБП приведено в таблице 2.

Таблица №2. Технические характеристики трехфазных ИБП с бустером

Произ­во­ди­тель	Модель ИБП	Номи­наль­ная мощ­ность, кВА	Номи­наль­ное напря­жение АБ, В	Диапа­зон входного меж­фаз­ного напря­жения, В	Ста­ти­чес­кая точ­ность, %	Дина­ми­чес­кая точ­ность, %	Время пере­ход­ного про­цес­са, мс
Powerware	PW 9305	7,5-80	576	279-484	±1	±3	н/д
Liebert	Hinet	10-30	384	300-480		±5	30
Riello	Multi Dialog	10-80	576	320-480		±5	10

Двухплечевой бустер — повышающий преобразователь напряжения постоянного тока — состоит из IGBT-транзисторов VT1, VT2, диодов VD3, VD4, дросселей L1, L2 и накопительных конденсаторов С1, С2. Преобразователь осуществляет следующие функции:

• стабилизирует напряжение питания инвертора на уровне, необходимом для формирования номинальной величины выходного напряжения 220/380 В;
• обеспечивает балансировку напряжений положительной и отрицательной шин постоянного тока относительно нейтрали, что исключает появление постоянной составляющей в выходном напряжении;
• осуществляет активную коррекцию входного коэффициента мощности ИБП за счет формирования входного тока, приближенного по форме к синусоиде с начальной фазой, совпадающей с фазой входного напряжения.

Эти функции реализуются с помощью применения определенных алгоритмов ШИМ для управления транзисторами VT1, VT2 реализуемых контроллерами типа UC 3854 [6]. При этом входной коэффициент мощности ИБП повышается до 0,95. Коэффициент передачи напряжения повышающего преобразователя (бустера) в режиме непрерывного тока дросселей L1, L2 достигает 4 [7]. Это обеспечивает более широкий диапазон допустимого входного напряжения, при котором ИБП не переходит в автономный режим, по сравнению с классической структурой ИБП (см. таблицу 2) [5, 8, 9]. Кроме того, в автономном режиме работы по мере разряда АБ бустер обеспечивает стабильное напряжение на шинах постоянного тока питания инвертора.

Частота ШИМ, используемая для управления IGBT-транзисторами трехфазного мостового инвертора, составляет 15 кГц:30 кГц и подавляется L3C3-фильтрами на выходе ИБП, с помощью которых формируется синусоидальное напряжение частотой 50 Гц. Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения при линейной нагрузке составляет менее 2%, а при нелинейной нагрузке не превышает 5%.

Величина емкости накопительных конденсаторов С1, С2, запасенная энергия которых, используется для питания инвертора при набросе нагрузки, или кратковременных пропаданиях сетевого напряжения, выбирается исходя из расчета 360 мкФ:660 мкФ на 1 кВА выходной мощности инвертора. Запасенная в конденсаторах энергия обеспечивает высокие динамические показатели ИБП (см. таблицу 2).

ИБП с входным ШИМ-преобразователем

Стремление увеличить коэффициент мощности в широком диапазоне изменения нагрузки и улучшить динамические характеристики ИБП с одной стороны, и появление доступных для широкого применения высоковольтных быстродействующих силовых IGBT-модулей с другой стороны, привело к появлению структуры ИБП с двунаправленным мостовым ШИМ-преобразователем (см. рис. 1в).

Функциональная схема указанного ИБП приведена на рисунке 7. Входной трехфазный ШИМ-преобразователь реализован на IGBT-транзисторах VT1:VT6, фазных дросселях Lа,Lв,Lс и накопительных конденсаторах С1, С2 [10].

Рис. 7. Функциональная схема ИБП с входным ШИМ-преобразователем

Такой ШИМ-преобразователь имеет следующие особенности:

• высокое значения входного коэффициента мощности (0,99) в широком диапазоне изменения нагрузки;
• регулирование напряжения постоянного тока на шинах питания инвертора;
• двунаправленная передача энергии — из сети в нагрузку и в обратном направлении, что улучшает динамические свойства ИБП.

Эти свойства реализуются за счет применения ШИМ-управления транзисторами преобразователя с частотой коммутации 7,5 кГц…15 кГц. Входной ток при этом имеет практически синусоидальную форму и совпадает по фазе с входным напряжением.

Балансировщик напряжений, состоящий из транзисторов VT7, VT8 и индуктивности L1 (см. рис. 7), представляет собой устройство, обеспечивающее балансировку дифференциального напряжения постоянного тока. Симметрирование напряжений на шинах постоянного тока питания инвертора необходимо для исключения постоянной составляющей в выходном напряжении. Кроме того, БН уменьшает пульсации тока в накопительных конденсаторах С1, С2.

Схема преобразователя напряжения для АБ основана на транзисторах VT9, VT10, диодах VD1, VD2 и индуктивности L2. Преобразователь имеет два назначения:

• зарядное устройство в сетевом режиме работы ИБП;
• бустер цепи АБ в автономном режиме работы ИБП.

При работе в режиме зарядного устройства транзистор VT10 закрыт, а транзистор VT9 коммутируется с высокой частотой, что обеспечивает необходимое напряжение заряда АБ. При переходе ИБП в автономный режим DC/DC-конвертор выполняет функцию бустера, обеспечивая стабильное повышенное напряжение шин постоянного тока при разряде АБ. При этом транзистор VT9 закрыт, а транзистор VT10 переключается с частотой в 2:4 раза меньшей, чем транзистор VT9 при работе в режиме зарядного устройства.

Трехфазный инвертор аналогичен мостовому инвертору в структуре ИБП с бустером (см. рис. 6) и имеет на выходе LC-фильтр, выделяющий основную гармонику 50 Гц из высокочастотного выходного ШИМ-напряжения инвертора. В таблице 3 приведены основные технические характеристики ИБП с ШИМ-преобразователем ряда производителей [11-14].

Таблица №3. Технические характеристики ИБП с входным ШИМ-преобразователем

Параметр	Производитель, модель ИБП
	Powerware		MGE	Liebert
	PW 9255	PW 9390	Gallaxy 3000	NXa
Номи­наль­ная мощ­ность, кВА	8, 10, 12, 15	40, 60, 80, 120, 160	10, 15, 20, 30	30, 40, 60, 80
Вход­ной коэф­фи­ци­ент мощ­ности	0,99
Выход­ной коэф­фи­ци­ент мощ­ности	0,9		0,8
Коэф­фи­ци­ент несину­сои­даль­нос­ти вход­ного тока, %	5		3
Диапа­зон откло­не­ний вход­но­го нап­ря­же­ния без пе­ре­хо­да ИБП в ав­то­ном­ный ре­жим при 100%-наг­руз­ке, %	-15, +10	-10, +15	±15	-20, +25
Стати­чес­кая точ­ность выход­ного напря­же­ния, %	±3	±1
Дина­ми­чес­кая точ­ность выход­ного напря­жения при 100% скачке наг­руз­ки, %	±5		±3	±5
Время пере­ход­но­го про­цес­са при 100% скачке наг­руз­ки, мс	3	1	20	н/д
КПД при 100% наг­руз­ки, %	91	92-94	89	89,4 — 90,5

К особенностям ИБП с ШИМ-преобразователем можно отнести:

• большое количество силовых IGBT-транзисторов в силовой цепи и возникновение на закрытых транзисторах значительных коммутационных напряжений;
• сложную схему управления транзисторами ШИМ-преобразователя, требующую информации не только о величине токов и напряжений, но и об их фазовом сдвиге.

В заключение следует отметить, что при выборе модели ИБП пользователь должен принимать в расчет как наличие необходимых потребительских свойств, соотношение цена/качество, но и надежность, и удобство, и стоимость сервисного обслуживания ИБП.

Климов В.П., Москалев А.Д.

Литература

1. Климов В.П., Портнов А.А., Зуенко В.В. Топологии источников бесперебойного питания переменного тока (ИБП), Электронные компоненты, №7, 2003.
2. Полупроводниковые выпрямители. М.: Энергия, 1967.
3. Статические агрегаты бесперебойного питания. М.: Энергоатомиздат, 1992.
4. Климов В.П., Москалев А.Д. Способы подавления гармоник в системах электропитания, Практическая силовая электроника, №6, 2003.
5. www.powerware.com
6. Климов В., Климова C.Р., Портнов А.А. ИБП с двойным преобразованием энергии малой и средней мощности: схемотехника и технические характеристики, Электронные компоненты, №6, 2004.
7. Моин В.С., Лаптев Н.Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергия, 1972.
8. www.liebert-hiross.ru
9. www.riello-ups.com
10. Овчинников Д.А., Костров М.Ю., Лукин А.В., Малышков Г.М. Трехфазный выпрямитель с корректором коэффициента мощности, Практическая силовая электроника, №6, 2002.
11. Техническая спецификация Galaxy 3000, MGE UPS Systems, MGE 033/UKO-01/2000.
12. Новая серия ИБП Powerware 9390, Электрическое питание, №3, 2004.
13. Новая серия ИБП Powerware 9355, Электрическое питание, №4, 2004.
14. ИБП Liebert NXa мощностью от 30 до 80 кВА. Технические характеристики, ENP Liebert NXa UPS, 2003.

Статья опубликована в журнале «Электронные компоненты» N6 за 2005 год.

Линейно-интерактивный источник бесперебойного питания постоянного тока (ИБП) с выравниванием нагрузки для постоянной мощности и импульсных нагрузок

%PDF-1.7 % 1 0 объект > эндообъект 2 0 объект >поток 2019-09-06T13:05:35-07:002019-09-06T13:05:34-07:002019-09-06T13:05:35-07:00Заявитель ПриложениеPDF Pro 5.5uuid:45b535b7-ac69-11b2-0a00- 782dad000000uuid:45b5bfb5-ac69-11b2-0a00-20575284fc7fapplication/pdf

Линейно-интерактивный источник бесперебойного питания постоянного тока (ИБП) с выравниванием нагрузки для постоянной мощности и импульсных нагрузок

Prince 12. 5 (www.princexml.com)AppendPDF Pro 5.5 Linux Kernel 2.6 64bit 2 октября 2014 г. Библиотека 10.1.0 конечный поток эндообъект 5 0 объект > эндообъект 3 0 объект > эндообъект 8 0 объект > эндообъект 90 объект > эндообъект 10 0 объект > эндообъект 11 0 объект > эндообъект 12 0 объект > эндообъект 13 0 объект > эндообъект 14 0 объект > эндообъект 15 0 объект > эндообъект 55 0 объект > эндообъект 56 0 объект > эндообъект 57 0 объект > эндообъект 58 0 объект > эндообъект 59 0 объект > эндообъект 80 0 объект >/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 81 0 объект >/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 82 0 объект >/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 83 0 объект >/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 84 0 объект >/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 97 0 объект >поток х][. SR+T

ИБП Raspberry Pi «сделай сам» — источник бесперебойного питания для обеспечения безопасности вашего Pi во время сбоя питания

Raspberry Pi — это небольшой или мини-компьютер, который можно использовать в различных типах небольших и крупных встроенных приложений IoT, промышленных IoT. Поскольку это компьютер, на котором могут работать разные операционные системы, отключение этого мини-компьютера важно, чтобы убедиться, что все сохранено, операционная система правильно завершила все необходимые задачи и безопасно выключить устройство. Неопределенный сбой питания может повредить Pi, а также операционная система может выйти из строя. Ранее мы создали много проектов Raspberry Pi, и большинство из них должны были работать 24×7, поэтому этот проект может работать как ИБП Raspberry pi с номером , который можно использовать для поддержания работы Raspberry Pi во время сбоя питания.

Чтобы сохранить Pi во время непредвиденных отключений питания или непреднамеренных отключений, можно сконструировать ИБП, такой же, как резервные ИБП, которые используются в наших домах или офисах. Здесь, в этом проекте, мы создадим источник питания ИБП RPI , который может обеспечить достаточное время для сохранения кода в RPi, а также может использоваться как отдельный блок питания для резервного копирования. Мы построили этот проект на печатной плате и использовали PCBWay для изготовления плат для этого проекта. В следующих разделах статьи мы подробно рассмотрели полную процедуру проектирования, заказа и сборки печатных плат для этой шляпы ИБП Raspberry Pi от PCBWay, чтобы вы также могли легко собрать ее самостоятельно. Итак, приступим.

Технические характеристики нашего ИБП Raspberry Pi

Технические характеристики нашего компактного резервного ИБП RPI приведены ниже:

1. Работает на широко популярном литий-ионном аккумуляторе 18650.
2. Может обеспечить выходной ток до 1,5 А (непрерывный) и 2,5 А (пиковый).
3. Функция зарядки аккумулятора от USB-кабеля, можно использовать любое стандартное зарядное устройство для мобильных телефонов на 5 В.
4. Перезарядка, автоматическое отключение и функция защиты от глубокого разряда.
5. Выходной разъем Easy USB Type-A.
6. Компактная установка, которая легко помещается в коробку корпуса.
7. КПД примерно более 85%.

Поскольку этот дизайн сделан с учетом того, что Raspberry Pi может работать при полной нагрузке, важно знать, сколько тока потребляет Raspberry Pi. Поскольку для RPI доступно несколько вариантов, общее потребление тока для каждого можно увидеть в таблице ниже:

Модель	Состояние	Потребляемый ток (макс.)
Rpi 4 B	400% загрузка ЦП	1280 мА
RPi 3 B+	400% загрузка ЦП	980 мА
RPi 3 В	400% загрузка ЦП	730 мА
RPi 2 В	400% загрузка ЦП	400 мА
RPi 2B с твердотельным накопителем	400% загрузка ЦП + 1x 64 ГБ SSD USB	1250 мА

Таким образом, наличие 1,5 А запаса является последовательным способом запуска RPI. Но, согласно техническому описанию, пиковый ток может составлять 2,5 А. Важно иметь до 3 А от источника питания в устройстве блока питания, сохраняя 1,5 А постоянного тока.

Компоненты, используемые для разработки нашего индивидуального источника бесперебойного питания (ИБП)

1. Литиевая батарея 18650 1200 мАч
2. TP4056 — Модуль зарядки/защиты аккумулятора (Micro USB)
3. Конденсатор 10 мкФ 10 В
4. Резистор 100k
5. Резистор 620R 1%
6. Конденсатор 10 нФ 16 В
7. Катушка индуктивности 2,2 мкГн, рассчитанная на ток не менее 6 А
8. Конденсатор 0,1 мкФ 16 В
9. SR360 Диод
10. Конденсатор 100 пФ 10 В
11. Конденсатор 22 мкФ 10 В
12. Резистор 2k с допуском 1%
13. Резистор 6,1 кОм с допуском 1%
14. Разъем USB A
15. 18650 Держатель батареи

Принципиальная схема ИБП Raspberry Pi

Здесь на схеме мы видим несколько резисторов и конденсаторов, каждый из которых играет определенную роль в правильном функционировании модуля. C2 (1 мкФ) — конденсатор плавного пуска. Он используется для компенсации пускового тока, когда к выходу подключены высокие емкостные нагрузки. Благодаря этому конденсатору драйвер переключения будет медленно включать переключающий элемент, которым является дроссель L1 (2,2 мкГн). Этот L1 будет включаться и выключаться и при этом подавать питание на выходной диод Шоттки SR360. SR360 — это выпрямительный диод Шоттки на 3 А, 60 В, который преобразует высокочастотный выходной сигнал катушки индуктивности L1, а также предотвращает появление обратного тока в цепи.

Резисторы R3 (6,1 кОм) и R4 (2 кОм) — это два резистора обратной связи, которые обеспечивают необходимую обратную связь через импульсный стабилизатор. Разделенное напряжение или напряжение обратной связи всегда будет 1,245 на выводе FB регулятора. Таким образом, он повысит напряжение до 5В и за счет этого резистора 2к и 6,1к напряжение обратной связи достигнет 1,245В. C3 используется для сглаживания линии обратной связи.

620R и 10нФ, R1 и C1 необходимы для стабильной работы преобразователя.

C4 и C5 — конденсаторы фильтра для входа и выхода.

Схема и работа ИБП RPI

Давайте посмотрим на схему и диаграмму выводов микросхемы, используемой в нашем модуле резервного питания Raspberry Pi . Модуль PI UPS представляет собой простую схему, которую легко понять. Для простоты понимания я разделил модуль на две части или этапа:

1. Цепь зарядки аккумулятора
2. Переключение Буст регулятора.

Зарядное устройство:

Для простоты и без дополнительных усилий мы выбрали отличный модуль зарядного устройства TP4056. Это зарядное устройство со всеми модулями защиты, способными заряжать литий-ионный аккумулятор током 1 А. Кроме того, у него есть порт micro-USB. Таким образом, очень легко припаять этот модуль к печатной плате и получить функцию зарядки через USB со всеми типами защиты от зарядки без каких-либо дополнительных усилий по выбору компонента, разработке схемы, а затем закупке компонентов и, наконец, пайке на плате. . В большинстве случаев стандартная ИС для зарядки литий-ионного аккумулятора стоит больше, чем вся стоимость этого модуля. Таким образом, этот модуль может быть использован в качестве недорогой альтернативы. Этот модуль также имеет дополнительную функцию светодиодных индикаторов, которая показывает состояние заряда литий-ионной батареи с помощью двух отдельных светодиодов.

Импульсный повышающий регулятор:

Литиевая батарея обеспечивает выходное напряжение от 3,2 В до 4,2 В в условиях полного и полного заряда. Обычно напряжение аккумулятора остается в пределах 3,7-4,1 В при оптимальных условиях заряда. Таким образом, нам нужен какой-то импульсный стабилизатор, который мог бы обеспечить 5,0 В на выходе. В то же время нам нужно выбрать импульсный регулятор с требуемым диапазоном тока, который также составляет 3А. Здесь мы выбрали импульсный стабилизатор MIC2253, который представляет собой импульсный стабилизатор на 3,5 А, который использует ШИМ с частотой 1 МГц для генерации выходного напряжения. Поскольку частота переключения составляет 1 МГц, это открывает возможности для использования катушки индуктивности меньшего размера, которая могла бы обеспечивать большую мощность при крошечном размере. Чтобы компенсировать напряжение батареи, он имеет диапазон входного напряжения от 2,5 В до 10 В, что идеально соответствует нашим требованиям к конструкции.

Понимание описания контактов MIC2253: 

Прежде чем приступить к использованию какой-либо микросхемы, мы должны узнать описание ее контактов, чтобы лучше понять микросхему и ее функции.

→ Убедитесь, что этот чип имеет AGND и PGND. Оба одинаковы по схеме, так как оба контакта заземлены. Но это очень важная вещь, и она совершенно не похожа на другую, когда дело доходит до проектирования печатной платы и этапа прототипирования. Мы обсудим это позже в разделе о печатных платах.

Дизайн печатной платы для нашего ИБП Raspberry Pi

Вот и наступила сложная часть этого проекта. Почему? Давайте взглянем на это:

1. Тепловая компенсация — выходной ток 3 А при напряжении 5 В эквивалентен 15 Вт при возмущении трассы
2. Очень высокая частота — 1 МГц
3. Внутренняя конструкция MIC2253

Посмотрим, как с этим справиться. Но прежде чем продолжить, если вы не будете достаточно осторожны, схема выйдет из строя. Таким образом, я советую вам использовать печатную плату, представленную на нашем веб-сайте.

Неправильный дизайн печатной платы этого чипа может привести к следующим проблемам:

1. Непреднамеренное отключение из-за срабатывания тепловой защиты
2. Высокие пики на выходе
3. Очень высокая пульсация из-за неопределенного шума грунта
4. Высокий отскок от земли может повлиять на RPI.

1. Термическая компенсация — выходной ток 3 А при напряжении 5 В, эквивалентный 15 Вт при нарушении трассировки:

Прежде всего, всегда изготавливайте платы высокой мощности в два слоя, где требуются радиаторы печатных плат.

Используемая заземляющая плоскость представляет собой общую рассеиваемую площадь, на которой будет происходить теплопроводность чипа.

Рассчитаем площадь поверхности-

Согласно проектным данным плита имеет размеры: 87 мм x 38 мм = 3306 кв. мм .

Теперь площадь поверхности меди при 100% заполнении будет эквивалентна 3306 x 2 = 6612 кв мм .

Мой дизайн показывает, что общая заливка грунта на полигональном слое эквивалентна 69,73% . Предположим, что это 70%.

Таким образом, мое поколение радиатора в двухмерном представлении будет: 6612 x 70% = 4628 квадратных мм

Теперь, поскольку это медь, у него есть физическая толщина. Доступны два типа толщины меди: 30 мкм и 70 мкм. 70мкм дороже. Таким образом, в 3D виде моя медная поверхность будет 4628 + (4628 x 0,035) = 4789 для 35 мкм и для 70 мкм это будет примерно 5000 кв мм.

Это очень плохой и грубый расчет, так как теплопроводность не будет одинаковой во всех местах, в зависимости от рабочей температуры и температуры окружающей среды, атмосферного давления и всего прочего. Но не будем углубляться в эту часть. Если грубо предположить, что 50% из 5000 кв.мм выполняет свою работу, то 2500 кв. мм будет радиатором нашего устройства для MIC2253, которого достаточно.

Теперь дорожки сделаны толще в соответствии с минимальным стандартом IPC, чтобы компенсировать это:

2. Очень высокая частота — 1 МГц:

Диапазон МГц — это первый этап проектирования радиочастот. На этом этапе стало сложно изолировать дорожки от паразитной емкости и создать мини-версию схемы RLC, так как дорожки сделаны из меди, у нее есть сопротивление и индуктивность, стеклянные пластины между двумя дорожками емкостные.

Избегаемая трасса FB для прокладки рядом с индуктором или ниже от индуктора.

Обеспечено заземление через контакт FB на входе в отношении MIC2253.

3. Внутренняя конструкция MIC2253:

В конструкции MIC2253 используются шумные и сложные аналоговые схемы, а также мощные проходные транзисторы. Теперь при токе 3,5А, при запуске огромная нагрузка будет давать небольшое падение напряжения и это приводит к проблеме в датчике-компараторе.

См. внутреннюю конструкцию, где показаны два отдельных заземления, но они являются общим заземлением:

Синий — аналоговое заземление, которое используется полностью аналоговыми цепями, а красный — заземление питания, используемое всеми цепями нагрузки и ток нагрузки L _i будет проходить через проходной транзистор. Разделение этих двух вещей имеет важное значение.

Красный — это заземление питания, а синий — аналоговое заземление, которое полностью отделено от плоскости фактического заземления. Он даже не подключен в нижней части:

R4 и C1 подключены только через отдельный верхний заземляющий путь, даже не в нижней многоугольной плоскости заземления.

Изготовление ИБП Raspberry Pi с использованием PCBWay.

Теперь, когда мы поняли, как работают схемы, мы можем приступить к сборке печатной платы для нашего проекта. Нажмите на ссылку, чтобы просмотреть все проекты печатных плат, которые мы построили ранее. Вы также можете найти файл проекта печатной платы NodeMCU GPS Tracker и файл GERBER по ссылке ниже.

Дизайн и файлы Gerber

Теперь, когда наш дизайн готов, пришло время изготовить его с использованием файла Gerber. Изготовить печатную плату с помощью PCBWay очень просто; просто следуйте инструкциям ниже.

Шаг 1: Перейдите на https://www.pcbway.com/, зарегистрируйтесь, если это ваш первый раз. Затем на вкладке «Прототип печатной платы» введите размеры вашей печатной платы, количество слоев и необходимое количество печатной платы.

Шаг 2 : Нажмите кнопку «Цитировать сейчас». Вы попадете на страницу, где можно установить несколько дополнительных параметров, если это необходимо, например, используемый материал, расстояние между дорожками и т. д., но обычно значения по умолчанию работают нормально.

Шаг 3:  Заключительный шаг – загрузка файла Gerber и продолжение платежа. Чтобы убедиться, что процесс прошел гладко, PCBWAY проверяет, действителен ли ваш файл Gerber, прежде чем приступить к оплате. Таким образом, вы можете быть уверены, что ваша печатная плата удобна в изготовлении и будет доставлена ​​вам в соответствии с обязательствами.

Сборка платы ИБП Raspberry Pi

Через несколько дней мы получили нашу печатную плату от PCBWay в аккуратной упаковке, и, как вы можете видеть ниже, качество печатной платы было как всегда хорошим. Верхний слой и нижний слой были выполнены без проблем с правильным расстоянием между визами и дорожками.

Убедившись в правильности дорожек и посадочных мест, я приступил к сборке печатной платы. Полностью спаянная плата выглядела так, как показано на изображении ниже.

Плата ИБП Raspberry Pi — тестирование и работа

Когда плата была готова, я начал ее тестировать. Я запитал его с помощью адаптера micro-USB и с помощью мультиметра проверил выходной сигнал на стороне повышающего преобразователя.

Как мы можем наблюдать с помощью мультиметра, выходное повышенное напряжение от литий-ионного элемента 3,7 В составляет 5 В, чего достаточно для питания нашего модуля Raspberry Pi. Поскольку наш выход 5 В готов, пришло время подключить наш модуль Rpi.

Как видно, модуль Rpi питается от усиленного питания 5 В от литий-ионной батареи 3,7 В. Красный светодиод также может светиться, так как ячейка в настоящее время заряжается и одновременно обеспечивает питание Rpi. Как только ячейка будет полностью заряжена, мы увидим синий светодиод, а затем мы будем готовы отключить наш адаптер постоянного тока от TP4056.

Для получения более подробной информации и конструкции смотрите видео по ссылке внизу этой страницы. Надеюсь, вы сегодня узнали что-то новое. Для получения дополнительной информации и вопросов, пожалуйста, напишите в разделе форума, чтобы получить ответ.